ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, типичное значение для ОУ общего применения от ±1,5 В до ±15 В при двуполярном питании (то есть U+=1,5…15 В, U – = – 15 … – 1,5 В,  допустим некоторый перекос). Далее вопросы питания ОУ будут рассмотрены подробнее.

Простейшее включение ОУ

Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:

здесь:

Vout:  напряжение на выходе

V+:  напряжение на неинвертирующем входе

V−:  напряжение на инвертирующем входе

Gopenloop:  коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется вследствие присущих ему серьёзных недостатков:

Коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи Gopenloop нормируется в очень широких пределах и может изменяться в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры).

Коэффициент усиления очень велик (типичное значение 106 на постоянном токе) и не поддаётся регулировке.

Точка отсчёта входного и выходного напряжений не поддаются регулировке.

Простейший неинвертирующий усилитель на ОУ

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т.д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему усилителя.

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, превышающего входное в K раз. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — выходной сигнал, поделённый в K раз резистивным делителем напряжения.

Рис. 8.6.3  Обозначение операционного усилителя на схемах,

неинвертирующая схема включения

Пусть, K — коэффициент деления напряжения резистивным делителем R1R2:

K = R1 / (R1 + R2),  тогда для неидеального ОУ (с конечным коэффициентом усиления Gopenloop) имеем:

V+ = Vin

V− = K Vout

Vout = Gopenloop(Vin − K Vout)

Решая данную систему относительно Vout / Vin, получаем:

Vout/Vin = Gopenloop/(1 + Gopenloop K)

то есть получен усилитель, коэффициент усиления которого зависит от усиления ОУ и номиналов резисторов. Если же ОУ имеет очень большой коэффициент усиления Gopenloop (много больший, чем 1/K), то коэффициент Gopenloop   в  выражении  сокращается  и  получаем  более  простое  выражение:

Vout/Vin = 1/K = 1 + (R2/R1)

Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

Классификация ОУ

По типу элементной базы

На полевых транзисторах

На биполярных транзисторах

На электронных лампах (устарели)

По области применения

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.

Индустриальный стандарт. Так называют широко применяемые, очень дешевые ОУ общего применения со средними характеристиками. Пример: LM324.

Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием ОУ. Пример: AD707  с напряжением смещения 15 мкВ.

С малым входным током (электрометрические) ОУ. Все ОУ, имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током. Но среди них существуют специальные ОУ с исключительно малым входным током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании устройств с их использованием необходимо даже учитывать утечку тока по печатной плате.   Пример: AD549  с входным током   6·10 – 14 А.

Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.

Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку.

Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.

Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

8.7  – устройство и принцип работы простых логических

элементов, мультиплексора, демультиплексора,  шифратора,

дешифратора,  сумматора;

Схемотехника  прстейших  логических  элементов.

Элемент  НЕ,  в общем случае представляет транзисторный ключ на полевом или на биполярном транзисторе. (см. Рис. 8.7.1)

Рис. 8.7.1

Элемент ИЛИ, в простейшем случае реализуется на полупроводниковых диодах. Необходимым условием для работы является:  1) Uвх1 > UИП,  2) R >> Ri.пр.  (см. Рис. 8.7.2)

Рис. 8.7.2

Схема  И,  элементы  И-НЕ  и  ИЛИ-НЕ  – реализуются подключением на выход диодной матрицы транзисторного инвертора R >> Rпр.  (см. Рис. 8.7.3)

Простые логические элементы предназначены для реализации основных функций алгебры логики в цифровых устройствах. Дешифраторы и шифраторы принадлежат к числу преобразователей кодов.

Мультиплексором называется комбинационное устройство, обеспечивающее коммутацию одного из входов на общий выход под управлением сигналов на адресных входах.

Демультиплексором называется комбинационное устройство, обеспечивающее коммутацию единственного входа на один из выходов  под  управлением сигналов на адресных входах.

С понятием шифрации связано представление о сжатии данных, с понятием дешифрации, обратное преобразование. Дешифратор предназначен для преобразования поступающего на входы кода – в сигнал только на одном из выходов. Шифраторы выполняют микрооперации, обратную микрооперации дешифраторов. При возбуждения одной из входных цепей шифратора на его выходах формируется  слово,  отображающее  номер  возбуждённой  цепи.

Сумматором называется устройство, выполняющее арифметическое сложение двух чисел, представленных операций (сдвига числа, обращение кода числа) могут выполнять алгебраическое сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и другие действия с числами.

Микроконтроллеры в общем случае предназначены для автоматического измерения, индикации, регистрации заданных параметров, выработки управляющих сигналов (команд), для исполнительных  элементов  в  соответствии с заданной программой.

8.8  –  назначение  микроконтроллера.

Микроконтроллер

(Термин "микроконтроллер" (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин "однокристальная микро-ЭВМ".)

Микроконтроллер 1993 года с УФ стиранием памяти 62E40 европейской фирмы STMicroelectronics

Микроконтроллер — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.

Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких, как телефоны, стиральные машины и т. п. Бо́льшая часть выпускаемых в мире процессоров — микроконтроллеры.

Описание

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д.

В то время, как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие больши́ми вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.

Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают также рост тактовой частоты контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания. Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти. В отличие от процессоров общего назначения, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура.

Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:

различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I2C, SPI, CAN, USB, ETHERNET

аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

компараторы

широтно-импульсные модуляторы

таймеры

контроллеры бесколлекторных двигателей

контроллеры дисплеев и клавиатур

радиочастотные приемники и передатчики

массивы встроенной FLASH памяти

Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, например Форта используются также встроенные интерпретаторы Бейсика. Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемные эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному устройству) и интерфейс JTAG.

____________________________________________________________

____________________________________________________________

Задание 9  –  (Дополнительно):  –  Классификация фильтров, построение и схемы активных  фильтров.

Фильтрующие элементы

Теоретические сведения.

Фильтрующие элементы используются в блоках питания для фильтрации сигналов, в качестве корректирующих звеньев в системах управления и т.п. Фильтры делятся на два больших класса - пассивные и активные, причём основным отличием активного фильтра является наличие усилительного элемента - обычно это ОУ. Если в фильтре содержится один реактивный элемент (ёмкость или индуктивность), то такой фильтр называется фильтром первого порядка, если два - то второго порядка и т.д.

Наиболее распространённым пассивным фильтром первого порядка является интегрирующая RC- цепь, входящая в состав рассмотренного выше интегратора, который может рассматриваться как активный низкочастотный фильтр первого порядка. Этот же фильтр в технике электропитания называется Г-образным, в аудиотехнике - фильтром нижних частот (ФНЧ), а в технике управления - корректирующим или интегрирующим звеном.   Основными характеристиками фильтра являются АЧХ и ФЧХ. Например, для интегрирующей цепи на Рис. 9.1 они описываются выражениями:

Следует отметить, что фильтры на базе RC-цепей обладают своеобразной дуальностью. Если на Рис.9.1 поменять местами элементы R и C, то получим фильтр верхних частот (ФВЧ).

Рис. 9.1  Схема пассивного ФНЧ первого порядка

Классической схемой фильтра второго порядка является последовательная RLC-цепь (рис. 9.2).

Рис. 9.2  Фильтр второго порядка

RLC-цепь обладает явными резонансными свойствами, её АЧХ и ФЧХ описываются выражениями:

где  – коэффициент затухания, его обратная величина называется добротностью Q=1/d , часто определяемой как

, где   – ширина полосы пропускания по уровню 0,707(-3дБ);    – резонансная частота.

При практической реализации RLC-фильтров (особенно низкочастотных) наибольшие трудности возникают с изготовлением катушек индуктивности , их экранированием, а при больших значениях индуктивности - с проблемой массы и геометрических размеров. С появлением ОУ эти проблемы решены с использованием активных RC-фильтров. Появились так называемые безиндуктивные частотные фильтры. В качестве примера на Рис. 9.3 приведена схема активного ФНЧ второго порядка на ОУ.

Рис. 9.3 Активный RC- фильтр

Из полосовых фильтров наибольшее распространение получили фильтры, АЧХ которых описывается полиномами Баттерворта, Чебышева и Бесселя; для расчёта таких фильтров применяются специальные таблицы.

Фильтры Баттерворта. Эти фильтры характеризуются максимально плоской АЧХ в полосе пропускания. Управление величиной выходного напряжения и перестройка по частоте в широком диапазоне осуществляются в этих фильтрах проще, чем в других, поскольку при каскадном соединении все секции настраиваются на одну и ту же частоту.

Фильтры Чебышева. Эти фильтры обеспечивают наивысшую крутизну АЧХ в переходной полосе частот. Однако при этом АЧХ в полосе пропускания приобретает колебательный характер. Чем больше неравномерность в полосе пропускания, тем выше крутизна затухания в переходной полосе частот.

Фильтры Бесселя. Фильтры Бесселя обладают максимально плоской характеристикой группового времени запаздывания (производная от ФЧХ по частоте) и линейностью ФЧХ по полосе пропускания. Однако крутизна затухания фильтра невелика.

В каталоге схем программы EWB имеется пример низкочастотного полосового фильтра (файл speech.ca4) с полосой пропускания от 300 Гц до 3 кГц. Фильтр представляет собой два последовательно включённых фильтра четвёртого порядка на ОУ (ФНЧ и ФВЧ).В каталоге имеются также схемы активных избирательных ФНЧ на базе Т-образного моста (bass-amp.ca4) и пропорционально интегрирующий фильтр (riaa.ca4).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6