//////////////// Лабораторная работа №1 по курсу «Основы схемотехники» «Изучение простейших линейных схем аналоговой обработки сигналов»

Цель работы: Освоение процесса моделирования с использованием Cadence Virtuoso Schematic Editor & Virtuoso Symbol Editor, Analog Artist Simulation. Изучение простейших линейных схем аналоговой обработки сигнала.

Задание:

1. Провести частотный (AC Analysis) анализ схемы пассивного RC-фильтра НЧ первого порядка.

2. Провести временнόй (Transient) анализ схем инвертирующего или неинвертирующего усилителя (согласно варианту)

3. Провести анализ схемы активного инвертирующего интегратора.

4. Провести частотный и временнόй анализ схемы активного фильтра НЧ второго порядка (согласно варианту).

Теоретическая часть

В аналоговой схемотехнике рассматриваются схемы аналоговой обработки сигнала. По умолчанию предполагается, что сигнал представляет собой переменное и непредсказуемое значение либо тока, либо напряжения. Если бы его значение всегда можно было бы предсказать, этот сигнал потерял бы для нас интерес, и для его обнаружения и измерения не требуется создавать аналоговые схемы.

Осциллограмма типового сигнала (например, человеческая речь) выглядит шумоподобно (Рис. 1), то есть ее значения, как превышающие некоторую постоянную составляющую (отсутствие сигнала), так и меньшие ее, являются равновероятными.

Рис. 1 – Осциллограмма типового сигнала

По этой причине практически в любом аналоговом узле в качестве постоянной составляющей напряжения (напряжение на сигнальном проводе при отсутствии сигнала) принято напряжение, равноудаленное от потенциалов источника (источников) питания. В случае одного источника питания потенциал постоянной составляющей равен половине напряжения питания, т.е. V_dda/2. Ввиду особого его расположения и значения, этот потен циал называют потенциалом «аналоговой земли» V_gnda.

Примеры расчета передаточных функций некоторых пассивных линейных схем

Для характеризации линейных схем используется передаточная функция, которая представляет собой дифференциальный оператор, выражающий связь между входом и выходом системы. Зная входной сигнал и передаточную функцию системы можно восстановить выходной сигнал. Почему передаточная функция является атрибутом только линейных схем? Ответ заключается в следующем: линейная функция по определению является линейной для любой величины входного сигнала , поэтому, рассчитывая или измеряя передаточную функцию линейной или «почти» линейной (линейной с приемлемо малой погрешностью) системы для некоторого диапазона уровней входного сигнала, мы должны быть уверенными в её линейности и для расширенного диапазона уровней входного сигнала.

Пусть x(t) – входной сигнал линейной стационарной системы, а y(t) – её выходной сигнал. Тогда передаточная функция H(s) такой системы будет описываться выражением , где Y(s) и X(s) соответственно преобразования Лапласа для сигналов y(t) на выходе и x(t) на входе линейной системы. Преобразование Лапласа имеет вид: и .

Оригиналом передаточной функции H(s) является импульсная переходная функция или импульсная характеристика системы h(t). h(t) – выходной сигнал линейной системы как реакция на входной сигнал в виде дельта-функции (в цифровых системах входной сигнал для определения импульсной характеристики представляет собой простой импульс минимальной ширины (равной периоду квантования для дискретных систем) и максимальной амплитуды).

При подаче сигнала на вход системы вначале возникает нестационарный процесс установления нового состояния (переходной процесс), и действительная часть комплексной переменной входит в показатели экспонент, определяющих затухающий (при ) или возрастающий (при ) характер переходного процесса. При этом выражения с множителем, содержащим экспоненту с , уменьшаются до нуля, следы нестационарности процесса исчезают, и можно считать, что во все последующее время , и . По этой причине амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики (АФЧХ) для линейной стационарной (  = 0) системы можно получить из передаточной функции путем формальной замены комплексной переменной s =  на . Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) является зависимостью коэффициента передачи линейной системы от частоты; причём АЧХ является модулем комплексной АФЧХ. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) является зависимостью сдвига фазы между входным и выходным сигналами от частоты, и её можно получить как аргумент комплексной АФЧХ. Для удобства представления АЧХ и ФЧХ изображают как правило в логарифмических координатах (АЧХ – зависимость от , где - действительный коэффициент передачи сигнала, а ФЧХ – зависимость от ).