Лекция 11. Преобразователи сигналов.

Рассматриваемые вопросы:

Реализация конверторов и инверторов сопротивлений на управляемых источниках. Преобразователи напряжения в ток (ПНТ), тока в напряжение (ПТН).

Основная литература:

1. Ф.И.Вайсбурд, Г.А.Панаев, Б.Н.Савельев. Электроные приборы и усилители. Изд.3-е, стереотипное. – М.: КомКнига, 2005. – 472 с.

2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и МПТ: Учебник для вузов - М.: Высш. шк., 2005. - 799 с.

Преобразователи напряжение - ток, или источники тока обеспечивают более качественную передачу сигналов в длинных линиях по сравнении с передачей напряжения. Выходной ток I_out (рис.3.11.1 и рис.3.11.2) определяется формулами:

(3.11.1)

соответственно, где β- коэффициент усиления транзисторов по току.

Рис. 3.11.1 Рис. 3.11.2 Рис. 3.11.3

В схемах рис.3.11.1 и рис.3.11.2 I_out не зависит от напряжения питания операционных усилителей, но влияет на входное напряжение U_in. Этот недостаток ликвидировано в схеме рис.311.3, если использовать транзисторы на одном кристалле, где β₁ β₂, то погрешность от нелинейности не превышает 0.01%, а выходной ток вычитывается по формуле:

(3.11.2)

На рис.3.11.4 и рис.3.11.5 изображены двухполярные источники токов. Для схемы на рис.4 выходной ток равен ± 10 мА, при входных сигналах ± 10 V и определяется формулой:

(3.11.3)

при этом нелинейность не превышает ± 0.1%.

Рис. 3.11.4 Рис. 3.11.5

Использовав источники питания с незаземлённым общим узлом (рис.3.11.5), нет надобности в подборе резисторов, а смещение нуля компенсируется на резисторе R₀.

Преобразователь "ток-напряжение". Принципиальная схема преобразователя ток-напряжение показана на рис.3.11.2. Он построен по принципу усиления напряжения, которое возникает при протекании тока через резистор R₆. Схема обеспечивает работу согласно формуле:

U_вых = К*I_вх. (3.11.4)

Коэффициент преобразования схемы можно узнать по формуле:

К = R₆*(R₃/R₄). (3.11.5)

Рис.3.11.6.

Для настройки ОУ при Iвх = 0 служит резистор R₂. Часть входного тока ответвляется в цепь R₁, R₂, R₃. Резистор R₆ самодельный проволочный выполненный из нихрома.

Пороговый ограничитель тока. Работа ограничителя выходного тока, схема которого показана на рис.3 основана на шунтировании базовой цепи ключевого транзистора. При входном напряжении, не превышающем пороговое напряжение стабилитрона VD1, транзистор VT1 закрыт, к базе VT2 прилагается полное входное напряжение, и выходной ток определяется резистором R3.

Рис.3.11.7.

Как только входное напряжение превысит пороговое напряжение стабилитрона VD1, открывается транзистор VT1, уменьшается напряжение на базе VT2 и уменьшается выходной ток. Крутизну вольт - амперной характеристики ограничителя можно регулировать резисторами R2, R4 (с увеличением R2 крутизна увеличивается, с увеличением R4 крутизна уменьшается).

Лекция 12. Компараторы и генераторы электрических колебаний.

Рассматриваемые вопросы:

Аналоговые компараторы напряжений. Характеристики, классификация и применение аналоговых компараторов напряжения. Триггер Шмидта

Основная литература:

1. Ф.И.Вайсбурд, Г.А.Панаев, Б.Н.Савельев. Электроные приборы и усилители. Изд.3-е, стереотипное. – М.: КомКнига, 2005. – 472 с.

2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и МПТ: Учебник для вузов - М.: Высш. шк., 2005. - 799 с.

Компаратором называется устройство сравнения двух аналоговых сигналов, один из которых может быть задан как эталонный. При этом на выходе устройства формируются только два значения выходного сигнала: напряжение на выходе будет иметь высокий уровень U_B, если разность между входными сигналами положительна и, наоборот, низкий уровень U_Н, если разностное напряжение отрицательно. Эти условия записываются следующим образом:

(3.12.1)

В общем случае напряжение U_вых может отличаться как по вели-чии­не, так и по знаку. На практике наибольшее распространение получи-ли устройства, формирующие на выходе либо напряжения противополож-ной полярности при практически равных абсолютных значениях, либо напря­жения одной полярности. Первый случай характерен для исполь-зования в качестве схемы сравнения операционного усилителя (ОУ), второй- при использовании специализированных интегральных схем. Во втором случае выходные напряжения компаратора согласованы по величине и полярно­сти с сигналами, используемыми в цифровой технике.

Поэтому можно сказать, что входной сигнал компаратора носит ана­логовый характер, а выходной - цифровой. Вследствие этого компараторы часто используются в качестве элементов связи между аналоговыми и циф­ровыми устройствами.

Для уменьшения погрешности компаратора необходимо уменьшить интервал неопределенности входных напряжений. Это можно обеспечить одним из следующих способов:

• использование ОУ с большим коэффициентом усиления;

• введение в схему положительной обратной связи (ПОС).

Из теории известно, что коэффициент передачи усилителя при введении ПОС К_ПОС описывается выражением:

(3.12.2)

где К_ОУ - коэффициент передачи схемы без обратной связи (ОС), а b_ОC -коэффициент передачи цепи ОС.

Из (3.12.2) следует, что при b_ОC =1/К_ОУ коэффициент усиления схемы будет равен бесконечности, а погрешность компаратора - нулю. На прак­тике это условие трудно выполнимо из-за разброса параметров и неста­бильности характеристик ОУ. Поэтому погрешность компаратора не мо­жет быть устранена полностью, однако ее удается существенно снизить.

Однопороговый компаратор. Однопороговыми называются устройства сравнения, для которых коэффициент усиления используемого усилителя всегда остается положи­тельным (К_ОУ>0). Из этого следует, что при работе такого устройства всегда присутствует некоторая область неопределенности входного напряже­ния, т.е. существует погрешность определения уровня входного напряже­ния. В качестве однопороговых устройств сравнения могут использоваться ОУ без цепей ОС или с положительной ОС, для которой коэффициент пе­редачи обратной связи удовлетворяет неравенству:

(3.12.3)

Гистерезисный компаратор. Гистерезисными называют схемы сравнения, у которых передаточ­ная характеристика неоднозначна. Этот компаратор также называют Триггером Шмидта. Применительно к ОУ это возможно только в том случае, когда усилитель охвачен цепью ПОС с коэффициен­том передачи, удовлетворяющим условию:

(3.12.4)

Очевидно, что в случае использования однопороговой схемы срав­нения на выходе устройства будет сформировано несколько выходных им­пульсов (так называемый «дребезг» выходного напряжения), затрудняю­щих получение однозначного результата. В случае использования гистере­зисного компаратора с правильным выбором напряжений срабатывания и отпускания этого удается избежать и получить на выходе однозначный ре­зультат сравнения.

Рис. 3.12.1. Временные диаграммы работы компараторов в условиях действия напряжения помехи: входной сигнал (а) выходной сигнал однопорогового (б) и гистерезисного (в) компараторов.