ФУУМЭ / метода лабы

4.6.Контрольные вопросы

1.Объясните принцип работу преобразователя отрицательного сопротивления на интегральном операционном усилителе.

2.Объясните принцип работы гиратора, реализуемого с помощью двух преобразователей отрицательного сопротивления,

3.Каковы преимущества и недостатки гиратора, реализующего индуктивность по сравнению с обычными способами получения индуктивности больших номиналов?

4.Укажите основное параметры гиратора, реализующего индуктивность, и их зависимость от частоты.

5.Укажите возможные причины расхождения значений расчетных и экспериментальных параметров гиратора.

5.ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ

ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Цель работы: ознакомление с принципами построения, параметрами и характеристиками, показателями качества и реализацией активных фильтров на интегральных операционных усилителях, экспериментальное исследование их параметров и характеристик, выяснение областей применений.

5.1.Основные теоретические положения

Врадиотехнических устройствах с частотным разделением каналов широко используются фильтры. Появление высококачественных операционных усилителей послужило основой бурного развития активной фильтрации, на базе активных RC - фильтров. Сейчас активные RC - фильтры, наряду с устройствами цифровой фильтрации, успешно заполняют освобождающуюся от LC - фильтров огромную нишу в радиоаппаратуре с целью ее микроминиатюризации. В связи с этим расширились области применения фильтров. Помимо традиционного применения, активные фильтры широко используются в бытовой, медицинской, геофизической и другой аппаратуре, значительно увеличивая ее функциональные возможности.

Вобщем случае активные фильтры представляют собой функциональные узлы микроэлектроники, где резисторы, конденсаторы и активные приборы объединены в активные цепи с фильтровыми характеристиками, сравнимыми или превосходящими аналогичные параметры LC - прототипов. В качестве ак-

31

тивного прибора неизменно используются операционные усилители благодаря своим свойствам и низкой стоимости, что является следствием применения групповых технологий при их изготовлении.

Активные фильтры, подобно LC -фильтрам, предназначены для пропускания (передачи) синусоидальных сигналов в одной или более непрерывных частотных полосах и «остановки» (заграждения) в дополняющих полосах. В зависимости от полосы частот прохождения сигнала фильтры с одной полосой пропускания подразделяются на фильтры нижних частот, верхних частот и полосно-пропускающие (полосовые). Существуют и другие типы фильтров, такие как всепропускающие, частотовыделяющие (узкополосные) и частотоподавляющие (реакторные).

Рассмотрим полосно-пропускающий фильтр, который обеспечивает заданное затухание в полосе пропускания. Комбинация этого фильтра с операционным усилителем образует активный фильтр, коэффициент передачи которого K больше единицы. Поэтому более удобно пользоваться не частотной зависимостью затухания, а зависимостью нормированного коэффициента передачи K(ω)/ K0, где K0 – коэффициент передачи фильтра на резонансной частоте ωр (рис. 5.1).

Рис. 5.1

При этом можно определить величину добротности фильтра, зная значение частот ωмин. иωмакс. соответствующих уменьшения коэффициента передачи на 3 дБ и резонансной частоты ωр:

Низкодобротные функциональные узлы отличаются предельной простотой, которая определяется минимальным числом элементов, минимальными требованиями к настройке. Кроме того, такие фильтры характеризуются минимальной потребляемой мощностью.

Примером низкодобротного полосно-пропускающего фильтра является полосовой фильтр второго порядка со сложной отрицательной обратной связью (см. рис. 5.2). В этой схеме не инвертирующий вход операционного усилителя заземлен, а в цепь обратной связи по инвертирующему входу включена слож-

Рис. 5.2

ная RC - цепь. Передаточная функция этого фильтра имеет следующий вид:

где p = jω.

Из (5.2) можно найти резонансную частоту

коэффициент передачи на резонансной частоте

Kp = R2 , 2R1

и добротность фильтра

Q = 1 R2(R1 + R3) = πR2Cfp .

2 R1R3

Определим полосу пропускания фильтра

Оказывается, что полоса пропускания этого фильтра не зависит от R1 и R3, а коэффициент передачи не зависит от R3. Благодаря этому можно изме-

33

нять резонансную частоту fp , варьируя величину сопротивления R3, что не

приводит к изменению коэффициента передачи K и ширины полосы пропускания фильтра.

Рассмотренная схема обладает еще и тем преимуществом, что она не склонна к генерации на резонансной частоте при недостаточно точно рассчитанных значениях элементов. Предполагается, что усилитель имеет необходимую частотную коррекцию.

Для увеличения добротности фильтра формируется дополнительная положительная обратная связь (ПОС) в цепи инвертирующего входа операционного усилителя. С этой целью в ранее рассмотренную схему можно ввести делитель с помощью резисторов R3 и R4 (рис. 5.3).

Рис. 5.3

ПОС частично компенсирует потери в цепи обратной связи по инвертирующему входу, что приводит к увеличению добротности фильтра и росту коэффициента передачи по напряжению. Однако при больших значениях добротности появляется опасность неустойчивой работы активного фильтра. Кроме того, резко возрастает чувствительность параметров фильтра к номиналам пассивных элементов, из которых он состоит. Поэтому высокодобротные фильтры с Q ≥ 20 выполняются обычно на двух операционных усилителях. Это позволяет снизить чувствительность параметров схемы к изменению номиналов пассивных элементов за счёт дополнительной развязки пассивных цепей и обеспечить устойчивую работу фильтра. На рис. 5.4 приведена схема высокодобротного полосно-пропускающего активного RC - фильтра. Его резонансная частота определяется как f0 = R2 / R1R4R3C1C 2 / R2 , добротность Q = 2πf0R5C 2 , коэффициент передачи на резонансной частоте K0 = 1 + R2 / R3.

34

Рис. 5.4

Помимо полосно-пропускающих RC -фильтров широко используются фильтры нижних и верхних частот. В качестве примера рассмотрим фильтр верхних частот с инвертирующим усилителем (рис. 5.5). Передаточная функция этого фильтра имеет вид

частота среза

На частоте f >> fср коэффициент передачи фильтра равен

K∞ = −R1 / R2 .

5.2.Описание объекта исследования

Вработе исследуются фильтры, входящие в многополосный регулятор ам- плитудно-частотной характеристики тракта звуковых частот в диапазоне 20…20 000 Гц. Конструктивно объект исследования представляет собой функционально законченное устройство, в корпусе которого располагаются многополосный регулятор, источники питания и коммутационные устройства. На передней панели располагаются линейные регуляторы амплитудно-частотной характеристики, позволяющие линейно регулировать коэффициент передачи в

десяти частотных полосах в пределах ± 16 дБ. Вид передней панели приведён на рис. 5.6.

35

Рис. 5.6

На задней панели расположены присоединительные входной и выходной разъёмы. При выключенном питании макета входной и выходной разъём соединяются напрямую с помощью внутреннего релейного коммутатора и сигнал проходит со входа на выход без изменений. При включении питания сигнал проходит на выход через регулируемые фильтры.

Принципиальная схема регулятора представлена на рис. 5.7 в виде скриншота схемы в окне программы моделирования. Он состоит из буферных входного и выходного усилителей (повторителей напряжения) на ОУ DA1, DA2, которые исключают влияние внешних цепей на параметры фильтров. Сами фильтры реализованы на основе высокодобротных схем (рис. 5.4) и состоят из операционных усилителей DA3 и DA4, резисторов R9, R10, R13, R11, R12, R7, R8, конденсаторов C5, C6. Входы каждого из десяти фильтров (на рис. 5.7 показан один) подключены к инвертирующему входу DA2 параллельно, выходы (также параллельно) – к средней точке делителя напряжения R5, R6. На данной схеме линейные регуляторы амплитудно-частотной характеристики (линейные потенциометры) представлены в виде резистивного делителя R5, R6. Потенциал средней точки делителя соответствует потенциалу ползунка потенциометра. Такое представление схемы удобно для использования в различных схемотехнических симуляторах.

36

Рис.5. 7

5.3. Описание измерительной установки

Измерительная установка, изображённая на рис. 5.8, состоит из регулятора амплитудно-частотной характеристики, к входу которого подключены генератор низких частот и вольтметр для измерения входного напряжения регулятора. К выходу регулятора подключены вольтметр для измерения выходного напряжения и осциллограф для наблюдения за формой выходного сигнала.

Рис. 5.8

37

Изменение частоты входного сигнала с помощью соответствующих органов регулировки генератора позволяет проводить измерение амплитудночастотных характеристик. Установка также позволяет получать амплитудные характеристики фильтров.

5.4.Порядок выполнения работы

1.Уяснить цель и задачи данной работы.

2.Ознакомиться с основными теоретическими положениями, с описанием экспериментальной установки и программой работы.

3.Включить приборы установки и подключить ко входу регулятора ам- плитудно-частотной характеристики звуковой генератор.

4.Снять амплитудно-частотные характеристики при напряжении входного сигнала 1 В для указанных преподавателем настройках регуляторов коэффициентов передачи фильтров по отдельности для двух смежных фильтров при двух различных положениях регуляторов. Снять частотную характеристику смежных фильтров при одинаковых положениях регуляторов для обоих фильтров.

Диапазон частот, используемый при измерениях выбирать не уже, чем (0,1…10)f0, где f0 – резонансная частота фильтра. При исследовании частотной характеристики необходимо уменьшать шаг по частоте при приближении к резонансной частоте для данного фильтра и отдельно произвести измерение на резонансной частоте.

5. Снять амплитудные характеристики U вых. = f (U вх.) фильтров, исследованных в п. 4 при положениях регуляторов коэффициентов передачи каждого из них 0 дБ, ± 8 дБ, ±16 дБ. Входное напряжение изменять до максимального выходного напряжения генератора низких частот. При появлении искажений выходного сигнала фиксировать его форму для отражения в отчёте.

6.Произвести вычисления номиналов элементов исследованных фильтров по результатам измерений и данным, полученным для исследованных фильтров

упреподавателя (выполняется при оформлении отчёта).

5.5.Содержание отчёта

1.Принципиальная схема экспериментальной установки.

2.Таблицы и графики экспериментальных зависимостей.

3.Исходные данные для расчётов номиналов элементов фильтров,

38

расчётные формулы с подстановкой данных, результаты расчётов, вычисление эквивалентных добротностей и коэффициентов передачи фильтров по результатам измерений.

4. Выводы по работе.

5.6.Контрольные вопросы

1.Укажите назначение и преимущества активныхRC - фильтров на операционных интегральных усилителях по сравнению с традиционными фильтрами на LC - элементах.

2.Назовите основные параметры активных фильтров.

3.Объясните схемотехнические особенности реализации активных фильтров различных типов.

4.Объясните назначение функциональных узлов экспериментальной уста-

новки.

5.Укажите возможные причины расхождения расчетных и экспериментально найденных параметров активных фильтров.

6.ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ТТЛ

Цель работы: Ознакомление с принципом действия, схемотехническими особенностями, конструкцией и назначением логической схемы типа ТТЛ и определение ее основных параметров и характеристик.

6.1. Основные теоретические положения

Логические интегральные схемы находят широкое применение в цифровых устройствах различного назначения, включая устройства управления и обработки информации. Если проанализировать построение любой ИС, то окажется, что ее можно разделить на две части: вычислительную и управляющую. Эти части состоят из дешифраторов, счетчиков, регистров сдвига и других устройств.

Управляющие устройства представляет собой комбинацию различных логических элементов, основой которых являются схемы «И», «ИЛИ» и инверторы. С помощью этих схем удается реализовать основные функции булевой (двухуровневой) алгебры, которая является в настоящее время математическим аппаратом при обработке сигналов в цифровых устройствах.

39

В качестве примера схемы «И» можно привести простейшую схему, построенную на диодах (рис. 6.1). Сигнал на выходе схемы, имеющей три входа, будет иметь верхнее значение, если потенциалы на всех входах будут иметь верхнее значение. В противном случае, если потенциал на каком-либо входе будет иметь значение меньшее, чем +E1, то диод в этой цепи откроется и начнет проводить ток, в результате чего появится падение напряжения на сопротивлении R и выходе примет нижнее значение. Схема "И" реализует конъюнкцию Y = X1× X 2 × X 3.

Схема «ИЛИ», выполненная на диодах, показана на рис. 6.2. Потенциал на

Рис. 6.1 Рис. 6.2 Рис. 6.3

входе этой схемы будет иметь верхнее значение, когда верхнее значение будет иметь потенциал на одном или нескольких входах. Схема «ИЛИ» реализует дизъюнкцию Y = X1+ X 2 + X 3.

Функцию «НЕ» − отрицание − можно реализовать на инверторе (рис. 6.3), собранном на n−p−n -транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. При подаче на вход сигнала − логической единицы − транзистор открывается, и сигнал на выходе принимает нижнее значение логический ноль, при отсутствии сигнала на входе − логический ноль – выходное напряжение максимально − логическая единица − так как транзистор заперт и нет падения напряжения на резисторе.

Рассмотренные выше логические схемы относятся к наиболее распространенному классу потенциальных логических элементов, отличительной особенностью которых является наличие связи по постоянному току между входами и выходами элементов.

Правде чем рассматривать особенности исследуемой ТТЛ интегральной схемы, остановимся на основных параметрах логических интегральных схем. К ним относятся:

·реализуемая логическая функция,

·нагрузочная способность n,

40