Лекции / ЛЕКЦИЯ15_09нк
.pdf
|
Четырёхполюсник |
|
|
|
выход |
|
|
|
|
|
|
||
|
обратной связи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Частотоза- |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
дающая |
|
|
Активный элемент |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
цепь |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 15.10 – Обобщённая функциональная схема генератора
Если в качестве частотозадающей цепи используется параллельный колеба-
тельный контур, то резонансная частота колебательного контура с активными
потерями rП определяется выражением:
wК = w0 |
1 - |
1 |
, |
() |
|
4Q2 |
|||||
|
|
|
|
где ω0 – собственная частота разомкнутой колебательной системы;
Q = (ωL/rП) – добротность системы.
Процесс возбуждения характеризуется граничным услови:емrП = 0 или
Q = µ.
Незатухающие колебания возникают и приrП < 0 (при этом условии
wК ¹ w0).
Наличие отрицательного сопротивления создаёт не гармонический, а ре-
лаксационный сигнал: вырабатывается генератором в виде импульсов при быстром
высвобождении энергии, запасённой, напр., в конденсаторе или катушке индуктив-
ности.
Условие rП < 0 обеспечивает электрическая схема.
Гармонические и релаксационные колебания– крайние случаи автоколе-
баний.
ЧАСТОТА ГАРМОНИЧЕСКИХ колебаний и АМПЛИТУДА
РЕЛАКСАЦИОННЫХ колебаний малочувствительны к внешним воздействи-
ям.
А ИЗМЕНЕНИЕ частоты гармонических колебаний сопровождается изме-
нением их амплитуды.
Частота релаксационных колебаний сильнозависит от внешних воздей-
ствий.
Сопротивление резонансной системы в зависимости от частоты определя-
ет полосу генерации.
Выражение ниже говорит, что в полосе частот от f1 до f2 резонансная система
имеет отрицательное сопротивление, которое является необходимым условием для возбуждения генератора:
f1 - f2 = Df = |
f0 |
|
- |
f0 |
|
, |
() |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1 - |
a |
1 + |
a |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
2Q |
|
|
2Q |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
(здесь a = (rK/rП)2 – 1).
Относительная нестабильность частоты автогенератора определяется:
a
d f |
= |
Df |
= |
Q |
. |
() |
||
|
|
|||||||
|
|
f0 |
1 - |
a |
|
|
|
|
|
|
4Q 2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
При Q > 100, можно считать: df » (a)1/2 / Q . То есть, высокодобротные резо-
наторы уменьшают нестабильность частоты генератора.
Примером генераторов гармонических колебаний могут служитьБАЗОВЫЕ СХЕМЫ, построенные на операционных усилителях и приведённые ниже.
Генератор с Г-образным фильтром в цепи обратной связи, рисунок 15.11.
RОС
RО |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
- |
C1 |
|
|
C2 |
|
|
|
C3 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R3 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1 |
|
|
R2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
выход |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 15.11 – Генератор гармонических колебаний с Г-образным фильт-
ром в цепи обратной связи
Частота генерации определяется частотно-зависимой обратной связьюи
равна значению частоты, при котором вносимый фазовый сдвиг равен 180 О.
Так как коэффициент передачи цепи обратной связи равен 1/29, то инверти-
рующий усилитель на операционном усилителедолжен компенсировать эти по-
тери. Его коэффициент усиления не должен быть менее 29: ROC/R0 ³ 29.
На практике часто делают выбор: R1 = R2 = R3||R0 = R ; а также, C1 = C2 = C3 = C.
При этом частота генерации определяется выражением:
f Г = |
1 |
|
|
. |
() |
|
2pRC |
|
|
||||
6 |
||||||
|
|
|
|
Генератор с мостом Вина. Мост Вина применяется в цепи обратной связи
и вносимый им фазовый сдвиг на частоте генерации равен нулю, рисунок 15.12.
Так как и неинвертирующий усилитель на ОУ не инвертирует входной сиг-
нал, то в этой схеме имеется положительная ОС.
RОС
RО
C1 R1
-
+
R2 С2
выход
Рисунок 15.12 – Генератор с мостом Вина
Коэффициент передачи моста Вина на частоте генерации равен 1/3. Поэтому
коэффициент усиления усилителя на ОУ должен быть не менее трёх:
RОС/R0 ³ 2.
Частота генерации определяется номиналами элементов моста Вина:
f Г = |
1 |
|
и при R1 = R2 |
= R и C1 = C2 |
= C , f Г = |
1 |
||
|
|
|
2pRC |
|||||
2p R1 R2C1C2 |
||||||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
() |
|
15.3 Компаратор, триггер Шмита
ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ аналоговых (непрерывных) сигналов в импульс-
ные сигналы, а также
для сравнения величины изменяющегося сигнала с постоянным значени-
ем опорного сигнала могут использоваться функциональные узлы, называемые
компараторами.
Компаратор может сравниватьопорное напряжение UО с напряжением изменяющегося сигнала UC. Если UO = 0, то компаратор фиксирует момент пере-
хода сигнала через нулевое значение («ноль-орган»).
Компараторы часто строятся на основе операционных усилителей. Если значения входного сигнала ПРЕВЫШАЮТ уровни, соответствующие линейной области амплитудной характеристики ОУ, то выходное напряжение ОУ равно од-
ному из фиксированных значений – U+ВЫХ MAX или U-ВЫХ MAX.
После ОУ может быть установлен ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УРОВНЕ
НАПРЯЖЕНИЯ – так осуществляется ПЕРЕХОД к уровням напряжения кон-
кретного схемотехнического базиса дискретных(цифровых) интегральных схем.
Электрическая принципиальная схема компаратора на ОУ приведена на ри-
сунке 15.13.
|
|
|
UУС |
|
|
|
|
|
|
R 2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
UC R 1 |
|
|
|
|
|
|
|
- |
выход |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
UВЫХ |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
R 3 |
|
|
|
|
|
|
R 4 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
UO |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 15.13 – Компаратор на операционном усилителе
Входное и опорное напряжения подаются на входы компараторасиммет-
рично.
Входной сигнал ОУ определяется выражением UУС = UC – UO, и этот сигнал определяет передаточную характеристику компаратора.
Если величины сигналов UC и UO не превышают значений допустимых входных напряжений ОУ, то эти сигналы могут подаваться на входы ОУ без резистивных де-
лителей напряжения.
Если UC < UO, то UУС < 0 и UВЫХ = U+ВЫХMAX . Если UC > UO, то UУС > 0 и UВЫХ = U–ВЫХMAX .
Так как коэффициент усиления ОУ очень велик, то переключение выходного состояния компаратора происходит при UУС » 0 .
При смене местами источников входных сигналов компаратора проис-хо дит инверсия его передаточной характеристики.
Если сигнальный сигнал на входе компаратораимеет ШУМОВУЮ состав-
ляющую, она многократно и случайным образом переключает выходной сигнал компаратора в относительно широком интервале времени. То есть, в этом слу-
чае невозможно установить момент равенства сигнального и опорного напря-
жений на входе компаратора.
При зашумлённом входном сигнале применяют триггер Шмита: ЭТО
компаратор, имеющий положительную обратную связь, вследствие кото-
рой передаточная характеристика такого функционального узла обладае ПЕТЛЁЙ ГИСТЕРЕЗИСА.
Электрическая принципиальная схема триггера Шмита приведена на рисунке
15.14.
UУС
UC
|
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
выход |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
UВЫХ |
||||
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R 2 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R 1 |
|
UO |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||||
Рисунок 15.14 – Триггер Шмита на ОУ
На рисунке 15.15 приведена ПЕРЕДАТОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА тригге-
ра Шмита для некоторого положительного значения опорного напряжения.
Эта характеристика имеет петлю гистерезиса, границы которой определе-
ны пороговыми напряжениями UОТП и UСР .
UВЫХ |
|
|
|
|
|
|
|
U+ВЫХMAX |
|
U |
|
O |
|
UСР |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|||||
0 UОТП |
|
|
|
||||
|
|||||||
|
|
|
UГ |
|
UВХ |
||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0
U
UC
шум
t
Рисунок 15.15 – Передаточная характеристика триггера Шмита
Значения пороговых напряжений по отдельности можно получить из выраже-
ний:
U СР |
= U O + |
U ВЫХ+ |
MAX - U O |
R1 ; |
|
|
|
|
|
|
() |
||||||||
|
|
R1 + R2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
UОТП = UO - |
|
U ВЫХ- |
MAX |
|
+ UO |
R1 ; |
|
|
|
|
|
|
() |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
R1 + R2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
U Г |
= U СР - U ОТП |
= |
|
|
R1 |
|
|
(U ВЫХ+ |
MAX + |
|
U ВЫХ- |
MAX |
|
) . |
() |
||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
R1 |
|
+ R2 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Чтобы НА ВЫХОДЕ |
триггера Шмита можно |
было ПОЛУЧИТЬ |
|||||||||||||||||
МАКСИМАЛЬНОЕ выходное напряжение ОУ при изменении входного сигнала
с некоторой частотой,
необходимо оценить ПОЛОСУ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ОУс
помощью выражения (), связывающего указанные параметры смаксимальной
скоростью изменения выходного напряжения ОУ:
V
f MAX » |
MAX ОУ |
. |
() |
|
2pU ВЫХMAX |
||||
|
|
|
Важной характеристикой компаратора является его быстродействие. Из-за инерционности ОУ может быть неправильная реакция на его выходе при быстром изменении значения входного сигнала.
Задержка Dtз появления сигнала на выходе относительного момента изме-
нения сигнала на входе зависит от диапазона, в котором изменяется входной сиг-
нал.
Значение Dtз обычно нормируют при превышении входного сигнала надu0
= 100 мВ на 5 мВ.
Так для специальных ИС компараторов 554СА1, 521СА3(СА4) и 597СА1(СА2)
Dtз равна 135 нс, 120 нс, 50 нс, 6,5 нс и 12 нс. Для компараторов на ОУ Dtз » 1 мкс.
Компараторы, специально разработанные для преобразования непрерывных сигналов в дискретные, переключаются гораздо быстрее, чем ОУ. Компараторы мо-
гут применяться в различных схемах с ПОС: формирователях, релаксационных ге-
нераторах и т. п.
В таблице 15.1 приведены параметры некоторых ИС компараторов.
Таблица 15.1 – Параметры компараторов
Тип |
Аналог |
Iвх, мкА |
Dtз, нс |
Потр. мощн., |
Примечание |
|
|
|
|
мВт |
|
|
|
|
|
|
|
К521СА1 |
mА711 |
10 |
100 |
130 |
Сдвоенный |
|
|
|
|
|
|
К521СА2 |
mА710 |
10 |
80 |
120 |
|
|
|
|
|
|
|
К521СА3 |
LM111 |
0,1 |
200 |
100 |
Эмиттерн. повтор. |
|
|
|
|
|
на вых. |
|
|
|
|
|
|
К521СА4 |
SE257 |
2 |
25 |
150 |
Два выхода |
|
|
|
|
|
|
К521СА5 |
LM710 |
2 |
менее 30 |
60 |
Выход ТТЛ, |
|
|
|
|
|
КМОП |
|
|
|
|
|
|
К521СА6 |
|
|
160 |
|
|
|
|
|
|
|
|
К597СА1 |
Аm685 |
10 |
6 |
300 |
Два выхода |
|
|
|
|
|
|
К597СА2 |
Аm686 |
10 |
10 |
350 |
¾ ¾ |
|
|
|
|
|
" |
К597СА3 |
ICL8001 |
0,2 |
100 |
40 |
Эмиттерн. повтор. |
|
|
|
|
|
на вых. |
|
|
|
|
|
|
К1401СА1 |
LM139 |
0,2 |
1300 |
40 |
Счетверёный |
|
|
|
|
|
|
К1121СА1 |
LM119 |
2 |
120 |
150 |
|
|
|
|
|
|
|
Компараторы можно разделить НА 4 ГРУППЫ:
–общего применения (К521СА2; СА5);
–прецизионные (К521СА3; К597СА3);
–быстродействующие (К591СА1; СА2);
–специализированные (К521СА1; СА4; К1121СА1; К1401СА1).
Особенности практического применения этих компараторов, в частности устра-
нения влияния шумовой составляющей входного сигнала, работы от высокоомных источников сигнала достигаются за счёт введения в компаратор ПОС, т. е. введения гистерезиса передаточной характеристики.
Список использованных источников
3 Кликушин Ю.Н., Михайлов А.В. Электроника в приборостроении. Тексты лекций. - Омск: ОмГТУ, 2000.
7 Сергеев В.М. Электроника. Ч.1: Элементная база, аналоговые функциональ-
ные устройства: Учеб. пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2000. – 128 с.