4795

21

2.Краткое описание лабораторного стенда

Стенд для проведения лабораторной работы представляет из себя автономный настольный блок, позволяющий с помощью осциллографа снять основные характеристики системы импульсно-фазового управления оптотиристорами.

На лицевую панель стенда вынесена принципиальная схема системы управления с контрольными точками, движок потенциометра, имитатор нагрузки (лампа накаливания) и вольтметр переменного тока, позволяющий визуально контролировать величину выходного напряжения (т.е. напряжения на нагрузке).

С задней стороны стенда расположены ввод шнура питания, сетевые предохранители, клемма заземления стенда и розетка, позволяющая подключать в качестве нагрузки к стенду различные устройства (встроенная лампа накаливания при этом не отключается).

Внимание: при включенном стенде на этой розетке присутствует переменное сетевое напряжение, опасное для жизни!

3.Проведение работы

3.1Включите стенд без внешней нагрузки. Главный выключатель расположен с правой стороны блока. Подготовьте к работе двухлучевой осциллограф. Общую шину прибора соедините с общей клеммой стенда (расположена в левом нижнем углу лицевой панели) .

3.2В качестве синхронизирующего устройства СУ в данном случае использованы диоды моста VD1; делитель R2 R3 предотвращает попадание на вход элемента DD1 напряжения, превышающего питающее ( точка А). Синхронизация осуществляется импульсами, соответствующими моментам прохождения сетевого напряжения через «нуль» (точка Б). Применение двухлучевого осциллографа позволит наблюдать характеристики синхронизирующего устройства (рис. 6а, 6б).

22

Рис. 5. Принципиальная электрическая схема лабораторного стенда

23

U, B

а

б

в

г

Рис. 6. Внешние диаграммы работы стенда

3.3Блок управления БУ как таковой в данной системе отсутствует. Функции внешнего датчика выполняет потенциометр R6, падение напряжения на котором является входной величиной для фазосдвигающего устройства ФУ.

3.4Фазосдвигающее устройство выполнено на элементах C3, DD1.3, С4R8, DD1.4. Угол открывания тиристоров определяется скоростью нарастания напряжения на С3 (UС3), которая, в свою очередь зависит от R6. Напряжение UС3 (рис. 6, в) поступает на вход DD1.3 в результате чего на его выходе напряжение высокого уровня периодически сменяется низким. По спаду напряжения дифференцирующая цепь С4R8 и элемент DD1.4 формируют положительный импульс (рис. 6, г).

3.5В качестве генератора импульсов ГИ используется транзистор VТ1, который открывается управляющими импульсами примерно на 0,1мс, что вполне достаточно для открытия оптотиристора.

3.6Основу оптотиристора составляет оптоэлектронная пара, состоящая из четырехслойной кремниевой структуры и излучающего диода. Поскольку цепи излучающего диода электрически изолированы от кремниевой структуры и управление происходит только за счет энергии светового луча светодиода, то такой прибор обеспечивает электрическую изоляцию силовых цепей от цепей управления, что упрощает системы управления тиристорами и повышает еѐ надежность.

3.7На рисунке 4 осциллограммы приведены схематично. Пользуясь масштабной сеткой двухлучевого осциллографа, начертите графики

24

А и Г при значениях напряжения на нагрузке 55, 100, 110, 165, 200 В. Какую часть синусоидального напряжения отсекает управляющий импульс? Как будет выглядеть напряжение на нагрузке? Приведите диаграмму для контрольной точки D.

4.Вопросы

1.По какой схеме включены оптотиристоры стенда?

2.Как можно заменив всего лишь один элемент схемы, превратить блок управления в схему включения-выключения оптотиристоров? Какой это будет элемент?

3.Что будет если заменить два встречно-параллельно включенных тиристора одним симистором? Какие нужно будет внести поправки в схему, чтобы она нормально работала?

4.Что будет если один из тиристоров выйдет из строя? Какие показания будут на вольтметре?

5.Будет ли работать эта система управления, если в качестве питающего напряжения нагрузки использовать не переменное напряжение 220 В,

апостоянное 110 В?

6.Что такое угол регулирования? В каких пределах он изменяется: 0…100, 0…450, 10…600, 0…900, 0…1800, 90…1800? Выберете наиболее правильный ответ.

7.Каков период управляющих импульсов в установившемся режиме (при отсутствии изменения внешнего воздействия) ?

25

Лабораторная работа №4 Цифро-аналоговые преобразователи

Цель работы: ознакомление с принципом работы десятиразрядного ЦАП и его основными характеристиками.

1. Краткие теоретические сведения

1.1Введение

Вцифровой форме информацию можно легко обрабатывать, хранить, передавать и отображать, не искажая еѐ и не внося ошибок. Цифроаналоговые преобразователи открывают широкие возможности использования цифровых методов для измерений, манипуляций и управления переменными физическими величинами, встречающимися в реальной действительности, например: скоростью, давлением, потоком, температурой и т. п.

Впринципе все эти величины можно непосредственно преобразовать в цифровую форму, но из-за сложности конструкции требуемых для этого преобразователей рациональнее сначала преобразовать их в электрические (напряжение, ток или сопротивление), а затем, чтобы можно было применить цифровую технику, перевести в цифровые данные. Последние, в свою очередь, часто преобразовывают в аналоговую форму для отображения или управления реальными параметрами (рис.1).

1.2 Кодировка цифровых данных

На вход ЦАП подается цифровой код. Входной код обычно поступает параллельно, т. е. одновременно на все входные линии. Если на вход ЦАП подается кодированный сигнал, то результат его на выходе будет иметь смысл только при условии, когда известны, во-первых, количественное значение кода и, во-вторых, характеристика преобразования, заложенная в преобразователе. Существует множество различных кодов, но наиболее

26

широко распространен двоичный, представляющий число в двоичной системе счисления.

Например, четырехразрядный код 1011 можно интерпретировать как двоичное число со значением (1 23)+(0 22)+(1 21)+(1 20) = 8+0+2+1 = 11.

Крайний слева разряд называют старшим (СР), а крайний справамладшим

(МР).

На практике удобно использовать дробный эквивалент двоичных чисел. В таком представлении двоичное число делится на 2n , где n- число разрядов. Например, дробный эквивалент N числа 1011 можно представить в виде:

N = (1 23)+(0 22)+(1 21)+(1 20) = (1 2-1)+(0 2-2)+(1 2-3)+(1 2-4) = 11

нимальным-0 (табл. 1). Обычно старшему разряду присваивается номер 1, следующему 2 и т. д. до младшего разряда, номер которого n. Значе-

Вне зависимости от количества разрядов все значения можно рассматривать относительно практически недостижимой «полной шкалы» с нормированным значением, равным единице. Фактически каждый разряд имеет свое постоянное значение (старший разряд всегда 1/2), не зависящее

27

от количества разрядов. Поскольку эти значения определяются относительно полной шкалы, их можно выразить в процентах, долях или даже в децибелах (табл. 2).

Если N является дробным эквивалентом двоичного числа, то соотношением преобразования будет NUпш, где Uпш – номинальное выходное напряжение полной шкалы ( рис 2). Фактический максимум амплитуды выходного напряжения равен:

UORN=Uпш (1-2–n),В, (1.1)

где n- число разрядов ЦАП.

Старший разрядUпш/2, а младший разряд- 2-n Uпш. Член Uпш может быть как положительным, так и отрицательным. Параметр Uпш зависит от амплитуды и полярности опорного напряжения UREF (внутреннего или внешнего) и значения и полярности коэффициента преобразования k.

Рис. 2. Идеальная характеристика преобразования 3-разрядного двоичного ЦАП: ПШполная шкала

Обобщая вышеизложенное, можно сказать, что цифро-аналоговое преобразование состоит в суммировании эталонных значений напряжений,

29

точник опорного напряжения и операционный усилитель, преобразующий ток в напряжение. Последние два узла сложно выполнить технологически на одном кристалле с остальной частью преобразователя, и они часто представляют собой отдельные микросхемы.

Принципы построения отдельных узлов ЦАП можно рассмотреть на примере десятиразрядного ЦАП К572ПА1 (рис. 4). Микросхема ЦАП К572ПА1 предназначена для преобразования десятиразрядного прямого параллельного двоичного кода на цифровых входах в ток , который пропорционален значением кода и опорного напряжения.

В состав ИС входят ризистивная матрица (РМ) типа R-2R, усилителиинверторы (УИ) для управления токовыми ключами, токовые двухпозиционные ключи, выполненные на КМОПтранзисторах. Для работы в режиме с выходом по напряжению к ИС подключаются внешние источник опорного напряжения (ИОН) и операционный усилитель (ОУ)с цепью отрицательной обратной связи (ООС), необходимой для стабилизации токов транзисторов ключей, работающий в режиме суммирования токов. Рзистивная матрица может иметь различную структуру. В схеме со взвешенными резисторами (рис. 5а) каждому разряду соответствует свой разрядный ток I1, I2…In. Эти токи задаются с помощью матрицы резисторов, сопротивление которых удваивается при переходе от старшего разряда к младшему. Основной недостаток такой структурыширокий диапазон со-

30

противлений и их высокая требуемая точность, особенно при большом числе разрядов входного кода.

Рис.5 Резистивные матрицы со взвешенными резисторами (а) и с резистивной сеткой R-2R (б).

В резистивной матрице R-2R (рис. 5, б) используются резисторы только двух номиналов. Формирование тока, соответствующего данному разряду, в этой схеме осуществляется как за счет последовательных, так и параллельных цепей сопротивлений. При переходе от старшего разряда к младшему ток изменяется в 2 раза (как и в схеме, показанной на рис. 5, а).

Примечание. Нетрудно убедиться, что приведенное к месту сечения АА , ВВ , СС , сопротивление части резисторов, отсекаемых в направлении стрелок равно 2R.

Токовые ключи, предназначенные для коммутации элементов резистивной матрицы, должны иметь высокое быстродействие и не вносить погрешностей в разрядные токи. Ключи для быстродействующих ЦАП обычно строят на биполярных транзисторах и диодах. Для преобразователей среднего и низкого быстродействия широко применяют ключи на КМОП транзисторах, характеризующихся малым потреблением энергии

(рис. 4).

В этой схеме транзисторы VT1, VT2 служат для согласования с микросхемами на входе ЦАП, транзисторы VT4-VT7 используются для управления ключевыми транзисторами VT8, VT9 , которые подключают разряд-