Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Адаптивные электронные и микропроцессорные системы. Практикум
.pdf
Для усиления такого сигнала и преобразования его в однополяр-
(
)
,
U k U U
1.
= = =
ный используется простейшая схема дифференциального усилителя
на базе ОУ U1 (см. рис. 2.3), реализующего функцию
где
k
R R
7 8
R R
5 6
= −
ВЫХ 2 1
(2.4)
Диаграммы сигналов, снимаемых с половин вторичной обмотки
трансформатора, представлены на рис. 2.4.
Как видно из рассмотрения диаграмм, дифференциальный сигнал,
снимаемый с вторичных полуобмоток трансформатора, является однополярным.
Рис. 2.4. Диаграммы сигналов на вторичных обмотках трансформатора
(осциллоскоп XFG1)
21
При необходимости усиления разности сигналов (U2–U1) отно-
2
1
R
1 2
2 .
1
R R
R
+
шения сопротивлений резисторов в (2.4) выбираются равным необходимому коэффициенту усиления аналогового интерфейса.
Диаграммы сигналов на входе и выходе рассматриваемой схемы
аналогового интерфейса представлены на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Диаграммы сигналов на входе и выходе
дифференциального усилителя
В том случае, когда сигналы на входе интерфейса лежат в области
очень низких частот, трансформаторные схемы не могут быть использованы, и аналоговые интерфейсы строятся на базе операционных усилителей в инвертирующем или неинвертирующем включении.
Инвертирующая схема интерфейса (рис. 2.6) имеет коэффициент
усиления
KR= −
U
(2.5)
и смещение (по выходному сигналу)
U V
=
0
Y
(2.6)
22
XSC2
XFG2
A
_
+
R1
UX UY
10kΩ
V2
1.25 V
OPAMP_3T_BASIC
U1
R2 10kΩ
Ext Trig
+
B
+
_
_
Рис. 2.6. Схема инвертирующего аналогового интерфейса со смещением
Для рассматриваемой схемы (см. рис. 2.6) при амплитуде входного сигнала UX = 2,5 В амплитуда выходного сигнала тоже равна 2,5 В,
а его смещение, определяемое выражением (2.6), равно его амплитуде, т. е. 2,5 В. В этом случае выходной сигнал схемы становится однополярным.
Диаграммы входного и выходного сигналов такой схемы аналогового интерфейса представлены на рис. 2.7.
Рис. 2.7. Диаграммы сигналов в схеме инвертирующего
интерфейса со смещением
23
Неинвертирующая схема аналогового интерфейса (рис. 2.8) имеет
1 2
2
R R
R
+
1
4 .
2
R
R
Y
Х
коэффициент усиления сигнала UX
K
=
U
(2.7)
и смещение U
уровня выходного сигнала
Y0
U V
= −
0
Y
(2.8)
При входном сигнале UX = 1 В амплитуда выходного сигнала UY
равна 2 В, а смещение UY0 по выходу тоже составляет 2 В. Это подтверждается диаграммами сигналов в схеме (см. рис. 2.8) интерфейса,
представленными на рис. 2.9. Достоинством последней схемы аналогового интерфейса является его высокое входное сопротивление, что
характерно неинвертирующим усилительным схемам на базе ОУ.
XFG2
XSC2
U
U1AD380SH
10
82
4
9
3
5
11
R1
10kΩ
V3
5 V
Ext Trig
+
B
A
_
+
+
_
_
U
R2
10kΩ
V4
2 V
Рис. 2.8. Схема неинвертирующего аналогового интерфейса
со смещением нулевого уровня
24
Рис. 2.9. Диаграммы сигналов на входе и выходе
неинвертирующего аналогового интерфейса
В настоящее время в схемах адаптивных измерительных систем
получают распространение аналоговые конвертеры, представляющие
собой микропроцессорную систему, состоящую из АЦП, микропроцессорного сигнального контроллера, и ЦАП [5, 6].
Сигнал, формируемый датчиком, преобразуется АЦП в двоичный
код, который поступает в сигнальный контроллер, обрабатывается
сигнальным микропроцессором контроллера, и затем с помощью
ЦАП снова преобразуется в аналоговый сигнал [3, 4].
Структурная схема такого конвертера (без микропроцессора)
представлена на рис. 2.10.
25
X1
X2
X3
X5
X6
R3
10kΩ
D7
Output
V4
1.77 Vrms
50 Hz
0°
R2 10kΩ
V3
1.25 V
0.1 Ω
V2
5 V
0.1 Ω
R1 10kΩ
U1
OPAMP_3T_BASIC
V1
1kHz
5 V
Vin
Vref+
Vref-
SOC
A1
ADC
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
EOCOE
2.5 V
2.5 V
2.5 V
2.5 V
2.5 V X42.5 V
D0D1D2D3D4D5D6
Vref+
Vref-
VDAC8
A2
Рис. 2.10. Схема аналогового конвертера на базе предусилителя U1
со смещением, однополярных АЦП A1 и ЦАП A2,
выходного буферного усилителя U2
XSC1
Ext Trig
B
A
_+_
+
U2
10kΩ
OPAMP_3T_BASIC
V5
1.25 V
R4
+
_
В этой схеме входной гармонический сигнал UX амплитудой 2,5 В
(с действующим значением 1,77 В), формируемый генератором V4,
поступает на вход предусилителя на базе ОУ U1 (схема предусилителя представлена на рис. 2.6) и с помощью источника V3 смещается на
выходе усилителя вверх на 2,5 В, превращаясь в однополярный сигнал. Как видно из рассмотрения схемы предусилителя, его коэффициент усиления KU1 определяется (2.5) и равен (-1).
В схеме интерфейса используются виртуальные АЦП (с названием ADC) и ЦАП (с названием VDAC), которые находятся в каталоге
компонентов (верхняя строка) при выборе раздела «Аналого–
цифровые компоненты» (символ 01).
Этот сигнал поступает на вход восьмиразрядного АЦП А1, диапазон которого определяется опорным источником V2 и равен 5 В.
Частота преобразований определяется генератором V1 и равна
1 кГц (период преобразований составляет 1 мс).
26
Выходной код АЦП поступает на вход ЦАП А2, в котором преобразуется в однополярный сигнал UY1. Этот сигнал снова преобразуется в двухполярный выходной сигнал UY аналогового интерфейса с
помощью выходного буферного усилителя, выполненного на ОУ U2.
Схема буферного усилителя на U2 аналогична схеме входного предусилителя на U1. Коэффициент усиления KU2 этого усилителя также
определяется выражением (2.5) и равен (-1).
Диаграммы сигналов в схеме аналогового конвертера представлены на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Диаграммы сигналов в схеме аналогового конвертера
Как видно из рассмотрения этих диаграмм, выходной сигнал UY
конвертера с точностью до погрешности квантования в моменты дискретных отсчетов совпадает с входным сигналом UX.
27
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Собрать схему трансформаторного интерфейса (см. рис. 2.1). Варианты: трансформатор (TS_PQ4_10), (TS_PQ4_12), (TS_PQ4_120),
(TS_PQ4_16), (TS_PQ4_20), (TS_PQ4_24). Подать на первичную обмотку трансформатора сигнал 10 В частотой 1 кГц.
Определить коэффициент трансформации (2.1) трансформатора и
теоретическое входное сопротивление с помощью выражения (2.2).
Измерить входное сопротивление трансформатора с использованием выражения (2.3). Сравнить полученные значения.
Собрать схему (для выбранного трансформатора) аналогового
трансформаторного интерфейса (см. рис. 2.3) со смещением входного
сигнала. Подобрать напряжение V1 такой величины, чтобы выходной
сигнал интерфейса превратился в однополярный (см. рис. 2.4).
Подобрать резисторы R1…R8 для коэффициента усиления выходного усилителя (см. рис. 2.3), равного 2. Представить диаграммы
сигналов.
Собрать схему инвертирующего аналогового интерфейса со смещением (см. рис. 2.6). Подать на вход гармонический сигнал в соответствии с табл. 2.1. Подобрать резисторы R1, R2 для обеспечения заданного коэффициента усиления KU, определяемого (2.5), а также напряжение смещения V2, обеспечивающего выходной однополярный сигнал (см. рис. 2.7) интерфейса в соответствии с выражением (2.6).
Представить диаграммы сигналов.
Варианты индивидуальных заданий определяются табл. 2.1.
Таблица 2.1
Варианты заданий для инвертирующего аналогового интерфейса
Варианты 1 2 3 4 5
UВХ, В 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
K
U
4 3 2 1 0,5
Собрать схему неинвертирующего аналогового интерфейса со
смещением (см. рис. 2.8). Подать на вход гармонический сигнал.
Подобрать резисторы R1, R2 для обеспечения заданного коэффи-
циента усиления K
, определяемого (2.7), а также напряжение сме-
U
28
щения V4, обеспечивающего выходной однополярный сигнал
U
1
U
2
(см. рис. 2.7) интерфейса в соответствии с выражением (2.8).
Представить диаграммы сигналов.
Варианты параметров схемы определяются по табл. 2.1.
Собрать схему аналогового конвертера (см. рис. 2.10). Варианты
заданий для разных коэффициентов усиления определяются по
табл. 2.2.
Таблица 2.2
Варианты заданий для аналогового конвертера
Варианты 1 2 3 4 5
UВХ, В (генератор V4) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
K
4 3 2 1 0,5
K
0,25 0,33 0,5 1 2
Выбрать значения опорных напряжений V1, V3, V5, обеспечивающих соответствие диапазонов выходного напряжения предусилителя U1, буферного усилителя U2, диапазонам АЦП А1 и ЦАП А2
(см. рис. 2.10), добиваясь формирования диаграмм сигналов в соответствии с рис. 2.11.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Принципиальные схемы, исследуемые в работе.
2. Диаграммы сигналов в исследуемых схемах.
3. Анализ полученных результатов, сравнительная оценка и выводы.
4. Заключение и подведение итогов.
Контрольные вопросы
1. Для чего используются трансформаторные аналоговые интерфейсы?
2. В каких диапазонах частот применяются трансформаторные интерфейсы?
3. В каких диапазонах частот применяются интерфейсы на базе операци-
онных усилителей?
4. Как определяется коэффициент передачи в схемах интерфейсов на базе
операционных усилителей?
5. Как определяется смещение в схемах интерфейсов на базе операцион-
ных усилителей?
29
Практическая работа АЭМ-3
3
3
2 1 [ 1] [ 2]
5
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Основы теории цифровой фильтрации
Современные адаптивные измерительные системы строятся на
основе микропроцессорных цифровых и аналого-цифровых систем,
реализующих достаточно сложные методы обработки измерительных
сигналов. Одним из распространенных методов обработки является
метод цифровой фильтрации, используемый как в адаптивных фильтрах высокочастотных или низкочастотных помех, заграждающих
фильтрах, фильтрах, реализующих скользящее усреднение, скользящую аппроксимацию, и во многих других случаях. Одной из важнейших характеристик цифровых фильтров является их частотная характеристика.
Рассмотрим цифровой фильтр, реализующий простейшее скользящее усреднение.
Трехточечный цифровой фильтр (ЦФ), реализующий скользящее
усреднение входного дискретизированного сигнала x[n], описывается
выражением
1
[ ] [ ] [ ] [ ]
( )
21
−+−+= nxnxnxnу
.
Если сместить переменную n на один отсчет, то это выражение
принимает вид
[ ] [ ] [ ] [ ]
1
( )
11
−+++= nxnxnxnу
.
Соответственно пятиточечный ЦФ, реализующий скользящее
усреднение, определяется выражением
у n x n x n x n х n x n= + + + + + − + −
[ ] [ ] [ ] [ ]
1
( )
Описываемые фильтры называются нерекурсивными или трансверсальными [2, 3].
. (3.1)
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]