• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Пристрої аналогової обробки сигналів

Використовуючи той чи інший вид ОЗ, на базі ОП ми можемо реалізувати пристрої аналогової обробки сигналів, тобто пристрої, які дають змогу виконувати математичні операції з аналоговими сигналами. При цьому досить просто реалізувати схеми інтегрування, диференціювання, логарифмування, потенціювання, додавання. Використання комбінацій зазнечених операцій дають змогу виконати операції множення, ділення тощо.

Інтегруюча ланка Схема інтегрування електричного сигналу може бути здійснена за схемою

(рис.5.9).

R

С

Рис.5.9

Операція інтегрування аналогових сигналів найбільш ефективно виконується з допомогою схеми, виконаної на ОП, ОЗ в якій містить конденсатор, ємність якого за визначенням.

Якщо величина вхідної напруги – константа, то вихідна напруга буде дорівнювати

Якщо вхідний сигнал буде гармонійним, наприклад, косинусоїдальним

U_вх (t) U cos t ,

то

U_вих

RC

sin t U U₀ .

Зростання частоти вхідного сигналу буде супроводжуватись зменшенням амплітуди вихідного зі швидкістю – 6 дб (тобто 6 дб при зміні у два рази). Така залежність амплітуди вихідного сигналу від частоти є характерною ознакою інтегруючої ланки.

При використанні реального операційного підсилювача слід враховувати вхідний струм І_в при відсутності сигналу й зміщення нуля підсилювача (наявність напруги U₀), оскільки вплив цих параметрів збільшується з часом. При встановленні нульової вхідної напруги U_{вх 0} через конденсатор буде протікати струм, зумовлений наявністю вказаних джерел похибок:

Рис.5.10

Внаслідок цього буде змінюватись і вихідна напруга:

При струмі І_в , що дорівнює, наприклад ,1мкА, вихідна напруга буде зростати на 1В кожної секунди, якщо С=1мкФ. З отриманого рівняння випливає, що при заданій величині постійного часу вхідний струм, при відсутності сигналу, буде тим меншим, чим більше значення ємності конденсатора використано в інтеграторі. Загалом, величина ємності конденсатора С не може бути вибрана як завгодно великою. Як правило, величину ємності конденсатора слід вибирати такою, щоб вплив І_в не перевищував U₀. Для цього необхідно, щоб виконувалась умова

_IB ^U0 ^U0^e _. R

Так, наприклад, якщо необхідно з допомогою конденсатора ємністю 1 мкФ забезпечити постійну інтегрування τ, яка дорівнює одну секунду, і використати операційний підсилювач, напруга зміщення якого не перевищуватиме 1мВ, то вхідний струм, при відсутності ємності, повинен бути не більше

I_B ^1мкФ1мВ1мА.

1с

Операційний підсилювач із біполярними транзисторами на вході не в змозі забезпечити такий низький рівень струму при відсутності вхідного сигналу. В цьому випадку використовують метод компенсації цього струму.

Рис. 5.11

Величина опору резистора R₁ того ж порядку, що й величина опору R. Спад напруги на резисторі R₁ дорівнює R₁І_в. Якщо U_вх=0, то, оскільки U U , через R

протікатиме струм

_I U U _.

R R

Оскільки R₁=R, то

_I ^{U R}1^IB _{IB .}

R₁ R₁

При цьому струм через конденсатор буде дорівнювати нулю.

Змінюючи в певних межах величину опору резистора R₁, можна також скомпенсувати зміщення нуля U₀. Нескомпенсованим залишається дрейф вхідних струмів, який для операційних підсилювачів на біполярних транзисторах може бути достатньо великим. З цієї точки зору слід надавати перевагу операційним підсилювачам із польовими транзисторами на вході, для яких вхідний струм при відсутності сигналу найбільш малий, що немає

необхідності в компенсації.

Похибки інтегрування можуть бути зумовлені струмами витікання конденсатора оберненого зв'язку. В електролітичних конденсаторах ці струми складають приблизно одиниці мікроампер, тому їх використання в інтеграторах не припустиме. Як правило, для цих цілей використовують метало-паперові конденсатори, однак їх використання при ємностях більше 10 мкФ утруднене.

У деяких випадках виникає необхідність задавати на виході інтегратора певний фіксований рівень напруги, зупиняти роботу інтегратора при досягненні певного рівня. Такі функції можна отримати з допомогою додаткових елементів, введених до схеми.

Рис. 5.12

Якщо у схемі ключ S₂ розімкнуто, а S₁ замкнутий, то ми отримуємо звичайний інтегратор напруги U₁. Розімкнувши S₁, для випадку ідеального інтегратора забезпечимо нульовий зарядний струм. При цьому вихідна напруга зафіксується на величині, що відповідатиме моменту вимкнення. Такий режим роботи інтегратора використовується в тому випадку, коли на виході інтегратора необхідно забезпечити постійне значення напруги. Для того, щоб забезпечити початковий рівень вихідного сигналу, слід розімкнути ключ S₁ і замкнути S_2. У цьому випадку схема працює як звичайний інтегруючий підсилювач з вихідною напругою

U_вих U₂ ^R3. R₂

Диференцююча ланка Операцію диференціювання сигналу можна здійснити з допомогою

електронної схеми, наведеної на рис. 5.13.

Рис. 5.13

Величину вхідного струму можна визначити як швидкість зміни заряду накопичення в конденсаторі

Підставивши відповідні значення, отримаємо

I_вх C ^dU . dt

Отже,

U_вих U_R R I_вх RC ^dU . dt

Розглянемо випадки:

а) якщо U = const, то U_вих = 0;

б) якщо U = U₀ ∙ t, то U_вих = –RCU₀, отже, вихідна напруга буде мати фіксова-ний рівень;

в) якщо U = U₀ ∙ sin t, то U_вих = –RCU₀ ∙ cos t.

У даному випадку зростання частоти вхідного сигналу супроводжується зростанням амплітуди вихідного сигналу. Такий характер частотної залежності вихідного сигналу є характерною рисою диференціюючої ланки.

Перш ніж перейти до розгляду схем потенціювання та логарифмування розглянемо узагальнену ВАХ діода. В аналітичному вигляді вона може бути такою

У даному випадку UT – термічний потенціал, причому

U_Т m ^kT , e

де

k – стала Больцмана;

Т – абсолютна температура Кельвіна; е – заряд електрона;

m – деякий параметр, величина якого змінюється від 1 до 2.

При 300ºК величина U_Т ≈ 26 мВ. При U_Д > U_Т струм, що протікає через діод,

буде визначатись формулою

^UД

I _Д I_S e^UТ ,

де

U_Д – спад напруги на діоді;

І_Д – струм, що протікає через діод.

Схема потенціювання На рис. 5.14 наведена принципова електрична схема потенціювання.

Рис.5.14

Використовуємо принцип віртуального замикання, при цьому вхідний струм

U _Д

I_вх I _Д I_S e^UТ ;

U_д

U_вих U_R R I_вх R I_S e^UТ .

За принципом віртуального замикання U_Д = U_вх, отже,

^Uвх

U_вих R I_S e^UТ .

Схема логарифмування

Якщо поміняти місцями елементи R та VD схеми (рис.5.14), то ми отримаємо схему здійснення математичної операції логарифмування (рис.5.15).

Рис.5.15

Величина вхідного струму буде визначатись формулою

I_вх ^Uвх .

R

Щоб знайти спад напруги на діоді U_Д, потрібно виконати логарифмування виразу

Схема сумування (інвертуючий суматор)

ln ^{I Д} .

I_S

I_вх ^Uвх ,то

R

Принципова електрична схема інвертуючого суматора наведена на рис.5.16.

Рис.5.16

Якщо вважати, що R₁ = R₂ = … =R_n = R_ОЗ, напруга на виході схеми буде визначатись наступною формулою: U_вих U₁ U₂ ... U_n .

Отже, на виході схеми буде формуватись напруга, що дорівнює інвертуючому середньому арифметичному від n вхідних напруг. У зв’язку з цим такі схеми прийнято називати схемами усереднення.

Неінвертуючий суматор

^R2

^R1 _U

^Uвих

U⁺

U₁ ^R3

U₂ ^R4

Рис.5.17

Згідно з принципом віртуального замикання, напруги на інвертуючому та

неінвертуючому входах рівні між собою:

Отже,

U_вих U₁ U₂.

Замість U підставимо в дане рівняння значенняU отримаємо:

при R1=R, R5=R2 й отримаємо

Отже, вихідна напруга буде пропорційна сумі вхідних напруг при R1=R2. Тобто якщо коефіцієнт підсилення дорівнює одиниці,

U_вих U₁ U₂.

У випадку аналогових ЕОМ операція множення виконується шляхом логарифмування відповідних величин, додаванням прологарифмованих відповідних величин і потенціювання результату сумування.

Нехай R₂=2R₁, тоді

U₁ U₂ U₃ U_вих .

Якщо кількість входів дорівнює n, формула матиме вигляд

Використовуючи схеми логарифмування, сумування та потенціювання, можна побудувати схеми помножувача напруг.

Рис.5.19

У тому випадку якщо U₁ U₂ , тобто на обидва входи подається дві однакові напруги, то вихідна напруга буде пропорційна квадрату вхідної. Введемо умовне позначення цієї схеми:

Рис.5.20

Якщо схему, яка виконує операцію піднесення до квадрата, використатив як ланку ОЗ, то ми отримаємо схему добування кореня квадратного:

Рис.5.21

Згідно з принципом віртуального замикання U U , у свою чергу

AU_вх U_вих²;

тому

U_вих AU_вх .

Розглянуті схеми множення належать до схем одноквадрантного множення. Тобто обидві помножувані величини повинні бути додатної полярності. Існують схеми дво- і навіть чотирьохквадрантного помноження, але вони використовують дещо інші принципи і, що найбільш важливо, обмежені лише двома множниками, а в цьому випадку число множників практично не обмежене. З іншого боку, це відкриває можливість підносити не тільки до другого степеня, але й до третього, четвертого

Читайте також:

1. Cпрямляючі пристрої
2. Акумуляторні батареї та зарядні пристрої.
3. Алгоритм прийняття рішення при прийманні сигналів з випадковою початковою фазою
4. Багатокаскадні передавальні пристрої - 30 хв.
5. Бази даних як засіб зберігання й обробки інформації
6. Безперервних сигналів на тріоді
7. Бензинові моторні пилки та звалювальні пристрої
8. Вантажні пристрої
9. Вентиляційні пристрої в підземних виробках
10. Вибір мікропроцесорного комплекту для проектування обчислювальних пристроїв і систем
11. Вибір режимів обробки заготовки різанням
12. Вибір, розміщення, режими роботи компенсуючих пристроїв.

Переглядів: 884