По экономической теории 4 страница

Если на входы триггера постумают одновременно сигналы установки в различные состояния, то триггер срабатывает в соответствии со следующими приоритетами сигналов. Наивысший приоритет имеет сигнал, подаваемый на вывод 4, поэтому этот сигнал является сигналом разрешения Е. Если Е = 1, то работа таймера разрешена, если Е = 0, то триггер таймера находится в состоянии «0» и триггер вовсе не реагирует на сигналы, подаваемые на входы 2 и 6. Вторым по старшинству является сигнал U₂, подаваемый на вход 2, этот сигнал устанавливает триггер в единицу при U₂ < U_Н и Е = 1. Самый младший приоритет имеет сигнал U₆, подаваемый на вывод 6, этот сигнал при U₆ > U_В, U₂ > U_Н и Е = 1 обеспечивает установку триггера в «0». Выходной каскад триггера – усилитель мощности обеспечивает выходной ток до 100 мА, т.е. может управлять электромагнитным реле, лампой и т.д.

На рис. 33,б показано условное обозначение таймера, работающего в схеме мультивибратора. Через резистор R выходное напряжение подаётся на входы R и S триггера таймера и на конденсатор С. Когда напряжение на конденсаторе по мере его заряда достигает уровня U_В = +Е_П 2 / 3, то триггер переходит в состояние «0», вследствие чего выходное напряжение (на выводе 3) стновится равным нулю и конденсаотр начинает разряжаться через резистор. Но как только напряжение на конденсаторе снизится до уровня U_Н= +Е_П / 3, триггер снова переходит в «1» и снова начинается заряд этого конденсатора. Частота генерируемых колебаний определяется величинами R и С. Таким образом, для построения мультивибратора требуется всего лишь два внешних (навесных) элемента.

Цель: необходимость преобразования аналогового сигнала в последовательность двоичных кодов, обратное преобразование последовательности двоичных кодов в аналоговый сигнал, преобразование напряжения в частоту и обратное преобразование частоты в напряжение. Содержание: простейший аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) и частоты в напряжение (ПЧН).

8.1 Аналого-цифровые преобразователи

Все сигналы: звуковые, видео, сигналы первичных преобразователей разнообразных физических величин в электричесое напряжение по своей природе непрерывные. В тоже время для компьютерной обработки информацию необходимо пепевести в двоично-кодированный вид, то есть аналоговый сигнал нужно преобразовать в последовательность двоичных чисел. Обработка и передача цифровой информации имеет преимущества по сравнению с обработкой информации, заданной в непрерывном виде. Цифровые сигналы в меньшей степени подвержены искажениям в процессе передачи и хранения.

Аналого-цифровое преобразование начинается с дискретизации сигналов по времени. Под дискретизацией понимают переход от непрерывного сигнала к дискретному, пример дискретного сигнала – последовательность коротких импульсов с изменяющейся амплитудой. Амплитуда импульсов выступает в качестве информативного параметра. Вторым этапом АЦП является дискретизация (квантование) импульсов по уровню. При выборе частоты дискретизации по времени обычно пользуются теоремой Котельникова, согласно которой всякий непрерывный сигнал определяется своими дискретными значениями в моменты отсчёта, отстоящие друг от друга на интервалы времени Δ t = 1/(2f_max), где f_max - максимальная частота в спектре сигнала.

На рис. 34,а показана блок-схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП), в которой используются знакомые нам схемы: мультивибратор, одновибратор, интегратор, компаратор. Наряду с ними в АЦП использованы также цифровые устройства: счётчик, регистр, логическая схема И, обозначенная символом &.

Частоту дискретизации задаёт мультивибратор (см. временные диаграммы на рис. 34,б), фронтом импульса мультивибратора запускается одновибратор, выдающий импульсы стандартной длительности. Импульсы одновибратора поступают на вход интегратора, который в ответ выдаёт линейно-растущее напряжение. Задним фронтом (срезом) импульса одновибратора включается электронный ключ (на блок-схеме он не показан), который закорачивает конденсатор интегратора, – производится сброс и выходное напряжение интегратора спадает до нуля. С приходом следующего импульса одновибратора начинается новый цикл работы интегратора.

Линейно-растущее напряжение интегратора подаётся на один из входов компаратора, на другой вход подаётся входной аналоговый сигнал. На управляющий вход компаратора от одновибратора подаётся разрешающий импульс. В некоторый момент, входной сигнал становится равным линейно-растущему напряжению, но как только входное напряжение начнёт превышать линейно-растущее, тут же компаратор срабатывает и на его выходе устанавливается нуль.

а) б)

Рисунок 34 – Блок-схема АЦП – а), временные диаграммы – б)

Линейно-растущее напряжение интегратора подаётся на один из входов компаратора, на другой вход подаётся входной аналоговый сигнал. На управляющий вход компаратора от одновибратора подаётся разрешающий импульс. В некоторый момент, входной сигнал становится равным линейно-растущему напряжению, но как только входное напряжение начнёт превышать линейно-растущее, тут же компаратор срабатывает и на его выходе устанавливается нуль.

Выходное напряжение компаратора поступает на один из входов логического элемента И, а на другой его вход подаются непрерывно идущие импульсы тактового генератора. Тактовым генератором может служить генератор импульсов любого типа, например мультивибратор. Имульсы тактового генератора проходят на выход логического элемента И, только когда на выходе компаратора присутствует высокий уровень, а длительность присутствия высокого уровня зависит от значения входного сигнала.

Таким образом, число поступающих тактовых импульсов на счётчик определяется значением входного сигнала, это значение будет представлено в виде двоичного кода (в нашем случае восьмиразрядного), насчитанного счётчиком к моменту сброса компаратора в нуль. Задним фронтом импульса одновибратора код с счётчика переписывается (защёлкивается) в регистр, а затем счётчик сбрасывается в нуль, чтобы подготовить его к следующему циклу преобразования.

Рассмотренный нами простейший АЦП имеет большую погрешность, так как начало и конец преобразования разнесены во времени, поэтому такие АЦП можно использовать только в сравнительно несложных системах.

АЦП широко применяются в различных областях, являясь неотемлимой составной частью цифровых измерительных приборов, систем и устройств обработки и отображения информации, автоматических систем контроля и управления, устройств ввола – вывода информации ЭВМ. АЦП изготовляются в интегральном исполнении, разнообразие их обширно по числу разрядов, быстродействию, точности.

8.2 Цифро-аналоговые преобразователи

При построении устройств, связыващиих ЭВМ с объектами, использующими информацию в непрерывной форме, требуется преобразование информации из цифровой формы в аналоговую. Устройство, осуществлющее преобразование информации в виде двоичных кодов в эквивалентные им значения непрерывного сигнала, называется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Cуществуют два широко распространённых способа цифро-аналогового преобразования с использованием: а) резистивной матрицы с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями; б) матрицы с двумя номиналами сопротивлений, которую обычно называют матрицей R – 2R.

Рассмотрим ЦАП с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями (рис. 35). Структурная схема ЦАП состоит из следующих компонентов: n штук электронных ключей, по одному на каждый разряд, управляемых преобразуемым двоичным кодом N; матрицы двоично-взвешенных резисторов; источника опорного напряжения U_ОП; выходного операционного усилителя. С помощью ОУ суммируются токи, протекающие через двоично-взвешенные сопротивления, и преобразуются в выходное напряжение U_ВЫХ, пропорциональное цифровому коду. По сути дела ОУ работает как преобразователь тока в напряжение (см лекцию 2).

Рисунок 35 – Структурная схема ЦАП

Преобразуемый двоичный n –разрядный код с регистра, который является внешним устройством по отношению к ЦАП, подаётся на n входов: a₀, a₁, a₂... a_n-1. Вход младшего разряда – a₀,вход старшего разряда – a_n-1. Для примера на схеме показаны логические сигналы «0» и «1» на входах ЦАП.Уровень лог. «0» в стандарте ТТЛ лежит в пределях от 0 до 0,5 В, и этого напряжения недостаточно для включения электронных ключей. Уровень лог. «1» находится в пределах 2,5...5 В, поэтому ключи Кл₀ и Кл₂ включены и через них текут токи от источника опорного напряжения и складываются на инверсном входе ОУ. Номиналы сопротивлений в младшем и старшем разрядах отличаются в 2^n-1 раз, а между соседними разрядами отличаются в 2 раза. В таком же соотношении различаются токи, протекающие через ключи к инверсному входу ОУ, наибольший ток даёт старший разряд, а наименьший – младший. Суммарный ток определяется входным кодом, этот ток протекает через сопротивление обратной связи R_OC, создавая на нём падение напряжения, которое и является выходным напряжением ЦАП (с обратным знаком).

Интегральные микросхемы ЦАП также, как и АЦП отличаются широким многообразием по разрядности, быстродействию, точности.

8.3 Преобразователи напряжение-частота

Преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) широко применяются в схемотехнике, когда возникает необходимость перевода аналогового сигнала в последовательность импульсов с изменяемой частотой повторения, т.е. частота импульсов становится информативным параметром. Не следует путать ПНЧ с частотным модулятором, – при частотной модуляции частота несущего колебания изменяется в небольших пределах (так называемая девиация) относительно центральной частоты.

ПНЧ может быть построен с использованием известных нам схем: таймера, интегратора, электронных ключей, стабилизаторов тока. Упрощённая структурная схема ПНЧ показана на рис. 36,а.

Рисунок 36 – Структурная схема ПНЧ

Преобразуемый входной сигнал подаётся на вход интегратора на ОУ, выход интегратора подключён к входам установки и сброса таймера. Во время выключенного состояния ключа Кл на инверсный вход ОУ приходит входной сигнал через резисторы R₃ и R₄, происходит заряд конденсатора С и на выходе интегратора формируется практически линейное падающее напряжение. Если же ключ Кл включён, то входной сигнал приходит на прямой вход ОУ через делитель напряжения R₁ и R₂, конденсатор С разряжается и на выходе ОУ набдюдается тоже почти линейное нарастающее напряжение.

Работой ключа управляет таймер, который переключается из одного состояния в другое в моменты времени, когда напряжение U_И на выходе интегратора в фазе роста достигает уровня +Е_П / 3, а в фазе спада – уровня +Е_П 2 / 3 (см. рис. 37,а). При этом на выходе таймера формитуются импульсы

а) б)

Рисунок 37 – Временные диаграммы ПНЧ – а), зависимость частоты от входного напряжения – б).

длительностью t₁ и паузы длительностью t₂. Во время разряда конденсатора С на выходе присутствует импульс, а во время заряда – пауза. Очевидно, что перепад напряжения на конденсаторе С составляет Е_П / 3, а частота следования f импульсов зависит прямо от уровня входного сигнала, как показано на рис. 37,б.

Регулирование крутизны преобразования df /dU_ВХ осуществляется подбором сопротивлений R₃ и R₄, либо ёмкости конденсатора С. Резисторы и конденсатор не размещены в чипе, они являются внешними «навесными» деталями схемы ПНЧ.

ПНЧ с подобного рода выпускаются в виде ИС, например КР1108ПП1. Эта микросхема может работать не только в качестве ПНЧ, она используется также и в режиме преобразователя частоты в напряжение (ПЧН).

Рисунок 38 – Структурная схема в режиме ПЧН

В режиме ПЧН импульсы входной частоты подаются на вход 2 таймера, который работает в режиме одновибратора. Сформированными импульсами стандартной формы с выхода Q включается ключ Кл1, коммутирующий источник стабильного тока I₁ с инверсным входом ОУ, при этом происходит заряд конденсатора С схемы интегратора. Во время пауз между импульсами включается ключ Кл2, ток стабилизатора I₂ подаётся на прямой вход ОУ, происходит перезаряд конденсатора. Выходное напряжение ПЧН снимается с выхода интегратора, оно пропорционально среднему напряжению на конденсаторе С, которое держится на нём в результате заряда – разряда, то есть определяется частотой повторения входных импульсов. Параллельно конденсатору включён резистор R₁ с тем, чтобы напряжение не достигало области насыщения и было бы в линейной зависимости от частоты.

Ключи и источники тока не были показаны на рис. 36, чтобы не загромождать схему ПНЧ. Рабочий режим микросхемы КР1108ПП1 устанавливается путём соответствующих соединений выводов чипа.

9 Лекция

Цель: усиление низких (звуковых) частот, усиление сигналов радиочастот, выделение сигнала разностной частоты, построение схемы радиоприёмника.

Содержание: схемотехника аналоговых усилителей зауковых частот, усилители звуковых частот, работающие в ключевом режиме класса «D», схемотехника усилителей высоких (радио) частот, схемотехника радиоприёмников.

9.1 Усилители низкой частоты

Современная микросхемотехника располагает широким набором усилителей сигналов различных частот, начиная от нулевой частоты и вплоть до СВЧ-сигналов. Микросхемы изготавливают как по полупроводниковой, так и по гибридной технологиям. В качестве примеров рассмотрим некоторые микросхемы, начнём с предварительного усилителя звуковой (низкой) частоты (УЗЧ). На рис. 39,а приведена микросхема 4-х каскадного предварительного, т.е. не имеющего мощного выходного каскада, УЗЧ.

Рисунок 39 – Принципиальная схема микросхемы УЗЧ типа К174УН3

Все межкаскадные связи непосредственные, т.е. отсутствуют разделительные конденсаторы, это связано с технологическими трудностями изготовления конденсаторов в полупроводниковых ИС. Входной сигнал подаётся на базу

транзистора Т1, это вывод 10 чипа, коллекторная нагрузка Т1 соединяется с проводом питания вне микросхемы с помощью навесного резистора R3, см. рис. 40. Эмиттер Т1 соединён с общим проводом тоже с помощью навесного резистора R2. Сигнал с коллектора Т1 непосредственно переходит в базу транзистора Т2, коллекторная нагрузка Т2 находится внутри чипа (резистор R1 на рис. 39), а эмиттер соединяется с общим проводом через навесное сопротивление R4 (рис. 40).

Коллекторное напряжение Т2 подаётся на базу Т3, коллекторная нагрузка Т3 находится внутри чипа – резистор R3 (рис. 39). Резистор R4 является общим эмиттерным сопротивлением для транзисторов Т3 и Т4. Сигнал с коллектора Т3 проходит на базу выходного транзистора Т9 через цепочку транзисторов Т5...Т8. Эти транзисторы служат для согласования уровня постоянного напряжения коллектора Т3 с низким постоянным напряжением базы Т9. Транзисторы Т5...Т8 включены как диоды в проводящем направлении, суммарное падение напряжения на них составляет (4 В. Коллекторное сопротивление Т9 внешнее, навесное, это резистор R8 на рис. 40. С выхода схемы подаётся отрицательная обратная связь по постоянному напряжению на базу транзистора Т6 через резисторный делитель R9 – R7. Эта ООС служит для температурной стабилизации режима УЗЧ. Конденсатор С6 большой ёмкости шунтирует резистор R7 с тем, чтобы напряжение обратной связи не содержало переменного сигнала, весь сигнал через С6 блокируется на землю. Ещё одна ООС по постоянному напряжению передаёт ток от точки

между резисторами R₄ и R₅ на базу Т1 через резистор R₁, этим током определяется рабочая точка транзистора Т1.

Существует множество микросхем усилителей мощности низкой частоты, работающих в непрерывном режиме, но в настоящее время главенствующее положение занимают усилители мощности, основаные на ключевом режиме работы выходных транзисторов, – так называемые усилители класса D. Так,

если КПД усилителя класса А составляет менее 50%, класса В – около 75%,

Рисунок 40 – Схема включения микросхемы К174УН3

то КПД усилителя класса D превышыет 90%.

За основу работы УЗЧ класса D принята широтно-импульсная модуляция входного сигнала (см. лекцию 6), ШИМ-импульсы от модулятора подаются на переключение мощных выходных транзисторов. Усиленные по мощности ШИМ-импульсы поступают на демодулятор, с его выхода получают непрерывный аналоговый сигнал, который подают на громкоговоритель.

Схема усилителя мощности класса D показана на рис. 41. Транзистор Т1

а) б)

Рисунок 41 – Схема УЗЧ класса D – а), временные диаграммы – б)

включается и выключается разнополярными импульсами ШИМ-модулятора, так, что на его коллекторе импульсы имеют размах от напряжения + U_П до -U_П. Этими импульсами переключаются комплементарные транзисторы Т2 и Т3. Положительным импульсом коллектора Т1 открывается транзистор Т3 и закрывается Т2, в точке соединения их эмиттеров будет напряжение + U_ВЫХ ,

практически равное + U_П относительно общего провода – земли, как показано на рис. 41,б. Отрицательным импульсом коллектора Т1 наоборот, транзистор Т3 закрывается, а Т2 открывается и в точке соединения их эмиттеров будет напряжение - U_ВЫХ , равное - U_П относительно земли.

Тактовая частота ШИМ модулятора выбирается по теореме Котельникова, то есть она должна быть как минимум вдвое выше частоты высшей гармоники входного сигнала. В стандарте Hi-Fi принято частоту высшей гармоники считать равной 20 кГц, следовательно тактовая частота должна быть не менее 40 кГц.

Демодулятор ШИМ-импульсов представляет собой LC фильтр низких частот, состоящий из индуктивности дросселя Др и конденсатора С₂. Этот ФНЧ нужно расссчитывать на подавление импульсов с частотой следования 40 кГц. Конденсатор С₁ служит для разделения (развязки) громкоговорителя и усилителя по постоянному току, его ёмкость должна рассчитываться так, чтобы сопротивление Х_С для основной (первой) гармоники сигнала было бы значительно меньше сопротивления нагрузки – громкоговорителя.

Ток нагрузки I_Н определяется постоянной составляющей напряжения выходных импульсов, как видно из рис. 41,б.

9.2 Высокочастотные микросхемы

В настоящее время аналоговые микросхемы широко используются в радио и телевизионной аппаратуре. Интегральные схемы не только заменяют отдельные узлы и блоки, которые прежде изготавливались из дискретных компонентов, но могут представлять собой целые устройства. Для примера на рис. 42 показана блок-схема микросхемы радиоприёмника супергетеродинного типа.

Рисунок 42 – Блок-схема супергетеродинного радиоприёмника в интегральном исполнении

Навесными компонентами являются колебательные контура: входной, гетеродинный, контур преселектора. К навесным изделиям относится также фильтр сосредоточенной селекции (ФСС), громкоговоритель и компоненты, относящиеся к органам настройки, управления, регулирования.

Входной колебательный контур настраивается на сигнал нужной частоты из всего множества сигналов, наводящих ЭДС в антенне. Сигнал входного контура усиливается резонансным усилителем радиочастоты (РЧ), коллекторной нагрузкой которого тоже служит колебательный контур, настроенный на частоту принимаемого сигнала. Этот усилитель называется преселектором, т.к. он повышает избирательность (селективность) приёмника.

Одновременно с настройкой входного контура и контура преселектора перестраивается и контур гетеродина, но частота колебаний, генерируемых гетеродином обычно ниже частоты сигнала на величину f_ПЧ - промежуточной частоты (ПЧ). При перестройке контуров по диапазону разность частот принимаемого сигнала и колебаний гетеродина отстаётся неизменной.

Сигнал с выхода преселектора и напряжение гетеродина поступают на входы смесителя, который вырабатывает множество комбинационных частот, но из всего множества частот нужно выбрать только сигнал с промежуточной частотой. Для этого служит усилитель промежуточной частоты (УПЧ), который по сути дела является полосовым фильтром с центральной частотой, равной f_ПЧ. Избирательность УПЧ обеспечивается за счёт ФСС, представляющий собой систему связанных контуров, включённых в качестве коллекторной нагрузки. В качестве ФСС используются также пьезорезонансные колебательные системы. Поскольку промежуточная чатота f_ПЧ остаётся постоянной при перестройке приёмника, то нет необходимости в перестройке ФСС. Это обстоятельство обеспечивает устойчивость работы УПЧ, именно поэтому супергетеродинный приёмник является основным типом приёмников и используется в радиотехнике, начиная с 1918 года.

Выходной сигнал УПЧ подаётся на детектор, в котором производится демодуляция, т.е. восстановление формы принятого НЧ-сигнала. Продетектированный сигнал поступает на вход УЗЧ, а также на вход усилителя системы автоматического регулирования усиления (АРУ).

Система АРУ служит для воздействия на коэффициент усиления УПЧ с тем, чтобы поддерживать постоянный уровень громкости при замираниях (федингах), вызываемых ослаблениями напряжённости поля под влиянием атмосферных условий распространения радиоволн.

Список литературы

1. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. Учебник для ВУЗов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002.

2. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – СПб.: Корона-принт, 2004.

3. Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители: справочное пособие по применению. – М.: Энергоатомиздат, 1982.

4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах устройствах. – М.: Энергоатомиздат, 1988.

5. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. – М.: Радио и связь, 1990.

Св. план 2011 г. поз.

Булат Баймуханович Ордабаев

ЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ 2

(ЭиСАУ 2)

Методическое пособие для студентов специальностей

направления 5В9719 – Радиоэлектроника и телекоммуникации

Редактор Т. С. Курманбаева

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Тираж экз. Бумага типографическая №1

Объём уч.- из. л. Заказ Цена тн.

Копировально- множительное бюро

Некоииерческого акционерного общества

«Алматинский университет энергетики и связи»

050013, Алматы, Байтурсынова, 126

Вариант №_____

Выполнил(а) студент(ка)____________________

заочной формы обучения

специальность____________________________

специализация____________________________

____курса_________группы________________

№ студенческого билета

(зачётной книжки) _____________

Проверил преподаватель

__________________________________ __________________________________

(ученая степень, звание) (подпись) (инициалы, фамилия)

Москва – 2013

Дата добавления: 2017-02-01