Лабораторна робота № 24

Нелінійні перетворювачі

Мета роботи

Вивчення принципів побудови, технічних характеристик та експлуатаційних параметрів нелінійних перетворювачів на основі ОП.

Використання пакету EWB для виконання роботи

Для виконання роботи досить використання ідеального операційного підсилювача, стандартних пасивних компонентів електронної техніки, джерел, живлення та бібліотеки віртуальних приладів.

Порядок виконання роботи

24.3.1. Нелінійні перетворювачі на основі поліноміальної апроксимації. Складається схема квадратора на основі перемножувача двох аналогових сигналів у відповідності до рис. 24.1.

Рис. 24.1 Рис. 24.2

Рис. 24.3

Можливості квадратора відображаються у вікні установки його параметрів, що наведене на рис. 24.2, у якому можливо встановлювати зміщення та масштабні коефіцієнти (чутливість по кожному з входів) по осях. На основі квадратора в EWB є можливість складати поліноміальні перетворювачі від першого до будь-якого порядку зі своїми ваговими коефіцієнтами. На рис. 24.3 приведена характеристика “вхід – вихід” квадратора при нульових початкових зміщеннях та однаковій крутизні характеристик по осях.

Як приклад, на рис. 24.4 приведена схема, що дозволяє реалізувати кубічну залежність вихідного сигналу від вхідного, а його характеристика “вхід – вихід” приведена на рис. 24.5.

Рис. 24.4

Рис. 24.5

Таким же шляхом на основі перемножувачів можуть бути побудовані і пристрої для більш високих порядків перетворення. Створення поліноміальних залежностей забезпечується на основі суматорів, один з прикладів реалізації якого приводиться на рис. 24.6.

Рис. 24.6

При вивченні курсу теорії електричних кіл розглядалася можливість реалізації нелінійних двополюсників на основі поліномів. У програмному пакеті MATLAB існує підпрограма, яка дозволяє будь-яку нелінійність, що побудована на основі експериментальних даних, описати поліномом з заданою точністю, причому числові параметри поліномів визначаються автоматично. Таким чином, задача синтезу нелінійних двополюсників зводиться до того, що необхідний для реалізації нелінійний двополюсник зображається у вигляді таблиці із заданою точністю і заноситься у відповідну підпрограму середовища MATLAB для роботи з нелінійними двополюсниками. За допомогою вказаної підпрограми визначаються коефіцієнти поліному при ступенях вхідної змінної, які потім є основою для розрахунку величин опорів вхідних резисторів суматора.

Пропонується самостійно задати три типи ВАХ нелінійних двополюсників, які можуть розміщуватись в одному або двох квадрантах, обчислити величини коефіцієнтів полінома за допомогою відповідної підпрограми MATLAB, на їх основі обчислити величини вхідних опорів, реалізувати схему відповідного перетворювача і побудувати експериментальну ВАХ отриманого двополюсника.

24.3.2. Нелінійні перетворювачі на основі кусочно-лінійної апроксимації нелінійних ВАХ двополюсників.Складається схема нелінійного двополюсника на резисторах R1…R14 у відповідності до рис. 24.7. Двополюсник має ВАХ, що розміщується у першому та третьому квадрантах. Нелінійні властивості забезпечуються тим, що дільники напруг джерел живлення V1 та V2 на резисторах R1…R4 та R5…R8 створюють у вузлах 2 – 4 та відповідних їм вузлах 5 – 7 другого дільника різні за величиною падіння напруг, які запирають відповідні діоди. Напруга від вхідного джерела V3 подається на вузол 12 і, відповідно, на резистори R9…R14, які вмикаються по черзі при зростанні вхідної напруги. Таким чином, разом із резистором R15 вся схема представляє собою дільник напруги вхідного джерела V3, коефіцієнт ділення якого залежить від рівня вхідної напруги.

Рис. 24.7

Пропонується самостійно задати симетричну відносно початку координат нелінійну залежність вихідної напруги від вхідної, що розміщується у першому та третьому квадрантах, виконати її апроксимацію лінійними відрізками, кількість яких не повинна перевищувати шести, виконати розрахунки запираючих напруг діодів, розрахувати величини опорів дільника та перевірити правильність виконаних розрахунків експериментально. Експериментальна перевірка може бути реалізована зняттям відповідної осцилограми, як показано на рис. 24.8. В якості джерела V3 вибирається функціональний генератор, параметри якого наведені на рис. 24.9.

Рис. 24.8

Рис. 24.9

Інший шлях знаходження характеристики “вхід – вихід” забезпечується через меню Analysis / DC Sweep. Для цього нелінійний опір можна згорнути і зобразити схему у вигляді дільника напруги, вихідним вузлом якого є вузол 1 (рис. 24.10). Результати проведення такого досліду приведені на рис. 24.11.

Рис. 24.10

Рис. 24.11

24.3.3. Проводиться дослід з використання стабілітронів для формування нелінійних властивостей чотириполюсника. Для схеми, що приведена на рис. 24.12, побудувати характеристику “вхід – вихід” із зоною нечутливості, величину якої вибрати самостійно у межах 0 ÷ 6 В. Вигляд характеристики з зоною нечутливості приведено на рис. 24.13.

Рис. 24.12

Рис. 24.13

24.3.4. Проводиться дослід з використання стабілітронів у якості обмежувачів вихідного сигналу (характеристика насичення). Складається схема підсилювача, що приведена на рис. 24.14. Задається напруга зламу характеристики на рівні 6 ÷ 10 В. Вона визначається напругою “пробою” зворотної ВАХ стабілітрона. Вигляд характеристики “вхід – вихід” з наявністю зони насичення наведено на рис. 24.15.

Рис. 24.14

Рис. 24.15

23.3.5. Проводиться дослід з побудови характеристик “обмеження”. Складається схема несиметричного обмежувача у відповідності до рис. 24.16. Задається відношення резисторів R3 та R4 і проводиться дослід із визначення характеристики “вхід – вихід” обмежувача.

23.3.5. Проводиться дослід по впливу зміни параметрів резисторів R3 та R4 на характеристику “вхід – вихід” обмежувача. При цьому слід враховувати те, що у тих випадках, коли дільник R3 – R4 приєднаний до напруги живлення ОП, повинна виконуватись умова:

R3 > R4.

Рис. 24.16

Вигляд характеристики “вхід – вихід” для обмежувача, схема якого наведена на рис. 24.16, наведений на рис. 24.17.

Рис. 24.17

24.4. Вимоги до звіту

Оскільки у роботі не задаються варіанти параметрів елементів схем для проведення дослідів, у звіті необхідно максимально відобразити уміння самостійно ставити та проводити необхідні дослідження, а також робити відповідні висновки.

24.5. Завдання до самотестування і атестації

24.5.1. Пояснити спосіб реалізації нелінійних функцій на основі ступеневих поліномів.

24.5.2. У чому полягають переваги та недоліки використання стабілітронів для реалізації нелінійних характеристик “вхід – вихід” підсилювачів?

24.5.3. Навести приклади використання нелінійних перетворювачів з конкретним їх призначенням.

24.5.4. Навести приклади використання обмежувачів напруги – як одностороннього, так і двостороннього типу.

Дата добавления: 2015-10-29