5.4. Разработка измерительной схемы активного фвч

Активный ФВЧ может быть построен перестановкой местами резисторов и конденсаторов в схеме активного ФНЧ рис. 4.8 [1]. Для определения АЧХ к не инвертирующему входу схемы в качестве источника сигнала подключаем источник переменного синусоидального напряжения. Подключение измерителя АЧХ рассмотрено выше.

На базе этой схемы проводятся исследования по влиянию разброса параметров элементов на АЧХ ФВЧ.

Номинальные значения параметров элементов схемы задаются в соответствии с ТУ на операционный усилитель LM741и имеют следующие значения:R₁=1 кОм,R₂=5.1 кОм,R₃=10 кОм,R₄=0.06 кОм,С₁=1 мФ,C₂=1 мФ.

Рис. 5.3. Измерительная схема активного ФВЧ

5.5. Измерительная хема активного полосового фильтра (пф)

В качестве базовой возьмём схему активного ПФ рис. 4.7 [1]. ПФ построен на базе двойного Т– моста. Обеспечивает высокую добротность, однако при этом требуется выполнение и поддержание условий баланса (C₁=2C₂; R₃=R₂/2), что может быть обеспечено только при использовании прецизионных резисторов и конденсаторов или при их подборе.

Для определения АЧХ к не инвертирующему входу схемы подключаем источник переменного синусоидального напряжения. Подключение измерителя АЧХ рассмотрено выше.

Номинальные значения параметров элементов схемы задаются в соответствии с ТУ на операционный усилитель LM741и имеют следующие значения:R₁=22 кОм,R₂=10 кОм,R₃=5.1 кОм,С₁=2 мФ,C₂=1 мФ.

Рис.5.4. Измерительная схема активного ПФ

6. Исследование схем радиоэлектронных устройств

на операционных усилителях

В этом разделе необходимо провести исследование влияния разброса параметров цепи обратной связи на коэффициент усиления и АЧХ не инвертирующего усилителя, а также влияние разброса параметров других элементов на АЧХ. Под разбросом параметров элементов понимается их случайное отклонение от номинальных значений.

Следует также провести аналогичное исследование влияния разброса параметров элементов на АЧХ активного ФНЧ, активного ФВЧ и активного полосового фильтра (ПФ). Это исследование позволит выявить элементы, к которым каждая из схем наиболее чувствительна.

6.1. Общие положения

Концепция электронной лаборатории с виртуальными измеритель­ными приборами, заложенная в программу EWB, существенно облег­чает проведение самого сложного этапа — расчета процессов, проте­кающих в радиоэлектронном устройстве [2]. После составления схемы и подключения к схеме измерительных приборов для начала анализа цепи достаточно нажать кнопку Activate/Stop. Рассчитанные значения токов, напряжений или сопротивлений показываются на экранах из­мерительных приборов. Аналогичный порядок работы имеет место в реальной лаборатории.

Можно изменять параметры эле­ментов, удалять или добавлять новые, подключать приборы к другим контрольным точкам схемы и т. п. После изменений в схеме требуется заново активизировать цепь, нажимая кнопку Activate/Stop.

При использовании переменных резисто­ров, конденсаторов или катушек индуктивности изменение процессов в цепи можно наблюдать, как правило, не прекращая моделирования. Однако при этом увеличивается погрешность получаемых результатов. Поэтому расчет рекомендуется повторить при фиксированных параметрах, также заново нажимая кнопку Acti­vate/Stop.

В зависимости от типа подключенного прибора программа EWB автоматически настраивается на выполнение следующих основных видов анализа:

— DC Operating Point — расчет режима по постоянному току при включении мультиметра, амперметров и вольтметров для изме­рения постоянных токов и напряжений;

— AC Frequency — расчет частотных характеристик при включе­нии измерителя АЧХ и ФЧХ, а также мультиметра, ампермет­ров и вольтметров для измерения гармонических токов и на­пряжений;

— Transient — расчет переходных процессов при помощи осциллографа.

В программе EWB предусмотрен и другой, обычный для большин­ства других программ моделирования способ анализа схем — вы­бор режимов анализа с помощью меню Analysis. Необходимые ре­жимы анализа можно получить, выбирая соответствующие команды меню Analysis. Настройка основных пара­метров в диалоговых окнах указанных видов анализа аналогична на­стройке параметров измерительных приборов.

В программе EWB по умолчанию установлен большой шаг численного интегрирования. Для повышения точно­сти и корректности результатов анализа переходных процессов, осо­бенно в узкополосных цепях, в цепях с нелинейными элементами и в других сложных цепях, рекомендуется выбрать пункт меню Analysis\Analysis Option\Transient и установить следующие значения пара­метров программы EWB: ITL4= 100…1000 и TRTOL=1... 0,1.

С помощью меню Analysis можно дополнительно провести и другие, в том числе и незапланированные в настоящем лабораторном практикуме, виды анализа. Это спектральный анализ (Fourier), анализ спектра внутренних шумов (Noise), расчет нелинейных искажений (Distortion), анализ влияния вариаций параметра какого-либо элемента схемы (Pa­rameter sweep) на ее характеристики, анализ влияния изменения температуры на характери­стики устройства (Temperature sweep).

А также расчет нулей и полюсов пере­даточной характеристики моделируемой схемы (Pole-Zero), расчет передаточной функции (Transfer Function), расчет чувствительности и разброса характеристик схемы при изменении параметров элементов (Sensitivity, Worst Case и Monte Carlo).

Для анализа спектра сигнала выбирается пункт меню Analysis\Fourier. Диалоговое окно установки Опций Фурье-анализа показано на рис. 6.1. В первом сверху окошке (блок параметров Analysis) устанавливается номер узла схемы, для которого проводится анализ. Во втором — устанавливается частота основной гармоники. В третьем — число рассчитываемых гармоник. В блоке Result выбирается вид мас­штаба по вертикальной оси.

Рис. 6.1

Для отображения фазового спектра отме­чается пункт Display phase, для показа амплитудного спектра с помо­щью непрерывной линии делается пометка пункта Output as line graph. Отметим, что расчет гармоник в спектре анализируемого сигнала производится без использования быстрого преобразования Фурье (БПФ) — а применяется численное ин­тегрирование по формуле ряда Фурье:

(6.1)

где - комплексная амплитудаn – ой гармоники.

Поэтому при исследовании можно задавать расчет большого числа гармоник (параметр Number of harmonics можно установить много больше 10). Однако высшие гармоники в спектре сигнала будут рассчитаны с большей погрешностью.

Все радиоэлементы изготавливаются на предприятиях с разбросом параметров. В бытовой аппаратуре разброс параметров элементов достигает 20%. В аппаратуре специального назначения, в ответственных узлах радиоэлектронных устройств разброс парамет­ров, как правило, не превышает 10%. Отдельные радиокомпо­ненты изготавливаются с разбросом равным 5%, 2%, 1% и менее. Например, в источниках питания ЭВМ для получения высо­костабильного напряжения могут использоваться резисторы с раз­бросом параметров равным 0,5%.

Для расчета нестабильности харак­теристик РЭУ и их чувствительности к разбросу параметров элементов схем использу­ются пункты меню программы EWB: Analysis\Sensitivity, Analysis\ Worst Case и Analysis\ Monte Carlo.

При анализе нестабильности характеристик обычно задается гауссово распределение случайного разброса параметров радиоэлементов. Анализ чувствительности и разброса ха­рактеристик схемы при изменении параметров компонентов требуется для оценки работоспособности устройства при модернизации, ремонте и при серийном производстве.

Пункт меню Analysis\ Noise используется для анализа шумов в малошумящих усилителях и в других малошумящих электронных устройствах. В диалоговом окне, появляющемся после выбора этого типа анализа, указываются эквивалентный источник входного шума, но­мер выходного узла, на котором рассчитывается шумовое напряже­ние, частотный диапазон анализа и компонент схемы, который дает вклад в шумы устройства.