Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...
Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...
Топ:
Проблема типологии научных революций: Глобальные научные революции и типы научной рациональности...
Марксистская теория происхождения государства: По мнению Маркса и Энгельса, в основе развития общества, происходящих в нем изменений лежит...
Интересное:
Уполаживание и террасирование склонов: Если глубина оврага более 5 м необходимо устройство берм. Варианты использования оврагов для градостроительных целей...
Мероприятия для защиты от морозного пучения грунтов: Инженерная защита от морозного (криогенного) пучения грунтов необходима для легких малоэтажных зданий и других сооружений...
Лечение прогрессирующих форм рака: Одним из наиболее важных достижений экспериментальной химиотерапии опухолей, начатой в 60-х и реализованной в 70-х годах, является...
Дисциплины:
2017-06-26 | 277 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Волгодонский инженерно-технический институт – филиал НИЯУ МИФИ
КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ
по дисциплине «Электротехника и электроника» 6 семестр
для студентов заочной формы обучения
По направлению 230400.62 «Информационные системы и технологии»
Полная/сокращенная программа
Волгодонск 2013
ВВЕДЕНИЕ
Операционный усилитель (ОУ) получил свое название в связи с тем, что изначально он проектировался как элемент для выполнения различных математических операций над аналоговыми величинами.
Область применения ОУ широка, трудно найти современное электронное устройство, не содержащее ОУ. Это связано с тем, что на основе этого устройства решаются практически все задачи электроники. Малая стоимость, гибкость в применении и надежность определяют их широкое применение, в частности, в вычислительной технике, связи, системах управления, генерации, фильтрации и т.п.
Главной особенностью схем на ОУ является то, что выполняемые ими операции определяются подключенными к ним внешними элементами и не зависят от самого ОУ.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
ИНВЕРТИРУЮЩИЙ И НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛИ
Одно из наиболее важных применений ОУ заключается в применении его в качестве усилителя.
Усилитель – схема, которая воспринимает входной сигнал, поступающий на ее вход, и выдает на выходе усиленную копию входного сигнала.
Все рассматриваемые нами схемы в этом разделе имеют одно общее свойство: резистор обратной связи, который подключается между зажимом выхода и входа «–». Схемы такого типа называют схемами с отрицательной обратной связью (ООС).
|
Отрицательная обратная связь дает много преимуществ, и все они основаны на том факте, что характеристики схемы не зависят больше от коэффициента усиления ОУ без обратной связи. В результате подключения резистора обратной связи, мы получаем коэффициент усиления k ос меньший, чем коэффициент усиления без обратной связи (k ос< k).
Инвертирующий усилитель
Для изучения правил работы этой схемы примем два упрощающих положения:
1. Напряжение E д между входами «+» и «-» практически равно нулю;
2. Ток, потребляемый входами «+» и «-», пренебрежимо мал, и его также считаем равным нулю.
Рис.4. Схема инвертирующего усилителя при положительном напряжении на входе (–)
Входное напряжение (рис.4) E вх через резистор R вх подается на инверсный вход ОУ. Резистор обратной связи R ос образует петлю отрицательной обратной связи. Выходное напряжение U вых снимается с резистора нагрузки R н. Прямой вход «+» подключен к земле. Так как E д=0, а потенциал входа «+» тоже равен нулю, получаем что , т.е. . Поэтому входное напряжение U вх полностью падает на резисторе R вх: , при этом через резистор R вх протекает ток: . Так как входа ОУ не потребляют ток, то этот ток I целиком протекает через резистор обратной связи R ос, вызывая падение напряжения:
.
Правый вывод резистора R ос непосредственно подключен к верхнему выводу R н. Нижний вывод R н находится под потенциалом земли. Левый вывод R ос также находится под нулевым потенциалом, т.е. R н и R освключены параллельно друг другу и следовательно к ним приложено одинаковое напряжение, таким образом .
Окончательно имеем:
Знак «-» указывает на то, что из-за того, что E вх подается на вход «-» ОУ, полярность выходного сигнала будет противоположной (рис.5).
Рис. 5. Осциллограммы входного Евх и выходного Uвых напряжений инвертирующего усилителя
|
Поделим левую и правую части полученного выражения на Eвх:
- это коэффициент усиления с обратной связью.
Резисторы R вх и R ос, как правило, выбирают в пределах от 1 до 100 кОм.
Выбор резистора нагрузки R н определяется двумя предельными параметрами:
1. Допустимый ток нагрузки регламентируется производителем и приводится в справочных данных (для большинства ОУ составляет );
2. Максимальное напряжение выхода ОУ ограничено напряжением насыщения и зависит от напряжения питания. Например, , , , .
A.. Инвертирующий сумматор
Принцип работы основан на том, что суммирующая точка ∑ (рис.6) и инверсный вход имеют потенциал земли, т.к. и , поэтому входные напряжения Е вх1, Е вх2, Е вх3 полностью падают на соответствующих резисторах R 1, R 2, R 3. Через эти резисторы протекает ток:
; ; .
Так как вход «-» не потребляет ток, то в соответствии с первым законом Кирхгофа ток I, протекающий через резистор R ос равен: . Этот ток вызывает падение напряжения U Rос на резисторе обратной связи R ос, например, если , то
.
Рис.6. Электрическая схема инвертирующего сумматора
Из схемы видно, что резисторы R oc и R нвключены параллельно, следовательно, и тогда .
Из выражения следует, что выходное напряжение равно сумме входных напряжений, умноженное на коэффициент усиления . Знак «-» указывает на противоположную полярность входного сигнала по отношению к выходному.
Практические замечания
1. Реальные ОУ обладают разбросом характеристик из-за невозможности точного повторения элементов при изготовлении. Основным результатом этой неточности являются неопределенность и дрейф нуля выходного напряжения, поэтому производитель часто предусматривает внешние корректирующие цепи.
2. Из-за неточности значений сопротивлений внешних элементов (Roc и Rвх) часто в цепь обратной связи для компенсации неточности включают переменные сопротивления (потенциометры).
АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Фильтр – это схема, рассчитанная на пропускание сигналов в определенной полосе частот и подавление сигнала за пределами этой полосы. Активные фильтры включают в себя, наряду с резисторами, катушками индуктивности и конденсаторами, транзисторы или операционные усилители.
Существует 4 типа фильтров, которые различают по виду частотной характеристики (АЧХ):
|
- фильтр нижних частот (ФНЧ);
- фильтр верхних частот (ФВЧ);
- полосовой фильтр;
- заграждающий (режекторный).
На рис.1 представлены частотные характеристики фильтров всех четырех указанных типов.
Фильтр нижних частот (ФНЧ)– это схема, напряжение на выходе которой неизменно от постоянного тока до сигнала с частотой f ср и далее от частоты f ср ослабляется. На рис.1,а дан график зависимости выходного напряжения ФНЧ от частоты входного сигнала. Сплошная линия графика соответствует идеальному фильтру, тогда как пунктирные линии показывают характеристики фильтров нижних частот, получаемые на практике. Диапазон частот, в котором сигнал проходит через фильтр, называется полосой пропускания. Частоты, на которых сигнал ослабляется, проходя через фильтр, образуют полосу заграждения. Частотой среза (f ср) называют частоту на уровне 0,707 или -3дб. На этой частоте наблюдается перегиб амплитудно-частотной характеристики. Добротность фильтра (качественный показатель) характеризуют крутизной спада (подъема) АЧХ и измеряют дб/дек (например, для рассматриваемого в работе ФНЧ крутизна спада составляет 20 дб/дек).
Фильтр верхних частот ослабляет выходной сигнал на всех частотах ниже частоты среза f ср. Выше f ср амплитуда напряжения на выходе постоянна.
а)
б)
в)
|
|
г)
Рис.1. Частотные характеристики четырех типов фильтров: ФНЧ (а), ФВЧ (б), полосового (в) и режекторного (г)
Графики частотных характеристик идеального и реальных фильтров верхних частот представлены на рис.1,б. Сплошная линия – это идеальная характеристика, а пунктирные линии показывают, как реальные ФВЧ отличаются от идеального.
Полосовые фильтры пропускают сигналы только в определенной полосе частот и ослабляют все частоты за пределами этой частоты. Режекторные фильтры действуют прямо противоположным образом, т.е. вырезают определенную полосу частот, пропуская все частоты за пределами этой полосы. Типичные частотные характеристики полосового и режекторного фильтров представлены на рис.1,в, г.
|
По схемному решению и виду АЧХ различают фильтры Баттерворта, Чебышева, Ли и др.
Расчет ФНЧ
Частота среза w cp определяется как частота входного напряжения Евх, на которой | kос | уменьшается до 0,707 от того значения, которое она имела на низких частотах. Частоту среза вычисляют по формуле:
w cp = 1/ RC = 2 πf cp (4)
где w cp – частота среза, в рад/с;
f cp – частота среза, Гц;
R=R вх =R ос – сопротивление, в Ом;
C – емкость, Ф.
Уравнение (4) можно переписать, решив его относительно значения емкости конденсатора С:
С = 1/ (w cp R) = 1/ (2 πf cp R)
Примеры расчета ФНЧ
1. Дано: R ос = 10 кОм, R вх = 10 кОм, C = 0,001 мкФ
Найти: w cp, f cp
Решение:
w cp = = 100 000 [рад/с]
f cp = [кГц]
2. Дано: f cp = 2 кГц, R вх = R oc = 10 кОм
Найти: значение емкости конденсатора С.
Решение:
С = [мкФ]
Пример расчета ФВЧ
Вычислить значение частоты среза w ср и f ср для схемы рис.4 если R ос= R =22 кОм и С =0,01 мкФ.
Решение. Из уравнения (6) имеем
;
.
Полосовой фильтр
Полосовой фильтр – это схема, рассчитанная на пропускание сигналов только в определенной полосе частот и подавление сигналов за пределами этой полосы. Частотная характеристика полосового фильтра представлена на рис.6. Фильтр такого типа дает на выходе максимальное напряжение U макс, т.е. имеет максимальное усиление по напряжению только на одной частоте, называемой резонансной частотой w р. Если частота отличается от резонансной, выходное напряжение уменьшается. Существует одна частота выше и одна – ниже w р, на которых коэффициент усиления по напряжению равен 0,707 k р. Эти частоты обозначаются соответственно как w в (верхняя частота среза) и w н (нижняя частота среза). Полоса частот между w в и w н называется полосой пропускания и равна
(8)
Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра
Полосовые фильтры делятся на узкополосные и широкополосные. Узкополосным считается фильтр, полоса пропускания которого не превышает 0,1 резонансной частоты (В<0,1 w р). В противном случае (при В>0,1 w р) фильтр будет широкополосным. Отношение частоты резонанса к полосе пропускания называется коэффициентом добротности (добротностью) Q схемы:
(9)
или
(10)
У узкополосных фильтров Q >10, а у широкополосных Q <10.
Узкополосные фильтры
Схему на рис.7 можно рассчитать как широкополосный, так и как узкополосный фильтр. В отличие от фильтров, рассмотренных ранее, фильтр рис.7 можно выполнить с k ос>1.
Рис.7. Схема активного полосового фильтра
Максимальное усиление k р имеет место на частоте резонанса (рис.6). Обычно вначале выбирают частоту резонанса w р и полосу пропускания В, после чего вычисляют Q по уравнению (9). Для упрощения расчета и вычислений выберем С 1= С 2= С и определим R1, R2 и R3 из следующих выражений:
|
(11)
(12)
(13)
Чтобы R 3 было положительным, необходимо условие . В уравнении (11) В измеряется в радианах за секунду.
Примеры расчета узкополосного полосового фильтра
Пример 1. Рассчитать полосовой фильтр по схеме рис.7, имеющий w р=10000 рад/с, k р=40, Q =20 и С 1= С 2= С =0,01 мкФ.
В соответствии с уравнением (9) имеем
.
Из (11, 12, 13) получаем
Пример 2. Если полосу пропускания в предыдущем примере требуется увеличить до 1000 рад/с, то чему в этом случае равны Q -?, R3 -?, R2 -? и R1 -?
Из уравнения (10) имеем следующее:
;
Широкополосные фильтры
Полосовой фильтр с широкой полосой пропускания это схема, у которой добротность Q <10. Схему, показанную на рис.7, можно рассматривать так, чтобы она служила широкополосным фильтром, и в расчете можно использовать уравнения (11, 12, 13) при условии, что
Пример расчета широкополосного полосового фильтра
Пример 1. Рассчитать схему по рис.7 имеющую w р=20000 рад/с, k р=10, Q =5 и С1 = С2 = С =0,01 мкФ.
В соответствии с уравнением (9)
.
Из уравнений (11, 12, 13) имеем
ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ
ВВЕДЕНИЕ
В данных методических указаниях будут рассмотрены схемы на базе ОУ, предназначенные для генерации сигналов. По форме сигналов, наблюдаемых на выходе этих схем, можно выделить четыре типа наиболее известных и используемых на практике сигналов: прямоугольной, треугольной, пилообразной и синусоидальной форм. Генераторы сигналов классифицируются соответственно форме генерируемых ими сигналов.
Примеры расчета автоколебательного мультивибратора
1. Дано: R 1 = 100 кОм, R 2 = 86 кОм, + U нас=+15 В, – U нас=–15 В.
Найти: U п.в и U п.н
Решение: по уравнению (1):
По уравнению (2):
2. Определить период колебаний мультивибратора в примере 1, если R о.с = 100 кОм и С = 0,1 мкФ.
Решение: из уравнения (3) получим
3. Найти частоту колебаний для мультивибратора из примера 2.
Решение: из уравнения (4) находим
Пример расчета компаратора
На рис.8 R =10 кОм, a aR =20 кОм, так что a =2. Предположим, что +U нас = +15 В, a − U нас = – 15 В. Найти а) U п.в., б) U п.н. и в) U гист.
Решение:
а)
б)
в)
Пример расчета генератора напряжения треугольной формы
Какое время требуется для завершения полного цикла работы генератора напряжения треугольной формы? Другими словами, чему равен интервал от А до С на рис.10?
Решение: Преобразуем уравнение (8) применительно к рис.9. Назовем интервал от А до В временем нарастания t н и, подставив в указанное уравнение U гист вместо U вых,а вместо Е вх – напряжение − U нас, получим
Назовем интервал от В до С временем спада t c, заменим в уравнении (8) U вых на – U гист и Е вх на + U нас. В результате имеем
Интервал от А до С есть период колебаний Т:
.
Частота генерации f есть величина, обратная периоду Т:
.
Литература:
Основная
1. Бессонов Л.А. Электрические цепи – М.: «Гардарики», 2006. – 701 с.
2. Прянишников В.А. Теоретические основы электротехники курс лекций СПб.: «Коронапринт», 2000. – 365 с.
3. Электротехника и электроника под ред. Б.И. Петленко –М.: «Академа», 2003. – 320 с.
4. Иванов И.И., Лукин А.Ф., Соловьев Г.И. Электротехника – СПб.: изд. СПбГПУ, 2002. – 158 с.
5. Синдеев Ю.Г., Грановский В.Г. Электротехника курс лекций для студентов ВУЗов – Ростов-на-Дону.: «Феникс», 1999. – 445 с.
6. Алиев И.И. Виртуальная электроника – М.: Радиософт, 2003. – 112 с.
7. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. – 4-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 440 с.
8. Электротехника /Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1985.
9. Ткхайм Р. Основы цифровой электроники. - М.: Мир, 1988. - 392с.
10.Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учеб. пособие. – Ростов-н/Д: изд-во «Феникс», 2000. – 448 с.
11.Измерения в электронике: Справочник /В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др.; Под ред. В.А. Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 512 с.
12. Токхайм Р. Микропроцессоры: Курс и упражнения. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 336 с.
Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Волгодонский инженерно-технический институт – филиал НИЯУ МИФИ
КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ
по дисциплине «Электротехника и электроника» 6 семестр
для студентов заочной формы обучения
по направлению 230400.62 «Информационные системы и технологии»
|
|
Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...
Кормораздатчик мобильный электрифицированный: схема и процесс работы устройства...
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!