Основные функциональные узлы электронных устройств. Основные типы электрических схем. Характеристики простейшей электрической цепи.

Электронные устройства, в которых осуществляется преобразование перечисленных ранее сигналов, содержат различные комбинации функциональных узлов в зависимости от назначения устройства. На рисунке 5.7 приведен перечень основных функциональных узлов, применяемых в схемотехнике современных аналоговых электронных устройств, используемых в измерительной технике.

Рисунок 5.7 – Основные функциональные узлы аналоговых электронных устройств

Усилители информационного сигнала присутствуют практически во всех электронных устройствах, применяемых в измерительной технике. Усилители любого типа характеризуются полосой пропускания , которая равна разности верхней и нижней граничных частот. Полоса пропускания, как правило, увязывается с шириной спектра усиливаемого сигнала.

Основные типы электрических схем.

Основные функциональные узлы, компоненты элементной базы представляют собой электронные устройства того или иного назначения.

Физически электронное устройство представляет собой реально существующую электрическую цепь, содержащую источники энергии, основные функциональные узлы, компоненты элементной базы, нагрузки и соединения. При разработке электронного устройства реальная электрическая цепь отражается в виде электрических схем трех основных типов: структурной, функциональной и принципиальной электрической.

Электрическая структурная схема в общем виде поясняет принцип работы электронного устройства, состав его основных узлов и блоков, их назначение и взаимосвязи между ними. На рисунке 5.8 приведен вариант структурной схемы простейшего цифрового измерителя температуры объекта.

Рисунок 5.8 – Вариант электрической структурной схемы цифрового измерителя температуры

Блок датчика осуществляет преобразование температуры в электрический сигнал, это может быть термопара, термистор и т.п. Блок нормирующего усилителя обеспечивает необходимый для дальнейшего преобразования уровень сигнала. Блок преобразователя формирует из аналогового сигнала цифровой код, адекватный текущему значению температуры, далее цифровой код преобразуется блоком дешифратора в код управления цифровым индикатором. Электрические сигналы, соответствующие логическим уровням этого кода, усиливаются усилителем мощности до уровня, необходимого для работы блока цифрового индикатора. Структурная схема служит основанием для разработки функциональной схемы.

Электрическая функциональная схема детализирует принцип работы устройства путем реализации блоков структурной схемы с помощью блоков, выполняющих стандартные функциональные преобразования. При этом тот или иной блок структурной схемы может быть реализован несколькими функциональными блоками, и наоборот, несколько блоков структурной схемы могут быть реализованы меньшим числом функциональных блоков. На рисунке 5.9 представлена функциональная схема измерителя температуры.

Рисунок 5.9 – Электрическая функциональная схема цифрового измерителя температуры

В данном примере первичный измерительный преобразователь представлен блоком 1 со стандартным условным графическим изображением функции преобразования. Нормирующий усилитель реализован на операционном усилителе – блок 2, его условное графическое изображение показано в рамке блока; преобразователь аналогового сигнала и дешифратор выполнены в виде одного блока 3 – аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с выходом в виде позиционного кода управления цифровым индикатором. Усилитель мощности, показанный на структурной схеме, реализован блоком 4, имеющим соответствующее условное графическое обозначение (УГО); блок 5 имеет стандартное обозначение символьного индикатора. Таким образом, функциональная схема уже содержит практические рекомендации по выбору отдельных схемотехнических решений и служит основанием для разработки принципиальной схемы измерителя температуры.

Электрическая принципиальная схема содержит полный состав комплектующих элементов электронного устройства и всех электрических связей между ними. Приложением к принципиальной схеме является перечень всех входящих в нее элементов с указанием их позиционных обозначений, типов, числа, выполняемый по стандартной форме Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). Принципиальная схема служит основанием для разработки других конструкторских документов, необходимых для изготовления изделия (схем соединения, электромонтажных чертежей и др.). Примеры принципиальных схем приведены далее при рассмотрении конкретных электронных устройств, применяемых в измерительной технике.

Характеристики простейшей электрической цепи.

Простейшая электрическая цепь (рисунок 5.10) содержит источник электрической энергии и нагрузку. Обозначения на схеме: – ЭДС источника сигнала; – внутреннее сопротивление источника; – эквивалентное сопротивление нагрузки; – ток нагрузки; – выходное напряжение.

Рисунок 5.10 – Простейшая частотно-независимая электрическая цепь

Основной характеристикой такой цепи является коэффициент передачи:

.

Часто на практике необходимо реализовать источник напряжения, когда напряжение на нагрузке не зависит в определенных пределах от величины самой нагрузки. В этом случае коэффициент передачи тем ближе к единице, чем точнее выполняется неравенство .Добиться такого режима можно, применяя источник с низким внутренним сопротивлением, или схемным путем, например, используя согласующие каскады различного типа. Для той же схемы режим генератора тока (ток практически не зависит от ) можно организовать, если обеспечить схемным путем неравенство .

.

На практике к простейшим цепям такого типа можно свести многие участки реальных электрических схем, что существенно облегчает их расчет. В то же время при работе с источником переменного сигнала необходимо учитывать реактивные сопротивления конденсаторов и катушек индуктивности, входящих в состав схемы, а также возникающие при монтаже изделия. Реактивные элементы уменьшают уровень переменного сигнала и вносят дополнительные фазовые сдвиги (нежелательные) между напряжениями и токами сигнала при его преобразованиях (рисунок 5.11).

Рисунок 5.11 – Простейшая частотно-зависимая электрическая цепь

В данном случае электрическая цепь будет частотно-зависимой, так как модуль реактивного сопротивления конденсатора зависит от частоты сигнала. Коэффициент передачи цепи будет комплексной величиной:

К таким цепям также во многих случаях можно свести фрагменты реальных электрических схем. Что касается режимов генератора напряжения или генератора тока, то сделанные ранее замечания в одинаковой степени применимы к частотно-зависимой цепи.

Контрольные вопросы

1 Перечислите виды аналоговых информационных сигналов.

2 Какой аналоговый сигнал имеет наибольшую информативность?

3 В чем отличие полосы пропускания усилителей переменного и постоянного токов?

4 Чем отличается инвертирующий ОУ от неинвертирующего?

5 С какими сигналами работает усилитель типа МДМ?

6 Каково назначение компараторов?

7 Перечислите разновидности вторичных источников питания.

8 В каких случаях источник электропитания является генератором напряжения или генератором тока?

Лекция 6