2.7 Блок преобразования сигналов
2.7.1 Преобразование амплитуды сигнала
При проектировании различных приборов часто требуется осуществить преобразование амплитуды (мощности) сигнала. Преобразование сигналов уровней ТТЛ и интерфейса последовательного порта компьютера RS-232 были рассмотрены в п.2.6.2.
Преобразование сигналов может происходить как в сторону усиления амплитуды (мощности) сигнала, так и в сторону ослабления сигнала.
В случае усиления сигнала обычно используют операционные усилители. Операционный усилитель (ОУ) - это аналоговая микросхема, выполняющая функцию дифференциального усилителя постоянного тока. Условное обозначение ОУ представлено на рисунке 2.27.
|
V+ - неинвертирующий вход; V− - инвертирующий вход; Vout - выход; VS+ плюс источника питания; VS− - минус источника питания Рисунок 2.27 – Условное обозначение ОУ |
ОУ обладает очень высоким коэффициентом усиления (105-106) и поэтому зачастую его применяется в режиме отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь – это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Для питания ОУ применяют обычно двухполярные источники питания ±15 В. На схемах иногда не показывают подключение источников питания к ОУ и вывод, предназначенный для заземления.
Рассмотрим инвертирующую схему включения ОУ (рисунок 2.28). Коэффициент усиления приведенной схемы определяется как Кус=-R2/R1;
|
Рисунок 2.28 – Инвертирующий усилитель |
Недостаток схемы инвертирующего усилителя состоит в том, что она обладает малым входным импедансом, особенно с большим коэффициентом усиления по напряжению, в которых резистор R1, как правило, бывает небольшим. Этот недостаток устраняет схема, представленная на рисунке 2.29 – неинвертирующий усилитель. Коэффициент усиления этой схемы определяется как K=Uвых/Uвх=1+R2/R1.
|
Рисунок 2.29 – Неинвертирующий усилитель |
На рисунке 2.30 изображен повторитель на основе ОУ. Он представляет не что иное, как неивертирующий усилитель, в котором сопротивление резистора R1 равно бесконечности, а сопротивление резистора – нулю (коэффициент усиления равен 1). Усилитель с единичным коэффициентом усиления иногда называют буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным).
|
Рисунок 2.30 – Повторитель |
ОУ также можно использовать для решения обратной задачи – ослабления сигналов – подобрав соответствующим образом значения сопротивления резисторов.
Задача ослабления сигналов может быть решена с использованием делителя напряжения. Простейший делитель напряжения – это схема, которая для данного напряжения на входе создает на выходе напряжение, которое является некоторой частью входного. Простейший делитель напряжения представлен на рисунке 2.31.
|
Рисунок 2.31 – Делитель напряжения |
Для делителя напряжения, изображенного на рисунке 2.30 справедливо следующее выражение
Uвых=I·R2=Uвх·R2/(R1+R2).
Делители напряжения часто используют в схемах чтобы получить заданное напряжение из большего постоянного (или переменного) напряжения. Например, если взять в качестве R2 резистор с регулируемым сопротивлением, то мы получим схему с управляемым выходом, более простым путем можно комбинацию можно получить, если взять один резистор с переменным напряжением или потенциометр (рисунок 2.32).
|
Рисунок 2.32 – Регулируемый делитель напряжения |
Для ослабления сигналов также можно использовать аттенюатор – устройство, предназначенное для ослабления проходящего через него сигнала в заданное число раз.
Иногда возникает задача изменить полярность напряжения. Для этой цели могут быть использована инвертирующая схема включения операционного усилителя с коэффициентом усиления равным 1. Также изменить полярность напряжения можно с использованием различных микросхем, например ICL7662 (рисунок 2.33).
|
С1 = С2 = 10мкФ Рисунок 2.33 – Преобразователь полярности напряжения с использованием микросхемы ICL7662 |
На практике часто возникает задача получить стабилизированные напряжения в достаточно большом диапазоне - от единиц вольт до нескольких десятков вольт. Выпускаемые отечественной промышленностью интегральные стабилизаторы напряжения серии КР142 позволяют простыми схемными методами решить эту задачу.
Некоторые микросхемы серии КР142, наиболее часто используемые на практике, приведены в таблице 2.12
Таблица 2.12 – Микросхемы серии КР142
Наименование микросхемы |
Напряжение стабилизации, В |
Рассеиваемая мощность, Вт |
Потребляемый ток, мА |
КР142ЕН5А |
5±0,1 |
5 |
10 |
КР142ЕН8А |
9±0,15 |
6 |
10 |
КР142ЕН8Б |
12±0,27 |
6 |
10 |
КР142ЕН8В |
15±0,36 |
6 |
10 |