Пристрої аналогової обробки сигналів

Використовуючи той чи інший вид ОЗ, на базі ОП ми можемо реалізувати пристрої аналогової обробки сигналів, тобто пристрої, які дають змогу виконувати математичні операції з аналоговими сигналами. При цьому досить просто реалізувати схеми інтегрування, диференціювання, логарифмування, потенціювання, додавання. Використання комбінацій зазначених операцій дають змогу виконати операції множення, ділення тощо.

Інтегруюча ланка

Схема інтегрування електричного сигналу може бути здійснена за схемою рис.5.9.

Рис.5.9 Схема електрична принципова інтегруючої ланки на ОП.

Операція інтегрування аналогових сигналів найбільш ефективно виконується з допомогою схеми, виконаної на ОП, ОЗ в якій містить конденсатор, ємність якого за визначенням.

.

Використовуємо принцип віртуального замикання:

, , де .

Отже,

.

Підставивши відповідне значення Івх, отримаємо

;

або .

Якщо величина вхідної напруги – константа, то вихідна напруга буде дорівнювати

.

Якщо вхідний сигнал буде гармонійним, наприклад, косинусоїдним

,

то

.

Зростання частоти вхідного сигналу буде супроводжуватись зменшенням амплітуди вихідного зі швидкістю – 6 дб (тобто 6 дб при зміні w у два рази). Така залежність амплітуди вихідного сигналу від частоти є характерною ознакою інтегруючої ланки.

При використанні реального операційного підсилювача слід враховувати вхідний струм І_в, при відсутності сигналу, й зміщення нуля підсилювача (наявність напруги U₀), оскільки з часом вплив цих параметрів збільшується. При встановленні нульової вхідної напруги U_{вх 0} через конденсатор буде протікати струм, зумовлений наявністю вказаних особливостей реальних операційних підсилювачів:

Рис.5.10. Схема електрична принципова інтегруючої ланки на реальному ОП.

Внаслідок протікання струму буде змінюватись і вихідна напруга:

При струмі І_в , що дорівнює, наприклад,1мкА, вихідна напруга буде зростати на 1В кожної секунди, якщо С=1мкФ. З отриманого рівняння випливає, що при заданій величині постійного часу вхідний струм, при відсутності сигналу, буде тим меншим, чим більше значення ємності конденсатора використано в інтеграторі. Загалом, величина ємності конденсатора С не може бути вибрана як завгодно великою. Як правило, величину ємності конденсатора слід вибирати такою, щоб вплив І_в не перевищував U₀. Для цього необхідно, щоб виконувалась умова

.

Приймемо, що необхідно забезпечити постійну часу інтегрування рівну одній секунді з допомогою конденсатора ємністю 1 мкФ. При використанні операційного підсилювача, напруга зміщення якого не перевищуватиме 1мВ вхідний струм повинен бути не більше

.

Операційний підсилювач з біполярними транзисторами на вході не в змозі забезпечити такий низький рівень струму при відсутності вхідного сигналу. В цьому випадку використовують метод компенсації цього струму рис.5.11..

Рис. 5.11. Схема електрична принципова інтегруючої ланкиp з компенсацією вхідного струму ОП.

Величина опору резистора R₁ того ж порядку, що й величина опору R. Спад напруги на резисторі R₁ дорівнює R₁І_в. Якщо U_вх=0, то, оскільки , через R протікатиме струм

.

Оскільки R₁=R, то

.

При цьому струм через конденсатор буде дорівнювати нулю.

Змінюючи в певних межах величину опору резистора R₁, можна також компенсувати зміщення нуля U₀. Некомпенсованим залишається дрейф вхідних струмів, який для операційних підсилювачів на біполярних транзисторах може бути достатньо великим. З цієї точки зору слід надавати перевагу операційним підсилювачам із польовими транзисторами на вході, для яких вхідний струм при відсутності сигналу найбільш малий, що немає необхідності в компенсації.

Похибки інтегрування можуть бути зумовлені струмами витікання конденсатора оберненого зв'язку. В електролітичних конденсаторах ці струми складають приблизно одиниці мікроампер, тому їх використання в інтеграторах не припустиме. Як правило, для цих цілей використовують метало-паперові конденсатори, однак їх використання при ємностях більше 10 мкФ утруднене.

У деяких випадках виникає необхідність задавати на виході інтегратора певний фіксований рівень напруги, зупиняти роботу інтегратора при досягненні певного рівня. Такі функції можна отримати з допомогою додаткових елементів, введених до схеми.

Рис. 5.12. Схема електрична принципова інтегруючої ланки з можливістю задання на виході інтегратора довільного рівня напруги та зупинки процесу інтегрування при досягненні заданого рівня вихідного сигналу.

Якщо у схемі ключ S₂ розімкнуто, а S₁ замкнутий, то ми отримуємо звичайний інтегратор напруги U₁. Розімкнувши S₁, для випадку ідеального інтегратора забезпечимо нульовий зарядний струм. При цьому вихідна напруга зафіксується на величині, що відповідатиме моменту вимкнення. Такий режим роботи інтегратора використовується в тому випадку, коли на виході інтегратора необхідно забезпечити постійне значення напруги. Для того, щоб забезпечити початковий рівень вихідного сигналу, слід розімкнути ключ S₁ і замкнути S_2. У цьому випадку схема працює як звичайний інтегруючий підсилювач з вихідною напругою

.

Диференцююча ланка

Операцію диференціювання сигналу можна здійснити з допомогою електронної схеми, наведеної на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Диференцююча ланка на ОП

Величину вхідного струму можна визначити як швидкість зміни заряду накопичення в конденсаторі

, де Q=CU.

Підставивши відповідні значення, отримаємо

.

Отже,

.

Розглянемо випадки:

а) якщо U = const, то U_вих = 0;

б) якщо U = U₀ ∙ t, то U_вих = –RCU₀, отже, вихідна напруга буде мати фіксований рівень;

в) якщо U = U₀ ∙ sinwt, то U_вих = –RCU₀w ∙ coswt.

У даному випадку зростання частоти вхідного сигналу супроводжується зростанням амплітуди вихідного сигналу. Такий характер частотної залежності вихідного сигналу є характерною рисою диференцюючої ланки.

Перш ніж перейти до розгляду схем потенціювання та логарифмування розглянемо узагальнену ВАХ діода. В аналітичному вигляді вона може бути такою

.

У даному випадку UT – термічний потенціал, причому

,

де

k – стала Больцмана;

Т – абсолютна температура Кельвіна;

е – заряд електрона;

m – деякий параметр, величина якого змінюється від 1 до 2.

При 300ºК величина U_Т ≈ 26 мВ. При U_Д > U_Т струм, що протікає через діод, буде визначатись формулою

,

де

U_Д – спад напруги на діоді;

І_Д – струм, що протікає через діод.

Схема потенціювання

На рис. 5.14 наведена принципова електрична схема потенціювання.

Рис.5.14. Принципова електрична схема потенціювання аналогового сигналу.

Використовуємо принцип віртуального замикання, при цьому вхідний струм

;

.

За принципом віртуального замикання U_Д = U_вх, отже,

.

Схема логарифмування

Якщо поміняти місцями резистор та діод тобто елементи R та VD схеми (рис.5.14), то ми отримаємо схему (рис.5.15) здійснення математичної операції логарифмування.

Рис.5.15. Принципова електрична схема логарифмування аналогового сигналу

Величина вхідного струму буде визначатись формулою

Дата добавления: 2014-11-18