• 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

Приклад 2 8 страница

- сколювання верхівки імпульсу – різниця між середнім значенням на верхівці та миттєвим значенням на початку спаду;

- час затримки – часовий інтервал між фронтом вхідного імпульсу та обумовленим рівнем вихідного імпульсу(найчастіше ).

Усі відхилення форми вихідного імпульсу від прямокутної пояснюються наявністю у схемі підсилювача реактивних елементів: перехідних, фільтрових та паразитних конденсаторів, а також індуктивностей дротів та стрічок. Найбільш дієвим методом покращення форми імпульсів є зменшення вихідних і збільшення вхідних опорів каскадів підсилення, а також зменшення паразитних ємностей.

Резонансні підсилювачі призначені для підсилення високочастотних синусоїдних коливань та вузькосмугових радіосигналів. Опором навантаження підсилювача завжди є частотновибіркова коливальна система. Завдяки частотній вибірковості коливального контуру підсилювач виконує функцію частотної селекції сигналу, тобто підсилює тільки коливання, на частоту якого налаштований контур. У разі необхідності підсилення модульованого сигналу, тобто коливання, що займає смугу частот, коливальна система повинна бути більш складною і наближатися за формою АЧХ до прямокутної.

Підсилювачі бувають двох видів:

- малих сигналів, що працюють у лінійному режимі у радіоприймальних пристроях;

- великих сигналів, що працюють у нелінійному режимі у каскадах підсилення потужності радіопередавальних пристроїв.

У підсилювачах малих сигналів основною проблемою є підвищення відношення сигнал/шум на виході. Розв’язання проблеми йде у кількох напрямках:

- створення транзисторів з малим рівнем власних шумів;

- узгодження вхідного і вихідного опорів підсилювача з попереднім та наступним пристроями, бо режим узгодження є оптимальним щодо відношення сигнал/шум на виході системи в цілому;

- ретельне частотне узгодження смуги прозорості коливальної системи підсилювача зі спектром підсилюваного сигналу, ба зайва смуга прозорості є «вікном» тільки для шуму.

У потужних підсилювачах основною проблемою є підвищення ККД. Робота на лінійній ділянці ВАХ підсилювача призводить до значних втрат потужності сталого струму, яка не залежить від коливальної потужності, а визначається положенням робочої точки. Зменшити потужність втрат можна, посуваючи робочу точку в бік запирання підсилювального елементу, тобто переходячи в режим з відсіканням струму (див. розд. 12.3.2). При цьому вихідний струм підсилювача набуває форми періодичних імпульсів. Відповідно, спектр струму стає гармонічним, тобто збагачується вищими гармоніками частоти вхідного коливання. Частотна вибірковість навантаження дозволяє виділити з цієї послідовності синусоїдальне коливання частоти тієї гармоніки, на яку налаштовано контур. Тобто з’являється можливість одночасного підсилення та помноження частоти вхідного коливання, що роблять досить часто з метою підвищення стійкості підсилювача.

Операційні підсилювачі (ОП) - це підсилювачі сталого струму з диференціальним (різницевим) входом, великим коефіцієнтом підсилення напруги, великим вхідним і малим вихідним опорами. Умовне позначення ОП подано на Рис. 13.7. Розгляд можливостей застосування ОП ведеться для ідеальної моделі ОП, що описується такими параметрами

(13.12)

Реальні ОП мають такі параметри

Назва ОП походить від перших застосувань підсилювачів для виконання математичних операцій підсумовування, диференціювання та інтегрування у аналогових обчислювальних машинах. Для живлення ОП, як правило, застосовують два джерела з різнополярними напругами, що дозволяє забезпечити на вході та виході відсутність сталих складових напруг. У схемі ОП немає перехідних конденсаторів, тобто ОП є підсилювачем сталого струму.

Ідеальний ОП підлягає принципу віртуального (уявного) замкнення входів (інакше, принцип уявної землі), який полягає у тому (див. Рис. 13.8), що завдяки є скінчена вихідна напруга, навіть при короткозамкнених входах підсилювача. При віртуальному замкнені, як і при звичайному, напруга між уявно замкненими затискачами дорівнює 0. Але, враховуючи, що , на відміну від звичайного замкнення, струму між уявно замкненими входами немає, тобто струм у віртуальне замкнення не відгалужується і прямує на вихід підсилювача через коло ЗЗ . Іншими словами, для струму віртуальне замкнення є еквівалентним розриву кола. На принципі віртуального замкнення ґрунтуються усі основні схеми використання ОП.

Існують дві основні схеми ввімкнення ОП – інвертувальна та неінвертувальна, подані на Рис 13. 9,а,б. У інвертувальній схемі вхідна напруга подається на опір , і, враховуючи принцип уявної землі, викликає вхідний струм

.

Вихідна напруга, виходячи з того ж принципу, визначається опором , яким прямує струм, не відгалужений у вхідне коло підсилювача

.

У підсумку коефіцієнт передавання підсилювача, охопленого колом ВЗЗ , дорівнює

(13.13)

і не залежить від коефіцієнту передавання напруги власне підсилювача.

У неінвертувальній схемі вхідна напруга подається безпосередньо на неінвертувальний вхід ОП, а на інвертувальній – напруга, одержана з виходу ОП за допомогою подільника

.

Вихідна напруга ОП дорівнює

.

Враховуючи, що у ОП, одержимо коефіцієнт передавання ОП з колом ВЗЗ

, (13.14)

Тобто, як і у попередній схемі, коефіцієнт передавання напруги залежить виключно від опорів кола ВЗЗ.

Для Тобто, така схема (Рис. 13. 10) є майже ідеальним повторювачем напруги, що трансформує внутрішній опір джерела коливання, під’єднаного до входу ОП, майже до нуля.

Розглянемо можливості застосування ОП для виконання математичних операцій з коливаннями у реальному масштабі часу.

Підсумовування. Операція підсумовування миттєвих значень коливань без взаємного впливу джерел коливань ґрунтується на принципі уявної землі і зводиться до підсумовування струмів від джерел на вході ОП. Схему суматора наведено на Рис. 13.11. Вхідний струм дорівнює сумі струмів джерел

Суматор зібраний за інвертувальною схемою, тому напруга на виході дорівнює

Якщо виконати умову , одержимо інвертовану суму коливань

(13.15)

Інтегрування. Інтегратор на ОП, ввімкненому за інвертувальною схемою, наведено на Рис. 13. 12. Вихідна напруга підсилювача дорівнює напрузі на конденсаторі, який заряджається вхідним струмом, пропорційним вхідній напрузі. Коефіцієнт пропорційності – це стала часу кола ВЗЗ. Співвідношення між струмом і напругами у схемі мають вигляд

(13.16)

Диференціювання. Диференціатор також виконується за інвертувальною схемою і поданий на Рис. 13.13. У цій схемі похідна від вхідної напруги формується у вигляді вхідного струму, який дорівнює

.

Вихідна напруга дорівнює напрузі на резисторі зворотного зв’язку, яким прямує

. (13.17)

Усі наведені схеми фактично є схемами підсилювача з ВЗЗ, де всі властивості пристрою цілком визначаються характеристиками кола ЗЗ.

Якщо у колі ЗЗ використати нелінійні опори, можна створити функціональні перетворювачі коливань. Наприклад, одним з елементів кола ЗЗ може бути напівпровідниковий діод (або транзистор), ВАХ якого можна описати наближеним співвідношенням

(13.18)

де - зворотний струм насичення, - тепловий потенціал p-n переходу, - заряд електрона, - стала Больцмана, - абсолютна температура. Наведений вираз має достатню точність за умови . Якщо .

Схема ОП з діодом між виходом та входом підсилювача, подана на Рис. 13.14, має властивість наближеного логарифмування вхідного коливання. Дійсно, якщо виконати логарифмування виразу (18), одержимо залежність

За принципом уявної землі

звідки

(13.19)

Підсумовуючи вихідні напруги кількох логарифмічних підсилювачів, можна одержати суму логарифмів кількох напруг, що дорівнює логарифму добутку цих напруг. Зворотну операцію антилогарифмування можна виконати за допомогою схеми, наведеної на Рис. 13.15, де p-n перехід діє на вході підсилювача. У цій схемі за рахунок уявної землі

Підставляючи це значення напруги на діоді у вираз (18), одержимо

(13.20)

Таким чином, скориставшись схемами Рис. 13. 14,15 можна створити помножувальний пристрій аналогових коливань.

Враховуючи великий коефіцієнт підсилення ОП, його робота без ВЗЗ у лінійному режимі можлива лише для малих значень вхідної напруги (див. Рис. 13.16)

(13.21)

Значення залежить від напруги живлення ОП і найчастіше має значення

.

Скориставшись перехідною характеристикою (21) можна створити підсилювач-обмежувач. Такий підсилювач формує з синусоїдальних коливань на вході майже прямокутні коливання на виході. Таке перетворення застосовується у більшості пристроїв вимірювання періоду, частоти та фази.

Якщо до другого входу ОП підімкнути опорне джерело напруги (див. Рис. 13.17), одержимо схему порівняння напруг або компаратор напруг, що працює за формулою

(13.22)

Якщо вхідна напруга набуває значення , вихідна напруга стрибком переходить від або навпаки. Точність порівняння напруг визначається коефіцієнтом передавання ОП, не охопленого колом зворотного зв’язку.

Крім описаних застосувань ОП широко використовуються для створення фільтрувальних систем низькочастотних сигналів, де у якості елементів використовуються двополюсники з потрібними частотними характеристиками опорів.

13.2. Перетворювачі спектра

13.2.1. Загальні властивості перетворювачів спектра

Щоб одержати можливість одночасного передавання багатьох повідомлень, що займають однакову смугу частот, слід розмістити носії цих повідомлень або у різних частотних смугах, або у різні моменти часу, тобто перетворити спектри цих повідомлень.

Для приймання одного сигналу з багатьох необхідно:

- або відфільтрувати його у частотній області передачі та повернути у первісну частотну область, де його може сприйняти споживач,

- або виділити послідовність відліків його миттєвих значень і відфільтрувати з цієї послідовності власне повідомлення.

Такі перетворення можуть бути виконані пристроями, що містять нелінійні або параметричні елементи, на виході яких утворюються гармоніки та комбінаційні частоти сигналів, та фільтри, що виділяють необхідні складові спектра. Властивість утворення нових складових з частотами, яких не було у вхідному спектрі, використовується у функціональних елементах, таких як: модулятори, детектори, помножувачі та перетворювачі частоти, з яких складаються усі, без винятку, радіоелектронні пристрої.

Усі ці функціональні елементи об’єднані спільною назвою «перетворювачі спектра» і виконуються за єдиною структурною схемою, поданою на Рис. 13.18, що складається з двох блоків: нелінійного або параметричного елемента та лінійного фільтра. Перший блок необхідним чином спотворює вхідні коливання, створюючи тим самим гармоніки та коливання комбінаційних частот, а другий блок виділяє з них потрібні.

13.2.2. Модулятори

Модулятори – це пристрої, що керують зміною параметрів високочастотного коливання за законом зміни миттєвих значень повідомлення. Розрізнюють амплітудні, частотні, фазові та комбіновані модулятори.

13.2.2.1. Амплітудні модулятори

Амплітудні модулятори мають типову структуру перетворювача спектра, де на входи нелінійного або параметричного елемента подаються модулювальна напруга, що змінюється за законом повідомлення, та високочастотне носійне коливання, а фільтром є коливальна система, резонансна частота якої дорівнює частоті носійного коливання. Якщо використовується нелінійний елемент, на вході якого діє сума косинусоїдних модулювального та носійного коливань

, (13.23)

вихідна напруга має вигляд

(13.24)

Нелінійні члени у розкладі (24) дають гармоніки вхідних коливань та складові з комбінаційними частотами, які утворюють корисні продукти модуляції

Спектральний склад коливання на виході нелінійного елементу подано на Рис. 13.19. У складі вихідного коливання НЕ крім потрібних складових з носійною та бічними частотами є багато зайвих коливань, кількість і рівень яких залежить від характеру нелінійності НЕ, тобто від ступеня полінома апроксимації. Більш «чистий» спектр, тобто меншу кількість зайвих складових можна одержати на виході параметричного елемента. Якщо коефіцієнт передавання ПЕ дорівнює

напруга на виході ПЕ має вигляд

(13.25)

Існує багато схемотехнічних рішень параметричних елементів, основна ідея яких полягає у керуванні струмом підсилювального каскаду за законом модулювальної функції і, відповідно, у керуванні його коефіцієнтом підсилення. Для забезпечення лінійності керування завжди виконується умова .

13.2.2.2. Частотні модулятори

Частотні модулятори здійснюють керування частотою носійного коливання за законом зміни повідомлення, тобто за призначенням є перетворювачами спектра, але структурно відрізняються від схеми, наведеної на Рис. 13.18. Найчастіше для здійснення модуляції частоти використовується керування реактивним параметром коливального контуру автогенератора, як показано на Рис. 13.20. У якості керованого реактивного елементу використано змінну ємність варикапа – напівпровідникового діода, бар’єрна ємність якого залежить від величини зворотної напруги. Внутрішній опір джерела модулювальної напруги R повинен бути великим порівняно з еквівалентним резонансним опором коливального контуру. В залежності від форми модулювальної напруги (аналогової чи дискретної) на виході генератора буде частотномодульоване або частотноманіпульоване коливання.

13.2.2.3. Фазові модулятори

У сучасних каналах зв’язку використовується виключно фазова маніпуляція коливань, тобто кількість фазових зсувів носійного коливання обмежена і заздалегідь відома. Тому фазовий маніпулятор, структурну схему якого подано на Рис. 13.21, містить генератор носійного коливання, набір фазообертальних кіл з фіксованим фазовим зсувом та комутатор, керований модулювальною дискретною напругою через пристрій кодування. Групам двійкових символів відповідає одне з можливих значень фазового зсуву.

13.2.2.4. Комбіновані модулятори

Смуга частот, виділена для каналу зв’язку, буде використана найефективніше, у разі застосування модуляції із одною бічною смугою (ОБС) (див. Розд.11.4). Формування ОБС, фактично, є зсувом спектра повідомлення на носійну частоту. Ідея формування ОБС грунтується на апаратурній реалізації тригонометричної формули

З формули витікає структурна схема модулятора ОБС, яка має складатися з двох помножувачів, двох фазообертачів на 90 градусів, суматора добутків та смугового фільтра модульованого коливання. На входи фазообертачів слід подавати носійне коливання та модулювальну напругу. Помножувачі – це, власне, балансні модулятори, про які мова йшла вище. Складність апаратурної реалізації наведеної формули полягає у неможливості забезпечити 90-градусний фазовий зсув для всіх складових широкосмугової модулювальної напруги. Одержати ОБС для широкосмугового коливання можна за рахунок ускладнення схеми модулятора, поданої на Рис. 13.22. У схемі використано два генератори Г1 та Г2 сталих частот та і перенесення спектра повідомлення відбувається на частоту . Розглянемо роботу схеми на прикладі модуляції одним коливанням частоти . Коливання на виходах помножувачів БМ1 та БМ2 мають вигляд

На виходах смугових фільтрів СФ1 та СФ2 залишаються тільки складові з частотами , які подаються на входи помножувачів БМ3 та БМ4. Коливання на виходах помножувачів БМ3 та БМ4 мають вигляд

Підсумовуючи ці напруги за умови , одержуємо ОБС коливання, не залежно від смуги інформаційного коливання

13.2.3. Детектори

Детектором називається пристрій, що перетворює радіосигнал на напругу або струм, миттєві значення яких є пропорційними миттєвим значенням параметрів радіосигналу. Таким чином, детектор виконує зворотне відносно модулятора перетворення сигналу, тому часто детектори називають демодуляторами. Відповідно до параметрів радіосигналів розрізняють амплітудні, частотні та фазові детектори.

13.2.3.1. Амплітудні детектори

Амплітудний детектор формує напругу, пропорційну обвідній АМ радіосигналу або перетворює змінну напругу у сталу. У цьому випадку АМ детектор називається випрямлячем. Детектування базується на утворенні та фільтрації низькочастотних складових спектра, яких не було у вхідному радіосигналі, тому, на відміну від амплітудного модулятора, детектор має містити НЕ або ПЕ та ФНЧ. Як було обговорено раніше, НЕ може працювати у режимах «малого» або «великого» сигналу.

У режимі малого сигналу передавальну характеристику елементу зручно подати у вигляді ряду

Якщо на його вході діє АМ коливання

вихідна напруга має вигляд

Квадрат суми у цьому виразі дає наступні складові:

Складові, що мають частоти, низькі порівняно з частотою носійного коливання, можуть бути виділені ФНЧ. Слід зазначити, що амплітуди усіх низькочастотних складових на виході НЕ є пропорційними квадрату амплітуди вхідного коливання. Таким чином, режим малого сигналу дозволяє одержати інформацію про миттєву потужність вхідного коливання. Якщо ФНЧ виділить тільки сталу складову вихідного коливання НЕ, детектування миттєвої потужності відбудеться без спотворень. Цей режим називають режимом квадратичного детектування і використовують у вимірювачах потужності високочастотних коливань.

Для аналізу роботи детектора у режимі великого сигналу можна скористатися квазілінійним методом, розглянутим у Розділі 12.3.4. У розділі було одержано спектральний склад струму НЕ для кусково-лінійної апроксимації його ВАХ, під час дії на його вході косинусного коливання сталої амплітуди. Для визначення характеристик детектування найважливішим є коефіцієнт Берга

тобто відносне значення сталої складової до амплітуди імпульсу струму. З графіку на Рис. 12.14 видно, що змінюється практично лінійно у широкому діапазоні змін кутів відсікання. У разі дії на вході НЕ АМ коливання, у струмі НЕ з’являється складова

у якій є доданок з частотою обвідної, миттєві значення якого лінійно зв’язані з миттєвими значеннями вхідної напруги. Ця складова може бути виділена за допомогою ФНЧ. Таким чином, лінійний амплітудний детектор можна створити за допомогою НЕ, що працює у режимі великого сигналу.

Покращити якість детектування щодо лінійності перетворення обвідної можна, скориставшись параметричним елементом, роботу якого обговорено у Розділі 12.4. Такий пристрій називається синхронним детектором. Для керування параметром ПЕ синхронний детектор повинен містити джерело коливання з носійною частотою та фазою, що співпадає з фазою АМ коливання. Спосіб формування керувальної напруги залежить від місця застосування синхронного детектора.

У приймальному пристрої в якості джерела керувальної напруги можна використати підсилювач-обмежувач, який формує коливання сталої амплітуди з прийнятого АМ сигналу (див. Рис. 13.23). Вихідне коливання помножувача має вигляд

де К – коефіцієнт передавання помножувача;

- амплітуда коливання на виході підсилювача-обмежувача.

З виразу видно, що нелінійні спотворення відсутні, а найближча складова, що підлягає придушенню, має частоту другої гармоніки носійного коливання.

Під час підсилення слабких сигналів низкочастотного діапазону (біосигнали тощо) виникає проблема придушення низькочастотних шумів електронних пристроїв, що зростають зі зменшенням частоти (флікер-шум). Одною із схем, що застосовуються для підсилення слабких НЧ сигналів є схема підсилювача з модуляцією–демодуляцією (М-Дм), яка грунтується саме на синхронному детектуванні сигналу. Блок-схему підсилювача подано на Рис. 13.24. Підсилювач працює наступним чином. ФНЧ1 на вході підсилювача, смуга прозорості якого узгоджена з очікуваною смугою сигналу, обмежує рівень високочастотних шумів. Обмежений за частотою сигнал потрапляє на вхід помножувача, до другого входу якого підімкнено періодичну напругу з виходу генератора носійного коливання (ГНК). Форма коливання встановлюється або прямокутною, або синусоїдною. Частота коливання обирається за умови , де - гранична частота ФНЧ1. Коливання на виході Помножувача1, у разі використання косинусоїдного носійного коливання, має вигляд

тобто спектр вхідного коливання перенесено у діапазон частот, де не діє флікер-шум. Перенесений на частоту сигнал підсилюється до необхідного рівня і фільтрується смуговим фільтром (СФ), смуга прозорості якого обирається за умови . Підсилений сигнал повертається у вихідне частотне положення за допомогою Помножувача 2, який живиться від того ж ГНК. Сигнал на виході Помножувача 2 має вигляд

де - коефіцієнт підсилення напруги підсилювача з СФ. З виразу видно, що нелінійні спотворення відсутні, а найближча складова, що підлягає придушенню за допомогою ФНЧ2, має частоту другої гармоніки носійного коливання.

Схема синхронного детектора використовується для демодуляції сигналу з однією бічною смугою (ОБС) (див. Розд. 11.4). Структурно схема повторює Рис. 13.23, але замість підсилювача-обмежувача використовується формувач опорного коливання у вигляді або візькосмугового підсилювача, що налаштовується на залишок носійного коливання, або, частіше, у вигляді генератора носійного коливання, частота якого керується системою автоматичного підстроювання частоти (АПЧ). ОБС коливання з косинусоїдною модулювальною функцією та залишком носійного має вигляд

Читайте також:

1. I. ОБРАЗОВАНИЕ СОЕДИНЕННЫХ ШТАТОВ 14 страница
2. А. В. Дудник 1 страница
3. А. В. Дудник 10 страница
4. А. В. Дудник 11 страница
5. А. В. Дудник 12 страница
6. А. В. Дудник 2 страница
7. А. В. Дудник 3 страница
8. А. В. Дудник 4 страница
9. А. В. Дудник 5 страница
10. А. В. Дудник 6 страница
11. А. В. Дудник 7 страница
12. А. В. Дудник 8 страница

Переглядів: 1469