|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 ... 25 26 27 28 29 30 31 ... 38 Для работы с различными фотодиодными датчиками излучения можно применять специальный усилитель с программируемым коэффициентом передачи [61]. Такой усилитель обеспечивает режим короткого замыкания фотодиода, что позволяет значительно уменьшить влияние темпового тока фотодиода VD1 и увеличить чувствительность фотоприемника при сохранении временного разрешения (рис. 10.4). При напряжении на фотодиоде более 10 мВ обычно темповой ток обратносмещенного фотодиода почти не зависит от напряжения смещения. Если же напряжение смещения меньше или равно 1 мВ, то темповой ток практически пропорционален этому напряжению. В упрощенной (по сравнению с приведенной в [61]) схемы фотоприемника (рис. 10.4) применен ОУ К544УД2 с полевыми транзисторами на входе. Однако, обладая большим входным сопротивлением, этот ОУ имеет сравнительно большие напряжения смещения нуля и его температурный дрейф, что не позволяет обеспечить режим короткого замыкания для фотодиода без применения специального стабилизирующего канала. Такой канал реализован в схеме на базе А2, A3. Частота модуляции МДМ усилителя К140УД13 определяется емкостью С1 и выбрана равной 2 кГц. Цепь R5C2 образует фильтр нижней частоты с постоянной времени около 2,5 с, формирующий из демодулированного сигнала напряжение для компенсации Uck в А1. Это обеспечивает подавление сигнала модуляции до уровня шумового напряжения усилителя А1. Коэффициент передачи стабилизирующего канала определяется произведением коэффициента усиления А2 на отношение Я^/Яз и составляет примерно 5000. Благодаря этому напряжение смещения фотодиода зависит только от напряжения смещения нуля ОУ К140УД13 и составляет около 20 мкВ, что обеспечивает подавление темпового тока примерно в 500 раз. Цифротаналоговый преобразователь К572ПА1 включен, по существу, в цепь ОС А1 и определяет его коэффициент передачи. На вход для опорного напряжения (вывод 15) выходное напряжение А1 подается через резисторный делитель. Этот делитель предназначен для компенсации разброса чувствительности применяемых фотодиодов и разброса номинального выходного тока ЦАП. Емкость Ск подбирается такой величины, что- К5?гПА1  К140УД13 Рис. 10.4.- Схема программируемого усили-i, теля тока фотодиода . . . бы обеспечивалась устойчивая работа усилителя во всем диапазоне регулировки чувствительности и при изменении эквивалентного сопротивления фотодиода под действием света. Выходной ток ЦАП является входным током А1 и равен Uon/Ri, 1 - противление ЦАП между выводами / и 15, изменяемое программно, (/оп напряжение на выводе/5. Таким образом, (/вых=/д% (R\ + R2)/ R2, где /д - ток фотодиода. При изменении кода цифрового управляющего сигнала на выход ЦАП проникают помехи амплитудой до 3 В и длительностью до 1 мкс. Для исключения действия этих коммутационных помех на выходе фотоприемника может быть включена схема выборки-хранения К1100СК2, которая перед изменением кода управления переводится в режим хранения, а затем примерно через 5 мкс в режим выборки (см. гл. 8). Применение микропроцессоров сделало возможным реализацию контрольно-измерительных систем на базе унифицированного ряда программно-управляемых узлов, объединенных общим интерфейсом, который обеспечивает возможность программного доступа управляющего микропроцессора к основным функциональным узлам системы. Создание таких контрольно-измерительных систем требуется, например, для полной автоматизации процессов настройки, сбора и первичной обработки спектрометрических данных в реальном масштабе времени. В [62] описан один из модулей программно-управляемого радиоспектрометра - блок высокочастотной модуляции поляризующего магнитного поля с унифицированным выходом на магистраль микропроцессорной системы сбора и обработки спектрометрической информации. Блок содержит задающий генератор с фазовращателем опорного сигнала, формирователь амплитуды модуляции и усилитель мощности. Программно-управляемым является задатчик амплитуды модуляции, который устанавливает амплитуду синусоидального сигнала, поступающего на вход усилителя мощности. По су- ществу эта часть блока модуляции выполняет функции управляемого микропроцессором аттенюатора. Масштабируемый цифровым кодом аналоговый сигнал подается на вход опорного напряжения ЦАП К572ПА1. Коэффициент ослабления этого сигнала с помощью ЦАП определяется 8-разрядным двоичным кодом, который поступает на цифровые входы ЦАП. Тем самым реализуется врзможность установки с помощью микроэвм требуемой амплитуды модуляции поляризующего магнитного поля. 10.2. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА С: помощью ЦАП просто реализовать программное управление от ЭВМ выходными напряжением и током источников питания. Примеры таких источников приведены на рис. 10.5. .Генератор тока на рис. 10.5,0 построен на БИС К572ПА1 и сдвоенном ОУ К140УД20. При изменении кода на входе ЦАП происходит изменение тока через  Рис. 10.5. Схемы программируемых источников тока (а) и напряжения (б) Транзистор VT1 в диапазоне 0...1 мА. Вследствие этого напряжение на резисторе R3, а следовательно, и на R2 изменяется на 1,5 В. Выходной ток определяется из выражения /н = (/оп ?з^ а,-2~. Смещение диапазона изменения тока осуществляется резистором R1, а абсолютное значение тока определяет сопротивление R2. Стабилитрон обеспечивает смещение на 2...2,5 В синфазных напряжений на входах усилителя А2, что необходимо для его нормальной работы. Максимальное напряжение на нагрузке равно 25 В. В схеме источника напряжения на рис. 10.5, б обычная, цепь ОС ОУ с выхода устройства на вывод 16 ЦАП разомкнута и в нее введен мощный транзистор VT1. Транзистор VT2,- включенный по схеме с общей базой, преобразует в'ток изменение напряжения на выходе ОУ. На выходе ОУ устанавливается такое напряжение, при котором выходной ток ЦАП равен току в цепи резисторов R5, R1. Поэтому (/вых = £)(/оп {Ri + RsJ/Rm- Введение низкочастотных мощных транзисторов в цепь ОС ОУ может привести к его самовозбуждению. Для исключения самовозбуждения в схему включен корректирующий конденсатор Ск. Влияние разброса суммарного сопротивления ЦАП между выводами 1 к 15 на (/вых можно устранить подстройкой сопротивления RL В импульсном стабилизаторе на базе таймера (рис. 10.6) выходное напряжение изменяется с помощью ЦАП, управляющего пороговым напряжением внутренних компараторов таймера (см. гл. 7). При этом изменяется рабочая частота мультивибратора, определяющая (/вых. Стабилизатор содержит цепи регулирующей ОС и защиты выходного мощного транзистора от короткого замыкания. Таймер включен по схеме мультивибратора, генерирующего Прямоугольные выходные сигналы, управляющие работой транзисторов VT1, VT2. При высоком выходном напряжении таймера транзисторы VT1, VT2 насыщены в течение времени Л =0,7 iRi + + R2)Ct и ток через индуктивность L поступает в нагрузку /?н и выходной конденсатор С/. При низком выходном напряжении тай,- 1Е>  К572ПА1 ~Ш068мк 1-йр ?-upf 0-й р^ l/f.J=2-1SB I й И Рис. 10.6. Схема программируемого импульсного стабилизатора напряжения мера транзисторы VT1, VT2 закрыты в течение времени 2=0,7 R2C2 и в нагрузку отдается энергия, накопленная в реактивностях L и С1. Пока выходное напряжение меньше напряжения UR/R, при котором открывается транзистор VT5, последний не влияет на работу таймера. Между выводами 15 и 16 ЦАП К572ПА1 образуется программно-управляемый резисторный делитель со средней точкой на выводе Напряжение на выводе / равно UbuxRi/R, где R - сопротивление матрицы, изменяющееся от 10 кОм до оо в зависимости от подаваемого на ЦАП цифрового слова, /? 10 кОм. Как только выполняется равенство (/вых/? ?х = (/э. б. транзистор VT5 открывается и напряжение на выводе 5 уменьшается до 0,1 В. Вследствие этого напряжение на выходе таймера переключается от и„ до 0. Таким образом модулируется длительность ti передачи мощности от источника питания к нагрузке. Если на выводы 4-13 поданы напряжения лог. О, т. е. /?-оо, а напряжение на базе VT5 примерно равно нулю, то на выходе стабилизатора установится среднее значение напряжения (/вых = Л (/вх/г, где /г - рабочая частота мультивибратора. Для защиты выходного транзистора VT2 от перегрузки по току введена цепь ОС на транзисторах VT3, VT4. Эта- цепь ограничивает максимальный ток через VT2 на уровне 0,7 B/R3. Если падение напряжения на R3 при увеличении тока в нагрузке становится больше 0,7 В, то транзисторы VT3, VT4 насыщаются. Вследствие этого напряжение на выводе 4 уменьшается до 0,1 В, генерирование таймером импульсов прекращается, на его выходе устанавливается напряжение около 0,1 В. При этом транзисторы VT1, VT2 закрываются. Генерирование таймером импульсов возобновится только после того, как будут устранены причины перегрузки VT2 по току. Для защиты VT2 от перегрузок по напряжению в схему введен диод VD1, ограничивающий отрицательные выбросы напряжения на коллекторе VT2 на уровне - IB. При указанных на схеме параметрах элементов выходное напряжение лежит в диапазоне 2 ... Ю В при изменении информации на входе ЦАП. Установленное значение U вых сохраняется постоянным при изменении U в диапазоне 12 ... 16,5 В, выходной ток около 100 мА, а пульсации (/вых и его относительная нестабильность при изменении (/ и R не превышают 10. Коэффициент полезного'действия стабилизатора примерно равен 75%. 10.3. ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ С ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Применение ОУ позволяет сформировать различные по форме периодические сигналы, точность повторения которых прямо пропорциональна коэффициенту усиления ОУ. Дополнительные преимущества приобретают схемы на ОУ, которые могут быть перестроены с помощью цифрового слова, подаваемого на них, например, с шины данных микроЭВМ. Достичь этого позволяют БИС ЦАП, встраиваемые в обычные схемы генераторов. Управляемые от ЭВМ ЦАП позволяют формировать аналоговые сигналы любой формьь Можно подключить ЦАП к любой из известных схем генераторов, в которой управление параметрами формируемых сигналов осуществляется изменением напряжения в какой-либо точке схемы. В схемах одновибраторов и мультивибраторов, описанных в гл. 7, просто перейти к управляемому от ЭВМ формированию временных интервалов, подключив выход ЦАП к выводу 5 или 6 таймера КР1006ВИ1. Включив последовательно ЦАП с описанным выше преобразователем напряжение-частота KPIЮ8ПП1, можно построить формирователь тактовых сигналов с программно-управляемой частотой их следования. Ниже для примера приведены схемы, обеспечивающие программно-управляемое генерирование синусоидального, пилообразного и ступенчатого сигналов. Простейшей схемой, генерирующей синусоидальный сигнал с высокой точностью поддержания частоты, является генератор с мостом Вина в цепи ОС. При построении генераторов этого типа с регулируемой частотой следует учитывать, что при изменении номинала одного из резисторов, задающих частоту, изменяются условия возникновения генерации, а это может привести к срыву колебаний. В генераторах с мостом Вина условие генерации колебаний заключается в том, что на любой частоте коэффициенты передачи выходного сигнала по цепям положительной и отрицательной ОС были равны 1. Поэтому в обычных генераторах такого типа, чтобы изменить частоту генерируемых синусоидальных сиг. налов, необходимо использовать два регулируемыхпассивных элемента - один в цепи положительной ОС, другой в цепи отрицательной ОС. В приведенной на рис. 10.7 схеме эта задача решается с помощью ЦАП, подключенного ко входам ОУ, охваченных цепями 1-й p2йр Ю-йр\  Вых Рис. 10.7. Схема пpoгpaм^ииpyeмoгo генератора синусоидального сигнала общей положительной и отрицательной ОС. ЦАП работает в режиме резистора сопротив--I лением R, управляемым циф- ровыми сигналами, например, поступающими с щины данных микропроцессоров. В случае такого включения при изменении изменяется не только частота генерируемых сигналов, но и усиление в цепи отрицательной ОС А1. Поскольку ЦАП является элементом моста Вина, с его помощью можно изменять частоту генерируемых сигналов в соответствии с выражением и)т=\/СлЩлЩ^. Следовательно, когда уменьшается сопротивление R, увеличивается частота генерации и уменьшается амплитуда сигнала Ug, действующего на неинвертирующем входе А2. Вместе с тем при уменьшении увеличивается коэффициент передачи инвертирующего усилителя, реализованного на А1, так что суммарное усиление по цепям положительной и отрицательной ОС остается равным I в широком диапазоне изменения сопротивления ЦАП. Уменьшение амплитуды выходного напряжения, обусловленное изменением параметров моста, равно (/вых = (/б(1+ 25;) ?5;- Поскольку сигнал (/б усиливается обоими ОУ, то l]bux = 2.l]g - l]a=U6Ri + R\)/Ri-Из сравнения этих выражений видно, что коэффициенты передачи по цепям положительной и отрицательной ОС равны при' любых значениях сопротивления R- Таким образом, коэффициент передачи схемы, а следовательно, и амплитуда генерируемых сигналов не зависят от частоты при изменении сопротивления R-. Однако в реальном генераторе, построенном в соответствии с показанной схемой, паразитные емкости ЦАП и конечные значения скорости нарастания и полосы пропускания ОУ ограничивают диапазон изменения частоты, в котором амплитуда (/вых сохраняется постоянной. Для описанной схемы амплитуда генерируемых выходных сигналов сохраняется почти постоянной в диапазоне регулировки (/вых, равном одной декаде относительно середины рассчитанной частоты Шг- Функции элемента автоматической регулировки усиления выполняет стабилитрон [9]. Схема универсального генератора прямоугольных и пилообразных сигналов, частота которого изменяется под управлением ЦАП, показана на рис. 10.8. Управляемое цифровыми сигналами выходное напряжение ЦАП с повторителем A3 на выходе подается на резистор R1 интегратора, построенного на А1. Поскольку входное напряжение интегратора определяет скорость изменения его выходного напряжения, следовательно, ЦАП управляет временем.  .-.yii  Рис. 10.9. Упрощенная, ххема универсального, I программирует мого генератора. Рис. 10.8. Схема программируемого генератора треугольного и прямоу- , гольного сигналов с расширенным диапазоном регулировки необходимым напряжедию на вь1ходе U\ для его изменения от одного до другого порогов сравнения компаратора, построенного на А2. В этом компараторе с гистерезисом передаточной характеристики выходное напряжение, переключается, когда , напряжение Щ на входе достигает значения либо (JxytRs/Rt, либо - V R?,/Ri. Пока это время значительно больше того, что требуется для сброса Cli (т. е. его изменения от -UctRs/R*, до (/ст/?з ?4.Для возврата в ис ходное состояние), то длительность квазилинейного уменьшения Ui от Uc-rRs/Ri.RO -UcRs/Ri определяет ДАП. Частота генер.и-руемого на выходе Ui линейно спадающего сигнала (а ца выходе Ui прямоугольного сигнала) cor=((/on/?4Oi/20/f/cTi3C. Это вы- ражение получено в предположении мгновенного сброса (/i, длительность которого зависит от сопротивлений R1 и R2. Сброс происходит, когда Ui = - UctRs/Ri и на выходе А2 устанавливается отрицательное напряжение, примерно равное напряжению' питания А2. При этом открывается диод VD1 и на инвертирующий вход А1 поступает срез импульса большой амплитуды, который перезаряжает конденсатор С1 и вновь возвращает компаратор А2 в исходное состояние. Диод KD/ закрывается и начинается интегрирование выходного напряжения A3. Прямоугольные импульсы напряжения на выходе А2 имеют длительность Т\,я1/<0г. Пауза между импульсами равна продолжительности режима сброса. Недостатком схемы является необходимость в стабильном источнике опорного напряжения, а ее преимуществом - широкий'Диапазон регулировки частоты формируемых сигналов. ,. Если же требуется широкий диапазон регулировки, ТОУоЖно воспользоваться схемой на рис. 10.9. Эта схема позвбЛйёт сформировать треугольные и прямоугольные сигналы нйз.кбй частот! (до 1 кГц). Построена она на базе интегратора,в которбМ'Ш^ времязадающего резистора использован .1!.1оШкуЧ^Ш(т'а колебаний на выходе интегратора зависит от тока перезаряда конденсатора С1, то она определяется выходным током ЦАП, а следовательно, его входным кодом. Поскольку абсолютная величина резисторов ЦАП имеет разброс, то в схему следует ввести под-строечный резистор Rn. Частота колебаний выходных напряжений ОУ равна ( a,-2~)/8/? Ci. Второй ОУ включен по схеме конден- сатора, формирующего прямоугольные двухполярные импульсы. Крутизна фронтов импульсов тем выще, чем больще скорость нарастания выходного напряжения ОУ. Амплитуда формируемых сигналов определяется опорным напряжением стабилитрона. В схеме на рис. 10.10 использована особенность КМОП ЦАП, состоящая в том, что весовые токи переключаются в нем в одну из двух щин (выводы / и 2) в зависимости от кода на цифровых входах. Если на цифровые входы поданы напряжения, соответствующие лог. 1, то выходной ток 1\ максимален, а /2 = 0. При напряжениях на цифровых входах, соответствующих лог. О, /i = 0, а /2 максимален. При напряжении опорного источника питания (/ = 10 В максимальный выходной ток равен 1 мА. Подстроить максимальный выходной ток ЦАП до требуемого значени^ позволяет резистор R1. Генераторы тока на ОУ устанавливают напряжения выходов ЦАП близкими к потенциалу земли. Это необходимо для нормальной работы внутренних цепей ЦАП. Чтобы транзисторы работали в активном режиме без насыщения, напряжения на их коллекторах не должны быть больще -0,4 В, так как напряжения на базах транзисторов около -0,7 В. Поэтому питание таймеров должно осуществляться от источника отрицательного напряжения. Таймеры включены по схеме мультивибраторов, ге-. нерирующих импульсы отрицательной полярности {Вых 1. Вых 2) с амплитудой О-U. Поскольку во времязадающих цепях таймера использованы источники токов, изменения напряжений на конденсаторах Сп и С/2 имеют пилообразную форму с амплитудой от Un /2> до 2U/2>{Вых 3, Вых. 4). Недостаток генератора - отрицательная полярность выходных сигналов - может быть устранен, если выходные импульсы таймеров проинвертировать с помощью компараторов напряжения, а сигналы с конденсаторов Сп, Ct2 проинвертировать-с помощью дополнительных ОУ. Для обеспечения высокой точности обратно пропорциональной зависимости между /1 и /2 при изменениях температуры транзисторы VT1, VT2 должны иметь идентичные параметры. Для уменьщения влияния токов базы транзисторов на токи / и /2 целесообразно использовать в схеме вместо одиночных транзисторов составные. Программирование генератора осуществляется подачей на выходы ЦАП разнообразных комбинаций напряжений лог. 1 и лог. 0. Дл-я установки постоянных параметров формируемых таймерами Рис. 10.10. Схема программируемого генератора противофазных прямоугольных и пилообразных сигналов  КР1006ВИ1 КРЮ06ВИ1 сигналов входы ЦАП, на которые должны быть поданы Напряжения лог. 1, подключаются к шине Vt, а остальные входы заземляются. Для работы генератора от ЭВМ с (4-12)-разрядной шиной данных, целесообразно вместо ЦАП К.572ПА1 использовать ЦАП К572ПА2, который имеет на входе два 12-разрядных запоминающих регистра. Эти регистры управляются по специальным выводам, подключаемым к дешифратору команд ЭВМ (см. гл. 9). Генератор, формирующий ступенчатое возрастающее напряжение, допускает изменение амплитуды ступеньки посредством изменения цифрового слова на входах ЦАП (рис. 10.11). Работает генератор от последовательности прямоугольных импульсов, подаваемой на вход схемы. Если амплитуда прямоугольных импуль; сов постоянна и равна (/и, то амплитуда ступеньки пилообразного выходного напряжения АНс= UonR\/Ri, где R - сопротивление ЦАП между выводами 1 и 15, зависящее от поданных на цифровые входы ЦАП сигналов. По срезу каждого импульса, поступающего на вход схемы, открывается диод VD1 и заряжается конденсатор С1 до значения UouRx/Ri- Затем диод закрывается и в течение периода входного импульса на выходе схемы поддерживается это напряжение. По срезу второго входного импульса вновь диод VD1 открывается и на конденсаторе С1 напряжение увеличивается на UonRi/Ri и становится равным 2Uo R]/Ri и так далее. После увеличения (/вых до максимального выходного напряжения, достижимого в А2, конденсатор С1 следует разрядить, чтобы начать формирование нового ступенчатого возрастающего напряжения. Для этого параллельно конденсатору С1 включается ключ для разряда С1 по команде от устройства управления ЦАП. Амплитуда приращения выходного сигнала AUc определяется цифровым словом, подаваемым на ЦАП. Если на выводы 4-13 в ЦАП поданы цифровые сигналы, соответствующие лог. О, то Д(/с->0, если..же все сигналы соответствуют лог. 1, то напряжение AUc максимально, поскольку минимально сопротивление /?5; = 10 кОм. Для регулиров-  Uf sin (x)t
Bbixl Рис' 10.11.., Схема' программируемого Рис. 10.12. Схема программируемого генератора СО ступенчатым прйраше- формирователя синусно-косинусных синими напряжения . гналов КИ .длительности ступеньки необходимо измейять частоту входных npHMqyiTQjibHbix импульсов..., Минимальная длительность ступенек выходного напряжения ограничивается скоростью нарастания выходного напряжения в ОУ, .применяемых в схеме. Например, для ОУ типа К.140УД7 эта частота не должна превышать 1 кГц. Минимальная, частота входных импульсов определяется максимально допустимой, величиной разряда конденсатора С1. Скорость разряда С1 равна /bx/Ci, где /вх - входной'ток А2. Поэтому спад (Увых за период входного импульса Т равен UT/С^. ....Дополнительные возможности, в формировании сигналов обеспечивает изменение при необходимости опорного напряжения. Эта особенность оказывается полезной .при. обработке, сигналов, поступающих с синусно-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ) и при построении их имитаторов. На выходах СКВТ :ф.о.рмируются два напряжения f/i = [УоЛтз1п sin О и 1/2= (/o/CiCos mtcos О,-где U ~ орорно.е напряжение, с частотой ср, K-.коэффициент трансформации СКВТ 6- угрл.цоворота. ротора СКВТ. Таиие .сигналы может и1литировать устройство, выполненное на двух ЦДЛ (рис. 10,1,2). Синусоидальные входные сигналы выполняют роль опорных напряжений ЦАП. Поворот ротора СК;ВТ имитируется ЭВМ, формирующей цг: цифровых входах ЦАП коды, эквивалентные sin в и cos 0. На основе ЦАП можно построл.ть программируемое устройство, позволяющее формировать сигналы, амплитуда и фаза которых изменяются по произвольным законам., Такие, устройства необходимы при создании различного рода радиотехнических систем. Устройство включает,два оперативных запоминающих устройства (РЗ,У) с ,ЦАР ,на выходе каждого ОЗУ .[28].. Выходные сигналы ЦАП поступают на аналоговый .сумматор с восстанавливающим полосовым фильтром на выходе. На входы опорного напряжения ЦАП подаются гармонические сигналы At(t)cos4>ut на первый ЦАП и 2(<)sin шо.. на второй ЦАП: Та<нм образом,:.в устройстве применен дискретно-аналоговый метод формирования сигналов, представляемых в (?бц№м случае K3K.A.(0.eos шо<+Л?(0.?1п.гао/, ru!i.Ai{t) = A{f)sm (p{t), A2(t) = A{t)cos ф), ;ф(/),;угт[медленно;Изменяю,щиеся..ам и фаза колебания, шо - средняя ,..-1,-)Дис.кретбчр-;аналогрвь1Й. м,етрд осн,оэан..дадискре;тизации' во времени амплитуд .квадратурных составляющих Ai{t) и At), выборки которых квантуются по ампли- 1 ... 25 26 27 28 29 30 31 ... 38 |
||||||||||||||||||||||||||