2.2. Технические требования к преобразователю следующие:
Преобразователь должен преобразовывать входной амплитудно - модулированный сигнал в выходной сигнал постоянного тока.
Амплитуда входного синусоидального сигнала – от 0 до 200 мВ.
Частота входного сигнала – 10000 Гц.
Амплитуда выходного сигнала – 0 – 5 В.
Полоса частот выходного сигнала – от 0 до 200Гц.
Допустимая приведенная погрешность нуля - 0,5%; приведенная погрешность чувствительности – не более 1%; неравномерность амплитудно – частотной характеристики – не более 20%
2.3. При разработке схемы преобразователя необходимо исходить из аналитического выражения преобразования входного сигнала x (t) в выходной при амплитудной модуляции:
Cогласно приведенному выражению необходимо получить модуль входного сигнала, что достигается использованием диодов, и проинтегрировать результат, например, RC – цепью. Не идеальность характеристик диодов (большое сопротивление и нелинейность для малых входных сигналов) парируется предварительным усилением сигнала и введением в выпрямитель операционного усилителя с обратной связью.
Рекомендуемая схема преобразователя изображена на рис. 1 (студент вправе использовать любую другую). На схеме не показаны линии питания микросхем.
На операционном усилителе А1 собран усилитель модулированного сигнала. Расчет его сводится к выбору сопротивления R3 (обычно это сопротивление от 100 кОм до 1 МОм) и расчету сопротивления R2 из формулы:
где UВЫХ и UВХ – соответственно напряжения на входе и выходе усилителя на микросхеме А1.
Назначение второго операционного усилителя А2 и диода А3 – детектирование входного сигнала. R5 C2 образуют интегратор для фильтрации высокочастотного сигнала (10000 Гц и его гармоник). Расчет схемы интегратора сводится к выбору сопротивления R5 (обычно 50 - 100 кОм) и емкости С2 из условия, что коэффициент передачи RC – цепи, равный
;
ω = 2π* 200
А2
R2
Вход
А1
Выход
А3
R5
С1
R4
Рис.1. Принципиальная схема преобразователя
не изменяется в заданной полосе частот (в данной работе это полоса 0-200 Гц) больше допустимой неравномерности амплитудно-частотной характеристики (по заданию это 20%).
Конденсатор С1 служит для предотвращения прохождения постоянного тока с выхода первого каскада на вход второго, что исключает влияние смещения нуля (погрешность нуля) первого каскада на выходной сигнал преобразователя. Сопротивление R4 устанавливает входное напряжение второго каскада (а благодаря цепи обратной связи и выходное напряжение каскада) равным нулю при отсутствии входного переменного сигнала.
2.4. Расчет схемы преобразователя ведется в следующей последовательности.
Рассчитывают номинальные значения элементов интегрирующей цепи R5 и С2. Задаются значением емкости С2, обычно принимают величину емкости от 1 до 10 мкФ. Определяют коэффициент передачи на частоте 200Гц и на постоянном токе из выражения ; для частоты 200Гц ω = 2π* 200, а для постоянного тока ω=0.
Очевидно, что на постоянном токе К0=1. По требованиям к преобразователю на частоте 200 Гц спад амплитудно-частотной характеристики не должен превышать 20%; из этого условия и задавшись величиной С2 определяют значение сопротивления R5 из выражения:
.
Проверяют уровень подавления несущей частоты 10000Гц. Условие подавления выполняется, если справедливо неравенство
,
где С и R – значения С2 и R5 из п. 2.4.1.
Если условие не выполняется, то необходимо произвести повторный расчет по п. 2.4.1 при другом значении емкости С2.
Коэффициент усиления (коэффициент передачи) операционного усилителя А2 с цепью обратной связи равен 1 и, следовательно, на вход должен поступать сигнал с максимальной амплитудой близкой к максимально заданной (5В). Емкость С1 и сопротивление R4 выбирают такими, чтобы не изменилась амплитуда поступающего с первого каскада сигнала. Обычно принимают величину емкости равной 1мкФ, а сопротивления 150кОм.
Коэффициент усиления первого каскада К1 определяется как отношение необходимого выходного сигнала (5В) при максимальном значении входного сигнала (200мВ).
Задавшись величиной сопротивления R3 (от 100кОм до 1МОм), определяют величину сопротивления R2 из выражения
Значение сопротивления R1 выбирается в диапазоне 150 – 500 кОм.