34.Нелинейные преобразователи на оу
35.Активные ФНЧ
Фильтр ни́жних часто́т (ФНЧ) — один из видов аналоговых или электронных фильтров, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра.
В отличие от фильтра нижних частот (НЧ), фильтр верхних частот пропускает частоты сигнала выше частоты среза, подавляя низкие частоты.
Реализация фильтров нижних частот может быть разнообразной, включая электронные схемы, программные алгоритмы, акустические барьеры, механические системы и т. д
Полоса пропускания лежит в пределах от нулевой частоты до частоты среза ωс. Обычно частоту среза определяют как частоту, на которой величина А(ω) равна 0,707 от максимального значения (т. е. меньше максимального значения на 3 дБ).
Полоса задерживания (подавления) начинается от частоты задерживания ωз и продолжается до бесконечности. В ряде случаев частоту задерживания определяют как частоту, на которой величина А(ω) меньше максимального значения на 40 дБ (т. е. меньше в 100 раз).
Между полосами пропускания и задерживания у реальных фильтров расположена переходная полоса. У идеального фильтра переходная частота отсутствует.
36.Активные фвч
Фильтр высоких частот (ФВЧ) — электронный или любой другой фильтр, пропускающий высокие частоты входного сигнала, при этом подавляя частоты сигнала меньше, чем частота среза. Степень подавления зависит от конкретного типа фильтра.
Простейший электронный ФВЧ состоит из последовательно соединённых конденсатора и резистора. Конденсатор пропускает лишь переменный ток, а выходное напряжение снимается с резистора. Произведение сопротивления на ёмкость (R×C) является постоянной времени для такого фильтра, которая обратно пропорциональна частоте среза в герцах.
Подобный фильтр используется для выделения высоких частот из сигнала и часто используется в обработке аудиосигналов, например в кроссоверах. Ещё одно важное применение фильтра верхних частот — устранение лишь постоянной составляющей сигнала, для чего частоту среза выбирают достаточно низкой.
Рисунок 2.1– Активный фильтр высоких частот.
Операционный усилитель U1 используется в качестве повторителя напряжения.
Рисунок 2.2 – Частотная характеристика ФВЧ,
где Uп- выходное напряжение в полосе пропускания, а fcр- частота среза
Фильтр высоких частот используется в простых бестрансформаторных конденсаторных преобразователях напряжения для понижения напряжения переменного тока. К недостаткам таких преобразователей относится их высокая чувствительность к импульсным помехам в источнике переменного тока, а также зависимость выходного напряжения от полного сопротивления нагрузки.
Высокочастотные фильтры используются в обработке изображений для того, чтобы осуществлять преобразования в частотной области.
37.Активные полосовые фильтры
Полосно-пропускающий фильтр — фильтр, который пропускает частоты, находящиеся в некоторой полосе частот.
Полосовой фильтр — линейная система и может быть представлен в виде последовательности, состоящей из фильтра нижних частот и фильтра верхних частот.
Идеальные полосовые фильтры характеризуются двумя характеристиками
нижняя частота среза ;
верхняя частота среза .
В свою очередь, реализация полосового фильтра характеризуется шестью характеристиками
нижняя граница частоты пропускания ;
верхняя граница частоты пропускания .
нижняя граница частоты задержания ;
верхняя граница частоты задержания ;
а также
максимальное подавление в полосе пропускания;
минимальное подавление в полосе подавления.
Примером реализации такого фильтра может служить колебательный контур (цепь из последовательно соединенных резистора, конденсатора и индуктивности).
38.Активные заграждающие (режекторные) фильтры
Режекторные фильтры
Тот
же самый двойной Т-фильтр может быть
включен не в цепь отрицательной обратной
связи, как это сделано при создании
полосового фильтра, а в цепь входного
сигнала. При этом образуется активный
режекторный фильтр, схема которого
приведена на рис, 13.
Рис.13. Принципиальная схема режекторного фильтра с двойным Т-фильтром
При выполнении прежних условий
амплитудно-частотная характеристика активного фильтра, имеющего во входной цепи двойной Т-фильтр, содержит квазирезонанс, частота которого по-прежнему определяется фор мулой (8). Но на частоте квазирезонанса коэффициент усиления этого активного фильтра равен нулю. Амплитудно-частотная характеристика активного фильтра с двойным Т-фильтром во входной цепи показана на рис.14.
Рис. 14. Амплитудно-частотная характеристика активного фильтра с двойным Т-фильтром во входной цепи
39.Генераторы синусоидальных колебаний на ОУ
Генераторы синусоидальных колебаний преобразуют энергию источника постоянного тока в переменный ток требуемой частоты. Они выполняются на основе усилителей со звеном положительной обратной связи, обеспечивающей устойчивый режим самовозбуждения на требуемой частоте.
Для работы схемы в режиме генерации необходимо выполнение двух условий. Первое характеризуется тем, что фазовые сдвиги сигнала, создаваемые усилителем (φу) и звеном ОС (φх) в сумме должны быть кратными 2π:
φу+ φх=2πn (1)
где n=0,1,2, …
Соотношение (1) определяет условие баланса фаз в усилителе с положительной ОС. Второе условие определяется неравенством:
Случай при положительной обратной связи характеризует условие самовозбуждения усилителя, на фиксированной частоте с появлением сигнала на выходе, близкого к синусойде. Соотношение (2) называется условием баланса амплитуд.
Генераторы синусоидальных колебаний выполняют с колебательным LC-контуром и частотно зависимыми RC-цепями. LC-генераторы предназначены для генерации сигналов высокой частоты (свыше нескольких десятков килогерц), а RC-генераторы используются на низких частотах (вплоть до единиц герц).
40.Релаксационные генераторы
Релаксационный генератор — генератор колебаний, в которых активный элемент работает в ключевом (релейном) режиме — включён/выключен.
Характерные особенности релаксационных генераторов:
Не могут работать при отключенном источнике энергии.
Являются только автогенераторами.
Являются нелинейными системами, для описания требуют применения нелинейной теории колебаний.
Следует рассмотреть релаксационные генераторы не только электрических, но и механических колебаний.
Релаксационные генераторы механических колебаний
1. Гидротаран.
2. Различные дозирующие устройства.
3. Струна скрипки, возбуждаемая смычком.
4. Скрипящие тормоза автомобилей и ж/д вагонов.
Релаксационные генераторы электрических колебаний
1. Различные модификации мультивибраторов.
2. Генератор пилообразного напряжения (в том числе на неоновой лампе).
3. Генератор треугольного напряжения.
Релаксационными называют генераторы, у которых усилитель работает в переключательном (релейном) режиме. К ним относят автоколебательный и ждущий мультивибраторы, генераторы пилообразных и треугольных колебаний. Основой релаксационных генераторов на ОУ является обычно регенеративный компаратор, называемый также триггером Шмитта. Регенеративный компаратор может быть выполнен на операционном усилителе с резистивной положительной обратной связью (Рисунок 3.1.1)
Рисунок 3.1.1 – Триггер Шмитта (регенеративный компаратор с гистерезисом): а — неинвертирующий, б — инвертирующий
41.Измерительные усилители
Измери́тельный усилитель — электронный усилитель, применяемый в процессе измерений и обеспечивающий точную передачу электрического сигнала в заданном масштабе.
Общие сведения
Измерительные усилители применяются в качестве предварительных усилителей слабых сигналов постоянного и переменного токов, а также в качестве выходных усилителей мощности. Их чувствительность по току достигает значений 10−15 А; по напряжению — нескольких микровольт. Усилители, предназначенные для повышения мощности источников звукового и ультразвукового диапазонов, имеют выходную мощность 4—6 Вт.
Усилители, как правило, строятся по многокаскадной схеме с применением разнообразных видов местной и общей отрицательной обратной связи для обеспечения стабильности коэффициента передачи и частотной характеристики.
Управление коэффициентом усиления производится с помощью межкаскадных аттенюаторов.
В усилителях, предназначенных для измерения слабых величин постоянного тока (электрометрические усилители), первые каскады усиления расположены в выносном измерительном блоке, допускающем подключение непосредственно к источнику сигнала, и выполнены на специальных электрометрических лампах, обеспечивающих большое входное сопротивление и высокую чувствительность.
Некоторые усилители имеют встроенные индикаторы уровня, позволяющие определять значение входного сигнала.
Классификация и обозначения
Отечественные измерительные усилители маркируются по ГОСТ 15094: (Р)Уx-xx, где первая цифра обозначает вид; иногда усилители обозначаются в виде Фxxx, как электроизмерительные приборы.
У2. Усилители селективные — частотноизбирательные приборы для усиления слабых сигналов. Например: РУ2-11.
У3. Усилители высокочастотные — приборы для усиления напряжения переменного тока высоких и сверхвысоких частот. Например: У3-29, РУ3-33, У3-40.
У4. Усилители низкочастотные — приборы для усиления напряжения переменного тока инфразвуковых, звуковых или ультразвуковых частот (до 200 кГц). Например: У4-28, РУ4-29.
У5. Усилители напряжения постоянного тока — приборы для усиления напряжения постоянного тока. Например: У5-11, Ф7028, Ф7029.
У7. Усилители универсальные — приборы для усиления напряжения постоянного и переменного тока. Например: У7-4, У7-5.
42. Инструментальные усилители на трех ОУ
Инструментальный усилитель ( ИУ ) предназначен для задач, требующих прецизионно усиления с высокой точностью передачи сигнала, а также для работы с различными датчиками сигналов благодаря высокому входному сопротивлению, низкому значению напряжения смещения, точности передачи сигнала и высокой степени подавления синфазных сигналов. Инструментальный усилитель относится к классу операционных усилителей с одним принципиальным отличием, связанным с работой исключительно с замкнутыми линейными цепями обратных связей ( ОС ). Поэтому в ИУ отсутствует в качестве контролируемого параметра коэффициент усиления с разомкнутой ОС. Вместо этого вводятся параметры точности и нелинейности передачи сигналов при выбранных фиксированных значениях коэффициентов усилений по напряжению ( ИУ U K . ), обычно, 10, 100, 1000.
Инструментальные усилители на базе трех ОУ
Классический инструментальный усилитель на базе трех ОУ (рис. 1) обеспечивает великолепное подавление синфазного сигнала и точную установку дифференциального коэффициента усиления посредством одного резистора. В основе данной архитектуры лежит двухкаскадная конфигурация: первый каскад обеспечивает единичное усиление синфазного сигнала и все (или почти все) дифференциальное усиление, а второй каскад обеспечивает единичное (или малое) дифференциальное усиление и все подавление синфазного сигнала (рис. 2).
Выходной сигнал большинства современных низковольтных усилителей имеет размах, равный напряжению питания (выход rail-to-rail), однако для входных сигналов это не обязательно так. Рассмотрим, тем не менее, работающий от одного источника питания (VCC) инструментальный усилитель на базе трех ОУ с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления и входом и выходом rail-torail, аналогичный изображенному на рис. 1.
Чтобы VOUT1 и VOUT2 не достигали уровней шин питания, необходимо обеспечить выполнение следующего неравенства:
Зачастую в схемах устанавливается VREF = 0 (для однополярных входных сигналов) или VREF = VCC/2 (для биполярных входных сигналов).
43.Широкополосные усилители на ОУ
44. Аналоговые компараторы
Компаратор (аналоговых сигналов) (англ. comparator — сравнивающее устройство[1]) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше чем на инверсном входе («−»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе.Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения. В ОУ, охваченном обратной связью, это требование некритично, так как дифференциальное входное напряжение измеряется милливольтами и микровольтами.Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по уровням и токам с конкретным типом логических схем (ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой).При подаче эталонного напряжения на инвертирующий вход, входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход и компаратор является неинвертирующим (повторителем, буфером).При подаче эталонного напряжения на неинвертирующий вход, входной сигнал подаётся на инвертирующий вход и компаратор является инвертирующим (инвертором).Несколько реже применяются компараторы на основе логических элементов, охваченных обратной связью (см., например, триггер Шмитта — не компаратор по своей природе, но устройство с очень схожей областью применения).
45.Основы импульсной модуляции. ШИМ и ЧИМ
Импульсная модуляция(оглавление)
Сравнение импульсных видов модуляции показывает, что АИМ имеет меньшую ширину спектра по сравнению с ШИМ и ФИМ. Однако последние более устойчивы к воздействию помех. Для обоснования выбора метода модуляции в системе передачи необходимо сравнить эти методы по различным критериям: энергетическим затратам на передачу сигнала, помехоустойчивости (способности модулированных сигналов противостоять вредному воздействию помех), сложности оборудования и др.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) — приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями - вкл/выкл), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения равны. Формально, это можно записать так:
,
где x(t) - желаемый входной сигнал в пределе от t1 до t2, а ∆Ti - продолжительность i -го ШИМ импульса, каждого с амплитудой A. ∆Ti подбирается таким образом, что суммарные площади (энергии) обеих величин приблизительно равны за достаточно продолжительный промежуток времени, равны также и средние значения величин за период:
Принцип работы ШИМ
ШИМ есть импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности, то есть отношения периода следования импульса к его длительности. С помощью задания скважности (длительности импульсов) можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ.