Cоглосование датчика сигнала со входом усилителя
Nbsp; ПЕТИН Г.П.
АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА
РОСТОВ НА ДОНУ
2010
ВВЕДЕНИЕ
Данная книга написана на основе многолетнего опыта автора в конструировании аналоговых электронных устройств, а также чтения курса лекций на кафедре радиофизики ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА. В книге основное внимание уделено пониманию процессов происходящих в тех или иных аналоговых электронных схемах. Рассмотрена большая часть проблем аналоговой схемотехники, иллюстрируемая большим количеством конкретных электронных схем.
Все электронные устройства можно разделить на аналоговые и цифровые. Аналоговые устройства работают менее точно, но более просты, надежны и имеют большее быстродействие. Кроме того, в большинстве случаев цифровые устройства не могут обойтись без аналоговых, поскольку в реальном мире нет цифровых сигналов и аналоговые устройства выполняют недостающую связь между реальным миром и цифровым устройством. Вопросы, рассмотренные в книге, перечислены далее в содержании.
2
СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ ...........................................................................................3
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕКОТОРЫХ ДАТЧИКОВ СИГНАЛА4
СОГЛОСОВАНИЕ ДАТЧИКА СИГНАЛА СО ВХОДОМ УСИЛИТЕЛЯ11
СВОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ
| СВЯЗЬЮ...................................................................................................
| 21 | |||
| 4.ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ ......................................................... | 27 | |||
| 5.ПРИМЕРЫ ВХОДНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ................................................ | 38 | |||
| 6.УСИЛИТЕЛИ МЕДЛЕННО МЕНЯЮЩИХСЯ СИГНАЛОВ.................. | 45 | |||
| 7.ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ. .................................................. | 49 | |||
| 8.ОГРАНИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ ...................................... | 56 | |||
| 9.УЗКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ.......................................................... | 64 | |||
| 10.ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ И АТТЕНЮАТОРЫ.................................. | 86 | |||
| 11.ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ....................................................... | 96 | |||
| 12. | СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ И АВТОМАТИЧЕСКОГО | |||
| УПРАВЛЕНИЯ ........................................................................................ | 124 | |||
| 13.АНАЛОГОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА. ................. | 133 | |||
| 14. | ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ВИДА СИГНАЛОВ. .................................... | 144 | ||
| 15. | ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ........................... | 154 | ||
| 16. | КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ......................................................... | 162 | ||
| 17.СИНТЕЗАТОРЫ ЧАСТОТЫ............................................................. | 166 | |||
| 18.НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ .............................................. | 179 | |||
| 19. | РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ............................................. | 184 | ||
| 20. | ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ.................................................................. | 195 | ||
| 21. | ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................. | 214 | ||
| 3 | ||||
УСИЛИТЕЛЬ С УМНОЖЕНИЕМ ДОБРОТНОСТИ........................ 214
|
|
|
ТРЕХФАЗНЫЙ СИМИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР............................ 216
ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ........................................ 217
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
НАПРЯЖЕНИЯ......................................................................................... 237
ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ
ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА.................................................. 239
МОЩНЫЕ ВЫХОДНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ..... 241
ОБ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО
ПРИНТЕРА................................................................................................ 246
КАЛЕЙДОСКОП ТРАНЗИСТОРНЫХ СХЕМ.................................. 248
ЛИТЕРАТУРА........................................................................................... 314
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕКОТОРЫХ
ДАТЧИКОВ СИГНАЛА
Несмотря на колоссальный прогресс в развитии цифровых технологий цифровая техника не может обойтись без аналоговой, поскольку в реальном мире не существует цифровых сигналов. Аналоговая схемотехника может существовать самостоятельно или как связующее звено цифровой схемотехники с внешним миром. Электронные приборы проникли во все области быта, производства и естественных наук. Каждый раз, когда необходимо измерить какой-нибудь параметр физического объекта или процесса или передать информацию подыскивают подходящий датчик, переводящий измеряемый параметр в электрический сигнал. В медицине и биологии измеряют биотоки, в химии - концентрацию тех или иных веществ в
|
|
|
4
растворе, показатель кислотности РН. В метеорологии измеряют скорость и направление ветра, влажность и температуру воздуха, высоту облаков. В технологических процессах приходится измерять множество параметров. Множество измеряемых и контролируемых параметров отображается на пульте управления современных транспортных средств.
Далее кратко рассмотрены только некоторые датчики физических параметров.
1. Датчики перемещениявырабатывают сигнал пропорциональныйперемещению объекта из одной точки пространства в другую. Кроме перемещения ряд других параметров легко преобразуется в перемещение, и образуют датчик этого параметра. Например, сила с использованием пружины или другого упругого тела преобразуется в перемещение. Показания барометрического датчика давления определяются геометрическими размерами
|
|
|
– объемом камеры или длиной столбика спирта или ртути. Простейший датчик влажности воздуха состоит из натянутого обезжиренного волоса, длина которого зависит от влажности.
Наиболее простым и весьма часто используемым датчиком перемещения является потенциометрический датчик, в котором движок потенциометра связывается с перемещаемым телом. Такие датчики могут фиксировать перемещение от 0,1 мм до 1000 мм. Хорошо известен указатель уровня топлива в баке автомобиля, в котором поплавок посредством рычага перемещает ползунок потенциометра. Недостатками потенциометрических датчиков перемещения являются недостаточная в ряде случаев точность и наличие силы трения ползунка, делающая этот датчик контактным и препятствующая его применению в ряде устройств.
В качестве бесконтактных датчиков перемещения часто используются емкостные и индуктивные датчики, в которых величина емкости или
5
индуктивности изменяются при перемещении. Изменение емкости или индуктивности преобразуется в информационный сигнал либо при использовании моста переменного тока, либо при включении этих элементов в состав генератора, частота генерации которого меняется при изменении емкости или индуктивности. Ничто так точно не измеряется, как измеряется частота. Легко доступными способами, например, путем использования электронно-счетных частотомеров, частоту можно измерять с точностью до 10-8. Таким образом, используя емкостные и индуктивные датчики можно получить очень высокую точность измерения перемещения и высокую чувствительность к изменению очень малых перемещений. Без особых затруднений можно фиксировать перемещения до 10-9 м.
2. Датчики скорости.Существуют два принципиально разных датчикаскорости: датчик скорости вращательного движения и датчик скорости поступательного движения.
Конструкция датчика скорости вращательного движения может быть очень простой. Достаточно поместить на вращающийся объект постоянный магнит, проходящий мимо катушки индуктивности. В результате электромагнитной индукции на концах катушки индуктивности возникает эдс индукции, период повторения которой равен периоду вращения. Можно использовать многополюсный магнит. Вариантов подобных устройств множество. Часто используются датчики скорости вращательного движения с оптопарой, в которых либо периодически прерывается луч света, либо происходит его отражения от вращающегося диска с периодическими темными и светлыми полосами. Полученный промодулированный луч света попадает на фотоприемник, выдающий электрический сигнал с частотой модуляции света.
Датчик скорости поступательного движения может быть устроен разными способами. Во-первых, на основе классического определения - по измерению промежутка времени, за которое тело проходит фиксированный отрезок пути. Измерение промежутка времени можно осуществить, применяя две оптопары,
6
стоящие в начале и конце отрезка пути. Кроме того, очень часто для определения скорости применяется эффект Доплера с использованием электромагнитных или акустических волн. Например, скорость движения автомобиля определяется при использовании эффекта Доплера при отражении сантиметровых электромагнитных волн с длиною волны равной 3 см.
3.Датчики ускорения.Ускорение тела или системы тел определяется путемизмерения инерционных сил, возникающих при ускорении тел, обладающих массой. Силы же преобразуются в перемещения с использованием упругих элементов. Особое значение имеют датчики периодически повторяющихся ускорений, типа вибраций, возникающих при
вращении несбалансированных масс. Подобные вибрации наблюдаются в самого разного рода двигателях и контроль за величиной этих вибраций, имеет важное практическое значение. В этом случае широко применяются пьезоэлектрические датчики ускорения, в которых за счет пьезоэффекта инерционные силы преобразуются в электрический сигнал. Часто такие датчики называют акселерометрами.
4.Датчики температуры.Для измерения температуры широко применяюттермопары, вырабатывающие напряжение пропорциональное разности температур между горячим и холодным спаем термопары. Недостатком применения термопары является необходимость контроля температуры холодного спая и низкая чувствительность - порядка 5мкВ/градус Цельсия. Абсолютное значение температуры можно получить при использовании термосопротивления. Как известно, сопротивление чистых металлов прямо пропорционально абсолютной температуре. При комнатной температуре равной 20oC сопротивление при изменении температуры на один градус изменится на 1/293 часть своей величины. Это значит, что при использовании термосопротивления в качестве датчика температуры можно получить сигнал в 100 раз больший, чем при использовании термопары. Однако для создания такого датчика необходим очень тонкий проводник большой длины, что в ряде
7
случае неудобно для применения. Полупроводниковые терморезисторы очень чувствительны к изменению температуры. Их чувствительность может достигать -4% на градус. Однако сопротивление полупроводникового терморезистора нелинейно зависит от температуры, что затрудняет их применение. Иногда в качестве датчика температуры с успехом можно использовать падение напряжения на прямосмещенном p-n переходе, зависящее от температуры со скоростью ≈ -2мВ/градус. Для этой цели
рекомендуется использовать не диод, а эмиттерный переход транзистора. Некоторые такие датчики можно использовать до 250оС. Подобные датчики выпускаются некоторыми фирмами в интегральном исполнении с цифровым или аналоговым выходом.
Очень высокие температуры в ряде случаев можно измерять неконтактными датчиками, фиксирующими тепловое излучение.
5. Датчики давления.Датчики статического давления в жидкости и газеоснованы на деформации мембран или твердых тел. В результате воздействия давления тело деформируется и возникает перемещение. В связи с важностью этой проблемы в технике имеются многочисленные датчики давления в пакетированном виде, выпускаемые разными фирмами.
Датчики динамического давления, то есть давления меняющегося во времени, так же выпускаются серийно. Датчики для измерения давления газа (воздуха) называются микрофонами, а для измерения давления жидкости (воды) - гидрофонами.
Самая старая разработка микрофона, с которой иногда еще можно встретиться, это угольный микрофон, в котором сопротивление угольного порошка зависит от оказываемого на него давления. Такой микрофон имеет множество недостатков. Поэтому были разработаны различные типы более качественных микрофонов: электродинамические, пьезоэлектрические, емкостные и электретные микрофоны. В настоящее время наибольшее распространение получили электретные микрофоны. В нем тонкая
8
металлизированная мембрана колеблется в постоянном электрическом поле, создаваемом поляризованным диэлектриком-электретом.
В большинстве случаев для создания гидрофонов используется поляризованная керамика на основе цирконата-титаната свинца. Иногда для лучшего согласования волновых сопротивлений воды и материала
гидрофона используют пористую керамику.
6. Датчики светового излучения(или фотоприемники).Датчикамисветового излучения являются, как правило, фотоэлементы различного рода такие как: вакуумные фотоэлементы, газонаполненные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, полупроводниковые фотоэлементы, фотодиоды
и фототранзисторы. В этих устройствах выходной ток прямо пропорционален величине светового потока, попадающего на активную часть поверхности фотоприемника. Известны также фотоприемники на основе фотосопротивлений. Эти устройства имеют намного большую светочувствительность по сравнению с фотодиодами, но их характеристики не линейны и сильно зависят от температуры. По этим причинам фотосопротивления для измерительных целей непригодны.
Кроме того, имеются фотоприемники, основанные на тепловом действии света. Во-первых, это - полупроводниковые терморезисторы, применяемые в астрономических телескопах и называемые болометрами. Во-вторых, это - пироэлектрические датчики. Их работа базируется на явлении пироэлектрического эффекта, которое заключается в том, что при изменении температуры поляризованного сегнетоэлектрика в нем возникают свободные электрические заряды. Пироэлектрический датчик состоит из тонкой пленки поляризованного сегнетоэлектрика с нанесенными электродами и зачерненной поверхностью. При изменении светового потока меняется температура пленки,
и появляются заряды. Такие датчики широко используются в системах охранной сигнализации. Они реагируют даже на тепловое излучение человека.
9
7. Датчики проникающей радиации.Наиболее известным датчикомпроникающей радиации является счетчик Гейгера. Он состоит из коаксиально расположенных внешнего металлического цилиндра, являющегося катодом, и тонкой нити, являющейся анодом. Между этими двумя электродами создается атмосфера специально подобранного
разреженного газа. Между катодом и анодом прикладывается напряжение в несколько сотен вольт. При попадании между анодом и катодом частицы проникающей радиации, летящей с высокой скоростью, происходит ударная ионизация, которая инициализирует кратковременную вспышку газового разряда. На счетчике возникает импульс напряжения с амплитудой в несколько десятков вольт. Такой счетчик служит для обнаружения проникающей радиации и измерения приблизительного значения ее интенсивности. Однако он не может определить энергию частицы, попавшей в счетчик.
Для определения энергии частиц используются стинцилляционные счетчики, состоящие из стинциллирующего кристалла и фотоэлектронного умножителя. В момент попадания частицы в кристалл происходит поглощение ее энергии с выделением части поглощенной энергии в виде энергии некоторого количества фотонов. Эти фотоны попадают на фотоэлектронный умножитель, который может усиливать первичный фототок до 106 раз. На выходе фотоэлектронного умножителя появляются кратковременные импульсы напряжения, амплитуда которых зависит от энергии попавшей частицы.
При большой интенсивности радиации могут использоваться ионизационные камеры, пропорциональные и полупроводниковые счетчики.
8. Датчики электромагнитных сигналов.При созданиидатчиков тока илинапряжения, существующих в тех или иных участках цепи больших проблем не возникает. Несколько сложнее обстоит дело с датчиками, реагирующими на напряженность электрического или магнитного полей. Для переменных во времени полей используются емкостные или индуктивные датчики. В
10
диапазоне радиочастот эти датчики обычно называются антеннами. Для измерения напряженности
постоянного магнитного поля может быть использован датчик Холла или магниторезистивный датчик. Наибольшую точность получают при использовании датчика, основанного на явлении ядерного магнитного резонанса. Для измерения постоянного электрического поля используют емкостные датчики, величина емкости которых периодически меняется.
Cоглосование датчика сигнала со входом усилителя
Электрические сигналы, которые вырабатывают датчики, как правило, очень слабые и нуждаются в усилении. Поэтому сигнал с датчика подается на электронный усилитель. При решении конкретной задачи приходится учитывать то, что характеристики входа усилителя сильно влияют на результат присоединения к нему датчика сигнала. Приходится учитывать стабильность передачи сигнала, возможные искажения формы сигнала уже на входе усилителя или связанные с этими искажениями частотные ограничения, а также повышенные шумовые помехи. Рассмотрим эти проблемы по порядку.
Согласование сопротивлений.
Рисунок 2.1
На рисунке 2,1 показан типичный случай присоединения датчика сигнала Е с внутренним сопротивлением Rг ко входу усилителя со входным сопротивлением Rвх. Часть сигнала от источника теряется на его внутреннем сопротивлении и на входе усилителя напряжение будет равно U1=E*Rвх/(Rг+Rвх). Входное сопротивление усилителя Rвх зависит от температуры, напряжения питания и типа входного усилительного элемента. Если входное сопротивление усилителя сравнимо по величине с внутренним сопротивлением источника сигнала, то наблюдается нестабильность напряжения непосредственно на входе усилителя, что приводит к появлению погрешности измеряемой величины. Чтобы уменьшить погрешность, необходимо:
1. Выбирать входное сопротивление усилителя Rвх намного больше внутреннего сопротивления источника сигнала Rг и тогда U1=E. В этом случае усилитель работает в режиме усилителя напряжения.
2. Выбирать входное сопротивление усилителя намного меньше внутреннего сопротивления источника сигнала. Тогда входной ток равен I1=E/Rг и не
зависит от величины входного сопротивления усилителя. В этом случае усилитель работает в режиме усилителя тока.
Если Rвх≈Rг, то этот случай, с точки зрения стабильности входного сигнала, наиболее неблагоприятный.
Проблемы выбора необходимого входного сопротивления усилителя на низких частотах практически не существует. Однако в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), где вынуждены согласовывать входное сопротивление усилителя с волновым сопротивлением линии передачи, фактор нестабильности входного сигнала на входе усилителя остается.
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 932; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!