1.2. Дифференциальный усилитель.

Дифференциальный усилитель — это усилитель, обладающий двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных сигналов, умноженный на константу. Константа в данном случае — это коэффициент усиления дифференциального усилителя.

Особенностью данного типа усилителей является то, что сигнал приходящий на оба входа одновременно не усиливается. Т.е. если к полезному сигналу примешаны синфазные помехи или постоянные уровни, то усилен будет только полезный сигнал. Помимо этого такие усилители обладают высоким коэффициентом усиления, высоким входным полным сопротивлением и большим Коэффициентом Ослабления Синфазного Сигнала (КОСС).

Эти свойства делают дифференциальный усилитель невероятно полезным и даже незаменимым при усилении очень маленьких по величине сигналов, например, от различных датчиков.

Рисунок 3 – Классическая схема дифференциального усилителя

Коэффициент усиления такой схемы равен К=R₂/R₁ (2). Для обеспечения высокого значения КОСС необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Напряжения выхода можно найти по формуле:

U_вых=R₂/R₁*(U₂-U₁) (3)

2. Разработка схемы в среде micro-cap 12.

С моделируем схему по следующему принципу: сначала разработаем генератор прямоугольных импульсов на логических элементах, затем пропустим сигнал через фильтр нижних частот (для преобразования ШИМ сигнала в аналоговое напряжение) и дифференциальный усилитель (для усиления амплитуды сигнала):

Рисунок 4 – Разработанная в среде Micro-Cap 12 схема цифрового генератора пилообразного напряжения

Т еперь снимем показания с трех точек схемы:

Рисунок 5 – Выходной сигнал с точки out1 (генератор прямоугольного сигнала)

Рисунок 6 – Выходной сигнал с точки out2 (после фильтра нижних частот)

Р исунок 7 – Выходной сигнал с точки out3 (после дифференциального усилителя)

Как видно из последнего графика, собранная схема соответствует техническому заданию (F=1071 Гц, U_m=4,54 В).

Теперь приведем расчет параметров разработанной схемы.

Если исходить из формулы 1, то можно составить уравнение:

0,8/(x*y)=1000.

Пусть R₁=20 кОм, тогда C₁=0,04*10^-6 Ф.

Далее на выходе ФНЧ видно, что амплитуда формируемого сигнала 310 мВ. Таким образом, увеличиваем амплитуду формируемого сигнала в 16 раз с помощью дифференциального усилителя (K=R₂/R₁=15 кОм/1 кОм).

3. Практическое моделирование на платформе Ni elvis.

Поскольку в лаборатории отсутствуют логические элементы, соберем схему на основе таймера 555:

Рисунок 8 – Схема классического генератора пилообразного напряжения на основе таймера 555

Смоделируем классическую схему цифрового генератора пилообразного напряжения, представленную на рис. 8 в среде Micro-Cap 12:

Рисунок 9 - Классическая схема генератора пилообразного напряжения на основе таймера 555

Теперь получим анализ схемы во временной области:

Рисунок 10 – Анализ классической схемы генератора пилообразного напряжения на основе таймера 555 во временной области

Как видно из графиков, амплитуда выходного напряжения U_m=3,7 В, а частота сигнала F=0,07 Гц. Для того, чтобы усилить амплитуду выходного сигнала добавим усилитель напряжения на ОУ, а также изменим номиналы конденсаторов для регулирования частоты сигнала:

Рисунок 11 – Схема генератора пилообразного напряжения на основе таймера 555

Далее проведем анализ схемы во временной области:

Рисунок 12 - Анализ схемы генератора пилообразного напряжения на основе таймера 555 во временной области

Как видно из графиков, амплитуда выходного напряжения U_m=4,92 В, а частота сигнала F=990 Гц, что соответствует заданным параметрам.

При практическом модеоировании были использованы следующие номиналы компонентов: R₁=27,71 кОм, R₂=39,1 кОм, R₃=120,1 кОм, R₄=10,3 кОм, R₅=145,3 кОм, C₁= C₂=6,8 нФ.

Рисунок 13 – Практическое моделирование схемы на платформе NI ELVIS

Теперь снимем показания с осциллографа (анализ во временной области):

Рисунок 14 – Практический анализ схемы во временной области

Как видно из полученных графиков, амплитуда полученного сигнала примерно совпадает с теоретическим значением. При этом значение частоты сильно превышает теоретическое значение, что, скорее всего, связано с неточным подбором номиналов конденсаторов.