Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы автоматического управления высокой точности. Учебное пособие для СПО
.pdf
R
Каждый сигнал суммируется со своим коэффициентом, определяемым
отношением сопротивления обратной связи к сопротивлению на соответствующем входе. Выходной сигнал равен
R
UU
3
1
R
1
U
R
3
ВХВХВЫХ
. (4.10)
2
R
2
Суммирование сигналов допустимо только на инвертирующем входе,
поскольку при суммировании на обычном входе сигналы оказывают взаимное влияние, а расчетные соотношения, учитывающие выходное сопротивление предыдущих каскадов, громоздки. Применение сочетания схем,
представленных на
рис. 4.4 и 4.7, позволяет получить алгебраическую
сумму произвольного количества сигналов путем инвертирующего суммирования и вычитания всего лишь на двух ОУ (
рис. 4.8).
U
R
1
1
V1 r
1
U2 R
Ui R
UN R
2
i
N
0
V2 r
Vj r
VM r
2
j
M
r
0
U
ВЫХ
Рис. 4.8. Схема суммирования с инвертированием
Выходной сигнал равен
N
UU
iВЫХ
1
i
M
r
0
R
i
r
0
. (4.11)
V
j
r
1
j
j
4.9. Согласование усилителей с нагрузкой
Увеличение выходного тока обычно осуществляется подключением к
ОУ повторителя напряжения. ОС может охватывать и оконечный каскад,
если соблюдены условия устойчивости усилителя.
В высокочастотных схемах и при работе на кабель необходимо широкополосное согласование выходного импеданса усилителей с входным
импедансом нагрузки. В низкочастотных схемах достаточно, чтобы вы-
41
ходное сопротивление каждого усилителя было много меньше эквивалента
всех его нагрузок. Выходное сопротивление ОУ в области НЧ можно считать нулевым в сравнении с нагрузкой 2 кОм. При передаче сигналов между удаленными узлами этого условия может оказаться недостаточным.
Простейшее согласование состоит во включении на стороне источника
сигнала сопротивления, равного волновому сопротивлению кабеля (обычно 50 Ом) последовательно с кабелем. На стороне приемника должно быть
обеспечено входное сопротивление, равное этой же величине, но в низкочастотных схемах с коротким кабелем этого не делают, чтобы не терять
половину мощности сигнала в передающем тракте.
В высокочастотных схемах разумно средний уровень передаваемого
сигнала задать диапазоном 0,3–1,5 В. Увеличение сигнала приводит к заметной потере мощности, а при его уменьшении наводки на кабель соизмеримы с сигналом, что снижает отношение сигнал / шум.
Если выходной каскад – источник напряжения, он не допускает слишком малого сопротивления нагрузки (короткого замыкания, КЗ), а если он
источник тока, то не допускает включение без расчетной нагрузки (холостой ход, ХХ), которое приводит к сгоранию выходного каскада.
Иногда серийные устройства и микросхемы снабжены схемами защиты
от КЗ. Высоковольтные усилители часто характеризуются высоким выходным сопротивлением. Подключение к таким усилителям емкостной
нагрузки снижает их полосу частот, скорость нарастания выходного сигнала, может вызвать дополнительные резонансы и спады АЧХ и даже привести к возбуждению усилителя. Для предотвращения этого необходимо
снижать их выходное сопротивление по ВЧ.
4.10. Аппаратная реализация регулятора
Универсальный регулятор для эмпирической настройки САУВТ содержит пропорциональный (П), интегрирующий (И) и дифференцирующий (Д) усилители, а также суммирующий усилитель (
рис. 4.9). Это
позволяет независимо регулировать параметры настройки. Регулятор с
такими же параметрами может быть реализован на одном ОУ. Применяются также пропорционально-интегральный (ПИ), интегральный и пропорциональный регуляторы.
Следует различать дифференцирующий и дифференциальный усилители: первый вычисляет производную, второй – разность сигналов, подаваемых на различные входы. Также нужно различать интегрирующий и
интегральный усилители: первый выполняет интегрирование, второй термин обозначает большую степень объединения компонентов (интеграции)
на одном кристалле. Говорят об интегральном и дифференциальном законах управления, но об интегрирующем и дифференцирующем усилителях
42
(и ни в коем случае не об интегральном и дифференциальном), что создает
некоторую путаницу.
Пропорциональный
усилитель
R
R
1
2
R
3
Суммирующий
усилитель
Дифференцирующий
R
усилитель
С
R
12
4
R
4
Интегрирующий
R
8
R
5
R
9
R
10
11
усилитель
С
2
R
6
R
7
Рис. 4.9. Принципиальная схема универсального регулятора
В интегрирующем усилителе следует использовать прецизионный ОУ с
малыми утечками. При больших постоянных времени приходится применять резисторы с большим сопротивлением. В этом случае необходимы меры предотвращения токов утечки по печатной плате. Усилители не должны
входить в ограничение во время переходного процесса. Это следует учитывать при распределении коэффициентов усиления между звеньями.
43
5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ САУВТ
5.1. Разработка функциональной схемы
Проектирование узлов начинается с функциональной схемы, составляемой на основании задач, которые должна решать система. Желательно,
чтобы она состояла из таких элементов, название которых полностью
определяет принцип их действия, т. е. способ формирования их выходных
сигналов из выходных. В этом случае возможен теоретический анализ
прохождения сигналов через систему. Целесообразно при этом использовать такие условные графические обозначения (УГО), которые интуитивно
понятны и позволяют упростить чертеж. Например, имеются известные
обозначения радиоэлектронных компонент: резисторов, конденсаторов,
транзисторов, диодов и т. д. Применяются также условные графические
обозначения простейших узлов, в частности элементов, реализующих булевы функции. Так узел, выполняющий операцию «И» (
прямоугольником с символом «&», узел, выполняющий операцию «ИЛИ»
), маркируется символом «1» и т. д. Инверсия сигнала обозначается
(
небольшим кружком на входе или на выходе сигнала из блока.
Преобразование аналогового сигнала в цифровой может, например,
обозначаться «
соответственно, «
Переменный сигнал (ток, напряжение) можно обозначать символом
», а сигнал, содержащий постоянную компоненту, – символом «=». При
«
этом преобразователь переменного сигнала в постоянный (выпрямитель)
будет обозначаться «
можно применять УГО, обозначающее диод, например «
верхних частот (пропускающий только верхние частоты) можно обозначать двумя волнистыми линиями, из которых нижняя зачеркнута, а фильтр
нижних частот – соответственно, двумя волнистыми, из которых верхняя
зачеркнута. Полосовой фильтр тогда можно обозначать тремя волнистыми
линиями, из которых зачеркнуты верхняя и нижняя, а заградительный
фильтр – тремя волнистыми линиями, из которых зачеркнута средняя.
Для условно-графических обозначений ранее существовали обязательные к соблюдению стандарты, сейчас их исполнение носит лишь рекомендательный характер, кроме случаев, когда к документу (отчету, проекту и
т. п.) предъявлено требование соблюдения конкретных стандартов или в
самом этом документе на данные стандарты дана ссылка как на источник
разработки. Наличие таких требований или ссылок делает применение
требований указанных стандартов обязательным во всем документе.
Отдельные элементы могут быть более сложными, и поэтому они могут
иметь специфическое название и назначение, которые должны быть пояснены описанием принципа действия.
», а преобразование цифрового сигнала в аналоговый –
/#
».
#/
», а если следует подчеркнуть полярность, то
/
44
), обозначается
». Фильтр
|
После этого можно уточнять частные технические требования на элементы, исходя из общих требований к системе. Если они невыполнимы,
следует изменить техническое задание или функциональную схему.
Исполнение отдельных элементов и схемы в целом может быть осуществлено на основе аналоговой или цифровой электроники. В случае
аналоговой электроники исполнение является всегда лишь аппаратным, в
случае цифровой электроники оно может быть аппаратным, программным
или программно-аппаратным.
Аналоговая техника широко использует операционные усилители, на
основе которых можно собрать различные схемы преобразований электрических сигналов: логарифмирующие усилители; экспоненциальные усилители; усилители-ограничители; пиковые детекторы; выпрямители; модуляторы – демодуляторы; функциональные преобразователи (напряжения в
частоту, частоты в напряжение и т. д.) [5–15]. Развитие электронной техники привело к созданию специализированных микросхем, предназначенных для таких преобразований сигналов, которые ранее осуществлялись
уникальными узлами из более простых компонент.
Аналоговая электроника уступает цифровой по функциональным возможностям, быстродействие цифровой электроники увеличивается с каждым годом, так же как и точность. В настоящее время доступны цифровые
устройства, способные обрабатывать сигналы с тактовой частотой до
120 МГц и выше, при этом каждый отсчет может быть сделан с точностью
14 разрядов. Эти границы постоянно расширяются, преимущества аналоговой техники утрачиваются, поэтому аналоговой технике уделяется все
меньшее внимание. Вместе с тем понимание принципов действия аналоговых узлов полезно для более правильного применения их цифровых аналогов. Кроме того, аналоговая техника все еще широко используется, поэтому мы считаем полезным рассмотрение основных функциональных элементов, наиболее просто реализуемых на основе операционных усилителей и (или) специализированных микросхем.
5.2. Компараторы
Компараторы преобразуют аналоговый сигнал в дискретный, их можно
считать одноразрядным АЦП. Это ОУ без обратной связи с преобразователем уровня выходного сигнала. Они имеют дифференциальный вход и
один или два противофазных выхода. На выходах формируются сигналы
логического уровня (ТТЛ, КМОП или ЭСЛ):
U
= sign(U1 – U2). (5.1)
ВЫХ
Можно подавать изменяющиеся напряжения
U
и U2 на оба входа.
1
Результат работы идеального компаратора при поступлении на его вход
гармонического сигнала показан на
рис. 5.1. На выходе такого компаратора
45
в идеальном случае формируются прямоугольные импульсы, начало которых строго совпадает с моментом пересечения входным сигналом опорного
уровня (в данном случае нулевого), а конец их – с обратным пересечением.
Рис. 5.1. Моделирование в программе VisSim работы компаратора при идеальном
гармоническом сигнале на его входе
Основными параметрами компаратора являются [5–15]:
погрешность U
1)
, с которой компаратор может различать вход-
ВХ.МИН
ные сигналы по разным входам;
быстродействие t
2)
– скорость отклика, определяемая задержкой
ЗДР
срабатывания и временем нарастания сигнала;
нагрузочная способность I
3)
0
– способность управлять определен-
ВЫХ
ным числом входов цифровых микросхем.
Применительно к погрешности по п. 1 в литературе встречается термин
«чувствительность». Этот термин можно оспорить. Под «чувствительностью» следует понимать такую численную характеристику, которая тем
больше, чем лучше это свойство. Это же относится к понятию «точность».
Если чувствительностью назвать погрешность, то, например, увеличение
этой величины вдвое должно означать увеличение чувствительности компаратора вдвое.
Особенности применения компараторов представлены ниже.
1. Идеальный компаратор реагирует на сколь угодно малые отличия
входных сигналов, т. е. не имеет гистерезиса. Поскольку дифференциальный сигнал на входе в момент срабатывания приближается к нулю с
ограниченной скоростью, наличие ВЧ-шума приводит к многократным
пересечениям сигналом нулевого уровня и к множеству срабатываний.
В результате выходной импульс начинается серией коротких импульсов,
46
которые трудно выявить на осциллографе. Они могут быть ложно сосчитаны счетчиком при дальнейшей обработке. Иногда это усугубляется особенностями компаратора. В момент срабатывания входное сопротивление
изменяются скачком, что уменьшает напряжение на входе, в результате
происходит обратное срабатывание и увеличение входного сопротивления
и т. д. При медленном изменении входного сигнала на выходе наблюдается ВЧ-серия срабатываний компаратора.
рис. 5.2 показан пример работы компаратора при наличии шумов во
На
входном сигнале.
Рис. 5.2. Моделирование в программе VisSim работы компаратора
при зашумленном гармоническом сигнале на его входе
Аналогичное явление происходит даже при идеальном с виду сигнале
(т. е. сигнале, шумы в котором составляют не более 1 %) при использовании компараторов с большим входным током. Это явление проявляется
сильнее при медленном нарастании входного сигнала, поэтому не рекомендуются использовать компараторы с большим входным током. Если
они применяются, следует использовать меры против этого явления:
– уменьшение выходного сопротивления источников сигналов по обоим входам (например, применение повторителей);
– увеличение амплитуды входных сигналов (для увеличения скорости
нарастания сигнала вблизи нулевого значения);
– введение гистерезиса.
2. Часто выходной каскад компаратора выполнен в виде транзистора с
открытым коллектором. Такой выход следует подключать через резистор
на источник положительного питания (
микросхем), как показано на
рис. 5.3. Допускается объединение таких вы-
+5В для ТТЛ или +9В для КМОП
47
ходов в монтажное «И», т. е. два коллектора можно объединять на общую
–
K
коллекторную нагрузку. Все же желательно все логические операции выполнять на чисто цифровой технике. Иногда эмиттер выходного транзистора соединен только с внешним выводом микросхемы, его следует соединять с общей шиной (кроме случаев ЭСЛ-логики, см. ниже п. 3).
+U
R
R
1
R
2
Рис. 5.3. Принципиальная схема добавления коллекторной нагрузки на выходе компаратора
Рис. 5.4. Принципиальная схема включения эмиттерной нагрузки на выходе
компаратора
R
1
R
2
U
R
Э
Э
3. Компараторы по ЭСЛ-технологии порой требуют подключения эмиттерной нагрузки на выходе как все элементы ЭСЛ-серии, как показано на
рис. 5.4. Они характеризуются большим быстродействием, но худшей поме-
хоустойчивостью. Для преобразования аналогового сигнала в ЭСЛ-уровни
приемник с линии в линейном режиме дает лучшие результаты.
4. Коэффициент разветвления компараторов (нагрузочная способность
выхода), как правило, не слишком большой (в отношении элементов отечественной электронной техники). Желательно выход компаратора соединять только с одним входом логического элемента, а все разветвления
осуществлять с выхода этого элемента.
5. При значительной величине входного сигнала влияние нелинейности внутренних цепей приводит к искажению формы выходного сигнала.
Желательно ограничить изменения входных сигналов в пределах
например резистивным делителем, как показано на
рис. 5.5.
±5 В,
6. Для введения гистерезиса можно использовать небольшую положительную обратную связь, как показано на
рис. 5.6. Компаратор в этом слу-
чае превращается в триггер Шмитта. Триггером он становится потому, что
его состояние зависит от истории. Под гистерезисом понимают свойство
триггера, при котором порог обратного срабатывания ниже порога прямого срабатывания.
7. В отличие от ОУ, допускающих варьирование напряжений питания в
широких пределах, компараторы требуют достаточно точной установки
48
паспортных значений. Исключением является выходной каскад с откры-
3
тым коллектором (см. выше).
R
1
R
Рис. 5.5. Принципиальная схема включения резистивного делителя на входе
компаратора
R
2
R
4
R
Рис. 5.6. Принципиальная схема внесения гистерезиса в компаратор
R
2
3
R
5
Реальные компараторы имеют ограниченное быстродействие и ограниченную чувствительность, поэтому при большой величине сигнала (0,5 В и
более) высоком отношении сигнал / шум (более 20) в ряде случаев множества импульсов на выходе компаратора не наблюдается. Однако гарантировать отсутствие умножения количества фронтов никогда нельзя, поэтому если наличие этих импульсов недопустимо, следует контролировать
форму и характер фронтов.
5.3. Триггеры Шмитта (ТШ)
Триггер Шмитта может быть сделан на основе компаратора [5–15]. Гистерезис достигается введением слабой положительной ОС, как показано
рис. 5.6. Глубина обратной связи определяется отношением резисторов.
на
Величина порога также зависит от уровня выходных сигналов. Ранее было
сказано, что на неинвертирующем входе усилителя нежелательно осуществлять суммирование сигналов. Поэтому в схеме
рис. 5.6 можно реко-
мендовать использование только инвертирующего входа для сигнала. Так,
R
если резистор
сти и не использовать второй вход), величина
определяет величину гистерезиса. Здесь
считать отсутствующим (т. е. приравнять к бесконечно-
4
U
= U
Г
U
– величина выходного сиг-
ВЫХ
ВЫХ R3
/ (R3 + R5)
нала операционного усилителя.
Также гистерезис может быть обеспечен применением двух компарато-
RS-триггера (с раздельными входами). Кроме того, существуют спе-
ров и
циальные микросхемы, реализующие эти функции.
В состав цифровых серий входят ТШ. Они служат для восстановления
прямоугольной формы сигнала, исказившейся при передаче с длинной линии или по иным причинам. ТШ необходимо применять в тех случаях преобразования аналогового сигнала в импульсный, когда наличие дополнительного импульса во время нарастания или убывания сигнала недопус-
49
тимо (например, если осуществляется счет количества импульсов при измерении частоты, фазы и т. д.).
Необходимо учитывать следующие особенности при использовании
микросхем ТШ, представленные ниже.
1. Уровни срабатывания и отпускания определяются типом логики. Поэтому требуются меры для соответствующего смещения сигнала. Для однотипных элементов различных серий (например, К155ТЛ2 и К555ТЛ2)
уровни срабатывания и отпускания могут отличаться так же, как отличаются быстродействие и входные сопротивления. Это в еще большей степени относится к разным типам логики, которые в принципе совместимы
друг с другом, а именно ТТЛ и ТТЛШ (например, К155ТЛ2 и К531ТЛ2),
поэтому схема смещения разрабатывается с учетом конкретного типа и
серии элемента.
2. Значительная величина гистерезиса требует большого уровня сигнала. Если сигнал мал, его следует усилить, но так, чтобы возможные помехи
не возросли до величины, соизмеримой с порогом гистерезиса.
Проблема правильного выбора величины гистерезиса проиллюстрирована на
ме
компаратор. В работе триггера Шмитта на
рис. 5.7 и 5.8. При этом триггер Шмитта смоделирован в програм-
VisSim путем введения небольшой положительной обратной связи в
рис. 5.7 гистерезис эффективно
предотвращает множественные фронты, а при уменьшении порога срабатывания всего лишь в 2 раза, как показано на
рис. 5.8, возникают ложные
срабатывания по шумам.
Быстродействующие ЭСЛ-серии имеют в своем составе приемники с
линии, содержащие четыре дифференциальных быстродействующих усилителя с коэффициентом усиления
K = 6. Неиспользуемый вход следует
присоединять через 50 Ом к внутреннему источнику опорного напряжения. Если первый каскад охватить ООС, а входной сигнал подавать через
разделительный конденсатор и ограничительный резистор, то на инвертирующем входе установится необходимый средний уровень.
Для эффективной работы ОС коэффициент передачи охваченного ей
каскада должен быть меньше, чем усиление разомкнутого каскада
K
< 6). Последующие каскады можно включать без ОС. Более трех кас-
(
OC
кадов от одной микросхемы последовательно включить не удается из-за
склонности к возбуждению. Усилитель-ограничитель с коэффициентом
K = 50 на трех каскадах этих микросхем хорош для большинства практи-
ческих задач. Подобный компаратор превосходит по быстродействию и
другим показателям серийный ЭСЛ-компаратор К597СА1
и не требует
дополнительных питающих напряжений. Введение положительной ОС
превращает его в ТШ, поэтому мы не рекомендуем использование
ЭСЛ-компаратора К597СА1.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]