Интеграторы, дифференциаторы

Простой интегратор. В цепь ООС ОУ (рис. 15.35, а) включен конденсатор. Постоянная времени интегратора зависит от номиналов R1 и С1 и коэффициента усиления ОУ. Указанные на схеме номиналы реализуют верхнюю частоту полосы пропускания АЧХ 35 Гц. Рабочий диапазон интегратора начинается с частоты выше 40 Гц. На рис. 15.35, б представлена АЧХ интегратора.

Рис. 15.34

Составной интегратор. Фильтр нижних частот (рис. 15.36, .а) по своим характеристикам близок к интегратору с граничной часто­той 200 Гц. В схеме осуществляется комбинированная фильтрация высокочастотных составляющих входного сигнала. Первая ступень состоит из цепочки R1, С1, а вторая — из R3, С2. На рис. 15.36, б, приведена АЧХ интегратора.

Рис. 15.35

Фильтровый интегратор. В качестве Интегратора (рис. 15.37, а) применяется Т-образный ФНЧ с полосой пропускания 30 Гц. Ам­плитудно-частотная характеристика интегратора приведена на рис. 15.37, б.

Регулируемый интегратор. Интегратор (рис. 1538, а) построен с таким расчетом, чтобы можно было менять полосу пропускания с по­мощью потенциометра в цепи ООС. Можно принять резисторы R2 и R3 как части одного потенциометра. При изменении резисторов меня­ется коэффициент усиления: для кривой 1 R2=100 кОм, R3= = 10 кОм, Дf=14 кГц; для кривой 2 R2=100 кОм, R3=100 кОм, Дf = 8 кГц; для кривой 3 R2=10 кОм, R3=10 кОм, Af = 2,5 кГц. Соответствующие примерам АЧХ приведены на графике рис. 15.38,6.

Интегратор на ОУ. Интегратор (рис. 15.39, а) построен таким образом, что накопительный конденсатор подключен одним выводом к общей шине. Это позволяет сбрасывать накопленную энергию на конденсаторе. Интегратор может работать в дискретном режиме. Верхняя частота полосы пропускания АЧХ 130 Гц. Коэффициент усиления в полосе пропускания составляет 200. Амплитуда входно­го сигнала 3 мВ. На рис. 15 39, б приведенд АЧХ интегратора.

Транзисторный интегратор. Интегратор на транзисторах (рис. 15.40, а) имеет большой динамический диапазон. Этот диапа­зон можно увеличить изменением питающих напряжений. С по­мощью подбора сопротивления резистора R2 можно менять постоянную времени интегратора. В указанных на рисунке графиках наблюдается прямая зависимость между параметрами интегратора-для R2=10 кОм Дf=1,5 кГц, а для R2=25 кОм Дf=600 Гц (рис. 15.40, б).

Рмс. 15.36

Рис. 15.37 Рис. 15.38

Рис. 15.39

Рис. 15.40

Рис. 15.41

Сбрасываемый интегратор. Сброс интегратора (рис. 1541, а) осуществляется при поступлении на управляющий вход положитель­ного импульса. Первый транзистор работает в нормальном режиме. При напряжении на интегрирующем конденсаторе больше 0,7 В транзистор VII обладает достаточным коэффициентом пере­дачи тока и шунтирует значительный ток. При напряжении на кон­денсаторе меньше 0,7 В коэффициент передачи транзистора падает. Для уменьшения остаточного напряжения на конденсаторе исполь зуется инверсное включение транзистора VT2. В этом случае непо­добранные транзисторы дают около 20 мВ. На рис. 1541, б при­ведена зависимость остаточного напряжения от управляющего

Рис. 15.42

Интегратор на ОУ со сбросом на транзисторах. Интегратор (рис. 15 42, а, б) построен на ОУ, в цепь ООС которого включен конденсатор. Для разряда конденсатора в схему введены два тран­зистора, которые находятся в закрытом состоянии. С приходом уп­равляющего напряжения положительной полярности один из тран­зисторов открывается. При любой полярности выходного сигнала ОУ транзисторп работают в нормальном режиме. Через этот тран­зистор протекает основной ток разряда конденсатора. Инверсное включение транзистора уменьшает остаточное напряжение на кон­денсаторе. Зависимость остаточного напряжения от управляющего сигнала показана на рис. 15 42, в. Время разряда конденсатора с б В до 10 мВ составляет меньше 1 икс.

Рис. 15.43

Интегратор с разрядным полевым транзистором. В качестве разрядного ключа в сбрасываемом интеграторе (рис. 15.43, а) при­менен полевой транзистор. В нормальном состоянии он закрыт. С приходом управляющего сигнала транзистор открывается и входит в насыщение. В зависимости от амплитуды управляющего сиг­нала остаточное напряжение может менять знак. Это связано с тем, что часть управляющего напряжения проходит через открытые n-р переходы полевого транзистора. На графиках рис. 15.43, б, в при­ведены характеристики интегратора.

Рис. 15.44

Увеличение постоянной времени RС--цепи. Для сравнительно небольших номиналов цепочки RC устройство (рис. 15.44) позволяет получить большие постоянные времени интегрирования. Постоян­ная времени цепочки R3, С увеличивается в 10⁴ раз. Выходные сиг­налы ОУ являются противофазными. Дрейф и уровень шума опре­деляются- так же, как для усилителя с замкнутой ОС. Поскольку коэффициент усиления интегральной микросхемы DA2 равен еди­нице, то общее усиление определяется коэффициентом усиления первой микросхемы.

Рис. 15.45

Транзисторный дифференциатор.Дифференциатор (рис. 15.45, а) построен на основе транзисторного каскада с ОБ. Частотные харак­теристики для низких и высоких частот показаны на рис. 15.45, б. Как видно из рисунков, амплитуда выходного сигнала пропорцио­нальна частоте. На высоких частотах при С1<10 нф наблюдается явление резонанса, которое обусловлено паразитными емкостями транзисторов.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛОВ

Пороговый преобразователь входного сигнала.Схема (рис. 15.46, а) осуществляет поочередное включение светодиодов, подсоединенных к выходам ОУ. Диоды включены таким образом, что при включении последующего диода выключается предыду­щий. Это достигается тем, что пороги- открывания ОУ различны: у усилителя DA1 минимальный порог, а у усилителя DA3 — макси­мальный. У всех закрытых ОУ выходные напряжения имеют мину­совое значение. С включением первого усилителя через первый светоднод протекает ток, он светится. Когда включается второй усилитель, загорается второй светодиод, а первый выключается, по­скольку выходные напряжения первых двух усилителей будут равны.

Рис. 15.46

Если вместо светодиодов поставить транзисторы, то в зависи­мости от уровня входного сигнала будет включаться определенный транзистор и через его коллектор потечет ток. Ток регулируется эмиттерными резисторами. На схеме (рис. 15.46, б) ток равен 10 мА.

Квантующий преобразователь.Устройство служит для кванто­вания входного сигнала на дискретные уровни и отображения его на светодиодном экране. Схема (рис, 15.47) состоит из двух парал-лельцых рядов ОУ (компараторов). Каждый ОУ имеет свой порог открывания. Микросхемы DAI — DA9 имеют пороги открывания, установленные с дискретностью 50 мВ, а ОУ DA10 — DA19 имеют пороги с дискретностью 500 мВ. Входной сигнал поступает одно­временно на все входы ОУ. При нулевом входном сигнале ОУ DAI — DA9 будут иметь на выходе положительные напряжения, а DA10 — DA19 — отрицательные. Когда входное напряжение достиг­нет 50 мВ, переключится ОУ DA9. При дальнейшем увеличении входного сигнала будут поочередно включаться ОУ DA8 — DA1. Микросхема DA1 переключится при входном напряжении 450 мВ. Когда напряжение на входе достигнет 500 мВ, переключится ОУ DA19. На выходе микросхемы появится напряжение положитель­ной полярности, которое пройдет через диод VD9 на транзистор VT9. Полевой транзистор включен в режим генератора тока. С по­мощью резистора R29 устанавливается ток стока 1 мА. Этот ток при Протекании через резисторы R2 — R10 изменит пороги переключения микросхем DAI — DA9. У микросхемы DA9. порог составляет 550 мВ, а у микросхемы DA8 — 600 мВ и т. д. Микросхемы DAI — DA9 вновь начнут отслеживать входной сигнал. Когда входной сигнал достиг­нет уровня 1 В, сработает микросхема DA18, которая снова изме­нит пороги срабатывания, микросхем DAI — DA9. Этот процесс пе­риодически будет повторяться до максимального значения входно­го сигнала, равного 5 В. Для настройки преобразователя необходимо значительное внимание уделить стабильности ОС, вводимой через транзисторы. Следует с большой точностью устанавливать пороги открывания микросхем.

Рис. 15.47

Рассмотренную схему можно применить как преобразователь аналог — код, если на выходе ОУ поставить дополнительные логи­ческие элементы.

Рис. 15.48

Преобразователь «напряжение — частота». Входной сигнал от­рицательной полярности подается на вход интегратора (рис 1548 а) Напряжение на выходе ОУ DA1 ллавно нарастает: Микросхема DA2 закрыта напряжением с потенциометра R4, Отрицательное выход­ное напряжение этого ОУ закрывает транзистор. Когда напряже­ние на интеграторе превысит напряжение на потенциометре (2 В) ОУ DA2 переключится. Положительное напряжение откроет тран­зистор. Произойдет разряд конденсатора. Если входной сигнал ме­няется от 0,1 до 3 В, то частота линейно меняется от 100 Гц до 10 кГц. Линейный закон изменения частоты выходного сигнала от амплитуды входного выполняется с точностью ±1 % (рис 1548 б)

Рис. 15.49

Рис. 15.50

Преобразователь «напряжение — время». Операционные уси­лители DA1 и DA2 преобразователя (рис. 15.49) образуют генера­тор треугольных импульсов. Микросхема DA2 выдает на выходе прямоугольные импульсы, амплитуда которых определяется стаби­литронами. Микросхема DA1 интегрирует эти прямоугольные им­пульсы « формирует треугольные. Частоту импульсов можно регулировать в пределах от 0,05 до 4 Гц Выходной сигнал генератора треугольных импульсов суммируется с сигналом на входе Нуль-ин­дикатором является ОУ DA3. В момент равенства слагаемых сигна­лов ОУ переключается. Длительность выходного сигнала обратно пропорциональна амплитуде входного. Максимальная амплитуда выходного сигнала зависит от напряжения на стабилитроне VDL Линейный преобразователь «напряжение — частота» При дей­ствии на входе ОУ DA1 преобразователя (рис. 1550, а) положи­тельного напряжения происходит заряд конденсатора С1. Напря­жение на входе ОУ DA2 постепенно увеличивается. Когда это на­пряжение достигнет порогового уровня E₂, ОУ DA2 переключится и положительное напряжение на его выходе откроет транзистор VT1. Конденсатор С1 быстро разрядится через транзистор. После этого начинается новый цикл заряда конденсатора. Частота следо­вания импульсных сигналов на выходе микросхемы DA2 определя­ется выражением f=E₁/E₂R₁C. Если транзистор обладает большим неуправляемым коллекторным током, то следует между базой и эмиттером включить резистор сопротивлением 10 кОм. Работа схе­мы проиллюстрирована графиком на рис. 15,50, б.

Глава 16