Билет № 1
1. Какой прибор называют усилителем? Какова его структура? Назовите признаки классификации усилительных приборов.
Ответ: Усилитель – устройство для усиления входного сигнала (например, напряжения, тока или механического перемещения, колебания звуковых частот, давления жидкости или потока света), но без изменения вида самой величины и сигнала, до уровня достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии вспомогательного источника.
Структура:
-Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями
-В большинстве усилителей, кроме прямых, присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные).
-Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ)
-Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться потенциометры - для регулировки усиления, фильтры - для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства - нелинейные и др.
-Как и в любом активном устройстве, в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.
Усилители принято классифицировать по ряду признаков:
► По виду усиливаемых сигналов - усилители непрерывных (гармонических) и усилители импульсных сигналов;
Усилители гармонических (непрерывных) сигналов предназначены для усиления сигналов, изменение которых происходит много медленнее длительности переходных процессов в самих усилителях.
Усилители импульсных сигналов предназначены для усиления импульсных периодических или непериодических сигналов. При этом длительность собственных переходных процессов в усилителе не должна вызывать искажения исходной формы усиливаемых сигналов.
► По типу усиливаемой величины– их делят на усилители напряжения, тока и мощности.
Однако усиление сигнала по мощности наблюдается в любом усилителе в отличие от других типов преобразователей электрического сигнала. Например, у трансформатора, преобразующего напряжение или ток, мощность на выходе всегда остается неизменной по отношению к его входной мощности. Поэтому указанная классификация для усилителей имеет несколько условный характер, выражая лишь основное целевое назначение усилителя.
► По диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока (fн = 0 Гц) и усилители переменного тока.
Усилитель постоянного тока (УПТ) усиливает входной сигнал в диапазоне от нулевой до некоторой верхней частоты.
Усилитель переменного тока усиливает входной сигнал, лежащий в диапазоне от некоторой нижней fн до некоторой верхней fе частот. Сигналы постоянного тока данным типом усилителя не усиливаются.
В свою очередь, усилители переменного тока подразделяются на:
- усилители низких (звуковых) частот (от 20 до 20000 Гц) или низкочастотные усилители;
- усилители высоких частот (ВЧ) ( fе до 300 МГц);
- усилители сверхвысоких частот (СВЧ) ( fе › 300 МГц).
► По виду соединительных цепей усилительных каскадов. Так как усилительные устройства строятся, как правило, на основе последовательного включения нескольких типовых каскадов, различают:
- усилители с гальванической (непосредственной) связью, предусматривающие передачу между каскадами сигнала как переменного, так и постоянного токов;
- усилители с RC-связями, в которых между выходом предыдущего и входом последующего каскадов включают резистивно-емкостную цепь, исключающего передачу сигналов постоянного тока;
- усилители с индуктивной (трансформаторной) связью, в которых между каскадами включается трансформатор.
►По виду нагрузки различают усилители с активной, активно-индуктивной и емкостной нагрузкой.
► по типу активных элементов УУ подразделяются на ламповые, транзисторные, квантовые и др.;
► по назначению УУ подразделяются на измерительные, телевизионные и т.д.
2. Аналого-цифровой преобразователь. Принцип работы, УГО, основные методики преобразования. Изобразите вариант схемы интегрирующего АЦП. Как реализуется АЦП параллельного действия, в чем его преимущества?
АЦП (ADC) предназначены для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Преобразование происходит дискретно, т.е. в определенные моменты называемые точками отсчета. Количество отсчетов за единицу времени определяет частоту дискретизации (частота преобразования).
Частота дискретизации (Fg ) – это частота взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при его дискретизации:
где
- интервал
времени между отсчетами (период
дискретизации).
Частота дискретизации определяет быстродействие АЦП.
По быстродействию АЦП делят на:
1. АЦП параллельного преобразования (параллельные АЦП) – быстродействующие АЦП, имеют сложное аппаратное использование разрешение N = 8-12 бит, Fg = десятки МГц единицы ГГц.
Принцип работы: С возрастанием входного напряжения компараторы последовательно устанавливают на своих выходах логическую 1. Данная информация записывается в триггеры и поступает на преобразователь кода, где преобразуется в двоичный код.
2. АЦП последовательного приближения (последовательного счета) разрешение N = 10-16 бит, Fg = десятки кГц до 10МГц. Принцип работы основан на возрастании напряжения на выходе внутреннего ЦАП. В основе работе такого АЦП лежит принцип последовательного приближения к величине входного напряжения.
3. Интегрирующие АЦП разрешение N = 16-24 бит, Fg = десятки сотни Гц. В основе принципа работы интегрирующего АЦП лежат два основных принципа:
1. Преобразование входного напряжения в частоту или в длительность (время) импульсов Uвх → f (ПНЧ – преобразователь напряжение-частота)
2. Преобразование частоты или длительности (времени) в цифровой код f → N; T→ N. Основную погрешность вносят ПНЧ.
Главным элементом интегрирующего АЦП является интегратор, который строится на ОУ.
4. Сигма-дельта АЦП разрешение N = 16-24 бит, Fg = сотни Гц единицы МГц.
УГО:
Изображение варианта схемы интегрирующего АЦП
В аналого-цифровых преобразователях происходит определение за один такт между какими двумя соседними уровнями квантования находится аналоговая величина. Для чего весь диапазон изменения преобразуемой величины разбивается на соответствующее число уровней, определяемое требуемой разрядностью получаемого кода. При этом необходимо сформировать адекватное число уровней сравнения и организовать точно такое же число аналоговых компараторов.
Матрица сопротивлений одинаковой величины, имеющая в своем составе 2n резисторов, где n – необходимая разрядность получаемого кода. Два соседних уровня квантования отличаются на вес кода младшего значащего разряда. При подаче входного напряжения Ui на одной части компараторов выполняется условие U+ >U– , для другой части выполняется условие U– > U+ соответственно на выходах компараторов формируется линейный 2n –разрядный код. Для получения натурального n-разрядного двоичного кода в схему включается приоритетный шифратор, который анализирует наличие высокого логического уровня в ближайшем более старшем разряде, игнорируя более младшие.
Достоинства: устройство позволяет за один такт получит n-разрядный двоичный код при этом время преобразования определяется только быстродействием компараторов и приоритетного шифратора. Реальные величины квантования составляют единицы наносекунд, т.е. позволяют преобразовывать сигналы с частотою до сотен мегагерц.
Недостаток – высокая стоимость устройства, т.к. требуется 2n компараторов, сопротивлений, входов приоритетного шифратора.
3. Дан резистивный транзисторный каскад усиления на кремниевом биполярном n-p-n транзисторе. Iк=6мА, Uнаскэ = 1,5В, Епит = 15В, Uэ = 0,1Е, h21э = 80. Рабочая точка по напряжению должна находится в середине области между областью насыщения и напряжением источника питания за вычетом напряжения на эмиттере. Напряжение спрямления перехода эмиттер-база, если не указано иное, принять 0,7В. Найти напряжение рабочей точки и номиналы резисторов, которые обеспечивают эту рабочую точку.