Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника измерительных устройств. Учебно-методическое пособие к практическим занятиям для бакалавров
.pdf
Рис. 3.2. Осциллограммы в схеме усилителя
Измерив амплитуды сигналов, а также смещение выходного
напряжения U
, можно убедиться в справедливости (3.1).
ВЫХ
Варианты параметров схемы приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Варианты параметров схемы
R4 8к 12к 20к 15к 60к 20к 22к
R6 3к 2к 15к 5к 10к 4к 4к
R1 2к 4к 3к 1к 4к 5к 10к
R2 4к 2к 3к 5к 3к 10к 5к
Напряжение V1 задать таким образом, чтобы смещение (параметр
b в (3.1)) было бы равно 5В. Зарегистрировать осциллограммы сиг-
налов в схеме. Измерить параметры k и b, сравнить их с расчетными
по выражению (3.1).
3.2. Усилитель 2 с однополярным питанием
Собрать в редакторе Multisim схему усилителя.
Пример схемы приведен на рис. 3.3.
11
U kU b
= +
4
6
R
V1
Рис. 3.3. Схема инвертирующего усилителя с однополярным питанием
Для UВХ = 1 В 1кГц, V1 = 3,3В осциллограмма – такая же,
как и в предыдущей схеме.
Функция усилителя определяется выражением
, (3.2)
где
kR= −
,
bR= −
ВЫХ ВХ
R
4
1
.
Варианты параметров схемы приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Варианты параметров схемы
R4 8к 12к 20к 15к 60к 20к 22к
R6 3к 2к 15к 5к 10к 4к 4к
R1 2к 4к 3к 1к 4к 5к 10к
Напряжение V1 задать таким образом, чтобы смещение (параметр
b в (3.2)) было бы равно 5 В.
Зарегистрировать осциллограммы сигналов в схеме. Измерить
параметры k и b, сравнить их с расчетными по выражению (3.2).
3.3. Неинвертирующий усилитель 3 с однополярным питани-
ем
Собрать в редакторе Multisim схему усилителя.
Пример схемы приведен на рис. 3.4.
12
4
5
R
R
Рис. 3.4. Схема неинвертирующего усилителя с однополярным питанием
Коэффициент усиления схемы
U
1
= +
, (3.3)
К
смещение равно 0, что связано с наличием разделительных конденсаторов С1, С3.
Пример осциллограмм в схеме приведен на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Осциллограммы сигналов в схеме усилителя
Непосредственно измерив амплитуды сигналов на осциллограмме, можно убедиться, что коэффициент усиления схемы равен 5.
13
Варианты параметров схемы приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Варианты параметров схемы
R4 8к 12к 20к 15к 60к 20к 22к
R5 3к 2к 15к 5к 10к 4к 4к
R1 2к 4к 3к 1к 8к 7к 10к
R2 2к 4к 3к 1к 8к 7к 10к
Зарегистрировать осциллограммы сигналов в схеме. Измерить ко-
эффициент усиления, сравнить его с расчетным по выражению (3.3).
Содержание отчета
1. Принципиальные схемы исследуемых цепей.
2. Теоретические выражения для определяемых параметров уси-
лителя.
3. Параметры усилителя, определенные по экспериментально
снятым данным.
4. Справочные параметры усилителя.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4
ЛОГАРИФМИРУЮЩИЕ И ПОТЕНЦИРУЮЩИЕ
АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ
И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Общие сведения
В логарифмирующих и экспоненциальных преобразователях для
получения требуемой функциональной характеристики используются
свойства смещенного в прямом направлении p-n перехода диода или
биполярного транзистора. Такие преобразователи входят в качестве
отдельных узлов в различные устройства, выполняющие математические операции. Логарифмирующие преобразователи применяются
также для компрессии сигналов, имеющих большой динамический
диапазон, например звуковых сигналов, причем некоторые из них перекрывают динамический диапазон в 140 дБ или 7 декад.
14
На рис. 4.1 приведена схема простейшего логарифмирующего
1 ,
,
KT
q
ln 1 ln 1 .
0
,UI
ln .
DA
ID
UD
VD
ID
R
UY
UX
преобразователя.
Эта схема проста, но имеет много недостатков, в частности большие отклонения от логарифмической зависимости и дрейф выходного напряжения при изменениях температуры.
Ток диода приближенно описывается выражением:
U
D
ϕ
I I e
= −
D
T
0
(4.1)
Рис. 4.1. Основная схема логарифмирующего преобразователя
ϕ
где
=
T
UD – напряжение на диоде, q – заряд электрона, K – по-
стоянная Больцмана, I0 – обратный ток диода, Т – температура в градусах Кельвина.
Тогда для вышеприведенной схемы получим:
I U
U
ϕ ϕ
= − ⋅ − = − ⋅ −
Y T T
D X
I I R
0 0
Для получения логарифмической зависимости необходимо, что-
1
бы
R
1
>>
при этом
U
Y
≈ − ⋅
q R I
15
UKT
X
(4.2)
1 0
Для кремниевого диода I0 = 1 нА, а значение φТ = 25 мВ при ком-
1 ,
UБЭ
IЭ
DA
IR
UK
IK
R
UY
UX
натной температуре.
Простейший логарифмирующий преобразователь применяется
редко из-за двух серьезных ограничений.
Во-первых, как следует из (4.2), он очень чувствителен к температуре.
Во-вторых, диоды не обеспечивают хорошей точности преобразования, т.е. зависимость между их прямым напряжением и током не
совсем логарифмическая. Поэтому удовлетворительная точность в
этой схеме может быть получена при изменении входного напряжения в пределах двух декад.
Лучшие характеристики имеют логарифмирующие преобразователи [3] на биполярных транзисторах (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Схема логарифмирования с транзистором
Зависимость тока коллектора транзистора от напряжения базаэмиттер при нулевом напряжении коллектор-база определяется выражением:
U
БЭ
ϕ
I I e
= −
K K
T
0
где IK0 – обратный ток насыщения транзистора. Его значение для
маломощных транзисторов составляет около 0,1 пА при комнатной
16
температуре. Выходное напряжение такой схемы определяется вы-
ln 1 ln .
ражением
U U
U
ϕ ϕ
= − ⋅ − ≈ − ⋅
Y T T
X X
RI RI
0 0
K K
(4.3)
Поскольку ток IK0 транзистора существенно меньше, чем ток
I0 диода, приближенное равенство (4.3) значительно точнее, чем (4.2).
Это обеспечивает динамический диапазон схемы (рис. 4.2) до 7 декад.
Примечание 1: Для такого широкого диапазона входные токи ОУ
должны быть не более 1 пА.
Для изменения полярности входного напряжения в схеме на рис.
4.2 достаточно просто “перевернуть” транзистор. Для отрицательных
входных напряжений необходимо использовать p-n-p транзистор.
Входные сигналы обратной полярности могут вывести из строя
транзистор в схеме, т.к. операционный усилитель при этом входит в
насыщение, и на переход база-эмиттер подается обратное напряжение, практически равное напряжению питания. Поэтому необходимо
принять меры для защиты транзистора. С этой целью в схему включают дополнительные диоды.
Как уже отмечалось выше, схема с заземленной базой транзистора склонна к самовозбуждению. Это вызвано тем, что в цепи обратной связи усилителя есть элемент, вносящий дополнительное усиление напряжения (транзистор, включенный по схеме с общей базой),
поэтому общий коэффициент передачи петли обратной связи повышается. Даже усилитель с полной внутренней коррекцией может потерять устойчивость при увеличении контурного усиления. На диаграмме Боде этому соответствует перемещение ЛАЧХ вверх относительно оси частот, что вызывает рост частоты среза и резкое сокращение запаса устойчивости по фазе. Для обеспечения устойчивости
схемы можно применить такую же частотную коррекцию, что и при
работе ОУ на емкостную нагрузку. Схема скорректированного логарифмирующего преобразователя приведена на рис. 4.3.
17
1
>>
X
T
U
U I Re
ϕ
UБЭ
VT
С
Ф
R
Ф
IЭ
DA
IR
UK
IK
R
UY
UX
DA
IR
UK
IK
R
UY
UX
Рис. 4.3. Схема скорректированного логарифмирующего преобразователя
В экспоненциальных преобразователях обычно применяется по-
казанное на рис. 4.4 включение транзистора с заземленной базой.
Рис. 4.4. Схема экспоненциального преобразователя
Выходное напряжение этой схемы при
ся выражением
U
X
ϕ
T
e
определяет-
рующих и экспоненциальных преобразователей, например, ICL8048 и
ICL8049. Некоторые из них предназначены для выполнения только
одной функции, другие, такие как SSM-2100, могут осуществлять обе
= −
Y K
0
. (4.4)
Промышленность выпускает несколько видов ИМС логарифми-
18
функции. Хорошие характеристики имеют такие ИМС, как LOG100 с
динамическим диапазоном 5 декад и суммарной погрешностью не
более 0,37% и AD8309 с динамическим диапазоном 95 дБ в полосе
частот до 350 МГц.
4.2. Исследуемая логарифмирующая схема на базе диода изоб-
ражена на рис. 4.5. В схеме используется конденсатор С1 для обеспечения ее устойчивости.
Рис. 4.5. Логарифмирующая схема на базе диода
Варианты заданий: используемый диод BYM36A, BYM36B,
BYM36D, BYM56A, BYM56B, BYM56D.
Задание на выполнение работы:
4.1. Снять характеристику – зависимость выходного напряжения
U1 от входного V3 в виде табличных данных. Табличные данные для
варианта схемы на рис. 4.5 представлены в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Табличные данные для характеристики схемы
V3 1 мВ 10 мВ 100 мВ 1 В 10 В 100 В 1000 В
U1 -0,404 В -0,506 В -0,607 В -0,709 В -0,81 В -0,912 В -1,02 В
4.2. Внести полученные табличные данные в редактор Mathcad.
Значения входного напряжения V3 следует вводить в таблицу в
логарифмическом виде.
19
Для табл. 4.1 данные имеют вид:
〈
〉
〈
〉
,
:=
−
3−
0.404
2−
0.506
data
:=
1−
0
1
2
3
0.607
0.709
0.81
0.912
1.02
4.3. Для аппроксимации табличных значений прямой линией F(x)
используем программу.
Программа аппроксимации имеет вид:
n:= rows(data) n:=7 i:=0…n data:=csort(data,0)
X data
:=
0
Y data
:=
1
S linfitX Y, F
fit(x):=F(x)⋅S npoints:=7
1
q
min X( ) j
F x( )
:=
j
x
График аппроксимации характеристики представлен на рис. 4.6.
1.2
1.02
1
Y
i
0.8
fit q
( )
i
( )
max X( ) min X( )
( )
⋅+:=
npoints
j:=0…npoints
0.6
0.403
0.4
3− 2− 1− 0 1 2 3
33− Xiqi,
X-Y data
Least-squares fit
Рис. 4.6. График аппроксимации характеристики схемы (рис. 4.1)
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]