ЭЛЕКТРОНИКА В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

УДК 621.385 Х65

Рецензенты: доцент кафедры МСИА, к.т.н. Е.В. Сыпин; доцент кафедры МСИА, к.т.н. Р.В. Барсуков

Хмелев, В.Н.

X65 Электроника в приборостроении: курс лекций / В.Н. Хмелев, С.В. Левин; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2009. – 128 с.

ISBN 978-5-9257-0152-2

В курсе лекций рассмотрены принципы работы и основы теории электронных приборов и схем, приведены основные сведения о принципе работы и свойствах операционных усилителей, многокаскадных усилителей, преобразователей электрических сигналов и других устройств, основанных на применении операционных усилителей.

Предназначен в качестве учебника для подготовки специалистов по специальностям 190900 «Информационно-измерительная техника и технологии» и 230201 «Информационные системы и технологии».

УДК 621.385

Рекомендовано и одобрено на заседании научно-методического совета Бийского технологичекого института

Протокол № 3 от 29 января 2009 г.

1.3Преобразование частоты…………………………………….. 9

1.4Амплитудная модуляция…………………………………….. 11

ЛЕКЦИЯ 2. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ……………………………………………………..…… 15

2.1Детекторы сигналов………………………………………….. 15

2.2Амплитудные детекторы…………………………………….. 16

2.3Фазовые детекторы…………………………………………… 19

2.4Частотные детекторы………………………………………… 20

ЛЕКЦИЯ 6. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ….……………….. 49

6.1Неинвертирующие усилители…………………………….…. 49

6.2Дифференциальный усилитель…………………………….... 52

9.3Конверторы сопротивления…………………………………. 78

9.4Гираторы……………………………………………………… 80

9.5Фазосдвигающие устройства………………………………… 83

3

ЛЕКЦИЯ 10. ИНТЕГРИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА……………… 88

10.1Пассивные интегрирующие цепи………………………….. 88

10.2Интегрирующие устройства на основе

операционных усилителей………………………………………. 92

ЛЕКЦИЯ 11. ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА…….…. 102

11.1Пассивные дифференцирующие цепи…………………...… 102

11.2Активные дифференцирующие устройства………………. 108

ЛЕКЦИЯ 12. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ……..……………………… 112

ЛЕКЦИЯ 13. МАГНИТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ………………………………………….…… 120

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………. 127

4

ЛЕКЦИЯ 1. ЧАСТОТНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

В процессе разработки аппаратуры часто оказывается необходимым изменить спектральный состав или сдвинуть по частоте спектр исследуемого или обрабатываемого сигнала.

Обычно задачу решают, пользуясь нелинейностью вольт-ампер- ных характеристик (ВАХ) электронных приборов (ЭП).

1.1 Математические основы преобразования частоты

Рассмотрим прохождение сигнала через устройство, ВАХ которого обладает ярко выраженной нелинейностью.

Для простоты рассмотрения обычно считают, что устройство не содержит реактивных элементов, а его ВАХ в области рабочей точки (I0,U0) может быть аппроксимирована рядом Тейлора, содержащим только первые три члена, т.е.

Пусть входное воздействие описывается выражением:

Uвх t Um cos t ,

тогда напряжение, приложенное к электронному прибору с нелинейной ВАХ, запишется в виде:

U t U0 Um cos t .

Подставим это выражение в рассмотренный ряд Тейлора и после преобразования получим:

i(t) (0 0,52Um2 ) 1Um cos t 0,52Um2 cos 2t .

Из полученного выражения следует, что при подаче гармонического колебания на вход электронного прибора в спектре выходного сигнала появляется составляющая с частотой 2 и изменяется величи-

на постоянной составляющей на 0,52Um2 .

Это означает, что даже в том случае, когда во входном сигнале постоянная составляющая равна 0, в спектре выходного сигнала появляется постоянная составляющая (рисунок 1.1).

5

Рисунок 1.1 – Преобразование гармонических колебаний

Рисунок 1.2 – Схематичное изображение процесса преобразования электрического сигнала

Если не ограничиваться квадратичным членом в ряде Тейлора при описании ВАХ, то можно установить, что, в общем случае, амплитуда гармоник выходного тока (рисунок 1.2) и постоянная составляющая вычисляются по формулам:

6

Отметим, что постоянная составляющая и амплитуды четных гармоник определяются коэффициентами ряда Тейлора с четными номерами, а амплитуды нечетных гармоник – нечетными коэффициентами ряда.

Таким образом, при нелинейных ВАХ в спектре выходного тока при подаче на вход электронного прибора гармонического сигнала появляются высшие гармоники, и их количество в спектре оказывается тем больше, чем больше нелинейность ВАХ.

Вслучае, когда на вход будет подано два гармонических сигнала

счастотами 1 и 2 (1>2) относительно рабочей точки I0U0, получится:

Подставим формулу (1.1) в ряд Тейлора (с двумя первыми членами), получим:

i(t) 0 1Um1 cos 1t 1Um2 cos 2t

2Um21 cos2 1t 22Um1Um2 cos 1t cos 2t

2Um2 2 cos2 2t.

Если провести преобразования и группировку членов, можно получить:

i(t) [0 0,52 (Um21 Um2 2 )] 1Um1 cos 1t 1Um2 cos 2t

0,51Um21 cos 21t 0,52Um2 2 cos 22t 2Um1Um2 cos(1 2 )t

2Um1Um2 cos(1 2 )t.

Частотный спектр будет иметь вид, показанный на рисунке 1.3.

7

Рисунок 1.3 – Частотный спектр, полученный в результате преобразования двух сигналов с различными частотами

В рассматриваемом случае, кроме высших гармоник, появились составляющие с частотами ( 1+ 2) и ( 1 2), причем их амплитуды равны 2, Um1, Um2, т.е. в нелинейном элементе произошло взаимодействие (перемножение) сигналов, поданных на вход.

1.2 Амплитудно-модулированные колебания

Спектр модулированного по амплитуде (АМ) колебания представляется тремя частотами: н, н Ω, н+Ω ( н – частота несущего колебания, Ω – частота модулированного колебания).

Поскольку в приведенном сигнале присутствуют составляющие, с точностью до индексов соответствующие спектру модулированных по амплитуде колебаний, то можно сделать вывод, что для получения ам- плитудно-модулированного сигнала достаточно перемножить часто-

ты н и Ω.

Перемножение колебаний с последующей фильтрацией позволяет осуществить преобразование частоты или гетеродинирование.

Преобразованием частоты называется процесс, в результате которого спектр какого-либо модулированного сигнала с одной несущей частоты переносится на другую, как правило, более низкую несущую частоту.

8

Считаем одно из колебаний модулированным, т.е.

U1(t)=Um1(t)cosω1t,

тогда любая из составляющих выходного тока с частотами 1+ 2 и1 2 тоже окажется модулированной по амплитуде, и каждую из этих частот можно использовать в качестве несущей. То есть за счет преобразования можно не только модулировать по амплитуде, но и осуществлять преобразование частоты.

Функциональные схемы преобразователя и модулятора имеют вид, представленный на рисунке 1.4.

а – преобразование частоты, б – амплитудная модуляция

Рисунок 1.4 – Функциональные схемы

На выходе перемножителя Х выделяется сигнал, спектральная частота которого равна разности частот колебаний, поданных на вход. В модуляторе фильтр настроен на частоту несущего колебания.

1.3 Преобразование частоты

Применительно к преобразователям частоты нелинейный элемент, в котором осуществляется перемножение, называется смесителем, а вспомогательный генератор – гетеродином.

Гетеродин и смеситель обеспечивают преобразование частоты. Для выделения нужной спектральной составляющей на выходе

смесителя необходим частотно-избирательный элемент, например, колебательный контур.

Гетеродин – маломощный генератор гармонических колебаний. Смеситель – любой электронный прибор с нелинейной ВАХ или смесительная схема.

9

Рассмотрим принципиальную схему преобразователя частоты на полевом транзисторе (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Схема электрическая принципиальная преобразователя частоты

Выбор в качестве нелинейного элемента полевого транзистора удобен с практической точки зрения, т.к. его стоко-затворная характеристика Ic=f(Uз) близка по форме к квадратичной параболе.

Примем, что с>г, а сигнал представляет собой модулированное по амплитуде колебание с шириной спектра 2Ωн.

Режим работы транзистора VT по постоянному току определяется Е0 и сопротивлением резистора Ru в цепи истока. На этом резисторе за счет прохождения через него постоянной составляющей тока стока Ioc создается падение напряжения Uоз=IосRu. Это напряжение приложено между затвором и истоком, так как по постоянному току затвор соединен с землей – общей точкой схемы (сопротивление LC-контура по постоянному току равно 0). Сопротивление индуктивности Lсв=0 по постоянному току. Емкость конденсатора Cбл берется такой величины, чтобы его сопротивление на резонансной частоте гетеродина было намного меньше сопротивления резистора Ru (на порядок и больше), зна-

10