Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Адаптивные электронные и микропроцессорные системы. Практикум
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Информационно-измерительная техника»
П.К. ЛАНГЕ, Е.Е.ЯРОСЛАВКИНА
АДАПТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ
И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ
Практикум
Самара
Самарский государственный технический университет
2019
1
Печатается по решению ученого совета СамГТУ (протокол № 8 от
28.03.2019 г.).
УДК 681.5(076.8)
ББК 32.96я73
Л 22
Ланге П.К.
Адаптивные электронные и микропроцессорные системы: практикум /
П.К. Ланге, Е.Е. Ярославкина. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2019. – 59 с.: ил.
Рассмотрены теоретические и экспериментальные методы определения ха-
рактеристик цепей адаптивных электронных и микропроцессорных систем.
Описана методика определения характеристик аналоговых и цифровых
микроэлектронных схем. Содержатся рекомендации по построению диаграмм
сигналов в схемах.
Предназначен для студентов, обучающихся в магистратуре по направлению 12.04.01 «Приборостроение», при изучении курса по дисциплине «Адаптивные электронные и микропроцессорные системы». Может быть использовано при изучении курсов, связанных с электроникой, схемотехникой, а также с
цифровыми схемами.
УДК 681.5(076.8)
ББК 32.96я73
Л 22
Р е ц е нз ен т д-р техн. наук, проф. В.Н. Якимов
© П.К. Ланге, Е.Е. Ярославкина, 2019
© Самарский государственный
технический университет, 2019
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Устройства на базе микроэлектроники проникают во все новые области науки и техники. Они применяются в измерительной технике, системах управления и регулирования технологических процессов. Одним из основных разделов микроэлектроники является проектирование
измерительных устройств на базе линейных усилительных микросхем,
входящих в аналоговый интерфейс цифровых измерительных приборов, а также аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей, предназначенных для преобразования аналоговых сигналов. Многие из этих устройств должны быть адаптивными, имеющими функцию коррекции различного рода помех.
Несмотря на широкое использование в настоящее время цифровых
контроллеров для решения различных задач обработки измерительных
сигналов, в ряде практических случаев необходимо разрабатывать специальные измерительные схемы на базе современных аналоговых и
цифровых микросхем. При решении задач проектирования измерительных приборов необходимо определять их характеристики: погрешности, диапазоны преобразования, частотные диапазоны и т.д. Необходимо также проектировать внешние схемы цифровых приборов (согласующие звенья, элементы аналогового и цифрового интерфейсов).
3
ВВЕДЕНИЕ
В адаптивных измерительных системах широко применяются
различные усилительные и микропроцессорные схемы преобразования измерительной информации, реализующие функции усиления,
масштабирования, фильтрации, и ряд других.
В настоящее время актуальной задачей является изучение схемотехники адаптивных линейных усилительных микросхем, а также
аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей
(ЦАП), особенностей их архитектуры, принципов работы, методов
проектирования на их основе адаптивных измерительных устройств,
а также расчета их основных параметров.
Для решения различных задач обработки измерительных сигналов необходимо разрабатывать специализированные адаптивные
устройства на базе современных АЦП и ЦАП, выполненных в виде
микросхем. При этом приходится решать задачи, связанные с определением основных характеристик средств микросхемотехники, а также
с разработкой схем согласования входов и выходов цифровых измерительных приборов с общими входами и выходами измерительной
системы. Такого рода задачи необходимо решать при выполнении
практических занятий магистрантами по дисциплине «Адаптивные
электронные и измерительные системы» по направлению 12.04.01
«Приборостроение».
4
Практическая работа АЭМ-1
1
ВХ
U
R
0
U I R
=
ОС
ВХ.Д
ВХ
I
R
1
R
0
DA
ВЫХ
ВХ
U
ЛИНЕЙНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ
НА БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ (ОУ)
В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЯХ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Одним из основных элементов адаптивных электронных измерительных схем является усилитель электрического сигнала, который выполняется в настоящее время на операционных усилителях. Наиболее
распространенными являются две измерительные усилительные схемы
на базе ОУ: инвертирующая и неинвертирующая [1, 2].
Инвертирующая схема (рис. 1.1) представляет собой схему с параллельной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению [5, 6].
U
U
U
Рис. 1.1. Инвертирующая схема усиления на базе ОУ
Поскольку дифференциальный входной сигнал можно полагать
близким к нулю, то протекающий через резистор R1 входной ток IВХ в
этой схеме определяется выражением
I
=
ВХ
. (1.1)
то этот же ток протекает через резистор обратной связи R0 и создает
на нем падение напряжения
Поскольку током инвертирующего входа ОУ можно пренебречь,
ОС ВХ
5
. (1.2)
В связи с тем, что потенциал инвертирующего входа можно при-
0
1
R
R
0
1
R
U R
0 1
R R
R
Б
ОС
ВХ.Д
R
0
R
1
DA
ВЫХ
ВХ
U
нять равным нулю, то выходное напряжение усилителя определяется
из (1.1) и (1.2) и оно равно
U U U
= − = −
ВЫХ ОС ВХ
,
откуда определяется коэффициент усиления по напряжению
U
K
U
ВЫХ
= = −
ВХ
. (1.3)
Неинвертирующая схема усилителя на базе ОУ [5] (рис. 1.2)
представляет собой схему усилителя с последовательной ООС по
напряжению.
U
U
U
Рис. 1.2. Неинвертирующая схема усилителя на базе ОУ
В этой схеме напряжение отрицательной обратной связи UOC
формируется делителем R0R1. Коэффициент передачи усилителя
определяется выражением
U
γ
OC
= =
U
ВЫХ
R
0
. (1.4)
+
6
Следовательно, напряжение обратной связи равно
0 1
R R
0 1
R R
0
1
R
U R
ОС
DA
ВЫХ
ВХ
U
R
U U
=
OC ВЫХ
0
.
+
Поскольку дифференциальный входной сигнал U
можно счи-
ВХД
тать близким к нулю (вследствие огромного по величине дифференциального коэффициента усиления), то напряжения UOC и UВХ равны:
R
U U
=
ВХ ВЫХ
0
.
+
Отсюда определяется коэффициент усиления схемы по напря-
жению:
U
Из
больше
K
U
(1.5)
1.
видно, что коэффициент усиления положителен, и всегда
На практике часто используется схема (рис
ВЫХ
= = +
ВХ
1
. (1.5)
. 1.3)
неинвер
тирующего повторителя с единичным коэффициентом усиления (при
R1 = 0).
-
Рис. 1.3. Схема неинвертирующего повторителя
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Собрать в редакторе
ля (рис
. 1.4).
U
Multisim
U
инвертирующую схему усилите
-
7
XSC2
5
1
R
R
= −
Ext Trig
XFG1
R2 20kΩ
V1
10 V
R1
40kΩ
U1
OPAMP_5T_VIRTUAL
V3
10 V
A
+
B
_
+
+
_
_
Рис. 1.4. Пример схемы инвертирующего усилителя в редакторе Multisim
Варианты параметров схемы приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Варианты параметров схемы инвертирующего усилителя
№ 1 2 3 4 5 6 7
R1 8к 12к 20к 15к 60к 20к 22к
R5 3к 2к 15к 5к 10к 4к 4к
Параметры генератора сигналов установить в соответствии
с рис. 1.5.
Коэффициент усиления определяется выражением
K
U
Рис. 1.5. Параметры генератора сигналов
Зафиксировать осциллограммы сигналов в схеме. Пример осциллограмм приведен на рис. 1.6.
8
Рис. 1.6. Пример осциллограмм сигналов в схеме (см. рис. 1.4)
Измерить на панели осциллоскопа (см. рис. 1.6) коэффициент
усиления схемы, сравнить с теоретическим значением (1.3).
2. Собрать в редакторе Multisim схему инвертирующего сумми-
рующего усилителя (рис. 1.7).
XFG1
V1
XSC2
XFG2
R3
10kΩ
R2 20kΩ
10 V
R1
40kΩ
U1
OPAMP_5T_VIRTUAL
V2
10 V
A
+
_
Ext Trig
+
B
+
_
_
Рис. 1.7. Схема инвертирующего суммирующего усилителя двух сигналов
Варианты параметров схемы приведены в табл. 1.2.
9
1
2
5 5
1 3
R R
R R
Таблица 1.2
Варианты параметров схемы инвертирующего сумматора
№
R5 8к 12к 20к 15к 60к 20к 22к
R1 3к 2к 15к 5к 10к 4к 4к
R3 3к 5к 6к 8к 1к 2к 4к
U
U
1 2 3 4 5 6 7
15В 5В 10В 20В 2В 3В 8В
3В 5В =5В 8В =8В 10В =2В
= означает напряжение
постоянного тока, формируется отдельным источником
Пример параметров генераторов сигналов приведен на рис. 1.8.
Выходное напряжение
схемы определяется выражением
U U U
= − +
ВЫХ
1 2
U1, U2 – напряжения генераторов XFG1, XFG2
соответственно
Рис. 1.8. Пример параметров генераторов сигналов
Пример осциллограмм в схеме приведен на рис. 1.9.
Рис. 1.9. Пример осциллограмм в схеме суммирующего усилителя
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]