4. Контрольные вопросы
4.1. Области применения МДМ
4.2. Принцип действия амплитудного модулятора
4.3. Принцип действия демодулятора
4.4. Как определяется коэффициент передачи ДМ теоретически?
4.5. Чем объясняется различие теоретического и экспериментального значений коэффициента передачи Кмд модулятора?
4.6. Каковы условия получения усиления входного сигнала в схеме МДМ?
4.7. Почему в схеме МДМ применяется операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе?
4.8. Как влияет состояние ключа на входное сопротивление МДМ?
4.9. Как влияет соотношение Uвх/Uу на работу МДМ?
4.10. Чем определяется рабочий диапазон на статической характеристике МДМ?
Лабораторная работа №5
ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ФИЛЬТРА НА ОСНОВЕ УСТРОЙСТВА ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ
Цель работы
Изучение принципа действия и параметров устройства выборки-хранения (УВХ) аналоговых сигналов.
1.2. Изучение свойств быстродействующего сглаживающего фильтра на основе УВХ.
Сравнительная оценка параметров быстродействующего и пассивного фильтров.
2. Основные теоретические положения
2.1. Принцип действия БСФ.
В работе исследуется быстродействующий сглаживающий фильтр (БСФ) на основе УВХ и интегратора, который используется для сглаживания пульсаций на выходе измерительных преобразователей переменного тока в постоянный (демодуляторов). Применение БСФ наиболее эффективно на инфранизких частотах (f = 1/T = 1–10 Гц), когда обычный RC-фильтр дает недопустимо большое время переходного процесса. Это связано с тем, что для получения достаточно малого коэффициента пульсаций КП 0,01 постоянная времени RC-фильтра = RC должна выбираться из условия 10T. При этом время переходного процесса tп 30Т = 3 – 30 с.
В БСФ время установления выходного напряжения не превышает одного полупериода входного сигнала демодулятора.
Схема исследуемого БСФ, представленная на рисунке 4.2, содержит интегратор на операционном усилителе (ОУ) DА2 с периодическим сбросом заряда конденсатора С1, УВХ на двух ОУ DА3.1 и DА3.2, формирователь импульсов выборки (ФИВ) на логических элементах (ЛЭ) D1.1 и D1.2, а также формирователь импульсов сброса интегратора (ФИС) на ЛЭ D1.3 и D1.4.
На вход фильтра подается пульсирующий сигнал U6, полученный после двухполупериодного выпрямления синусоидального напряжения U4 демодулятором ДМ (в схему БСФ не входит). Этот сигнал интегрируется в течение каждого полупериода Т/2 и преобразуется в функцию косинуса:
, (1)
где К1 = R8/ R7 +1, = 2/T = 2f.
В результате на выходе интегратора в конце каждого полупериода создается, в отличие от функции синуса, неравное нулю напряжение
.
(2)
После окончания полупериода на управляющий вход УВХ от ФИВ подается короткий импульс выборки U6 = U0 0,4В, под действием которого замыкается ключ К2, и выходное напряжение интегратора U7, поступает через усилитель DA3.I на запоминающий конденсатор С2.
Так как в схеме УВХ имеется глубокая единичная ООС (через R11), то процесс заряда конденсатора С2 происходит быстро и за время выборки напряжение U11 на выходе достигает величины входного сигнала УВХ.
После окончания импульса выборки, когда сигнал на входе управления принимает высокий уровень (U9 = U1 2,4В), УВХ переходит в режим хранения. При этом ключ К2 размыкается, С2 отключается от входа и постоянное напряжение U11 на выходе УВХ сохраняется до следующего импульса выборки.
Импульсы выборки U9 и импульсы сброса интегратора U10 в устройстве синхронизации должны формироваться с частотой 50 Гц.
Вместе с окончанием импульса выборки формируется при помощи ФИС короткий импульс U10 сброса интегратора, под действием которого замыкается ключ КЗ, и через него происходит быстрый разряд интегрирующего конденсатора С1.
В следующем полупериоде рассмотренные операции интегрирования, выборки, запоминания и сброса повторяются, в результате чего все изменения уровня входного сигнала отражаются с задержкой максимум на один полупериод.
Запуск ФИВ осуществляется от устройства синхронизации (УС), создающего короткий импульс U8 в конце каждого полупериода, когда входное напряжение U6 близко к нулю.
Диаграммы сигналов, описывающих рассмотренный принцип действия БСФ, приведен на рисунке 2.1.
2.2. Используемое в работе УВХ типа КР11ООСК2 имеет следующие параметры:
Vс=5мВ/мс, t = 10 мкс, Uсм 30мВ, Uпит = ±12В.
Параметры Vс и tв нормируются при заданной емкости запоминающего конденсатора Сг = 1000 пф.
2.3. Точность и быстродействие УВХ
Точность УВХ в режиме хранения обусловливается степенью разряда запоминающего конденсатора С2 и характеризуется скоростью спада выходного напряжения Vс = Uвых / t. Повторитель на ОУ DА3.2 в схеме УВХ исключает разряд конденсатора С2 во внешнюю цепь нагрузки.
При этом постоянная времени р разряда конденсатора С2 будет определяться входным сопротивлением Rвх повторителя DА3.2, сопротивлением Rр разомкнутого ключа К2 и собственным сопротивлением Rут утечки конденсатора:
. (3)
Быстродействие УВХ характеризуется временем выборки tв, которое зависит от выходного сопротивления Rвых усилителя DА3.1, сопротивления R3 замкнутого ключа К2 и глубины ООС.
При практическом выборе емкости конденсатора С2 должна решаться задача оптимизации, так как влияние емкости С2 на точность и быстродействие УВХ имеет противоположный характер. Увеличение емкости С2 с целью уменьшения пульсаций вызывает увеличение времени выборки tв и, следовательно, ухудшает быстродействие УВХ.
Для повышения динамической точности необходимо уменьшить длительность импульса выборки и емкость C2.
зар = (Rвых, DA3.1 + Rзамк, K2)C2 – без ООС (4)
С другой стороны C2 нужно увеличивать для уменьшения потери информации.
разр = Rраз, K2 C2 (5)
При анализе периодического входного сигнала необходимо выполнить условие разр 1/ f, где f – частота входного сигнала.
2.4. Коэффициент передачи БСФ
Коэффициент передачи БСФ kБСФ = kИkУВХ, так как kУВХ=1, то:
. (6)
Нелинейность статической характеристики БСФ определяется уровнем ограничения выходного напряжения UОУмакс и напряжением смещения нуля Uсм ОУ DA2, DA3.
U6,
В
U7,
В
t, c
t, c
t, c
t, c
U7,
В
U6,
В
U8,
В
t, c
t, c
U8,
В
t, c
t, c
U9,
В
U9,
В
U10,
В
t, c
t, c
U10,
В
U11,
В
t, c
U11,
В
t, c
Рисунок 2.1.
a
Рисунок 3.1. Схема быстродействующего сглаживающего фильтра