Рис. 2.4
Рабочий диапазон на статической характеристике (Рис. 2.4) определяется ее линейной частью, которая зависит от соотношения 
/ 
. При этом необходимо выполнить условие 
. С другой стороны, 
ограничивается максимальным напряжением ОУ: 
.
Для увеличения коэффициента усиления 
схемы МДМ используются 2 условия:
1) Берется 
> 
по заданному значению 
.
Одного этого условия оказывается недостаточно, т.к. в соседних полупериодах входного сигнала 
не остается постоянным и выходной сигнал будет содержать переменную составляющую на частоте 
(Рис. 2.5).
Рис. 2.5
2) Для выравнивания коэффициентов 
вводится дополнительный резистор 
, увеличивающий при разомкнутом ключе 
(Рис. 2.1). При этом должно выполняться условие:
В частности 
; при 
= 
.. 
= 
, т.е. 
, отсутствует.
3. Порядок проведения работы
Рис. 3.1
3.1.Снять осциллограммы сигналов в четырех точках демодулятора (на входе 
, в цепи управления 
, на ключе 
, на выходе 
при двух фазах входного сигнала 
и заданном его значении (по вариантам таблица 3.1))
Таблица 3.1
| Вариант | ||||||
 , В
| 2,5 | 3,5 | 4,5 |
Уровень входного сигнала 
установить по цифровому вольтметру с помощью регулятора напряжения 
, при верхнем положении переключателя 
, на схеме МДМ.
3.2 Снять и построить статическую характеристику демодулятора 
при двух фазах входного сигнала в соответствии с таблицей 3.2.
Таблица 3.2
| a=0 | a=p | ||||||||||||
 , В
| |||||||||||||
 , В
| |||||||||||||
|
Напряжения и измерять цифровым вольтметром, переключая
его режим работы с переменного тока на постоянный.
По результатам измерений определить передаточный коэффициент демодулятора 
и занести его значения в таблицу.
3.3 Снять осциллограммы сигналов в четырех точках модулятора (на входе 
, в цепи управления 
, на ключе 
, на выходе 
) при двух знаках входного сигнала и заданном его значении в соответствии с вариантами (таблица 3.1)
Для этого переключатель 
перевести в нижнее положение. Знак
входного сигнала изменять переключателем 
, а его величину
установить по цифровому вольтметру регулятором напряжения на
панели питания стенда.
3.4 Снять и построить статические характеристики модулятора 
при двух знаках входного сигнала в соответствии с таблицей 3.3.
Таблица 3.3
|
| -6 | -5 | -4 | -3 | -2 | -1 | |||||||
| |||||||||||||
|
Напряжение и измерять цифровым вольтметром, переключая его режим работы с постоянного тока на переменный.
По результатам измерений определить коэффициент передачи модулятора 
и занести его значение в таблицу 3.3.
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 
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 
на работу МДМ?
4.10. Чем определяется рабочий диапазон на статической характеристике МДМ?
Лабораторная работа №5
ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ФИЛЬТРА НА ОСНОВЕ УСТРОЙСТВА ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1. 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 
Гц), когда обычный 
-фильтр дает недопустимо большое время переходного процесса. Это связано с тем, что для получения достаточно малого коэффициента пульсаций 
постоянная времени 
-фильтра t = 
должна выбираться из условия t 
. При этом время переходного процесса 
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) DA2, с периодическим сбросом заряда конденсатора 
, УВХ на двух ОУ DA3.1, DA3.2, 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 
, полученный после двухполупериодного выпрямления синусоидального напряжения 
демодулятором ДМ (в схему БСФ не входит). Этот сигнал интегрируется в течение каждого полупериода 
и преобразуется в функцию косинуса:
 |
, (1)
где 
w = 
.
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 
В, под действием которого замыкается ключ 
, и выходное напряжение интегратора 
, поступает через усилитель DA3.1на запоминающий конденсатор 
.
Так как в схеме УВХ имеется глубокая единичная ООС (через 
), то процесс заряда конденсатора 
происходит быстро и за время выборки напряжение 
на выходе достигает величины входного сигнала УВХ.
После окончания импульса выборки, когда сигнал на входе управления принимает высокий уровень (
В), УВХ переходит в режим хранения. При этом ключ 
размыкается, 
отключается от входа и постоянное напряжение на выходе УВХ сохраняется до следующего импульса выборки.
Импульсы выборки 
и импульсы сброса интегратора 
в устройстве синхронизации должны формироваться с частотой 50 Гц.
Вместе с окончанием импульса выборки формируется при помощи ФИС короткий импульс 
сброса интегратора, под действием которого замыкается ключ 
, и через него происходит быстрый разряд интегрирующего конденсатора 
.
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 
в конце каждого полупериода, когда входное напряжение 
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:
= 5мВ/мс, 
= 10 мкс, 
£ 30мВ, 
= ±12В.
Параметры 
и 
нормируются при заданной емкости запоминающего конденсатора = 1000 пф.
2.3. Точность и быстродействие УВХ
Точность УВХ в режиме хранения обусловливается степенью разряда запоминающего конденсатора 
и характеризуется скоростью спада выходного напряжения 
. Повторитель на ОУ DA3.2в схеме УВХ исключает разряд конденсатора во внешнюю цепь нагрузки.
При этом постоянная времени 
разряда конденсатора будет определяться входным сопротивлением 
повторителя DA3.2, сопротивлением 
разомкнутого ключа и собственным сопротивлением 
утечки конденсатора:
. (3)
Быстродействие УВХ характеризуется временем выборки , которое зависит от выходного сопротивления 
усилителя DA3.1, сопротивления 
замкнутого ключа и глубины ООС.
При практическом выборе емкости конденсатора должна решаться задача оптимизации, так как влияние емкости на точность и быстродействие УВХ имеет противоположный характер. Увеличение емкости с целью уменьшения пульсаций вызывает увеличение времени выборки и, следовательно, ухудшает быстродействие УВХ.
Для повышения динамической точности необходимо уменьшить длительность импульса выборки и емкость .
– без ООС (4)
С другой стороны нужно увеличивать для уменьшения потери информации.
(5)
При анализе периодического входного сигнала необходимо выполнить условие 
, где 
– частота входного сигнала.
2.4. Коэффициент передачи БСФ
Коэффициент передачи БСФ 
, так как 
=1, то:
. (6)
Нелинейность статической характеристики БСФ определяется уровнем ограничения выходного напряжения 
и напряжением смещения нуля 
ОУ DA2, DA3.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.1.
|
Рис. 3.1. Схема быстродействующего сглаживающего фильтра
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
3.1. Снять осциллограммы сигналов 
шести точках схемы БСФ
Для этого собрать исследуемую схему, подключив перемычками устройство синхронизации (точка а на рисунке 3.1) и ключ 
сброса интегратора. Перевести переключатель 
в верхнее положение и установить потенциометром 
стенда (на схеме не показан) уровень входного сигнала 
в соответствие с заданным вариантом (таблица 1), контролируя его с помощью вольтметра.
Таблица 1
| Вариант | ||||||
| , В
| 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 |
Подключая осциллограф к гнездам = 
, зарисовать с экрана диаграммы сигналов (не менее трех полупериодов) в строго синхронной связи одна под другой. Для этого использовать режим внешней синхронизации осциллографа, подав на соответствующий вход синхронизирующие импульсы 
.
Повторить все диаграммы сигналов при удвоенном входном сигнале 
, располагая их по осям времени рядом с исходными.
3.2. Снять и построить статическую характеристику БСФ 
. Для этого потенциометром R4 стенда изменять сигналы на входе 
и выходе 
фильтра, контролируя их вольтметром. Результаты занести в таблицу 2.
Таблица 2
| , В
| -5 | -4 | -3 | -2 | -1 | ||||||
| , В
|
3.3 Определить коэффициент пульсаций Kп выходного напряжения БСФ
Для этого измерить переменную 
и постоянную _ составляющие выходного напряжения при заданном входном напряжении (таблица 1). Результаты занести в таблицу 3. Коэффициент пульсаций определить из основного выражения
/ 
-, (7)
где 
- амплитуда первой гармонической составляющей выходного сигнала.