3.7 Экспандер

Экспандер – устройство, предназначенное для расширения динамического диапазона сигнала.

На рис. 3.7.1 изображена характеристика экспандера в линейном масштабе, из рассмотрения которой следует, что коэффициент передачи экспандера увеличивается при увеличении абсолютной величины входного сигнала.

На рис. 3.7.2 изображена линейно-ломаная аппроксимация характеристики экспандера.

На рис. 3.7.3 изображена модель схемы диодно-резистивного экспандера на ОУ, реализующая линейно-ломаную аппроксимацию характеристики экспандера. Схема содержит два комплекта резистивно-диодных цепей, обеспечивающих получение характеристики экспандирования при положительных и отрицательных значениях U_вх.

Рис. 3.7.3. Модель схемы экспандера

При относительно малых абсолютных значениях входного сигнала (U_вх) диодные ключи D1-D4 закрыты напряжением смещения, подаваемым через резисторы R_3-3-1, R_3-2-1, R_3-2-2, R_3-3-2, коэффициент передачи схемы определяется только резисторами R_2-1 и R_1-1 :

. (3.7.1)

При увеличении абсолютного значения U_вх открываются ключи D2 (D3), параллельно резистору R_1-1 подключаются резисторы R_1-2-1 (R_1-2-2), коэффициент передачи (K₂) увеличивается.

При дальнейшем увеличении абсолютного значения U_вх открываются ключи D1 (D4) и подключаются резисторы R_1-3-1 (R_1-3-2), ещё более увеличивая коэффициент передачи (K₃).

К₁ < K₂ < K₃ . (3.7.2)

Задание

На базе ОУ реализована схема экспандера входных сигналов, передаточная характеристика которого для положительных значений U_вх аппроксимируется тремя отрезками прямых:

Uвых =

0,67 Uвх  ; 0 < Uвх < 2 , - 0,67 + Uвх ; 2 < Uвх < 4 , 2,67 + 1,5 Uвх ; 4 < Uвх < 6 .

Входное сопротивление компрессора R_вх > 5 кОм.

1). Рассчитайте величины сопротивлений резисторов в цепях отрицательной обратной связи (ООС) ОУ, считая, что ключи в цепях ООС идеальны.

2). Для каждой i-ой ветви рассчитайте:

• сопротивление диода

• ток диода

• напряжение на диоде

• сопротивление резистора смещения

3). В программе MC7 введите модель функциональной схемы экспандера (Рис. 3.7.3), используя рассчитанные значения сопротивлений резисторов. Источник входного сигнала V3 находится в программе:

Component/Analog Primitives/Waveform Sources/V.

4). Войдите в режим анализа DC. Установите пределы для V3: Variable 1 – Auto - Range 6 ,-6. Постройте передаточную характеристику экспандера U_вых (U_вх) (Рис.3.7.4 - верхний график).

5). Коэффициент передачи на каждом отрезке линейно-ломаной аппроксимации характеристики компрессора равен тангенсу угла наклона характеристики, то есть равен производной от U_вых по U_вх . В точке перегиба характеристики должен быть скачёк значения производной.

Для точного измерения коэффициента передачи и фиксации точек перегиба на всех участках передаточной характеристики постройте характеристику зависимости производной от U_вых по U_вх. По оси X записывается v(In), по оси Y записывается del(v(Out))/del(v(In)) (Рис. 3.7.4 - нижний график).

Рис. 3.7.4. Передаточная характеристика экспандера (верхний график) и производная dU_вых / dU_вх (нижний график)

6). Изменяя сопротивления соответствующих резисторов в модели функциональной схемы экспандера, добейтесь соответствия характеристики (Рис. 3.7.4 - нижний график) заданию. Выберите номиналы резисторов из стандартного ряда Е96 (±1%), введите их в схему и постройте характеристики, соответствующие (Рис. 3.7.4).

7). В модели (Рис. 3.7.3) замените источник входного сигнала V3 на генератор Sine Source (F=1k A=6).

8). В режиме анализа Transient (время анализа 2 m) постройте на одном графике временные характеристики U_вх (t) и U_вых (t).

9). В режиме анализа Transient \ DSP Parameters \ Limits для второго периода сигнала U_вых:

• Установите число точек (Number of Points) =11;

• Постройте спектральную характеристику;

• Измерьте коэффициент гармоник по второй … десятой гармоникам и общий К_г;

• Результаты анализа по данному пункту представьте в виде спектральных графиков и в табличном виде.

10). Оформите документы «Схема электрическая принципиальная» (Э3) и «Перечень элементов» (ПЭ3).

11). Разработайте печатную плату [5].

Литература

1. Кривошейкин А.В., Нурмухамедов Л.Х. Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств: Учебное пособие.- СПб.: СПбГУКиТ, 2006. -116 с.

2. Кривошейкин А.В., Нурмухамедов Л.Х. Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств: Методические указания по выполнению лабораторных работ.- СПб.: СПбГУКиТ, 2007. -47с.

3. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью MicroCap 7. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. -368 с.

4. Кардашев Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств. - М.: Горячая линия - Телеком, 2002. -260 с.

5. Кривошейкин А.В., Нурмухамедов Л.Х. Проектирование печатных плат в системе Pcad: Учебное пособие.- СПб.: СПбГУКиТ, 2009. -120 с.

Приложение

Основные параметры резисторов

Номинальное сопротивление резистора – нормированное значение сопротивления. Резисторы изготавливаются на разные номиналы, которые в соответствии с рекомендациями МЭК (Международная электротехническая комиссия) стандартизированы. Согласно ГОСТ 2825-67 установлено шесть рядов номиналов сопротивлений: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Цифра указывает количество номинальных значений в данном ряду. Ряд допускаемых отклонений также нормализован. Допуск дают в соответствии с рядом ±0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10; 20; 30%.

Принцип построения рядов номинальных значений для резисторов с заданным допуском показан в табл. П-1.

Табл. П-1

Индекс ряда	Числовые коэффициенты, умножаемые на любое число, кратное 10n, n=0, 1, 2, 3, . . .	Допуск, %
E6	1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8	± 20
E12	1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8 1,2 1,8 2,7 3,9 5,6 8,2	± 10
E24	1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8 1,1 1,6 2,4 3,6 5,1 7.5 1,2 1,8 2,7 3,9 5,6 8,2 1,3 2,0 3,0 4,3 6,2 9,1	± 5
E48	1,00 1,05 1,10 1,15 1,21 1,27 1,33 1,40 1,47 1,54 1,62 1,69 1,78 1,87 1,96 2,05 2,15 2,26 2,37 2,49 2,61 2,74 2,87 3,01 3,16 3,32 3,48 3,65 3,83 4,02 4,22 4,42 4,64 4,87 5,11 5,36 5,62 5,90 6.19 6.49 6,81 7,15 7,50 7,87 8,25 8,66 9,09 9,53	± 2
E96	1,00 1,02 1,05 1,07 1,10 1,13 1,15 1,18 1,21 1,24 1,27 1,30 1,33 1,37 1,40 1,43 1,47 1,50 1,54 1,58 1,62 1,65 1,69 1,74 1,78 1,82 1,87 1.91 1,96 2,00 2,05 2,10 2,15 2,21 2,26 2,32 2,37 2,43 2,49 2,55 2,61 2,67 2,74 2,80 2,87 2,94 3,01 3,09 3,16 3,24 3,32 3,40 3,48 3,57 3,65 3,74 3,83 3,92 4,02 4,12 4,22 4,32 4,42 4,53 4,64 4,75 4,87 4,99 5,11 5,23 5,36 5,49 5,62 5,76 5,90 6,04 6.19 6.34 6.49 6.65 6,81 6,98 7,15 7,32 7,50 7,68 7,87 8,06 8,25 8,45 8,66 8,87 9,09 9,31 9,53 9,76	± 1

Продолжение Табл. П-1

Индекс ряда	Числовые коэффициенты, умножаемые на любое число, кратное 10n, n=0, 1, 2, 3, . . .	Допуск, %
E192	1,00 1,01 1,02 1,04 1,05 1,06 1,07 1,09 1,10 1,11 1,13 1.14 1,15 1,17 1,18 1,20 1,21 1,23 1,24 1,26 1,27 1,29 1,30 1,32 1,33 1,35 1,37 1,38 1,40 1,42 1,43 1,45 1,47 1,49 1,50 1,52 1,54 1,56 1,58 1,60 1,62 1,64 1,65 1,67 1,69 1,72 1,74 1,76 1,78 1,80 1,82 1,84 1,87 1,89 1.91 1,93 1,96 1,98 2,00 2,03 2,05 2,08 2,10 2,13 2,15 2,18 2,21 2,23 2,26 2,29 2,32 2,34 2,37 2,40 2,43 2,46 2,49 2,52 2,55 2,58 2,61 2,64 2,67 2,71 2,74 2,77 2,80 2,84 2,87 2,91 2,94 2,98 3,01 3,05 3,09 3,12 3,16 3,20 3,24 3,28 3,32 3,36 3,40 3,44 3,48 3,52 3,57 3,61 3,65 3,70 3,74 3,79 3,83 3,88 3,92 3,97 4,02 4,07 4,12 4,17 4,22 4,27 4,32 4,37 4,42 4,48 4,53 4,59 4,64 4,70 4,75 4,81 4,87 4,93 4,99 5,05 5,11 5,17 5,23 5,30 5,36 5,42 5,49 5,56 5,62 5,69 5,76 5,83 5,90 5,97 6,04 6,12 6.19 6,26 6.34 6.42 6.49 6.57 6.65 6,73 6,81 6,90 6,98 7,06 7,15 7,23 7,32 7,41 7,50 7,59 7,68 7,77 7,87 7,95 8,06 8,16 8,25 8,35 8,45 8,56 8,66 8,76 8,87 8,98 9,09 9,20 9,31 9,42 9,53 9,65 9,76 9,88	± 0,5

В резисторах общего применения номиналы сопротивлений согласованы с допусками таким образом, что получается так называемая “безотходная” шкала. При этом номинал и данный допуск одного резистора и примыкают к номиналу и допуску соседнего. Поэтому изготовленный резистор обязательно попадает в одну из номинальных групп.

Номинальная мощность рассеивания (Р_ном) указывает допустимую электрическую нагрузку в течение длительного времени при заданной стабильности сопротивления. Номинальные мощности рассеяния (Вт) устанавливаются согласно ГОСТ 9663-61 и соответствуют ряду значений: для микроэлементов - 0,01; 0,025; 0,05; для РЭА на дискретных элементах – 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; для проволочных резисторов – 5, 8, 10, 16, 25, 50, 75, 100, 160, 250, 500.

Мощность рассеивания определяется размерами резистора, конструкцией и свойствами резистивного элемента.