4 Разработка функциональной схемы
УСТРОЙСТВА
Функциональная схема разрабатываемого прибора представлена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Функциональная схема разрабатываемого устройства
Генератор сигналов — это устройство, позволяющее получать сигнал определенной природы (электрический, акустический), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника и формирователя.
Генераторы различают:
По форме выходного сигнала: синусоидальных, гармонических колебаний (сигналов);
Прямоугольных импульсов — мультивибраторы, тактовые генераторы;
Функциональный генератор — прямоугольных, треугольных и синусоидальных импульсов;
Генератор линейно-изменяющегося напряжения;
Генератор шума.
Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток.
Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью.
Однофазные генераторы еще большей мощности строят по четырехтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно еще вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трехфазные двухтактные (полумостовые) и четырехтактные (полномостовые) генераторы.
Генератор импульсов прямоугольной формы выдает электрические импульсы заданной частоты, для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах — ЭВМ, электронных часах и таймерах, микропроцессорной и другой цифровой технике. Тактовые импульсы часто используются как эталонная частота — считая их количество, можно, например, измерять временные интервалы.
На рисунке 4.2 изображен генератор прямоугольных импульсов.[10]
Рисунок 4.2 – Генератор прямоугольных импульсов
Программируемая микросхема генерации.
В современных материнских платах необходимо большое количество разных частот, помимо опорной частоты системной шины, которые, по возможности, не должны быть зависимы друг от друга. Хотя базовая частота всё же формируется кварцевым резонатором (частота — 14,3 МГц), она необходима лишь для работы самой микросхемы. Выходные же частоты корректируются самой микросхемой. Если в электронной схеме необходимо разделить частоту на 2, используют Т-триггер в режиме счетчика импульсов. Соответственно, для увеличения делителя увеличивают количество счётчиков.[10]
Операционный усилитель - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.
С помощью операционного усилителя можно осуществить различные математические преобразования.
Они являются наиболее востребованными приборами среди современных электронных компонент, они находят свое применение в потребительской электронике, применяются индустрии и в научных приборах. Операционные усилители обычно выпускаются как отдельные компоненты, а так же они могут являться элементами более сложных электронных схем.
Для того чтобы рассматривать функционирование ОУ, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя.
Идеальный ОУ является не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.
Идеальный ОУ обладает следующими характеристиками:
1 Бесконечно большой коэффициент усиления;
2 Бесконечно большое входное сопротивление входов.
Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю;
3 Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ;
4 Способность выставить на выходе любое значение напряжения;
5 Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ;
6 Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.
На рисунке 4.3 изображено УГО операционного усилителя.[11]
Рисунок 4.3 – УГО операционного усилителя
Условные обозначения на схеме для операционного усилителя, изображенного на рисунке 4.3 следующие:
V+ - неинвертирующий вход;
V- - инвертирующий вход;
Vout – выход;
VS+ - плюс напряжения питания;
VS- - минус напряжения питания.
Интегральные операционные усилители (ИОУ) представляют собой высококачественные усилители, удовлетворяющие указанным требованиям значительно более полно, чем их дискретные аналоги. Причем, являясь
универсальными и многофункциональными элементами, используются не только для выполнения математических операций, но и для усиления, преобразования, обработки, детектирования и формирования сигналов.
Большое число как линейных, так и нелинейных устройств можно построить на основе ИОУ путем соответствующих коммутаций внешних цепей обратных связей. Поэтому по своему назначению, по характеру применения и использования ИОУ следует отнести к классу аналоговых ИМС универсального назначения.
ИОУ изготавливаются в монолитном и гибридном исполнении. Монолитные ИОУ выполняются как по полупроводниковой, так и по совмещенной технологии.[11]
Усилитель постоянного тока (УПТ) — электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток). На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области очень высоких частот. Таким образом, термин УПТ можно применять к любому усилителю, способному работать на постоянном токе.
Усилитель постоянного тока - транзисторный или ламповый усилитель сколь угодно медленно меняющихся электрических сигналов. УПТ обычно используют в приборах измерительной техники и автоматики в сочетании с разного рода датчиками, при измерении малых токов и зарядов, а также в электронных аналоговых вычислительных машинах — в качестве операционных усилителей. При проектировании и эксплуатации УПТ особое внимание уделяют уменьшению медленных изменений (дрейфа) выходного напряжения или тока в отсутствие входного сигнала, которые обусловлены рядом неконтролируемых факторов: старением элементов усилителя, колебаниями температуры окружающей среды и напряжения электропитания и так далее.
В усилителях постоянного тока применяется непосредственная связь между каскадами, так как связь через разделительные конденсаторы и трансформаторы не обеспечивает передачи постоянной составляющей усиливаемого сигнала. Поэтому база транзистора каждого последующего каскада непосредственно соединяется с коллектором транзистора предыдущего каскада. Гальваническое соединение связано с необходимостью согласования режимов соседних транзисторов по постоянному току.
Усилители высокой частоты (УВЧ), предназначены для усиления электрических колебаний несущей частоты (как модулированной, так и не
модулированной), например, принимаемых приемной антенной радиоприемного устройства. УВЧ можно подразделить на усилители радиочастоты, усиливающие электрические колебания несущей частоты, и
усилители промежуточной частоты, усиливающие электрические колебания преобразованной частоты. Каскады усиления сигналов высокой частоты включаются между антенной и детектором. Их задача - повысить мощность (а значит, напряжение или ток) радиосигнала до величины, успешно преобразуемой детектором в сигнал первичной формы. Практически с зажимов антенных цепей на вход первого каскада снимается напряжение порядка десятков или сотен микровольт, а для воздействия на детектор необходимо напряжение около одного и даже нескольких вольт. Следовательно, по напряжению высокой частоты требуется усиление в десятки тысяч раз (а по мощности во много миллионов раз).
Усилители низкой частоты (УНЧ) — прибор для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот. Таким образом, к данным усилителям
предъявляется требование усиления в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц по уровню −3 дБ, лучшие образцы УНЧ имеют диапазон от 0 Гц до 200 кГц, простейшие УНЧ имеют более узкий диапазон воспроизводимых частот. Может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, или использоваться в составе более сложных устройств — музыкальных центров, радиоприёмников, радиопередатчиков, радиотрансляционной сети и т. д.
Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.[12]
Фотодетектор. К настоящему времени разработаны многие виды приборов, регистрирующих свет и преобразующих его в электрические сигналы. В световодной технике и, в частности, в оптических сенсорных устройствах наибольшее применение получили полупроводниковые детекторы света в связи с тем, что они удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним в этой области, как по своей чувствительности и частотным характеристикам, так и вследствие относительной простоты их изготовления и удобства в эксплуатации. Простейший полупроводниковый прибор, регистрирующий свет — это фотодиод с одним электронно-дырочным переходом. Принцип его действия заключается в следующем. Фотоны, обладающие энергией, большей ширины запрещенной зоны полупроводника, поглощаются последним с образованием пар электрон-дырка. Это явление характеризуется значением коэффициента поглощения или относительным уменьшением интенсивности света при распространении света в веществе на расстояние.
При освобождении пар электрон-дырка соответствующие электроны из заполненной зоны перебрасываются в свободную зону, а ставшие свободными дырки остаются в заполненной зоне. Как те, так и другие носители тока приобретают возможность участвовать в прохождении тока по полупроводнику.
Аналого-цифровой преобразователь — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.
АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду, разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц. Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.
Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только нескольких основных типов:
АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC);
АЦП последовательного приближения (SAR ADC);
дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда).
Существуют также и другие типы АЦП, в том числе конвейерные и комбинированные типы, состоящие из нескольких АЦП с (в общем случае) различной архитектурой. Однако приведенные выше архитектуры АЦП являются наиболее показательными в силу того, что каждая архитектура занимает определенную нишу в общем диапазоне скорость-разрядность.[13]
Линейные (спектрометрические) усилители используются при амплитудном анализе сигналов. Одна из функций спектрометрических усилителей - линейное увеличение амплитуд выходных сигналов предусилителей, которые находятся в диапазоне милливольт, до диапазона 0.1-10 В, в котором работают АЦП. Коэффициенты усиления спектрометрических усилителей обычно бывают до нескольких тысяч. Кроме того, спектрометрические усилители должны иметь хорошую линейность (меньше 0.2 процентов). Для амплитудного анализа важно обеспечить хорошее отношение сигнал/шум, так как оно определяет амплитудное, а стало быть, и энергетическое разрешение спектрометра.
Так как источники шума в детекторе и первых усилительных каскадах имеют более широкую частотную полосу, чем полоса полезной информации, отношение сигнал/шум может быть улучшено соответствующей фильтрацией. Однако, как правило, оптимальное энергетическое разрешение требует довольно длительных импульсов. Длительность выходных сигналов спектрометрических усилителей находится в микросекундном диапазоне (3-70 мкс). Однако при высоких скоростях регистрации событий для минимизации наложений импульсов, они наоборот должны быть короткими.
Кроме того, нередко нужно сохранить и временную информацию, а это связано с достаточно широкой полосой пропускания. Оптимальное решение часто является результатом компромисса. Современные линейные усилители позволяют работать при загрузках до 7000 с-1 без ухудшения разрешения и до 90000 с-1 с небольшим его ухудшением.
Семисегментный индикатор — устройство отображения цифровой информации. Это — наиболее простая реализация индикатора, который может отображать арабские цифры. Для отображения букв используются более сложные многосегментные и матричные индикаторы. УГО семисегментного индикатора представлено на рисунке 4.4.[14]
Рисунок 4.4 – УГО семисегментного индикатора
Семисегментный индикатор, как говорит его название, состоит из семи элементов индикации (сегментов), включающихся и выключающихся по отдельности. Включая их в разных комбинациях, из них можно составить упрощённые изображения арабских цифр. Часто семисегментные индикаторы делают в курсивном начертании.
Сегменты обозначаются буквами от A до G; восьмой сегмент — десятичная точка (DP), предназначенная для отображения дробных чисел.
Изредка на семисегментном индикаторе отображают буквы.
В современных индикаторах светодиоды изготавливают в форме сегментов, поэтому светодиодные индикаторы имеют предельно простую, унифицированную форму: чем меньше разных светодиодов, тем дешевле устройство.В жидкокристаллических, газорязрядных, вакуумно-люминесцентных (катодно-люминесцентных) и других индикаторах дизайнеры находят место для вариации формы сегментов. В обычном светодиодном индикаторе девять выводов: один идет к катодам всех сегментов, и остальные восемь — к аноду каждого из сегментов. Эта схема называется «схема с общим катодом», существуют также схемы с общим анодом. Часто делают не один, а два общих вывода на разных концах цоколя — это упрощает разводку, не увеличивая габаритов.[14]