Описание схем исследуемых устройств

В предлагаемой лабораторной работе исследуются устройства УВХ и ПД, выполненные на базе ОУ. Это сравнительно простые схемы данных устройств, которые позволяют исследовать основные особенности их работы.

Пиковым детектором называется устройство, выходной сигнал которого показывает наибольшее напряжение, наблюдаемое на входе за некоторый задаваемый промежуток времени.

На рис. 5.1, а показана схема ПД положительного напряжения, а на рис. 5.1, б - его входной и выходной сигналы. Два усилителя (рис. 5.1, а), объединенные общей отрицательной обратной связью, работают как повторитель напряжения с коэффициентом усиления, равным единице. Усилитель имеет единичный коэффициент усиления и заряжает конденсатор С через диод до пикового значения входного напряжения. Диод также препятствует разряду С, когда входное напряжение меньше напряжения на конденсаторе С_. Диод создает обратную связь для усилителя когда его выходное напряжение меньше пикового значения, для того чтобы предотвратить его насыщение. Усилитель - повторитель с единичным коэффициентом усиления, действующий в качестве буфера между конденсатором С и выходом детектора. Высокое полное входное сопротивление усилителя развязывает конденсатор С от выходной цепи. Там, где требуется длительно хранить пиковое значение напряжения, необходимо выбирать усилитель с входным каскадом на полевых транзисторах. На инвертирующий вход через резистор обратной связи R подается напряжение сравнения , которое соответствует напряжению на конденсаторе С. Номинал С должен быть выбран так, чтобы выполнялось условие /C £ , где - скорость нарастания напряжения на выходе усилителя . При нажатии кнопки сброса схема приводится в начальное состояние. Если поменять включение диодов на обратное, то ПД становится детектором отрицательных напряжений. На рис. 5.1, б приведены временные диаграммы работы идеального устройства ПД.

Рис. 5.1. Пиковый детектор:

а – функциональная схема; б – форма сигналов на входе и выходе;

в – форма сигналов на входе и выходе при входном сигнале прямоугольной формы

Модификация рассмотренной схемы пикового детектора приводит к схеме УВХ (рис. 5.2, а). Функция схемы УВХ состоит в быстром заряде конденсатора С по управляющей команде до значения входного напряжения и удержании его (данного значения) на выходе в течение продолжительного времени. Схемы УВХ широко применяются в системах сбора данных, в промышленных цифровых системах управления, цифровых системах связи, аналого-цифровых преобразователях и т. п. Выходное напряжение в схеме устройства выборки и хранения остается неизменным, пока не поступит следующий импульс управляющего напряжения.

Рис. 5.2. Схема выборки-хранения:

а – функциональная схема; б – форма напряжений

Имеется много вариантов построения схем УВХ, обеспечивающих различные быстроту выборки и точность хранения запомненного напряжения. Схема, представленная на рис. 5.2, а, обладает умеренной точностью, но хорошим быстродействием. Усилитель представляет собой буфер для входного сигнала, развязывающий источник сигнала и емкостную нагрузку в виде запоминающего конденсатора С. В момент прихода импульса управления аналоговый электронный ключ ЭК имеет малое проходное сопротивление и конденсатор С быстро заряжается до уровня входного сигнала (рис. 5.2, б). Усилитель должен иметь большое входное сопротивление (желательно применение операционного усилителя с входным каскадом на полевых транзисторах). Он служит в качестве выходного буфера, уменьшающего разрядный ток конденсатора.

Когда управляющее напряжение достигнет 5 В, через ЭК потечет ток и конденсатор С будет заряжаться выходным током операционного усилителя . Напряжение управления должно прикладываться в течение достаточно длительного времени, для того чтобы зарядить конденсатор до полного входного напряжения. Время выборки должно быть по крайней мере не меньше постоянной времени t = ( + )С, где и – выходное сопротивление и сопротивление открытого ЭК соответственно. В этом случае погрешность выборки будет достаточно мала.

Когда напряжение управления равно нулю, то ЭК разомкнут и имеет большое сопротивление. Начинается время хранения. Выходное напряжение будет оставаться примерно на уровне последнего значения входного напряжения до следующего периода выборки. Конденсатор при этом будет медленно терять напряжение, разряжаясь через сопротивление разомкнутого ключа ( ), сопротивление между обкладками конденсатора ( ), входное сопротивление операционного усилителя ( ), а также под влиянием тока смещения усилителя . Потеря напряжения на конденсаторе хранения к концу времени хранения ( ) будет определяться соотношением

Δ = / С,

где – сумма токов утечки электронного ключа, конденсатора и выходного усилителя. При большом времени хранения следует выбирать конденсатор с высококачественным тефлоновым, полистирольным или поликарбонатным диэлектриком.

В схеме УВХ (рис. 5.2, а) усилители и могут быть включены единым повторителем напряжения путем охвата их общей цепью отрицательной обратной связи в период выборки, подобно тому, как это сделано в устройстве пикового детектора (см. рис. 5.1).Это снижает погрешность выборки. Если усилители выполнены в виде независимых повторителей, то вся схема может работать на более высоких частотах.

Элементы в схеме ПД выбираются по выражениям, аналогичным приведенным для УВХ, но с учетом того, что вместо электронного ключа в ПД используется диод .

Следует отметить, что для точной фиксации максимального значения сигнала в ПД и точной выборки в УВХ согласно приведенным выражениям необходимо выбирать по возможности малое значение емкости конденсатора, а для точного и длительного хранения уровня сигнала данное значение должно быть большим. Это известное противоречие, с которым сталкиваются все разработчики. Так, например, УВХ по рассматриваемой в лабораторной работе схеме изготовляются в виде гибридных и полупроводниковых интегральных схем, имеющих внешний конденсатор, номинал которого выбирается исходя из априорных сведений о входном сигнале.

Порядок выполнения работы

1. Собрать на макетном поле пиковый детектор (рис. 5.1, а). Номиналы сопротивления обратной связи и конденсатора для варианта работы уточнить у преподавателя.

2. Подключить к входу ПД генератор звуковой частоты и установить входное напряжение, контролируя напряжение на входе и выходе по осциллографу.

3. Установить входное напряжение равным нулю и наблюдать как будет изменяться выходной сигнал ПД.

4. Подать на вход ПД сигнал прямоугольной формы. Наблюдать выходной сигнал ПД и зарисовать его.

5. Собрать схему УВХ (рис. 5.2, а) с номиналом конденсатора, предложенным преподавателем.

6. Подать на вход УВХ синусоидальный сигнал, а на управляющий вход прямоугольные импульсы амплитудой 5 В. Изменяя длительность импульсов управления и период их следования зафиксировать результаты наблюдения.

Содержание отчета

1. Функциональные схемы собранных устройств ПД и УВХ с указанием типов используемых микросхем, номиналов элементов.

2. Временные диаграммы работы ПД и УВХ при различных их входных сигналах.

3. Расчет времени хранения пикового значения схемы ПД. Расчет погрешности выборки и хранения УВХ.

Контрольные вопросы

1. Опишите назначение и принцип работы пикового детектора.

2. Опишите назначение и принцип работы устройства выборки-хранения.

3. В чем отличие и схожесть схем пикового детектора и устройства выборки-хранения?

4. Как влияет на работу устройств ПД и УВХ номинал емкости?

5. Перечислите основные источники погрешности выполнения своих функций схемами приведенных устройств.

6. Почему в ПД и УВХ желательно применение операционных усилителей с большим входным сопротивлением и малыми входными токами?

7. Почему полупроводниковые интегральные УВХ должны иметь внешний конденсатор?

Лабораторная работа № 6