Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Узлы и элементы биотехнических систем. Учебное пособие
.pdf
Интегральные компараторы могут работать в режиме петли
Рис. 3.14. Электрическая схема двухпорогового компаратора
гистерезиса (рис. 3.13б). Такая схема имеет пороги срабатывания и
ширину гистерезиса. Для повышения помехозащищенности некоторые типы компараторов снабжаются логическим стробирующим входом, реализующим сравнение и переключение компаратора только в
задаваемые внешним сигналом интервалы времени.
Некоторые модификации компараторов снабжены выходными
триггерами – защелками, фиксирующими состояние компаратора по
синхроимпульсу. Ряд интегральных компараторов имеют неподключенные коллекторы и эмиттеры (открытые выходы).
Повышение быстродействия компараторов обеспечивается специальными схемотехническими решениями, например не давая входить
в насыщение транзисторам за счет подключения диодов Шоттки.
Используя различные схемы включения на компараторах, получают различные функциональные узлы. На рис. 3.14 приведена схема, фиксирующая положение входного напряжения внутри двух
напряжений U1 и U2 (компаратор с «окном» по напряжению).
3.4.2 Логарифмирующие и экспоненциальные преобразователи
В функциональных преобразователях этого типа используются нелинейные свойства р-n-переходов диодов или биполярных транзисторов, смещенных в прямом направлении. Использование биполярных транзисторов дает лучшие результаты по точности. Обычно
их включают в цепь обратной связи операционных усилителей по
схеме с заземленной базой (рис. 3.15а) или по схеме диодного включения (рис. 3.15б).
71
а б
Рис. 3.15. Схема логарифмирования на транзисторах
В обеих схемах выходное напряжение определяется соотношением
(3.13)
где k – постоянная Больцмана;
Т – температура, К;
q – заряд электрона;
– обратный ток насыщения, который для малошумящих тран-
зисторов при комнатной температуре составляет около 0,1 нА.
Для схемы, представленной на рис. 3.15а, рабочий динамический
диапазон составляет 140 дБ, а для схемы рис. 3.15б – 80 дБ.
Но последняя схема менее склонна к самовозбуждению и обладает
большим быстродействием. Приведенные на рис. 3.13 схемы работают
при положительных входных напряжениях. Для работы с отрицательным напряжением в схеме рис. 3.15б эмиттер с коллектором меняются
местами.
Для защиты транзисторов от перенапряжения ставят дополнительные защитные диоды.
Схема, представленная на рис. 3.15а, может самовозбуждаться
из-за того, что VT1 работает в режиме усиления, создавая контур обратной связи. Для предотвращения самовозбуждения используют цепи
емкостной коррекции по цепи обратной связи. Экспоненциальные
преобразователи строят, обычно используя биполярные транзисторы,
включаемые по схеме с заземленной базой (рис. 3.16).
Схема работает в диапазоне положительных входных напряжений. Диод VD защищает VT от перенапряжения при отрицательных
входных напряжениях.
72
Рис. 3.16. Электрическая схема экспоненциального преобразователя
Промышленностью выпускаются различные типы преобразо-
Рис. 3.17. Электрическая схема однополупериодного выпрямителя
вателей этого типа, например SSM2100, 1CL8049 и др.
3 4.3. Выпрямители
В традиционных выпрямительных схемах используют пассивные диодные цепи, погрешность работы которых определяется достаточно большим падением напряжения на открытых диодах и нелинейностью их вольт-амперных характеристик.
В задачах, где требуется точное преобразование сигналов при
их выпрямлении, особенно в диапазонах малых сигналов, рекомендуется использовать схемы прецизионных выпрямителей, строящиеся на
основе операционных усилителей с диодными цепочками.
Для выделения составляющих только одной полярности используют схемы однополупериодного выпрямления, одна из которых
представлена на рис. 3.17, работающие в заданных квадрантах входных и выходных напряжений.
73
При отрицательном входном сигнале диод VD2 «замыкается»
на землю, создавая нулевой потенциал на выходе (рис. 3.17а). При положительном входном сигнале диод VD2 закрыт, а диод VD1 открыт,
создавая отрицательную обратную связь неинвертирующего усилителя через резистор R2. Наклон выходной характеристики схемы (коэффициент передачи) определяется выражением
K = U
вых/Uвх
=1 + R2/Rl. (3.14)
Следует отметить, что в этом режиме выход ОУ периодически
«закорачивается» на землю, что предъявляет определенные требования к его выходным каскадам.
3.4.4. Множительно-делительные устройства
Множительные устройства занимают значительное место среди
аналоговых вычислительных устройств. На их основе делаются делители, схемы возведения в квадрат, извлечения квадратного корня и т.д.
Множительно-делительные устройства классифицируются:
− по структуре – замкнутые (с контуром обратной связи) и
открытые (или параметрические);
− принципу действия – прямые, косвенные и комбини-
рованные;
− возможности работы с входными сигналами различной по-
лярности и т.п.
К схемам прямого действия относятся устройства, выполняющие множительно-делительные операции без промежуточных математических преобразований. В схемах косвенного действия используются промежуточные математические операции, например логарифмические преобразования входных сигналов. Таким образом, у разработчика имеется достаточно большой выбор схемотехнических решений
этого узла устройств обработки медико-биологической информации
исходя из заданного динамического диапазона изменений входных
сигналов, диапазона изменений выходного параметра, точности вычислений этого параметра и др.
Ряд типовых функциональных зависимостей может быть воспроизведен с помощью аналоговых перемножителей напряжений.
На практике используются две основные схемы перемножителей:
1) на основе логарифмических усилителей с последующим
сложением или вычитанием и потенцированием (перемножители косвенного действия);
2) на параллельно-симметричных транзисторных каскадах.
74
Перемножители на логарифмических усилителях часто ис-
пользуют экспоненциальную зависимость тока I через открытый р-п-
переход полупроводникового диода от напряжения U на этом переходе. При напряжении на переходе U 26 мВ справедливо соотношение
(3.15)
где I –теоретический обратный ток р-n-перехода;
т – поправочный коэффициент, зависящий от типа диода и величины тока через него (m=1,...,2);
q – заряд электрона (1,6-10
k – постоянная Больцмана (k=1,38 10
-19
Кл);
-23
Дж/К)
Т – абсолютная температура.
Величина (1/ ) при Т=300 К и m=1 равна примерно 26 мВ.
Приведенная зависимость для диодов соблюдается достаточ-
но точно в диапазоне изменения тока на одну-две декады. В области
малых токов она искажается за счет изменения коэффициента т, при
больших токах сказывается падение напряжения на объемных сопротивлениях электродов диода. В диодных схемах имеются значительные температурные зависимости. Большая точность достигается
за счет применения специальных транзисторов (трансдиодов), у которых величина т = 1 и не зависит от тока.
На рис. 3.17а показана схема перемножителя с применением
транзисторов. В этом перемножителе выходное напряжение логарифмирующего каскада U
определяется разностью базоэмиттер-
выхI
ных напряжений транзисторов VT1 и VT2. При этом коллекторные
токи транзисторов поддерживаются усилителями A1 и A2 на уровнях
соответственно U1/R1 и U2/R2. Все транзисторы входят в одну микросхему, что позволяет считать их параметры почти одинаковыми.
Для U
с использованием уравнения (3.15) можно записать
выхI
(3.16)
75
а для перехода транзистора VT3
На эмиттер транзистора VT4 подается разность напряжений
U
и UБЭз. Учитывая заземленность базы VT4, можно записать
вых
(3.17)
Коллекторный ток транзистора определяется по формуле
(3.18)
В итоге получаем
(3.19)
Если все транзисторы находятся в одинаковых температурных
условиях, то изменение температуры окружающей среды не будет
влиять на работу схемы.
Устройство работает при условии, что U1, U2, U3 больше нуля.
Резисторы R5 и R6 повышают устойчивость работы схемы. Погрешность работы устройства после подстройки смещений и масштабного
коэффициента может составить 0,1...0,5 % при изменении входных
сигналов в диапазоне 0...+10 В. Перемножители на параллельносимметричных транзисторах также используют экспоненциальную
зависимость тока коллектора от его базоэмиттерного напряжения.
Разберем подробнее работу схемы умножителя КП525ПС2,
представляющего собой функциональное законченное устройство
(рис. 3.18б). Этот умножитель имеет три сигнальны входа (X, Y, Z) и
три входа для регулировки смещений (Хсм, Y
). Выходной сигнал
см Zсм
снимается со встроенного операционного усилителя А1. Регулировку
масштаба можно производить с помощью делителя, установленного,
например, на входе Y. На схеме выход соединен со входом Z. При таком включении реализуется операция перемножения по формуле
U
= U1 U2/10.
вых
Другие виды возможных функциональных зависимостей между
сигналами осуществляются иными внешними соединениями
(рис. 3.19, для простоты резисторы смещения не показаны). Входные
сигналы перемножителя К525ПС2 могут изменяться в пределах
±10,5 В, погрешность умножения не более 1 %.
76
а
б
Рис. 3.18. Типовые структурные электрические схемы умножителей
напряжения
Рис. 3.19. Варианты включения умножителя типа К525ПС2:
а – U
вых
= (U1/U2); б – U
вых
=
; в – U
вых
=
/10
77
В схемах перемножителей находят применение также микросхемы К140МА1, К572ПА1 и др., с помощью которых можно обеспечить
погрешность 1–3 % при входных сигналах ±10 В. Ряд полезных для
практики схем могут быть получены на базе формирователей широтно-импульсных и частотно-импульсных сигналов. Для построения делительных схем также известен ряд принципов и схемных решений.
Делительные схемы не измеряют отношение сигналов, а лишь преобразуют это отношение в напряжение, ток, частоту или код. При изменении входных сигналов в определенных пределах делительные схемы должны поддерживать выходной параметр y = x1/x2 постоянным.
3.5. Элементы аналоговой памяти
При сборе аналоговой информации и ее последующей отработке часто бывает необходимо зафиксировать значение регистрируемого сигнала в некоторый момент времени. В аналоговой схемотехнике эту функцию выполняют устройства выборки – хранения.
3.5.1. Устройства выборки – хранения
При построении устройств выборки – хранения (УВХ) в качестве элементов памяти используют высококачественные конденсаторы.
В работе УВХ можно выделить два этапа:
1) этап выборки (слежения, записи, запоминания), который характеризуется тем, что выходной сигнал после команды выборки с
большой скоростью достигает величины входного сигнала и далее повторяет (отслеживает) его, пока не наступает момент начала хранения;
2) этап хранения, который заключается в том, что на выходе
УВХ сохраняется напряжение, выбранное на первом этапе, до тех пор,
пока не закончится этот этап.
Основные варианты УВХ строятся по типу схем с буферным
усилителем (рис. 3.20а) или путем включения запоминающего конденсатора в цепь обратной связи (рис. 3.20б). На этапе выборки
управляющим напряжением U
денсатор заряжается до U
вх
открывается транзистор VT1, и кон-
упр
(рис. 3.20а). На этапе хранения транзистор
VT1 закрывается, включая С от Uвх. Время хранения tхр определяется
допустимой величиной относительной погрешности хранения:
(3.20)
где Uc(O) и Uc(txр) – напряжение на конденсаторе соответственно в
начале и в конце периода хранения (разряд за счет неидеальности используемых элементов схем).
78
а
б
в
Рис. 3.20. Основные варианты реализации УВХ
При построении УВХ по схеме, представленной рис. 3.20а,
время хранения можно определить как
tхр=δхрС/[1/Rвх+(iвх+Iут)/Uc(0)], (3.21)
где Iут – ток утечки запертого ключа (для МОП транзистора Iут =10-9... +
−10
+ 10
А);
Rвх – входное сопротивление повторителя на ОУ;
79
и
– соответственно входные дифференциальное и синфаз-
ное сопротивления ОУ;
Квх осс – коэффициент ослабления синфазного входного сигнала,
выраженный в относительных единицах.
Работа УВХ, собранного по схеме, приведенной на рис. 3.20б,
аналогична работе интегратора, а время хранения может быть определено как
(3.22)
Расчет элементов УВХ по схеме, приведенной на рис. 3.20а,
предлагается производить по следующей методике:
1) рассчитываем добавочное сопротивление по формуле
R
= 2Uвх/I
доб
C maxR0
;
2) приняв сопротивление R2=20 кОм, рассчитываем величину
R1=R2/(K-1), где К – коэффициент усиления ОУ, охваченного обратной связью;
3) исходя из формулы (3.22) определяем величину емкости:
; (3.23)
4) определяем минимальное время хранения, необходимое для
записи информации (длительность отрицательного управляющего им-
пульса на затворе транзистора):
.
Схема расчета УВХ по схеме, приведенной на рис. 3.20б, иная:
1) приняв R
=20 КОМ, рассчитываем R1=R2/K;
2
2) находим напряжение, до которого заряжается конденсатор
в режиме хранения:
;
3) в соответствии с формулой (3.23) рассчитываем величину
емкости: С = t
(
+Iут) δхрUc (0);
xp
4) определяем минимальное время, необходимое для записи
информации: tн =3...5 R1C.
Для исключения влияния внутреннего сопротивления источника сигнала на работу УВХ целесообразно подключить входной каскад на ОУ, охваченный общим контуром отрицательной обратной связи (см. рис. 3.20в).
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]