1. Принципы и особенности работы активных полосовых усилителей охранных извещателей

В большинстве объемных охранных извещателей используется принцип перемещения, в результате чего на выходе первичных преобразователей получается переменный сигнал. Верхняя и нижняя частоты сигнала определяются особенностями извещателя и скоростью перемещения нарушителя. Для увеличения отношения сигнал/шум и сигнал/помеха полоса частот ограничивается снизу и сверху за счет применения полосовых усилителей. В практике используются широкополосные усилители с малой добротностью (Q < 1) и узкополосные усилители с высокой добротностью (Q>10÷100).

Полоса пропускания усилителей ∆F определяется по формуле:

∆F = f_р / Q ,

где: Q – добротность каскада;

f_р – резонансная или средняя частота.

Широкополосные усилители имеют малую добротность и строятся на основе сочетания фильтров низкой и высокой частоты. Узкополосные усилители строятся на основе резонансных усилителей.

Особенностью усилителей, применяемых в охранных извещателях, является то, что они питаются от одного источника напряжения. В связи с этим для приоткрытия микросхем на неинвертирующий вход каскадов подается положительное напряжение смещения +U_o. При требуемом большом коэффициенте усиления полезного сигнала и необходимости сохранения неизменности постоянного напряжения на выходе каскада в усилителях делаются разные коэффициенты усиления для постоянного и переменного напряжений. Коэффициент усиления на постоянном токе обычно делается равным единице, коэффициент усиления на переменном токе обычно большой. Рассмотрим две практические схемы усилителей.

2. Расчёт активных полосовых усилителей

2.1. Расчет широкополосного усилителя Расчет элементов усилителя

Схема широкополосного усилителя, его граф и ЛАЧХ приведены на рис.21.1.

а )

б)

в)



0

_н=

_в=

_р

Рис. 21.1

Передаточная характеристика каскада в соответствии с графом (рис. 21.1,б) имеет вид [1]:

(1),

График ЛАЧХ построен при условии, что С₁R₂ >> C₁R₁ >> C₂R₂. Обычно C₁R₁ >> (10÷20) C₂R₂ ,т.е. f_в=(10÷20)f_н,а ΔF=F_в−f_н. Рассчитаем значение R₂ при заданном К_cч и R₁ = 10 кОм:

R₂ = К_{(fн< f< fв)} R₁

Значения емкостей С₁ и С₂ определяются на основании заданных значений нижней и верхней частоты:

С₁ = 1/ 2πf_н R₁ ;

С₂ = 1/ 2πf_в R₂

При больших значениях ёмкостей C₁ (десятки-сотни микрофарад) в фильтр придётся ставить электролит. Электролиты имеют большой разброс номиналов и соответственно, реальное значение f_н может значительно отличаться от расчетной величины. Поэтому в схему устанавливаются конденсатор с номиналом равным C_расч.+C, где C – максимальный разброс параметров конденсатора.

Определение скорости нарастания и спада ЛАЧХ

Скорость нарастания и спада ЛАЧХ (рис.21.1в) определяется в соответствии с формулой 1 при изменении частоты на декаду, то есть в 10 раз.

Определение значения напряжения дополнительного

источника питания U_o

Для получения максимального размаха сигнала на выходе каскада, необходимо, чтобы постоянное напряжение в режиме покоя равнялось Е/2, где Е – напряжение питания каскада. В связи с тем, что коэффициент усиления каскада на постоянном токе по неинвертирующему входу равен единице, получим, что U_o = E / 2.

2.2. Расчет узкополосного усилителя

Расчет элементов усилителя

Схема усилителя, его граф и ЛАЧХ приведены на рис. 21.2.

Примечание: В графе (рис. 21.2,б) и далее в расчётах принято C₁=C₂=C.

Добротность усилителя Q определяется по формуле:

Q = f_р /.∆F

Верхняя и нижняя частоты полосы пропускания будут равны:

f_в = f_р + 0,5∆F;

f_н = f_р - 0,5∆F.

П ри частоте сигнала выше десятка кГц и при высокой добротности фильтра в схеме может быть использован только высокочастотный операционный

Р ис. 21.2,а

Рис. 21.2,б

Рис. 21.2,в

усилитель ОУ. Иначе его частотные характеристики существенно изменят резонансную частоту узкополосного усилителя. Выбор ОУ осуществляется по большому значению частоты единичного усиления f₁ рассчитанному по формулам:

f₁ ≥ (3÷5)К_р f_p [1];

f₁ ≥ 2Q² f_p .

Передаточная характеристика полосового усилителя в общем виде может быть представлена следующим образом [2]:

(2)

где K_p=K(f_p) – коэффициент усиления на резонансной частоте;

_р=2f_р – круговая резонансная частота;

p=j;  - текущая круговая частота.

В соответствии с графом (рис.21.2,б) получим:

(3)

Приравнивая коэффициенты перед р в верхней и нижней формулах, получим расчетные значения для элементов:

;

;

;

При расчете усилителя в соответствии с таблицей 21.1:

f_p = 30 кГц; К_р – приведено в таблице 21.1; ∆F =2 кГц; С = 1 нФ; находим R₁; R₂; R₃; ∆F; f_в; f_н.

Произвести аналогичный расчёт, задавшись значением C = 1мкФ. По полученным данным объяснить, почему нельзя задаваться ёмкостью C = 1мкФ. (обратить внимание на входное сопротивление устройства).

При значениях К_р >10 резонансная частота может значительно отличаться от заданной. Подстройка частоты осуществляется конденсатором С.

Определение скорости нарастания и спада ЛАЧХ

Для определения скорости нарастания и спада ЛАЧХ определяем коэффициенты усиления на разных частотах f_p /10 ; f_p ; 10 f_p .

Отношение – характеризует скорость нарастания

характеристики в дБ/дек.

Отношение – характеризует скорость спада характеристики в дБ/дек.

Определение напряжения дополнительного источника питания Uo

где: Е – напряжение источника питания; (Е = 12В); K(f = 0)= 1 коэффициент усиления на постоянном токе по неинвертирующему входу.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛОСОВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ В ПАКЕТЕ ELECTRONICS WORKBENCH [3]

3.1. Анализ широкополосного усилителя

В соответствии с рис.21.1,а собираем модель усилителя. Ко входу усилителя подключаем генератор синусоидальных сигналов и первый вход PLOTTER осциллографа. На выход усилителя подключаем выход PLOTTER и второй канал осциллографа. На резонансной частоте (средней частоте) снимаем амплитудную характеристику усилителя, по PLOTTER’у определяем по осциллографу ЛАЧХ и ЛФЧХ. Сравниваем экспериментальные данные с заданными и делаем выводы.