5.1. Исследование звеньев аф с пос

Генератор G подключается к гнёздам Х6 или Х7 и Х4 или Х5. Регистратор подключается к гнёздам Х31 и Х32. Выход АФ Х18 соединяется перемычкой с гнездом Х33. Вход АФ Х6 и Х7 соединяется перемычкой с гнездом Х8.

Изменяя частоту от f от 20 Гц до 10 кГц и поддерживая на его выходе постоянный уровень, снять в линейном режиме АЧХ АФ, особенно обратить внимание в область частот среза. Модуль АЧХ определяется по формуле

построить экспериментальную АЧХ фильтра совместно с теоретической.

5.2. Исследование звеньев аф с оос

Генератор G подключается к гнёздам Х2 или Х3 и Х4 или Х5. Регистратор подключается к гнёздамХ31 и Х32. Вход АФ Х3 соединяется перемычкой с гнездом Х8. Выход АФ Х17 соединяется перемычкой с гнездом Х33. Изменяя частоту от f от 20 Гц до 10 кГц и поддерживая на его выходе постоянный уровень амплитуды входного сигнала, снять в линейном режиме АЧХ АФ, особенно обратить внимание в область частот среза. Модуль АЧХ определяется по формуле

построить экспериментальную АЧХ фильтра совместно с теоретической.

4 Содержание отчета

Отчёт по лабораторной работе выполняется индивидуально в соответствии с требованиями кафедры и содержит:

6. цель и задачи работы,

7. схемы исследуемых АФ,

8. расчётные параметры и АЧХ АФ,

9. экспериментальные параметры и АЧХ АФ,

10. выводы.

5. Контрольные вопросы

1. В чём состоит преимущество АФ на RC-цепях?

2. Приведите АЧХ АФ и условия физической реализуемости АФ.

3. Назовите три задачи синтеза АФ.

4. Приведите выражения комплексного передаточного коэффициента АФ 1-го и 2-го порядков (НЧ, ВЧ, ПФ и ЗФ).

5. Приведите схемы звеньев НЧ 1 и ВЧ 1 АФ с ПОС и их АЧХ.

6. Приведите схемы звеньев НЧ 2 и ВЧ 2 АФ с ПОС и их АЧХ.

7. Приведите схемы звеньев ПЗ 3и ЗЗ 2 АФ с ПОС и их АЧХ.

8. Приведите схемы звеньев НЧ 1 и ВЧ 1 АФ с ООС и их АЧХ.

9. Приведите схемы звеньев НЧ 2 и ВЧ 2 АФ с ООС и их АЧХ.

10. Приведите схемы звеньев ПЗ 3и ЗЗ 2 АФ с ООС и их АЧХ.

6. Рекомендуемая литература

1. Проектирование усилительных устройств/ Под ред. А.В.Терпугова. Учеб. Пособие. – М.: Высшая школа, 1982.-190 с.

2. Усилительные устройства. Уч. Пособие. Под ред. О.В.Головина. – М.: Радио и связь. 1993. – 352 с.

3. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. Учеб. Пособие. – М.: Радио и связь, 1989. – 400 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8

Исследование интегральных компараторов напряжения (2 часа)

1 Цель работы

Цель работы состоит в изучении физических и математических моде­лей интегральных компараторов напряжения (КН) и приобретений навыков эксперименталь­ного исследования свойств и параметров интегральных КН и проектирова­ние схем КН по заданным характеристикам.

2 Краткая теоретическая справка

2.1 Общие положения

Компараторы напряжения (КН) - специализированные интегральные схе­мы (ИС) с дифференциальным входом, применяемые для преобразования входных аналоговых сигналов в цифровую форму, для сравнения по уровню двух сигналов, преобразование напряжения в длительность импульса. (1-3).Пре­образование осуществляется путем сравнения входного аналогового сигна­ла с некоторым образцовым (опорным) напряжением. ИС вырабатывает выход­ной цифровой сигнал (с уровнем логического 0 или логической 1) в зави­симости от соотношения уровней входного и опорного напряжений.

Если напряжение Uвх на сигнальном входе (неинвертирующий вход КН) больше опорного Uоп (инвертирующий вход) вырабатывается сигнал с уровнем логической 1 ,а если меньше то с уровнем логического 0.

Если сигналы Uвх и Uоп поменять местами то реакция КН изменится на противоположную .

Как правило КН строятся на основе операционных усилителей (ОУ). Их выходной каскад обычно представляет собой узел формирования сигналов высокого и низкого уровней, соответствующих одному из стандартов цифровой логики (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП).

Как и ОУ, КН имеет два дифференциальных входа и один или два парафазных выхода. Часто имеется вход стробирования, позволяющий управлять выходом в зависимости от входных сигналов.

По сравнению с ОУ КН, как правило, отличаются повышенным быстродействием(благодаря уменьшению амплитудного диапазона выходного сигна­ла и принятию мер, направленных на предотвращение глубокого насыщения каскадов). Отсутствие частотной коррекции не позволяет использовать КН для работы в линейном режиме.

Так как выходной сигнал КН изменяется в зависимости от разности входных сигналов, то большую роль играет коэффициент усиления напряжения – при его увеличении уменьшается величина разности входных сигналов при которой происходит смена уровней выходного сигнала.

Большую роль играет и быстродействие КН (скорость отклика) которое определяется скоростью нарастания выходного сигнала каскада усиления и задержкой срабатывания каскада формирования этого сигнала. Быстродействие характеризуют временем задержки включения , которое представляет собой время, прошедшее с момента изменения входного сигнала относительно порогового уровня до соответствующего ему изменения выходного сигнала.

Параметры КН, сходные с параметрами ОУ, имеют одинаковый физический смысл.

Напряжение логических уровней выходного сигнала позволяет определить с каким типом цифровой логики может работать данный КН, а выходной ток – его нагрузочную способность.

2.2 Основные параметры компараторов

1. - номинальные напряжения соответственно источников 1 и 2;

2. - токи, потребляемые от источника 1 и 2;

3. - коэффициент усиления напряжения;

4. - напряжение смещения;

5. - коэффициент ослабления синфазного сигнала;

6. - входной ток;

7. - разностный ток;

8. - максимальное дифференциальное напряжение;

9. - максимальное синфазное напряжение;

10. - напряжение стробирования;

11. - выходное напряжение 0 и 1;

12. - выходной ток логического 0;

13. - время задержки включения;

14. - максимальная рассеиваемая мощность;

15. - входное сопротивление;

16. - выходное сопротивление;

В данной работе используется микросхема К554СА3. КН этого типа имеет высокую чувствительность и высокое входное сопротивление. Корпус ИС КР554СА3-201.14-1. Такие же параметры имеют КН К521СА301, выполненные в корпусе 301.8-2 и 3101.8-1.

Зарубежный аналог ИС К554СА3-ИС LM111, а для КР521СА3-LM221N.

Электрические параметры
В…-15 В…+15 мА…5 мА…6 … 150000 мВ…3	дБ…80 мкА…0,1 мА…0,01 мА…50 нс…300 Совместимость КМОП, ТТЛ

Рис.1 Схема включения ИС К554СА3 с коллекторным выходом

У ИС К554СА3 два выхода: открытый коллектор – вывод 9 и открытый эмиттер – вывод 2. Максимальный выходной ток через выход 9 – 200мА.

Для увеличения быстродействия выводы 7 и 8 соединяют с выводом 11 или выводы 7,8 соединяют между собой через конденсатор С1 – 0,1 мкФ.

Эмиттерный выход используется при работе с низкоомной нагрузкой, при этом вывод 2 и общую шину соединяют резистором 510 Ом, а выход снимают с вывода 2. Коллекторный выход соединяется с +5В через резистор 1,2 кОм.

2.3 Принцип работы компаратора

В случае прямого включения КН входное напряжение попадет на вход 3, опорное напряжение подается на вход 4 (рис.1). Если напряжение на сигнальном входе больше опорного напряжения, то на коллекторном выходе вырабатывается сигнал с уровнем «1», а если меньше – то с уровнем «0».

Рис. 2 Диаграмма напряжений на выводах ИС К554СА3

В случае инверсного включения КН входное напряжение подается на вход 4, а опорное напряжение на вход 3.

Если входное напряжение выше опорного, то на выходе КН появляется логический «0», то есть реакция обратная.

Приведем расчет относительной погрешности компаратора.

Если измерение выходного напряжения , и коэффициент усиления , то разность между , вызывающее изменение выходного напряжения равна:

Если равно, например, - 2,5В, то это соответствует относительной погрешности компаратора:

Разность ( ) здесь удвоена, так как полное изменение выходного напряжения компаратора происходит, когда входной сигнал выше или ниже на 0,5мВ. Результат сравнения двух уровней напряжения при этом получается с высокой точностью.

Предельное значение погрешности компаратора К554СА3 составляет

Из рис.2 видно, что помеха вызывает ложное срабатывание компаратора. Это явление следует считать недостатком КН в обычном включении.

2.4 Регенеративный компаратор

Регенеративный КН представляет собой триггер Шмита с двумя источниками питания, схема компаратора приведена на рис.3, а на рис.4 временные диаграммы его работы.

Рис.3 Схема регенеративного компаратора

Рис.4 Временные диаграммы в РКН

А) напряжение на входе

Б) напряжение на выходе

Резисторы R1, R2 образуют делитель цепи положительной обратной связи (ПОС) в триггере Шмита. Когда (верхней точки опрокидывания), тогда велико. Напряжение равно

,

где - положительное напряжение насыщения, обычно на 1В меньше, чем . В нашем случае выходной каскад компаратора К554СА3 выполнен с открытым коллектором, соединённый с +5В через резистор для согласования с уровнем ТТЛ.

Когда выходное напряжение становится отрицательным и стремится к - (в нашем случае ОВ), то есть к максимальному отрицательному выходному напряжению компаратора.

Отрицательное выходное напряжение вызывает падение напряжения на неинвертирующем входе до напряжения нижней точки

Как показано на рис.4а КН не изменяет своего состояния, пока . Благодаря гистерезису небольшие шумы во входном сигнале не вызовут изменений состояния компаратора. В случае когда входной сигнал РКН имеет синусоидальную форму он преобразуется в меандр.

Рис.5 Гистерезис в РКН

Описание лабораторного стенда

Конструктивно стенд выполнен в виде коробчатого блока с автоном­ным питанием от сети переменного тока 220В, 50Гц. На лицевой панели ус­тановлены: выключатели сети SA1 со светодиодным индикатором HL; воль­тметр PV постоянного напряжения с диапазоном измерения -15…+15В; SA2-переключатель вида испытательного сигнала (от генератора G1,сигнал 1-положительная трапеция, сигнал 2-двуполярная трапеция); SA3-ключ для подключения внутреннего генератора шума G2; гнезда ХS12, ХS7-для подклю­чения входа синхронизации осциллографа.

Лабораторный макет выполнен на печатной плате с гнездами XS для коммутации и для подключения приборов. Схема электрическая стенда представлена на рис. 8. Гнездо XS1 - выход сумматора для снятия сигнала внутреннего генератора G1. Гнезда XS2, XS3 служат для подведения ко входам всех исследуемых КН испытательного сигнала, либо от внутреннего ,либо от внешнего генератора. Гнезда XS4, XS5, XS6 - служат для подклю­чения PV и измерения опорных напряжений КН, снимаемых с потенциометров R12, R13, R14. Гнезда XS7 cоеденены сообщим проводом; гнезда XS8, XS9, XS10, XS11 служат для подключения осциллографа и визуального наблюде­ния сигналов на выходах исследуемых схем КН. На DA1 собрана схема двуполярного КН, на DA2-схема инверсного двухполярного КН, на DA3 собрана схема однополярного КН, на DA4-собрана схема РКН с регулируемой резис­тором R11 глубиной (ПОС).

Резисторы R1, R2, R3, R4 служат коллекторными нагрузками выходных каскадов DA1...DA4.На VT1 собрана схема инвертирующего каскада, вход которого соединен с выходом РКН, а выход соединен с гнездом ХS11. Кон­денсаторы С1...С4 служат для повышения быстродействия КН.

В работе, для исследования КН, используются два вида сигналов (сигнал 1 и сигнал 2) от внутреннего генератора G1, шум от внутреннего генератора G2 и синусоидальный сигнал от внешнего генератора звуковой частоты.

Рис.7:

а) однополярный сигнал (сигн.1)

б) двуполярный сигнал (сигнал.2)

в) шумовой сигнал (шум вкл.)

г) синусоидальный сигнал