Предисловие редактора перевода

В настоящее время электронная аппаратура с навесными транзисторами, конденсаторами, резисторами и другими дискретными элементами, т. е. аппаратура так называемого второго поколения, энергично вытесняется аппаратурой третьего поколения, использующей интегральные схемы, а в отдельных случаях ~ аппаратурой на больших интегральных схемах, принадлежащей уже к четвертому поколению. Этот процесс особенно заметен в низкочастотной и вычислительной аппаратуре, т. е. в автоматике, измерительной технике, аппаратуре телеуправления, вычислительных комплексах. Если раньше основными структурными элементами электронных схем, из которых конструировалось радиотехническое устройство, были транзистор, конденсатор, сопротивление и пр., то сейчас устройство собирается из структурных элементов, которые выполнены в виде интегральных схем. Теперь разработчику радиоэлектронной аппаратуры нет необходимости детально анализировать сложное внутреннее устройство интегральной схемы, а нужно знать в основном лишь ее входные и выходные параметры. Это, безусловно, упрощает создание электронной схемы и значительно расширяет круг людей, которым под силу создавать разнообразные электронные устройства и приборы.

Книга Дж. Кара является хорошим введением в практику разработки электронных устройств на интегральных схемах в автоматике и измерительной технике. Написанная ясным, живым языком, она доступна широкому кругу читателей, включая радиолюбителей. Думается, что она окажется полезной также радиоинженерам-профессионалам, которым приходится иметь дело с автоматикой и измерительной техникой. Поскольку на практике в процессе проектирования и монтажа схем потребуются сведения о выпускаемых отечественной промышленностью интегральных схемах и других компонентах, ниже приводится список некоторых работ советских авторов, который будет полезен читателю; радиолюбителям можно рекомендовать журналы «Радио» и «Моделист-конструктор».

Перевод выполнен О. А. Соболевой (предисловие, гл. 1-11) и А. Е. Фридманом (гл. 12-23).

Тепляков

Литература

Интегральные микросхемы: Справочник/Под ред. Тарабрина Б. В —М.: Радио и связь, 1983.

Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие —— Изд. 2/Под ред. Якубовского С. В. — М.: Радио и связь, 1985.

Полупроводниковые приборы： Транзисторы. Справочник/Под ред. Горюнова Н. Н. — М.: Энергоатомиздат, 1983.

Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник/Под ред. Горюнова Н. Н. — М.: Энергоатомиздат, 1985.

Кутыркин Ю. М., Нефедов А. В., Савченко А. М. Зарубежные интегральные микросхемы широкого применения： Справочник/Под ред. Чернышева А. А. 一 М.: Энергоатомиздат, 1984.

Предисловие

Принято считать, что электронную аппаратуру разрабатывают коллективы специалистов по электронной технике. Это, однако, не совсем так. Создание многих электронных устройств под силу и тем, у кого нет диплома инженера- электронщика.

Основное внимание в этой книге уделено научной и измерительной аппаратуре Я полагаю, что вам известны основы электротехники и электроники, поэтому не буду объяснять, что такое U=/R. Надеюсь также, что вы знаете, что такое транзистор и что представляет собой интегральная схема. Если курс лекций, который вам довелось прослушать, не затрагивал вопросов, связанных с транзисторами, то материал гл. 4 поможет восполнить этот пробел в ваших знаниях.

Рекомендации, которые даются в книге, пожалуй, лучше всего охарактеризовать как практические. Там, где это возможно, я заменил сложные математические выводы упрощенными формулами и дал к ним пояснения. Я надеюсь, что таким образом мие удалось донести до вас основные понятия, избавив от нудных и сложных выкладок, которыми обычно изобилуют книги подобного рода.

Учитывая практический характер книги, я включил в нее несколько глав, которые на примерах должны показать, как создаются многие полезные вещи. Авторы большинства подобных книг забывают о том, что важно не только спроектировать устройство, но и воплотить свой проект в жизнь.

Я придерживаюсь мнения, что всякий человек, знакомый с основами электроники, в состоянии спроектировать простое электронное устройство (и даже устройство средней степени сложности) и реализовать свои проект. Круг читателей, на который рассчитана эта книга, включает радиолюбителей, начинаю^ щих энтузиастов, инженером, чья основная работа не связана с электроникой, а также студентов младших и старших курсов, специализирующихся в области электроники и электронной техники.

Свою книгу я в основном посвящаю студентам. Надеюсь, что она поможет им при работе над курсовыми проектами на старших курсах. Может быть, эта книга понравится профессорам и преподавателям и они будут рекомендовать ее в качестве пособия. Как бы там ни было, желаю вам удачи в работе!

Дж. Кар

Глава 1

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционный усилитель ——это усилительный блок, выполненный в виде интегральной схемы (ИС), который обладает следующими свойствами:

бесконечное усиление при разомкнутой цепи обратной связи;

нулевое выходное сопротивление;

бесконечное входное сопротивление;

бесконечная ширина полосы пропускания.

Конечно, не стоит полагать, что характеристики реальных схем операционных усилителей соответствуют перечисленным выше, но те характеристики, которыми обладают усилители, выпускаемые промышленностью, достаточно удовлетворительны. Они-то и позволяют среди общего числа любимых изобретателями линейных ИС выделить операционный усилитель, как одну из самых интересных и простых в использовании схем. В дальнейшем мы рассмотрим некоторые наиболее полезные свойства этой схемы.

Практические характеристики операционного усилителя

В операционном усилителе коэффициент усиления по напряжению при разомкнутой цепи ©братной связи Л^р значительно больше обычного коэффициента усиления при замкнутой цепи обратной связи. Для типичного операционного усилителя передаточная функция по напряжению определяется выражением

Евых= ±4Ев¥，(1-1)

где £Вых—выходное напряжение: Av——коэффициент усиления по напряжению при замкнутой цепи обратной связи; Евх——входное напряжение.

Символ 《士》 означает, что выходное напряжение может иметь любую полярность, а это вызывает необходимость иметь такой источник питания для операционного усилителя, кото-

о %с^)

兰勿

g 06qa穴 шина

Рис. 1.1. Функциональная схема источника питания для операционных усили-телей.

%

Рис. 1.2. Условное обозначение операционного усилителя.

рый может давать напряжение и положительной, и отрицательной полярности.

На рис. 1.1 изображена типичная функциональная схема источника литания операционного усилителя. В ней использованы две батареи: одна дает напряжение, положительное по отношению к общей шине, а другая ——отрицательное. Уровни напряжения для большинства операционных усилителей лежат в пределах от 1,5 до 3,5 В в области минимальных значений и от 15 до 40 В в области максимальных значений. Очень распространено значение ± 18 В.

В большинстве реальных электронных схем вместо батарей, показанных в нашем примере, используется источник питания постоянного тока, работающий от сети переменного тока. Это

Рис. 1.3. Дифференциальное напряжение Е2+Е1 и общее напряжение В3.

напряжение постоянного тока во избежание возможных осложнений, конечно, должно быть стабилизировано и хорошо отфильтровано. В тех случаях, когда требуются стабильные потенциалы, необходимо использовать какую-либо схему стабилизатора напряжения. Несколько примеров подобных схем приведено в одной из следующих глав.

На рис. 1.2 показано условное обозначение схемы операционного усилителя. Ино1 да на схеме не показывают выходы Vcc (положительное напряжение источника постоянного тока) и Vee (отрицательное напряжение источника постоянного тока). Это делается для того, чтобы не перегружать схему и не затруднять ее чтение. Не следует, однако, забывать, что присутствие входов источника питания подразумевается всегда независимо от того, изображены они на схеме или нет.

Большинство операционных усилителей имеют один несимметричный выход, входы же у них дифференциальны по отношению к земле. Это приводит к тому, что входы оказывают на выходное напряжение одинаковое в количественном отношении, но противоположное по знаку влияние. Если ко входам приложены одинаковые относительно земли напряжения, то их влияние будет взаимно скомпенсировано и выход будет иметь нулевой потенциал. Этот случай показан на рис. 1.3.

Один вход помечается знаком (—) и называется инвертирующим. Он создает выходное напряжение, полярность которого противоположна полярности входного напряжения. Иначе говоря, выходное напряжение сдвинуто по фазе на 180° относительно входного.

Другой вход помечается знаком (+) и называется неинвертирующим. Нетрудно сообразить, что вход ( + ) создает выходное напряжение, совпадающее по фазе со входным; полярности напряжений одинаковы.

Противоположный характер входов приводит к тому, что синфазные напряжения (т. е. £3 на рис. 1.3) не оказывают никакого воздействия на выходное напряжение. Одно из объяснений этого явления состоит в том, что два выходных напряжения складываются алгебраически и сумма их равна нулю. С более детальным объяснением этого факта вы познакомитесь в дальнейшем.

Дифференциальные усилители дают сигнал на выходе только в том случае, когда на входы поданы такие напряжения, что величина (3——£2) отлична от нуля. Тогда уравнение (1.1) можно переписать в следующем виде:

Ebbix =—儿 Е” (1.2)

Евих = +АА， (1・3)

%ЯХ = 4 (七2 —EJ・ (1.4)

Уравнение (1.4) точнее определяет передаточные свойства операционного усилителя. Договоримся в дальнейшем величину

Рис. 1 4. Часть принципиальной схемы типичного операционного усилителя.

(七2—七丄)называть Евх, тогда уравнение (1.4) запишется в следующем виде:

если

^вх ~ ^2—Е〔‘(L5)

то

Ee^ = Av-E^.(1.6)

Под Евх всегда подразумевается дифференциальное входное напряжение, иначе говоря, это напряжение на входах (+) и (——)операционного усилителя.

Так как большинство операционных усилителей выполнено в виде интегральных схем, лучше рассматривать их как простые усилительные блоки, которым присущи описанные ранее свойства. Эти свойства, между прочим, позволяют нам полностью задавать характеристики каскада, использующего операционный усилитель, путем простого управления цепью обратной связи.

Вопросы внутреннего устройства ИС операционного усилителя не должны вас особенно беспокоить, но некоторый минумум знаний в этой области поможет вам стать хорошим разработчиком. Поэтому мы кратко проанализируем работу типичной недорогой ИС операционного усилителя.

На рис. 1.4 показана часть принципиальной схемы интегрального операционного усилителя. Транзисторы Q, и Q2 образуют дифференциальную пару. База Q^ представляет собой неинвертирующий вход (+), а база Q2 ——инвертирующий вход (——).

Эмиттеры этих двух транзисторов соединены друг с другом и с источником постоянного тока (ИПТ). Хотя для упрощения схемы ИПТ изображен условно, на самом деле он представляет собой два (или более) транзистора, которые смещены таким образом, что ток коллектора одного из них остается постоянным в широком диапазоне изменения сопротивления нагрузки. Выходной сигнал дифференциальной лары снимается с коллектора Q2 — точка А, Соотношение между изображенными на схеме токами всегда определяется следующим выражением:

/ипт =人十厶.(L7)

Когда входные напряжения £\ и Е2 равны друг другу, ток /ипт разделяется на две равные составляющие и А = /2. При этом напряжение в точке А принимает статическое значение, или, если хотите, значение напряжения покоя. Это приблизительно половина напряжения Усс. Теперь предположим, что Е2 больше ЕЬ Это эквивалентно тому, что на неинвертирующий вход подан сигнал, сделавший его потенциал положительным. В результате Qi будет смещен в большей степени, чем Q2, и ток /2 превысит ток Л，Так как ток /Ипт остается постоянным, то для того, чтобы удовлетворялось уравнение (1.7), увеличение тока 厶 должно сопровождаться уменьшением тока /2- Уменьшение тока /2 означает, что уменьшается коллекторно-эмиттерный ток в транзисторе Q2, значит падение напряжения на резисторе Т?2, стоящем в цепи коллектора Q2, будет меньше. Напряжение в точке А — это напряжение питания VCc минус падение напряжения на Т?2, поэтому при уменьшении падения напряжения на R2 оно возрастает. Следовательно, положительное напряжение, поданное 1на'неинвертирующий вход, приводит к возрастанию напряжения в точке А. Аналогично если на неинвертирующий вход подать 1сигнал, делающий его потенциал отрицательным, то мы увидим, что напряжение в точке А также будет изменяться в отрицательном направлении. Если подавать сигналы на инвертирующий вход, то получим подобные же эффекты, но они будут противоположны тем, что мы описали для неинвертирующего входа.

Простые инвертирующие повторители

На рис. 1.5 показана принципиальная схема простого инвертирующего повторителя,——пожалуй, самая распространенная схема операционного усилителя. В этой схеме для простоты заземлен неинвертирующий вход.

Если операционный усилитель имеет и вход (+), и вход (——),то можно воспользоваться еще одним его свойством:

Входы дифференциального усилителя как бы связаны между собой.

Это значит, что если приложить потенциал к одному вхо-

Рис. 1.5. Принципиальная схема инвертирующего повторителя. 儿 hR。c/Rbx，^вых = —/Кх

ду усилителя, то другой вход можно рассматривать так, как если бы этот потенциал был приложен и к нему.

В случае с нашим инвертирующим повторителем вход (+) заземлен, С учетом указанного выше свойства можно рассматривать инвертирующий вход так, как если бы он юже был заземлен. Поскольку на самом деле вход обладает большим сопротивлением, такое состояние называется мнимым заземлением^

Через входную цепь операционного усилителя протекание тока не происходит, поэтому при составлении уравнений мы будем считать, что вход усилителя заземлен. При составлении уравнений, описывающих передаточную функцию усилителя, это свойство усилителя можно использовать двояко. Сейчас мы познакомимся с методом составления уравнений, который я называю основанным на использовании закона Кирхгофа. Для этого нам понадобятся только те свойства усилителя, которые были описаны ранее, а также тот факт, что выход схемы можно рассматривать как источник напряжения.

Если на вход подать напряжение £вх, то через сопротивление Rbx будет протекать ток /Вх. Этот ток определяется следующим образом:

/*х = Ев，Rbx， (1 -8)

то есть это уравнение есть не что иное, как закон Ома. При составлении уравнений мы считаем, что вход заземлен, однако не следует забывать, что на самом деле вход усилителя обладает высоким сопротивлением и во входной цепи ток не протекает. Для того чтобы удовлетворялся закон Кирхгофа для токов, нужно создать такой ток (обозначим его /о.с)> чтобы полностью скомпенсировать ток /вх. Согласно закону Кирхгофа для токов

^вхЧ~^о.с ~ ^« (1.9а)

4х = —/°・с・ (1.96)

Этот ток протекает через сопротивление цепи обратной связи, к которому приложено выходное напряжение операционного усилителя:

'о с = Ebeix/Roc (1・1°)

Подставим в уравнение (1.96) уравнения (1.8) и (1.10) и получим

EbJRbx = —Ebrx/Ro.c， (1.11)

В уравнении для коэффициента передачи выходное напряжение выражается через входное напряжение и через величину, характеризующую функции схемы. В случае операционного усилителя функцией схемы является усиление, поэтому для получения коэффициента передачи разрешим уравнение (1.11) относительно Евнх：

= (1-12)

В уравнении (1.12) выражение R.c/Rbx определяет усиление инвертирующего повторителя по напряжению; оно эквивалентно величине Av в уравнении (1.6). Запомним, что для инвертирующего повторителя коэффициент усиления по напряжению определяется следующим выражением:

4 = -&・с/&х・ (1.13)

Операционный усилитель можно рассматривать также с точки зрения элементарной теории обратной связи. Основное уравнение для коэффициента усиления в усилителе с обратной связью залисывается в следующем виде:

л — 4рС

где Av ——коэффициент усиления по напряжению при замкнутой цепи обратной связи; 4bp — коэффициент усиления по напряжению при разомкнутой цепи обратной связи; 5 ——коэффициент ослабления в цепи обратной связи; С—коэффициент ослабления во входной цепи.

Коэффициент усиления при замкнутой цепи обратной связи зависит от выбранного типа усилителя, и величина его устанавливается изготовителем. Коэффициент усиления некоторых недорогих схем составляет всего лишь около 20 000, для большинства же схем он лежит в диапазоне нескольких сотен тысяч. Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи некоторых высококачественных операционных усилителей превышает 1 000 000, в то же время схемы среднего по стоимости семейства усилителей типа 741 могут похвастать коэффициентом усиления около 50 000.

с4

Рис. 1.6. Эквивалентные схемы для потенциалов точки Л, показанной на рис. 1.5.

Наличие в уравнении двух величин, определяющих ослабление, обусловлено сопротивлением цепи обратной связи и сопротивлением входной цепи, 7?0.с и &х соответственно. Рассмотрим рис. 1.6, а. Точка А на этой схеме соответствует точке А на рис. 1.5. Операционный усилитель можно рассматривать как источник напряжения, обозначенный на рис. 1.6, а через Евнх. Напряжение между точкой А и землей при приложении напряжения Евнх определим с помощью стандартного уравнения для делителя напряжения:

0 = Евмх•(1.15)

Гвх 十с

Коэффициент Rbx/Rbx+Ro.c известен под названием коэффициента ослабления, он определяет значение коэффициента 5'из уравнения (1.14). Аналогично со стороны входной цепи напряжение между точкой А и землей представляет собой просто падение напряжения на сопротивлении R.c, обусловленное напряжением на входе. И снова, согласно уравнению для делителя напряжения.

Коэффициент Ro.c/(Rbx+Ro.c) — коэффициент ослабления для входа, он полностью определяет коэффициент С в уравнении (1.14). Подставляя уравнения (1.15) и (1.16) в уравнение (1.14)^ получим выражение для коэффициента обратной связи инвертирующего повторителя:

л4P [Ro.c/(Rbx + Ro.c)]/1

“1 十 Лур [Rbx/(RbX + Ro.c)]

Мы уже установили, что численное значение коэффициента Дир обычно очень высоко даже в недорогих операционных усилите-

Рис. 1.7. Схема неинвертирующего повторителя.

лях. Поэтому можно записать

1

Это преобразование, может быть, не совсем очевидно с алгебраической точки зрения, но зато вполне обоснованно для всех разумных значений коэффициентов В и С. Даже для самого плохого операционного усилителя класса 741 из числа тех усилителей этого семейства, которые имеют низкий коэффициент усиления, коэффициент 4^р имеет величину порядка 20 000; тогда выражение (1.18) дает значение 20 000/20 001, или 0,99995, которое во всех практических приложениях достаточно близко к единице. Тогда уравнение (1.17) можно несколько упростить:

л — Ro.c/(Rbx+ Ro.с)/1 1 q\

L Rbx/(Rbx + Ro.c) •l 丿

Уравнение (1.19) есть задача деления дробей, поэтому умножим числитель и знаменатель на величину, обратную знаменателю:

/ Rbx ~i~ Ro.СRo.с

“ Rbx Rbx + Ro.C

Так как выражения Rbx+Ro.c сокращаются, уравнение (1.20) можно переписать в следующем виде:

4)= Ro.c/Rbx，(1.21)

Итак, мы видим, что коэффициент усиления по напряжению при замкнутой цепи обратной связи для инвертирующего повторителя определяется отношением сопротивления обратной связи ко входному сопротивлению независимо от метода анализа схемы.

Аналогичный вывод можно сделать для неинвертирующего повторителя, схема которого показана на рис. 1.7. Обратите внимание, что в этом случае входное напряжение подается непосредственно на неинвертирующий вход; поэтому ослабле- ■ние входного напряжения отсутствует. В связи с этим коэффи-

циент (1-14)] сать:

С исключается из уравнения обратной связи [уравнение . Итак, для неинвертирующего повторителя можно запи-

Подстг

1вив выражение для коэффициента В, получим

41 + 4P【Rbx/&.c + Rbx)] •(L23)

В 9Tоь равна

n случае величина %bp/(l+%&p) также приблизительно единице, поэтому уравнение (1.23) принимает вид

4 Rbx/(RbxtR°c) •("4)

И ено! ратнук

за, умножая числитель и знаменатель на величину, об- )знаменателю, получим

4=盘噌&4■1,(1.25)

Квх

4=1+(&.с/&)(1-26)

Уравне жению (L16)

^ние (1.26) определяет коэффициент усиления по напря- для неинвертирующего повторителя. Из уравнения известно, что

Евых = "/by，(1.27а)

тогда

Евых=(1 十凡.c/Rbx)Ebx・(1-276)

Работа усилителя с одним источником питания

На практике для работы операционного усилителя часто используют источник питания только одной полярности, обычно положительной относительно земли. Примеры такого рода можно встретить там, где на источник питания накладываются ограничения, например в автомобильном либо портативном оборудовании или же там, где возникает задача компоновки устройства, для которого один или два входящих в его состав операционных усилителя играют второстепенную роль, но введение второго источника питания оказывается дорогим. К работе с одним источником питания прибегают также потому, что, по мнению некоторых, работа с большим числом источников связана с непозволительной тратой предохранителей (да-да, бывает итак!).

Итак, сейчас вы узнаете, как работать с одним источником питания, хотя это и не лучший способ работы, а вернее сказать, вовсе нежелательный.

Простейшее решение, к которому прибегают большинство конструкторов, показано на рис. 1.8, а. Эта схема в основе своей 16

является инвертирующим повторителем, который мы рассмотрели ранее, но здесь вывод Vee подсоединен не к отрицательному полюсу источника питания, а к земле (да здравствует экономия!). В исходной схеме инвертирующего повторителя это привело бы к разбалансу и к переходу операционного усилителя в режим насыщения, при котором выходное напряжение достигает своего предельного значения, равного напряжению источника питания. Однако резисторный делитель напряжения повышает потенциал неинвертирующего входа до некоторой положительной величины и тем самым изменяет положение рабочей, точки операционного усилителя. Это, конечно, повышает выходное напряжение покоя до такого же уровня, но теперь выходной сигнал вместо того, чтобы изменяться относительно нуля» будет изменяться относительно некоторого положительного уровня напряжения. Именно поэтому мне так не нравится работа с одним источником.

Другой путь достижения того же результата показан на рис. 1.8,6. В этой схеме потенциал неинвертирующего входа устанавливается с помощью диода Зенера.

На неинвертирующий вход нужно подавать определенное минимальное напряжение, величина которого различна для различных классов операционных усилителей. Эту величину можно определить на основании данных, приведенных в паспорте устройства, или же по его принципиальной схеме. Минимальное напряжение на неинвертирующем входе определяется числом р——n-переходов между входом усилителя и выводом Vee источника питания. Переходы должны быть смещены (иначе устройство вообще не будет работать), и тогда появится падение напряжения. Вообще говоря, пользуясь паспортными данными, это значение можно подсчитать. Эта величина представляет собой разность между максимально допустимым значением

Рис. 1.8. Работа операционного усилителя от одного источника питания.

Vee и максимально допустимым отрицательным входным напряжением. Иными словами, напряжение определяется следующим образом:

匕4 = ее' —^вх., макс (-) • (1.28)

Если нужной информации в паспорте нет, то, пользуясь схемой устройства, можно подсчитать число имеющихся р—п-пере- ходов. Подсчитывать следует как переходы база — эмиттер, так и переходы база — коллектор. Общее число р—п-переходов нужно умножить на 0,9 В. Для большинства используемых операционных усилителей результирующее напряжение будет лежать в пределах между 2,7 и 3,5 В. Однако можно найти несколько типов микромощных схем, для которых эта величина составляет всего 1,5 В.

Как правило, схема строится таким образом, чтобы напряжение в точке Л составляло по крайней мере третью часть напряжения Vcc, а часто половину Vcc. В последнем случае нужно, чтобы выполнялось равенство R = &2, а в первом случае — чтобы Ri = 27?2. Выбирайте такие значения сопротивлений, которые лежат в пределах между 1000 и 20 000 Ом.

Еще один метод иллюстрируется рис. 1.9. В нем используется мостовая схема, состоящая из резисторов Ri, R2, Аз и /?4 Фактически здесь применен тот же метод, который был использован в предыдущем примере, но в данном случае сохраняется свойство дифференциальности входов операционного усилителя. Для этой схемы справедливы правила, которые мы сформулировали для схемы, изображенной на рис. 1.8, а, кроме того, потребуем, чтобы выполнялись условия Ri=7?2 и /?з = /?4・ Резисто- ^ры должны быть такими, чтобы их можно было подобрать

7Pнс. 1.9. Работа операционного усилителя от одного источника питания с сохранением дифференциального характера входов.

人‘1=R2,R3 =r4

Рис. 1.10. На схеме а питание создается с помощью диода Зенера, на схеме б питание подается с помощью интегрального трехконтактного стабилизатора напряжения, на схеме 8 показана шунтирующая цепь между общей шиной и. шасси

вручную или с помощью омметра, или же нужно приобрести резисторы прецизионного типа. При расчете коэффициента усиления по напряжению при замкнутой цепи обратной связи в 7?вх нужно включать параллельное соединение 区 и Кз・

Последний метод, который мы рассмотрим, иллюстрируется рис. 1.10. Здесь для получения потенциалов Vcc и Vee от одного источника напряжения мы пользуемся стабилизаторами напряжения. На рис. 1.10,а изображена схема, в которой в качестве стабилизаторов используются опорные диоды. Здесь требуются два диода — один для напряжения Vcc, а другой для 匕& Конденсаторы применены не для фильтрации, так как мы используем источник постоянного тока, а для развязки и поддержания стабильности. Между прочим, применение конденсаторов не всегда обязательно, но всегда желательно.

На рис. 1.10,6 показан другой метод, в котором используются интегральные трехвыводные стабилизаторы напряжения, такие, как LM340/LM320 или МС7800/МС7900. И здесь желательно использовать развязывающие конденсаторы. В этой схеме и в схеме на рис. 1.10, а потенциалы земли (шасси) и общей шины операционного усилителя не совпадают, если только источник питания этой схемы не изолирован от земли. Можно, однако, сделать их совпадающими для сигналов переменного тока, если между общей шиной операционного усилителя и шасси поставить шунтирующий конденсатор емкостью несколько микрофарад. Полученный таким образом потенциал называется плавающей или уравновешенной землей.

Глава 2

ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Цифровые логические электронные интегральные схемы становятся в руках разработчика схем мощным и притом весьма недорогим инструментом. Если вам уже знакомы аналоговые схемы, использующие операционные усилители, и аналоговые функциональные модули, то освоение цифровой электронной техники расширит горизонт ваших знаний по крайней мере на порядок.

Что значит цифровая?

Цифровые сигналы ——это уровни напряжения, которые могут принимать одно из двух значений. На рис. 2.1 показан пример, в котором напряжение О В соответствует одному допустимому уровню, а напряжение +5 В — другому. Никакие промежуточные значения напряжения или значения, выходящие за указанные пределы, не допускаются. Уровни напряжения, приведенные на рис. 2.1, стали промышленным стандартом, так как они отвечают требованиям вездесущего семейства интегральных схем на транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ).

Цифровая логика различает только два состояния, которые в классической логике соответствуют понятиям «истина» и 《ложь》，а в приложении к электронике —— понятиям 《1》и 《0》. Положительная логи- 叶51 ка связывает с логическим нулем напряже

ния 0 В, а с логической единицей — напряжение +5 В. С другой стороны, отрицательная логика основывается на прямо противоположном соглашении; логическому нулю соответствует +5 В, а логической единице соответствует 0 В. Условимся, что

/?1

Рис. 2.1. В цифровых схемах сигнал может иметь только два уровня; здесь используются уровни 0 и 5 В.

в этой книге мы будем иметь дело только с положительной логикой, за 'исключением тех случаев, которые будут оговорены особо. ТТЛ- и КМОП-приборы предполагают использование положительной логики. При обсуждении всех вопросов условимся считать：

Логический уровень Напряжение

Оов

1+5В

Прежде чем пойти дальше, расстанемся с привычной нашей арифметикой и поговорим немного о двоичной арифметике, о математике, в которой основанием системы счисления служит число 2. Двоичная система различает только две цифры 0 и 1 [вас, должно быть, заинтересовало (и не зря!) то, что именно эти цифры связываются также с элементами цифровой логики].

Общепринятая десятичная система (основание системы 10) имеет дело с десятью различными цифрами: 0, 1, 2, 3, 4, 5,6, 7, 8 и 9. Если нужно задать число, большее 9, прибегают к позиционной форме записи, при которой значение цифры зависит от ее положения в числе. Возьмем, к примеру, число 569. В действительности оно представляет собой обозначение суммы, слагаемые которой связаны с определенными степенями числа 10, т. е.

(2.1)

Если цифра стоит на первом месте слева от запятой, то число, представленное этой цифрой, совпадает с ее натуральным значением; значение цифры не изменяется. В нашем примере это значение равно (9Х 1). Если цифра стоит на втором месте, то представленное ею число в 10 раз больше ее натурального значения. В нашем примере цифра 6 в действительности представляет число (БхЮ), т. е. число 60. Цифра, стоящая на третьем месте слева от запятой, представляет число, превосходящее ее натуральное значение в 100 раз, в нашем примере Цифра 5 представляет число (5х 100), т. е. 500. Тогда 569 на самом деле представляет собой сокращенную форму следующей записи:

(5х100) + (6х10) + (9х1) = 569, (2.2)

или

(2.3)(2.3)(5хЮ2) + (6х101) +(9 х 10。) = 569.

(2.3)

(2.3)

Ту же самую идею, т. е. идею изменения веса цифры в зависимости от ее позиции в числе, мы используем и при записи двоичных чисел. Однако здесь каждую позицию может занимать только одна из двух цифр. О или 1. Общее выражение для позиционной системы счисления имеет вид

2〃+2ь14^..+23+22+21+2。.(2.分

Обе системы, и с основанием 10, и с основанием 2, можно использовать для представления любого заданного значения. Например, определите, чему равен десятичный эквивалент двоичного числа 1110010.

1110 0 1 о

+ (25) + (24) + 0+0+(21)+ 0=(2.5>

=64 + 32 + 16+0 +()+ 2 +0=(2.6)

= И410(2.7)

[нижний индекс 10 в выражении (2.7) указывает на то, что- 114 — это число, представленное в десятичной системе счисления]1.

В табл. 2.1 приведены двоичные представления десятичных чисел от 0 до 33.

Таблица 2」

ДВОИЧНЫЕ ЭКВИВАЛЕНТЫ ДЕСЯТИЧНЫХ ЧИСЕЛ ОТ 0 ДО 33

Десятичное число Двоичное число Десятичное число Двоичное число

000000

17

010001

000001

18

010010

000010

19

010011

000011

20

010100

000100

21

010101

000101

22

010110

000110

23

010111

000111

24

011000

001000

25

011001

001001

26

011010

001010

27

011011

001011

28

011100

001100

29

011101

001101

30

011110

оошо

31

011111

ооип

32

100000

010000

33

100001

писать необязательно, здесь они оставлены для сохранения един-

01234567890123456

11 11 11 11 11 tl 11

(Незначащие

ства написания,)

Двоичная арифметика

Правила двоичной арифметики очень просты и записываются в следующем виде для сложения:

о-ро = о

(2-8)(2-8)1 -I— 0=1

(2-8)

(2-8)

‘0+1 = 1

1 十 1 = 1 плюс единица переноса в следующий слева разряд.

(Здесь представлены все возможные комбинации.)'

Пример. Сложить два двоичных числа: 101 и 001.

101

+ 001(2.9)

110

Пример. Сложить два двоичных числа: 010110 и 001011.

(2.Ю)(2.Ю)Переносы 1^\1个\

(2.Ю)

(2.Ю)

0巾卩］1 0

100001

Для выполнения операции вычитания приходится обманывать цифровые вычислительные машины ^н логические схемы. Дело в том, что эти схемы и даже самые всемогущие вычислительные машины умеют выполнять только одну арифметическую операцию — сложение. Чтобы выполнить вычитание, нужно обмануть схему так, чтобы она приняла вычитание за сложение. Для этого используют дополнительный двоичный код (имеется в виду дополнение двоичного числа до двух).

Дополнением двоичного числа до единицы служит его инверсия, т. е. дополнением нуля до единицы является единица, а дополнением единицы до нуля ——нуль. Когда мы определяем обратный код для двоичного числа какой угодно длины, мы просто заменяем все нули на единицы, а все единицы на нули:

Цифра0Цифра0Дополнение

Цифра

0

Цифра

0

(2.П)(2.П)0

(2.П)

(2.П)

1

Для получения дополнительного кода двоичного числа нужно определить его обратный код и затем прибавить единицу к младшему значащему разряду (МЗР) (2°). Сформируем, например, дополнительный код для числа 1011:

12(211 11 111 HYAU I 丁о Iу11 1VO о12(211 11 111 HYAU I 丁о Iу11 1VO оЧисло

12

(2

11 11 11

1 HYAU I 丁

о Iу1

1 1VO о

12

(2

11 11 11

1 HYAU I 丁

о Iу1

1 1VO о

Обратный код

Прибавление 1 к МЗР

Дополнительный код

Пример. Вычесть 0100 из 1011.

_1 0 1 1

~0 1 0 0(2.13>

?~

Сначала сформируйте дополнительный код для числа 0100, затем прибавьте полученное значение к 1001.

(2.14)(2.14)0 10 0 10 11

(2.14)

(2.14)

Дополнительный код 110 0

(2.15)(2.15)Прибавьте этот результат к числу 1011: 10 11 единица переноса 十1 1 0 0 1 -< 0 111 -<ответ

(2.15)

(2.15)

Для проверки правильности ответа произведем такое же сложение в десятичной системе счисления. Сначала определим десятичные эквиваленты двоичных чисел 0100 и 1011, а затем выполним обычное сложение:

10 111110

—0 1 0 0—4]о(2.16)

о иТ

Двоичный ответ равен 0111 плюс единица переноса. 01112=7ю» т. е. ответ правильный. Заметим, что появление единицы переноса говорит о том, что результат положительный. А теперь рассмотрим пример, где ответ должен быть отрицательным. Вычтем хотя бы из числа 0100 число 1011:

0 10 0

— 10 11(2.17)

Сначала проинвертируем число 1011, затем сложим с 1:

24

10 11

I I I I

0 10 0(2.18)

0 10 1 дополнительный код числа 1011.

Прибавим дополнительный код числа 1011 к числу 0100:

•0 10 0

0 10 1(2.19)

1 0 0 12 = 910

Но для десятичных чисел ответ будет другим:

410

(2.20)

Отметим, что в выражении (2.19) единицы переноса в ответе нет; это говорит о том, что результат отргщательнн立；итак, для того чтобы получить правильный ответ, проинвертируем результат и прибавим 1:

[результат из выражения (2.19)] 1 0 0 12

обратный код0 1 1 02

прибавление единицы+1(2・21)

0 1 1 1"

0 1 1 12 = —7

Знак минус приписан нет единицы переноса, а цательное значение.Знак минус приписан нет единицы переноса, а цательное значение.в связи с тем, что в выражении (2.19) это значит, что результат имеет отри-

Знак минус приписан нет единицы переноса, а цательное значение.

Знак минус приписан нет единицы переноса, а цательное значение.

Логические вентили

Почти все цифровые электронные логические схемы, даже в самых сложных вычислительных машинах, строятся на основе

Рис. 2.2. Условное обозначение инвертора, или вентиля НЕ (а); таблица истинности для инвертора (6).Рис. 2.2. Условное обозначение инвертора, или вентиля НЕ (а); таблица истинности для инвертора (6).

Рис. 2.2. Условное обозначение инвертора, или вентиля НЕ (а); таблица истинности для инвертора (6).

Рис. 2.2. Условное обозначение инвертора, или вентиля НЕ (а); таблица истинности для инвертора (6).

Рис. 2 3. Условное обозначение вентиля ИЛИ (а); эквивалентная схема на переключателях для вентиля ИЛИ (6); таблица истинности для вентиля ИЛИ (в).

блоков, представляющих собой набор похожих, но на самом деле совершенно различных вентилей.

На рис. 2.2, а показан не реальный вентиль, а самый элементарный логический элемент. Это схема образования дополнения^ или, как ее более часто называют, инвертор. Она воспринимает уровень напряжения на входе и формирует дополнение к нему. 1 превращается в 0, а 0—*в 1. На рис. 2.2,6 показана также таблица истинности для инвертора. Если на входе действует величина А, то выходная величина должна быть обозначена как А, такое обозначение читается как 《не-4》 или 《4 с чертой». Более распространено первое выражение. Если на условном обозначении логического элемента его вход или выход помечен кружком, то это означает, что на входе или выходе соответственно действует инвертированный сигнал. Условное обозначение в виде треугольника без кружка на выходе соответствует так называемому буферу, который имеет следующую таблицу истинности:

A胃

О О

1 1

Здесь, однако, выходная реличина А обозначена неправильно: черты над А быть не должно. Поэтому в тех случаях, когда инвертирование не производится, черту над выходной величиной нужно убирать. В данном случае мы имеем не что иное, как логическое утверждение《4 есть 4》.

На рис. 2.3 локазан элементарный вентиль ИЛИ. Вентиль ИЛИ―■ это такой вентиль, который дает сигнал на выходе в том случае, когда или на входе Л, или на выходе В присут-

/ 0сО О / 0 О / / /〃 // О/ 0сО О / 0 О / / /〃 // ОРис. 2.4. Условное обозначение и таблица истинности для вентиля ИСКЛЮ ЧАЮЩЕЕ ИЛИ.Рис. 2.4. Условное обозначение и таблица истинности для вентиля ИСКЛЮ ЧАЮЩЕЕ ИЛИ.А 5сО О О / / О / //О О ОА 5сО О О / / О / //О О О

/ 0

с

О О / 0 О / / /

〃 /

/ О

/ 0

с

О О / 0 О / / /

〃 /

/ О

Рис. 2.4. Условное обозначение и таблица истинности для вентиля ИСКЛЮ ЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

Рис. 2.4. Условное обозначение и таблица истинности для вентиля ИСКЛЮ ЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

А 5

с

О О О / / О / /

/

О О О

А 5

с

О О О / / О / /

/

О О О

Рис. 2.5 Условное обозначение вентиля НЕ ИЛИ (а); эквивалентная схема на переключателях для вентиля НЕ ИЛИ (6); таблица истинности для вентиля НЕ ИЛИ (в).

ствует высокий уровень напряжения (логическая единица). Таблица истинности показана на рис. 2.3, в, а условное обозначение вентиля ——на рис. 2 3, а. На рис. 2.3,6 изображена эквивалентная схема. Для представления двоичных разрядов (0 или 1) можно использовать переключатель, который является двоичным устройством, так как также имеет только два состояния. Назовем разомкнутое состояние логическим нулем, а замкнутое——логической единицей. Состояние выхода схемы на рис. 2.3,6 определяется напряжением, снимаемым с резистора в точке С. Напряжение в этой точке будет большим (1), если замкнут или переключатель А, или переключатель В, или замкнуты оба переключателя.

К подобному, но более сложному типу вентилей относится вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Он дает единицу на выходе в том случае, если или Л равно 1, или В равно 1. Если же и 4, и В равны 1, то на выходе будет 0. Условное обозначение вентиля и его таблица истинности приведены на рис. 2.4.

На рис. 2.5, а показан вентиль НЕ ИЛИ, представляющий собой вентиль ИЛИ с инвертированным выходом. Снова обращаем ваше внимание на то, что при условном обозначении элемента его выход помечен кружком. Вентиль НЕ ИЛИ можно представить вентилем ИЛИ, за которым следует инвертор (так называемый вентиль НЕ).

На рис. 2.5,6 показана эквивалентная схема вентиля. Выходное напряжение, измеряемое в точке С, представляет собой логический нуль в том случае, когда замкнут или переключатель 4, или переключатель В.

Соответствующая таблица истинности представлена на рис. 2.5,6. Как следует из таблицы, выход принимает значение 1 только в том случае, когда на обоих входах действует 0.

На рис. 2.6, а показан вентиль И. Он дает на выходе 1 только в том случае, когда на входе 4 и на входе В также действует 1. Таблица истинности приведена на рис. 2.6, в.

На рис. 2.6,6 изображена эквивалентная схема вентиля. Для представления вентиля И использована пара (для входов А л В) последовательно соединенных переключателей. Напряжение в точке С будет только в том случае, когда оба переключателя, и 4, и В, будут замкнуты.

Вариант вентиля И с инвертированием на выходе представляет собой вентиль НЕ И (рис. 2.7). Условное обозначение элемента не отличается от условного обозначения вентиля И, за исключением того, что у вентиля НЕ И выход помечается кружком, обозначающим инвертирование. Вентиль такого типа можно представить парой последовательно соединенных простых однополюсных переключателей, подключенной параллельно нагрузке. Нуль в точке С будет только в том случае, если оба переключателя, и А, и В, будут замкнуты.

Вентиль НЕ И — одна из тягловых лошадок цифровой электроники, и скоро вы сможете в этом убедиться. Одной из самых популярных интегральных схем, реализующих функцию НЕ И, является ТТЛ-схема типа 7400. В эту ИС входят четыре вентиля НЕ И, работающих от одного источника питания.

Рис. 2.6. Условное обозначение вентиля И (а); эквивалентная схема на переключателях (6); таблица истинности (в).Рис. 2.6. Условное обозначение вентиля И (а); эквивалентная схема на переключателях (6); таблица истинности (в).Рис. 2.7. Условное обозначение вентиля НЕ И (а); эквивалентная схема на переключателях (6); таблица истинности (б).Рис. 2.7. Условное обозначение вентиля НЕ И (а); эквивалентная схема на переключателях (6); таблица истинности (б).А вО О О / / 〃 7 77 / / ОА вО О О / / 〃 7 77 / / О

Рис. 2.6. Условное обозначение вентиля И (а); эквивалентная схема на переключателях (6); таблица истинности (в).

Рис. 2.6. Условное обозначение вентиля И (а); эквивалентная схема на переключателях (6); таблица истинности (в).

Рис. 2.7. Условное обозначение вентиля НЕ И (а); эквивалентная схема на переключателях (6); таблица истинности (б).

Рис. 2.7. Условное обозначение вентиля НЕ И (а); эквивалентная схема на переключателях (6); таблица истинности (б).

А в

О О О / / 〃 7 7

7 / / О

А в

О О О / / 〃 7 7

7 / / О

Вентиль НЕ И будет работать как инвертор, если его входьь соединить между собой или на один из входов подать +5 В. Схема типа 7400 дает высокий уровень напряжения на выходе (1), если на каком-либо из входов действует низкий уровень (0). Низкий уровень на выходе будет только в том случае, когда на обоих входах уровень напряжения высокий.

Следует учесть, что обозначения, которые присваиваются цифровым логическим интегральным схемам, ориентированы на использование положительной логики. То же самое устройство может обладать совершенно иными свойствами, если используется отрицательная логика. Конечно, инвертор останется инвертором независимо от того, какая логика используется, но остальные вентили приобретут совершенно другие свойства. В общем справедливо следующее утверждение: при использовании отрицательной логики вентиль И для положительной логики работает как вентиль ИЛИ, а вентиль НЕ И — как вентиль НЕ ИЛИ. Для того чтобы не возникало путаницы, во многих каталогах схемы, подобные ТТЛ-схеме типа 7400, определяются как вентили типа НЕ И/НЕ ИЛИ. Однако при использовании положительной логики они работают как вентили НЕ И.

На рис. 2.8 изображены временные диаграммы, которые показывают, как изменяется сигнал на выходе различных типов вентилей в зависимости от всевозможных комбинаций повторяющихся последовательностей входных импульсов.

Пример, приведенный на рис. 2.8, а, иллюстрирует свойства, характеризующие реакцию вентиля И. Положительный импульс на выходе С будет получен только в том случае, когда оба входа, и А, и В, также положительны. Как показывает рис. 2.8, б, совершенно -противоположную реакцию имеет вентиль НЕ И. Вспомним, что выход вентиля НЕ И имеет высокий уровень, если на каком-либо из входов действует низкий уровень. Выход имеет низкий уровень, только когда и на входе 4, и на входе В действует высокий уровень.

На рис. 2.8, в и а показана реакция вентилей ИЛИ и НЕ ИЛИ соответственно. Высокий уровень с выхода вентиля ИЛИ будет сниматься всякий раз, когда высокий уровень будет действовать на каком-либо ,из его входов. С другой стороны, вентиль НЕ ИЛИ дает высокий уровень на выходе всякий раз, когда на обоих его входах действует низкий уровень. Уровень на выходе будет низким, если на каком-либо из входов будет действовать высокий уровень. И снова мы сталкиваемся здесь с двойственностью работы схем по положительной и отрицательной логике.

Реакция инвертора на входной сигнал показана на рис. 2.8, д. Эта простая, но зачастую основная для устройства схема дает высокий уровень на выходе, когда на входе действует низкий уровень, и низкий уровень на выходе, когда на входе — высокий

уровень.

；_ГИЪГТХ1_ГИТГкП_Г"

Рис. 2.8. Временные диаграммы для некоторых распространенных вентилей.

Сложилось несколько семейств интегральных схем цифровых логических элементов. Около десяти лет назад появилось семейство ИС с резисторно-транзисторной логикой (РТЛ). Схемы, принадлежавшие к этому семейству, имели низкое быстродействие и целый ряд недостатков, но их спасало то, что никакие замыкания и размыкания на входах и выходах схем не могли вывести их из строя при условии, что напряжение в схеме не превышало 3,6 В.

Затем появилось семейство ИС с диодно-транзисторной логикой (ДТЛ), которое обладало улучшенным быстродействием, и семейство с эмиттерными связями (ЭСЛ), имевшее связи по переменному току, которое было и все еще остается самым быстродействующим семейством ИС. Настоящий бум в цифровой логике произвело появление семейства полупроводниковых^ приборов с транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ, или Т2Л). И хотя сейчас семейство комплементарных МОП-схем (КМОП-схем) превзошло семейство ТТЛ; последнее все еще находит очень широкое применение, даже в новых разработках.

Типовое быстродействие ТТЛ-схем составляет около 20 МГц, но у некоторых приборов этого семейства, так же как и у определенных его подсемейств, быстродействие достигает 80 МГц. Однако на высоких частотах, свыше 1 МГц, на качестве работы устройства начинают существенно сказываться топология и монтаж ИС. Почти обязательной для исполнения является рекомендация применять на этих частотах печатные платы с широкими печатными проводниками. Дело в том, что проводники просто оказывают слишком сильное индуктивное влияние на импульсы, что порождает множество проблем, которые трудно или невозможно разрешить.

Мы не будем тратить время на то, чтобы обсудить работу всех ТТЛ-схем, но для того, чтобы составить представление об их работе, рассмотрим типичный инвертор. Если вы незнакомы с элементарной теорией транзисторов, рекомендую обратиться к гл. 4 и изучить кое-что сейчас.

ТТЛ-инвертор показан на рис. 2.9. Он представляет собой транзисторную схему с непосредственными связями. Транзисторы Q2 н Q3 образуют дополняющую пару, a Qi работает как инвертирующий усилитель в коллекторной цепи и как неинвертирующий усилитель в эмиттерной цепи. Высокий уровень напряжения (+5 В), поданный на базу транзистора Q》，приводит его в режим насыщения. При этом потенциал коллектора QA понижается, а потенциал эмиттера повышается. Это в свою' очередь приводит к снятию смещения на базе транзистора Q3, и он входит в режим отсечки. С другой стороны, на транзистор Q2 подается большое смещение. В результате Q2 также входит в режим насыщения, следовательно, потенциал его коллектора будет составлять 0 В или около того. Однако коллектор транзистора Q2 является также выходом устройства. Это означает, что мы имеем такое состояние, при котором высокий уровень напряжения на входе порождает низкий уровень напряжения на выходе.

Если на базу транзистора Qi подать низкий уровень напряжения, Qi войдет в режим отсечки. Это приведет к тому, что напряжение на эмиттере Qi станет нулевым, а на коллекторе — высоким. При зтом транзистор Q2 будет находиться в режиме отсеч-

Рис. 2.9. Принципиальная схема типичного ТТЛ-иивертора.

ки, а транзистор Q3 будет открыт. В таких условиях через транзистор Q3 и диод Д1 передается напряжение УСс (+), которое порождает на выходе высокий уровень напряжения (；5 В). Табл. 2.2 содержит перечень наиболее доступных ТТЛ-схем.

КМОП-вентили и др.

Цифровые логические интегральные КМОП-схемы принадлежат к самому последнему семейству полупроводниковых приборов; хочу, однако, предупредить, что подписывать некролог ТТЛ- семейству пока еще рано. В основе КМОП-приборов лежит полевой транзистор, пришедший на смену биполярным транзисторам, которые использовались в ТТЛ-семействе, а также в других более ранних семействах ИС.

Оба типа транзисторов обсуждаются в гл. 4, поэтому, если они вам еще незнакомы, рекомендую забежать вперед и прочитать гл. 4, или языком вычислительной техники сказанное можно записать:

201 ЕСЛИ (незнакомы) ПЕРЕЙТИ К ГЛ. 4

202 ЕСЛИ (знакомы) ПРОДОЛЖАТЬ ЧТЕНИЕ

740074017402740374047405740674077408740974107414741674177420743074327437744074427445744674477473747474757476748374857486748974907492749374957496740074017402740374047405740674077408740974107414741674177420743074327437744074427445744674477473747474757476748374857486748974907492749374957496

7400

7401

7402

7403

7404

7405

7406

7407

7408

7409

7410

7414

7416

7417

7420

7430

7432

7437

7440

7442

7445

7446

7447

7473

7474

7475

7476

7483

7485

7486

7489

7490

7492

7493

7495

7496

7400

7401

7402

7403

7404

7405

7406

7407

7408

7409

7410

7414

7416

7417

7420

7430

7432

7437

7440

7442

7445

7446

7447

7473

7474

7475

7476

7483

7485

7486

7489

7490

7492

7493

7495

7496

НОМЕРА ТИПИЧНЫХ ТТЛ-УСТРОЙСТВ

Вентиль НЕ И с двумя входами (в одном корпусе 4 элемента) Вентиль НЕ И с двумя входами, выход с открытым коллектором (в одном корпусе 4 элемента)

Вентиль НЕ ИЛИ с двумя входами (в одном корпусе 4 элемента) Вентиль НЕ И с двумя входами, выход с открытым коллектором (в одном корпусе 4 элемента)

Инвертор (в одном корпусе 6 элементов)

Инвертор с открытым коллектором (в одном корпусе 6 элементов) Инвертор с открытым коллектором, работает при напряжении до 30 В (в одном корпусе 6 элементов)

Неиивертирующий формирователь с открытым коллектором, работает при напряжении до 30 В

Вентиль И с двумя входами (в одном корпусе 4 элемента)

Вентиль И с двумя входами, выход с открытым коллектором (в одном корпусе 4 элемента)

Вентиль НЕ И с тремя входами (в одном корпусе 3 элемента) Триггер Шмитта (в одном корпусе 6 элементов)

Инвертирующий формирователь, работает при напряжении до 15 В (в одном корпусе 6 элементов)

Неинвертирующий формирователь, работает при напряжении до 15 В (в одном корпусе 6 элементов)

Вентиль НЕ И с четырьмя входами (в одном корпусе 2 элемента) Вентиль НЕ И на восемь входов (водном корпусе один элемент) Вентиль ИЛИ с двумя входами (в одном корпусе 4 элемента) Буфер НЕ И с двумя входами (в одном корпусе 4 элемента) Буфер НЕ И на четыре входа (в одном корпусе 2 элемента) Дешифратор двоично-десятичного кода в десятичный, по выходам совместим с ТТЛ-схемами

Дешифратор двоично-десятичного кода в десятичный, работает иа больших токах (80 мА，，напряжение на выходах 30 В

Дешифратор двоично-десятичного кода в десятичный, выходы работают на лампу Nixie

Дешифратор двоично-десятичного кода в семисегмеитный код, ток 40 мА, напряжение иа выходах 30 В /К-триггер (в одном корпусе 2 элемента)

P-триггер (в одном корпусе 2 элемента)

Злемент намятн иа 4 одноразрядных числа (4X1) /К-триггер (в одном корпусе 2 элемента) Полный четырехразрядиый сумматор

Два четырехразрядных амплитудных компаратора

Вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (в одном корпусе 4 элемента) Элемент памяти на 16 четырехразрядиых чисел (16X4) Десятичный счетчик-дешифратор (коэффициент деления 10) Счетчик с коэффициентом деления 12

Счетчик с коэффициентом деления 16

Четырехразрядиый регистр сдвига типа PIPO^ Пятиразрядный регистр сдвига типа PIPO

')PIPO (parallel input — parallel output) — регистр сдвига с параллельным входом и с параллельным выходом.

+ —+ —0— о~~С=Г0— о~~С=Г丛С阳丛С阳р-канальнь 亩полевойМОЛ-транзисторр-канальнь 亩полевойМОЛ-транзистор

+ —

+ —

0— о~~С=Г

0— о~~С=Г

丛С阳

丛С阳

р-канальнь 亩

полевой

МОЛ-транзистор

р-канальнь 亩

полевой

МОЛ-транзистор

0 —

0.

п-кана”н&» полевой МОП транзистор

Рис. 2.10. ПринципиальнаяРис. 2.10. ПринципиальнаясхемасхемаКМОП-инвертора.КМОП-инвертора.左左ооур8енб [0—*ур8енб [0—*砧(маленькое сопротивление)+二1входной0 уровень0'砧(маленькое сопротивление)+二1входной0 уровень0'оо(маленькое сопротивление)(маленькое сопротивление)(большое сопротивление)(большое сопротивление)±4±4

Рис. 2.10. Принципиальная

Рис. 2.10. Принципиальная

схема

схема

КМОП-инвертора.

КМОП-инвертора.

左

左

о

о

ур8енб [

0—*

ур8енб [

0—*

砧

(маленькое сопротивление)

+二1

входной

0 уровень

0'

砧

(маленькое сопротивление)

+二1

входной

0 уровень

0'

о

о

(маленькое сопротивление)

(маленькое сопротивление)

(большое сопротивление)

(большое сопротивление)

±4

±4

Рис. 2.11. Эквивалентная резистивная схема для КМОП-инвертора; схема осоответствует низкому уровню на входе, схема 6 — высокому.

Сейчас, однако, нам придется довольствоваться не претендующим на глубину описанием логического элемента на основе МОП-транзистора с полевым эффектом. Используются два типа полевых МОП-транзисторов. р-Канальный транзистор открыт в том случае, когда напряжение на затворе (т. е. на входе) является нулевым по отношению к истоку, а п-каналь- ный транзистор открыт в том случае, когда напряжение на затворе положительно по отношению к истоку.

Принципиальная схема простого КМОП-инвертора приведена на рис. 2.10. В симметричной дополняющей схеме, показанной на рисунке, использованы последовательно соединенные р-канальный и n-канальный транзисторы. Выход снимается с общей точки, которая служит истоком для одного транзистора и стоком для другого. Входной сигнал подается одновременно на оба затвора.

Если входной сигнал представляет собой низкий уровень напряжения (0 В), то транзистор Qfl будет заперт, а транзистор Q|2 открыт. Благодаря этому потенциал VCc может пройти на выход. При положительном скачке входного сигнала ситуация изменяется, транзисторы Qi и Q2 меняются ролями: теперь транзистор Qi открыт, a Q2 заперт. При этом на выходе фиксируется потенциал земли (0 В).

Если выходной каскад КМОП-инвертора представить в виде последовательного соединения одних сопротивлений транзисторов Qi и Q2, то со стороны выхода схема будет выглядеть так, как показано на рис. 2.11.

Рис. 2.11,а соответствует случаю, когда напряжение на входе имеет низкий уровень, транзистор @ заперт, a Q2 открыт. В связи с этим Rqi имеет большое сопротивление, a Rq2 — маленькое. Делитель напряжения срабатывает обычным образом, благодаря чему напряжение на выходе оказывается высоким. Однако положение дел меняется, если напряжение на входе имеет высокий уровень. Этот случай показан на рис. 2.11,6. При этом транзистор Qi открыт, a Q2 заперт. В зтом случае меняются и относительные сопротивления транзисторных каналов, Rqi теперь имеет малое сопротивление, a Rq^—большое. И снова срабатывает делитель напряжения, в результате чего напряжение на выходе оказывается низким.

На рис. 2,11 показано одно из характерных свойств КМОП- приборов. В типичном КМОП-приборе при высоком уровне напряжения на входе выход обладает малым сопротивлением по отношению к шине Vcc ( + ), а при низком уровне напряжения на входе обладает малым сопротивлением по отношению к шине земли. При каждом состоянии выхода запертый транзистор представляет собой чрезвычайно большое сопротивление (объяснения приведены в гл. 4), поэтому всякий раз, когда выход находится в устойчивом состоянии, сопротивление между источником питания и землей оказывается высоким.

Это сопротивление заметно снижается только в один момент——когда выходной каскад переходит из одного состояния в другое. В моменты перехода запертый и открытый транзисторы меняются ролями. Когда на выходе устанавливается или высокий, или низкий уровень напряжения, между источником питания и землей оказывается включено очень большое сопротивление. Итак, в устойчивом состоянии в схеме протекает ток, величина которого измеряется всего лишь микроамперами. Значительный ток протекает только в моменты переключения,

КМОП против ТТЛ

А теперь давайте сопоставим поведение ТТЛ-приборов и приборов типа КМОП. Во-первых, сравним схемы инверторов, ТТЛ и КМОП. Для этого вновь обратимся к рис. 2.9 и рис. 2.10 соответственно.

В ТТЛ-каскаде всегда протекает довольно существенный ток. В широко распространенной ТТЛ-схеме, реализующей вентиль НЕ И, при высоком уровне напряжения на выходе протекает ток величиной 8 мА, а при низком уровне на выходе 22 мА. С другой стороны, если взять эквивалент этой схемы для КМОП-устройства, то величина тока при высоком уровне напряжения на выходе составит всего лишь 150 мкА, и при низком уровне 170 мкА. Экономия мощности является одной из причин того, что КМОП-приборы в последнее время приобрели очень большую популярность. Например, для вычислительной машины, использующей все ТТЛ-интегральные схемы, необходим ток от 10 до 150 А при напряжении 5 В по постоянному току.

Еще одно полезное свойство КМОП-кристаллов характеризуется их способностью нормально работать в широком диала- зоне питающих напряжений и напряжений логических уровней. Большинство из них работает в диапазоне по крайней мере от +4,5 до +15 В, а некоторые до +18 В по постоянному току на VCc^

С другой стороны, ТТЛ-интегральные схемы работают плохо или вообще не работают при небольшом отклонении питающего напряжения от 5 В по постоянному току.

Кроме того, КМОП-приборы обладают лучшей помехоустойчивостью, так как их состояние не изменяется до тех пор, пока входной потенциал не достигнет .порогового значения Усс(+)/2. Если напряжение питания равно +12 В, то прибор будет оставаться в устойчивом состоянии до тех пор, пока логический уровень не достигнет значения Рсс/2, т. е. 6 В. Входное напряжение ТТЛ-схемы обязательно должно превышать 4,5 В, иначе состояние схемы не гарантируется. Помеха может послужить такой добавкой к нормальному логическому уровню, что схема окажется в неопределенном состоянии. Для того чтобы нарушить работу КМОП-схемы, помеховый сигнал должен быть гораздо больше.

Из-за чувствительности как к напряжению питания, так и к напряжению логических уровней к ТТЛ-кристаллу предъявляются жесткие требования по току, а это часто порождает проблемы, связанные со значительным падением напряжения на печатных проводниках. В момент уменьшения напряжения на выходе ТТЛ-схемы происходит резкое скачкообразное увеличение тока, что приводит к уменьшению напряжения на выводе 九с(+). При этом, помимо того что кристаллу может не хватать питания, возникают 《выбросы》 или ложные импульсы, которые приводят к полной неразберихе в работе таких схем力 как вентили, счетчики, триггеры.

Для того чтобы просто сгладить эту проблему, печатная плата, на которой установлено даже не очень большое число ТТЛ-приборов, должна быть щедро «усыпана» шунтирующими конденсаторами емкостью от 0,0001 до 1 мкФ. Обычно соблюдается такое соотношение: по крайней мере один конденсатор на каждые два кристалла при условии, что один из кристаллов установлен далеко от другого (под 《далеко》 подразумевается несколько десятков миллиметров). При шунтировании ТТЛ-ин- тегральных схем рекомендую подбирать конденсаторы с учетом большого запаса. Для каждого вывода VCc(+) берите конденсатор емкостью 0,001 мкФ (10 В и выше), припаивайте конденсатор непосредственно к выводу VCc, не около него, а к нему. Кроме того, на каждую группу из нескольких ИС, расположенных вдоль одной шины питания, следует устанавливать конденсатор емкостью 0,1 мкФ. На вход источника питания, куда подается напряжение +5 В (на торцевом разъеме платы или на выводе монтажной платы), припаивают танталовый электролитический конденсатор емкостью 1 мкФ. Конечно, само собой разумеется, что свободные концы конденсаторов припаивают к земле. Эти конденсаторы используются для того, чтобы они накапливали заряд в данном месте электрической цепи и и разряжались в тот момент, когда изменится состояние ближайшего ТТЛ-прибора. Кроме того, они шунтируют ложные сигналы, возникающие в шине питания печатной платы.

КМОП-приборы и статическое электричество

Основная проблема, которая возникает при работе с КМОП- приборами, состоит в том, что статическое электричество, которое накапливается на вас самих, на инструментах, на столе и на других приборах, или заряды, возникающие при подсоединении испытательного оборудования, могут легко вывести из строя КМОП-кристаллы. Хотя после включения в схему они оказываются в относительной безопасности, вне схемы уязвимость их чрезвычайно велика.

Иногда можно услышать, что проблема статического электричества в отношении КМОП-схем преувеличена, и в некотором

смысле с этим нельзя не согласиться, так как эту проблему сейчас чересчур усложняют. Но хотя в некоторых самых последних приборах и предусмотрена диодная защита выводов, нужно быть готовым к тому, что при небрежном обращении КМОП-прибор выйдет из строя. Я сам испортил несколько приборов и поэтому не слишком доверяю заявлениям о том, что эта проблема преувеличена.

За небрежность можно поплатиться очень дорого. Несмотря на то что широко распространенные КМОП-приборы относительно дешевы (большинство из них входит в серию 4000), некоторые специальные КМОП-приборы стоят очень дорого. Например, ИС цифровых часов стоит около 15 долл., в то время как ИС микрокомпьютера стоит почти 100 долл.! Скрытая цена—это, между прочим, пена того времени, денег и плохого настроения, которые тратятся на обнаружение неисправности в проектируемой схеме, где статический заряд вывел из строя одну-единственную интегральную КМОП-схему. Итак, при желании вы можете не обращать внимания на проблему статического электричества, но не лейте потом слез, если ваш аналого-цифровой преобразователь (который стоит 150 долл.) вылетит в трубу.

Причины чувствительности КМОП-приборов к статическому электричеству

На рис. 2.12,а показана «внутренность» типичного КМОП- кристалла (полевого КМОП-транзистора). Электрод затвора изолирован от п-канала слоем окисла металла, имеющим толщину порядка 1/500 мм. Типичное значение напряжения пробоя такого тонкого слоя лежит в диапазоне 80 В. Напряжение статического электричества, накопленного на вашем теле, на инструментах и рабочих поверхностях, может достигать нескольких сотен вольт, отсюда понятно, что если не соблюдать надлежащих мер предосторожности, то КМОП-прибор можно испортить.

Рис. 2.12. Типичная структура полевого МОП-транзистора, используемого в качестве входного КМОП-траизистора ⑷；возможное повреждение, обусловленное статическим электричеством при небрежном обращении со схемой (6).Рис. 2.12. Типичная структура полевого МОП-транзистора, используемого в качестве входного КМОП-траизистора ⑷；возможное повреждение, обусловленное статическим электричеством при небрежном обращении со схемой (6).

Рис. 2.12. Типичная структура полевого МОП-транзистора, используемого в качестве входного КМОП-траизистора ⑷；возможное повреждение, обусловленное статическим электричеством при небрежном обращении со схемой (6).

Рис. 2.12. Типичная структура полевого МОП-транзистора, используемого в качестве входного КМОП-траизистора ⑷；возможное повреждение, обусловленное статическим электричеством при небрежном обращении со схемой (6).

Механизм разрушения полевого КМОП-транзистора показан на рис. 2.12,6. При пробое слоя окисла металла (при возникновении «бреши» в изолирующем слое) ионы металла проникают в слой затвора, канал и затвор замыкаются накоротко.

Коварство этого эффекта, однако, заключается в том, что он может проявиться с задержкой, так как достаточное количество ионов металла неспособно сразу пройти через 《брешь》. Постепенно накапливается такое количество ионов, которое приводит к короткому замыканию затвора, и тогда прибор выходит из строя. Этим можно объяснить 《спонтанный》отказ прибора через несколько недель или даже месяцев после монтажа.

Мера противодействия ——все заземляйте!'

Даже несмотря на то, что с целью защиты от статического электричества, некоторые «хитрые» КМОП-приборы защищают пробивными диодами, рекомендуется соблюдать некоторые меры предосторожности. Пример схемы защищенного КМОП-инвертора приведен на рис. 2.13. Однако эта защита не распространяется на все случаи жизни. Кроме того, большая часть старых КМОП-приборов и многие токовые приборы, обеспечивающие высокое быстродействие или выполнение специальных функций, не имеют защиты. Я предлагаю использовать следующие меры предосторожности, рекомендованные фирмами изготовителями при работе с КМОП-приборами и с некоторыми другими ИС.

Верный путь к устранению угрозы выхода из строя КМОП- 一 приборов — заземление окружающих предметов. При этом ста-

ства иа КМОП-интегральные схемы.ства иа КМОП-интегральные схемы.Рис. 2.13Рис. 2.13электриче-электриче-

ства иа КМОП-интегральные схемы.

ства иа КМОП-интегральные схемы.

Рис. 2.13

Рис. 2.13

электриче-

электриче-

тическое электричество безболезненно стекает на землю, еще не достигнув лрибора. Например, к рабочему столу желательно прикрепить большой кухонный противень или кусок листового алюминия, который продается в отделах 《Сделай сам》. Если вы работаете с КМОП-схемами лишь время от времени и каждый раз недолго, то лучше выбрать первый способ, но если ожидается более частая работа, прикрепите лист алюминия постоянно. Некоторые пользуются «статической промокашкой», которая представляет собой кусок мазонита или какого-нибудь другого подобного материала, к которому прикреплен металлический лист. Такую《промокатку》кладут на стол, когда работают с КМОП-схемами.

С помощью листа вам также нужно заземлить все инструменты и себя. Для провода земли, мне кажется, лучше всего брать провод красного или черного цвета, заставляющего проконтролировать свои действия. Что касается инструментов, я предпочитаю использовать одну отвертку и металлический пинцет, с помощью которого легко брать припой.

Для того чтобы заземлить себя, можно с помощью зажима («крокодила») присоединить провод земли к металлической части часов или лучше использовать провод, постоянно припаянный к браслету. Не забудьте, что перед тем как паять, нужно соскоблить хромовое покрытие и открыть основной металл.

Металлическая поверхность рабочего стола должна быть заземлена, но прямое заземление делать нельзя! При прямом заземлении случайное соприкосновение с проводом, находящимся под напряжением 115 В, будет скорее всего смертельным. Чтобы этого не произошло, установите между реальной землей и землей, представленной металлической пластиной стола и вами, резистор сопротивлением 1 МОм и мощностью % Вт.

Тот конец резистора, который должен соединяться с землей, следует присоединить к металлической (но не пластиковой!) трубе для холодной воды, имеющей заземление (стержень, закопанный в землю), или к земле ближайшего источника питания переменного тока. Используйте именно землю, а не нейтраль шины питания переменного тока. Для земли выделен третий провод в шине питания, он выведен к круглому (а не щелевидному) отверстию розетки питания1. Металлическая коробка, в которой помещается все содержимое розетки, также заземлена, заземлен и металлический винт, при помощи которого крепится крышка розетки.

Если у вас где-нибудь установлена пустая коробка розетки, можете сделать постоянное соединение с землей. Для этого в металлической крышке розетки нужно просверлить отверстие, в которое вошло бы телефонное гнездо диаметром 6 мм (рис.

* Речь идет о розетках, используемых в США; они имеют два щелевид- иых отверстия для вилки.——Прим перев

Рис. 2.14. Система заземления через стенную розетку, используемую при работе с КМОП-интегральиыми схемами./ — крышка розетки из нержавеющей стали с отверстием, просверленным под телефонное гнездо; 2 — телефонное гнездо диаметром 6 мм; 3 — провод, идущий к рабочей поверхности.Рис. 2.14. Система заземления через стенную розетку, используемую при работе с КМОП-интегральиыми схемами./ — крышка розетки из нержавеющей стали с отверстием, просверленным под телефонное гнездо; 2 — телефонное гнездо диаметром 6 мм; 3 — провод, идущий к рабочей поверхности.

Рис. 2.14. Система заземления через стенную розетку, используемую при работе с КМОП-интегральиыми схемами.

/ — крышка розетки из нержавеющей стали с отверстием, просверленным под телефонное гнездо; 2 — телефонное гнездо диаметром 6 мм; 3 — провод, идущий к рабочей поверхности.

Рис. 2.14. Система заземления через стенную розетку, используемую при работе с КМОП-интегральиыми схемами.

/ — крышка розетки из нержавеющей стали с отверстием, просверленным под телефонное гнездо; 2 — телефонное гнездо диаметром 6 мм; 3 — провод, идущий к рабочей поверхности.

2.14). Между выводом гнезда и землей внутри коробки припаивают резистор сопротивлением 1 МОм. Затем к головке стандартного телефонного гнезда подсоединяют провод, идущий от листа заземления стола.

Этим замыслом можно воспользоваться только в том случае, если предварительно вы удалите из коробки всю проводку. Если перспектива такой работы ,пугает вас, пригласите электрика, который ее выполнит, в противном случае может возникнуть более неприятная перспектива. Если провода просто отогнуть или спрятать в муфте для проводов и оставить в коробке, то случайно они могут распрямиться; представьте себе плавку при мощности 4000 Вт! Поэтому делайте это заземление как следует или не беритесь за него вообще.

Практические советы по работе с КМОП-схемами

Считаю необходимым дать вам несколько практических советов, потому что на собственном опыте убедился в их полезности.

При работе с КМОП-лриборами или с оборудованием, в состав которого входят КМОП-приборы, всегда заземляйте окружающие предметы так, как мы описали выше.

Поставляемые с завода КМОП-приборы завернуты в металлическую фольгу или приколоты своими выводами к кусочку черного проводящего материала, похожего на вспененную резину. Печатные платы с установленными на них КМОП-приборами часто поставляются в черных проводящих коробках, а некоторые — в проводящих прозрачных пластиковых контейнерах. Пусть они остаются в той упаковке, в которой получены;

снимайте ее только тогда, когда все уже готово к работе, и не раньше, чем окружающие предметы разрядятся на землю.

Прежде чем вынимать КМОП-прибор из упаковки, в которой его поставили, заземлите себя. Прежде чем прикоснуться к прибору или печатной плате, прикоснитесь к контейнеру или к материалу, на который прикреплена КМОП-схема. Тем самым будет выравнена разность напряжений на выводах, которая могла возникнуть из-за остатка статического заряда.

Не трогайте выводы ИС.

Для пайки используйте только паяльники с заземленным жалом (т. е. те, у которых шнур питания состоит из трех проводов).

Не производите установку или удаление КМОП-приборов при включенном питании. Отключите питание, установите или удалите как нужно прибор, а уж затем включите питание.

Не одевайте нейлоновую или другую синтетическую одежду.

Пользуйтесь только заземленными контрольными приборами (т. е. такими, у которых шнур питания опять состоит из трех проводов).

Печатные платы, на которых установлены КМОП-приборы, берите только за края, не касайтесь выводов разъема платы.

Триггеры

Триггеры используются в качестве переключателей, формирователей импульсов, а также в качестве схем, выполняющих некоторые другие цифровые логические функции. Большинство триггеров можно построить на основе комбинаций вентилей НЕ И и НЕ ИЛИ, но обычно их покупают в виде отдельных ИС. В некоторых учебниках под заголовок 《Триггеры》попадают ждущие и самовозбуждающиеся мультивибраторы, я предпочел бы поместить их в главу, посвященную генераторам сигналов.

На рис. 2.15 и 2.16 показаны примеры RS-трнггеров с двумя устойчивыми состояниями. Они состоят из перекрестно связанных вентилей НЕ ИЛИ и НЕ И, соответственно. Несмотря на то что оба триггера на схемах обозначаются одинаково, они

Рис. 2.15. Схема 7?5-триггера на вентилях НЕ ИЛИ, таблица истинности и условное обозначение схемы.

Рис. 2.16. /^S-триггер на вентилях НЕ И.

обладают совершенно различными свойствами. На соответствующих рисунках приведены также две таблицы истинности.

Отметим также, что эти триггеры имеют два выхода, обозначенных Q и Q （читается 《не-Q》）. Выходы взаимно дополняют друг друга, т. е. на одном действует высокий уровень напряжения, в то время как на другом ~ низкий, и наоборот.

7?5-триггер на основе вентиля НЕ ИЛИ, показанный на рис. 2.15, подчиняется следующим правилам:

Если на обоих входах действует нулевое напряжение, то выходы Q н Q сохраняют свое предыдущее состояние.

Если на вход S1 подать высокий уровень, то на выходе Q появится высокий уровень, а на выходе Q ——низкий. Триггер будет оставаться в этом состоянии независимо от последующих изменений на входе S.

Если на вход R1 подать высокий уровень, то на выходе Q появится низкий уровень, а на выходе Q — высокий. Триггер будет оставаться в этом состоянии независимо от последующих изменений на входе R.

Если на оба входа триггера одновременно подать высокий уровень, то результат в этом случае непредсказуем, состояние выходов не определенно, отныне и навсегда будем считать такое состояние запрещенным.

7?S-триггер на основе вентиля НЕ И, показанный на рис. 2.16, подчиняется следующим правилам:

Состояние, когда и на входе R н на входе S действует низкий уровень, является запрещенным.

Если на вход S подан низкий уровень, то на выходе Q действует высокий уровень, а на выходе Q — низкий. —

Если на вход R подан низкий уровень, то на выходе Q действует высокий уровень, а на выходе Q — низкий.

Если и на вход R, и на вход S подай высокий уровень, то состояние выходов не изменяется.

1）Вход S ——вход установки, от англ, слова set ——установка; вход R — вход сброса, от англ, слова reset — сброс. — Прим, перев.

Данные о DQ о Выход

СК О

ЛПЛЛ-

Синхроимпульсы

Рис. 2.17. Условное обозначение D-триггера.

Заметим, что для этого и предыдущего типа триггеров правила одинаковы, исключением являются правила 2 и 3, которые описывают состояния выходов противоположным образом. По этой причине некоторые называют триггеры второго типа 7?5-триггерами. Однако в связи с тем, что такое обозначение усложняет процесс типографского набора справочников и книг, многие договариваются также называть оба типа схем ^S-триггером.

Вентили и 7?5-триггеры срабатывают в ответ на изменения состояния на входах, причем срабатывают в то время, когда

Правила сс/нхронизированной работы

GLK

j

^

+—

0 / g /

0 0 / /

(без изменение)

О

HepsxQOam з состояние про ^ивополомсное существующему

Рис. 2.18. Условное обозначение УК-триггера и таблицы истинности для непо-средственной установки и для синхронизироваииой работы.

Таблица 2.3

400040014002400640074008400940104011401240134014401540164017401840194020402140224023402440254026402740284029403040314032400040014002400640074008400940104011401240134014401540164017401840194020402140224023402440254026402740284029403040314032

4000

4001

4002

4006

4007

4008

4009

4010

4011

4012

4013

4014

4015

4016

4017

4018

4019

4020

4021

4022

4023

4024

4025

4026

4027

4028

4029

4030

4031

4032

4000

4001

4002

4006

4007

4008

4009

4010

4011

4012

4013

4014

4015

4016

4017

4018

4019

4020

4021

4022

4023

4024

4025

4026

4027

4028

4029

4030

4031

4032

ТИПИЧНЫЕ КМОП-ЦИФРОВЫЕ ИС

Вентиль НЕ ИЛИ с тремя входами (в одном корпусе 2 элемента) Вентиль НЕ ИЛИ о двумя входами (в одном корпусе 4 элемента) Вентиль НЕ ИЛИ на четыре входа (в одном корпусе 2 элемента) 18-разрядиый регистр сдвига типа SISO)

Инвертор

Полный четырехразрядный сумматор

Инвертор (в одном корпусе 6 элементов)

Буфер (в одном корпусе 6 элементов)

Вентиль НЕ И с двумя входами (в одном корпусе 4 элемента)

Вентиль НЕ И иа чет晔е входа (в одном корпусе 2 элемента)

D-триггер (в одном корпусе 2 элемента)

Восьмиразрядный регистр сдвига PISO>

Четырехразрядный регистр сдвига типа SIPO> (в одном корпусе 2 элемента)

Аналоговый переключатель (в одном корпусе 4 элемента) Десятичный счетчик, выходы представляют числа от 1 до 10 Программируемый счетчик

Селектор-разветвнтель

14-разрядный двоичный счетчнк

Восьмиразрядный регистр сдвига типа PISO2)

Восьмеричный (основание системы счисления 8) счетчик

Вентиль НЕ И с тремя входами (в одном корпусе 3 элемента) Семиразрядный двоичный счетчик

Вентиль НЕ ИЛИ с тремя входами (в одном корпусе 3 элемента) Десятичный счетчик и дешифратор семисегментного кода /К、тригтер (в одном корпусе 2 элемента)

Дешифратор двоично-десятичного кода в десятичный

Синхронный реверсивный счетчик, десятичный или шестнадцатеричный

Вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (в одном корпусе 4 элемента) 64-разрядный регистр сдвига типа SISO】)

Полный сумматор (в одном корпусе 3 элемента)

происходит изменение. Такая работа называется асинхронной. Триггеры, принадлежащие к классу так называемых синхронных триггеров, срабатывают в ответ на изменения состояния входов только в те моменты времени, которые определяются синхронизатором системы (последовательностью импульсов). Такая работа логической схемы называется синхронной.

На рис. 2.17 дано условное обозначение £)-триггера. Данные со входа D передаются на выход Q только в том случае, когда на входе синхронизации (С/С)1 действует высокий уровень. Это происходит в момент возрастания напряжения импульса синхронизации. Импульс синхронизации должен иметь крутые, четко олределенные фронты； кроме того, на него не должны действовать шумы; тогда схема будет работать безошибочно. Выход Q до тех пор будет сохранять состояние, установленное данными со входа D на момент последнего импульса синхронизации, пока не придет новый импульс синхронизации. Обновление данных происходит только в момент действия синхроимпульса.

Несколько более сложен J/C-триггер (рис. 2.18). Он имеет два типа входов — непосредственные и синхронизированные. Непосредственные входы порождают предопределенное состояние на выходе, а синхронизированные ——такое, которое зависит от состояния входов / н К・

Если на входе установки (SET) действует высокий уровень» а на входе сброса (CLR)—низкий, на выходе будет низкий уровень. Если на входе установки — низкий уровень, а на входе сброса ——высокий, на выходе будет высокий уровень.

Для синхронной работы необходимо, чтобы и на входе установки, и на входе сброса действовал высокий уровень. При этом условии триггер отслеживает изменения на входах J и К. Эти изменения происходят в момент спада импульса синхронизации. На рис. 2.18 приводятся также таблицы истинности, //(-триггер по сути своей является двоичным счетчиком с коэффициентом деления 2.

В табл. 2.3 приведены некоторые КМОП-схемы из общедоступной серии 4000.

】)СК——сокращение от а игл. слова clock — синхронизация.——Прим, перев.

Глава 3

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

В этой главе мы рассмотрим некоторые интегральные схемы специального назначения, особенно широко применяющиеся в электронной аппаратуре. Конечно, ни эта, ни какая-либо другая книга не в состоянии охватить всю плеяду специальных интегральных схем, предлагаемых фирмами-изготовителями» поэтому, я прошу вас, не огорчайтесь, если окажется, что беспечный автор обошел вниманием вашу самую любимую схему. Это могло случиться по нескольким причинам: либо ваша схема слишком похожа на ту, которую я уже включил в книгу, либо сна не столь целесообразна с моей точки зрения, либо я просто не знаю о ней или не представляю себе, насколько она полезна.

Многие из описанных здесь устройств включают в свой состав операционные усилит ели или передают на операционные усилители результаты решаемых ими задач, однако в этой главе мы не будем говорить об операционных усилителях, как бы хороши и полезны они ни были. Специальным и некоторым особенно интересным операционным усилителям посвящена другая часть этой книги.

Таймеры и счетчики

На рис. 3.1 показана функциональная схема таймера тапа 555, Эта интегральная схема недорога, поставляется обычно в 8-выводном миниатюрном корпусе с двухрядным расположением выводов. Она заслуженно принадлежит к числу самых популярных интегральных схем, состоящих из разнородных компонентов.

Один из секретов популярности схемы типа 555 кроется в ее замечательной гибкости. Эта схема не относится ни к ТТЛ-семейству, ни к КМОП-семейству, а является биполярным устройством. Единственное принципиальное различие между биполярными кристаллами и ТТЛ-семейством, которое также является биполярным, состоит в том, что ИС типа 555 работает в широком диапазоне питающих напряжений. Для нее подходят напряжения питания постоянного тока, лежащие в пределах от 5 до 15 В, оптимальными являются значения от 9 до 12 В. Когда на выходе схемы действует низкий уровень, выход может потреб-

Рис. 3.1. Функциональная схема устройства типа 555.

лять ток величиной до 200 мА. И, наоборот, когда на выходе действует высокий уровень, схема типа 555 будет служить источников тока такой же величины. Диапазон применений схемы типа 555 широк и ограничен лишь пределами вашей изобретательности и вашего воображения. В нестабильном режиме схема типа 555 работает как источник сигнала, а в ждущем режиме — как одновибратор. Кроме того, она может работать как таймер и как каскад задержки.

Таймер типа 555 можно .применять с большей пользой, если знать, какие процессы происходят в этой интегральной схеме во время работы и какие логические функции она реализует. Для решения поставленной задачи будем использовать различные варианты схемы рис. 3.1, позволяющие разобраться в работе схемы типа 555 при различных ее конфигурациях.

Ждущий мультивибратор, или, как его часто называют, киппреле, или одновибратор, остается в выключенном состоянии до тех пор, пока он не будет запущен внешним импульсом. После запуска одновибратор формирует одиночный импульс с постоянной амплитудой и фиксированной длительностью. По истечении отведенного времени одновибратор возвращается в состояние покоя до .прихода следующего запускающего импульса. Одновибратор называется моностабильной схемой, так как он имеет одно устойчивое состояние.

На рис. 3.2 показан ждущий мультивибратор, использующий таймер на основе интегральной схемы типа 555. На рис. 3.2, а изображен один из вариантов функциональной схемы кри-

сталла, а на рис. 3.2, б — ее условное обозначение на схеме. Сердцем таймера типа 555 является ^S-триггер, управляемый парой компараторов напряжения. Вы, должно быть, помните из предыдущей главы, что /?5-триггер ——это бистабильная схема, т.е. он имеет два устойчивых состояния. В исходном состоянии на выходе Q присутствует низкий уровень, а на выходе не -Q ——высокий. Ситуация изменяется, если на вход установки (S) подается импульс: на выходе не -Q начинает действовать низкий уровень, а на выходе Q — высокий. Компаратор, о котором речь пойдет позже, имеет два входа. Уровень на его выходе становится высоким, когда оба входа воспринимают одинаковое напряжение.

При начальных условиях, в момент времени to, на выходе не -Q ^S-триггера присутствует высокий уровень, благодаря чему транзистор Qi смещается в прямом направлении и потенциал вывода 7 интегральной схемы фактически равен потенциалу земли. Конденсатор 以 при этом не заряжен. Кроме того, усилитель У] представляет собой усилитель инвертирующего типа, поэтому выход (вывод 3) в исходном состоянии имеет низкий уровень.

Резисторы &а, Rb, и Rc находятся внутри интегральной схемы и имеют одинаковое номинальное значение сопротивления^ равное 5000 Ом. Они образуют делитель напряжения, который используется для управления компараторами напряжения. Инвертирующий вход (—) компаратора 1 смещен до потенциала^ равного

当=(%)石混% =等(%) (3・D

Это означает, что выход компаратора 1 станет высоким, когда управляющее напряжение, приложенное к выводу 3 интегральной схемы, будет равно 2/з Vcc. Аналогично такой же делитель напряжения используется для смещения компаратора 2. Напряжение, приложенное к неинвертирующему входу второго компаратора, определяется выражением

e2 =(匕)r么+播+ & =可(匕J (3.2》

Когда напряжение, приложенное ко входу триггера (вывод 2 ИС), понижается до 1/3 Vcc, выход второго компаратора становится высоким.

В этом случае на конденсаторе С2 напряжение является управляющим. Этот конденсатор заряжается через резистор Аа> и менее чем через 1 мс, после того как подано питание, напряжение на нем достигает значения, равного 2/з VCc. Если в момент времени, обозначенный на нашем рисунке через 灰，на вход триггера подать короткий отрицательный импульс, то на выходе комларатора 2 установится высокий уровень, как только амплитуда импульса триггера понизится до уровня, равного !/з Vcc*

режима работы интегральной схемы типа

Рис. 3.2. Внутренние н внешние связи для моностабильного i ,*

555 (а); условное обозначение на схеме (6); график изменения задержки как функции R н С (в); сигналы

схемы синхронизации (г).

Взход

Защ/с£хемм

2

4

ст

唳

555

I

8

5

6

G

qo7用斤力

广г С,

Рис. 3.2 (6, в, г).

6tw qujooyww

10

G

3

〃

夕

о

二

0.001

/ОЮО/10100/

мксмксмсмсмсс

Задержка

展

友

4

555

7

J

Выход

5

2

10

0, Of М^Ф

木S

Рис. 3.3. Схема мультивибратора (а); условное обозначение на схеме (6)；коэффициент заполнения выходного сигнала (8); график зависимости рабочейчастоты от R и С (а); сигналы, характерные для мультивибраторного режимаработы (д).

Тем самым триггер опрокидывается, а на выходе не-Q устанавливается низкий уровень.

Переход от высокого уровня к низкому на выходе не-Q в момент времени Л приводит к одновременному наступлению двух ^событий. Одно состоит в том, что на выходе буферного усилителя У1 устанавливается высокий уровень, а другое ——в том, что выключается транзистор Qi. Благодаря этому конденсатор Ci

Рис. 3.3（8, а, д）.

начинает заряжаться через резистор Ri. Через вывод 6 ИС, предназначенный для установки порога, напряжение с конденсатора & подается на неинвертирующий вход компаратора 1. Когда это напряжение достигает значения, равного %廿％, на выходе компаратора 1 скачком устанавливается высокий уровень, который сбрасывает /?5-триггер. Благодаря этому событию, происходя-

щему в момент /2, на выходе не -Q снова устанавливается вн- сокий уровень.

На выходе усилителя У1 снова устанавливается низкий уровень, а транзистор Qi опять включается. Всегда, когда транзистор Qt включен, конденсатор Ц разряжен. На этом цикл завершается, и таймер типа 555 вновь оказывается в состоянии покоя. Уровень напряжения на выходе остается низким до прихода следующего импульса запуска. Промежуток времени, в течение которого на выходе сохраняется высокий уровень, приблизительно определяется выражением

Ш，1 R£, (3.3>

где Т — промежуток времени в секундах (с); Ri — сопротивление в омах (Ом); Gi — емкость в фарадах (Ф).

График этой функции изображен на рис. 3.2,8 для промежутков времени от 0,01 до 10 с и таких значений R и Сь которые получить не составляет труда. Временные соотношения между импульсом запуска, выходным импульсом и напряжением на конденсаторе & показаны на рис. 3.2, г.

Если вывод сброса не используется, его следует соединить с VCc. Это делается для того, чтобы шумовые сигналы не《сбивали» триггер. Однако если на вход запуска (вывод 2) и вход сброса (вывод 4) одновременно подать отрицательные импульсы, то выходной импульс оборвется. При этом на выходе снова установится низкий уровень, несмотря на то что время (Т) еще не истекло.

Обычный мультивибратор во многом похож на ждущий, за исключением того, что первый является самовозбуждающимся. Далее, мультивибратор не имеет устойчивых состояний, и поэтому его выход имеет то высокий, то низкий уровень. При этом порождается последовательность прямоугольных импульсов. Пример конфигурации схемы типа 555, образующей мультивибратор, приведен на рис. 33 И снова, как на рис. 3.1, вариант функциональной схемы устройства типа 555, необходимый для анализа работы, представлен на рис. 3.3, а, а на рис. 3.3, б показано условное обозначение интегральной схемы типа 555 ——мультивибратора. Как и в предыдущем примере с помощью делителя напряжения, образованного резисторами Ra, Rb и Rc, инвертирующий вход компаратора 1 смещен до уровня 2/зУСс, а на неинвертирующем входе компаратора поддерживается уровень % 匕с・ Оставшиеся входы двух компараторов соединены между собой, и на них поддерживается напряжение, определяемое постоянной времени Ci(Rh+&2). При начальных условиях на выходе не -Q 7?5-триггера действует высокий уровень. Вследствие этого включается транзистор Qi, а потенциал в точке соединения резисторов Ri и R2 становится равным потенциалу земли. Конденсатор G заряжен, но при включении транзистора Q^ он разряжается через резистор R2- Когда напряжение на конденсаторе Ci достигает уровня 2/зКо на выходе компаратора появ-

ляется высокий уровень, тем самым триггер сбрасывается. При этом снова включается транзистор & и конденсатор & получает возможность разрядиться до уровня 】/3tzec• Далее, конденсатор Ci то заряжается до уровня 2/з Vcc, то разряжается до уровня xlzVcc- На рис. 3.3, в показано соотношение между промежутками времени для высокого и низкого уровней. Промежуток времени для высокого уровня определяется выражением

友= 0,693 (& + &)&, (3.4)

для низкого уровня

% = 0,693(凡)&.(3.5)

Полный период сигнала Т (в секундах) равен сумме 加 и /2 и определяется следующим образом:

7 = %+%，(3.6)

Т = 0,693(а+2К)&・(3.7)

Во всякой электрической цепи, т. е. в соответствующей физической системе, частота колебаний является величиной, обратной периоду. Значит, в данном случае частота колебаний (в герцах) определяется следующим образом:

尸=1/Т,(3.8)

F = 0,693 R + 2R) G，(3・9)

尸1，44 —

г— (R + 2R) С/

График функции (3.10) для частот от 0,1 до 100 000 Гц изображен на рис. 3.3, г; приведенные значения компонентов получить нетрудно. На рис. 3.3, d' показана зависимость между напряжением на конденсаторе Ci и состоянием выхода. Коэффициент заполнения1 представляет собой выраженную в процентах долю периода высокого уровня в общем периоде. Он определяется следующим выражением:

кз=Л=ЬШ (з・н)

В нормальном устойчивом состоянии вход запуска таймера типа 555 поддерживается на высоком уровне. Для того чтобы запустить схему и получить выходной импульс, нужно понизить напряжение на выводе 2 до уровня УзКс На рис, 3.4 показано, как это можно сделать вручную. Для получения на выводе 2 высокого уровня используется резистор R* Конденсатор С3 заря-

D В русской технической литературе для характеристики импульсного процесса используется термин «скважность» ——величина, обратно пропорциональная коэффициенту заполнения. — Прим., ред.

Q

Рис. 3.4. Запуск схемы типа 555 производится отрицательным импульсом, для получения которого нужна дифференцирующая схема и резистор R&.

жается через резисторы R? и А Когда кнопка 小 нажата, точка соединения резистора А и конденсатора Сз замкнута накоротко на землю, благодаря чему конденсатор С3 быстро разряжается. Резкое уменьшение заряда на конденсаторе С也 сопровождается появлением на ъьнводе 2 отрицательного импульса, который запускает компаратор 2, порождая тем самым последовательность выходных импульсов.

Интегральная схема типа 556 представляет собой сдвоенный таймер типа 555. Эта схема размещается в 14-выводном корпусе с двухрядным расположением выводов и включает в себя два таймера, идентичных таймеру типа 555, связанных только по питающему напряжению. Поэтому мы говорим, что она является сдвоенной схемой типа 555. Оба таймера, типа и 555, и 556 — очень полезные устройства.

Интегральная схема типа XR-2240 фирмы Ехаг — это еще один полезный таймер, который можно также использовать в качестве 8-разрядного счетчика. Функциональная схема этого устройства приведена на рис. 3.5, а.

Схема устройства типа XR-2240 работает в диапазоне питающего напряжения от +4,5 до +18 В постоянного тока. Последовательность синхроимпульсов формируется внутренней схемой синхронизации, которая очень похожа на схему типа 555. В этом можно убедиться, глядя на рис. 3.5,6, на котором изображена функциональная схема типа XR-2240. Основное различие между таймером типа 555 и синхронизирующей частью схемы типа XR-2240 состоит в значениях относительных уровней напряжений, определяемых соответствующими внутренни-

16 "

F34 巨^

Fo/8 叵

Fq 貳5

方公

Двоич^ныйсчет-чик

Схема синхро низа- ции

74

73

/2

^2g

Управляющий

1 7г

/6

「—■о—

叶5 I

方加

Вико。 стабилизатора

Выход синхронизации Времязадающая НС~цепь

Модуляция

〃 | Запуск 方 | Сброс

Компара

ЛИ £能

危

к См

0乃

u

Выход 7

о"2

5 кОм

^ломпа- ратор2

Схема照

синхронизаи, и и*Г

6

工

7$ Выход

—о стабила-

Управляющаялогика

затора

д

『*~^~： ~^М Сброс―'кзанусх

Мзоичнв/й счетчик

| 川丨川 lllllllllllllllll Ппппппппппппг [~l п п п п п г

8\

Q ynpaejja- ；一 _五4空J

Вход запуска (вывод 〃丿 Выход синхронизации (вывод 14) Взходз счетчика Вывод 7

ВМбоЗ 2

h口h

Bbieod 5

i Вывод 4

/ Вывод 5

Рис. 3.5. Функциональная схема устройства типа XR-2240 фирмы Ехаг (печа*тается с разрешения фирмы Ехаг) (а); часть принципиальной схемы устрой-ства (6); временная диаграмма работы.

ми делителями напряжения (Rt, R2 и R3 на рис. 3.5,6). На таймере типа 555 все три сопротивления имели одинаковые значения, поэтому на входах компаратора действовали напряжения 0,33 Vcc и 0,66 Кс. С другой стороны, в ИС фирмы Ехаг опорные напряжения составляют 0,27 Vcc и 0,73 Vcc соответственно, В результате упрощается уравнение, определяющее период выходного сигнала [выражение (3.11)].

Часть схемы, реализующая функции двоичного счетчика, состоит из цепочки стандартно соединенных /К-триггеров. Каж* дый каскад цепочки работает как делитель на 2. Цепочка двоичного счетчика соединяется с выходом синхронизирующей части схемы через п—р—n-транзистор с открытым коллектором. Коллектор транзистора соединен также с выводом 14 интегральной схемы (так называемым выводом синхронизации) так, что между коллектором и внутренним стабилизированным источником питания (вывод /5) можно включить резистор нагрузки с сопротивлением 20 кОм.

Как обычно, цифровые выходы счетчика определяются как уровни напряжения на группе выводов ИС. Каждый выходной разряд передается на отдельный вывод ИС, где он соединяется с резистором нагрузки, подобным тому, который используется для вывода синхронизации. В активном состоянии выходы генерируют низкие уровни. Может показаться, что это противоречит принятому соглашению об уровнях, но существует средство, с помощью которого можно восстановить привычный порядок вещей и получить уииверсаль'ный, стабильный счетчик для больших временных интервалов. В дальнейшем вы увидите, что такие свойства не всегда удается получить с помощью одной ИС.

На рис. 3.6 показана основная рабочая схема для интегрального таймера типа XR-2240. Этот кристалл интересен тем, что единственное отличие схемы для мультивибраторного режима работы от схемы для ждущего режима состоит в наличии резистора обратной овязи R2, имеющего сопротивление 51 кОм. Этот резистор связывает вывод сброса (вывод 10) с выходами, объединенными через «монтажное» ИЛИ. Таймер запускается положительным импульсом, подаваемым на вывод //• Этот импульс направляется на блок управляющей логики, при этом он должен выполнить одновременно несколько действий: сбросить триггеры двоичного счетчика, сформировать на всех выходах низкие уровни и привести в рабочее состояние схему синхронизации. Как и в случае с интегральной схемой типа 555, этот таймер работает за счет заряда конденсатора Ci от источника положительного напряжения Vcc через резистор R. Период выходного сигнала определяется следующим выражением:

T = RC, (3.11)

где Г—период, с; R — сопротивление резистора R^ Ом; С — емкость конденсатора Ф.

左左Эти вь!воды •соединяйте^ как вамНужноЭти вь!воды •соединяйте^ как вамНужно10 кОм-CZD—10 кОм-CZD—3£3£■20 кОм■20 кОм99鸟т001 мкВ =Сброс鸟т001 мкВ =Сброс工nhEJho-qHhnoou工nhEJho-qHhnoou必必ЗапускЗапускXR~22W Управляющий НестабильныйXR~22W Управляющий Нестабильный^дущцйредким^дущцйредким， режим51 кОм， режим51 кОм

左

左

Эти вь!воды •соединяйте^ как вам

Нужно

Эти вь!воды •соединяйте^ как вам

Нужно

10 кОм

-CZD—

10 кОм

-CZD—

3

£

3

£

■20 кОм

■20 кОм

9

9

鸟т

001 мкВ =

Сброс

鸟т

001 мкВ =

Сброс

工nhEJho

-qHhnoou

工nhEJho

-qHhnoou

必

必

Запуск

Запуск

XR~22W Управляющий Нестабильный

XR~22W Управляющий Нестабильный

^дущцйредким

^дущцйредким

， режим

51 кОм

， режим

51 кОм

Рис. 3.6. Основная схема соединений для устройства типа XR-2240.

Двоичный счетчик подсчитывает импульсы, которые генерирует схема синхронизации, а изменяющееся состояние выходных каскадов отражает процесс счета. Такая работа продолжается до тех пор, пока на вывод сброса не лодадут положительный импульс.

На рис. 3.5,6 показаны соотношения между импульсом запуска, импульсами синхронизации и различными состояниями выхода. Преимущество схемы с выходом в виде открытого коллектора состоит в том, что при использовании этой схемы можно с помощью перемычки объединить ее выходы так, чтобы в точке соединения реализовывалась функция ИЛИ, тогда фактическую длительность выходного сигнала можно будет программИ' ровать. Выходы двоичного счетчика создают импульсные после^ довательности с частотой следования, пропорциональной степени основания 2:1,2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, ... . Если их соединить между собой, то на выходе будет сохраняться низкий уровень до тех пор, пока хотя бы на одном из выходов будет действовать низкий уровень. Это позволяет программировать длительность выходного сигнала в пределах от 1 Г до 255 Т, где Т определяется в соответствии с уравнением (3.11), путем объединения тех выходов, которые в сумме дают желаемый период. Давайте, например, спроектируем таймер с задержкой 57 с. Десятичное число 57 можно представить в виде степеней основания 2 следующим образом:

32 + 16+8+1=57.(3.12)

Если установить T = R Gi = lc и объединить те выводы схемы типа XR-2240, которые соответствуют перечисленным весам, то устройство будет обеспечивать задержку 57 с. По схеме соединений ИС определяем, что такими выводами являются выводы /, 4, 5 и 6. Если эти четыре вывода замкнуть накоротко, то низкий уровень будет сохраняться на выходе счетчика в течение 57 с после каждого импульса запуска.

Для того чтобы получить другие значения периодов на выходе, можно или иначе сформировать последовательность синхроимпульсов, или иначе объединить выводы через «монтажное» ИЛИ. Конечно, если удвоить частоту имлульсов синхронизации, то счетчик достигнет желаемого состояния в два раза быстрее. Это свойство позволяет рассматривать интегральную схему типа XR-2240 как схему с программируемой длительностью временного интервала. При использовании обычных схем такая задача может вызвать затруднения.

Каждый выход нужно соединить с Vcc через резистор нагрузки, имеющий сопротивление 10 кОм, если, конечно, не используется конфигурация с объединением выходов через《мон- тажное》ИЛИ. В последнем случае используется один резистор на 10 кОМ.

Ток, протекающий через выходы схемы, следует поддерживать на уровне 5 мА и менее; в дальнейшем этим следует руководствоваться при выборе резистора нагрузки.

Амплитуда импульсов сброса и запуска должна по крайней мере вдвое превосходить падение напряжения на р——п-перехо- де (2X0,7= 1,4 В). На практике в большинстве случаев разумно использовать импульсы с амплитудой более 4 В или стандартные уровни, принятые для ТТЛ-схем. Тем самым уменьшается вероятность незапуска схемы при минимальной амплитуде импульса и при воздействии внешних факторов, в критический момент вызывающих уменьшение амплитуды импульса.

Вывод 12 позволяет осуществлять синхронизацию от внешнего источника или модуляцию ширины импульса. При нормальной работе этот вывод, представляющий собой неинвертирующий вход компаратора 1, через шунтирующий конденсатор емкостью 0,01 мкФ соединен с землей. При этом шумовые сигналы не влияют на работу схемы. Напряжение, поданное на вывод 12, изменяет ширину импульса, который генерируется схемой синхронизации. Значение напряжения должно лежать в пределах от 2 до 5 В, при этом период частоты синхронизации будет меняться примерно от 0,4 до 2,25 раза соответственно.

Для согласования внутренней синхронизации с внешней подключите к выводу 12 интегральной схемы последовательную 7?С-цепочку, состоящую из конденсатора емкостью 0,1 мкФ и резистора сопротивлением 5,1 кОм. Так формируется входная цепь для импульсов внешней синхронизации, амплитуда которых должна быть не менее 3 В, а период должен лежать в пре- 60

"О

2233I УправляющийI УправляющийСхема синхрониза-Схема синхрониза-上nhEahQ qHhnosu上nhEahQ qHhnosuя引Ея回引回Т1я引Ея回引回Т10,1 мкВ0,1 мкВТимпТимп?附\々з山LtLTL3Fо Внешняя' синхроны - зация?附\々з山LtLTL3Fо Внешняя' синхроны - зацияДифференцирую -щая цепьДифференцирую -щая цепь

2

2

3

3

I Управляющий

I Управляющий

Схема синхрониза-

Схема синхрониза-

上nhEahQ qHhnosu

上nhEahQ qHhnosu

я引Ея回引回Т1

я引Ея回引回Т1

0,1 мкВ

0,1 мкВ

Тимп

Тимп

?附\々з山LtLTL

3Fо Внешняя

' синхроны - зация

?附\々з山LtLTL

3Fо Внешняя

' синхроны - зация

Дифференцирую -щая цепь

Дифференцирую -щая цепь

Рис. 3.7. Синхронизация схемы от внешнего источника.0,ЗГ<ГиМП^0,8Л T=RC

делах от 0,3 до 0,8 Т (рис. 3.7). Еще один способ согласование скорости счета с внешним эталоном времени состоит в использовании сигнала внешней синхронизации. Этот сигнал можно подать на выход синхронизации (вывод 14).

В состав каждой интегральной схемы типа XR-2240 фирмьь Ехаг входит внутренняя схема стабилизатора напряжения, предназначенная для того, чтобы поддерживать потенциалы двоичных счетчиков на уровне, обеспечивающем сопряжение с ТТЛ- логикой. Эта схема состоит из последовательно включенного^ транзистора, на базе которого за счет опорного диода поддерживается постоянное напряжение. Если предусматривается работа при напряжении ниже 4,5 В, необходимо подсоединить^вы- ход стабилизатора (вывод /£) к Кс или к выводу 16. Вывод стабилизатора можно использовать для подачи тока величиной 10 мА на внешнюю схему или еще на одну схему XR-2240.

Таймеры для больших интервалов времени

Существует несколько способов построения таймеров для больших интервалов времени. Можно, например, в состав релаксационного генератора включить однопереходной транзистор или воспользоваться интегральной схемой типа 555. Однако почти во всех случаях возникает, по-видимому, неизбежная ошибка, обусловленная температурными нестабильностями и разбросом значений величин требуемых резисторов и конденсаторов большой величины. Кроме того, вследствие присущих конденсатору сопротивлений утечки и входного сопротивления схемы, в которую он включен, на конденсаторе падает определенное напряжение. Использование таймера на интегральной схеме типа 555 почти устраняет такие проблемы, потому что-

Рис. 3.8. Каскадное включение таймеров типа XR-2240 дает значение полного периода, превышающее 65 000 Т.

мн имеем возможность использовать более высокие значения частоты синхронизации при меньших значениях компонентов в соответствии с уравнением (3.11). Как правило, высококачественные точные компоненты небольших значений достать легче. Таким образом, период сразу будет более точным и, кроме того, уменьшится температурный дрейф.

На рис. 3.8 показан пример таймера для больших интервалов; он состоит из двух таймеров XR-2240, соединенных каскад- но для увеличения интервала времени. В этой схеме выход синхронизации ИС 2 (вывод 14) используется в качестве входа для внешней синхронизации. Таймер ИС 1, так же как и схема XR-2240, используются для формирования импульсов синхронизации второго таймера. Старший значащий разряд ИС 1 (вывод 8 с весом 128 Т) соединен с выводом 14 ИС 2. На этом выводе сохраняется низкий уровень с момента запуска ИС 1 до момента £о = /28 RG, начиная с которого уровень становится высоким и запускает ИС 2.

Приращение значений двоичных счетчиков в ИС 2 происходит один раз за каждые 128 Т. Таймер ИС 1 работает по существу в нестабильном режиме, так как его вывод, предназначенный для сброса, соединен с выводом сброса ИС 2, а уровень в этой точке не повышается до тех пор, пока запрограммированное значение счетчика для ИС 2 не установит на его выходе высокий уровень.

Полный период для этой схемы при условиях, показанных на рисунке (вход ИС 2 подключен к выводу 8 ИС 1, а все ⑥2

выходы ИС 2 соединены через «монтажное» ИЛИ), составляет 2562 Т, или 65 536 Т. Можно, однако, запрограммировать таймер в соответствии с требованиями конкретного применения,, манипулируя тремя факторами: периодом импульсов синхронизации (RC), выводом ИС 1, используемым для запуска ЙС 2» и конфигурацией связей в ИС 2. Иными словами,

T^RfiJ^T^ (3.13>

где То — полный период, в течение которого на выходе действует низкий уровень, с; Т^ — полный период времени, в течение которого на выбранном выходе ИС 1 действует низкий уровень; Т"о — полное время, определяемое весами выходов ИС 2.

Допустим, например, что произведение RQ равно 1 с (т. е. R“ = i МОм, 01 = 1 мкФ). Если низкий уровень сохраняется на выходе в течение периода То = 65 536 (R&)=65 536 Т, то он сохраняется в течение 65536 с, или около 18 ч! Конечно, почти невероятно генерировать задержку такой длительности, используя какие-либо другие приемы. Например, не составляет никакого труда найти электролитический конденсатор большой емкости (необходимый в RC-таймерах больших интервалов) с допустимым отклонением от номинала — 20% + Ю0%. Однако^ имея такие допуски, невозможно формировать точные временные отсчеты с большим периодом. Еще одна неприятность заключается в том, что большие электролитические конденсаторы, даже танталовые, имеют тенденцию к изменению своей емкости в процессе работы. Это допустимо, если конденсатор используется для шунтирования или фильтрации, и приводит к совершенно ужасным результатам в схемах синхронизации ил场 каких-нибудь других схемах, где важно иметь точное значение. Использование каскадно-соединенных таймеров XR-2240 позволяет брать такие значения R】и Сь которые лежат в диапазонах меньших значений и имеют большую стабильность.

Такой же трюк с XR-2240 можно проделать, если воспользоваться внешним генератором синхроимпульсов. Он применяется для управления входом синхронизации ИС 1. Продолжительность интервала времени, в течение которого на выходе сохраняется низкий уровень, составляет тогда 65 536 Т〔 где 7’一период следования импульсов внешнего эталона времени. С другими примерами использования XR-2240 вы познакомитесь в следующих главах.

Любой из рассмотренных нами таймеров может работать в задержанном ждущем режиме. В этом режиме для запуска одного таймера просто используется импульс из внешних цепей, а выход этого таймера —для запуска второго. Выход второго таймера подается затем на управляющую схему. Этот выходной импульс задержан относительно начального на величину,, равную длительности импульса.

В схемах таймеров можно также использовать релаксационный генератор на основе однопереходного транзистора или регулярные ТТЛ- или КМОП-цифровые счетчики. Они, однако, менее универсальны, чем таймеры, выполненные в виде одной ИС, и реализовать их труднее.

Аналоговые умножители на ИС

Среди интегральных устройств, созданных современной полупроводниковой техникой, одним из самых полезных, наряду с операционным усилителем, является аналоговый умножитель. К сожалению, и изготовители ИС, и инженеры обычно называют это устройство по 《имени》 одной из выполняемых им функций: «умножитель》，а ведь на самом деле это устройство обладает поистине замечательной универсальностью.

Прежде чем перейти к ИС аналогового умножителя, рассмотрим различные методы выполнения этого действия. Одни приемы из числа тех, с которыми мы познакомимся, используются в интегральных умножителях, другие применялись раньше и были основаны на использовании транзисторов и операционных усилителей на дискретных элементах.

Аналоговый умножитель — это электрическая схема или интегральное устройство, работа которого описывается следующей передаточной функцией:

Евв1х = ^УУд， (3.13а)

=左匕匕， (3.136) или

Z = kV^ (3.1 Зв) где Vx — напряжение, приложенное ко входу X; Vy ——напряже- ние, приложенное ко входу У; k ——постоянная величина, значе* ние которой лежит в диапазоне от 1/25 до 10 в зависимости от конкретной ИС или выбранной конфигурации схемы. Типич^ ными являются значения 725, Vio и 10.

Следует отметить, что передаточная функция умножителя нелинейна и может в действительности описывать изогнутую поверхность, а не простую плоскость в декартовой системе координат X, У. Однако при обсуждении свойств умножителя лучше пользоваться понятием декартовых квадрантов.

Один из методов классификации аналоговых умножителей основан на числе декартовых квадрантов, которыми описывается работа умножителя. Многие схемы умножителей, даже в интегральном исполнении, описываются уравнениями в одном или Двух квадрантах. Для других квадрантов передаточная функция не определена. Некоторые умножители, например, «работают^ в одном квадранте, и для них необходимо, чтобы напря^ 水ения Vx и Vy имели одинаковую полярность, обычно положи-

тельную. При этом умножитель будет работать в так называемом первом квадранте декартовой плоскости, от 0 до 90°.

В двухквадрантном аналоговом умножителе на один вход можно подавать напряжения любой полярности, на другом же входе допустимы только положительные значения. Примером двухквадрантного умножителя является устройство, в котором на вход X можно подавать сигналы из диапазона —10 В《Х%《 W +10 В, а на вход У ——из диапазона 0《Vy《 + 10 В.

В связи с этим нетрудно понять, что самым универсальным является четырехквадрантпый умножитель, но, с другой стороны, он будет и более дорогостоящим. На оба его входа можно подавать сигналы, лежащие в аиназоне —10 ВсV^< +10 В Как вы видите из этих рассуждений, аналоговые умножители полностью определяются свойствами своих входов.

Аналоговые умножители можно также классифицировать по методам, с помощью которых получается произведение. Существует несколько способов выполнения умножения. Наиболее популярны следующие: метод квадратов, метод логарифм—антилогарифм, метод переменной проводимости и метод, основанный на использовании ячейки Гильберта.

Метод квадратов основан на использовании следующего тождества:

(3.14)

Этот класс умножителей использует для суммирования операционные усилители, а для возведения в квадрат заключенных в скобки выражений [уравнение (3.41)]——модули диодных сборок. Соответствующая схема операционного усилителя суммирует входы Vx и Vy и формирует Vi = (Vx+V(/) и 修=(乙一％)• Примеры суммирующих схем вы найдете в гл. 5 (рис. 5.4) и в моей книге Op-Amp Circuit Design & Applications (TAB787). Диодные квадратичные модули (также рассмотренные в указанной выше книге) порождают на выходах значения (ViJ2 и (Н)2, которые затем суммирует еще одна схема операционного усилителя. В результате получаем разность квадратов. Константу (4) в знаменателе уравнения (3.14) можно либо ввести в схему как действительное значение, либо сделать ее неявной. Однако в большинстве случаев требуется вводить некоторую константу для приведения выходного напряжения к рациональному виду; таким образом, выход следует представлять в следующем виде:

ВЫХ = ^^Х^у * (3.15)

Операционные усилители с их механизмом обратной связи можно использовать для получения выходных потенциалов, пропорциональных или логарифму, или антилогарифму входного напряжения. Существует много разнообразных средств для до-

стижения подобных «тонких》эффектов, мы расомотрим только самые распространенные и поговорим об этом в другой главе. Пока же примем на веру, что существуют такие усилители, передаточная функция которых записывается в следующем виде:

Евых =-1п(%)・ (3.16) И

£вых = -1п-1(£вх). (3.17)

Эти усилители можно объединить в схему, которая будет вычислять функцию

£вых = k (In V.+ln V,) = k In (VX)- (3-18) представляющую собой передаточную функцию умножителя. Можно также получить схему, вычисляющую функцию

Евнх =左(In 匕一1П %) = k In (匕/%), (3.19) которая представляет собой передаточную функцию аналогового делителя.

Для того чтобы реализовать эти функции, необходимо иметь два логарифмических усилителя, суммирующую схему операционного усилителя и антилогарифмический усилитель. Два входных напряжения Vx и Vy сначала подаются на соответствующие логарифмические усилители, преобразующие их к логарифмическому виду. Выходы этих усилителей поступают на суммирующий операционный усилитель, выход которого равен или сумме, или разности входных напряжений. Выход сумматора поступает затем на антилогарифмический усилитель, формирующий уровни выходных напряжений, определяющие выходные значения.

Усилитель, который работает по методу «логарифм — антилогарифм», на первый взгляд привлекает своей простотой, но при ближайшем знакомстве обнаруживается целый ряд трудностей, связанных с его реализацией. Во-первых, трудно, хотя и возможно, получить логарифмический или антилогарифмический усилитель с хорошей линейностью в диапазоне входного напряжения, охватывающем несколько декад. Так как для большинства таких схем ток обратной связи должен составлять несколько сотен мкА (при больших значениях тока они фактически перестают быть логарифмическими!), то довольно трудно допустить, чтобы 1/х и Vy могли изменяться в широких пределах. Верхний предел диапазона ограничен максимальным током обратной связи, который соответствует формируемой логарифмической функции, а нижний ——шумами, токами и напряжениями смещения и другими ошибками и сложностями, связанными с электронными схемами вообще и операционными усилителями в частности. И помните так называемый принцип Фаркюхера: «Несовершенство вселенной стремится к своему локальному максимуму там и тогда, где и когда оно может причинить наибольший ущерб».

Еще одна трудность связана с тем, что логарифметические усилители в большинстве своем являются униполярными, а в связи с этим аналоговые умножители, использующие эти схемы, могут быть только одноквадрантными. И наверное, самое серьезное ограничение связано с температурными ошибками, особенно в тех случаях, когда приходится работать с небольшим динамическим диапазоном входных напряжений. Работа большинства логарифмических усилителей основана на использовании логарифмических свойств переходов определенных полупроводников, а они в значительной степени зависят от температуры. В одном из следующих разделов мы рассмотрим по крайней мере одну схему термометра, использующую как раз этот принцип.

Остроту проблемы температурного дрейфа можно в некоторой степени сгладить за счет сдвоенного диода или транзистора. Он используется в качестве элемента обратной связи при формировании логарифмической функции как в логарифмическом, так и в антилогарифмическом усилителях и заставляет эти усилители, пусть даже с ошибкой, но вместе отслеживать функцию, а ошибку они будут давать одинаковую.

Также может помочь использование специальной интегральной схемы логарифмического усилителя или специальная разработка проекта с хорошим температурным коэффициентом. Это, однако, ведет к усложнению схемы и увеличению ее стоимости, но тогда пропадает привлекательная простота устройства и мы вынуждены обращаться к другим методам. Логариф- мический-антилогарифмический усилитель используется там, где допустимы ошибки порядка 2—8% и где окружающая температура не может изменяться в широком диапазоне. Единственное исключение составляет логарифмический-антилогарифмический усилитель, выполненный в виде функционального модуля, но он, к сожалению, дорого стоит.

Умножители с переменной проводимостью используют дифференциальную пару транзисторов так, как показано на рис. 3.9. Если эмиттерами транзисторов управляет общий источник изменяющегося тока, то усилитель будет иметь переменный коэффициент усиления. Если ток, управляющий эмиттерами, пропорционален Vyj то дифференциальное выходное напряжение определяется следующим образом:

Евых=局限%. (3.20)

Основная трудность при этом состоит в том, что транзисторы нужно тщательно подобрать так, чтобы они работали согласованно в широком диапазоне температур. При использовании отдельных транзисторов такая цель почти недостижима, так как физически компоненты отделены друг от друга и у каждого транзистора свои тепловые условия. При интегральном исполнении транзисторы построены на общей подложке, в связи с

忆С о

Рис. 3.9. Основная схема умножителя с переменной проводимостью.

этим температурная согласованность почти идеальна. Исходная степень согласованности транзисторов также очень высока, а различия легко устраняются с помощью внешних компонентов. Умножитель с переменной проводимостью лежит в основе многих аналоговых умножителей в интегральном исполнении и является по крайней мере одним примером использования для умножения интегральной схемы, не предназначенной для выполнения этой операции,——операционного усилителя со свойствами переменной проводимости. Умножители, которые изготовляет фирма Analog Devices, Inc., используют подобную систему, основанную на ячейке проводимости Гильберта, которую фирма начала применять в умножителях серии AD-500 в 1970 г.

Примеры интегральных умножителей

Фирмы-изготовители приводят в своих каталогах довольно внушительное число аналоговых умножителей, однако имеет смысл ограничиться рассмотрением тех из них, которые дают приемлемые характеристики и относительно недорого стоят. Если вам понадобится более качественное устройство, то представленная здесь информация будет также в общем полезна и вы обнаружите, что фирмы-изготовители предлагают в своих

каталогах различные модификации рассмотренных здесь кристаллов с более жесткими характеристиками. Действительно, характеристики многих семейств умножителей настолько похожи для различных классов одного семейства, что возникает уверенность в том, что различие определяется просто в процессе отбора. Вот почему более высококачественные интегральные схемы маркируются одним номером и стоят дороже, а менее качественные — другим и стоят дешевле. Просмотрите фирменные каталоги и паспортные данные для соответствующих номеров, и вы в этом убедитесь.

Знакомство с интегральными схемами аналогового умножителя начнем со схем типа МС1495/МС1595 фирмы Motorola Semiconductor Products, Inc. Два устройства с подобными номерами типов отличаются друг от друга лишь величиной температурного диапазона, в котором гарантируются их характеристики. Это справедливо для многих типов интегральных схем. Схема типа МС1495, например, работает в диапазоне температур от 0 до 70℃, а схема типа MCI595 — в диапазоне от —55 до +125 ℃. Конечно, последняя стоит дороже. Как видно на схеме, изображенной на рис. 3.10, выход умножителя с переменной проводимостью является дифференциальным выходом коллекторной пары; это справедливо и для устройств типа 1495/1595. В наших примерах мы используем операционный усилитель (У1), который работает как дифференциальный усилитель постоянного тока. Такой усилитель нужен для того, чтобы обеспечить смещение уровней и преобразование выхода к однополярному виду. Конечно, если умножитель используют для управления устройством или прибором, имеющим дифференциальный выход, то будет обеспечено подавление напряжения синфазной составляющей и тогда смещения уровней не потребуется.

Для получения различных масштабных коэффициентов умножитель можно регулировать путем изменения сопротивлений Ra, Rb, Rx и Ry, помимо изменения токов 厶 и /2. Масштабный коэффициент определяется следующим образом:

б=2&/厶凡&.(3.21)

Эти параметры ограничивают также максимальное значение входных напряжений Vx и Vy. Пределы определяются следующим образом:

"х (max) e(厶)(凡)，(3.22)

И

吃(max)<(Q(Rg)，(3.23)

где 0,5 mA^/i»/2^2,0 мА.

Пример расчета. Необходимо установить напряжение V^(max) равным +10 В и ток /2 равным 0,5 мА. Какое значение должно

м

Кг о

勿6

凡

9

4

8

10 кОм

3 кОм

4

5 KoM

3,4кОм

片％

100 кОм

Регулировка масштабного ' коэффициента (к)

Рис. 3.10 Схема, в которой использован умножитель МС1495.K=2^aff2^xRy

Рис. 3.11. Аналоговый умножитель на основе операционного усилителя с переменной проводимостью фирмы RCA.

Усс=+6 В пост, тока; Уге=—6 В пост. тока.

иметь сопротивление R#? Понятно, что эта задача на закон Ома, поэтому выразим значение тока 厶 в амперах:，2=0,0005А,

% = jOQBR,0005 A = 20 000 0м= 20 кОм. 3.24

На практике, однако, принято устанавливать 厶=厶=1 мА и Rx=R,= 10 кОм или R%=Ry=15 кОм, если желательно иметь запас на случай ошибки. В качестве резисторов R1R2 используются регулировочные потенциометры. Теоретически они должны сводить ошибки X к У к нулю, но правильней сказать, что они делают эти ошибки пренебрежимо малыми.

Фирма RCA выпускает недорогое устройство, подобное операционному усилителю, которое называется операционным усилителем с переменнной проводимостью (ОУПП). Это устройство очень похоже на операционный усилитель, за исключением того, что передаточная функция этого устройства связывает изменения выходного тока с изменениями входного напряжения; поэтому мы на полном основании называем этот усилитель усилителем с переменной проводимостью.

Операционный усилитель с переменной проводимостью имеет вывод, с помощью которого можно задать ток смещения усилителя таким образом, что ОУПП будет работать как четырех-

О

о

0—0

О—о

О-|

о

О-"

о-1

0-1

о~о

о--о

:г

о~1

О

V三-15В

VS5B

330 кОм

V-45B

лЖ

680\ \22к0м

V*=15B

L15B、

V* =15В

50KoM Уст. нуля

вых, к

-Свободен

5^^50п0м

Балансиров - ка У

Балжировка ¥

50 KoM『口5В

V』5B 680 WkOm кОм

少三一乃3

Земля

Свобо-ден

о

0-1

о

О-«'

регулировка коэффициента

R

о

О

О-*

о~о

о~о

Ш74/Т-

4r TZ?%，Р

СА309Ю

V%75B

叶

о~о

О~~О'

о

о

о

2

D

IN54

2

6

V =~15В

50 кОм Регулировка линейности

Рис. 3.12. Четырехквадрантный аналоговый умножитель/делитель, использующий схему типа СА3091 фирмы RCA (с разрешения фирмы RCA).

ПРОЦЕДУРА НАСТРОЙКИ ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТНОГО УМНОЖИТЕЛЯ ТИПА CA3091D ПО ПЕРЕМЕННОМУ ТОКУ

Средство регулировки

Контрольно-измерительный прибор

Шаг №

с 1 аминичные напряжения, В

Измеряемая величина

Примечания

1

2

3

4

5

6

8

0

0

у

max

0

"cP

V у max

'max

0

0

Vcp

Балансировка X

Регулировка линейности

Балансировка У

Установка нуля 映

Вольтметр для сигналов перем. тока

То же

Вольтметр

Вольтметрдлясигналов

пост, тока

Вольтметрдлясигналов

пост ./перем, тока

Voy %у

夕У оу

'оу

Установите все потенциометры в среднее положение Показание вольтметра должно быть минимальным

То же

Повторите шаги 1 и 2 с тем, чтобы добиться устойчивых показаний

Показание вольтметра должно быть минимальным

Выходное напряжение должно быть нулевым

Отрегулируйте R^ так, чтобы напряжение на выходе было равно Уср2/Ю Проверте настройку во всех четырех квадрантах

"max — максимальное изменение амплитуды синусоидального сигнала, поданного на умножитель. Номинальное значение максимума для синусоидального сигнала переменного тока составляет 20 В от пика до пика при условии, что сопротивление входных резисторов равно 50 кОм.

^ср 一 напряжение переменного или постоянного тока, которое приблизительно удовлетворяет уравнению Vcp= Vmax/ ^p^S. Например, если прн напряжении на входе, равном 7 В, используется резистор, имеющий сопротивление 50 кОм, то R左 следует отрегулировать так, чтобы напряжение на выходе составляло 4,9 В.

ПРОЦЕДУРА HACTPOFfKH ДЕЛИТЕЛЯ

Шаг №

Установочные напряжения, В 力1 %

Измеряемая величина

Вид выходного сигнала

Контрольно-из- мер. прибор

Средство регулировки

Примечания

1

2

3

4

5

ОО

0

0

у уст

5 Выпоет.

тока

уст

10 В пост, тока

уст

5 Выпоет, тока

忆

%У

%У

Сигналперем,

тока

Сигнал пост, тока

Сигналперем,

тока Сигнал пост, тока

Вольтметр для сигналов перем, тока , Вольтметрдля

сигналовпост,

тока Вольтметрдля

сигналовперем,

тока Вольтметрдля

сигналовпост.

Установка нуля

Балансировка X

Балансировка У

Регулировка К

Установите все потенциометры в среднее положение

Показание вольтметра должно быть минимальным

Напряжение иа выходе должно составлять 0 В

Показание вольтметра должно быть минимальным

Напряжение на выходе должно составлять 10 В

квадратный аналоговый умножитель. Он будет воспринимать значения Vx ^ Vy в пределах ±10 В. Пример интегральной схемы ОУПП типа СА3080 фирмы RCA с конфигурацией умножителя показан на рис. 3.11.

Процедура настройки умножителя

Установите среднее значение сопротивления R%

Заземлите точки Л и В.

Отрегулируйте Кб так, чтобы напряжение в точке С составляло 0 В.

Заземлите точку В и подайте синусоидальный сигнал в точку Л (несколько вольт двойной амплитуды).

Отрегулируйте R? так, чтобы напряжение в точке С составляло 0 В.

Заземлите точку Л и подайте то же синусоидальное напряжение в точку В.

Отрегулируйте R9 так, чтобы напряжение на выходе составляло 0 В.

Эта процедура имеет интерактивный характер, поэтому для получения оптимальной рабочей характеристики умножителя процедуру следует повторить несколько раз.

Еще одна схема умножителя фирмы RCA, разработанная специально для выполнения операции умножения, показана на рис. 3.12. Она использует ИС типа CA3091D. Соединения этого устройства выполнены таким образом, что допускается возможность легкого перепрограммирования схемы для разнообразных функций, для которых требуется операция умножения. Схема типа CA3091D представляет собой еще один пример умножителя с переменной проводимостью. Эти схемы работают подобно управляющему усилителю, в котором один переменный вход управляет коэффициентом усиления дифференциальной пары транзисторов. Для того чтобы это лучше понять, следует вернуться к рис. 3.9. Источник тока устанавливает значение коэффициента усиления схемы, а напряжение Vy изменяет это зна、 чение.

Схема AD533 фирмы Analog Devices

На рис. 3.13 показана структурная схема недорогого умножителя типа AD533 фирмы Analog Devices, Inc. Конфигурация схемы для умножения приведена на рис. 3.13,6. Процедура настройки схемы AD533 выполняется следующим образом:

Заземлите входы X и У.

Отрегулируйте Rz так, чтобы напряжение на выходе составляло 0 В.

Заземлите вход X и подайте на вход У сигнал, имеющий напряжение 20 В от пика до пика и частоту 50 Гц,

Евых

3eM〃fr

空空嗅嗅2 KoM нуль-Х2 KoM нуль-Х20KoM нуль-Y 4ZZJ—20KoM нуль-Y 4ZZJ—^х(±ЮВтах)^х(±ЮВтах)MFMF%%4%%4СхемаAD533СхемаAD53320KoM20KoMЗемляЗемляОгОг

空

空

嗅

嗅

2 KoM нуль-Х

2 KoM нуль-Х

20KoM нуль-Y 4ZZJ—

20KoM нуль-Y 4ZZJ—

^х(±ЮВтах)

^х(±ЮВтах)

MF

MF

%%4

%%4

Схема

AD533

Схема

AD533

20KoM

20KoM

Земля

Земля

Ог

Ог

\SkOm ! коэффициент усиления\SkOm ! коэффициент усиленияО Е式± WB mgО Е式± WB mg

\SkOm ! коэффициент усиления

\SkOm ! коэффициент усиления

О Е式± WB mg

О Е式± WB mg

75 Коm

ана-ана-Рис. 3.13, Функциональная схема и схема соединений для интегрального логового умножителя типа AD533 фиРмы Analog Devices.

ана-

ана-

Номера выводов, используемых в качестве выходов, зависят от типа корпуса. £вых=1/10ХУ, —lOvXv屮 10 1 диапазон изменения входного напряжения;

Vcc = + 15 В пост, тока, Уее = —15 В пост. тока.

Отрегулируйте Rx так, чтобы выходное напряжение было минимальным.

Заземлите вход У и подайте на вход X сигнал, имеющий напряжение 20 В от пика до пика и частоту 50 Гц.

Отрегулируйте Ry так, чтобы выходное напряжение было минимальным.

Еще раз отрегулируйте Rz так, чтобы напряжение на выходе составляло 0 В.

Установите Vx= 4-10 В и подайте на вход У сигнал, имеющей напряжение 20 В от пика до пика и частоту 50 Гц. Отрегулируйте потенциометр коэффициента усиления так, ЧТОбЫ £'вых== у*

В одной из следующих глав мы рассмотрим, где еще применяют умножители, и убедимся в том, что название этой схемы не отражает ее широкие возможности.

Компараторы

Как-то один из специалистов в области электроники назвал компаратор усилителем с чересчур большим коэффициентом усиления, и, пожалуй, это лучшее из определений, которые я слышал до сегодняшнего дня. Компараторы — это в большинстве своем операционные усилители, из цепи обратной связи которых удалили резисторы. Это означает, что коэффициент усиления схемы в значительной степени определяется коэффициентом усиления по напряжению при разомкнутой цепи обратной связи операционного усилителя. В большинстве интегральных операционных усилителей коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи обычно имеет значение не менее 20 000, а может и превышать 1 000 000. Даже скромное семейство устройств серии 741 надежно обеспечивает типовое значение коэффициента усиления в диапазоне от 50 000 до 100000. В результате почти всякий сигнал, поданный на входы, вызывает насыщение выхода. В большинстве линейных схем это свойство было бы определенно отрицательным, но в схемах компараторов оно позволяет нам сказать, соответствуют ли два напряжения друг другу. ,

Рассмотрим рис. 3.14. Усилитель У\—это операционный усилитель с высоким значением коэффициейта усиления по напряжению при разомкнутой цепи обратной связи. Когда Ei=E2, дифференциальное напряжение, поданнре на У1, равно нулю. Предположим, что без обратной связи коэффициент усиления по напряжению усилителя У： равен 100 000. Если отрицательное и положительное напряжения насыщения для этого устройства составляют 10 В (это связано с тем, что напряжения Усс и Vee равны каждое 12 В), то насыщение вызывает сигнал, не пре-

Рис. 3.14. Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи операционного усилителя имеет высокое значение.

вышаюший следующего значения:

£вх = Ем1А 叩=ЮВ/100 000 = 0,0001 В. (3.25)

Иными словами, как только дифференциальное напряжение (Ei—£2) достигает 100 мкВ, операционный усилитель входит в режим насыщения. Однако напряжения гораздо более низкой амплитуды могут вызвать появление значительного выходного сигнала, который без труда будет воспринят. Например, в рассмотренной нами выше ситуации сигнал с напряжением 10 мкВ приводит к появлению на выходе достаточно большого напряжения, равного 1 В, которое воспринимается как признак того, что напряжения Ei и £2 больше не равны между собой. Итак, для всех практических случаев компаратор на основе операционного усилителя обнаруживает неравенство двух напряжений, поданных на два его входа.

Если приложены такие напряжения, что 自 меньше £2, то это эквивалентно тому, что на инвертирующий вход подано отрицательное напряжение и на выходе будет действовать высокий положительный уровень (в нашем примере +10 В). С другой стороны, если напряжение £\ больше, чем напряжение 应2, то операционный усилитель срабатывает так, как если бы к инвертирующему входу было приложено положительное напряжение; при этом на выходе появляется отрицательный уровень. Это позволяет нам не только судить о равенстве двух входных потенциалов, но и делать вывод о том, какой из них больше. Хотя для схем такого типа часто используются операционные усилители, многде конструкторы все же предпочитают пользоваться готовыми интегральными схемами компараторов, такими, как LM311 и LM389.

LM311——это единственный компаратор, который производят почти все фирмы, занимающиеся изготовлением полупроводниковых приборов общего назначения (а не специализированных), Эта схема может поставляться в 14-выводном корпусе с двух-

Рис. 3.15. Операционный усилитель с разомкнутой цепью обратной связи как амплитудный компаратор.

рядным расположением выводов, в 8-выводном миниатюрном корпусе с двухрядным расположением выводов и в 8-выводном плоском металлическом корпусе. Для большинства практических случаев автор рекомендует миниатюрный корпус с двухрядным расположением выводов — с ним гораздо легче работать, и он занимает на плате меньше места, чем разнообразные 14-выводные корпуса.

LM339 — это четыре компаратора в одном 14-выводном корпусе с двухрядным расположением выводов. Четыре независимых компаратора объединены общей тино访 питания и имеют одни и те же выводы земли.

В интегральных компараторах LM311 и LM339 высокий уровень на выходе сохраняется все то время, пока Е^<.Е2. Эту ИС можно использовать по-разному, но обычно на один вход подают эталонное напряжение или заземляют. Эталонное напряжение (включая и потенциал земли) можно установить вручную, а можно связать с как。访-нибудь схемой. На другой вход подается переменное напряжение с аналогового входа. В примере, показанном на рис. 3.15, на выходе компаратора сигнал присутствует все то время, пока Усигн^ V0T. Такая схема может пригодиться во многих практических случаях, поэтому она пользуется большой популярностью.

Например, в одном медицинском приборе, предназначенном для подачи сигнала тревоги (схему разработал Мак-Каллау), напряжение 7Сигн представляет собо访 электрический выход датчика дыхания. Ничего не происходит до тех пор, пока напряжение Ьснгн имеет достаточную амплитуду для генерирования выходных импульсов компаратора, которые используются для сброса сигнала тревоги. Если, однако, напряжение Кигн 'перестанет действовать или уменьшится л о амплитуде, на выходе компаратора перестанут появляться импульсы, и, когда истечет время ожидания сброса тревоги, включится звуковой сигнал. Еще один пример использования компаратора вы найдете в главе, посвященной аналого-цифровым преобразователям. Там

напряжение УСнгн представляет собой линейно нарастающую функцию, а Евых используется для того, чтобы остановить внутренний генератор тактовых импульсов АЦП.

Модули специальных функций

Некоторые компании предлагают покупателям модули специальных функций, предназначенные для выполнения некоторой вполне определенной функции аналоговой схемы. Эти модули состоят из операционных усилителей, дискретных компонентов и интегральных схем. Обычно они бывают скомпонованы в виде черных эпоксидных или керамических блоков с минимальным количеством внешних выводов. Пользоваться этими модулями несложно, и, как правило, их следует рассматривать как законченные компоненты, а не как схемы.

Вообще говоря, модули специальных функций весьма дороги, но высокая стоимость экономически оправдывается удобством их использования и точностью характеристик. В одной 駐3 глав мы подробно рассмотрим некоторые из них.

Глава 4

ТРАНЗИСТОРЫ: ДЛЯ ТЕХ,

КТО ПРОСТО НЕ МОЖЕТ БЕЗ НИХ ОБОЙТИСЬ

Если сегодня кто-нибудь заявит, что транзисторы произвели революцию в современной электронике, такого мудреца заставят замолчать — эта тема уже никого не волнует. Действительно, электроника начала развиваться только после того, как появился транзистор, такое утверждение вполне справедливо. Но сейчас появились интегральные схемы, объединяющие в себе транзисторы и другие компоненты и предоставляющие массу удобств в использовании. Транзисторы отошли на второй план. Нет необходимости собирать схему из транзисторов, если есть готовая интегральная схема, которая может выполнить такую же работу. С большинством интегральных операционных усилителей, например, работать легче, чем с операционным усилителем, собранным из транзисторов. Среди моих читателей наверняка найдутся такие, чье чувство справедливости жестоко пострадало бы, вздумай я не написать о транзисторах. Поэтому, скрепя сердце, я приступаю к этой главе, где берусь сообщить вам некоторые практические сведения о транзисторах.

Замечу сразу, что некоторые уравнения, которые я собираюсь привести в этой главе, представляют собой не точные, а приближенные выражения. Не расстраивайтесь, если информация покажется вам неполной,——ведь для большинства случаев приведенные приближения вполне пригодны.

Элементарная теория полупроводников

Для начала поговорим немного об элементарной теории полупроводников. Полупроводниками являются четырехвалентные элементы, расположенные в середине периодической таблицы элементов. Их нельзя назвать ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами. Видное место в транзисторной технике занимают кремний и германий, но в последние годы, пожалуй, предпочтение стали отдавать кремнию.

Для того чтобы полупроводниковый элемент был пригоден для получения твердотельного электронного устройства, к нему необходимо добавить примесь. Существует два типа полупро-

водников, изготовленных из Ge или Si, которые отличаются друг от друга главным образом типом проводимости, обусловленным примесями. В полупроводниках одного типа, называемых полупроводниками n-типа ток переносят отрицательно заряженные частицы, а в полупроводниках другого, p-типа, — положительно заряженные частицы.

:㊂：④：④：

Ядро

:①：/:①：

Электроны

а

①：④：①：

©

Четырехвалентный атом полупроводника

6"

Пятиеалентньш атом

Примеси

@

Лишнии электрон

:④：

' Недостающий

• •• •. • электрон

:© :

Рис. 4 1. Ковалентные связи в кристалле полупроводника (а); результат введе^ния пятивалентной примеси (6); результат введения трехвалентной приме-си (8).

Полупроводники n-типа получают путем добавления примеси, обладающей способностью отдавать свободные электроны кристаллической решетке чистого полупроводника.

Как показано на рис. 4.1, а, кристаллическая решетка образована четырехвалентными атомами полупроводника, связанными между собой ковалентными связями. Для того чтобы получить свободный электрон, необходимый полупроводнику п- типа, введем небольшое количество пятивалентной примеси (рис. 4Л,б). В качестве примеси можно взять, например, сурьму. Примеси требуется очень немного ——порядка одной части на 100 000 000 частей полупроводника.

Атомы 'примеси также образуют ковалентные связи с четырехвалентными атомами кристаллической решетки. При этом, однако, на каждый атом примеси высвобождается один электрон, и если к кристаллу приложить некоторое напряжение, то возникнет электрический юк.

Запомните: в полупроводнике п-типа ток создается движением электронов.

Довольно просто мысленно представить себе, что такое ток в кристалле полупроводника n-типа, зато с проводимостью р・ типа у многих студентов возникают затруднения. Я подозреваю, что причина непонимания кроется в том, что некоторые авторы имеют склонность запутывать предмет больше, чем следует.

В силу некоторых (причин проводимость p-типа называется дырочной. Дырка — это место в кристаллической решетке, где должен бы находиться электрон, но где его нет,——коротко и ясно. Графическое толкование этого явления дано на рис. 4.1,6. Трехвалентный атом примеси (например, галлия) образует ковалентные связи с четырехвалентными атомами полупроводника. Когда трехвалентный атом занимает свое место в правильной структуре решетки, по соседству с ним оказывается четырехвалентный атом, который не может образовать связь. Это

объясняется тем, что другие атомы полупроводника уже образовали связи со всеми тремя электронами атома примеси. То место, где должен бы находиться электрон, если бы валентность примеси также была равна четырем, и есть дырка.

Как же дырка может переносить электрический ток? В конце концов, это всего лишь место! Я думаю, что вы никогда не зададите такого вопроса ——дырки на самом деле не переносят ток, создается просто впечатление такого тока: время от времени дырку заполняет электрон, но при этом где-то в другом месте снова образуется дырка.

Обратимся к рис. 4.2. Допустим, вначале дырку имел атом Л. Под действием приложенного электрического поля (например, напряжения) высвобождается электрон у атома В. Электрическое поле заставляет электрон перемещаться по направлению к точке, где его может захватить атом А. При этом дырка у атома Л заполнится, но возникнет новая у атома В.

Хотя на самом деле перемещался электрон, возникло впечатление, что от Л к В переместилась дырка. Дырки можно рассматривать как положительно заряженные частицы, имеющие такие же размеры, как электроны. Это не более чем простое соглашение, но в большинстве случаев им удобно пользоваться, поэтому рекомендую вам его принять.

р—п-переходы

Если взять полупроводник p-типа и полупроводник «-типа и соединить их друг с другом, то получим диод. Простейший пример диода приведен на рис. 4.3. Не подумайте, пожалуйста.

Обедненная зона

+ + + ++ ++ ++ +N二三一+ + + ++ ++ ++ +N二三一

+ + + +

+ +

+ +

+ +

N二三一

+ + + +

+ +

+ +

+ +

N二三一

Рис, 4.3. /ь^п-переход, смещенный в обратном направлении (а)； р—п-переход>смещенный в прямом направлении (6).

что изготовители полупроводниковых приборов на самом деле, задумав сделать диод, берут два куска полупроводникового материала, p-типа и n-типа, и, недолго думая, лепят один на другой. Правда, история говорит нам, что изобретатели транзисторов вынуждены были действовать примерно так!

Если батарея подключена так, как показано на рис. 4.3, а, то со стороны n-области будет находиться вывод (+), а со ■стороны p-области — вывод (——).Отрицательные заряды полупроводника n-типа устремляются к положительному выводу батареи, а положительные заряды (т. е. дырки)——к отрицательному выводу. При этом в области р——n-перехода образуется широкая зона, где нет носителей тока. Она называется обедненной зоной. Ток через переход обычно создают электроны и дырки, которые соединяются и нейтрализуют друг друга. Если обедненная зона становится широкой, этот процесс прекращается, а значит прекращается и ток через переход. Говорят, что такой р——n-переход смещен в обратном направлении.

На рис. 4.3,6 показан р——n-переход, смещенный в прямом направлении. В этом случае отрицательный вывод батареи подключен к полупроводнику n-типа, а положительный ——к полупроводнику р-типа.

Здесь выводы батареи отталкивают соответствующие заряды, и они накапливаются в области перехода. Мы видим, что ток через переход значительно возрастает, так как во взаимодействие приходит большое количество электронов и дырок. Батарея инжектирует в область n-типа новые электроны, а' другой ее вывод создает новые дырки.

Элементарный транзистор

На рис. 4.4 показаны условные обозначения двух основных типов транзисторов: п—р—и и р—п——р. Оба типа состоят из двух р——n-переходов. На рис. 4.4, а мы видим п——р——и-транзи- стор, который состоит из p-области, заключенной между двумя n-областями. р—п——р-Транзистор, как раз наоборот, состоит из n-области, заключенной между двумя p-областями. Эти транзисторы в основном одинаковы, за исключением того, что источники питания у них включаются наоборот.

Отметим, что полярность источников питания для этих двух типов транзисторов противоположна. Это прямо вытекает из противоположного характера двух соответствующих типов. В п—р—«-транзисторе коллектор положителен как относительно базы, так и относительно эмиттера, а база имеет небольшой положительный потенциал относительно эмиттера.

В транзисторе р—п—p-типа, изображенном на рис. 4.4,6, коллектор более отрицателен, чем база и эмиттер, а база имеет немного более отрицательный потенциал, чем эмиттер.

п~р~п транзистора

T力^——

Коллектор База Эмиттер

6

N

Условное обозначение 、р-П"р тран- заамора В

Рис. 4.4. Способы получения нужных смещений для транзисторов п—р^п-ти-па (а) и р—п—р-типа (6).

Указанные соотношения потенциалов справедливы для тех случаев, когда транзисторы работают в обычном режиме, как усилители. Однако эти соотношения будут другими, если транзистор используется в качестве переключателя или с какой-либо специальной целью.

Транзисторные усилители

Усиление можно определить как процесс, при котором небольшой ток или напряжение управляет большим током или напряжением. В идеальном случае на выходе будет получен сигнал, воспроизводящий форму меньшего сигнала, но превосходящий его *по амплитуде.

(4.1)(4.1)(4.2)(4.2)(4⑶(4⑶

(4.1)

(4.1)

(4.2)

(4.2)

(4⑶

(4⑶

Авторы большинства учебников не задумываясь называют транзисторы усилителями тока. Это определение не назовешь удачным, потому что у человека задерживается мысль об усилении по току, а об усилении по напряжению он просто забивает. В транзисторе можно сделать такие соединения, что он будет давать как усиление по току, так и существенное усиление по напряжению.

Переход база ——эмиттер управляет током в цепи, состоящей из коллектора и эмиттера. Так как ток в цепи базы составляет всего 2—5% тока в цепи коллектор — эмиттер, то можно сказать, что транзистор усиливает ток базы.

Для любого типа усилительного устройства мерой усиления служит коэффициент усиления. В простейшем случае коэффици^

ент усиления можно определить как отношение выхода ко входу. Тогда коэффициент усиления по напряжению определяется

так:

4 = Ев^х/Евх，

а коэффициент усиления по току так:

4 H /внх〃ВХ'

Перейдем, однако, к более конкретным понятиям и определим усиление для транзисторов. Обычно определяют два коэффициента усиления транзистора: а и

Рассмотрим рис. 4.5. На нем изображен простой транзисторный усилитель, в котором обозначены соответствующие токи базы, эмиттера и коллектора. Запомним, что ток /$ примерно равен 0,05 /э, а /к = 0,95 /э. Согласно закону Кирхгофа,

(=4十/灯

Коэффициент усиления а определяется как отношение тока коллектора к току эмиттера и, согласно уравнению (4.3), всегда будет меньше единицы. Математическое выражение для а имеет следующий вид：

(4・4>(4・4>а = /к/厶.

(4・4>

(4・4>

Коэффициент а всегда меньше единицы, а для нашего призера, в котором /к = 0,95 /?, коэффициент а равен 0,95:

а = /к//э = 0,95/э//э — 0,95.(4.5)

Пример. В п—р——n-транзисторе ток эмиттера равен 25 мА, а ток коллектора равен 23 мА. Чему равен коэффициент усиления а?

а = /к//э = 23/25 = 0,92.(4.6)

Коэффициент усиления В, с которым обычно оперируют при различных расчетах, определяется следующим образом:

Е = 4〃6・(4.7)

Коэффициент В всегда больше единицы, и поэтому им любят пользоваться. А то, что же это за коэффициент усиления, если он, как а, меньше единицы? Коэффициент 0 обозначают также /г『з, и этим обозначением мы будем пользоваться.

Пример. В п——р——n-транзисторе в цепи коллектора протекает ток величиной 25 мА и 100 мкА-—в цепи базы. Определите коэффициент Л/э.

Ч = 4/^б = °^025А/0,0001 А = 250.(4.8)

Закон Кирхгофа по-прежнему справедлив, и мы можем определить соотношение между коэффициентами аир：

« = ₽/(!+₽)•(4.9)

или

Е = а/(1 — а).(4.10)

Примеры. Определите й/э, если известно, что /к = 49 мА, а /э = 50 мА. Сначала определим коэффициент а, а затем подставим его в формулу (4.10):

а = 49/50 = 0,98,(4.11)

%з = 0,98/(1 —0,98) = 49.(4.12)

Чему равен коэффициент а, если коэффициент 0 транзистора равен 250?

а = 250/(14-250) = 0,996.(4.13)

Усиление по напряжению в транзисторах

По сути своей транзистор является усилителем тока, так как небольшой по величине ток базы управляет значительно большим током коллектора. Однако транзистор можно также использовать и в качестве усилителя напряжения. Пример схемы, которая обеспечивает усиление по напряжению, показан на рис. 4.6. Допустим, что Ввых равно Усс/2, а Вь входной сиг-

Рис. 4.6. Усиление по напряжению в схеме с общим эмиттером.

нал, равен нулю. Теперь примем, что сигнал Д является синусоидальным, как показано на рисунке.

При увеличении напряжения Д ток коллектора возрастает. Увеличивается падение напряжения на резисторе R* Но напряжение Vcc является постоянным, поэтому, согласно закону Кирхгофа для напряжений, Усс'^+^вых. В связи с этим уменьшение £ВЫх должно сопровождаться увеличением £2. Напряжение Евнх имеет минимальное значение, когда напряжение Bi максимально.

Аналогично, когда напряжение Bi изменяется в отрицательном направлении, коллекторный ток транзистора уменьшается. При этом уменьшается падение напряжения на Rk и увеличивается напряжение ^вых-

Значение ^вых колеблется относительно Vcc/2 в пределах от О В при максимальном токе коллектора до Кс при токе коллектора, равном нулю.

Смещение

В применяемых на практике транзисторных схемах для подачи напряжения на коллектор и базу батареи не используют. Это непрактично, и поэтому чаще всего можно встретить один источник питания, значение напряжения которого лежит в пределах 88

Phc 4.7. Простое смещение (а); смещение через коллекторную цепь (6); смещение с помощью делителя напряжения (в).

от 1,5 до 28 В. Наиболее распространены значения 12 и 28В. Такие предельные значения просто общеприняты, и конечно, вы можете встретить транзисторные схемы, в которых потенциалы будут выше или ниже, чем указанные здесь пределы.

На рис. 4.7 показаны три метода смещения перехода база —— эмиттер за счет одного источника питания VCc и резисторов. В каждом из примеров через & обозначена нагрузка в цепи коллектора, через Кб — резистор в цепи базы и через R^ — резистор в цепи эмиттера. Приведенные формулы дают хорошие приближения только в диапазоне частот до 100 кГц и ниже. На более высоких частотах точность несколько ухудшается, точнее ухудшается сильно.

Схема на рис. 4.7,а представляет собой пример простого метода задания смещения с помощью резистора, при котором резистор смещения базы подключается непосредственно к источнику питания VCc (+). Выходное сопротивление приблизительно равно сопротивлению резистора в коллекторной цепи Rk при условии что сопротивление источника питания не превышает Vio сопротивления Rk на самой низкой рабочей частоте.

Входное сопротивление может быть достаточно высоким, порядка произведения коэффициента усиления 0 на сопротивление резистора в цепи эмиттера, т. е.

Zbx = &% (4・14)

В схеме этого типа усиление можно определять по двум величинам——по напряжению и току. Коэффициент усиления по току— это просто коэффициент р, который в технических условиях

на транзистор обозначается обычно как 场扣.С другой стороны,, коэффициент усиления по напряжению определяется следующим образом:

Av — RJifjR》 (4.15>

Во всех примерах наличие резистора в цепи эмиттера Rm необязательно, но его присутствие позволяет увеличить температурную стабильность схем. К сожалению, этот резистор также понижает коэффициент усиления. Конструкторы должны выбирать такое сопротивление R3, которое могло бы быть компромиссом между требованиями температурной стабильности и усиления. Обратите внимание, что R3 входит в знаменатель уравнения (4.15), значит коэффициент усиления будет тем меньше, чем больше сопротивление R3. Обычно R3 имеет сопротивление в пределах между 50 Ом и 5 кОм, но при любом значении должно выполняться условие:

备 譬. (4.16>

Очень распространено значение &/10, кг тому же его легко подсчитать в уме.

Значение сопротивления Rk вычисляется таким образом, чтобы обеспечивалось нужное напряжение на коллекторе и то(к коллектора нужной величины. Обычно для большинства усилителей напряжение между коллектором и землей устанавливают приблизительно равным 匕с/2.

Для тока коллектора можно выбрать любое удобное значение, и не обязательно максимальное. Следует принимать во внимание не только максимальный ток коллектора, указанный в технических условиях, но и мощность, которую рассеивает кол- летор (Рр). В общем

4 (max) ^кэ (max) = % (max)• (4.17)

Максимально допустимый ток коллектора может быть меньше указанного в технических условиях, так как произведение максимально допустимого напряжения на максимальный ток коллектора часто больше, чем максимальная рассеиваемая мощность. Максимально допустимый ток коллектора, который мы обозначим через /'к, определяется следующим образом:

т , Рр (шах)

“ кэ (max)

где Рр ——максимальная мощность рассеяния коллектора, Вт; VK3 ——максимально допустимый потенциал коллектора; 7% —— максимально допустимый ток коллектора.

Сопротивление резистора в цепи базы определяется величиной требуемого тока базы. Проще всего определить величину 90

этого тока с помощью следующего приближенного выражения: /б = /к/Ч-(4-19)

Коэффициент hf3 определяется в технических условиях на используемый транзистор. Мы сначала определим ток коллектора, а зная его, вычислим падение напряжения на сопротивлении эмиттера:

% = ЛЛ・(4.20)

Падение напряжения на Кб приблизительно равно

匕L(匕 з + 匕).(4.21)

Величина Убз составляет около 0,6 В для кремниевых транзисторов и 0,2В для германиевых. Тогда по закону Ома сопротивление резистора в цепи базы определяется следующим выражением:

欠6 =卩8+ &)].(4.22)

Подставляя выражения (4.19) и (4.20) в (4.22), получим

(4.23)(4.24)(4.23)(4.24)Р — \Усс—(^бэ + ^к^э)]

(4.23)

(4.24)

(4.23)

(4.24)

П 九后 WCC 一 "69 + /求9)]

此= F

Хочу подчеркнуть, что эти выражения являются приблизительными. Если провести аналогию с баскетболом, они позволяют попасть в щит, но необязательно в сетку. Следует собрать схему на макете или на прототипе шасси и отрегулировать величины так, чтобы результаты стали ближе к нужным.

Схема на рис. 4.7,6 представляет собой вариант схемы на рис. 4.7, а, но здесь резистор базы подключен к коллектору, а не к источнику питания 14c. Параметры этой схемы в основном такие же, как и у схемы на рис.4.7, а, но говорят, что в результате другого подключения резистора базы стабильность этой схемы выше. Имейте в виду, что величину Vcc в уравнении (4.24) следует заменить более низким потенциалом той точки коллектора, к которой подключается резистор RK. Этот потенциал равен (Усс—/кКз) ■

В схеме, показанной на рис. 4.7,8 обеспечивается, наверное, самая высокая температурная стабильность, правда за счет некоторого уменьщения входного сопротивления. Для этой схемы

Zbx = R62(R%J， (4.25)

в то время как выходной импеданс остается равным &・

Другими будут также соответствующие коэффициенты усиления по току и по напряжению:

4 = &/凡，(4.26)

4 = &/R・(4.27)

Типы усилителей

Существует три основных типа транзисторного усилителя: с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. Они показаны на рис. 4.8.

Для этих схем справедливы основные свойства, приведенные в табл. 4.1.

Таблица 4.1

ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯОСНОВНЫХ ТИПОВ СХЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Общий элемент

Относительный коэффициент усиления

по напряжению

по току

Эмиттер

Большой

Большой

Коллектор

<1

Большой

База

Большой

<1

Эти три схемы получили свое название по элементу транзистора, который является общим и для входной, и для выходной цепи. В схеме с общим эмиттером входной сигнал прикладывается между базой и эмиттеров, а выходной сигнал снимается между коллектором и эмиттером.

Аналогично в схеме с общим коллектором входной сигнал подается на переход база — коллектор, а выходной снимается на переходе эмиттер — коллектор. В схеме с общей базой входной сигнал подается на переход эмиттер — база, а выходной снимается с перехода коллектор — база.

Рис. 4.8. Стандартные схемы включения транзистора.

Полярность выходного сигнала в усилительном каскаде с общим эмиттером противоположна полярности входного сигнала. По мере того как входной сигнал становится более положительным, выходной становится более отрицательным. Это называют опрокидыванием фаз* говорят также, что выходной сигнал сдвинут по фазе на 180° относительно входного. Это ие так для схем с общим коллектором и с общей базой. В этих схемах выходной сигнал совпадает по фазе с входным.

Усилители переменного тока

Транзисторный усилитель переменного тока показан на рис. 4.9. В основном он не отличается от усилителей постоянного тока, обсужденных ранее, за исключением того, что в его схему дополнительно включены конденсаторы.

Конденсаторы С] и С2 предназначены для блокировки постоянной составляющей. Они предотвращают взаимное влияние токов базы и коллектора, а также внешнее влияние на эти токи.

Конденсатор С3 является шунтирующим. Он должен обеспечивать на выходе эмиттера потенциал земли по переменному току и поддерживать нужную величину смещения эмиттера по постоянному току. Благодаря этому увеличивается коэффициент усиления по переменном току и сохраняется стабильность по постоянному току, обеспечиваемая резистором в цепи эмиттерав

Частотная характеристика

Транзисторы работают не на любой частоте. В этом отношении они довольно ограничены, но, с другой стороны, они и не

——eЕвхРнс. 4.9. Использование конденсаторовК0схеме усилителя переменного тока.93——eЕвхРнс. 4.9. Использование конденсаторовК0схеме усилителя переменного тока.93

——e

Евх

Рнс. 4.9. Использование конденсаторов

К0

схеме усилителя переменного тока.

93

——e

Евх

Рнс. 4.9. Использование конденсаторов

К0

схеме усилителя переменного тока.

93

предназначены для того, чтобы реагировать и на сигналы постоянного тока, и на частоты оптического диапазона. Существует несколько способов определения частотной характеристики транзистора, и с ними нужно как следует разобраться, прежде чем применять устройство.

Два параметра частотной характеристики связаны с коэффициентами усиления транзистора а и 0. Это точки, в которых значения коэффициентов аир составляют 0,707 того значения, которое они имели при более низкой частоте, обычно при 1000 Гц. Однако чаще в качестве параметра частотной характеристики выступает произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, которое обозначается через Ft、Ft определяется как частота, на которой коэффициент усиления (九冷)уменьшается до единицы. Хотя Ft дает обоснованный и очень полезный метод определения диапазона применения любого интересующего нас транзистора, с ним может быть связана некоторая путаница. Возьмем, например, транзистор, у которого коэффициент усиления 6 равен 300, а произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания составляет 50 МГц. Создается впечатление, что транзистор можно использовать в нижней части диапазона УКВ. Но это неверно. Вспомните, что 50 МГц — это произведение коэффициента усиления на частоту. Это та частота, на которой коэффициент усиления равен единице. Представьте, что вы хотите использовать транзистор на частоте 1000 кГц. Чему будет равен коэффициент р? Он уменьшается до значения 九冷=50 МГц/1 МГц = 50,

что далеко от значения 300, которое можно было бы ожидать.

Транзисторы как переключатели

При определенных условиях биполярный транзистор (ft ―■ 夕——п или р—п—р) можно использовать как своего рода переключатель. На рис. 4.10 показано два способа реализации этой возможности.

На рис. 4.10, а показан электронный переключатель последовательного типа. Когда напряжение на базе равно нулю, транзистор заперт и, значит, на резисторе эмиттера 鼻 напряжение отсутствует. Хотя транзистор и не является переключателем в полном смысле слова, но он обеспечивает появление потенциала на выходе по команде от входного сигнала. Эта схема может пригодиться для случая, когда мощной нагрузкой должен управлять сигнал, который не может быть сильно нагружен. Потенциал, приложенный к базе, приводит транзистор Qi в режим насыщения, поэтому напряжение между коллектором и эмиттером (Укз) для включенного состояния транзистора будет небольшим. Однако было бы ошибкой считать, что напряжение VK5 ничтожно мало. В некоторых случаях оно и правда невелико, но зато в

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕМ

4

Рис 4.10. Транзисторный переключатель последовательного типа (а); шунтирующий переключатель на п——р—/г-транзисторе (6).

других (особенно для некоторых типов транзисторов) оно весьма значительно.

Другой тип переключателя показан на рис. 4.10,6. В 9ToM случае выход инвертирован: он имеет высокий уровень, когда уровень управляющего входа низкий, и низкий, когда уровень управляющего входа высокий. Этот тип переключателя на п—р—九-транзисторе может особенно пригодиться при стыковке некоторых старых цифровых электронных приборов с современными логическими ТТЛ- и КМОП-интегральньши схемами. Выходное напряжение схемы на рис. 4.10,6 равно Vcc при отключенном входе и близко к нулю (Укэ), когда вход включен. Если для напряжения Vcc установлено такое значение, которое подходит для современных логических схем (十5 В постоянного то-

ка для ТТЛ или определенное значение из диапазона между +4,5В и +15В для КМОП), то требования по входу будут удовлетворены. Входной потенциал может иметь любое значение, которое принято в качестве стандартного логического уровня, в том числе и отрицательное. В случае когда управляющее напряжение отрицательно, резистор базы необходимо подключить к Vcc. Когда будет приложено отрицательное управляющее напряжение, оно скомпенсирует положительное напряжение смещения и выключит транзистор. В схеме этого типа уровень на выходе будет низким, когда уровень на входе тоже низкий, и наоборот1. В случае отрицательного управляющего напряжения все происходит наоборот по сравнению со случаем, когда оно положительно. Транзисторы типа п——р——п и р——п——р принадлежат к классу так называемых биполярных транзисторов. Другой класс образуют полевые транзисторы, показанные на рис 4.11, а——г. Полевой транзистор, показанный и а рис 4 11,а, относится к полевым транзисторам с р——«-переходом

Существует два типа полевых транзисторов с р—«-переходом, различающихся по материалу канала. На рисунке показан полевой транзистор с 卩一«-переходом «-канального типа; имеется в виду, что для канала использован полупроводник п-типа. Другой материал, из которого изготовлен затвор, имеет проводимость p-типа. Условное обозначение n-канального полевого транзистора с 卩—«-переходом показано на рис. 4.11,6. Единственное различие в обозначении р-канального и «-канального транзисторов состоит в том, что у р-канального транзистора стрелка направлена наружу, р—«-Переход в полевом транзисторе с р—«-переходом обычно смещен в обратном направлении, поэтому в канале формируется обедненная зона. Ширина канала зависит от ширины обедненных зон вблизи областей затворов

Когда обратное смещение невелико, канал широкий, и в таком случае сопротивление между стоком и истоком мало. Однако по мере того как обратное смещение увеличивается, канал ■сужается и сопротивление между стоком и истоком становится очень большим (от 100 кОм до 1 МОм). В этом отношении полевой транзистор с р—«-переходом очень похож на пентод. Канал транзистора работает как электронный переменный резистор, сопротивление которого пропорционально напряжению обратного смещения, приложенному между затвором и истоком. Если выводы затвор — исток сместить в прямом направлении, возникнет большой ток, который запросто может вывести прибор из строя. Именно так ведет себя обычный р—«-переход, поэтому будьте осторожны!

Еще один тип полевого транзистора показан на рис. 4.11, в. Иногда его называют полевым транзистором с изолированным затвором, но чаще — полевым МОП-транзистором.

"Считается, что низкому уровню отрицательного управляющего напряжения соответствует высокий потенциал на входе и наоборот ——Прим, перев 96

Рис. 4.11. Структура полевого транзистора с р—л-переходом (а); условное обозначение полевого транзистора с р—n-переходом (ё); структура полевого МОП-транзистора, илн транзистора с изолированным затвором, н условное обозначение полевого МОП-транзистора с одним затвором (б); условное обозначение полевого МОП-транзистора с двумя затворами (г).

Полевой МОП-транзистор работает в одном из двух режимов: обогащения и обеднения1. Хотя некоторые МОП-транзисторы работают только в одном из этих режимов, есть и такие, ко-

D В отечественной литературе полевые МОП-транзисторы подразделяются соответственно на нормально открытые и нормально закрытые. — Прим, перев.

торые могут работать в любом, в зависимости от того, какое напряжение приложено к затвору — отрицательное или положительное.

У полевого МОП-транзистора нет настоящей области затвора. В качестве затвора выступает простой металлический омический контакт, присоединенный к изолирующему слою окисла. Он создает электростатическое поле в области подложки между областями стока и истока. Затвор представляет собой конденсатор и работает как конденсатор. Когда к затвору приложено положительное напряжение, канал обогащен электронами. Чем в большей степени открыт затвор, тем более обогащен канал. В режиме обеднения между стоком и истоком создается тонкий слой проводящего полупроводника. Если к затвору приложить отрицательное напряжение, то оно образует зону, обедненную носителями.

Когда напряжение на затворе в полевых МОП-транзисторах, которые работают в режиме обогащения — обеднения, равно нулю, величина тока имеет промежуточное значение между максимумом и нулем. Увеличение напряжения в положительном направлении вызывает включение прибора и переводит его в режим обогащения. Увеличение напряжения в отрицательном направлении вызовет расширение обедненной зоны, а в связи с этим возрастает сопротивление канала и уменьшается канальный ток.

С полевым транзистором с р——«-переходом можно работать, как с любым другим полупроводниковым устройством, а полевой МОП-транзистор обладает большей чувствительностью. Изолирующий слой окисла металла между электродом затвора и под- ложкой/каналом имеет очень небольшую толщину. Напряжение пробоя обычно не превышает 100 В, а статический заряд, который может накопиться на вашем теле, как правило, гораздо больше. В результате иногда достаточно просто прикоснуться к полевому МОП-транзистору, чтобы повредить его! Вспомните гл. 2, где мы обсуждали эту проблему в связи с КМОП-инте- гральньши схемами. С полевым МОП-транзистором нужно обращаться точно так же.

В некоторых полевых МОП-транзисторах используются диоды Зенера, размещающиеся в одном корпусе с транзистором. Они предназначены для шунтирования избыточного напряжения, возникающего в области легко разрушимого изолятора затвора. Примером такого транзистора является транзистор типа 40673 фирмы RCA. Этот полевой МОП-транзистор имеет два затвора (рис. 4.11,г), а с каждым затвором связаны два диода Зенера, предназначенные для защиты от шального заряда статического электричества. Диоды включены в противоположном направлении и связаны друг с другом анодами.

На рис. 4.12 показано, как полевой транзистор с р——«-переходом (а заодно и полевой МОП-транзистор) можно использовать

33Рис. 4.12. Типичная усилительная схема с использованием полевого транзистора с р—и-переходом.Рис. 4.12. Типичная усилительная схема с использованием полевого транзистора с р—и-переходом.в качестве усилителя. Резистор истока косвенно создает смещение р—^-перехода, образующего затвор. Канальный ток, протекая через резистор, создает на нем падение напряжения, благодаря которому исток приобретает небольшой потенциал, положительный по отношению к земле. Ток, протекающий через резистор затвора, минимален, так как переход смещен в обратном направлении. В связи с этим падение напряжения на Кз почти равно нулю и естественно значительно меньше, чем падение напряжения на RH・ Таким образом, потенциал затвора равен потенциалу земли по постоянному току.

3

3

Рис. 4.12. Типичная усилительная схема с использованием полевого транзистора с р—и-переходом.

Рис. 4.12. Типичная усилительная схема с использованием полевого транзистора с р—и-переходом.

Итак, смещение—это такое состояние, когда затвор имеет

потенциал земли, а исток — небольшой положительный потенциал. Мы хотим, чтобы потенциал затвора был чуть более отрицательным, чем потенциал истока. Если потенциал истока сделать более положительным, то потенциал затвора станет как раз таким, как нужно.

Основным преимуществом обоих типов полевых транзисторов является очень высокое входное сопротивление. Смещенный в обратном направлении переход полевого транзистора с 卩——ft- переходом образует обедненную зону, которая имеет сопротивление канал ——затвор порядка мегаом, при этом через барьер протекает лишь небольшой ток утечки.

Входное сопротивление МОП-транзистора еще выше, так как в этом случае входом является конденсатор, образованный металлическим контактом затвора и подложкой. Диэлектриком в этом конденсаторе служит изолирующий окисел металла. Некоторые из этих транзисторов имеют входные сопротивления порядка 1012 Ом (а ведь это тераомы!), и даже у недорогих МОП-транзисторов .сопротивления очень высокие.

Полевые транзисторы с 卩—«-переходом и МОП-типа используются в тех случаях, когда можно сыграть на очень высоком входном сопротивлении. Многими научными электронными приборами управляют электроды или специальные датчики, имеющие очень большие внутренние сопротивления. При этом вход усилителя, на который поступает сигнал, обязательно должен иметь еще более высокое сопротивление, желательно раз в 10 больше. Например, типовое значение внутреннего сопротивления

выхвыхРнс. 4.13. Последовательный переключатель на основе полевого транзистора с р——и-переходом.Рнс. 4.13. Последовательный переключатель на основе полевого транзистора с р——и-переходом.бипотенциальных электродов имеет порядок от 10 до 100 кОм. А у некоторых химических электродов (которые на самом деле являются не электродами, а датчиками) внутреннее сопротивление достигает почти 100 МОм.

вых

вых

Рнс. 4.13. Последовательный переключатель на основе полевого транзистора с р——и-переходом.

Рнс. 4.13. Последовательный переключатель на основе полевого транзистора с р——и-переходом.

Существует несколько таких схем, в которых входное сопротивление обычного операционного усилителя можно увеличить на несколько порядков за счет включения между входами схемы и входами операционного усилителя пары полевых транзисторов или с р—— «-переходом, или МОП-типа.

Полевой транзистор с р — n-переходом можно также использовать в качестве элект

ронного переключателя с малыми потерями (рис. 4.13). Когда напряжение, управляющее переключателем, равно нулю (отсутствует), отрицательное смещение достаточно для того, чтобы перевести транзистор в режим отсечки. Транзистор, по сути дела, выключается, а сопротивление канала имеет очень высокое значение. Когда управляющее напряжение составляет +12 В, эффективное смещение имеет прямое направление, а отрицательный потенциал компенсирован. В этом случае канал имеет очень малое сопротивление, пе

реключатель находится во включенном состоянии и через устройство передается сигнал.

Такого типа переключатели на твердом теле являются двунаправленными, поэтому их выводы маркируют «ВКЛ/ВЫКЛ» и «ВЫКЛ/ВКЛ» соответственно. Некоторые фирмы выпускают так называемые составные стробирующие устройства. Такое устройство представляет собой ИС, в одном корпусе которой размещается один или несколько переключателей на полевом транзисторе с р——«-переходом. Популярная схема типа CD4016 представляет собой четыре электронных ключа, подобных тому, который здесь описан.

Кремниевые управляемые вентили

На рис. 4.14 показано устройство, которое называется кремниевым управляемым вентилем (КУВ). Он представляет собой еще один тип электронного переключателя, но не является двунаправленным. Это обыкновенный твердотельный выпрямитель-

*—I (вплючен)*—I (вплючен)44П2(выключен)П2(выключен)++Затвор JrЗатвор JrАнодАнодКатодКатод

*—I (вплючен)

*—I (вплючен)

4

4

П2(выключен)

П2(выключен)

+

+

Затвор Jr

Затвор Jr

Анод

Анод

Катод

Катод

Рис 4.14. Схема кремниевого управляемого вентиля.

ный диод, за исключением того, что он остается в выключенном состоянии до тех пор, пока через затвор не начнет протекать ток. Затем он включается и ток течет в одном направлении. На рисунке показан пример такой схемы.

Когда переключатель П1 замкнут, даже в течение короткого промежутка времени, ток через резистор Q протекает к затвору. При этом включается КУВ и вызывает появление тока Л. Во включенном состоянии КУВ работает как всякий выпрямительный диод. Ток протекает только в том случае, когда анод положителен по отношению к катоду.

Ток в анодно-катодной цепи течет до тех пор, пока его величина не станет ниже некоторого минимального критического уровня тока. Если величина тока станет меньше этого значения, то КУВ выключится и схема вернется в исходное состояние.

Кремниевый управляемый вентиль можно выключить несколькими способами. Прежде всего можно открыть переключатель Г!，При этом ток уменьшится до нуля и КУВ выключится. Другой метод состоит в том, что на анод подается сигнал, делающий его потенциал отрицательным. Этот потенциал алгебраически складывается с потенциалом диода, и если он вызывает уменьшение тока ниже минимального уровня, то устройство выключается.

К этой же группе устройств относится тройник, который представляет собой двунаправленный КУВ. По сути это пара КУВ со связанными затворами. Тройник пропускает ток на обоих полупериодах синусоиды переменного тока.

И КУВ, и тройники принадлежат к семейству устройств, носящему название тиристоры. Они используются в цепях управления тока двигателей, обогревателей, осветителей и в некоторых других случаях. Благодаря им только часть синусоиды переменного тока достигает нагрузки.

Существует много других электронных устройств, относящихся к числу дискретных компонентов, но они выходят за рамки этой книги. Кроме того, их нельзя назвать полезными в задачах, рассматриваемых в этой книге, но это не означает, что они не могут кому-то пригодиться. Итак, переходим к следующей главе.

Глава 5

УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕСИММЕТРИЧНЫМ ВЫХОДОМ

На практике часто встречаются такие схемы, для которых требуются каскады усилителей постоянного тока с хорошей частотной характеристикой в области самых низких частот. В этой главе мы и рассмотрим такие схемы.

Схемы инвертирующих повторителей

Этот класс схем операционных усилителей находит, наверное, самое широкое применение по сравнению со всеми остальными видами операционных усилителей. Пример инвертирующего повторителя показан на рис. 5.1. В гл. 1 мы установили, что эти схемы подчиняются следующей зависимости:

ЕрЫХ ^ —Евх (R°.c/Rbx)・(5.1)

Для того чтобы получить необходимый коэффициент усиления каскада, нужно лишь выбрать такую пару резисторов 凡足 и Rbx, отношение сопротивлений которых было бы равно требуемому коэффициенту усиления по напряжению. Пусть, например, коэффициент усиления должен быть равен 100. Если это так, то

R“c/&x=100・(5・2)

Нам нужно лишь выбрать два таких резистора, которые удовлетворяли бы уравнению (5.2). Как правило, сопротивление Rx

должно превышать 500 Ом, но оба сопротивления должны быть по возможности небольшими. Это условие станет понятным позже. Как ни парадоксально, в некоторых случаях лучше всего, чтобы сопротивление Rbx было очень высоким. Общее правило, которое следует соблюдать при проектировании почти всех электронных устройств, устанавливает, что входное сопротивление усилителя должно быть по крайней мере в 10 раз больше сопротивления источника сигнала. Иными словами,

RbxMIORhct, (5.3)

где Rbx — входное сопротивление; &行—сопротивление источника входной (внешней) схемы.

В случае когда сопротивление источника велико, как, например, при биоэлектрических измерениях или когда источником сигнала служат газовые электроды или электроды измерителя концентрации водорода pH, оказывается, что сопротивление Rbx должно быть очень большим. Благодаря этому даже при относительно небольших значениях коэффициента усиления сопротивление обратной связи должно быть очень высоким.

Переменный или избирательный коэффициент усиления можно получить за счет изменения сопротивления обратной связи Ro© Примеры приведены на рис. 5.2. Рис. 52 a иллюстрирует метод получения переменного коэффициента усиления за счет включения потенциометра в цепь обратной связи. При этом Ro.c = Ri+R2 и коэффициент усиления по напряжению определяется следующим выражением:

A^^+R^. (5.4)

На практике принято делать Ri равным /?вх при условии, что коэффициент усиления должен быть равен единице. Когда потенциометр R2 установлен так, что его сопротивление минимально (0 Ом), коэффициент усиления каскада равен единице. Если сопротивление Ri равно 0 Ом (т. е. R в этом случае отсутствует), минимальный коэффициент усиления равен нулю.

Та же схема используется и для того, чтобы подобрать определенное значение коэффициента усиления. Ошибки коэффициента усиления могут возникать из-за ошибок операционного усилителя, или чаще они обусловлены нормальными допусками на сопротивления. Когда потенциометр используется для тонкой настройки коэффициента усиления каскада, наверное, имеет смысл делать сопротивление Ri раз в десять больше, чем сопротивление А, тогда можно будет получить хорошее разрешение. Кроме того, в качестве резистора & разумно использовать регулировочный потенциометр.

Рис. 5.2,6 иллюстрирует избирательный переключательный метод регулировки коэффициента усиления. В этой системе коэффициент усиления изменяется ступенчато с помощью переключателя Пь изменяющего сопротивление обратной связи. По- 104

Рис. 5.2. Инвертирующий повторитель с регулировкой коэффициента усиления (а); инвертирующий повторитель с выбором коэффициента усиления (6). Vcc = 7 В; Vee=4 В;匕一схема типа 741 в миниатюрном корпусе с двухрядным расположением выводов.

казанные на схеме выводы имеют устройства, принадлежащие к семейству 741, а именно те устройства, которые компонуются в миниатюрных корпусах с двухрядным расположением выводов и в металлических корпусах.

Хотя в качестве сопротивлений Rbx и Ro.c можно выбирать любые приемлемые значения, при желании вы можете воспользоваться значениями, приведенными в табл. 5.1.

Если сопротивления, рекомендуемые для входного резистора, слишком малы для некоторого практического случая, попробуйте другие значения, помня об ограничениях, накладываемых на отношение Ro.JRbx*

Следует также учитывать одно дополнительное требование, предъявляемое к максимально допустимому выходному напряжению при данном уровне напряжения источнка питания и дан-

Таблица 5.1

ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ ОТ СОПРОТИВЛЕНИЙ РЕЗИСТОРОВ

Рис.

勺， кОм

кОм

кОм

Ro.C.2， кОм

r0否分

R0.c.4' кОм

/

5.2, а

10

10

100

—

一

—

1—11

52 а

10

—

100

—

—

—

—

0—10

5.2,6

1

—

10

—

—

—

10

5 2,6

1

—

—

—

20

一

20

5 2,6

1

一

—

30

30

5.2,6

1

—

—

一

'—*

—

40

40

5.2,6

1

—

—

—

—

—

80

80

5.2,6

1

—

一

100

—

—

一

100

5.2,6

1

—

200

—

200

52,6

1

一

—

400

400

5.2,6

1

—

一

—

800

800

ном значении коэффициента усиления. Здесь перед нами встает та же задача с р—«-переходами, что и в гл. 1. Практическую рекомендацию можно дать такую же: на каждом переходе база— эмиттер и база — коллектор между выходом устройства и каждым выходом источника питания можно допустить падение напряжения от 0,7 до 0,9 В. Таким образом получаем два предела:

EmaxG) П了%-°,9%+，(5.5)

Етах(-)=Усс—0,97V(5.6)

где N+ — число переходов между выходом устройства и выводом операционного усилителя. Эти пределы следует рассматривать в связи с максимально ожидаемым входным напряжением и коэффициентом усиления по напряжению. Пусть, например, максимальное положительное выходное напряжение (方тах(+)) равно 10 В, а коэффициент усиления равен 1000. Чему равно максимальное отрицательное входное напряжение, которое не будет насыщать выход?

Jsix = —4Евх，(5 • 7)

поэтому

Ерх = —Jbi，V(5*8)

Подставляя заданные значения, получим

(5.9)(5.9)Евх (max) = —10/1000二—0,010В = —10 мВ.

(5.9)

(5.9)

Как видите, этот усилитель будет насыщаться только тогда, когда на вход приложено напряжение 10 мВ.

Многовходовые схемы

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 5.3. Она представляет собой инвертирующий повторитель с несколькими входами. Согласно закону Кирхгофа для токов,

/°.с = у/з・(5.10)

Выражение для выходного напряжения имеет видВыражение для выходного напряжения имеет вид1产 EjRr/2 =e2/%， 厶=e3乐3，1产 EjRr/2 =e2/%， 厶=e3乐3，Но, согласно закону Ома,Но, согласно закону Ома,2 3 42 3 4

Выражение для выходного напряжения имеет вид

Выражение для выходного напряжения имеет вид

1产 EjRr

/2 =e2/%， 厶=e3乐3，

1产 EjRr

/2 =e2/%， 厶=e3乐3，

Но, согласно закону Ома,

Но, согласно закону Ома,

2 3 4

2 3 4

Поэтому уравнение (5.11) можно записать в следующем виде: 以^ = 一凡.，(八+/2+厶).(5.15)

В некоторых случаях вы будете использовать неинвертирующий вход. Для схемы такого типа необходимо записать общее уравнение для всех токов. Следовательно, нужно правильно расставить знаки. Рассмотрим рис. 5.4. Коэффициент передачи этой схемы описывается уравнением (5.16):

Евмх= -^о.с(->-^- + >+».(5.16)

Схемы, подобные показанным на рис. 5.3 и 5.4, широко применяются в электронной аппаратуре. Например, иногда их ис-

Рис. 5.3. Инвертирующий сумматор.Рис. 5.3. Инвертирующий сумматор.

Рис. 5.3. Инвертирующий сумматор.

Рис. 5.3. Инвертирующий сумматор.

Рис. 5.4. Двуполярный сумматор.

пользуют для суммирования напряжений или токов, с помощью которых могут быть представлены количества или числа. Фактически они представляют собой определенный тип схемы аналоговой вычислительной машины. Часто говорят, что большинство измерительных приборов, используемых в науке и технике,— это просто аналоговые вычислительные машины, запрограммированные для вычисления определенной функции. Сейчас все шире начинают использоваться микропроцессоры, и, может быть, в будущем в приборах будут использовать и цифровые вычислительные машины.

Неинвертирующие повторители

В схеме этого типа входной сигнал поступает прямо на неинвертирующий вход операционного усилителя. Сигнал обратной связи тем не менее по-прежнему подается на инвертирующий вход. Если бы он также подавался на неинвертирующий вход, то в цепи обратной связи могли бы возникнуть условия, благоприятные для генерирования колебаний, которые совсем ни к чему в операционном усилителе!

Единственная и очень важная особенность неинвертирующего повторителя состоит в существенно увеличенном входном сопротивлении. Для сопоставления отметим, что во входной цепи инвертирующего повторителя стоит резистор, соединенный с мнимой землей. В связи с этим величина входного сопротивления ограничена сопротивлением входного резистора. С другой стороны, в неинвертирующем повторителе входной сигнал подается непосредственно на неинвертирующий вход, который, как вы помните, обладает большим сопротивлением (Zbx ——бесконечно 108

Рис. 5.5. Неинвертирующий повторитель с единичным коэффициентом усиления, ^вх^^вых*

большая величина!). На практике величина входного сопротивления равна произведению коэффициента усиления по напряжению на входное сопротивление данного устройства (приводится в паспорте). И хотя на самом деле она не является бесконечно большой, значение ее тем не менее очень велико.

На рис. 5.5 показан распространенный неинвертирующий повторитель с единичным коэффициентом усиления. Это, наверное, самая простая линейная схема операционного усилителя, которую только можно встретить. Обратите внимание, что выходной сигнал полностью подается обратно на инвертирующий вход. Благодаря этому величина В в уравнении (1.14) становится равной единице, и уравнение можно переписать в следующем виде:

Но учитывая данное выше объяснение, можно сказать, что выражение (5.17) в действительности дает единицу, следовательно, можно сделать вывод, что коэффициент усиления схемы, приведенной на рис. 5.5, при замкнутой цепи обратной связи также равен единице. Это справедливо с достаточное высокой степенью достоверности, особенно для операционных усилителей с высоким значением коэффициента усиления. Повторитель с единичным коэффициентом усиления можно сделать на основе обычного операционного усилителя, а можно купить специальный операционный усилитель, в котором выводы входа и выхода соединены друг с другом внутри корпуса ИС.

Схему повторителя с единичным коэффициентом усиления используют по двум причинам. Одна из них состоит в возможности буферизации без потерь и без усиления сигнала. Часто возникает необходимость подать сигнал или уровень напряжения в несколько различных точек, при этом нежелательно, чтобы они оказывали взаимное влияние друг на друга. Примером могут служить управляющие схемы, в которых сигнал, полученный в

некоторой точке, нужно передать как во внешние схемы через гнездо на панели устройства, так и на другую, фактически управляемую часть схемы. Это часто делается для обеспечения возможности одновременного контроля и управления схемой. Если управляющий выход не изолирован от остальной части схемы, то внешнее короткое замыкание соединительных кабелей (вполне вероятная возможность) приведет к тому, что управляющая схема потеряет входной сигнал. В некоторых приборах это приводит к катастрофическим последствиям, но даже если ничего страшного не произойдет, наверняка вызовет раздражение. Неинвертирующий повторитель, включенный между гнездом выхода н сигнальным печатным проводником, избавит от подобных неприятностей.

Второе основное применение неинвертирующего повторителя с единичным коэффициентом усиления — это преобразование импеданса. Как вы помните из гл. 1, выходной импеданс операционного усилителя обычно очень мал, а входной импеданс очень велик. То, что один и тот же каскад обладает двумя этими свойствами, и позволяет использовать его в качестве преобразователя импеданса.

Если сопротивление источника работающей на каскад схемы формирователя слишком велико для нормального управления входом, то такой повторитель просто необходим. Например, довольно высокое сопротивление источника имеют многие электроды и датчики, используемые в научной аппаратуре. Для предотвращения шунтирования эти устройства должны работать на высокий импеданс. На самом деле, при работе с некоторыми электродами и датчиками, применяемыми в биологии, для получения нужного импеданса на входе усилителя приходится ставить операционный усилитель на полевом транзисторе с р——«-переходом, со сверхвысоким значением коэффициента р или операционный усилитель БиМОП-типа. Для этой цели хорошо использовать устройства типа САЗ 140 и САЗ 160 фирмы RCA. Они имеют входное сопротивление порядка 1,5 ТОм (Ю12Ом). Кроме того, БиМОП-операционные усилители обеспечивают очень хорошие характеристики по дрейфу и смещению при работе от источника с невысоким значением Vcc—匕е (т. е. ±5В) и особенно при использовании корпуса с кожухом для отвода тепла. Существуют различные схемы типа СА3140/3160, стоимость которых изменяется от 1 до 10 долл. Дешевые устройства такого типа, по сути дела, являются высококачественными ИС типа 741, но обеспечивают более качественные характеристики при невысокой стоимости. Устройства, которым присвоены начальные номера, обладают еще более хорошими характеристиками, но стоят несколько дороже. В любом случае эти схемы заслуживают того, чтобы их испробовать, так как следующий шаг ведет к дорогим схемам (порядка 50 долл.). При работе над проектами для гл. 22 автор обнаружил, что эти операционные усилители

Рис. 5 6. Неинвертирующий повторитель с коэффициентом усиления, отличным от единицы.

часто работают лучше, чем устройства, которые стоят гораздо дороже.

На рис. 5 6 показан неинвертирующий повторитель, обладающий отличным от единицы коэффициентом усиления. В этой схеме делитель напряжения в цепи обратной связи используется примерно так же, как в инвертирующей схеме. Различие состоит в том, что «свободный» конец входного резистора соединен с землей. Некоторые авторы ошибочно задают уравнение для коэффициента усиления в этой схеме в том же виде, как и в инвертирующих схемах. Это выражение справедливо только для больших значений коэффициента усиления. Корректное выражение для всех значений коэффициента усиления имеет вид

4=1+(&.с/&х)・(5.18)

Рассмотрите уравнение (5.18) и вы убедитесь в том, что более простой вариант этого уравнения подходит только для случаев, когда коэффициент усиления имеет большое значение. Если коэффициент усиления по напряжению равен 100 или более, то исключение из уравнения (5.18) единицы влечет за собой ошибку в 1 % и менее. С другой стороны, при небольших значениях коэффициента усиления ошибка становится значительной. Если, например, коэффициент усиления должен быть равен 2 и отношение R。JRbk устанавливается равным двум, то исключение единицы приведет к ошибке в 50%. Искренне сове* тую для схем неинвертирующих повторителей всегда пользоваться уравнением (5.18) и особенно для таких, в которых коэффициент усиления не превышает 100.

Частотная характеристика

Эта глава называется «Усилители постоянного тока》,и вас, наверное, удивляет, что в нее попал раздел, посвященный частотной характеристике. В конце концов, частота имеет отноше-

Рис. 5.7. Подстройка частотной характеристики по переменному току, не затрагивающая усиление по постоянному току.

ние только к схемам, работающим с сигналами переменного тока. Усилитель постоянного тока называется так потому, что он реагирует на сигналы всех частот, вплоть до частот постоянного тока. Однако эти усилители реагируют также на сигналы переменного тока в диапазоне частот, определяемом верхним пределом частоты среза. Для недорогих, безусловно стабильных (т. е. частотно-скомпенсированных) операционных усилителей, таких, как усилители класса 741, этот верхний предел имеет порядок 10 кГц или несколько ниже. Частотная характеристика высококачественных операционных усилителей может лежать в мегагерцевой области. По крайней мере для одного семейства БиМОП-устройств произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания составляет 5 МГц.

Но не спешите приобрести чудесный дорогой операционный усилитель, обладающий высокой скоростью нарастания выходного напряжения и хорошей частотной характеристикой в диапазоне высоких частот. Если нет крайней необходимости в частотной характеристике, охватывающей широкий диапазон, учтите, что эти «привлекательные» свойства могут вызвать еще более сложные проблемы, чем те, которые преодолеваются за их счет. В большинстве научных приборов, наверное, во всех устройствах, находящих применение в биологии, используются низкочастотные схемы, так как сигналы и колебания не должны претерпевать здесь быстрых изменений. Характеристики недорогого операционного усилителя типа 741 обычно вполне удовлетворяют требованиям. Проблему, связанную со слишком широкой частотной характеристикой, оставим до главы, где разрешаются эти затруднительные вопросы, сейчас же поговорим о том, как приспособить частотную характеристику операционного усилителя к своим собственным нуждам.

Частотную характеристику можно сформировать с помощью /?С-цепи, включенной в петлю обратной связи, как показано на 112

рис. 5.7. В приведенной схеме обычный элемент обратной связи, резистор, шунтируется /?С-цепочкой с определенной постоянной времени. На частотах постоянного тока и при невысоких значениях частот переменного тока коэффициент усиления каскада с высокой степенью точности (для частот постоянного тока абсолютно точно) определяется обычным отношением R°.c/Rbx・ Частота, на которой происходит перегиб графика частотной характеристики, определяется следующим выражением:

尸。= (5J9)

На частотах, больших чем Fo, коэффициент усиления по напряжению убывает со скоростью примерно 6 дБ на октаву. Схема такого типа используется для уменьшения помех в научных, технических и медицинских приборах и для настройки полосы пропускания в схемах, работающих на частотах звукового диапазона. Кроме того, она используется в сервомеханизмах, где позволяет изменять в нужную сторону демпфирующие свойства петли обратной связи. Иногда подобные функции реализуют простые интегрирующие RC-ибпи, но это не всегда возможно, так как чем ниже частота, тем большие значения должны иметь компоненты, тем они более громоздки. Конденсаторы для низких частот, мне кажется, просто неприемлемо огромны.

Схемы, подобные показанной на рис. 5.7, имеют, однако, цепь обратной связи, и благодаря этому можно использовать более подходящие значения сопротивлений и емкостей. Такие схемы работают потому, что на частотах выше частоты среза, определяемой по уравнению (5.19), оказывается, что в цепи обратной связи включено сопротивление, примерно равное параллельно-

Рис. 5.8. Управление смещением.

му соединению /?0.с и R> Коэффициент усиления по напряжению приблизительно определяется следующим выражением:

4 = (^1 + ^0.сЖвх- (5.20)

Значение коэффициента усиления по напряжению может быть значительно ниже значения этого коэффициеята для постоянного тока при условии, что R и Ci имеют соответствующие значения. В некоторых случаях для получения двух и более значений частот среза используют две лли более 7?С-цепочек. Так, например, делают в компенсирующих усилительных каскадах устройств звукозаписи, обычно в предусилителях.

Управление смещением нуля обеспечивает схема, показанная на рис. 5.8. Эту схему можно использовать для смещения уровня выхода операционного усилителя. При нормальной работе напряжение на выходе будет составлять О В, когда потенциал входа также равен нулю. Однако ток 厶 будет протекать всегда независимо от величины входного напряжения, а это значит, что в схеме должен протекать ток /о.с, равный току 厶・ Когда напряжение на входе равно нулю, напряжение на выходе определяется следующим выражением:

Ebbix = —Л^о.с» (5.21)

Схема такого типа используется также для компенсации некоторых ошибок операционного усилителя (о которых речь пойдет позже). В этом случае используется подстроечный потенциометр, регулируемый с помощью отвертки. В других случаях потенциометр можно использовать для управления установкой нуля, или для управления положением как, например, в схеме управления вертикальным отклонением электронно-лучевой трубки, или в схеме управления ленточного самописца. В большинстве случаев для улучшения разрешающей способности и обеспечения возможности регулировки в качестве резистора & рекомендуется использовать подстроечный потенциометр. Резистор & обычно имеет сопротивление от 5 до 100 кОм, причем наиболее распространены значения 10 и 20 кОм. Резистор Ri почти всегда имеет сопротивление 10 кОм, но можно встретить значения и из диапазона для

Более высокой степени разрешения можно достичь, если в качестве /?2 использовать соединение нескольких резисторов. Если между соответствующими концами резистора & и выводами VcdVee подключить два одинаковых резистора, то сопротивление 火2 будет пропорционально меньше полного сопротивления, определяющего величину тока /「Благодаря этому, используя в качестве резистора R? подстроечный потенциометр, можно устанавливать выходной потенциал с высокой степенью точности.

Усилители постоянного тока

со сверхвысоким значением коэффициента усиления

Можно привести ряд доводов в пользу того, что не стоит, стремиться получить высокое значение коэффициента усиления на одном операционном усилителе при использовании схемы инвертирующего повторителя. В таких случаях резисторы обратной связи должны иметь очень большие сопротивления, а входные резисторы — очень маленькие. И то, и другое в принципе связано с некоторыми трудностями.

Если все-таки нужно получить высокое значение коэффициента усиления на одном каскаде (еще раз отметим, что обычно предпочтительней получать требуемое значение коэффициента усиления путем последовательного соединения нескольких каскадов), то можно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 5.9. Ток /вх создается напряжением входного сигнала и определяется следующим образом:

，вх = ErJRbx* (5.22)

Для того чтобы удовлетворялся закон Кирхгофа для токов, в схеме должен протекать ток /о.с, равный току /Вх. Это означает, что напряжение в точке Л должно быть таким, чтобы возникал ток /д, равный

1 a = EaIR*3 (5.23)

Напряжение в точке Л является частью выходного напряжения Евых, и величина его определяется делителем, состоящим из ре-

Рис. 5.9. Однокаскадный операционный усилитель с высоким значением коэффициента усиления.

LLRo. c+(Ro. cR1/R2)+R1

^вых~ /х

зисторов Ri и /?2- Соответствующее выражение для коэффици* ента передачи имеет вид

ЕвНх = ЕвхЕвНх = ЕвхRo.c + (Ro.cRi/Rz) + &RbxRo.c + (Ro.cRi/Rz) + &Rbx(5.24)(5.24)

ЕвНх = Евх

ЕвНх = Евх

Ro.c + (Ro.cRi/Rz) + &Rbx

Ro.c + (Ro.cRi/Rz) + &Rbx

(5.24)

(5.24)

Однако имейте в виду, что задаче получения высокого значения коэффициента усиления на одном каскаде сопутствуют токи и напряжения смещения, а также трудности, связанные с трассировкой печатных проводников. Например, вы можете столкнуться с тем, что при высоком значении коэффициента усиления (от 5000 до 10 000) ток смещения величиной 1 мА может вызвать насыщение выхода усилителя. С этими схемами, как правило, легче справиться, если значение коэффициента усиления на каскад невелико и для каждого каскада или каждых двух каскадов предусмотрена компенсация смещения.

Глава 6

УСИЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Проще всего определить усилитель переменного тока как усилитель, чувствительный к сигналам переменного, а не постоянного тока. Однако из этого не следует, что усилители постоянного тока, о которых мы говорили в других главах, не воспринимают сигналы переменного тока. На самом деле они усиливают сигналы разных частот, от частоты постоянного тока до некоторой определенной частоты переменного тока. Напротив, усилители переменного тока воспринимают только сигналы переменного тока, иначе говоря, «изменяющиеся» сигналы, хотя нижний предел области определения частотной характеристики и составляет лишь доли герца. На самом деле для многих медицинских и научных приборов частотная характеристика определена вплоть до 0,05 Гц, но в связи с тем, что они не реагируют на постоянные сигналы, их относят к приборам переменного тока. .

Почему их так называют?

Зачем же, спрашивается, нужны усилители переменного тока, если большинство усилителей постоянного тока может также работать с сигналами переменного тока, имеющими частоту порядка нескольких килогерц? Хотя на первый взгляд этот вопрос может показаться праздным, на него все-таки нужно ответить. Зачастую усилитель переменного тока не имеет особых преимуществ перед усилителем постоянного тока; в таких случаях можно оставить свой выбор на усилителе постоянного тока, так как он проще. Однако в других случаях можно найти веские доводы в пользу усилителя переменного тока. Наверное, чаще всего к усилителю переменного тока прибегают в связи с необходимостью принятия мер против смещений в напряжении сигнала. Возьмем, например, распространенный электрокардиограф, с помощью которого снимают электрокардиограмму работы сердца. Американская Ассоциация больниц рекомендует полосу пропускания высококачественного электрокардиографа размещать в диапазоне от 0,5 до 100 Гц. Обратите внимание, что нижний предел характеристики расположен очень близко к частотам постоянного тока. Возникает вопрос: почему бы не вос-

пользоваться простым усилителем постоянного тока? Дело в том, что электроды, с помощью которых воспринимаются небольшие электрокардиографические потенциалы, образуют пластину гальванического элемента, создающего смещение по постоянному току, причем типичная величина смещения может в несколько раз превышать амплитуду основных составляющих электрокардиограммы. Помимо того что смещение имеет большую амплитуду, с ним оказывается еще трудно справиться, так как за период в несколько минут оно сильно изменяется. Если бы смещение было стабильным, то не составило бы никакого труда предусмотреть в электрокардиографе средство создания противодействующего смещения, которое уменьшало бы влияние смещения, но на практике мы наблюдаем нестабильное положение оси, относительно которой изменяется сигнал.

Еще одна причина, по которой прибегают к использованию усилителя переменного тока, состоит в том, что его можно использовать как своего рода фильтр, позволяющий избавиться от определенных нежелательных частот, оказывающих влияние на нужный сигнал и искажающих форму выходного сигнала. Если усилитель используется в этом качестве, то пределы частотной характеристики выбираются такими, чтобы нежелательные компоненты усиливались в меньшей степени, чем нужные. Однако при выборе пределов нужно соблюдать осторожность, так как все периодические функции можно представить в виде ряда Фурье. Быстроизменяющиеся составляющие сигнала представлены высокочастотными компонентами ряда Фурье, а медленно изменяющиеся составляющие — низкочастотными компонентами. Если пределы выбраны неправильно, то частотная характеристика будет искажать выходной сигнал. Поэтому необходимо оценить, какие частоты можно ослаблять, чтобы потом не ломать голову над результатами.

Кроме того, если с умом использовать обратную связь, то усилитель переменного тока можно сделать более стабильным и менее подверженным искажениям. В определенных типах усилителей первое качество приобретает первостепенное значение. Например, усилитель переменного тока, используемый в усилителе постоянного тока с прерываниями может усиливать сигналы низкого уровня, частота и амплитуда которых близки к частоте и амплитуде напряжения дрейфа усилителя постоянного тока. С помощью специального устройства сигнал постоянного тока преобразуется в прерывистый. Прерывистый сигнал проходит через усилитель переменного тока, который благодаря наличию цепи обратной связи гораздо более стабилен.

Схемы усилителей переменного тока

Рис. 6.1 иллюстрирует, наверное, самый простой метод построения усилителя переменного тока, который, правда, не обеспечивает оптимальной характеристики работы устройства. Все 118

Рис. 6.1. Неинвертирующин усилитель переменного тока с трансформаторной связью (а); инвертирующий усилитель переменного тока с емкостной связью (6); неинвертирующий усилитель переменного тока с емкостной связью (е). три схемы, приведенные на рисунке, основаны на схемах усилителя постоянного тока с несимметричным выходом, которые мы обсудили раньше.

Схема, показанная на рис. 6.1, а, использует повторитель с неинвертирующим входом. Здесь усилитель постоянного тока преобразуется в усилитель переменного тока с помощью трансформатора А. Трансформатор может иметь свой собственный

коэффициент повышения напряжения, зависящий от отношения числа витков первичной и вторичной обмоток. Его следует принимать во внимание при составлении уравнений для коэффициента усиления. Коэффициент усиления по напряжению для переменного тока определяется следующим образом:

4 = (%т/*ерв) U +(&.с/&х)]・ (6.1)

Давайте подсчитаем коэффициент усиления по напряжению для каскада усилителя переменного тока, подобного тому, который показан на рис. 6.1, а, в котором Ro.c = 100 кОм, Rbx=10 кОм и отношение числа витков в обмотках трансформатора Nbt/N^b составляет 1:3.

4 = (3/1)(1 + (100/10)] = (3)(11)- 33.

С этой схемой связаны две проблемы, которые могут доставить много хлопот. Одна связана с тем, что трансформаторы — неидеальные устройства и их частотная характеристика может не удовлетворять требованиям какого-либо определенного практического случая. Другая проблема состоит в том, что обычно габариты трансформатора превышают габариты всех остальных компонентов схемы и в некоторых случаях решение этой проблемы может вызвать затруднения.

На рис. 6.1, б показан усилитель переменного тока, построенный на основе схемы простого инвертирующего повторителя по- стояного тока. В этом варианте схемы конденсатор С\ блокирует сигналы постоянного тока, но пропускает сигналы переменного тока. Происходит, правда, некоторое ослабление сигналов переменного тока на частотах, для которых конденсатор Ci обладает высокой реактивностью.

Еще один способ реализации этой идеи основан на использовании схемы неинвертирующего повторителя постоянного тока. Эта схема показана на рис. 6.1,8. Здесь, как и в предыдущем случае, конденсатор & должен блокировать сигналы постоянного тока и пропускать сигналы переменного тока. В идеальной схеме, построенной из идеальных компонентов, нет необходимости в резисторе R, но реальные операционные усилители часто совсем не похожи на идеальные. На входах у них протекают небольшие токи смещения, которые могут зарядить конденсатор С\ до такого значения, что это приведет к неприятным последствиям. Дело в том, что операционный усилитель воспринимает напряжение на конденсаторе Сь созданное этими токами смещения, как еще один входной сигнал. Если этот потенциал достигнет значения, при котором с учетом коэффициента усиления происходит насыщение каскада, то усилитель перестанет реагировать на входные сигналы. Разряд конденсатора & происходит через резистор Ri — вот для чего ставят в схему этот резистор. К сожалению, при этом уменьшается входное сопротивление, которое в схеме неинвертирующего повторителя, как правило

Рис. 6.2. Усовершенствованный усилитель переменного тока с обратной связью.

очень велико. Входное сопротивление уменьшается до значения, не превышающего сопротивления 尺入 В связи с этим принято выбирать сопротивление Q как можно более высоким, учитывая в первую очередь возможность насыщения усилителя при использовании

На рис. 6.2 показан улучшенный усилитель переменного тока, в котором используются свойства обратной связи операционного усилителя. Эту схему можно рекомендовать для случаев, где важным критерием является стабильность.

Интегральный усилительный блок, который называют дифференциальным токовым усилителем, (ДТУ) или усилителем Нортона, представляет собой в первую очередь усилитель переменного тока. Я, однако, отложил его описание до гл. 7, так как оно понадобится также при описании дифференциальных усилителей.

Как можно изменять частотную характеристику

Частотные характеристики усилителей переменного тока определяются конденсаторами и значениями постоянных времени RC. Шунтирующие, развязывающие конденсаторы или конденсаторы, выполняющие такие функции, как конденсатор Сг (блокировка постоянной составляющей) на рис. 6.1,8, выбирают с учетом практического опыта так, чтобы емкостная реактивность конденсатора не превышала Ую величины сопутствующего сопротивления. Реактивность конденсатора определяется на самой низкой частоте из диапазона, где схема должна работать нормально; как правило берется нижняя точка по уровню 3 дБ. Однако в усилителях, которые обычно работают с сигналами, имеющими составляющие очень низкой частоты, выполнить такое условие бывает нелегко. С такими сигналами, между прочим, часто работают предусилители, используемые для обра-

ботки сигналов в медицинских и научных приборах. Неприятность связана с тем, что емкостная реактивность обратно пропорциональна частоте. Поэтому мы должны были бы потребовать, чтобы на этих низких частотах применялись конденсаторы довольно большой емкости. Они имеют большие размеры, даже если взять электролитические конденсаторы. Если сравнить два конденсатора емкостью, скажем, 100 мкФ, то электролитический будет гораздо меньше, но при этом ему присущ один недостаток—он чувствителен к полярности сигнала. Такое качество вряд ли может быть полезным в усилителе переменного тока.

Если проблема размеров в какой-то степени разрешается при использовании электролитических конденсаторов, то для того, чтобы решить проблему чувствительности к полярности сигналов, следует воспользоваться, например, схемой, показанной на рис. 6.3. Она реализует метод, позволяющий при сохранении большой емкости ликвидировать чувствительность к полярности. Вы совершите ошибку, если не рассмотрите эту схему как следует и подумаете, что она представляет собой простую последовательную схему, использующую два конденсатора. Если же вы сделаете такое предположение, то будете считать, что справедлива формула для последовательно соединенных конденсаторов. Если бы она была справедлива, то полная емкость составляла бы половину емкости одного конденсатора при условии, что Ci = C2・ В действительности однако, полная емкость показанного на рис. 6.3 соединения равна или Сь или Сг при условии опять-таки их равенства. Такое соотношение обусловлено наличием диодов Д1 и %.

Рассмотрим, что происходит при изменениях входного сигнала в положительном направлении. В этом случае диод 〃i смещен в обратном направлении и не оказывает никакого влияния на Ci. Через Ci сигналы проходят к точке соединения Ci——С2 〃i——Дг・ С другой стороны, диод “2 смещен в прямом направлении, поэтому фактически он закорачивает С? и передает сигналы непосредственно на следующий каскад.

Однако при изменении сигнала в отрицательном направлении ситуация изменяется. При этом диод Д\ смещен в прямом направлении, а диод Д2 —— в обратном. Так как теперь диод Д2

Рис. 6 3. Усилитель переменного тока с диодно-емкостной связью для работы на низкой частоте.

отключен, он не оказывает никакого влияния на конденсатор Сг. Сигнал проходит через С2 на следующие каскады.

Описанная картина наглядно демонстрирует, что каждый конденсатор активно работает в схеме только в течение одного полупериода входного сигнала. Полярности подбирают так, чтобы каждый конденсатор воспринимал только сигналы нужной полярности. Современные электролитические конденсаторы, как танталовые, так и алюминиевые, могут быть сравнительно небольшими для тех скоростей изменения напряжения, которые обычно характерны для операционных усилителей. Эту схемную 《хитрость》можно встретить в усилителях многих биологических и физиологических приборов.

Глава 7

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

До сих пор мы рассматривали усилители с несимметричным входом. Иначе говоря, у таких усилителей есть только один выход, на который поступает входной сигнал, создающий напряжение относительно земли. Тем не менее для многих измерительных схем и схем, входящих в состав научной аппаратуры, требуется дифференциальный вход. Конечно, стандартная ИС операционного усилителя удовлетворяет этому требованию, так как она имеет пару дифференциальных входов.

Ослабление синфазной составляющей

Вспомним сформулированные в гл. 1 правила работы операционного усилителя, которым подчиняется схема, изображенная на рис. 7.1. Каждое из напряжений £\ и & оказывает воздействие только на один вход, а напряжение £3 подается сразу на оба входа. Таким образом, напряжение Ез известно под названием напряжения синфазной составляющей. Идеальный операционный усилитель, работающий в дифференциальном режиме, реагирует только на такой входной сигнал:

Евх = (Е|—&)•(7.1)

и генерирует выходное напряжение, равное

Евых —厶』вх，(7 • 2а)

Е^^А^Е.-Е^,(7.26)

Под воздействием напряжения синфазной составляющей Е§ соответствующие входы оказывают на выход одинаковое по в ели-

чине, но противоположное по знаку воздействие, поэтому выходное напряжение теоретически сводится к нулю. Коэффициент ослабления синфазной составляющей (КОСС) является мерой способности дифференциального усилителя к ослаблению синфазных сигналов. Он оценивается в децибелах:

КОСС(дБ) = 201g (4р/Д,(ссЗ (7.3)

где Аир — коэффициент усиления дифференциального напряжения, АУ(сс)——коэффициент усиления синфазного напряжения, определяется по схеме рис. 7.1, в которой (Е[—£2) =0> а Евнх обусловлено только напряжением Ез：

Л(со = [-^](£1-^)=0- (7.4)

Для большинства операционных усилителей КОСС достигает 120 дБ и даже для тех схем, которые можно приобрести почти задаром, часто превышает 80 дБ. Это значит, что при 120 дБ они усиливают дифференциальный сигнал почти в миллион раз сильней, чем синфазный.

Очевидно, что при этом влиянием синфазных сигналов можно пренебречь, за исключением наиболее критичных приложений. А может быть, и в критичных схемах синфазные сигналы можно не принимать во внимание? К сожалению, КОСС снижается почти сразу после включения операционного усилителя в реальную схему, так как другие факторы приводят к разбалансу дифференциальных входов усилителя.

Однокаскадные схемы операционных усилителей

Простейшая схема операционного усилителя с дифференциальными входами показана на рис. 7.2. Коэффициент усиления дифференциального сигнала для этой схемы определяется следующим выражением:

4 =兄/兄， (7.5) если

& = & и = R&~\~Rs

С этой схемой связаны две проблемы, которые в определенных практических случаях могут проявиться, а могут и не проявиться. Одна проблема состоит в том, что входной импеданс ограничен значениями сопротивлений Ri и 火2, а не действительным значением 2ВХИС.

Если входной импеданс увеличить за счет увеличения этих сопротивлений, то могут возникнуть затруднения с получением высокого значения коэффициента усиления. Это как раз тот случай, когда два требования противоречат друг другу, и для того, чтобы выйти из затруднения, необходимо принять компромис-

"- Y].

以 Регулировка 「НОСС

Рис. 7.2. Простой однокаскадный дифференциальный операционный усилитель.

сное решение. Например, обычно допускается уменьшение R и Т?2 до значения, в 10 раз превышающего выходной импеданс схемы формирования входных сигналов. Во всех практических случаях источники входных сигналов (другие электронные схемы или датчики) обладают определенным выходным импедансом. В большинстве случаев он лежит в диапазоне от 100 до 1000 Ом. Исключение составляют (и это имеет немаловажное значение) некоторые электроды (например, pH), применяемые в биофизических и химических экспериментах. Если вы столкнетесь с таким случаем, когда импеданс источника не превышает 1000 Ом, то для Ri и R2 подойдет значение 10 кОм. Для поддержания высокого значения КОСС необходимо, чтобы выполнялось условие 7?1=к2 и к3=r4+R5， Потенциометр R5 обычно маркируют как «регулировка КОСС», потому что он помогает установить оптимальное значение КОСС путем компенсации последствий несогласованности резисторов. Конечно, мы по-прежнему должны исходить из того, что резисторы Ri и R? должны быть согласованными, но обычно удобнее пользоваться такими резисторами, у которых допуск на сопротивление составляет 1 %. Можно также вручную отсортировать их с помощью прецизионного омметра или моста Уитстона.

Как показывает практика, желательно строить схему таким образом, чтобы при установке потенциометра в среднее положение выполнялось условие:火3=火4+^5・ Желательно также, чтобы полное значение R§ составляло приблизительно 10% R《・ В качестве R5 следует использовать регулировочный потенциометр. Понятно, конечно, что допуск на резистор, выбранный в качестве 火久 оказывает некоторое влияние на допустимую в ели- 126

чину полного диапазона R5. Все наши действия направлены на то, чтобы добиться такого положения, при котором сопротивление R5 вносило бы по возможности минимальную долю в изменение величины (火4十®) при изменении &• Это помогло бы получить максимально возможную точность при регулировке КОСС.

Процедура регулировки КОСС (&)

Подключите к выводу С, с которого снимается Евнх, чувствительный осциллограф.

Замкните накоротко точки Л и В.

На закороченные выводы A/В подайте синусоидальный сигнал, имеющий частоту 100 Гц (или около того). Отрегулируйте амплитуду синусоидального сигнала так, чтобы она составляла несколько вольт (среднеквадратическое значение) или же имела такое значение, которое непосредственно предшествует амплитуде ограничения сигнала.

Отрегулируйте R5 так, чтобы выходное напряжение, снимаемое в точке С, было минимальным. За выходным сигналом следите с помощью осциллографа.

Повторяйте шаг 4, используя более чувствительное положение входного селектора вертикально отклоняющей системы осциллографа, до тех пор, пока не убедитесь, что дальнейшее уменьшение ВВых не происходит. Это значение должно лежать вблизи уровня шума, и ему должно соответствовать наиболее высокое значение КОСС.

Увеличение коэффициента усиления

Бывают случаи, когда, с одной стороны, импеданс источника обусловливает такие значения сопротивлений Ri и R2, которые должны превосходить 10 кОм, а с другой стороны, к значению коэффициента усиления по напряжению предъявляются такие требования, которые не так-то легко удовлетворить при разумных значениях R3. В подобной ситуации полезной может оказаться схема, подобная той, которая показана на рис. 7.3. В этой схеме усилитель У〔 представляет собой простой дифференциальный усилитель постоянного тока и используется в качестве формирователя входного сигнала для усилителя У2, имеющего несимметричный вход. Значение коэффициента усиления по напряжению усилителя У1 поддерживают таким, чтобы оно не превышало 100, а недостающее усиление получают с помощью усилителя У2. Для схемы подобного типа

4 = (R3/RJ (RJRg),(7.6)

при условии, что Ri=R2 и R3 = R《+R5・

&n (RdRi) (&/&),&n (RdRi) (&/&),Рис. 7.3.Рис. 7.3.теля.если Ri-Ri и /?з-&+&.теля.если Ri-Ri и /?з-&+&.

&n (RdRi) (&/&),

&n (RdRi) (&/&),

Рис. 7.3.

Рис. 7.3.

теля.

если Ri-Ri и /?з-&+&.

теля.

если Ri-Ri и /?з-&+&.

В этой схеме используют всего два операционных усилителя, шесть постоянных сопротивлений и единственный потенциометр. Если оба операцио!нных усилителя входят в состав одной ИС, то получаем очень компактный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления. Если малые допуски необязательны, то подходят ИС типа 747 или МС1458/МС1558 (ее также называют схемой типа 5588), но в тех случаях, когда к характеристикам предъявляются жесткие требования, используйте высококачест-

Рис. 7.4. Эффективный входной импеданс схемы повышен за счет входных уси* лителей с единичным коэффициентом усиления.

ЛредусилительЛредусилитель2 方 каскад уси〃ат&А#2 方 каскад уси〃ат&А#Рис, 7 5. Инструментальный усилитель с высоким значением коэффициента усиления.^вых~^j^bx н 若&=【(2欠"凡)+ 1] (R'Ri)，если ^产凡，RlRz, RkR+RsРис, 7 5. Инструментальный усилитель с высоким значением коэффициента усиления.^вых~^j^bx н 若&=【(2欠"凡)+ 1] (R'Ri)，если ^产凡，RlRz, RkR+Rs

Лредусилитель

Лредусилитель

2 方 каскад уси〃ат&А#

2 方 каскад уси〃ат&А#

Рис, 7 5. Инструментальный усилитель с высоким значением коэффициента усиления.

^вых~^j^bx н 若&=【(2欠"凡)+ 1] (R'Ri)，если ^产凡，RlRz, RkR+Rs

Рис, 7 5. Инструментальный усилитель с высоким значением коэффициента усиления.

^вых~^j^bx н 若&=【(2欠"凡)+ 1] (R'Ri)，если ^产凡，RlRz, RkR+Rs

венный сдвоенный операционный усилитель, такой, как, например, ОР-10 фирмы PMI.

На рис. 7.4 показана недорогая схема, с помощью которой можно повысить коэффициент усиления. Кроме всего прочего, эта схема позволяет использовать для Ri и R2 резисторы с относительно небольшим сопротивлением, порядка 1000 Ом. Два операционных усилителя включены здесь как неинвертирующие повторители с единичным коэффициентом усиления; они обеспечивают необходимое преобразование импеданса.

В связи с тем что значения выходных импедансов даже недорогих операционных усилителей лежат в диапазоне от 50 до 200 Ом, сопротивления R и 火2 можно выбирать небольшими. Очевидное преимущество этого приема состоит в том, что он позволяет получать высокие значения коэффициента усиления при незначительном усложнении схемы. Такая схема особенно полезна в тех случаях, для которых характерно очень большое значение входного импеданса. В качестве усилителей У1 и У? либо можно использовать нормальные операционные усилители, в которых инвертирующие входы связаны с выводами выходов, либо выбрать усилитель из семейства LM302; в этом случае необходимое соединение нужно будет сделать во внешней цепи. Однако если к схеме предъявляются действительно жесткие

требования, следует взять высококачественный операционный усилитель на полевом транзисторе с р——«-переходом или на транзисторе с высоким значением коэффициента р.

На рис. 7.5 показан еще один вариант схемы, реализующей ту же самую идею. Здесь коэффициент усиления по напряжению определяется усилителями У1 и У2. Эту схему обычно называют инструментальным усилителем, так как она сочетает такие свойства, как высокий коэффициент усиления и очень высокий входной импеданс, что, как правило, требуется от дифференциальных предусилителей постоянного тока в научной аппаратуре. Регулировка этой схемы для получения оптимального значения КОСС производится точно так же, как регулировка схемы, показанной на рис. 7.2. Усиление классического инструментального усилителя, изображенного на рис. 7.5, определяется следующим выражением:

(7.7)коэффициент усиления 2-го каскада усилителя(7.7)коэффициент усиления 2-го каскада усилителя黑十U院卜

(7.7)

коэффициент усиления 2-го каскада усилителя

(7.7)

коэффициент усиления 2-го каскада усилителя

коэффициент усиления LJ

предусилителя

при условии, что Ra=Rb, Ri=Rz, & =凡+&・

Сопротивление резистора Rc обычно лежит в диапазоне от 500 до 2000 Ом и при желании на этот резистор можно возложить функцию управления коэффициентом усиления. Однако при этом во избежание осложнений в качестве R。нужно использовать последовательное соединение постоянного резистора и потенциометра. Обратите внимание, что Rc стоит в знаменателе выражения (7.7). Если R。принимает значение, близкое к нулю, то А管 стремится к бесконечности. Физически это означает, что усилитель входит в насыщение.

Ниже приводится типовой пример расчета коэффициента усиления по напряжению.

Пусть

Ra — Rb~ ЬО кОм,凡=1 кОм, Rl = R2~^ кОм,兄=凡十& = 20 кОм, тогда

I 屮I 屮1010 (более 60 дБ).1010 (более 60 дБ).

I 屮

I 屮

1010 (более 60 дБ).

1010 (более 60 дБ).

Другие дифференциальные усилители постоянного тока

В качестве дифференциального усилителя постоянного тока можно использовать не только интегральную схему операционного усилителя, но и другие линейные ИС. Проще всего воспользоваться готовой ИС, но следует учесть, что есть соперники, обладающие некоторыми специфическими полезными свойствами.

Все виды «других» ИС можно отнести к какому-либо из двух классов. Некоторые из них похожи на операционные усилители, а другие представляют собой варианты трех или более дискретных транзисторных дифференциальных усилителей, выполненных в виде ИС. К первому классу принадлежат такие устройства, как например, дифференциальный усилитель тока (ДУТ), называемый также усилителем Нортона. К этому же классу относится операционный усилитель проводимости (ОУПР).

Дифференциальные усилители тока

Дифференциальный усилитель тока, или усилитель Нортона, обозначается на схемах с помощью видоизмененного условного знака операционного усилителя так, как показано на рис. 7.6. Следует иметь в виду, что эти устройства в первую очередь предназначены для сигналов переменного тока, но их используют и для сигналов постоянного тока, если можно примириться с выходным напряжением смещения и если вход сбалансирован, как

Рис. 7.6. Основная схема дифференциального усилителя тока (ДУТ), или усилителя Нортона.Рис. 7.6. Основная схема дифференциального усилителя тока (ДУТ), или усилителя Нортона.Рис. 7.7. Неинвертирующий ДУТ.Рис. 7.7. Неинвертирующий ДУТ.RocRoc

Рис. 7.6. Основная схема дифференциального усилителя тока (ДУТ), или усилителя Нортона.

Рис. 7.6. Основная схема дифференциального усилителя тока (ДУТ), или усилителя Нортона.

Рис. 7.7. Неинвертирующий ДУТ.

Рис. 7.7. Неинвертирующий ДУТ.

Roc

Roc

Рис. 7.8. Дифференциальный ДУТ.

Xc]Vl/10Ro. © на самой низкой частоте работы.

в дифференциальной схеме. Отношение Ro.JRbx определяет коэффициент, усиления по напряжению лишь приблизительно, но в большинстве случаев приближение получается достаточно точным, и ошибкой, вызванной наличием других составляющих в коэффициенте усиления, можно пренебречь. Уравнение, описывающее передаточную функцию для установившегося режима работы, имеет вид

Евнх =(匕 т&.<Ж) + °，7 [1 十(凡.с/&х)]・ (7.8)

Эталонное напряжение должно быть меньше или равно Vcc. С учетом величины эталонного напряжения резистор Ai следует выбирать так, чтобы 5 мкА^/i^lOO мкА. Тем самым задается положение рабочей точки при статическом состоянии выхода. Относительно этой точки должно происходить изменение сигнала. Для инвертирующей схемы, показанной на рис. 7.6,

儿 Ro.c/Rrx・ (7.9)

Неинвертирующая конфигурация ДУТ показана на рис. 7.7. Единственное существенное отличие этой схемы от предыдущей состоит в том, что входной резистор переместится с инвертирующего входа в цепь неинвертирующего входа. Коэффициент усиления определяется следующим выражением:

4 = (R°.c/RbJ&/26). (7.10)

При всех обстоятельствах следует придерживаться сформулированного ранее правила для определения допустимого значения тока А. Схема ДУТ приведена на рис. 7.8.

Операционные усилители проводимости

Операционный усилитель проводимости (рис. 7.9) очень похож на обычный операционный усилитель, но в одном существенно отличается от него. Обычный операционный усилитель представляет собой устройство, передаточная функция которого связывает изменение выходного напряжения с изменением входного напряжения, т. е.

ЛааД£вых/Д£вх.(7.П)

Для семейства ОУПР, однако, передаточная функция связывает выходной ток с изменением входного напряжения, т. е.

4 = вы] ~Е вх*(7.12)

Но, с другой стороны, свойство, называемое проводимостью, определяется соотношением, заданным уравнением (7.12), поэтому мы обоснованно можем называть это устройство усилителем проводимости. Тогда уравнение (7.12) можно записать в следующем виде:

gm — 'внх/Евх。(7.13)

Разрешим уравнение (7.13) относительно /вых：

/BMX=(gm)(EBx)・(7.14>

Операционный усилитель и ОУПР существенно отличаются друг от друга по зависимости выходного напряжения от сопротивления нагрузки. Мы установили, что в классическом операционном усилителе выходное напряжение сравнительно мало зависит от сопротивления внешней нагрузки до тех пор, пока усилитель не перейдет в режим насыщения. После этого поло-

Рис. 7.9. Схема управляемого операционного усилителя проводимости. 'ВНХ = (g ⑺ Евх，^вых = ^вых^н,

жение дел совершенно изменяется, и ни одно из обычных уравнений не описывает достоверно новое состояние. Если же мы имеем дело с семейством ОУПР, то следует учесть, что выходное напряжение подчиняется закону Ома и определяется следующим образом:

Epblx —

Даже в недорогих ОУПР типа СА3080 фирмы RCA значения проводимости достигают 10 000 мкСм. Интересно, что регулировка точного значения проводимости осуществляется за счет управления током смещения усилителя /аьс-

Операционный усилитель проводимости можно использовать почти во всех практических случаях, как и обычный операционный усилитель. Его можно также использовать там, где нужен аналоговый умножитель, а точность и линейность, обеспечиваемые интегральной схемой умножителя, не имеют существенного значения.

Эта схема служит для обычного аналогичного перемножения напряжений; кроме того, можно встретить примеры использования ее в качестве амплитудного модулятора или смесителя гетеродина (и в том и в другом случае производится перемножение, но это не всегда осознают).

Нельзя не оценить широкие возможности конструирования схем, обусловленные наличием вывода тока смещения усилителя. Его можно использовать, например, для дистанционного включения и выключения усилителя или в схеме мультиплексора переключательного типа.

Глава 8

УСТРОЙСТВА ФАЗОВОЙ

АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

Схема фазовой автоподстройки частоты (ФАП) отслеживает изменения частоты входного сигнала за счет соответствующего изменения частоты своего собственного генератора.

Теория ФАП

Пример схемы ФАП показан на рис. 8.1. Схема состоит из 4 основных частей: фазового детектора, фильтра нижних частот, усилителя постоянного тока и управляемого генератора.

Управляемый генератор (УГ) формирует сигнал, частота которого зависит от напряжения постоянного тока, приложенного к одному из его входов. В гл. 13 рассмотрены дальнейшие аспекты построения схем УГ.

Фазовый детектор — это схема, которая сравнивает два входных сигнала переменного тока и формирует сигнал ошибки — напряжение постоянного тока, пропорциональное разности фаз входных сигналов.

Рис. 8.1. Функциональная схема устройства ФАП.

Фильтр нижних частот, подключаемый к выходу фазового детектора, служит для сглаживания сигнала ошибки и подавления остатков двух входных сигналов переменного тока.

Усилитель постоянного тока можно включить в схему, а можно без него и обойтись. Он выполняет функцию приведения потенциала постоянного тока с выхода фазового детектора куров- ню, подходящему для УГ. Если потенциал детектора сразу уже имеет этот уровень, то усилитель постоянного тока не нужен.

Для того чтобы понять, как работает схема ФАП, лучше всего для начала рассмотреть случай, когда частота входного сигнала в точности равна частоте УГ. При этом выход фазового детектора равен нулю.

В таком случае на фильтр нижних частот и на усилитель постоянного тока входной сигнал не поступает. В связи с этим напряжение, приложенное к входу УГ, равно либо нулю, либо некоторому постоянному уровню смещения, определяемому усилителем постоянного тока или внешней схемой делителя напряжения. В результате действующий на входе УГ уровень не 况з- женился, поэтому не изменилась выходная частота УГ.

Что же произойдет, если частота входного сигнала не будет равна частоте УГ? В этом случае на выходе фазового детектора появится потенциал постоянного тока, пропорциональный разности частот. Он будет усиливаться усилителем постоянного тока и будет поступать на вход УГ. Таким образом, состояние входа УГ изменится и в результате начнет изменяться частота на выходе УГ. Это изменение будет продолжаться до тех пор, пока разность частот будет отлична от нуля, т. е. пока выход фазового детектора не станет равен нулю1.

Рассмотрим теперь, что произойдет, если частота на входе изменится и будет очень сильно отличаться от частоты УГ. Если разница очень велика, то сигнал на выходе фазового детектора будет иметь слишком высокий уровень для входа УГ и схема не будет работать как следует.

Состояние схемы ФАП, при котором частота УГ поддерживается постоянной относительно частоты входного источника, называется удержанием. Если частота входного сигнала примет такое значение, которое УГ не может «захватить», то состояние удержания не установится. Полоса захвата ——это диапазон час-

D В книге есть одна неточность, на которую следует обратить внимание читателя. При анализе системы фазовой автоподстройки частоты, функциональная схема которой приведена в гл 8, говорится, что при расстройке частоты входного сигнала относительно частоты управляемого генератора напряжение на выходе фазового детектора будет равно нулю в установившемся режиме. Это не так, так как при нулевом напряжении на выходе фазового детектора частота управляемого генератора примет значение, которое отличается от частоты входного сигнала на величину первоначальной расстройки Для правильного уяснения принципов работы схемы фазовой автоподстройки частоты следует обратиться к дополнительной литературе. — Прим, ред.

FSblX

Рис 8.2. Функциональная схема устройства ФАП со счетчиком, имеющим коэффициент деления N.

тот, в котором всегда устанавливается состояние удержания. Иногда она определяется как частота (т. е. столько-то килогерц), а может быть выражена в процентах от центральной частоты.

На рис 8.2 показана разновидность схемы ФАП, в которой частота УГ не равна растоте входного сигнала. В случае, который здесь показан, входная частота снимается с эталонного стабильного кварцевого генератора. Схема этого типа находит широкое применение, например ее используют в современной 40-канальной радиостанции С-диапазона, где она служит для управления частотой передатчика и приемника. Ее можно также встретить в недавно появившемся семействе генераторов ВЧ-сигналов, обеспечивающих высокую точность при относительно невысокой стоимости. В этих примерах У Г используется вместо обычных генераторов.

Необходимость этой замены связана с тем, что стабильность работы LC-генераторов нарушается под влиянием изменений температуры и вибраций. С другой стороны, кварцевые элементы характеризуются гораздо более высокой стабильностью при тех же условиях работы. Правда, они несколько дороже. Дороже настолько, что, например, 40-канальная радиостанция для диапазона С, которая должна была бы иметь приемный и передающий кварц в каждом канале, превратилась бы в недосягаемую роскошь. Цена осталась достаточно высокой даже после появления псевдосинтезатора кварцевого типа. С другой стороны, синтезатор с ФАП обеспечивает для всех 40 каналов стабильность и точность, близкие к стабильности и точности эталонного кварцевого генератора, и все это сравнительно недорого. Частоту УГ, которая нередко значительно превосходит частоту эталонного генератора, устанавливают путем регулировки коэффициента деления двоичного счетчика.

Схему ФАП используют также при демодуляции ЧМ ^час- тотно-модулированных) сигналов. ЧМ-сигналы изменяются от-

носительно средней частоты или частоты покоя в соответствии с изменением модулирующего сигнала звуковой частоты. Обычные частотные детекторы ——это довольно деликатные устройства, в которых используются радиочастотные фазовые трансформаторы. Если же несущая ЧМ-сигнала имеет низкую частоту, что довольно часто встречается в аппаратуре, то задача создания такого устройства становится почти безнадежной, так как низкочастотные подстраиваемые трансформаторы громоздки и неудобны в работе. Для того чтобы произвести демодуляцию, лучше всеего воспользоваться простой интегральной схемой ФАП.

Демодуляция ЧМ-сигналов

с помощью схемы ФАП

Возьмем схему ФАП, такую, какая показана на рис. 8.1. На вход будем подавать ЧМ-сигнал с УПЧ (усилителя промежуточной частоты) радиоприемника или телеметрический ЧМ-сигнал звуковой частоты с ЧМ-несущей с магнитофона или какого- нибудь другого устройства. Что касается последнего случая, то оказывается, что в большинстве магнитофонов для низкочастотной аналоговой аппаратуры используется ЧМ-несущая в диапазоне звуковых частот.

Если сигнал не модулирован, то УГ находится в состоянии удержания и сигнал ошибки равен нулю. Если на вход подать ЧМ-сигнал, то УГ выйдет из состояния удержания и на выходе фазового детектора появится сигнал ошибки. Этот сигнал представляет собой напряжение постоянного тока, которое изменяется при изменении частоты входного сигнала ——обычный режим фазовой автоподстройки. Но изменения частоты обусловлены изменением модулированной несущей, значит изменения напряжения на выходе детектора представляют собой закон модуляции.

Демодуляция частотно-манипулированного сигнала

с помощью схемы ФАП

Фирма Signetics выпускает несколько интегральных схем ФАП; среди наиболее популярных можно назвать схемы типа 565 и 567. На рис. 8.3 показано использование схемы 565 в качестве специального частотного детектора, который преобразует частотно-манипулированный (ЧМн) входной сигнал в цифровые логические уровни. Манипуляция сдвигом частоты —это своего рода 《цифровая》частотная модуляция, при которой для представления двоичных логических уровней 1 и 0 используются две частоты. Манипуляция сдвигом частоты первоначально предназначалась для работы с телетайпом, но позднее ее стали использовать и в вычислительной технике.

Рис. 8 3. Схема ФАП-детектора ЧМн-сигнала на основе ИС типа 565.

Демодулятор ЧМн-сигнала состоит из двух частей: интегральной схемы ФАП типа 565 и интегральной схемы компаратора типа 710. На выходе txeMbi ФАП, на выводах 6 и 7, формируется один из двух уровней напряжения постоянного тока, в зависимости от частоты, представляющей логический уровень 1 или 0. Конденсаторы С5) С6 и С7 образуют фильтр нижних частот (не тот фильтр, который стоит в петле обратной связи), предназначенный для уменьшения или уничтожения остатков сигнала УГ и входного сигнала, которые могли пройти через фильтр петли (напомню, что нас интересует сигнал ошибки — напряжение постоянного тока). Эту схему можно использовать в качестве ЧМ-демодулятора, если ИС типа 710 заменить на ИС типа 741 и включить два дополнительных резистора： один — для обратной связи (в цепи инвертирующего входа), а другой для заземления (в цепи неинвертирующего входа).

Тональный декодер на основе схемы ФАП

Тональный декодер (рис. 8.4) построен с использованием схемы ФАП типа 567 фирмы Signetics. Состояние выхода вентиля НЕ ИЛИ (1 или 0) изменяется, когда на входе появляется тон, определяемый элементами Ri и &. Лучше всего эта схема работает тогда, когда эффективная амплитуда входного сигнала составляет по крайней мере 70 мВ. Емкость конденсатора Сг должна составлять не менее 1300 мкФ. При этих условиях УГ получает возможность осуществить захват за несколько периодов

Рис. 8.4. Тональный ФАП-декодер на основе ИС типа 567. 2,2 kOm<QV2,2 кОм.

входного сигнала; правда, это не такая уж фантастическая скорость. Например, при частоте 1000 Гц для захвата может потребоваться 14 периодов (1/10000 Гц=0,001 с= 1 мс), т. е. около 14 мс. В нашей обыденной жизни время 14/1000 с кажется нам небольшим, а для электронных схем — это очень большое время.

Тональное декодирование обычно связывают с системами связи, но оно находит также широкое применение и в другой аппаратуре. Раньше эту функцию выполняли громоздкие и не слишком надежные LC-фильтры или чувствительные /?С-фильт- ры-усилители. Даже если прибегнуть к современным активным фильтрам на операционных усилителях, удастся лишь уменьшить габариты устройства. Качество работы системы может улучшить только схема ФАП.

Глава 9

НЕКОТОРЫЕ ПОЛЕЗНЫЕ СХЕМЫ (ГЛАВНЫМ ОБРАЗОМ АНАЛОГОВЫЕ)

В этой главе мы рассмотрим схемы, которые на первый взгляд не укладываются в рамки этой книги, между тем они достаточно интересны и очень полезны. Хотя большинство из этих схем и не стоят того, чтобы посвящать им отдельную главу, они пригодятся вам для конструирования аппаратуры.

Интегрирование

В математике понятие интегрирование связано с нахождением площади под кривой функции. Во многих областях техники и физики приходится сталкиваться с интегрированием по времени. Оно позволяет находить среднее значение функции на интервале времени, что в некоторых случаях представляет больший интерес, чем сама функция.

Некоторые электронные схемы позволяют приближенно выполнить усреднение по времени. Для электронной интегрирующей схемы

E^blx= ^pвxd^+E1> (9.1)

где Евх — напряжение как функция времени; £\ — постоянная интегрирования, или начальное условие; К — константа; t — время.

Пассивный интегратор

На рис. 9.1 показана основная пассивная интегрирующая /? С-схем а (7?С-интегратор). Входное напряжение в схеме создает ток /ь который заряжает конденсатор С〔. Напряжение на конденсаторе & на интервале времени (为一幻 пропорционально интегралу, приведенному в уравнении (9.1).

Схема, изображенная на рис. 9.1, может быть знакома вам как схема /?С-фильтра нижних частот, так как она и правда представляет собой одну из разновидностей схем такого фильтра. Если в описании какой-нибудь научной аппаратуры вам

141

ооРис. 9.1. RC-фнльтр нижних частот/интегратор.Рис. 9.1. RC-фнльтр нижних частот/интегратор.встретится термин «фильтр нижних частот», знайте, что в действительности схема, возможно, используется для интегрирования по времени. Конечно, такая связь совсем не обязательна, но с ней приходится сталкиваться довольно часто, и поэтому я считаю нужным сообщить вам о《стиле》，характерном для тех, кто пишет технические руководства.

о

о

Рис. 9.1. RC-фнльтр нижних частот/интегратор.

Рис. 9.1. RC-фнльтр нижних частот/интегратор.

Частота среза для схемы, показанной на рис. 9.1, определяется следующим выражением:

% = '2nRC •

(9.2)(9.2)Вы, наверное, поняли, что интегрирующие свойства этой схемы каким-то образом зависят от рабочей частоты. Оказывается, что на частотах выше % интегрирующие свойства проявляются в минимальной степени, если проявляются вообще, и с увеличением частоты исчезают совсем. Интегрирование возможно только в том случае, когда частота поданного на вход сигнала гораздо ниже /о- Иными словами, период входного сигнала (1/f) должен быть меньше постоянной времени /?С-цепи.

(9.2)

(9.2)

Недостатком простого ЛС-интегратора является то, что в схеме происходят потери и сигнал несколько ослабляется. Этот недостаток особенно сильно проявляется в тех случаях, когда схемы, подключаемые к интегратору, в значительной степени нагружают резистор R; проблемы возникают и тогда, когда сопротивление нагрузки оказывается меньше 100 R, а в некоторых случаях 1000 R】. Достоинство же этой схемы состоит в том, что для выполнения интегрирования не требуются активные компоненты или источники питания. С помощью интегратора этого типа можно разрешить некоторые связанные с шумом проблемы, которые могут возникать в аппаратуре. Например, на полезный сигнал может накладываться высокочастотная помеха, или может быть так, что небольшие высокочастотные изменения сигнала не представляют интереса, но среднее значение функции на коротком промежутке времени имеет первостепенное значение. Схему интегратора, показанную на рис. 9.1, можно разместить в металлическом экранированном корпусе, выводы которого подходят для существующей ацпаратуры, и тогда ее очень легко

встроить в систему. Один очень опытный инженер-системотехник как-то раз заявил: «Дайте мне коробку с конденсаторами и резисторами, и я разберусь со всеми помехами». Звучит это несколько претенциозно, но доля правды тут есть!

Единственное существенное ограничение использования этой схемы связано с тем, что она должна подключаться к источнику с низким импедансом, например к выходу усилителя, к ней же в свою очередь должна подключаться нагрузка с высоким импедансом, например неинвертирующий повторитель на операционном усилителе. Эту схему следует также использовать при условии, что значения R 玄 С могут быть небольшими. Интегрирование в конечном счете зависит от постоянной времени RC-непи, и высокое значение любого из компонентов может вызвать осложнения. Старайтесь выбирать такие элементы, чтобы сопротивление резистора R было значительно меньше 1 МОм, а емкость конденсатора С меньше 1 мкФ. В любом случае следует пользоваться только высококачественными конденсаторами.

Активные интеграторы

Активный интегратор можно построить, поместив между двумя операционными усилителями такую схему, которая показана на рис. 9.1. Ко входу интегратора подключается повторитель с единичным коэффициентом усиления, другой повторитель используется для подключения к выходу. Конденсатор интегратора включается между неинвертирующим входом второго операционного усилителя и землей. В качестве первого операционного усилителя можно использовать почти любое устройство, при условии, что оно обладает небольшим уровнем смещения, присутствующим на выходе, или же если предусмотрена специальная схема для сведения этого уровня к нулю. В противном случае возникает дополнительная ошибка, соответствующая постоянной интегрирования, без которой лучше бы обойтись [£i в уравнении (9.1.) ]. Второй операционный усилитель должен иметь очень высокий входной импеданс, в противном случае он будет стремиться разрядить конденсатор даже во время интегрирования входного сигнала. Для этого усилителя используйте входной операционный усилитель на полевом транзисторе с р—/г-переходом или на полевом МОП-транзисторе. Кроме того, помните о том, что при включении конденсатора между входом операционного усилителя и землей появляется возможность генерации высокочастотного шума. В связи с этим описанную схему рекомендуется использовать только в тех случаях, когда входной сигнал имеет сравнительно большую амплитуду.

На рис. 9.2 показан активный интегратор, лишенный некоторых недостатков предыдущих схем. Сейчас мы перейдем к краткому описанию его схемы, которое может показаться вам несколько утомительным.

Рис. 9.2. Активный интегратор на основе операционного усилителя.

В этой интегрирующей схеме, называемой в большинстве учебников классическим интегирующим операционным усилителем, конденсатор, используемый для хранения пропорционального интегралу заряда, включается в цепь обратной связи операционного усилителя. Ток заряда конденсатора равен току, протекающему по резистору Ri и созданному входным напряжением. Работа активного интегратора описывается следующим уравнением:

евых =忐-/^或十当.(9.3)

Здесь, как и в уравнении (9.1), величина £\ задает начальное условие интегрирования. В качестве начального условия выступает напряжение, которое присутствует на выходе к моменту начала интервала (友一九)・ Оно может быть обусловлено ошибками, смещением, или его могли подать на интегратор специально перед началом интегрирования. Помимо математических соображений, обусловливающих наличие константы интегрирования во всех интегралах, присутствие этой величины в выражении (9.1) связано с тем, что многие процессы, протекающие в аппаратуре, или используют предварительно поданное постоянное напряжение, или производят суммирование с напряжением, представляющим закончившийся перед интегрированием процесс. В некоторых приборах, например, вход интегратора в определенный момент переключается от одной части схемы к другой, так что в результате фактически производится двойное ин-

тегрирование или, если быть более строгим, суммирование интегралов. В этом случае результат первого интегрирования можно рассматривать как величину Е\ для второго интеграла; при этом появляется возможность сэкономить — использовать для решения поставленной задачи всего один интегратор.

Теоретически интегратор должен запомнить напряжение, представляющее результат интегрирования в момент времени 瓜 На практике, однако, выходное напряжение уменьшается не иначе как под влиянием «таинственной силы», потому что видимых причин для этого нет. Причиной «таинственного» уменьшения выходного напряжения, т. е. уменьшения выходного напряжения^ не связанного с соответствующим изменением сигнала на вхон% является утечка конденсатора, а также входной импеданс операционного усилителя (главным образом его входные токи смещения).

Переключатель Hi используется для сброса интегратора в нуль. Сброс следует делать перед началом интегрирования с тем, чтобы исключить возможность появления случайной постоянной интегрирования Е\. Интервал интегрирования устанавливают с помощью входного переключателя 口2・ Он включается таким образом, чтобы вход схемы был заземлен перед началом этого интервала и после него, а в течение интервала интегрирования был связан с самим интегратором.

В качестве усилителя У】 теоретически можно использовать любой операционный усилитель, особенно если можно примириться с небольшим наклоном его характеристики. Примером может служить система, где интегратор используется прежде всего как фильтр нижних частот, или некоторые другие применения. Однако в большинстве случаев в качестве У[ нужно использовать высококачественный операционный усилитель. При этом можно избавить себя от некоторых проблем, которые мы обсудим в гл. 22 в разделе, посвященном практическим примерам интеграторов. Высококачественный усилитель особенно желательно иметь в тех случаях, когда схема используется для обработки медленно изменяющегося сигнала, или когда выходной уровень должен сохраняться в течение длительного периода после завершения процесса интегрирования, или же когда интегрирование ведется на большом временном интервале (длительность которого измеряется в секундах). Мы сталкиваемся опять с тем, что ток смещения операционного усилителя стремится зарядить конденсатор &. И снова в некоторых случаях начинают явно проявляться другие ошибки, если недостаточно высок коэффициент усиления усилителя при разомкнутой петле обратной связи.

Еще одна проблема в схемах этого типа связана с падением выходного напряжения из-за токов утечки через конденсатор. Это явление обусловлено тем, что параллельно каждому конденсатору подключено некоторое сопротивление. К счастью, существует простой прием, с помощью которого можно почти пол-

ностью устранить присущие электронным интеграторам проблемы падения напряжения,——нужно применять только высококачественные компоненты. Например, никогда не используйте в качестве & электролитический конденсатор. Всем электролитам свойственны большие утечки, и они годятся только для самых грубых систем, в которых самое существенное значение имеют небольшие габариты конденсатора при сравнительно большом значении емкости. Во всех остальных случаях электролитические конденсаторы должны довольствоваться своим скромным положением в《обществе》электронных компонентов — «каждый сверчок, знай свой шесток!》

В системах, где требования не слишком жестки, могут выручить миларовые, слюдяные, керамические конденсаторы, металлические конденсаторы с пленкой окисла или пленочные конденсаторы. В критических случаях, т. е. там, где требуется иметь большую постоянную времени, большое время хранения заряда и где допускается малое падение напряжения, следует использовать высококачественные конденсаторы, в которых диэлектриком служит стекло, поликарбонат или полистирол.

Кроме того, операционный усилитель должен обладать очень большим импедансом. Схема типа 741 подходит только для таких систем, где допустимы большие искажения входных импульсов, но даже и там необходимо предусматривать меры противодействия входным токам смещения. Лучше всего выбрать операционный усилитель с очень большим входным импедансом, например, из числа входных каскадов на полевых транзисторах или на транзисторах со сверхвысоким значением коэффициента р (транзистор Дарл1ингтона) или из недавно появившейся серии БиМОП-устройств с диодной защитой типа СА3130, СА3140 и СА3160 фирмы RCA.

Учтите, что все ваши усилия проладут даром, если вы неправильно выберете значения/?! и Ci Вернитесь к уравнению (9 3) и обратите внимание, что произведение RG стоит в знаменателе. Реальные значения Ri имеют порядок 107 Ом или ниже, а реальные значения емкостей ——от 10-12 Ф до примерно 10-6 Ф для тех типов конденсаторов, которые можно использовать в интегрирующих схемах. Если значения выбраны неправильно, то интегратор будет иметь слишком большой коэффициент усиления и большую часть времени будет находиться в насыщении. Рассмотрим пример, в котором используется резистор сопротивлением 100 кОм и конденсатор емкостью 1 мкФ. Константа, не входящая под знак интеграла в уравнении (9.3), равна

(105)(10-6) — 2

Такая Т^С-цепь умножает выходную величину на коэффициент, равный 10; в связи с этим для большинства операционных усилителей диапазон входных сигналов должен быть значительно 146

меньше 1 В. Еще хуже будет, если взять конденсатор с меньшим значением емкости. Если, например, мы бы взяли конденсатор емкостью 1000 пФ, то множитель был бы равен

1(105) (ЮТ)1(105) (ЮТ)104= 10000.104= 10000.(9-4>(9-4>

1

(105) (ЮТ)

1

(105) (ЮТ)

104= 10000.

104= 10000.

(9-4>

(9-4>

При этом интеграл входного напряжения умножался бы на коэффициент 10 000! Это значит, что, как только входной ток станет равным нескольким микроамперам, выходное напряжение достигнет предельного значения — станет равным напряжении? питания и каскад перейдет в режим насыщения. Едва ли это нужно. Кроме того, в этом случае входные токи смещения вызовут возрастание выходного напряжения ——оно начнет изменяться как пилообразное напряжение с малым периодом.

Электромеханический способ интегрирования

Наше знакомство с интеграторами мы завершим рассмотрением нетребовательной, но эффективной интегрирующей схемы, находящей широкое применение в недорогой аппаратуре. Схема, показанная на рис. 9.3, представляет собой сочетание RC-0H- тегратора с механическим интегратором. Работа системы определяется собственной инерцией подвижной части измерительного прибора в подшипниках и эффектом электронного интегрирования в Т^С-цепи. Постоянная времени определяется конденсато-

0—Вход0—ВходРис. 9.3. Электромеханический интегратор.Рис. 9.3. Электромеханический интегратор.к—°ПВыходк—°ПВыход

0—

Вход

0—

Вход

Рис. 9.3. Электромеханический интегратор.

Рис. 9.3. Электромеханический интегратор.

к—°

ПВыход

к—°

ПВыход

/ 0

Рис. 9 4 /?С-фильтр верхних частот/дифференцирующая схема.

ром Ci и совокупностью сопротивлений, включая сопротивление обмотки измерителя. В качестве Ci можно использовать электролитический конденсатор, хотя это и противоречит данному ранее совету. Дело в том, что емкость его должна составлять величину от нескольких десятков до нескольких сотен микрофарад, а сам он является не единственным элементом, участвующим в процессе интегрирования. Он служит в основном для демпфирования.

Дифференцирующие схемы

Дифференцирующая схема ——это такая схема, напряжение на выходе которой пропорционально скорости изменения входного сигнала. Следовательно, для сигнала постоянного тока напряжение на выходе дифференцирующей схемы равно нулю, так как входной сигнал не изменяется. Итак, выход дифференцирующей схемы представляет собой производную входной функции. На рис. 9.4 показана простая дифференцирующая схема.

Дифференцирующая схема используется также в качестве фильтра верхних частот, причем частота среза определяется уравнением (9.2). Здесь мы опять сталкиваемся с тем, что свойства схемы, в данном случае дифференцирующей, зависят от частоты. Постоянная времени цепи, образованной элементами R и &, должна иметь небольшое значение по сравнению с периодом входного сигнала. Период определяется соотношением 7 = 1/力 но иногда приходится использовать другие параметры сигнала. Например, иногда важным параметром является время нарастания импульса. В любом случае, как правило, имеет смысл подбирать постоянную времени дифференцирующей схемы так, чтобы она составляла примерно одну десятую часть интервала времени, характеризующего входной сигнал.

На рис. 9.5 показана активная дифференцирующая схема. Операционный усилитель здесь выступает в качестве активного элемента ——источника тока. Обратите внимание, что в этой схем по сравнению со схемой активного интегратора, которую мы

Рис. 9.5. Активная дифференцирующая схема на основе операционного усилителя.

рассмотрели выше, элементы R и Ci поменялись местами. Это поможет понять одно очень полезное для конструирования электронной аппаратуры свойство.

Из дифференциального и интегрального исчислений нам известно, что интеграл от производной функции есть сама эта функция. Аналогично дифференциал интеграла функции есть также сама функция. Следовательно, можно сделать вывод, что интегрирование и дифференцирование взаимно дополняют друг друга. Если пропустить сигнал сначала через интегратор, а затем через дифференцирующую схему, то теоретически он должен остаться неизменным. Как вы узнаете из следующей главы (посвященной датчикам), это свойство может очень пригодиться, когда нужную информацию получить трудно, а соответствующий интеграл или производную получить легко.

Пиковые детекторы

Пиковый детектор — это такая схема, напряжение на выходе которой равно или по крайней мере пропорционально наибольшему пиковому напряжению входного сигнала.

Пример схемы запоминания пиков или пикового детектора приведен на рис. 9.6. Операционный усилитель У1 в основном выполняет функции буфера, он включен по схеме неинвертирующего повторителя с единичным коэффициентом усиления. Напряжение с выхода операционного усилителя У〔 используется для заряда конденсатора Сь Так как выходной каскад представляет собой еще один усилитель с единичным коэффициентом усиления, то выходное напряжение будет примерно равно напряжению на

Назначение диода Д] состоит в том, чтобы предотвратить разряд конденсатора Ci через выход усилителя Уь обладающий малым импедансом. Диод Д\ обязательно должен быть крем-

Рис. 9.6. Пиковый детектор (устройство запоминания пиковых значений) на основе операционного усилителя.

ниевым, его следует подобрать или по паспортным данным, или вручную, так как он должен обладать очень большим обратным сопротивлением. Иногда усилитель У1, диод Д】и еще один высококачественный диод, подобный диоду Дь используют для создания схемы активного прецизионного, или «идеального», выпрямителя.

Одна из первостепенных проблем, связанных с рассматриваемой схемой, состоит в падении выходного напряжения, и это не вызывает особого удивления, так как схема очень похожа на описанный выше интегратор. Падение напряжения связано с частичным разрядом конденсатора Ci из-за трех основных причин: утечки Дь конечного импеданса усилителя У2 и утечки конденсатора С\. Бороться с этими явлениями здесь нужно так же, как в схеме интегратора. Мы обсудили этот вопрос раньше в этой главе.

Пиковый детектор, показанный на рис. 9.6, отслеживает только пики положительного входного сигнала. Это связано с разрешенным направлением протекания тока через диод Д1. Для того чтобы отслеживались отрицательные пики, в схеме нужно произвести одну из двух замен: изменить направление диода Д1 или сделать усилитель У】 инвертирующим. Можно также перед усилителем У1 включить инвертирующий повторитель.

Напряжение на конденсаторе С\ в действительности немного меньше фактического входного напряжения. Различие обусловлено обычным падением напряжения на кремниевом диоде, составляющим примерно 0,7 В, из-за которого и возникает небольшая ошибка. Ее можно уменьшить, если выполнить входной каскад в виде идеального прецизионного выпрямителя или если подать на У】 небольшое напряжение смещения по постоянному току для компенсации ошибки. Первый из этих двух способов лучше.

В некоторых приборах необходимо вырабатывать логический уровень всякий раз, когда устанавливается новое пиковое значение. Для этой цели можно использовать компаратор на основе операционного усилителя (гл. 3). Один вход компаратора подключается к Евых, а другой ——к ЕВх.

В качестве примера рассмотрим схему, отслеживающую положительные пики, подобную той, которая показана на рис. 9.6. Пусть компаратор подключен так, как показано на рис. 9.7, а, В этом случае выходное напряжение пикового детектора подается на инвертирующий вход компаратора, а входное напряжение——на неинвертирующий вход. Напряжение Ел — это потенциал выхода компаратора, а Ев — потенциал выхода схемы.

Выходное напряжение компаратора может изменяться от максимального отрицательного значения до максимального положительного значения, в зависимости от полярности входного сигнала. Конечно, в связи с чрезвычайно высоким значением коэффициента усиления разность входных напряжений, требующаяся 150

Еззх

для изменения напряжения на выходе, может быть небольшой. Диод Д1 используется для того, чтобы потенциал Ев не мог стать отрицательным. В некоторых других случаях может возникнуть противоположное требование, тогда диод Д1 нужно будет включить в противоположном направлении. В нашей схеме выходное напряжение будет принимать только нулевые или положительные значения.

Состояния выхода схемы показаны на рис. 9.7, 6. Когда £вх меньше, чем предшествующее пиковое значение, напряжение ЕА имеет максимальное отрицательное значение. При этом диод Д1 смещен в обратном направлении и Ев принимает нулевое значение. Аналогично, когда входное напряжение возрастает до такого же точно значения, какое имел предшествующий пик (£вых = = Евх), напряжение £д, как и ЕВз становится равным нулю. Однако когда устанавливается новый пик, в течение короткого периода, необходимого для заряда запоминающего конденсатора, Евх превышает £Bbix- При этом всякий раз, когда устанавливается новый пик, на выходе компаратора в течение короткого промежутка времени фиксируется положительное напряжение. Ширина импульса определяется скоростью заряда конденсатора Ci (рис. 9.6). Если емкость конденсатора очень мала, он будет заряжаться очень быстро и импульс будет очень узким, может быть, даже слишком узким, чтобы его можно было практически использовать. Во всяком случае изменения ширины импульса и некоторые другие проблемы заставляют многих кон-

структоров включать после компаратора ждущий мультивибратор, чувствительный к короткому импульсу запуска.

Подобные вентильные пиковые детекторы встречаются в аппаратуре или в системах сбора данных на ЭВМ, где нужны только пиковые значения и представляют интерес только новые пики. Импульс с вывода Ев или с включенного следом каскада ждущего мультивибратора может, к примеру, заставить вычислительную машину начать обработку новых данных. Благодаря этому появляется возможность использовать память меньшего объема ——путь к спасению для микрокомпьютеров Запоминаются только нужные данные, а не все подряд.

Некоторые фирмы выпускают специальные аналоговые схемы пиковых детекторов, или функциональные модули. Большинство из них состоит из двух необходимых операционных усилителей, диода-изолятора, внутреннего стабилизатора источника питания и внутренней схемы температурной компенсации, выполненных на одном кристалле или на керамической подложке. Некоторые из этих модулей работают от однополярного источника питания (Vcc — земля), но для большинства требуется такой же источник, как для операционного усилителя. Эти устройства предпочтительней использовать тогда, когда критичным является число компонентов или температурная зависимость характеристик.

Схемы выборки и запоминания

Схема, с помощью которой можно измерить и сохранить напряжение, действующее на входе в течение короткого промежутка времени, называется схемой выборки и запоминания. На рис. 9.8 показана такая схема, ее работа основана на принципе дей* ствия пикового детектора.

В аналоговую схему выборки и запоминания включен входной переключатель (в данном случае полевой транзистор с р—/7-переходом Qi)——в этом состоит ее принципиальное отличие от схемы пикового детектора. Транзистор блокирует входное напряжение £вх до тех пор, пока не поступит команда на управляющий вход. Когда на этом входе появится положительное напряжение, транзистор Qi начнет проводить ток и передаст Евх на вход усилителя

Конкретный вид переключателей П1 и П2 определяется скоростью работы и некоторыми другими соображениями. Они могут быть механическими переключателями, или контактами реле (в системах с очень низким быстродействием), дискретными полевыми транзисторами с р——^-переходом, или полевыми МОП- транзисторами, или аналоговыми переключателями на таких ИС> как, например, одна секция КМОП-схемы типа CD4016. Хотя электронные переключатели определенно обладают более высоким быстродействием, их следует выбирать с осторожностью^ 152

Рис. 9.8. УстройствоРис. 9.8. Устройствовыборки и запоминания.выборки и запоминания.Рис 9.9 Цифровая схема выборкиРис 9.9 Цифровая схема выборкии запоминания.и запоминания.

Рис. 9.8. Устройство

Рис. 9.8. Устройство

выборки и запоминания.

выборки и запоминания.

Рис 9.9 Цифровая схема выборки

Рис 9.9 Цифровая схема выборки

и запоминания.

и запоминания.

помня о том, что в выключенном состоянии переключатель должен иметь очень большое обратное сопротивление.

На рис. 9.9 показана схема выборки и запоминания цифрового типа, в которой почта полностью устранено падение выходного напряжения, правда за счет усложнения схемы. В связи с этим цифровые схемы могут особенно пригодиться в тех случаях, когда хранение должно быть длительным или когда допустимо только небольшое падение выходного напряжения. Основой цифровой схемы выборки и хранения служит ИС цифроаналогового преобразователя (ЦАП).

Цифроаналоговым преобразователем я называют здесь схему, которая создает выходной ток (/вых), пропорциональный

значению числа, представленного на входах схемы. В состав» большинства ЦАП в интегральном исполнении входят встроенный двоичный счетчик и резистивная цепь типа R—2R, необходимая для создания тока (гл. 14). Эта схема требует некоторого внешнего обрамления — источника импульсов синхронизации и необходимую управляющую логику.

Ток /вых подается на инвертирующий вход усилителя Уь Напряжение вывода ^вых равно /bmxR. Это напряжение подается как на выход схемы, так и на инвертирующий вход усилителя У2 — операционного усилителя, включенного по схеме компаратора.

Входное напряжение, из которого должна быть произведена выборка, подается на неинвертирующий вход компаратора У2. На выходе компаратора сохраняется высокий уровень до тех пор, пока Евх превосходит ЕВых. В состоянии выборка на обоих входах схемы управляющей логики действует высокий уровень. При этом на ее выходе действует низкий уровень и синхроимпульсы на ЦАП не поступают.

Теперь рассмотрим, как протекает типичный цикл выборки. На соответствующий вход подан импульс сброса. Он устанавливает двоичный счетчик ЦАП в состояние, скажем, 00000000, и обеспечивает блокировку входа синхронизации ЦАП. Затем подается импульс выборки. Он используется для того, чтобы снять блокировку схемы управления и дать возможность импульсам синхронизации пройти на вход двоичного счетчика ЦАП.

Ток /вых равен нулю, когда на счетчике установлен нуль, но он получает фиксированное приращение всякий раз, когда содержимое счетчика увеличивается в ответ на поступление импульса синхронизации. В исходном состоянии, когда на счетчике зафиксировано значение 00000000, и ток /叫，и напряжение £вых равны нулю.

Выборка начинается тогда, когда становится высоким напряжение на входе разрешения выборки. В это время схема управления начинает пропускать импульсы синхронизации на ЦАП. Всякий раз когда получают приращение выходы двоичного счетчика ЦАП (на схеме не показаны), получает фиксированное приращение ток 7Выхл а следовательно, и напряжение ^вых. Таким образом, напряжение £Вых возрастает подобно ли- нейно-возрастающей или пилообразной функции.

Напряжение £вх, из которого должна быть произведена выборка, подается на неинвертирующий вход компаратора У2. Выход этого каскада сохраняет высокий уровень и поддерживает в рабочем состоянии управляющую схему ЦАП до тех пор, пока входное напряжение Евх больше, чем выходное напряжение £Вых. Когда входное напряжение равно выходному, дифференциальное входное напряжение компаратора равно нулю (£вх = = £вых)> следовательно, выходное напряжение падает до нуля и тем самым отключает управляющую схему ЦАП. Импульсь

синхронизации больше не поступают на двоичный счетчик ЦАП, и его выход сохраняет то состояние, которое он имел на момент приема последнего импульса синхронизации перед отключением управляющей схемы. Управляющая схема построена так, что она не включится вновь, даже если выход компаратора У2 снова станет положительным. Она включится только в ответ на следующий импульс разрешения выборки.

В связи с тем что двоичный счетчик остается в устойчивом состоянии, ток 7ВЬ1Х также сохраняет постоянное значение. Итак, величина Евых равна величине, достигнутой напряжением Евхза интервал времени, когда импульс разрешения выборки имел высокий уровень.

Следует, однако, принять во внимание два фактора. Частота импульсов синхронизации должна быть достаточно высокой для того, чтобы напряжение Евх имело возможность возрасти до нужного уровня. Это означает, что интервал выборки % должен быть достаточно большим для того, чтобы можно было произвести хорошую выборку.

Другая проблема связана с разрешающей способностью схемы. Все цифровые схемы выборки и запоминания строятся так, чтобы распознавались максимальные уровни ^вх и£Вых. Большинство из них обычно работает в диапазоне от 0 до 10 В. В таком случае в нашей схеме нулю будет соответствовать 0 В на выходе, а 10 В на выходе будет тогда, когда счетчик будет фиксировать максимальное значение (11111111).

Усилители абсолютного значения

В некоторых схемах достаточно иметь только амплитуду напряжения. Например, в векторном сумматоре (мы рассмотрим его чуть позже) требуется, чтобы на вход подавалось абсолютное значение напряжения, при этом имеется в виду, что оно будет положительным. В других случаях вас может интересовать только присутствие уровня напряжения, а не его полярность. В подобной ситуации лучше всего прибегнуть к усилителю абсолютного значения. Такие схемы суммируют выходы двух прецизионных выпрямителей, один из которых включен как инвертирующий каскад, а другой ——как неинвертирующий.

Маленькие хитрости

с аналоговыми умножителями

В одной из предшествующих глав мы обсудим разнообразные схемы аналоговых умножителей. В большинстве случаев нам хотелось бы использовать такую ИС, которая подчиняется соотношению Евых = К厶％.

Многие ИС, принадлежащие к классу умножителей, незаслуженно пострадали из-за того, что им дали такое название. На

самом деле они предоставляют массу возможностей для использования помимо простого аналогового умножения и таких операций умножения, которые осуществляются, например, при амплитудной модуляции. В этом разделе мы рассмотрим еще четыре арифметические операции, для реализации которых применяют схемы, основанные на использовании ИС аналогового умножителя.

Квадратор

Не нужно быть очень умным, чтобы сообразить, что схема с передаточной функцией вида

Евых = К匕％(9.5>

может также порождать

Евых = К (匕)2(9.6)

при условии, что входы X и У связаны между собой так, что образуют один вход. Тогда устройство возведения в квадрат (квадратор)——это аналоговая схема, в которой используется умножитель со связанными между собой входами.

Аналоговые делители

Деление — действие, обратное умножению. Одна из причин» делающих операционные усилители столь полезными устройствами, состоит в том, что передаточная функция всей схемы обратна передаточной функции цепи обратной связи. Напомню, что в петле обратной связи простого усилителя постоянного тока стоит делитель напряжения (Ro.c/Rb%). Он превращает каскад в

цепи отрицацепи отрицательной обратной свази.тельной обратной свази.

цепи отрица

цепи отрица

тельной обратной свази.

тельной обратной свази.

умножитель напряжения, в котором отношение этих двух резне* торов определяет константу умножения. Аналогично можно по* лучить аналоговый делитель, если в петлю обратной связи операционного усилителя поместить аналоговый умножитель. Сове* тую вам запомнить это свойство передаточной функции опера* ционного усилителя. О нем не стоит забывать, так как часто без труда можно создать активную или пассивную схему, реализующую функцию, обратную той, которая нужна. Искомую функцию можно получить, поместив эту схему в петлю обратной связи операционного усилителя.

На рис. 9.10 показан пример простого аналогового делителя на основе умножителя. Вспомним одну из предшествующих глав, где мы установили, что аналоговый умножитель подчини- ется следующему правилу:

Е° = К九九.(9.7》

В схеме рис. 9.10, где V2 соответствует 瓦 и £Вых соответствует получим

'V^KV^.(9.8>

Как вы помните, в гл. 1, рассматривая операционные усилители, мы установили, что, согласно закону Кирхгофа, токи 八 м 厶 должны быть равны между собой. Следовательно, можно записать

人=%伏，(9.9a)

，2 = %/К(9.96}

厶=厶，(9.9B)

следовательно,

匕/R = %/R,(9.9г)

匕=%•(9.9д>

Подставив выражение (9.8) в (9.9д) получим

\У^КУХЕВЫХ.(9.10}

Произведем алгебраическое преобразование уравнения (9.10):

E^^VJKV,.(9.И)

Тем самым мы доказали, что аналоговый умножитель может работать как делитель, если его поместить в цепь обратной связи операционного усилителя.

Устройство извлечения квадратного корня

Еще одна схема, использующая инвертированную передаточную функцию, реализует операцию извлечения квадратного корня. Возведение в квадрат и извлечение квадратного корня — это

Рис. 9.11. Аналоговая схема извлечения квадратного корня с использованием аналогового умножителя в цепи отрицательной обратной связи.

/нх = КрЕвх*

обратные друг другу операции. Можно поэтому поместить в цепь обратной связи операционного усилителя аналоговый умножитель, включенный по схеме квадратора. Таким образом будет получена функция квадратного корня. Соответствующая схема приведена на рис. 9.11.

Метод, иллюстрируемый на рис. 9.11, называется инверсным. Смысл этого названия должен быть вам теперь понятен. Другой метод, называемый косвенным, основан на использовании ИС, которая предназначена для аналогового деления. Рассмотрим следующий процесс. Если соединить выход со входом, то получим схему, передаточная функция которой описывается следующим выражением:

y=x/z.

(9.12)

Оно преобразуется к виду

产二X,

_(9.13а)

или

У = (Х)1/2.

(9.136)

Векторное суммирование

Векторная сумма нескольких напряжений определяется как корень квадратный из суммы квадратов отдельных составляющих. Иными словами, векторная сумма напряжений Vi, 1/2, V% …，Vn представляет собой

p = (KJ十%卄匕2 +…+К J产. (9.14) Существует два метода для вычисления векторной суммы: прямой и косвенный. В большинстве случаев проще использовать

прямой метод, но он имеет ограниченную точность при широком динамическом диапазоне обрабатываемых сигналов.

При использовании прямого метода необходимо сконструировать такую схему, в которой на каждое входное напряжение приходится один квадратор. Соответствующие выходы этих квадраторов подаются на суммирующий операционный усилитель. На выходе этого каскада формируется напряжение

К =匕2 + %2+%2+…十%2. (9.15)

Это напряжение, скалярная величина V, подается затем на каскад извлечения квадратного корня, такой, как показан на рис. 9.11, для получения следующей величины:

丿=m/2. (9.16)

Практическое применение этого метода не приносит желаемых результатов из-за тех ограничений, которые присущи устройствам на ИС. Всякий процесс возведения в квадрат связан со значительным увеличением динамического диапазона. Посмотрим, что происходит с выходным напряжением в такой схеме при различных входных потенциалах. Если на входе действует напряжение 1 В, на выходе получим всего 1 В. Если же на входе действует напряжение 2 В, на выходе будем иметь 4 В. При напряжении 5 В на входе напряжение на выходе достигает 25 В. В связи с тем что для большинства ИС выходное напряжение ограничено величиной 15 В, мы можем обрабатывать только те сигналы, которые попадают в диапазон от 丫15 В до ——]/15 В. Миогие ИС работают в диапазоне лишь до 10 В, для них входной диапазон ограничен значениями приблизительно от —3 В до +3 В.

Для того чтобы выйти из этого затруднительного положения, не прибегая к сжатию динамического диапазона с помощью логарифмических усилителей, следует воспользоваться косвенным методом решения или косвенной формулой. Рассмотрим

следующее выражение:

y=(匕2 + 厶2)1/2.(9.17)

Возведем в квадрат правую и левую части:

Н = %2+%2,(9.18)

户―％2 = %2.(9.19>

Разложим на множители разность квадратов:

(У+匕)①一匕) = %2,(9.20)

匕=/2/e十%)，(9.21)

К = [%2/(К +兀)】+匕・(9.22)

159

Этот способ подходит также для определения векторной суммы многих составляющих. Нужные члены добавляются в знаменатель #+%)・

Необходимо, конечно же, создать аналоговую схему, которая будет вычислять эту сумму, причем сделать это не всегда просто. Однако силы можно сберечь, если определять векторную сумму двух величин в следующем виде:

и = (К/十廳 2)1/2, (9.23)

используя аналоговую ИС с передаточной функцией вида

VB^ = YZIX. (9.24)

Примеры такого типа кристаллов, пр едет авл яющих собой аналоговые умножители/делители, можно найти в недорогом семействе AD533 фирмы Analog Devices. Типичная схема показана на рис. 9.12. В этой схеме в качестве операционного усилителя можно использовать любое устройство из семейства 741, но характеристики схемы будут заведомо лучше при использовании высококачественного усилителя из этого семейства. Фирма Analog Devices рекомендует использовать AD741.

Определение вектора включает в себя как его модуль, вычисляемый по схеме рис. 9.12, так и направление. Если вам нужна информация о направлении, то нужно предусмотреть схему, которая бы ее формировала. В нашей системе направление

(9.25а)(9.256)(9.25а)(9.256)можно определить через угол следующим образом: e = arctg(yBiv^, 0 = arctg (VB/V^.

(9.25а)

(9.256)

(9.25а)

(9.256)

Эту функцию можно реализовать с помощью ИС типа AD533, включенной в цепь обратной связи операционного усилителя. Напряжение VB подается на вход Z кристалла, а напряжение Уд — на вход X. Выходной ток схемы AD533 суммируется с постоянным током от эталонного источника на инвертирующем входе повторителя с единичным коэффициентом усиления. Выход этого каскада через аттенюатор подается на вход У схемы AD533. Величины сопротивлений подобраны таким образом, что показатель степени (從)равен 1,2125. Такая схема разрешает уравнение

1,2125

(9.26)(9.26)

(9.26)

(9.26)

Величины Уд и Кв в этой схеме всегда должны быть больше нуля (положительны), поэтому устройство является одноквадрантным. Однако можно задействовать все четыре квадранта, если включить в схему знаковый детектор-компаратор (инвертор, который включается при несовпадении знаков напряжений) и соответствующую управляющую логику. На практике обычно соответствующие входы VA и Рв включают параллельно.

Модуль специальной функции

Если вы занимаетесь разработкой аналоговой электронной аппаратуры, то вам непременно нужно познакомиться с набором функциональных модулей, выпускаемых фирмой BurrBrown. На рис. 9.13 показаны функциональные схемы и соединения выводов для модулей типа Burr-Brown 4301 и 4302. Общая передаточная функция такого модуля имеет вид

^вых = % (匕%产， (9.27) где т — показатель степени (0,2^т^5), величина которого устанавливается с помощью внешней резистивной схемы RJR?.

В зависимости от схемы этот модуль реализует следующие аналоговые функции:

умножение

•деление

•возведение в квадрат

•извлечение квадратного корня

•возведение в степень

•корни различных степеней

•синус

косинус

•арктангенс (У/Х)

•векторная сумма

Л 人3 产

Рис. 9.13. Функциональный модуль типа 4301/4302, а — функциональная схема.

Евнх・Уу(У/%с)‘ 62<mv5.

Схемы соединений:

б — zn=l; 6 —0,2vmvl;

加=r2/依1+&), R+RqvZOO оm;

*-m=(五1+r2)/&, Ri+&v200 оm.

Программирование работы модуля осуществляется за счет показателя т. Величина т устанавливается с помощью резисторов Ri и R2* Если все три вывода (АВС) замкнуть накоротко, то т= 1 и передаточная функция примет вид

Евмх=乙匕/唯 (9.28)

Рис. 9.14. Схема соединений модуля типа 4301/4302 для аналогового умно* сжения.

匕т=15В

Рис. 9.15. Схема соединений модуля типа 4301/4302 для выполнения деления.

Рис. 9.16. Схема соединений модуля типа 4301/4302 для вычислении показательной функции.

£ВЫХ=10 啰.

Такая схема используется для аналоговых умножителей (рис. 9.14) и делителей (рис. 9.15). В аналоговом умножителе, показанном на рис. 9.14, используются входы У н Z, а на X подается постоянное эталонное напряжение, например Vx= 10. При этом передаточная функция равна

E^VyVz/\0. (9.29)

Та же самая идея используется при построении схемы аналогового делителя, пример которой показан на рис. 9.15. Обратите внимание, что в основном схема такая же, за исключением того, что здесь активен вход X, а с постоянным эталоном связан вход У. Передаточная функция имеет вид

Евах=1 叱/% (9.30)

На рис. 9.16 показана обобщенная схема для реализации степенной функции с резистивными цепями, устанавливающими величину показателя степени меньше 1 и больше 1. Для получения квадратора нужно положить т=2, а для получения устройства извлечения квадратного корня — m—辰 Можно получить и любое другое значение т в пределах от 0,2 до 5.

Глава 10

ДАТЧИКИ

Датчик ——это устройство, которое преобразует энергию из одной формы в другую для решения задач управления или измерения. В дальнейшем условимся считать, что производится преобразование в электрическую энергию.

Мост Уитстона

Прежде чем переходить к рассмотрению различных типов датчиков, вспомним основные принципы работы классического моста Уитстона (рис. 10.1). Следует отметить, что эта схема служит основой большинства типов датчиков, используемых в аппаратуре. Я не хочу называть ее универсальной: для того чтобы такое определение было справедливо, пришлось бы сделать массу оговорок, но по крайнемй мере она производит впечатление «вездесущей».

Напряжения между точками Л и В представляют собой выходное напряжение моста. Оно равно разности падений напря-

Рис. 10.1. Классическая схемамоста Уитстона.

жений на резисторах R2 и R^ Из элементарной теории цепей известно, что

ЕТ?2 = ?，你2/(a + 旦)］，

(10.1)

Er4 = e 1保4/(兄+凡)］，

(Ю.2)

На основании уравнений (10.1) и (10.2) можно записать

еав=е ［旦/(Ri+R?)—Е KJ (R3+RJ»

(10.3)

e^ =e1［旦/(飞+%) 一 旦/(% + 凡))•

(10.4)

Нулевое состояние, при котором Erb = 0, устанавливается,

когда

旦/(&+&)=%/(&+凡)，

(Ю.5)

& =飞凡/耳.

(Ю.6)

а при этом справедливо соотношение

旦伏产r4伏3，

(Ю.7)

Необязательно, чтобы резисторы имели равные сопротивления,—важно, чтобы соблюдалось соотношение (10.7). Однако в большинстве датчиков сопротивления берутся равными из соображений удобства изготовления устройств. В таких датчиках Ri=&=R3=R4.

Величина AR представляет небольшое изменение сопротивления R4 (рис. 10.1). Оно обусловлено внешним стимулирующим воздействием, которое должен измерить датчик. Если датчик находился в нулевом состоянии, то это изменение приведет к возмущению схемы и создаст на выходе напряжение следующей величины:

Eab = EjR/2R-R/(2R + AR)* (10.8) при условии что в нулевом состоянии все резисторы имеют равные сопротивления. Изменение сопротивления R4 (т. е. AR) связано с тем, что этот резистор на самом деле представляет собой элемент датчика. Именно к таким элементам мы сейчас и переходим.

Датчики температуры

Существует несколько различных устройств, чувствительных к температуре, которые можно использовать в качестве датчиков температуры. К ним относятся термосопротивления (термисторы), термопары и полупроводниковые переходы.

Самым простым устройством, наверное, является термистор. Термисторы ——это пассивные устройства, электрическое сопротивление которых изменяется при изменении температуры. Как известно, сопротивление всех проводников изменяется при изменении температуры. Более того, это изменение сопротивления

Рис. 10.2, Принцип действия термистора,

а — зависимость между напряжением и током； 6 — график изменения тока во времени, показывающий относительное время реакции термистора.

зависит от типа материала проводника. Итак, в общем случае &2 = &J1+&(△/)],(Ю.9)

где R%—сопротивление при новой температуре; Rt、—сопротивление при старой температуре; Д/ — величина, равная 也—— —介)；ct — температурный коэффициент сопротивления (ТКС), зависящий от типа материала.

Величина а может иметь положительное или отрицательное значение, может быть большой или малой. В таблицах стандартных сопротивлений для меди, например, приводится значение ТКС, равное +0,0039 Ом/Ом/℃, а для графита — 0,005 Ом/Ом/℃.

Пример. Чему равно сопротивление медного провода при 100 ℃, если его сопротивление при 25 ℃ равно 1 Ом?

R% = &」l+a(Af)】，(Ю.Ю)

R〃 = l [1+0,0039 (100—25)],

&2=1,29 Ом.(10.11)

Хотя сопротивление всех проводников зависит от температуры и зависимость эта описывается уравнением (10.9), в качестве термисторных приборов используются лишь некоторые специальные типы проводников. Термистор ——это такое устройство, в котором эффект изменения сопротивления, обусловленного изменением температуры, усилен и оптимизирован.

Работу термистора можно оценить, пользуясь кривой, изображенной на рис. 10.2, Кривая на рис. 10.2, а иллюстрирует зависимость между приложенным напряжением и током термистора. На кривой рис. 10.2,6 показана связь тока со временем, которое должно пройти после того, как было приложено напряжение, для того чтобы ток достиг установившегося значения.

На рис. 10.2, а показано, что с увеличением напряжения ток растет более или менее линейно, в соответствии с классическим законом Ома, до тех пор пока не будет достигнуто напряжение Ei. В этой точке термистор начинает работать как прибор с отрицательным сопротивлением. В этой области он работает как генератор, хотя и с очень небольшой частотой.

Вторая кривая (рис. 10.2,6) показывает, что термистор реагирует на внешнее воздействие не мгновенно, а с определенным запаздыванием по времени. Во избежание возможных неприятностей это запаздывание следует подсчитывать для своего практического случая. Если термистор предназначен для работы со стимулирующим сигналом, например, частотой 1 Гц, то в данном случае задержка не должна достигать нескольких секунд или даже одной секунды. Задержка не должна быть больше периода предполагаемого измеряемого сигнала. Обычно приобретают термисторы, которые надежно обеспечивают задержку в диапазоне от миллисекунд до секунд. Сразу хочу предупредить, что термистор с меньшей задержкой стоит дорого.

Существуют два режима работы термисторов, характеризующихся различным поведением этих приборов. В одном режиме создается такое смещение, чтобы ток через термистор был небольшим. Тем самым предотвращается нагрев прибора собственным током. Другой режим основан на прямо противоположном подходе. Создается такой ток, который вызывает самонаг- рев термистора. При таком режиме работы может происходить относительно большое изменение электрического сопротивления в ответ на внешнее воздействие, связанное с поглощением тепла. При выборе такого режима следует ознакомиться с паспортными данными прибора, так как ток самонагрева различен для различных типов термисторов. Второй режим следует выбирать в тех случаях, когда аппаратура должна быть чувствительна к изменениям температуры. Первый режим предпочтительней использовать там, где ставится задача измерения абсолютных значений температуры.

Почти вся аппаратура на термисторах использует схему моста Уитстона. Термистор включают по крайней мере в одно плечо моста, а, как правило, даже в два. Остальные резисторы имеют низкий температурный коэффициент нестабильности (ТКН), могут быть постоянного и переменного типа. Схема регулируется так, чтобы приложенное к мосту напряжение (Б\ на рис. 10.1) вызывало небольшой нагрев в тех случаях, когда измеряется dT/dt, или вообще не вызывало нагрева, если измеряется абсолютное значение Т.

Используют две различные схемы моста. В одной схеме в одно из плеч моста включается переменный резистор, с помощью которого можно выставить нулевое или максимальное значение напряжения на выходе в рабочем или нулевом состоянии. В другом режиме в одно из плеч включается переменный резистор, откалиброванный таким образом, что напряжение на выходе будет равно нулю для измеренных значений входной температуры.

В большинстве приборов на термисторах используют по крайней мере два термистора — один в качестве R? (рис. 10.1), а другой в качестве R4. В таких схемах на один термистор обыч- 168

но подается измеряемое воздействие, а другой находится под воздействием температуры окружающей среды.

Можно привести много примеров термодатчиков, которые работают с двумя термисторами. Возьмем, например, прибор для измерения скорости ветра — анемометр. Один термистор находится под воздействием ветра, а другой — под воздействием температуры окружающей среды и помещен, например, в коробку, где воздух неподвижен. Еще один пример — газометр или парометр, в котором один термистор помещен в трубку, а другой, эталонный термистор — в ответвление трубки с глухим концом, где среда неподвижна. Практический пример такого термисторного измерительного прибора, предназначенного для определения скорости потока, приведен в книге Кара Op-Amp Circuit Design & Applications (TAB787).

Многие фирмы — изготовители термисторов продумывают вопросы применения этих приборов и поэтому предлагают большое количество интересной литературы по вопросам использо* вания своей продукции.

Термопары

Термопара изображена на рис. 10.3. Простейшая термопара состоит из двух полосок различных металлов, в точке соединения которых имеется спай. Если к свободным концам проводников подключить милливольтметр, а спай нагреть, то появится напряжение, которое зафиксирует милливольтметр. Это напряжение обусловлено различной работой выхода металлов, образующих спай, оно зависит как от температуры, так и от типов используемых металлов.

В связи с тем что напряжение на спае термопары пропорцио

Рис. 10.3. Термопара.Рис. 10.3. Термопара.нально температуре, термопару можно использовать для измерения температуры. Однако напряжение зависит от температуры нелинейно, и тем самым возможности применения термопары несколько ограничены. Следует принимать во внимание диапазон, в котором термопара работает по линейному закону, с тем чтобы предупредить чрезмерные ошибки. Можно выбрать другой путь и заняться линеаризацией термопары. Этот вопрос в более общем виде обсуждается в главе, посвященной вопросам построения аппаратуры.

Рис. 10.3. Термопара.

Рис. 10.3. Термопара.

Для электронной аппаратуры, использующей термопары, характерно наличие двух чувствительных элементов, как и для приборов на термисторах. Однако в данном случае чувствительные элементы сами по себе являются источниками напряжения и подключаются к дифференциальным входам операционного усилителя. Благодаря зтому мы мюжем замечать небольшие дифференциальные напряжения и формировать пригодные для работы выходные потенциалы. Схемы часто строят по принципу псевдомоста Уитстона.

Классическая биметаллическая термопара появилась лет 100 назад, и вот уже несколько десятилетий промышленность выпускает термопары, но сейчас они уступили место недавно появившимся термопарам на твердом теле. Многие из этих новых термопар недорого стоят и сохраняют линейность в широком диапазоне температур, от 0 до ,100°С и выше.

Термочувствительные транзисторные элементы

Существует еще один тип термочувствительных элементов на твердом теле, но его не следует путать с тем типом, который мы обсудили выше. Элементы, о которых пойдет речь, фактически представляют собой транзисторы, и работа их зависит от обыч* ной температурной чувствительности напряжения между базой и эмиттером транзистора. Оказывается, что даже в недорогих элементах это напряжение обладает высокой степенью линей* ности.

Термисторы и термопары обеспечивают линейную температурную характеристику, но для того, чтобы они сохраняли линейность в широком диапазоне температур, приходится прикладывать массу усилий. Есть, например, такие приборы на термопарах, в которых при переходе от одного диапазона к другому оператору приходится либо заменять саму термопару, либо переключатель линеаризации. Может быть, во многих случаях с этим можно примириться, но, если система охватывает широкий диапазон, такой метод определенно неудобен.

Если же в простую электронную схему включить пару хорошо согласованных транзисторов, то получим термодатчик с высокой степенью линейности, сохраняющий работоспособность в широком динамическом диапазоне. При использовании этого приема отпадает необходимость в калибровке, которая связана с использованием термисторов, термопар и простых термодатчиков на одном р—п-переходе*

Авторы работы [1] описали термоизмерительный прибор, основанный на использовании транзисторного перехода база — эмиттер. Это устройство использует высокую степень согласования, присущую серии сдвоенных транзисторов типа МАТ-01 фирмы РМ1.

Из элементарной теории транзисторов известно, что напряжение база — эмиттер (Йбэ) определяется следующим выражением:

/尸子m/九з咏)(10-12)

(при условии, что отношение /К//Обр.нас гораздо больше единицы), где К — постоянная Больцмана (1,38-10-23 Дж/К); Т — температура по Кельвину (К=°С4-273,16); q ——элементарный электрический заряд (1,6-10-19 Кл); /к — ток коллектора транзистора; /обр.нас — обратный ток насыщения (в большинстве случаев примерно 1,87-10-14 А).

Если пара транзисторов подвергается одинаковому температурному воздействию окружающей среды (т. е. транзисторы находятся на одной и той же монолитной подложке, как в схеме типа МАТ-01), то мы можем переписать уравнение (10.12) в виде разности двух напряжений эмиттер — база:

A/尸号 1П (/кАбР-нас!)—71 1П (/К2//Обр.нас2). (10.13)

Вынесем общий член КТ/g за скобки и перепишем уравнение (10.13) в следующем виде:

小九尸"^""11%〃!^)— ^П(^0бр.нас1/^0бр.нас2)1*(10.14)

Но для хорошо согласованных транзисторов, подвергающихся одинаковому температурному воздействию, величина /Обр.нас1//обр-нас2 близка к единице. Нам известно также, что натуральный логарифм единицы равен нулю (1п1 = 0). Тогда член

I" (^обр.нас1/^обр.нас2)*(1 0.15)

уничтожается и уравнение (10.14) можно переписать в более простой форме:

A/3 = 等m(友/"(10.16)

Уравнение (10.16) подтверждает наше утверждение о том, что измерение температуры возможно при использовании транзисторов, находящихся под одинаковым температурным воздействием.

Рассмотрим уравнение (10.16) с тем, чтобы определить, как токи /к】н 厶 2 поддерживаются постоянными, но разными по величине. Они не должны быть равны между собой, иначе отношение IkJIk% будет равно единице и натуральный логарифм обратится в нуль. Если отношение сделать равным, скажем 2:1, то логарифм отношения будет иметь постоянное значение, равное In 2. Уравнение (10.16) примет вид

А/з = сКТ%，(10.17)

Чувапви тельная лара

G

W Qr总话H л ^ OHQO9伫 ^^ ™ЛЫ LHodndHe --

100кОм

Ri

Регулировна —смещения

%勿

不察呻力

Источники тока

I ЮО кОм

凡

50 Регулировка кОм отношения

Т5В

100

600 Ом 600 Ом кОм

20

+753

Чувствитепь- пара

w о” 赵 ^s к ql/K . QOHgosQ ^^ 】н5оакн0а工6 ♦

OP 1OCY

/2 о 756

2万 加

транзисто - ров типа

МАТ-01 N

6 Ебых^ 1°мВ]К • о

//]5

о

」75 В

Дифференциальныйусилитель

今4Х10mв]k

Дифферен циальный усилитель “ 1<СПЮЧ ники тока

Трехзначньш цифровой вольтметр, размах шкалы от О до +10 В

-5=2/8=2,78+25=298 = 2,98

+125=398 = 3/8Основная схема цифровоготермометра, дающего 〃о-казанна 6 пель в инах

Рнс. 10.4. Использование сдвоенного транзистора в качестве температурного зонда (а); различные системы измерения тем-пературы (б).

Чувгпшпшель ная пира транзит% ров шла MAT O1N

/〃'/〃〃 7〃？/】 〃〃〃〃〃/〃〃

woo op a」 go-09P H~Q£ b>HodkHdnm

+15В

=75R

Дифферен- циальнь!й усилитель 〃 ucmoq ники тока

Wgsm8如ie〃&пая паратранзисто-ров типаMAT-O1N

tnl/g ^s^snoHnoBQ'WHHodmima上e

,г

*40 启 ^§

м-

口й牛虫0р卅циальныйусилительzz источ-

ники тока

M3P=2QmB=2K

Биполярный дифференциала - /"/〃 вольтметр па 2 1/2 знака

На зольтметрё ото Сражается значение

Езьм=2,73Е

℃£6

-55 = 0,55

3 = 0,25

：125 = 1,255

Цифровой термометр, дающий 门оказания с градусах Цельсия

S-разрядньш

однополярнымивходными

сигналами

от О до 5 В

Чувствительная пара транзисто- типа T-O1N

^硒"уон f ^0X^0^ ^? Mdnaye 产

+15B 口一侬

Дифферен-циальный

усилитель〃 источники тока

10мВ]К

℃ К Е,В

-55=218 = 2,18

+25 = 298 = 2,98

42 5 = 398= 3,98

Двопчночюдировянные отсчетытемператур* разрешение 2℃

6

% *

Ю-разрядныйАЦП соднополярнымивходнымисигналамиот О до 5 В,МЗР=5мВ=&5 K

-55= 218 = 2,18

+25= 298= 2,98

+/25= 398 二 3,98

Двоично-кодированные отсчеты температурь^ разрешение 5°

Рис. 10.4(6).

где с=1п2=0,6931; К — постоянная Больцмана; Г — температура по Кельвину, К・ Далее уравнение можно упростить:

^ = (сКтТ.(10.18)

В скобки заключены константы. Таким образом получается, что напряжение база—эмиттер зависит только от температуры по Кельвину. Значение константы равно

”сК _ 0,693i・ i,38.10-3 д*/к _门 П[сь

67 • 10-19 Кл=(1U」怨

= 57,28 мкВ/K.(10.20)

Следовательно, можно записать

AV6s/T = 57,28 мкВ/K.(10.21)

Это соотношение позволяет сконструировать законченный прибор для измерения температуры на основе согласованной пары монолитных транзисторов, пары источников постоянного тока величиной / и 2/ и операционного усилителя. [Авторы [1] использовали значение 59,73 мкВ/K, которое соответствует отношению токов, равному 2,06, а не 2,0.] На рис. 10.4 показан пример прибора, выпускаемого фирмой PMI. Этот прибор измеряет температуру в диапазоне от 218 до 398 К (от —55 до 4-125℃). При использовании экранированного провода часть прибора (пара транзисторов) может быть удалена от его электронной части на расстояние до 30,5 м. В качестве чувствительной пары хорошо использовать ИС типа MAT-01Н, обеспечивающую чрезвычайно высокую степень согласования. Аналогично в качестве пары источников тока выбрана ИС типа MAT-01G.

Ток / установлен равным 5 мкА, тогда 2/ составит 10 мкА. Эти токи регулируются с помощью согласованной пары Qs. Базы Q?力 и Q2B смещены за счет одной и той же резистивной схемы делителя напряжения, а соответствующие коллекторные токи устанавливаются за счет собственных эмиттерных резисторов. В идеальном случае при отношении токов 2:1 отношение сопротивлений должно быть 1 : 2, но на практике мы сталкиваемся с тем, что приходится подстраивать одну из составляющих отношения для обеспечения его точности. В связи с этим резистор с сопротивлением 200 кОм, входящий в состав сдвоенного источника постоянного тока, делается переменным с диапазоном регулировки от 180 до 230 кОм. В чувствительной паре Qi два коллектора и две базы соединены с землей. Соответствующие эмиттеры соединены со входами операционного усилителя и с источником постоянного тока.

Калибровка

Включите устройство и дайте ему прогреться в течение 5 мин.

Закоротите вход операционного усилителя.

Отрегулируйте смещение так, чтобы напряжение на входе было равно нулю (士 10 мВ).

Подождите еще 10 мин, в течение которых усилитель стабилизируется.

Проверьте, как отрегулировано смещение; если необходимо, проведите повторную регулировку.

Устраните короткое замыкание на входе операционного усилителя; поместите чувствительный элемент в известные температурные условия. Это может быть комнатная температура или водяная ванна со стабилизированной температурой.

Подождите 2 мин.

Отрегулируйте R7 (отношение) так, чтобы получить необходимое выходное напряжение, обусловленное измеряемым значением температуры. Для проведения этой регулировки хорошую температурную обстановку создает комнатная температура, так как ее значение приходится примерно на середину диапазона и его можно измерить с достаточной степенью точности и другими средствами.

Отметим, что масштабный коэффициент выхода составляет у нас 10 мВ/K. Благодаря этому легко отображать абсолютную температуру (по шкале Кельвина), для этого можно использовать простой цифровой вольтметр.

Отображение по шкале Цельсия (стоградусной) осложняется введением схемы, необходимой для преобразования:

К = ℃+273,(10.22)

или

℃ = К—273.(10.23)

Если вы не сможете придумать соответствующую цифровую схему, можете воспользоваться простым операционным усили-Если вы не сможете придумать соответствующую цифровую схему, можете воспользоваться простым операционным усили-Рис. 10 5. Датчик положения X—У.Рис. 10 5. Датчик положения X—У.

Если вы не сможете придумать соответствующую цифровую схему, можете воспользоваться простым операционным усили-

Если вы не сможете придумать соответствующую цифровую схему, можете воспользоваться простым операционным усили-

Рис. 10 5. Датчик положения X—У.

Рис. 10 5. Датчик положения X—У.

телем, включенным как суммирующая схема с единичным коэффициентом усиления. Неинвертирующий вход повторителя подключите к выходу измерителя температуры. Инвертирующий вход подключается к стабильному эталонному напряжению, величина которого подсчитывается следующим образом:

£эт = (2737<)(10 мВ/К)= (10.24а)

= 2730 мВ = 2,73 В. (10.246)

Датчики температуры на ИС

Фирма National Semiconductor выпускает температурные датчики на ИС, работа которых основана на том же принципе, что мы обсудили в предыдущем разделе. Выпускаемые этой фирмой датчики с серийными номерами LX5600/LX5700 устанавливаются в металлический корпус типа ТО-46, имеющий четыре вывода. Масштабный коэффициент этих датчиков равен 10 мВ/К.

Датчики положения

В качестве аналогового индикатора положения можно использовать простой линейный потенциометр. Потенциометр с ползунком отслеживает прямолинейное движение, а поворотный потенциометр ——изменение углового положения.

Иногда для связи источника воздействия с валом или движком потенциометра требуются специальные механизмы. В некоторых случаях механизм нужен для преобразования углового перемещения в линейное или наоборот, в других случаях он предназначается для уменьшения величины перемещения до таких значений, которые соответствуют механическим свойствам потенциометра.

В ряде случаев перемещение может быть очень сложным, и тогда механизм должен приводить в движение несколько потенциометров, каждый пропорционально величине перемещения в определенном направлении. Например, так называемая ручка управления может перемещаться в любом направлении в пределах квадранта. Потенциометры вертикальной и горизонтальной составляющих перемещения указывают точное положение на графике в координатах X 玄 У.

Пример такого рода приведен на рис. 10.5, а. В данном случае мы хотим иметь возможность определять местоположение объекта, связанного в единое целое с потенциометрами R* и R?. Объект может находиться в любой точке декартовой плоскости X—У, изображенной на рис. 10.5, б.

Расположение потенциометров и конструкция механизма таковы, что составляющая X вектора перемещения управляет потенциометром Rx, а составляющая У — потенциометром Ry.

Один конец каждого потенциометра подключен к источнику

положительного напряжения, а другой ——к источнику отрицательного напряжения. Это сделано для того, чтобы система могла работать в четырех квадрантах. Когда объект расположен в- центре квадрата [точка (0,0), начало координат в декартовой， системе], оба потенциометра фиксируются в среднем положении и выполняется условие Ех—Еу = 0 В постоянного тока. Справедливы следующие правила:

Перемещение влево вдоль оси X порождает отрицательное напряжение

Перемещение вправо вдоль оси X порождает положительное напряжение 瓦.

Перемещение вверх вдоль оси У порождает положительное напряжение Еу.

Перемещение вниз вдоль оси У порождает отрицательное, напряжение Еу.

Не исключена вероятность того, что вам захочется работать, с ручкой управления, которая первоначально предназначалась. для телеигр. Эти ручки можно приобрести через конторы, занимающиеся распродажей излишков электронного производства*. В состав этих устройств входят 4 потенциометра на 5 и 100 кОм,, каждый из которых предназначен для X-J-, X—, У+ и У—.

В некоторых приборах требуется только значение модуля вектора с составляющими Л" и У. Для получения векторной суммы необходимо подсчитать

(Е^+Е^,(10.25>

При этом необходимо обработать потенциалы 以 и Е“ в схеме определения векторной суммы, такой, например, как показана на рис. 9」2. Если перемещение строго прямолинейно, советую в качестве чувствительного элемента использовать потенциометр с линейно-раопределенньш сопротивлением. Многие фирмы, занимающиеся изготовлением этих компонентов, предлагают прецизионные потенциометры с высокой степенью линейности на несколько значений сопротивления и функций его распределения на несколько размеров и конфигураций. Существуют также специальные потенциометры с синусоидальной, косинусоидальной, с синусоидальной и косинусоидальной (в одном устройстве) функцией распределения сопротивления и с логарифмической, функцией распределения.

Преобразование данных

Часто бывает так, что данные о местоположении сами по себе не имеют существенного значения, но используются для получения требующейся информации. Позиционные датчики просты и удобны в эксплуатации. Кроме того, они, как правило, недороги. С другой стороны, датчики скорости и ускорения, как правило, стоят немало, а возиться с ними приходится долго. Од・

ДвигательДвигательКлапан для заполнения резервуара-L Резервуарна 100Клапан для заполнения резервуара-L Резервуарна 100Перемещаю ■ \ щееся чврвяч^ое\ колесо 'Перемещаю ■ \ щееся чврвяч^ое\ колесо 'LLПотокПотокООбъем 卜ООбъем 卜100 мл100 млА-片10。кОмА-片10。кОм^10,00 впост тока(эталон)

Двигатель

Двигатель

Клапан для заполнения резервуара

-L Резервуар

на 100

Клапан для заполнения резервуара

-L Резервуар

на 100

Перемещаю ■ \ щееся чврвяч^ое\ колесо '

Перемещаю ■ \ щееся чврвяч^ое\ колесо '

L

L

Поток

Поток

О

Объем 卜

О

Объем 卜

100 мл

100 мл

А-片

10。кОм

А-片

10。кОм

Рис. 10.6. Использование датчика положения для определения объема жидко-сти, вытесненной из шприца.

Изменение объема-скорости потока {dV[dt).

нако, как известно из курса физики, скорость является первой производной по времени от пути, т. е.

V(x)=d%/d 九(10.26)

Аналогично ускорение — это первая производная по времени от скорости и, следовательно, вторая производная от пути, или а (х) = dV/dt = dW2.(10.27)

Следовательно, можно получить с датчика сигнал о местоположении и затем, используя электронную дифференциальную схему, найти Vx и а*.

Если проявить изобретательность, то положение может сообщить нам и еще кое-какие параметры. На рис. 10.6 показан простой пример, в котором положение некоторой части прибора пропорционально некоторой переменной, значение которой мы и хотим измерить. На рисунке показан шприц, специально изготовленный для одного биофизика, который занимался изучением функций глаз животных. Шприц состоит из камеры, заполненной жидкостью, и насоса, с помощью которого производится впрыскивание жидкости. На рисунке с упрощениями и условностями показана система, которая применяется на практике.

Камера насоса изображена здесь как резервуар с поршнем. Резервуар заполняется через верхний клапан, при этом поршень полностью выдвинут (находится в крайнем левом положении), затем клапан запирается. Потенциометр Ri имеет сопротивление 100 кОм и относится к потенциометрам с линейно-распределенным сопротивлением. Для изменения сопротивления слу* жит ползунок. Он связан с перемещающимся червячным колесом таким образом, что R=0 Ом, когда поршень полностью выдвинут из резервуара, и Ri = io6 кОм, когда поршень переместился в противоположный конец резервуара.

Вид электрической схемы, в которую включается Ri, зависит от того, какая информация должна быть получена. Для схемы, представленной на рис. 10.6, ЕПол= Ю В, когда поршень находится в крайнем правом положении. Напряжение, снимаемое с выхода этой схемы, представляет собой аналог объема жидкости, вытесненной поршнем, при этом масштабный коэффициент равен 100 мВ/мкл,

Если соединение сделать по-другому, выходное напряжение будет пропорционально объему оставшейся в шприце жидкости.

Этот сигнал можно также использовать для получения сигнала скорости потока. Скорость потока — это, очевидно, первая производная по времени от объема резервуара. Следовательно, значение dE^/dt, снимаемое с выхода электронной дифференцирующей схемы, на которую подается сигнал положения, пропорционально скорости потока. Для измерения многих физических и технических параметров можно рекомендовать следующий способ: сначала измеряется сигнал, который легко полу^ чить, а затем он подается на соответствующую схему обработки. Конечно, прежде чем использовать такие зависимости, необходимо разобраться в математических зависимостях и физических процессах. Вам может понадобиться, например, найти производную, интеграл, векторную сумму, усилить, перемножить или разделить два или несколько сигналов или констант, или обработать всего один сигнал напряжения.

Тензометрические датчики

Тензометр ——это резистивный элемент, электрическое сопротивление которого изменяется при механической деформации. Это явление называется пьезоэффектом. Деформация может быть продольной, поперечной или деформацией формы.

В большинстве применяемых на практике тензометрических датчиков, по крайней мере в тех из них, которые выпускаются промышленностью, используют четыре тензометра, образующих схему моста Уитстона. Прежде чем переходить к дальнейшему обсуждению тензометров, введем некоторые определения и термины. Определим, в частности, такие понятия, как тензометрический коэффициент и коэффициент чувствительности. Обозначаются они через /С и Т соответственно.

Тензометр вызывает изменение электрического сопротивления цепи, которое соответствует приложенной силе, вызывающей деформацию. Размеры тензометра изменяются: он растяги* вается или сжимается точно так же, как растягивается илисжи' мается обследуемый объект. Как вы помните из элементарной физики, электрическое сопротивление провода определяется следующим выражением:

R = p(LA4), (10.28)

тде р — константа, характеризующая свойства электрической проводимости материала, зависит от типа проводника; L — длина проводника; Л — поперечное сечение проводника;公一электрическое сопротивление проводника в омах.

Как следует из формулы (10.28), можно говорить об изменении сопротивления проводника, обусловленном изменением от- кошения L/A под действием сил деформации.

По определению тензометрический коэффициент определяется следующим соотношением:

K = (AR/R)(AL/L); (10.29)

иногда это соотношение записывается в следующем виде:

K=(AR/R)/£, (10.30)

где g — отношение AL/L, представляющее осевую деформацию.

Чувствительность датчика позволяет нам оценить величину выходного напряжения через возбуждающее напряжение Е{ и измеряемый физический параметр. Чувствительность определяется следующим выражением:

4f — £вЫХ/(£/), (10.31)

где 4r — коэффициент чувствительности, В/В/ед. измерения X; Евнх — выходное напряжение; Е\ — возбуждающее напряжение; X — физический параметр, измеряемый с помощью датчика.

В датчиках, применяемых на практике, более удобна следующая единица измерения коэффициента: мкВ/В/ед. X. Пример. Коэффициент чувствительности датчика давления равен 10 мкВ/В/тор. Чему равно выходное напряжение, если значение приложенного давления составляет 400 тор, а возбуждающее напряжение равно 10 В? Воспользуемся уравнением (10.31):

^вых = ^А1? = 10В• 400 тор. 10 мкВ/(тор=В) =

- 10.400.10 мкВ = 4.104 мкВ, или 0,04В. (10.32)

Тензометрический коэффициент можно использовать при расчете схемы моста. Для моста, изображенного на рис. 10.7, можно записать

dEBHjdS = [RA&/(RA+RmLK, (Ю.ЗЗ)

где йЕвых ——скорость изменения выходного напряжения; dS — скорость изменения сопротивления тензометра А； Ц — ток через -тензометр А; К — тензометрический коэффициент.

Тензометры находят применение в датчиках, предназначенных для измерения деформации, силы, нагрузки, крутящего момента, давления, веса, вибрации, расхода жидкости и многих других механических и физических параметров.

В основе работы всех резистивных тензометров лежит описанный выше пьезоэффект, тем не менее в конструктивном от- 180

Рис. 10.7. Схема моста Уитстона на тензометрах.

RlR? и в СОСТОЯНИИ ПОКОЯ Ra^Rb，

ношении различные типы тензометров существенно отличаются друг от друга. Выпускаются тензометры проволочного и непроволочного типа.

Проволочный тензометр представляет собой туго натянутый провод небольшой длины. Держатели, на которых укреплен проводник, растягивают его под влиянием растягивающей силы и позволяют ему уменьшать свою длину при сжатии.

Существуют тензометры, состоящие из одного элемента, но более широкое применение находят тензометры, состоящие из четырех элементов, соединенных по схеме моста Уитстона. Схема построена так, что под действием любой деформирующей силы два тензометра находятся в сжатом состоянии, а два других——в растянутом. С точки зрения электрических параметров такая схема моста обладает более высокой чувствительностью.

Непроволочный тензометр состоит из кусочка тонкой металлической фольги или полупроводникового резистивного элемента, приклеенного к изолятору, который в свою очередь связан с металлической диафрагмой. К диафрагме прикладываются деформирующие силы, а она деформирует тензометр. Здесь опять используют четыре тензометра, соединенных по схеме моста Уитстона.

Рассмотрим для примера жидкостный датчик давления, которым обычно пользуются врачи и физиологи в клинической практике и научной работе. Воздействию подвергается тонкая, легко деформируемая металлическая диафрагма. К ней приклеены четыре тензометра.

Рие. 10.8. Типичный тензометрический датчик давления.

На рис. 10.8 показано, каким образом установлена в датчи* ке эта тонкая диафрагма. Она приклеена к камере, заполняв* мой жидкостью. Противоположная сторона диафрагмы находится внутри пластикового купола (на рисунке не показан) с парой запорных кранов для подачи жидкости в камеру.

Нулевое показание прибора соответствует давлению под куполом при одном открытом в атмосферу кране. Кран открывают и регулируют усилители так, чтобы на выходе был нуль. Затем кран закрывают. После этого тензометр будет воспринимать давление, равное давлению жидкости в трубке.

Емкостные датчики

Емкость может изменяться под воздействием некоторых параметров, к которым чувствителен и тензометр. Более того, емкость может изменяться при изменении положения. Во многих практических случаях емкостные датчики играют первостепенную роль.

На рис. 10.9 показаны два простейших емкостных датчика. На рис. 10.9, а представлен аксиальный емкостный датчик, или датчик мембранного типа, напоминающий элемент старого микрофона, а на рис. 10,9,6 изображен поворотный емкостной датчик, или датчик типа《бабочка》.

В датчике на рис. 10.9, а используется тонкая, гибкая, легко деформируемая металлическая диафрагма, установленная параллельно жесткой металлической пластине. Они разделены изолирующим держателем и сухим воздухом и представляют таким образом конденсатор.

Сила, действующая на диафрагму, деформирует ее, а при этом изменяется емкость. В микрофоне, который на самом деле представляет собой не что иное, как звукоэлектрический датчик, диафрагма работает сама по себе. В других же случаях усилие на диафрагму может передавать тонкий стержень или механизм другого типа.

Другой тип емкостного датчика (поворотный датчик) показан на рис. 10.9, б. В этой конструкции используется два набора пластин, разделенных воздухом. Один набор пластин закреплен неподвижно, а другой вращается на оси. При вращении изменяется размер области на неподвижной пластине, перекрываемой вращающейся пластиной. А это, конечно, вызывает изменение емкости между пластинами.

Для работы емкостных датчиков требуется, как правило, сигнал переменного тока, при условии что они не включены в схему генератора с частотной модуляцией (ЧМ). В системе ЧМ используется LC-генератор, а емкость датчика представляет собой составную часть полной емкости частотно-задающей схемы. Когда датчик оказывается под воздействием деформирующей силы, он вызывает соответствующее изменение частоты генератора.

Схема, в которую включается датчик, работает с сигналом переменного тока постоянной амплитуды. Такой схемой может быть схема моста, но независимо от вида схемы амплитуда сигнала в ней должна изменяться только в результате измеряемого воздействия.

Индуктивные датчики

Существует два основных типа индуктивных датчиков. Датчик одного типа состоит из двух переменных индуктивностей и двух постоянных резисторов, соединенных по схеме моста Уитстона RL-типа. Когда к датчику не приложено воздействие, общий сердечник будет распределен равномерно между двумя обмотками. Измеряемое воздействие заставляет сердечник переместиться, и тогда на одну обмотку будет приходиться большая

4aqeррдвма

Рис. 10.10. Датчик с использованием линейного дифференциального трансфор-матора.

его часть, а на другую — меньшая. При этом реактивности обмоток перестанут быть равными и равновесие моста нарушится.

Индуктивный датчик другого типа представляет собой линейный дифференциальный трансформатор (рис. 10.10). Здесь снова сердечник равномерно распределен между обмотками L2A и 乙23 в том случае, когда отсутствует стимулирующее воздействие. Обмотки соединены последовательно и встречно: Тогда возбуждающий сигнал, поступающий через обмотку Li, гасится, если сердечник находится в состоянии покоя. При изменении положения сердечника балансировка схемы нарушается, возникает выходное напряжение, фаза которого соответствует направлению смещения сердечника, а амплитуда определяет величину смещения.

Литература

Simmons 工，Soderquist D” Temperature Measurement Method Based On Matched Transistor Pair Requires No Reference, Precision Monolithics, Inc. Applications Note AN-12.

Oliver Frank J., Practical Instrumentation Transducers, Hayden Book Co., New York, 1971.

Carr Joseph J, Op-Amp Circuit Design & Application, Book No. 787, 197金 4. Carr Joseoh J., Ser\icing Medical & Bioelectronic Equipment Book No，. 930, 1977.

Глава 11

СХЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ

И УСИЛЕНИЯ СИГНАЛОВ МОСТОВОГО ДАТЧИКА

Для работы всех тензометрических датчиков, построенных по схеме моста Уитстона, а также ряда других систем требуются специальные схемы возбуждения и усиления сигналов постоянного и переменного тока.

Во многих случаях схемы, работающие с сигналами постоянного тока, и схемы, работающие с сигналами переменного тока, полностью взаимозаменяемы, но иногда следует подумать о том, какую же из них все-таки выбрать. Схемы переменного тока более универсальны, они позволяют работать с резистивными, ■емкостными и индуктивными датчиками. Схемы постоянного тока используются только в системах с резистивными датчиками. Их главное достоинство по сравнению со схемами переменного тока заключается в низкой стоимости.

В качестве усилителя сигналов мостового датчика, работающего на постоянном токе, можно использовать почти любой усилитель, поэтому можете просто обратиться к гл. 7 и выбрать какую-либо схему из числа дифференциальных усилителей постоянного тока.

Методы возбуждения сигналом постоянного тока

Рис. 11.1 иллюстрирует методы создания потенциала возбуждения в резистивном тензометрическом датчике. В простейшем методе, который иллюстрируется рис. 11,1, а, для питания моста используется обычная батарея. Может быть, в наш век сложнейшей электроники смешно говорить о батареях, но тем не менее использование появившихся в последнее время сухих элементов с высокими значениями емкости может дать большие преимущества. Я говорю о батарейках для карманных фонарей, которые стоят недорого и продаются в магазинах и отделах электротоваров. Этот метод может подвести только в тех случаях, где проводятся точные измерения, а калибровка затруднена. Напряжение возбуждения в такой схеме, как правило, будет неточным и, кроме того, будет убывать за время службы батареи. Если же высокая точность не нужна или если при каждом использовании системы нетрудно произвести калибровку, то батарея может сослужить добрую службу.

Рис. 11.1. Возбуждение датчика от батареи (а); использование зенеровского диода Д[ для возбуждения датчика (6); схема возбуждения с использованием трехвыводного стабилизатора на ИС (б).

На более высокой ступени сложности стоит схема, изображенная на рис. 11.1, б. Здесь для стабилизации напряжения возбуждения, получаемого от источника питания постоянного тока, используется стабилизатор на зенеровском диоде. Этим методом с успехом пользуются в тех случаях, когда к точности предъявляются умеренные требования и когда выбран хороший диод.

Однако в большинстве обычных зенеровских диодов потенциал пробоя характеризуется большим разбросом, поэтому эти диоды можно использовать только при невысоких или умеренных требованиях к точности. Там, где требования к точности выше, можно использовать эталонные высококачественные зенеровские диоды и диоды, отобранные вручную из большой партии. Не следует также упускать из внимания температурный дрейф, так как у большинства зенеровских диодов значение Vz в широком температурном диапазоне не сохраняется. При изменении нагрузки внутренний нагрев часто вызывает дрейф потенциала даже в тех случаях, когда температура окружающей среды поддерживается на относительно постоянном уровне.

Самый сложный метод предполагает использование стабилизированного источника питания, призванного ослабить влияние температурного дрейфа. Рис. 11.1, в иллюстрирует этот метод. В качестве источника можно использовать любой из описанных в литературе прецизионных стабилизаторов напряжения или какой-либо из трехвыводных стабилизаторов на ИС. Хорошие результаты получают со схемами типа А7 805, LM 340-5 или LM320-5 (для отрицательных потенциалов возбуждения). Эти устройства обеспечивают потенциал, близкий к значению 5 В, которое как раз входит в пределы допустимого диапазона для большинства датчиков. Действительное значение потенциала возбуждения не будет равно точно 5 В, поэтому возникнет некоторая ошибка. Однако для обычного устройства значение потенциала лежит в пределах от 4,9 до 5,1 В; следовательно, такой ошибкой можно пренебречь. Здесь важно, чтобы потенциал сохранил номинальное значение после того, как ИС достигнет стабильного теплового состояния (как правило, через несколько минут). Тем самым предотвращаются ошибки, связанные с изменением напряжения возбуждения.

Из числа выпускаемых промышленностью стабилизаторов (в каждом типе они различаются с помощью буквенного суффикса) лучше выбирать те, у которых значение тока в несколько раз превышает значение тока, потребляемого датчиком. Ток можно определить по закону Ома: /=E/R = 5/R, где R — сопротивление одного плеча моста Уитстона. Лучше всего просто взять за правило выбирать устройства с номиналами 1 А или 750 мА, даже если требуемый ток не должен превышать 100 мА.

Защита от перенапряжения

Датчики в большинстве своем выходят из строя, если напряжение возбуждения в течение длительного времени превосходит установленные для него пределы. Многие датчики работают при напряжении возбуждения в диапазоне от 0 до 〜10 В постоянного тока, но для некоторых диапазон ограничен значением не 187

более 8 В постоянного или переменного тока (имеется в виду среднеквадратическое значение переменного тока). Если приложенные напряжения окажутся более высокими, то произойдет перегрев, который выведет датчик из строя (что происходит чаще всего) или его свойства так изменятся, что данные об измеряемых параметрах сильно исказятся.

Для защиты от перенапряжения чаще всего используют два метода. Один из них состоит в том, что на выходе источника напряжения возбуждения ставится высоковаттный зенеровский диод, а другой основан на использовании кремниевого управляемого вентиля (КУВ). Последний метод более подробно обсуждается в главе, посвященной источникам питания, а первый использован в проекте предусилителя датчика, схема которого приведена на рис. 22.9,以

Пример. Усилитель сигналов мостового дачтика предназначен для создания выходного напряжения, пропорционального значению измеряемого датчиком параметра. Более того, выходное напряжение должно быть таким, чтобы его легко воспринимал оператор, не прибегая к специальной шкале измерения.

Давайте разработаем усилитель сигналов мостового датчика с выходом, представленным в цифровом коде, для измерения давлений жидкости до +100 тор. Для простоты воспользуемся интегральной схемой трехвыводного стабилизатора напряжения, с помощью которой получим потенциал возбуждения, равный +5 В постоянного тока. В качестве датчика возьмем устройство типа Statham Р 23. Его сопротивление со стороны выхода составляет 200 Ом, а масштабный коэффициент (У) равен 50 мкВ/В/см рт. ст., или 5 мкВ/В/тор. Определим, каким должен быть коэффициент усиления дифференциального усилителя постоянного тока для того, чтобы выходное напряжение лежало в пределах, удобных для считывания.

В связи с тем что диапазон изменения сигнала лежит в пределах от 0 до 100 тор, желательно, чтобы выходное напряжение лежало в пределах от 0 до 100 мВ, от 0 до 1 В или от 0 до 10 В; тогда его можно будет считывать прямо с цифрового вольтметра, подключенного к выходу. Благодаря этому цифровые значения, характеризующие давление и выходное напряжение усилителя, будут совпадать, и человек сможет считывать такие показания без большого умственного напряжения. Нам нужно изучить доступные для нас цифровые вольтметры и свойства операционных усилителей и выбрать подходящий диапазон из трех возможных. Диапазон 100 мВ слишком мал, потому что существует всего несколько цифровых вольтметров, приспособленных для такого диапазона. Тем самым сужается круг нашего выбора устройства для отображения выходного напряжения, а это может привести к увеличению расходов. Кроме того, работа в таком диапазоне требует использования высококачественного операционного усилителя, иначе показания, соот- 188

ветствующие небольшим значениям давления, будут искажены шумовыми потенциалами и смещениями самого операционного усилителя. Диапазон 10 В подходит больше, но здесь придется столкнуться с проблемами питания. В типичном операционном усилителе для того, чтобы получить на выходе напряжение + 10 В, неискаженное из-за нарушения линейности, необходим источник питания 土 15 В. Для этого диапазона выпускается тоже всего несколько цифровых вольтметров, а кроме того, требуется значительное усиление, осуществить которое не так-та просто.

Больше всего нам подходит диапазон 1 В (1000 мВ), так как существует большое число цифровых вольтметров, работающих в диапазоне от 0 до 1999 мВ и обеспечивающих точность 2%, 3% и 4% цифры. Стоят они недорого. Кроме того, использование уровня 1000 мВ на выходе позволяет делать коэффициент усиления порядка сотен, а не тысяч. Последнее обстоятельства облегчает отладку схемы, так как в этом случае ошибки схемы не оказывают такого сильного влияния на выход. Следовательно, для нашей системы измерения давления масштабный коэф

фициент равен

1000 мВ/I ОО^тор = 10 мВ/I тор.(11.1)"

Максимальное напряжение, снимаемое с датчика, согласна уравнению (10.32), равно

Евых = 5В*100 тор (5 мкВ/тор・В)= ?(11.2)

= 5-100.5 мкВ=(11.3)

= 2500 мкВ = 2,5 мВ.(11.4)

Коэффициент усиления нашего усилителя должен быть таким, чтобы значение 2,5 мВ превращалось в значение 1000 мВ— максимальный сигнал, который должен быть на выходе усилителя. Значит, коэффициент усиления равен

Л.- 1000 мВ/2,5 мВ=(11.5)

= 400.(11.6)

Тогда цифровой вольтметр, подключенный к выходу усилите- теля, будет отображать значения с масштабным коэффициентом 10 мВ/тор. Если взять недорогой вольтметр, обеспечивающий точность 21/2 цифры, то точку, отдаляющую дробную часть числа, можно бланкировать и тогда показания будут более осмысленными. Например, 100 тор будет выглядеть как 1.00 (с точкой и как 100 (без точки). В большинстве выпускаемых цифровых вольтметров предусмотрена возможность бланкирования точки, отделяющей дробную часть числа, в противном случае всегда можно отсоединить формующий ее светодиод.

Аналогично и с более распространенными вольтметрами с точностью 31/2 цифры: попытайтесь установить такое положение

точки, отделяющей дробную часть числа, чтобы она располагалась слева от младшей значащей цифры. Тогда 1.000 будет представляться в виде 100.0. В некоторых вольтметрах предусмотрена возможность установки положения точки; поэтому, если будете покупать вольтметр, не забудьте об этом. Положение точки, отделяющей дробную часть числа, устанавливается путем заземления соответствующего вывода на разъеме.

Трудно переоценить важность правильного выбора масштабного коэффициента. Если выбрать диапазон напряжения таким образом, чтобы его цифровое представление совпадало с цифровым представлением диапазона измеряемого параметра, то можно использовать обычный вольтметр и исключается необходимость какой-либо интерпретации его показаний и необходимость специальной шкалы вольтметра. При этом появляется возможность непосредственного применения цифровых вольтметров. Для создания специальной шкалы на цифровом вольтметре необходимо прибегать к помощи аналоговой или цифровой схемы, предназначенной для преобразования результата. Если этого не сделать, будут появляться странные показания, и пользователю придется делать перевод《в уме》.Я хочу рассказать вам о системе разбрызгивания с сервоприводом, которой пользовался один крупный биофизик. Для нее конструктор выбрал масштабный коэффициент 2 В =40 тор (50 мВ/тор). Причиной такого выбора послужило то, что сигнал такой амплитуды нужен был для сервоусилителя, включенного после усилителя давления. Но тот же самый сигнал поступал на цифровой вольтметр для отображения, поэтому пользователю приходилось кое-что подсчитывать《в уме». Если бы в эту схему поставили простой операционный усилитель с коэффициентом усиления 2, то проблема была бы устранена, так как масштабный коэффициент стал бы равен 4 В = 40 тор (100 мВ/тор). При этом цифры (т. е. 4 и 0), представляющие максимальное давление, представляли бы также максимальное напряжение. Помните, что ваша репутация как конструктора пострадает, если вы не будете заботиться о том, чтобы вашими приборами было легко и удобно пользоваться.

Логометрические измерения

В тех случаях, когда требуется обеспечить высокую точность измерений, недопустимы никакие изменения потенциала возбуждения, так как они порождают изменения сигнала на выходе, не связанные с изменениями измеряемого параметра. Давайте еще раз рассмотрим гипотетический усилитель измерения дав* ления из предыдущего примера. Подсчитаем ошибку, обусловленную изменением потенциала возбуждения. При давлении 100 тор на выходе датчика получим.

5В.100 тор (5 мкВ/тор・В) = 2500 мкВ = 0,0025В. (11.7)

Рис. 11.2. Использование аналогового делителя для устранения дрейфа, вы званного изменением потенциала возбуждения.

Если потенциал возбуждения изменится от 5 до 4,5 В, то напряжение на выходе изменится следующим образом:

4,5В-100 тор (5 мкВ/тор• В) = 2250 мкВ = 0,00225В. (11.8)

Но масштабный коэффициент датчика равен 25 мкВ/тор, поэтому такое изменение трактуется как изменение давления на 10 тор. Оператор, работающий с прибором, и не подозревает, что изменение показания вызвано не действительным изменением измеряемого давления, а отклонением потенциала возбуждения от номинальной величины.

На схеме, приведенной на рис. 11.2, показан логометрический усилитель сигналов мостового датчика, позволяющий существенно уменьшить влияние искажающих воздействий. В этой схеме выход тензометра усиливается в 10 раз усилителем У〔・ Это напряжение подается на выход X аналогового делителя. В приведенном примере передаточная функция делителя определяется следующим выражением:

Евых=10Х/К(11.9)

Если напряжение с выхода усилителя У1 подать на вход X делителя, а возбуждающее напряжение 5В — на вход У, то на выходе делителя получим [используя уравнение (11.9)]:

для давления 100 тор,：при Е】 = 5В

£вых = 10-°'0025 = 0,005 В(11.10)

при Е[ = 4,5В

纯=0,оо5в・(11.11)

『Обратите внимание, что при изменении потенциала возбуждения на 10% выходное напряжение не изменилось. Но не будем спешить использовать этот метод, ответим сначала на такой вопрос: «Вызовет ли действительное изменение измеряемого параметра изменение на выходе?» Конечно, глядя на уравнение (11.10) или (11.11), мы интуитивно чувствуем, что изменение на выходе должно быть, но для того, чтобы нас не в чем было упрекнуть, подсчитаем изменение на выходе, если вход делителя изменился на такую же величину, как в выражении (11.11), а напряжение возбуждения осталось равным 5 В. Эта ситуация описывается следующим выражением:

口10-0,00225八八八｛匚 口1ПЧ

£вых=——g= 0,0045 В.(11.12)

'Изменение давления на 10 тор вызвало изменение напряжения на выходе на 500 мкВ; следовательно, наша система работоспособна. В данном случае масштабный коэффициент был бы равен

5 мкВ/10 тор = 50 мкВ/тор = 5・ 10-5 в/тор. (11.13)

Если позаботиться об удобстве пользования прибором, то масштабный коэффициент на выходе системы нужно сделать таким, чтобы напряжение 1 В соответствовало давлению 1 тор. Тогда коэффициент усиления должен быть равен

Л. = 1000/5 = 200.(11.14)

Усилитель У1 нужен не всегда. Он используется для повышения напряжения с выхода датчика до значений, с которыми может работать схема аналогового делителя. В большинстве случаев коэффициент усиления должен быть больше, чем Ли = 10 (коэффициент, выбранный для нашего примера), так как для большинства схем минимальный сигнал должен лежать в диапазоне от 100 мВ до 1 В. Значение Л^ = 10 взято просто для примера.

Схемы возбуждения и усиления；

работающие с сигналами переменного тока

Схемы переменного тока предназначены для создания возбуждающего сигнала переменного тока и для обработки результирующего сигнала переменного тока с выхода датчика. Хотя конкретные каскады могут существенно отличаться друг от друга, большинство выпускаемых в настоящее время усилителей более или менее соответствует схеме, представленной на рис. 11.3.

Сигнал возбуждения датчика представляет собой сбалансированный сигнал переменного тока, взятый относительно земли. На два вывода схемы моста подаются сигналы, сдвинутые от-

о§£ W3C18U

Полозовойусилительперем тока

GliH^poHHbiaдетектор

Фильтр НЧ

Устройствоотображения

Усилитель пост тока

Рис. 11 3 Функциональная схема усилителя сигналов мостового датчика.

носительно друг друга по фазе на 180°. В некоторых конструкциях напряжение с выхода подается на дифференциальный усилитель переменного тока точно так же, как это делается в усилителе постоянного тока, но на рис. 11.3 один вход датчика заземлен, и поэтому можно использовать усилитель переменного тока с несимметричным входом.

Большая часть усиления системы реализуется полосовым усилителем переменного тока. Его частотная характеристика может охватывать диапазон вплоть до очень низких частот переменного тока, но не до частот постоянного тока. Благодаря этому он может использовать преимущества отрицательной обратной связи, повышающей стабильность работы.

Сигнал, приложенный к полосовому усилителю переменного тока, подается на один вход синхронного детектора. Этот каскад состоит из переключательной схемы, которая преобразует изменение амплитуды сигнала переменного тока в уровень сигнала постоянного тока, пропорциональный измеряемому параметру датчика. Коэффициент усиления усилителя постоянного тока, включаемого после синхронного детектора, может быть не равен единице, — тогда усилитель служит для повышения уровня выходного напряжения до необходимого значения, а может быть равен единице,——тогда он используется в качестве буфера.

Методы возбуждения сигналом переменного тока

Среднеквадратическое значение сигнала несущей переменного тока, используемого для возбуждения датчика, должно быть меньше, чем максимальный потенциал постоянного тока, который может быть подан на датчик. Амплитуда несущей должна быть стабильной, иначе возникнут помехи, искажающие выходное напряжение. Если несущая представляет собой сигнал достаточно низкой частоты, то можно воспользоваться логометрическими методами. Особенно часто используются частоты от 400 Гц до 5 кГц, причем наиболее распространены значения 1

Рис. 11.4. Типичные схемы возбуждения переменного тока: с использованием трансформатора (а), с использованием усилителя с дифференциальным выходом (6), триггерная (в), биквадратурная (г), с использованием компаратора (0)■

и 2,5 кГц. Эти значения как раз попадают в диапазон, охватываемый частотной характеристикой большинства аналоговых делителей.

Реальный сигнал переменного тока может быть как синусоидальным, так и прямоугольным. Рис. 11.4 иллюстрирует методы, используемые для подачи сигнала на вход усилителя. Сигнал можно получить любым методом, но лучше всего воспользоваться таким, который характеризуется наиболее высокой стабильностью амплитуды. Примеры вы найдете в гл. 13.

На рис. 11.4,а показано, как для подачи напряжения воз-

буждения на датчик можно использовать симметричный трансформатор переменного тока. Хотя подходящий трансформатор может оказаться довольно дорогим, тем не менее это один из возможных вариантов систем с синусоидальным сигналом. Если вы хотите получить хороший синусоидальный сигнал с надлежащей разностью фаз (180°) между двумя входами (epi и 屮2)・ трансформатор должен быть особенно хорошо сбалансирован. Как правило, для этого нужен дорогой трансформатор с бифилярной обмоткой.

На рис. 11.4,6 показан пример с использованием мощного операционного усилителя или гибридного модуля мощного усилителя. Необходимо, чтобы усилитель имел дифференциальный двухтактный выход. Однако этот способ не пользуется популярностью, потому что большая часть модулей и интегральных схем мощных операционных усилителей или представляет собой видеоусилители, которые стоят дорого, или рассеивает слишком большую мощность, которая теряется впустую. В любом случае с этими усилителями не так-то просто справиться в реальных схемах.

На рис. 11.4, в показано, как для получения сигналов из обычной последовательности прямоугольных импульсов используется JK-трштер, имеющий пару дополняющих входов. Пара операционных усилителей выполняет роль буферов для развязки.

Метод, основанный на использовании биквадратурного (т. е. 2-90°) сдвига по фазе, иллюстрируется рис. 11.4, г. Сигнал с фазой 0° получают после прохождения сигнала источника через буферный усилитель с единичным коэффициентом усиления, а сигнал с фазой 180° — после прохождения сигнала источника через два последовательно соединенных интегратора. Последние представляют собой обычные интегрирующие операционные усилители, каждый из них дает сдвиг фазы на 90°, поэтому полный сдвиг фазы составляет 180°. Этот метод довольно популярен, так как позволяет, не прибегая к дорогим и громоздким трансформаторам, использовать для возбуждения синусоидальный сигнал.

Рис. 11.4,3 иллюстрирует последний метод. Здесь используются три операционных усилителя, соединенных как компараторы, производящие сравнение с потенциалом земли. В компараторе У1 форма сигнала может изменяться, так что можно получить или синусоидальные, или прямоугольные сигналы.

Если на выходе нужно получить нулевое напряжение, то на дифференциальном входе компаратора должно действовать также нулевое напряжение. Поскольку один вход каждого из компараторов заземлен, условие выполняется только в тех случаях, когда входной сигнал пересекает нулевую ось. Когда амплитуда сигнала превышает несколько милливольт, схема входит в режим насыщения и напряжение на выходе становится равным одному из значений напряжения питания: Усс или Vee. Опера-

ционный усилитель У】 включается по схеме инвертора, поэтому положительному сигналу на входе соответствует отрицательный сигнал на выходе и наоборот.

Компараторы % и У2 также производят сравнение с потенциалом земли, но имеют противоположный смысл. Компаратор У2 инвертирует прямоугольный сигнал, а компаратор У3——нет. Результирующий сигнал на выходе представляет собой пару прямоугольных сигналов, удовлетворяющих требованиям двухтактной работы. Следует, однако, позаботиться о том, чтобы полная амплитуда сигнала на выходе не превышала максимальную величину, допустимую для датчика, который будет подключен к схеме.

Типичные детекторы

Большинство детекторов — это своего рода электронные переключатели, работа которых синхронизируется сигналом несущей переменного тока. На рис. 11.5 показаны два распространенных типа детекторов. В схеме, показанной на рис. 11.5, а, для детектирования несущей используют два транзистора и двухтактные трансформаторы. На соответствующие выводы баз транзисторов подаются отпирающий и запирающий сигналы высокого уровня, полученные из эталонного сигнала генератора несущей. Оба трансформатора должны быть хорошо сбалансированы, а транзисторы должны представлять собой согласованную пару.

На рис. 11.5,6 показана более современная система, в которой используется электронный переключатель на КМОП-схеме (называемый вентилем передачи). В состав такого устройства, в данном случае типа 4016, входят четыре переключателя, а используются только два из них. Когда на выводе 5 действует высокий уровень, выводы 4 и 5 замыкаются между собой, а если высокий уровень подается на вывод J3, то замыкаются выводы / и 2. В схеме, показанной на рисунке, в одно и то же время замкнут только один переключатель.

Операционные усилители У】——У3 выполняют функции, во многом похожие на те, которые описаны для схемы на рис. 11.4,г. Именно благодаря этим усилителям переключатели работают в противофазе. Два сигнала с выходов переключателей подаются на дифференциальный усилитель, в котором производится суммирование соответствующих выходов. Фильтр нижних частот, подключаемый к усилителю, уничтожает остатки сигнала несущей в сигнале постоянного тока, снимаемом с выхода У4.

Схемы, компенсации смещения нуля

Трудно найти датчик или усилитель, безупречный в отношении компенсации смещения нуля. Почти все они имеют смещение, которое не равно нулю в те моменты, когда измеряемый параметр на входе равен нулю. Смещение может быть обуслов- 196

Рис. 115. Схемы синхронных детекторов: трансформаторная (а) и цифровая (6).

лено целым рядом факторов, но независимо от того, какова причина, смещение вносит ошибку. Для компенсации этой ошибки нужно предусмотреть специальную схему компенсации смещения нуля.

В большинстве усилителей сигналов мостовых датчиков ошибки, обусловленные смещением, компенсируют вручную. В усилителе постоянного тока для компенсации смещения нуля можно воспользоваться обычным методом, применяемым для схемы любого операционного усилителя. Эти методы основаны на создании противотока, компенсирующего смещение. Создав

Рис. 11.6. Функциональная схема компенсации смещения нуля.

такие условия, при которых измеряемое воздействие в датчике отсутствует, оператор производит регулировку схемы таким образом, чтобы смещение было равно нулю. В описанной ранее системе измерения давления нуль устанавливается при условии, что камера датчика заполнена жидкостью, а запорные краны открыты.

В усилителе переменного тока обычно используется потенциометр, подключенный таким образом, что его концы связаны с противоположными фазами эталонной несущей. При этом сигнал схемы компенсации пропорционален установленному сопротивлению. Такой сигнал поступает на полосовой усилитель или на детектор. Фаза и амплитуда при отсутствии измеряемого воздействия регулируются таким образом, чтобы скомпенсировать смещение.

Гораздо проще работать со схемами с автоматической компенсацией смещения нуля. При использовании такой схемы оператору следует только поставить датчик в состояние, при котором измеряемое воздействие отсутствует, и нажать кнопку компенсации смещения нуля.

Автоматическая компенсация смещения нуля основана на двух различных, но имеющих общие черты, методах. И один, и другой на самом деле представляют собой варианты метода выборки и запоминания. Функциональная схема системы показана на рис. 11.6. Если кнопка компенсации нажата, схема выборки и запоминания производит выборку выхода усилителя, на котором в это время действует потенциал смещения, и запоминает его. Значение в памяти сохраняется даже после освобождения кнопки. После этого, если необходимо, изменяется масштаб запоминаемого напряжения и оно подается на вход усилителя для компенсации смещения.

Для реализации этой функции можно использовать классическую схему выборки и запоминания, в которой для запоминания напряжения используется конденсатор. Однако эта схема не очень-то хороша, потому что дорогие конденсаторы и высококачественные усилители не предотвращают происходящий со временем некоторый спад запоминаемого значения. При этом 198

Рис. 11 7 Цифровая схема автматической компенсации смещения нуля.Рис. 11 7 Цифровая схема автматической компенсации смещения нуля.

Рис. 11 7 Цифровая схема автматической компенсации смещения нуля.

Рис. 11 7 Цифровая схема автматической компенсации смещения нуля.

смещается уровень отсчета, который считается нулевым. Заметить это смещение во время работы невозможно. На рис. 11.7 показан лучший метод, приемлемый теперь с экономической точки зрения, так как в настоящее время появились недорогие цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) на ИС.

В схеме на рис. 11.7 компаратор У3 типа 311 сравнивает выход ЦАП (гл. 14) с сигналом давления, снимаемым с У2. Если сигнал давления превосходит сигнал на выходе ЦАП, то на выходе компаратора действует высокий уровень. Этот уровень подается на вход вентиля И. При нажатой кнопке оператор подает разрешающий сигнал на другой вход вентиля И, замыкая тем самым переключатель. При этом включается синхронизатор, позволяющий двоичному счетчику управлять приращением входов ЦАП. Когда напряжение на выходе ЦАП становится равным аналоговому входу (смещение по давлению, если оператор выполнил инструкции), счет прекращается, но счетчик не сбрасывается. Выход ЦАП генерирует ток /2, который полностью компенсирует ток 7Ь обусловленный смещением.

При использовании цифровой схемы выборки и запоминания величина компенсирующее о сигнала сохраняется как угодно долго и ошибки будут создаваться только очень небольшими смещениями усилителя. При использовании же аналоговой схемы, запоминаемое значение уменьшится всего через несколько минут. Аналоговая схема используется в усилителе артериального давления крови, и в этой системе необходимо производить новую регулировку (т. е. нажимать на кнопку компенсации при открытых клапанах датчика) всякий раз, когда нужно сделать измерение, даже если предыдущий замер производился всего несколько минут назад.

Глава 12

СЕМЕЙСТВА ЦИФРОВЫХ СХЕМ

Основные типы цифровых логических интегральных схем были рассмотрены в гл. 2, а в настоящей главе мы займемся изучением более сложных схем и обсудим некоторые области их применения. Мы рассмотрим счетчики (с дисплеями), регистры сдвига, статические запоминающие устройства и попутно другие типы схем.

Десятичные счетчики

Десятичный счетчик ——это интегральная схема, которая считает до десяти. Частота на выходе старшего значащего разряда составляет одну десятую частоты на входе. Подобные операции могут быть выполнены с помощью устройств различных типов, но в наиболее распространенных из них используется интегральная схема 7490 типа ТТЛ. Эта схема фактически представляет собой двоично-пятеричный счетчик, так как она содержит два каскада (с возможностью их последовательного соединения) ： делитель на 2 и делитель на 5. Соединенные последовательно, эти два счетчика образуют делитель на 10. Кроме того, с помощью такого счетчика легко осуществить преобразование двоичного кода в десятичный, а в таком случае для индикации кодов можно использовать десятичные дисплеи.

На рис. 12.1,。показаны функциональная схема и контакты интегральной схемы 7490. Заметьте, что для работы в режиме деления на 10 контакты / и /2 должны быть соединены между собой во внешней цепи. При этом выход делителя на 2 соединяется со входом делителя на 5.

Для работы интегральной схемы 7490 требуется источник постоянного напряжения +5 В при величине тока от 30 до 40 мА. Рабочий диапазон частот лежит, как правило, в пределах до 18—20 МГц, хотя некоторые из устройств могут хорошо работать и до частот 20—30 МГц.

В интегральной схеме 7490 имеется две пары контактов сброса. Если к контакту 2 или 3 приложено напряжение высокого логического уровня (十5 В постоянного тока), то счетчик устанавливается в ноль. Напротив, счетчик установится в состояние «девять》，если напряжение высокого логического уров-

Рис. 12.1. Функциональная схема десятичного счетчика 7490 (а); схема делителя частоты на 10 без декодирования, использующая кристалл 7490 (6).

ня будет приложено либо к контакту 6, либо к контакту 7. Поскольку обе эти пары контактов предназначены для сброса счетчика, необходимо предусмотреть меры для исключения возможности одновременного появления напряжения высокого логического уровня на обеих парах контактов. Для предотвращения подобных ситуаций в большинстве схем делителей на 10 контакты 6 и 7 заземляют. Установка счетчика в ноль осуществляется с помощью напряжения высокого логического уровня, приложенного к контакту 2 с замыканием контакта 5 на землю, либо к контакту 5 с замыканием контакта 2 на землю. Кроме того, контакты 2 н 3 можно соединить друг с другом, тогда напряжения на них будут одинаковыми.

На рис. 12.1,6 показана основная конфигурация делителя на 10 без декодирования, в которой используется интегральная

схема 7490. Такая схема часто применяется в стандартах частоты, в цепях временной развертки и в других приложениях, где не требуется декодирования состояния выхода с целью индикации.

Для построения многокаскадных устройств из схем, показанных на рис. 12.1, б, нужно просто ^подсоединить выход одного каскада ко входу следующего. Частота первого выходного сигнала будет равна Fbx/10, а второго FBx/100. Число последовательных ступеней в таких устройствах почти не ограничено. Например, нередко встречаются устройства, в которых на первую ступень подается сигнал от кварцевого генератора с частотой 10 Мгц, а на самом низкочастотном выходе вырабатывается сигнал с частотой 0,001 Гц. Для каждого деления на 10 требуется один дополнительный счетчик 7490. Выходы делителей можно подсоединить к вращающемуся переключателю; в этом случае мы получаем частотный селектор.

i На рис. 12.2 показана основная схема десятичного счетного элемента (ДСЭ) на базе оттегральной схемы 7490. Это классическая схема счетчика, предпочтительная для приложений, в которых частоты не ^превышают 20 МГц. Собственно счетчик — это интегральная схема 7490, подключенная так, что контакты 2 и 5 осуществляют установку в ноль, когда к ним приложено положительное напряжение. Во время счета на них поддерживается потенциал земли. Заметьте, что контакты установки в состоянии «девять» (6 и 7) постоянно подключены к земле.

Интегральная схема 7490 обеспечивает формирование двоич- нО'Десятичных кодов (ДДК) на выходе, состоящем из четырех отдельных шин. ДДК ——это весовая кодовая система, разряды которой (и соответствующие им шины) обозначены буквами А, В, С, D, причем D ——старший значащий разряд, а А ——младший значащий разряд. Значения, соответствующие шинам А——В—— С——D равны 1—2——4——8 соответственно. Старший значащий разряд (Д с весом 8) используется как выход переноса на вход следующей ступени.

Интегральная схема 2 (ИС 2) на рис. 12.2 — это ИС 7475 типа ТТЛ, называемая в паспортах счетверенной 《защелкой》， которая представляет собой всего лишь сборку из четырех триггеров /)-типа.

Напомним, что в гл. 2 мы показали, что триггер D-типа передает данные, появляющиеся на его входе (вход D, или шина данных), на выход только тогда, когда на шине синхронизации имеется высокий уровень напряжения. В рассматриваемой схеме шина синхронизации обозначена словом 《строб》.

Интегральную схему 7475 приходится использовать по той причине, что счетчик продолжает счет до тех пор, пока на входе присутствует сигнал. Такой непрерывный счет проявляется как непрерывное изменение показаний индикатора, которые пробегают значения от 0000 до 9999... в течение каждого 202

尸

4

G

Семисегментньт

3 индикатор

С

Рис. 12.2. Схема десятичного счетного элемента (ДСУ), с рабочей частотой почти до 20 МГц.

Е

D

7 26

5

С

9

15

Ю

ИС2

7475

цикла. Это очень неудобно для чтения. Схема 7475 стробируется с небольшим темпом: от одного раза в секунду до одного раза за 30 с. Когда на шине 《строб》 появляется высокий потенциал, число, соответствующее состоянию входов, передается на выход, где оно может быть декодировано для индикации. Если же потенциал на шине 《строб》будет низким, то выход-

ные шины схемы 7475 будут сохранять прежние значения потенциалов независимо от изменений на входных шинах.

Последний каскад в ДСЭ ——это дешифратор и схема сопряжения с дисплеем. В частном случае, показанном на рис. 12.2, ИС 3 представляет собой -преобразователь двоично-десятичных кодов в семисегментные. Схемы такого типа требуются для сопряжения с десятичными индикаторными устройствами на светодиодах, некоторыми типами флуоресцентных устройств и с лампами накаливания фирмы RCA типа Numitron. Конкретные контакты дисплея на рисунке не показаны, так как они могут быть различными для различных устройств.

Характерной особеннопью интегральной схемы 7447 или CD 2500 фирмы RCA является заземленный выход. Если необходимо высветить какой-либо сегмент дисплея, то соответствующий ему выходной контакт замыкается на землю. Если этот сегмент не должен светиться, то соответствующий выход остается под напряжением 十5 В постоянного тока. Величина тока, протекающего через эти контакты, составляет около 40 мА. Сегменты индикаторного устройства подключаются к обычному источнику +5 В постоянного тока. Если выход, соответствующий некоторому сегменту, подключается к земле, сегмент на дисплее начинает светиться.

Иногда целесообразно использовать для индикатора отдельный пятивольтовый источник питания, особенно для индикаторов, потребляющих большие токи. Использование отдельного источника питания дает также возможность оператору погасить индикатор или уменьшить яркость его свечения. Оба эти свойства желательно использовать в аппаратуре, которая питается от батареи, так как дисплей потребляет большую часть используемого в ней тока.

Еще одной особенностью схемы 7447 является контакт 3, предназначенный для контроля лампы. При замыкании этой точки на землю дешифратор заземляет все выходы, что вызывает свечение всех сегментов. Это приводит к высвечиванию цифры 8, так что оператор может убедиться в отсутствии неработающих сегментов. В противном случае может произойти ошибочная индикация. Например, цифра 9 получается высвечиванием сегментов А, В, С, F п G. Если сегмент Л прогорает, то высветится цифра 4, хотя двоичный код соответствует цифре 9.

Выводы Rb вх и ^в вых предназначены для бланкирования пульсаций. Эти выводы можно использовать для различных применений, в частности для подавления нулей. Если вывод Rb вх имеет низкий потенциал (т. е. заземлен), то любая индикация нуля (в двоичном виде 0000) запрещена или заблокирована. На выход Rbbhx подается низкий потенциал, как только число на входных линиях ДДК становится равным 0000.

Мы можем использовать вывод Rbbx для выключения дисплея в тех случаях, когда число равно нулю. Для этого вьрвод Rb^ нужно заземлить. Вывод Rb … можно использовать, если это необходимо, для выдачи на другие каскады сигнала, служащего признаком нуля. В свое время мы дадим несложный пример подобного устройства.

Если в качестве индикатора используется устройство на лампах накаливания фирмы RCA, то выходные контакты схемы 7447/CD2500 могут быть подключены непосредственно к контактам индикатора. Если же используются устройства индикации на светодиодах, то между контактами схемы 7447 и соответствующими контактами индикатора необходимо включить резисторы——ограничители тока. При питании 5 В величина сопротивления должна быть в пределах от 150 до 1500 Ом, причем чаще всего можно рекомендовать значение 330 Ом. Многие индикаторные устройства, получаемые любителями и другими лицами из случайных источников, являются на самом деле некондиционными товарами головных фирм-изготовителей. Основной причиной отбраковки таких индикаторов является не одинаковая яркость одного клн нескольких сегментов. Один или несколько сегментов могут быть или более яркими, или более тусклыми, чем другие. Этот эффект можно устранить в вашем образце электронной аппаратуры, если отрегулировать величины сегментных резисторов в соответствии с их уровнями яркости. Такой метод нельзя рекомендовать для условий производства, однако при изготовлении единичного экземпляра устройства это хороший способ сэкономить деньги.

Схема измерителя частоты

На рис. 12.3,а приведен пример цифрового измерителя частоты. Эта схема состоит из нескольких последовательно соединенных ДСЭ и образует десятичный счетный узел (ДСУ). Число каскадов ДСЭ определяется требуемым разрешением по частоте. В данном случае, так же как и на рис. 12.2, мы имеем три последовательно соединенные схемы ДСЭ, образующие 7рехкаскадный измеритель частоты. Иногда при работе с частотами порядка 20 МГц целесообразнее использовать 8 разрядов в каждом каскаде; в этом случае возможно измерение частоты 20 МГц с точностью до 1 Гц.

Младший значащий разряд (МЗР) изображен справа, хотя на некоторых схемах он бывает и слева. Это условность, не имеющая особого значения. Обычно мы рисуем электронные схемы таким образом, что вход находится слева, а выход—■ справа, однако в случае измерителя частоты это приведет к перемещению МЗР влево, что прямо противоположно его истинному положению в десятичной числовой системе. На рис, 12.3 старший значащий разряд (СЗР) помещен слева.

Синхронизация триггера

Счет Индикация

р-вбгходтриггера

Q-вы ходтриггера

Л

Рис 12.3. Функциональная схема и временные диаграммы измерителя частоты.

Выход переноса МЗР подается на вход каскада, предшествующего каскаду СЗР. Выход этого каскада (т. е. перенос) подается на вход каскада СЗР. Выход каскада СЗР должен бы подаваться на вход следующего каскада, однако в данном случае он используется для индикации переполнения, когда число достигает значения 999+1.

Измеритель частоты — это частный случай в более широком классе устройств, называемых измерителями числа событий в единицу времени. Мы должны ограничить время счета ДСУ некоторой единицей времени. Это выполняется с помощью главного вентиля, помещаемого между входом ДСУ и источником сигнала. В схеме (рис. 12.3) главный вентиль представляет собой ТТЛ-вентиль 7400 НЕИ, или по крайней мере одну секцию четверки вентилей НЕ И.

Для синхронизации в схеме предусмотрен блок эталона времени, или синхронизатор. Б большинстве случаев этот блок состоит из кварцевого ТТЛ-генератора, работающего на частоте 100 кГц, 1 МГц или даже 10 МГц (значение 1 МГц наиболее распространено и наиболее практично для любительских конструкций) ,и из цепочки делителей типа 7490, число которых должно быть таким, которое необходимо для правильной работы. Обычно в цепочке эталона времени используется схема типа, показанного на рис. 12.1,6. Как правило, периоды эталона времени составляют 0,1 мкс (если используется кварцевый генератор на 10 МГц), 1 мкс, 10 мкс, 100 мкс, 1 мс, 10 мс, 100 мс, 1 с и 10 с. Десятисекундный период используется для формирования отсчетов средней частоты. Для такой системы требуется кварцевый генератор на 10 МГц и восемь каскадов 7490 или, если интервал времени 0,1 мкс не требуется, генератор на 1 МГц и семь каскадов 7490.

Схема эталона времени используется для управления триггером главного вентиля (триггер 1) который в свою очередь также управляет вентилем. Выход блока эталона времени подключен ко входу синхронизации /^-триггера.

Главный вентиль имеет два входа. Один из них подключен к источнику входного сигнала (обычно это триггер Шмидта с последующим широкополосным входным усилительным каскадом). Другой вход главного вентиля подключен к Q-выходу триггера. Потенциал на выходе вентиля будет низким только тогда, когда оба входа имеют высокий потенциал, так что вентиль будет пропускать входные импульсы на ДСУ только тогда, когда Q-выход триггера 1 имеет высокий потенциал. Если время, на которое включается Q-выход, составляет 1 с, дисплей 6ylдет показывать частоту в герцах. Временная диаграмма работы в этом случае показана на рис. 12.3, б. Кстати, мы настоятельно рекомендуем использовать временные диаграммы при работе над цифровыми схемами, особенно если вы проектируете их, начиная на голом месте. Сказанное справедливо

не только для схем счетчиков, но и вообще для всех цифровых схем. Временная диаграмма помогает выполнить проект и оказывает хорошую услугу в его упрощении.

После того как начальный период счета окончен, мы хотим сохранить показания индикатора в течение такого времени, которое по крайней мере достаточно для считывания показаний. Мы хотим также установить счетчик в ноль перед выполнением нового счета, так как в противном случае результат нового счета будет просто прибавляться к старому. Это достигается путем манипуляций с шинами строба и сброса.

Мы хотим, чтобы схема 7475 защелкивалась во время процесса счета и обновлялась, когда данные готовы. Если импульс строба придет в интервале времени (^——厶i), то защелка захватит ошибочное промежуточное значение. Для исключения такой возможности мы подаем сигнал на шину строб через вентиль И. Поскольку в схеме уже есть вентиль НЕ И типа 7400, это можно выполнить путем использования вместо схемы И двух последовательно соединенных вентилей НЕ И, причем второй из них включен так, что он образует инвертор (т. е. схему НЕ). Инвертированное НЕ И есть в конечном итоге И.

Импульсы строба генерируются в отдельной генераторной схеме. Длительность этих импульсов мала, а частота повторения лежит в пределах от 2 до 0,3 L или около этого. Однако эти импульсы не достигнут шины строба ДСУ до тех пор, пока потенциал на шине Q от триггера 1 не станет высоким. Выполнение этого условия показывает, что счетчик находится в периоде индикации.

Импульс сброса должен приходить в тот момент, когда триггер 1 изменяет свое состояние так, что потенциал на выходе Q становится высоким. Это сигнализирует о начале интервала счета. Хотя в некоторых конструкциях счетчиков для этой цели используется быстродействующий одновибратор, нам кажется, что несколько проще использовать дифференцирующую 7?С-цепь, на которую подается сигнал с одного из выходов триггера главного вентиля. На рис. 12.3, а цепь сброса состоит из G, R и Qi

Коллектор транзистора Qi подключен к линии сброса ДСУ. Поскольку R】 поддерживае! Qi смещенным в прямом направлении, коллектор будет иметь потенциал земли. Это позволит осуществить нормальный счет в ДСУ. Короткий отрицательный импульс, приложенный к базе транзистора Q「на мгновение выключает его. В течение периода, когдаQj выключен, коллектор будет иметь высокий потенциал и установит тем самым ДСУ в ноль.

Если этого не сделать, то число в ДСУ будет накапливаться таким образом, что оно будет равно f после первого интервала, 2f — после второго интервала и т. д., пока счетчик не пе-

Рис. 12.4* Изменения, необходимые для превращения схемы на рнс. 12.3 в периодомер.

реполнится. Импульсы сброса возвращают счетчик в начальное нулевое состояние в начале периода счета.

Цепочка R& образует дифференцирующую схему на выходе Q триггера 1. Линии А и В на временной диаграмме показывают продифференцированные импульсы на базе и коллекторе транзистора Qi соответственно. Поскольку мы хотим, чтобы импульсы сброса появлялись в те моменты, когда Q перебрасывается в низкий уровень, то Qi должен быть транзистором типа п—р——п. В обычном состоянии он имеет смещение в прямом направлении, а отрицательный импульс от дифференцирующей цепи на короткое время запирает его.

Вывод бланкирования пульсаций используется для подавления нежелательных незначащих нулей. Если эти нули не подавлены, то показания индикатора трудно читать. Предположим, что в трехдекадном счетчике записано число 8. Если незначащие нули не подавлены, то индикатор покажет следующее значение 008. Бланкированием незначащих нулей мы добиваемся того, что показание будет таким:

Бланкирование пульсаций можно осуществить путем заземления вывода Rbbx в ДСЭ старшего значащего разряда и подключения вывода Rebhx каждого каскада к выводу ^Ввх следующего каскада, в порядке убывания значимости разрядов. Если значение какой-либо цифры, так же как и следующей за ней старшей цифры, равно нулю, то данная цифра будет погашена. С другой стороны, если значение цифры равно нулю, а значение следующей, старшей цифры не нулевое, то данная цифра остается высвеченной и нуль появится на индикаторе. Так, например, число 40 будет индицировано на нашем трех- значом счетчике не как 040 или ——4—, а как 40. Подавляются только незначащие нули. Значащие нули сохраняются.

Измеритель временного интервала может быть получен соответствующей переменой ролей (рис. 12.4) триггера главного вентиля и самого главного вентиля. Сигнал временного эталона подается прямо на главный вентиль, а импульсы входного сигнала подаются на вход синхронизации триггера 1. Имеющие смысл измерения временного интервала могут быть выполнены тогда, когда частота временного эталона значительно больше, чем частота входного сигнала. В этом методе мы управляем

ввРис. 12.5. Применение переключателя для работы в одном из трех режимов: измерителя частоты (尸),периодомера (Р) и суммирующего счетчика (Т) (а); схема устранения влияния дребезга кнопки включения (6).Рис. 12.5. Применение переключателя для работы в одном из трех режимов: измерителя частоты (尸),периодомера (Р) и суммирующего счетчика (Т) (а); схема устранения влияния дребезга кнопки включения (6).3冬§更749江弋QaQA6Q§C£^O DNU0H工3冬§更749江弋QaQA6Q§C£^O DNU0H工

в

в

Рис. 12.5. Применение переключателя для работы в одном из трех режимов: измерителя частоты (尸),периодомера (Р) и суммирующего счетчика (Т) (а); схема устранения влияния дребезга кнопки включения (6).

Рис. 12.5. Применение переключателя для работы в одном из трех режимов: измерителя частоты (尸),периодомера (Р) и суммирующего счетчика (Т) (а); схема устранения влияния дребезга кнопки включения (6).

3冬§更749江弋QaQA

6Q§C£^O DNU0H工

3冬§更749江弋QaQA

6Q§C£^O DNU0H工

главным вентилем с помощью сигналов, получаемых извне, и подсчитываем число импульсов, вырабатываемых блоком эталона времени.

Сигнал временного эталона с периодом 1 мкс (1 МГц) обеспечивает разрешение во временной области, также равное 1 мкс, в то время как временной эталон с периодом 1 мс обес- 210

печивает разрешение всего лишь 0,001 с. Ясно поэтому, что вы не захотите делать измерения интервалов величиной от нескольких микросекунд до нескольких сотен микросекунд с помощью временного эталона 1 мс. Вообще период временного эталона не должен превышать одной десятой периода входного сигнала. Число разрядов, которое требуется в ДСУ, должно быть всегда на единицу больше, чем число разрядов, которое требуется для обеспечения заданного разрешения. В соответствии с этим нужно выбирать размер ДСУ и частоту временного эталона.

Суммирующие счетчики используются для подсчета числа событий на входе безотносительно к какому-либо определенному временному интервалу. Если в схеме на рис. 12.3 вентиль (G2) подключить постоянно к источнику +5 В постоянного тока и предусмотреть ручной сброс, то мы можем осуществить счет с накоплением итога. Все эти изменения показаны на рис. 12.5, а. На этом же рисунке показан способ включения переключателя рода работы, обеспечивающего работу в режиме- измерения частоты, временного интервала и в режиме суммирующего счетчика.

Если переключатель Sk находится в положении «Накопление», вход 1 главного вентиля подключен к источнику входного- сигнала, а вход 2 — через резистор 1 кОм — к источнику +5 В* постоянного тока. В это же время вход синхронизации триггера главного вентиля (триггер 1) подключен к одновибратору типа 555 на 1 мс, предназначенному для устранения влияния^ дребезга кнопки включения. Цепь, связанная с кнопкой включения, необходима потому, что контакты переключателя имеют тенденцию к дребезгу, что порождает множественные импульсы сброса. Триггер типа RS устраняет эти явления.

Модель《Умник 1》——счетчик, который считает до N

На рис. 12.6 и 12.7 показан проект специального счетчика,, выполненный автором для одного психолога-экспериментатора.

Трехдекадныи компаратор

Рис. 12.6. Функциональная схема счетчика, суммирующего до N.

RCADR20O0RCADR20O0ИСЗОЗ RCA CD2500AEИСЗОЗ RCA CD2500AE7 ； 2 68 167 ； 2 68 16о о о оЛ； BjCj D；СЗРо о о оЛ； BjCj D；СЗРо qyodEHS- 冬& Еоои ^^^о qyodEHS- 冬& Еоои ^^^О О О Оо о о о4g В2^2 D2.& Вз ,3 DgСредний разрядМЗРПлата дисплеяО О О Оо о о о4g В2^2 D2.& Вз ,3 DgСредний разрядМЗРПлата дисплеяА В С DА В С DА В С ВА В С ВZА В С DZА В С D+5 В пост, тика+5 В пост, тика551616石石ЮЮ99/6/61515ЮЮgg76761515ЮЮ997 47 4Рис. 12.7. Принципиальная схема счетчика, суммирующего до N.Рис. 12.7. Принципиальная схема счетчика, суммирующего до N.7733SS66740〃740〃ИС1О7АИС1О7А88

RCADR20O0

RCADR20O0

ИСЗОЗ RCA CD2500AE

ИСЗОЗ RCA CD2500AE

7 ； 2 68 16

7 ； 2 68 16

о о о о

Л； BjCj D；

СЗР

о о о о

Л； BjCj D；

СЗР

о qyodEHS- 冬& Еоои ^^^

о qyodEHS- 冬& Еоои ^^^

О О О Оо о о о

4g В2^2 D2.& Вз ,3 Dg

Средний разрядМЗР

Плата дисплея

О О О Оо о о о

4g В2^2 D2.& Вз ,3 Dg

Средний разрядМЗР

Плата дисплея

А В С D

А В С D

А В С В

А В С В

Z

А В С D

Z

А В С D

+5 В пост, тика

+5 В пост, тика

5

5

16

16

石

石

Ю

Ю

9

9

/6

/6

15

15

Ю

Ю

g

g

76

76

15

15

Ю

Ю

9

9

7 4

7 4

Рис. 12.7. Принципиальная схема счетчика, суммирующего до N.

Рис. 12.7. Принципиальная схема счетчика, суммирующего до N.

7

7

3

3

S

S

6

6

740〃

740〃

ИС1О7А

ИС1О7А

8

8

а — плата дисплея; для высвечивания всех сегментов ламп заземлите шину «Контроль»;при этом будут высвечены цифры 8; б — плата счетчика и управляющая логика, 8 —плата компаратора； для схем ИС 202 и ИС 203 слова В не показаны.

иVwиVwМЗРA BCD方每力44МЗРA BCD方每力44Средний разрядA BCDСредний разрядA BCD+5B постmotfqQ+5B постmotfqQ2323словоИС201 7"5словоИС201 7"577А<ВА<В2277А<ВА<ВСлобв8Слобв86 (=5 J7~7^ 76 (=5 J7~7^ 7I Выход галетныхI пере*订юиатесеИ RgKI Выход галетныхI пере*订юиатесеИ RgKЮ р>Ю р>ИС2027485ИС202748591川力1八叩目〈91川力1八叩目〈〃“7400〃“74007爲7爲ЯЯСЗР ABC D л?М44СЗР ABC D л?М44226 彳=8 ，7/>5 46 彳=8 ，7/>5 4I A<B не испомз^ется制2 03位二^1485 LZРавН0 力〉W не используетсяI A<B не испомз^ется制2 03位二^1485 LZРавН0 力〉W не используетсяmmПлата компаратораПлата компаратора^-7 4005^-7 4005+工+工

иVw

иVw

МЗР

A BCD

方每力44

МЗР

A BCD

方每力44

Средний разрядA BCD

Средний разрядA BCD

+5B постmotfqQ

+5B постmotfqQ

2

3

2

3

слово

ИС201 7"5

слово

ИС201 7"5

7

7

А<В

А<В

2

2

7

7

А<В

А<В

Слобв8

Слобв8

6 (=5 J

7~7^ 7

6 (=5 J

7~7^ 7

I Выход галетных

I пере*订юиатесеИ RgK

I Выход галетных

I пере*订юиатесеИ RgK

Ю р>

Ю р>

ИС202

7485

ИС202

7485

91川力1八叩目〈

91川力1八叩目〈

〃“

7400

〃“

7400

7爲

7爲

Я

Я

СЗР ABC D л?М44

СЗР ABC D л?М44

2

2

6 彳=8 ，

7/>5 4

6 彳=8 ，

7/>5 4

I A<B не испомз^ется

制2 03位二^

1485 LZРавН0 力〉W не используется

I A<B не испомз^ется

制2 03位二^

1485 LZРавН0 力〉W не используется

m

m

Плата компаратора

Плата компаратора

^-7 4005

^-7 4005

+工

+工

6

Рис. 12.7 (в).

Устройство окрестили «Счетчик Марвина》в честь профессора Марвина Эйзенберга, под чьим покровительством оно было спроектировано и изготовлено, а еще его прозвали модуль 《Умник i》，так как оно было без особых церемоний собрано в основном из всякого хлама, валявшегося в лаборатории. В связи с этим внутренний вид конструкции был довольно забавным.

Этот счетчик предназначен для подсчета наперед заданного числа входных импульсов. Логическая схема устройства показана на рис. 12,6. В счетчике с диапазоном от 0 до 999, сконструированном в соответствии с изложенными выше принципами, выполнялось суммирование с накоплением. Все устройство было выполнено на трех платах: счетчик, дисплей и компаратор, поскольку среди всякого хлама у меня уже были готовые платы счетчика и дисплея, а плата компаратора проста.

Компаратор, выполненный на третьей плате, был трехдекадным, на 4 разряда. Если вы захотите выполнить все устройство на одной плате, не смущайтесь, по-видимому, именно так и надо делать.

Когда все три декады числа в счетчике совпадают с декадами числа, которое было установлено в приборе с помощью галетных переключателей на передней панели, на выходе компаратора, обозначенном РАВНО, появляется сигнал. Этот сигнал закрывает входной вентиль счетчика.

Схема платы дисплея показана на рис. 12.7, а. Она аналогична схеме, обсуждавшейся в той части настоящей главы, которая была посвящена ДСУ. Поскольку мой дисплей был за-

имствован из предыдущего проекта, он был использован в том виде,《как есть》. Если вы хотите подавлять незначащие нули^ добавьте необходимые цепи в соответствии с рекомендациями,, данными выше. Входы ДДК декодеров управлялись ДДК-вы- ходами триггеров-защелок счетчика. Шины ДДК были также проложены к плате компаратора так, чтобы коды на этих шинах могли сравниваться с кодами на шинах ДДК от переключателей.

Схема платы счетчика показана на рис. 12.7,6. В действительности схемы ДСУ ничем не отличаются от схемы ДСУ» приведенной на рис. 12.2.

Счетчик использовался в комплексе с вычислительной машиной CAT, которая усредняла данные от усилителя элекгроэнцефалографа в системе исследования сенсорных реакций. Эта вычислительная машина должна была обнаруживать сигнал^ вызванный возбудителем, в 《шуме》мозговых колебаний испытуемого. Возбудителем могла быть вспышка света либо щелчок, воздействующий на органы слуха, причем запускался возбудитель от импульса вычислительной машины. Когда число в счетчике достигало заранее установленной величины, показывая тем самым точное число раздражений, воздействовавших на испытуемого, счетчик выдавал команду на компьютер для прекращения эксперимента.

Шины строба ДСЭ были подключены к соответствующему входу главного вентиля для того, чтобы сформировать шину разрешения. Счетчик работает при высоком потенциале на этой шине. Шина разрешения управляется выходом Q RS-трнггера» состоящего из ИС 107 С и ИС 107 D. Когда оператор нажимает кнопку сброса (переключатель S) вход установки триггера заземляется, вызывая тем самым появление высокого по* тенциала на выходе Q, а следовательно, и на шине разрешения. После этого число в счетчике получает приращение всякий раз» когда приходит импульс от вычислительной машины. Когда компаратор (рис. 12.7, в) обнаруживает заданное число на входных линиях ДДК, он выдает сигнал РАВНО, который инвертируется в ИС 107 В и поступает затем на вход сброса RS- триггера. Этот импульс запирает главный вентиль, так как вызывает понижение потенциал丄 на шине разрешения. В то же время потенциал на выходе Q повышается, формируя тем самым команду останова на вычислительную машину. Система будет теперь бездействовать до тех пор, пока оператор снова не нажмет кнопку

Плата компаратора показана на рис. 12.7, в. Он состоит из трех компараторов на ТТЛ-интегральных схемах 7485. Схема 7485 сравнивает два четырехразрядных двоичных слова (такие, как используемые нами слова ДДК), обозначенные как слово А и слово В и затем вырабатывает сигнал, который зависит от соотношений； А<В, А>В, А = В Кроме того, ступени можно 214

Выход параллельных данных

Рис. 12.8. Регистр сдвига, состоящий из D-триггеров.

соединить каскадами, так что схему можно приспособить для обработки слов и более высокого порядка.

В данном случае выходы ДДК счетчика формируют слово А, выходы галетного переключателя ДДК формируют слово В. Заметьте, что между схемами 7485 и галетными переключателями используются инверторы. Это объясняется особенностью тех переключателей, которые нашлись в моих запасах. В вашем случае инверторы могут и не потребоваться. Все, что у меня было,——это набор переключателей ДДК.

Регистры сдвига

Регистр сдвига представляет собой твердотельный элемент памяти, собранный на триггерах. Каждый триггер образует одноразрядный элемент памяти. Функции регистра сдвига могут выполнять D-триггеры, соединенные так, что цепи данных включены каскадно, а входы синхронизации ——параллельно.

На рис. 12.8 представлены регистры, имеющие последовательный вход и лараллельный выход (типа SIPO1) либо последовательный вход и последовательный выход (типа SISO1, в зависимости от того, какие из выходных контактов используются.

Разряды данных (логические уровни 0 или 1) загружаются слева, на вход последовательных данных. На вход синхронизации поступает последовательность синхроимпульсов. При поступлении первого синхроимпульса первый разряд данных записывается в первую ячейку регистра сдвига (Д). При поступлении второго синхроимпульса содержимое ячейки 41 сдвигается вправо на один шаг и занимает после этого ячейку А2. В то же самое время разряд, появляющийся на входе последовательных данных, записывается в Дь Каждый раз при поступ-

D См примечание на стр. 45. — Прим. ред.

лении синхроимпульса содержимое регистра сдвигается вправо на одну позицию, а из внешних цепей в ячейку памяти 4% вводятся новые разряды.

Помещенные в регистр сдвига разряды данных остаются там до тех пор, пока выполняются два условия: во-первых, включено питание и, во-вторых, либо отключены импульсы синхронизации, либо последовательный выход (вывод Q ячейки А4) подключен ко входу последовательных данных. Последний случай ——пример использования регистра сдвига в качестве рециркулятора.

Регистры сдвига бывают различных типов, и не все из них используют простые »три『герн. Типы регистров сдвига можно различать по способу управления данными. Например, регистр сдвига, показанный на рис. 12.8, может работать и как регистр типа SISO, и как регистр типа SIPO, в зависимости от того, какие выбрать выходы. Бывают регистры типа PIPO0, PISO1} и т* д. Мало кто из конструкторов утруждает себя изготовлением регистров сдвига из отдельных триггеров. Вместо этого они покупают у фирм-изгоювителей интегральных схем готовый регистр сдвига подходящего типа.

Статистические запоминающие устройства на интегральных схемах

Хотя регистр сдвига и может играть роль запоминающего элемента, гораздо более удобными являются такие кристаллы статической памяти, как широко распространенная схема 2102 (рис. 12.9,а). Не надо думать, что область применения матриц памяти ограничена вычислительными машинами. В настоящее время многие операции в аппаратуре выполняются с помощью цифровых устройств, поэтому часто требуется память, подобная такой, которая применяется в вычислительных машинах.

Внутренняя структура схемы 2102 показана на рис. 12.9,6。 Кристалл устроен в виде решетки 32X32 разряда, в которой каждая данная точка может быть адресована соответствующим выбором десятиразрядного адресного кода на линиях До一Л9. Для внешних цепей схема 2102 представляется организованной в виде решетки 1024Х1 разряд.

Рис. 12.10 иллюстрирует метод использования набора интегральных схем 2102 в качестве электронной памяти 8Х1024 раз ряда для вычислительной машины. Эта схема вмещает 1 Кбайт данных и использует восемь интегральных схем типа 2102 (ИС 1—ИС8).

Все адресные линии схем 2102 соединены так, что одинаковые контакты на всех кристаллах подключены параллельно. Другими словами, все восемь контактов Ло соединены друг с

1)См. примечание на стр. 33 и 45. — Прим. ред.

4<24<2Схема записиСхема записивыбор кристаллавыбор кристалла^ВЫХ'^ВЫХ'66b^yu-OUJDJOED 铮 птиb^yu-OUJDJOED 铮 птиJ2 строки32 столбцаJ2 строки32 столбца,О^―［竺00/2/3od I—,О^―［竺00/2/3od I—

4

<2

4

<2

Схема записи

Схема записи

выбор кристалла

выбор кристалла

^ВЫХ'

^ВЫХ'

6

6

b^yu-OUJDJOED 铮 пти

b^yu-OUJDJOED 铮 пти

J2 строки

32 столбца

J2 строки

32 столбца

,О^―［竺00/2/3od I—

,О^―［竺00/2/3od I—

другом, все контакты 4 соединены друг с другом и так далее до контактов Д9, которые также соединены друг с другом. Десять групп адресных линий образуют так называемую адресную шину.

В схеме такого типа в совпадающие моменты времени мы адресуем одну и ту же область в каждом кристалле 2102. Это позволяет нам формировать восьмиразрядные слова, записан-

АВрес 7

Адрес 8

АЗрес 9

Выбор кристалла

Выход данных

Вход данные

^сс

Земля

структураструктураРис. 12.9. Схема выводов кристалла памяти 2102 (а); внутренняякристалла 2102 (6).

структура

структура

Рис. 12.10. Запоминающее устройство емкостью 1024X8 разрядов на основе ИС 2102.

ные в одной и той же области памяти. Разряд 0 будет записан в ИС 1, а разряд 7 — в ИС 8.

Несколько групп интегральных схем 2102 (имеются в виду группы емкостью 1 К байт каждая) также могут быть подключены к одной и той же адресной шине. С первого взгляда может показаться, что в этом мало пользы, так как мы, очевидно, создаем избыточный объем запоминающего устройства, помещая одни и те же данные в различных группах памяти. Однако это не так, поскольку каждая группа работает только тогда, когда ее шина выбор кристалла (ВК) находится под низким потенциалом. Если шины ВК всех других групп находятся под высоким потенциалом, они будут в выключенном состоянии и даже не загружают адресную шину и шину данных.

Шина чтение/запись (Ч/З) определяет, считываем ли мы данные из группы блоков памяти или записываем данные в этот блок. При высоком потенциале на шине Ч/З данные из области, адресуемой линиями Ло——力9, появятся на восьмиразрядной шине параллельных выходных данных.

С другой стороны, если потенциал на линии Ч/З понижается, данные, появляющиеся на восьмиразрядной шине входных данных, будут записаны в области, адресуемые линиями Ло一Лэ. Шины входных и выходных данных могут быть раздельными, как показано на рис. 12.10, либо они могут быть объединены в единую двунаправленную шину данных с использованием соответствующей логики. Большинство схем формирователей, используемых при работе с двунаправленными шинами данных,

состоят из четырех или восьми пар каскадов формирователей с тремя состояниями. Схемы формирователей могут быть либо выполнены на одном кристалле, либо собраны из нескольких отдельных элементов. Один каскад в каждой паре обозначается как《Вход》，и вентильные выводы этих входных каскадов соединяются друг с другом. Аналогично остальные каскады обозначаются как《Выход» и их вентильные выводы соединяются друг с другом. Через логические вентили эти шины подключаются к шине Ч/З, так что соответствующее множество каскадов формирователей соединяются друг с другом в нужный момент времени.

Глава 13

ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ

В предыдущих главах мы в основном имели дело с обработкой сигналов, а теперь обратим внимание на их генерирование, В частности, рассмотрим методы генерирования синусоидальных сигналов, треугольных и прямоугольных колебаний и разного рода импульсов.

Ждущие мультивибраторы (одновибраторы)

Ждущий мультивибратор, называемый также одновибратором,—это электронная схема, которая имеет только одно устойчивое состояние. После запуска ждущий мультивибратор переходит из устойчивого состояния в неустойчивое, в котором, однако, он не может оставаться бесконечно долго. По истечении некоторого определенного отрезка времени он возвращается обратно в свое первоначальное состояние покоя.

Под состояниями понимаются уровни напряжений на выходе или по крайней мере то, как они проявляются для пользователя. В большинстве таких схем стабильному состоянию соответствует выходное напряжение, равное нулю, а нестабильному 一 положительное выходное выпряжение. Для такого выбора уровней выходного напряжения нет никаких физических причин, за исключением того, что он продиктован договоренностью. В прошлом, до того как договорились о таком условии, учитывая природу ТТЛ/ДТЛ-кристаллов, конструкторы могли назначать, и часто назначали, обратные уровни этим двум состояниям. Мы, однако, ограничены промышленным стандартом, обязывающим использовать уровни 0 и +5 В.

Таймеры 55 и XR-2240 (см. гл. 3) часто используются в ждущем режиме. По существу в большинстве приложений с импульсами невысоких частот повторения следует выбирать- именно эти интегральные схемы, особенно дешевую схему 555.

Принципиальное отличие ждущего режима кристалла 555 от нестабильного состоит в том, что в последнем случае цепь обратной связи каждый раз перезапускает схему. В ждущем ре-

/56 пост, тока

Рис. 13.1. Схема, в которой используется одновибратор 74121.

жиме схема 555 вырабатывает одиночные выходные импульсы^ длительностью от нескольких микросекунд до нескольких секунд, причем большие длительности получить труднее из-за свойств цепи заряда емкости.

Схема XR-2240 аналогична. В ней применяется такой же способ синхронизации, использующий метод заряда емкости. В этой схеме можно добиться значительно больших длительностей импульсов (до многих часов и даже нескольких дней), так как выход схемы представляет собой по существу соединение выходов ИЛИ двоичного счетчика, причем в точке соединения реализуется функция «монтажное ИЛИ». В этом случае нестабильное состояние соответствует уровню О В, так как выходы остаются под низким потенциалом до тех пор, пока число в счетчике не достигнет максимального значения (все выходы двоичного счетчика равны 1). Благодаря использованию счетчика в схеме XR-2240 могут быть получены чрезвычайно большие длительности импульсов при умеренных значениях сопротивлений и емкостей ro времязадающей цепи.

Поскольку схемы 555 и XR-2240 были рассмотрены в других главах, в настоящей главе они рассматриваться не будут.

ТТЛ-кристаллы, обозначаемые 74121, 74122 и 74123, представляют собой различные типы интегральных схем ждущих мультивибраторов. Применение этих схем сопряжено с некоторыми трудностями, поэтому мы советуем использовать схему 555, если не требуются действительно малые длительности импульсов. Имеются в виду длительности менее 1 мкс.

На рис. 13.1 показана типичная схема одновибратора, использующая кристалл 74121. В некоторой степени она справед-

BbfXodBbfXodПервоначальное времяПервоначальное времяокончанияокончания■ !пн;.п■ !пн;.п

BbfXod

BbfXod

Первоначальное время

Первоначальное время

окончания

окончания

■ !пн;.п

■ !пн;.п

Рис. 13.2. Временные диаграммы, иллюстрирующие перезапуск одновибратора-

лива и для кристаллов двух других типов. Устройство срабатывает тогда, когда потенциал контакта 3 понижается с 壬,В до нуля. Устройство имеет два выхода, обозначенные Q и Q. Эти выходы являются дополнительными, так что, когда один из них будет под высоким потенциалом, другой будет иметь низкий потенциал. Потенциал выхода Q повышается на время, определяемое величинами R и С, сразу же после каждого импульса запуска, за исключением тех, которые поступают тогда, когда выход Q сохраняет высокий потенциал от предыдущего запуска.

Схема 74121 не перезапускается в отличие от схем 74122 и 74123, которые могут быть перезапущены до окончания периода нестабильного (высокий потенциал) состояния. Схема 74121 игнорирует последующие импульсы запуска до тех пор, пока не будет закончен цикл. Однако, после того как потенциал выхода Q снова понизится, схема будет перезапускаться с приходом следующего импульса запуска.

Схемы 74122 и 74123 будут перезапускаться и в том случае, если последующие импульсы запуска поступят до завершения цикла. Если выход Q имеет высокий потенциал в момент поступления импульса запуска, он будет оставаться под высоким потенциалом в течение одного полного периода начиная с этого момента. Этот процесс показан на рис. 13.2. Заметьте, я не утверждаю, что суммарный период будет в два раза больше нормального (20 мс); он удлиняется на один полный период начиная с момента поступления импульса перезапуска. Суммарное время, в течение которого выход Q имеет высокий потенциал, будет равно 20 мс плюс истекшее время предыдущего периода, показанное на рисунке как (订一П).

На рис. 13.3 показана схема, котсфая позволяет перезапускать кристалл 555. Эта схема была разработана инженером Чарльзом Мак-Каллау из Медицинского центра Университета Джорджа Вашингтона. Схема работает так же, как и любая другая схема 555 в режиме моностабильного мультивибратора.

Рис. 13 3. Схема перезапуска для ИС 555. (С разрешения Мак-Каллау, Медицинский центр Университета Джорджа Вашингтона)

за исключением тех изменений, которые вносит транзитор Q2.

В нормальном режиме транзистор Qi используется в качестве электронного ключа для заземления входа запуска в момент поступления положительного импульса на вывод запуска (точка А). При этом вход запуска схемы 555 заземляется, вызывая начало цикла.

Транзистор Q2 соединен с времязадающим конденсатором. Когда к точке А прикладывается положительный импульс, транзистор Q2 включается и сбрасывает заряд с времязадающего конденсатора. В обычном режиме заряд на конденсаторе Ск непрерывно нарастает до тех пор, пока не пройдет период времени, определяемый цепочкой R3Gl. Однако, имея в составе схемы транзистор Q2, мы можем сбросить заряд с & и тем самым снова начать цикл заряда в любой момент, как только мы приложим новый импульс к точке А. В обычном режиме схема 555 будет игнорировать импульс, если только он не возникнет после завершения цикла.

Автоколебательные мультивибраторы

Автоколебательный мультивибратор — это электронная схема, которая не имеет стабильных состояний. Примером такой схемы является одновибратор, в котором выходной сигнал подается обратно на вход и играет роль сигнала запуска. Автоколебательный мультивибратор является самовозбуждающим- ся генератором, который обычно генерирует последовательность прямоугольных колебаний.

На рис. 13.4 показана схема автоколебательного мультивибратора, выполненная на основе схемы 7400, в состав которой входят 4 вентиля НЕ И. Частота колебаний генератора определяется постоянной времени RC. Как правило, резистор R имеет фиксированное значение в пределах от 150 до 270 Ом, а величина емкости С зависит от требуемой рабочей частоты. Между прочим, основной эффект от резистора — это, по-видимому, смещение входного сигнала первого вентиля на линейный участок.

「енераторы, управляемые напряжением

Схема 566 фирмы Signefics, показанная на рис. 13.5, представляет собой интегральную схему управляемого генератора (УГ), которая вырабатывает одновременно треугольные и прямоугольные колебания.

Частота колебаний есть функция четырех переменных; Усс, Rk, Ci и напряжения на контакте 5. Эта частота приближенно

•224

определяется выражением

(13 1)(13 1)2 (%一匕)

(13 1)

(13 1)

при условии, что

2 кОм < /?! < 20 кОм,0,75匕с《％ &県

Конденсатор С2 требуется не во всех приложениях. Например, если вы хотите генерировать колебания с постоянной частотой, конденсатор С2 включать в схему не нужно. Его используют для подачи на контакт 5 сигналов переменного тока, изменяющих частоту колебаний. При этом на выходе получается частотно-модулированный (ЧМ) сигнал.

Схема 566 часто используется для того, чтобы сделать из магнитофона, предназначенного для работы с сигналами звуковой частоты, устройство записи, использующее технику ЧМ. Низкочастотные (около 40 Гц) сигналы переменного тока, так часто встречающиеся в научной аппаратуре, не проходят через большинство устройств магнитной записи звукового диапазона, а если проходят, то в большинстве случаев свойства магнитной ленты не позволяют хорошо записать сигналы таких частот. Решение проблемы состоит в преобразовании частоты в какую- либо более высокую частоту звукового диапазона, приемлемую для магнитной записи. Это и делается путем частотной модуляции, где низкочастотный сигнал модулирует по частоте сигнал более высокой (т. е. несущей) частоты, для которой приспособлено устройство записи.

Установите выходную частоту схемы 566 при отсутствии модуляции в пределах от 1 до 5 кГц. Подайте нужный вам сигнал на конденсатор С2 и записывайте результирующие выходные колебания на магнитную ленту.

Установите напряжение Vi примерно равным 0,88 Усс, а величину сигнала — порядка ±0,12 Vcc. Это ограничит колебания напряжения У1 пределами, определяемыми выражением (13.1). Поскольку выходной сигнал будет слишком велик для большинства устройств записи звукового диапазона, на выходе потребуется аттенюатор (см. гл. 22).

Другой широкораспространенный кристалл УГ — это интегральная схема МС4024 фирмы Motorola. Заметьте, пожалуйста, что номер серии 4000 в данном случае относится не к КМОП-интегральной схеме, а представляет собой обозначение фирмы Motorola Semiconductor Producst для биполярного ТТЛ- устройства специального назначения.

Схема МС4024 — это ТТЛ-устройство, которое содержит в себе два полностью независимых каскада управляемых генераторов. Частота колебаний может быть установлена в пределах от 1 Гц до 25 МГц при использовании конденсатора и в пределах от 2 до 25 МГц при использовании кварца.

Вход

1г5н0м

口自

6

4

7

本4

R3 WkOm

сз 07001 T

8

пл

ЛА

Рис. 13 5. Управляемый генератор типа 556, используемый в качестве генера-тора сигналов.

Блок-схема кристалла МС4024 показана на рис. 13.6. Заметьте, что каждый генератор имеет пару выводов для подключения конденсатора или кварца, задающего диапазон частот. Каждый генератор имеет также вывод «Частота», на который подается управляющее напряжение.

На рис. 13.6,6 и в показаны два типа схем. Регулировкой потенциометра R2 в схеме рис. 13.6,6 можно добиться изменения частоты в диапазоне 3:1. При этом изменяется напряжение постоянного тока, приложенное к выводу ^Частота» схемы МС4024. Во многих случаях верхний резистор может быть исключен из схемы, особенно тогда, когда желательно получить полный диапазон изменения частоты. Он должен включаться только тогда, когда мы хотим ограничить верхний предел диапазона. Заметим, что показанные на рисунке номера контактов относятся к генератору В, однако точно такая же схема может быть выполнена и при использовании генератора Л с изменением лишь номеров контактов.

Управление включением и выключением обоих генераторов стробирующими сигналами возможно только путем манипуляции с контактами 《Земля》 соответствующих половин схемы. Попытки включения/выключения с помощью независимых выводов +5 В приведут к затруднениям. Если вы хотите управ-

Рис. 13.6. Внутренняя структура управляемого генератора МС4024 (а); режим с переменной рабочей частотой (6); режим с фиксированной частотой (0).

лять включением, например, генератора Л, подсоедините переключатель или выход вентиля ТТЛ к контакту 5. Схема будет генерировать колебания только тогда, когда контакт 5 имеет низкий потенциал (т. е. заземлен).

Когда напряжение постоянного тока, приложенное к входу ^Частота», фиксировано, частота колебаний, вырабатываемых схемой МС4024, будет также фиксированной. На рис. 13.6,8

Рис. 13.7. Интегральная схема XR-205 фирмы Ехаг. (С разрешения Ехаг Corporation).

вход «Частотам подключен к источнику питания +5 В постоянного тока. Это обычная конфигурация схемы с фиксированной рабочей частотой.

Генератор функций

Фирма Ехаг предлагает различные интегральные схемы специального назначения, среди которых имеется пара генераторов функций типа XR-205 и XR-206.

Блок-схема кристалла XR-205 показана на рис. 13.7. Это устройство состоит из каскада УГ, аналогового умножителя и буферного усилителя. Все эти каскады независимы друг от друга, за исключением связей по источнику питания. Они работают при напряжении питания в диапазоне от 8 до 26 В постоянного тока с одним источником питания и от 士5 до ± 13 В постоянного тока с раздельными источниками питания (источник питания со средней точкой).

Простая схема, использующая кристалл XR-205, показана на рис. 13.8. В этом часзном случае используется раздельное питание. Заметьте, что кристалл дает возможность получать колебания нескольких различных видов.

Частота колебаний в схеме XR-205 управляется конденсатором Со, включенным между контактами 14 и /5. Если вход пилообразного напряжения оставлен разомкнутым, частота колебаний приближенно определяется выражением

/-400/Со， (13.2)

где f — рабочая частота, Гц; Со — емкость, Ф.

Секция аналогового умножителя является модулятором и имеет выводы с первого по восьмой. Два из них (контакты 7 и 8) используются для управления симметрией колебания, а также для уменьшения гармонических искажений в режиме сину- 228

Рис 13 8. Основная принципиальная схема ИС XR-205. соидальных выходных колебаний. Такие регулировки выполняются с помощью потенциометра R, на рис. 13.8.

Контакты ) и 2 представляют собой дополнительные (дифференциальные) выходы модулятора. Обычно они соединяются между собой через сопротивление нагрузки 15 кОм, но могут быть использованы и независимо, как выходы относительно земли В данной схеме главный выход — это выход буферного усилителя, вход которого подключен к контакту 2 через переключатель.

В схеме имеются две совокупности входов модулятора, по два входа для Vx и У夕 Входы X (контакты 3 п 4) определяют уровень выходного сигнала модулятора, управляемого напряжением постоянного тока, приложенным к этим контактам. Следовательно, входы X могут быть использованы для амплитудной модуляции входного сигнала умножителя.

Кроме того, как следует из литературы, выпускаемой фирмой Ехаг, фаза выходного сигнала определяется полярностью напряжения, приложенного ко входам X. Отсюда следует, что схема XR-205 может быть использована для фазовой манипуляции (ФМн) тонального сигнала в цифровых системах управления или связи с двоичными сигналами.

Входы У (контакты 5 я 6) перемножителя могут быть использованы для управления видом вырабатываемых колебаний. Обычно они подключаются к времязадающим выходам генератора. При непосредственном подключении, как на рис. 13.8, на выходе будет синусоидальное или треугольное колебание, если же в цепь включен конденсатор, выходное колебание будет импульсным или меандром.

Устройства на интегральных схемах, рассмотренные в настоящей главе, являются представителями целого множества устройств, которые можно использовать для генерирования сигналов. Советую вам регулярно просматривать литературу, выпускаемую фирмами-изготовителями, чтобы новые устройства или усовершенствования в старых могли быть вами использованы.

Вообще говоря, независимо от устройства, примененного в качестве активного элемента, для генерирования колебаний вы должны использовать один из двух методов: положительную обратную связь на нужной частоте либо релаксационную схему.

В методе положительной обратной связи фазовый сдвиг, присущий операционному усилителю (180°, если используется инвертирующий вход), в совокупности с фазовым сдвигом частотно-избирательной цепи приводит к совпадению по фазе (т. е. 360°) сигнала обратной связи только на одной частоте. Выход частотно-избирательной цепи подключен ко входу операционного усилителя, а ее вход — к выходу операционного усилителя. Секрет этого метода заключается в том, что полный фазовый сдвиг получается равным 360° только на частоте генерирования и коэффициент усиления всей петли на этой частоте превышает единицу.

Релаксационные генераторы обычно основаны на заряде конденсатора от источника тока, такого, как резистор, подключенный к источнику напряжения, и разряде конденсатора за малый промежуток времени. Этот процесс можно рассматривать как ток, протекающий через резистор и заряжающий конденсатор. Параллельно конденсатору подсоединяется ключ, замыкаемый в заданный момент времени. При замыкании ключа заряд конденсатора сбрасывается. Вырабатываемое при этом колебание представляет собой обычную кривую заряда конденсатора на переднем фронте и быстрое падение напряжения до потенциала земли на заднем фронте.

Примерами релаксационных генераторов являются однопереходный транзистор и неоновая лампа. В первом случае действие генератора основано на явлении пробоя эмиттерного перехода, а во втором — на достижении потенциала ионизации газа.

Существует также класс релаксационных генераторов, основанных на использовании электронных компараторов, определяющих момент, когда достигается напряжение запуска. Компараторами являются схемы 555 и XR-2240, рассмотренные в предыдущих главах. Польза рассматриваемого метода лучше всего доказывается популярностью этих устройств, особенно схемы 555.

Глава 14

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ

Цифровая вычислительная машина может заменить почти любой прибор и при этом выполнить его работу более точно и даже дешевле. Однако до недавнего времени вычислительные машины были доступны не всем — по экономическим ли соображениям или просто из-за размеров машин. Вплоть до сегодняшнего дня вычислительные машины стоили очень дорого и устанавливались в отдельной комнате с кондиционированием воздуха — большинство лабораторий не может себе позволить ни то, ни другое. Проблему можно решить и другим путем: записать экспериментальные данные на магнитную ленту и отнести ее в вычислительный центр. Даже при использовании современных модемных систем передачи данных и терминалов, работающих в режиме разделения времени, все в конце концов упирается в ту же вычислительную машину. Сейчас появились недорогие микрокомпьютеры. Такой компьютер может стоять на столе или его можно сделать составной частью какого-либо прибора.

Микрокомпьютеры можно использовать почти для всех видов обработки данных, кроме круга задач, связанных с переработкой больших массивов чисел. Однако, прежде чем подключить к цифровой вычислительной машине научную или какую-либо другую электронную аппаратуру, нужно представить ее выход в удобоваримом для цифровой вычислительной машины виде. Аналогично двоичный выход устройства ввода/вывода вычислительной машины часто преобразуют в аналоговую форму, удобную для визуального наблюдения. Оба типа преобразователей являются предметом изучения в настоящей главе.

Методы решения проблем

Существует несколько путей преобразования данных, получаемых от электронных и научных приборов, в двоичный вид, необходимый для цифровой вычислительной машины. Некоторые из них утомительны до нелепости. Например, можно зата- булировать величины, считываемые с дисплея или ленточного

самописца, затем перейти на устройство для пробивки перфолент или на терминал с электронно-лучевой трубкой и вручную ввести данные с клавиатуры. Однако такой >путь окажется чистым безумием, если дело коснется мало-мальски объемистого массива данных. Он ведет также и к массовым ошибкам, если оператор невнимателен или утомлен, и порождает никому ненужные проблемы при анализе результатов!

Хитрость состоит в том, чтобы данные, получаемые от аппаратуры, ввести в вычислительную машину автоматически. Для этого потребуется схема, которая называется аналогоцифровым преобразователем (АЦП). Противоположный тип преобразователя ——это цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), который получает двоичные слова от вычислительной машины и представляет их в виде уровней напряжения или тока. В этой главе мы рассмотрим оба типа преобразователей начиная с ЦАП, Может показаться, что следовало бы сделать наоборот, но в действительности принятый нами порядок изложения соответствует здравому смыслу, так как цифроаналоговые преобразователи проще, чем большинство аналого-цифровых, и, кроме того, ЦАП входит в состав почти всех так называемых АЦП с обратной связью.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

Существует несколько различных методов цифроаналогового преобразования, но в большинстве случаев эти методы используют систему взвешенных токов или напряжений, включаемых цифровым сигналом, поступающим на входы переключателей.

Примером является показанная на рис. 14.1 широко распространенная схема ЦАП на базе матрицы сопротивлений типа

Рис. 14.1. Простой цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

R・2R. Активный элемент У1 представляет собой операционный усилитель с усилением, равным единице, в режиме инвертирующего повторителя. В качестве операционного усилителя можно использовать недорогое устройство из семейства 741, однако оно не очень подходит для прецизионных ЦАП. В этом случае успех может принести применение высококлассных операционных усилителей. В случаях когда одновременно требуются и высокие характеристики, и низкая стоимость, автор предпочитает устройства серий САЗ 160 или САЗ 140 фирмы RCA.

На рис. 14.1 в качестве цифровых входов показаны переключатели, однако в реальном преобразователе переключатели будут заменены на двоичный счетчик, устройство ввода/вывода вычислительной машины либо на какую-либо другую п-разряд- ную шину параллельных данных.

Для точного преобразования требуется прецизионное эталонное напряжение, величина которого в большинстве случаев составляет около -j-10,000 В постоянного тока. Точность преобразователя зависит от точности эталонного напряжения. Точнее говоря, существуют и другие источники ошибок преобразователя, однако если недостаточно точен эталон, то вряд ли стоит надеяться на то, что для улучшения характеристик схемы какие-то другие факторы будут эффективными. Хотя в каче^ стве эталона может служить почти любой точный стабилизатор напряжения, проще всего использовать устройство типа REF- 0,1 CJ фирмы Precision Monolithics, Inc. (PMI) или устройство REF-01HJ. Эти ИС специально разработаны для такого рода применений и легко настраиваются на эталонный потенциал (см. рис. 19.2).

Возвращаясь к рис. 14.1, рассмотрим работу схемы в случае, когда некоторые разряды имеют высокий уровень, а другие —— низкий. Если все разряды имеют низкий уровень, то выходное напряжение равно нулю. Значение выходного напряжения опре~ деляется произведением IxR, и, когда все разряды имеют низ* кий уровень, ток / равен нулю. На практике, однако, в этом случае на выходе может быть некоторое напряжение из-за смещений в операционном усилителе, о чем говорилось в одной из предыдущих глав. Эти смещения можно свести к нулю при принудительной установке всех разрядов в ноль.

Если старший значащий разряд (СЗР) равен 1, выходное напряжение приблительно равно % £Эт. Аналогично если включен (установлен в 1) только разряд, предшествующий старшему значащему разряду, то выходное напряжение равно 1/4Е3Т. Вклад младшего значащего разряда (МЗР) в выходное напряжение равен 2-喈эт・

Предположим, что у нас имеется восьмиразрядный ЦАП такого типа, как показан на рис. 14.1. Входное слово имеет вид 11001011, а эталонное напряжение точно равно +10,000 В. Чему равно выходное напряжение?

Полное выходное напряжение ЦАП есть сумма вкладов всех индивидуальных разрядов, или

t Si (旦т/2>

Поэтому в нашем случае

10 II。iciciI。 I п II。 I10

I2^Н ° 十 U Н25 И ° Н27 I—

_10丄 10 丄10 丄 10,10—

=5+2,5+0,312 5+0,0781 +0,039 = 7,93 B.

Ряд фирм — изготовителей поупроводниковой техники предлагает потребителям недорогие восьмиразрядные ЦАП на ИС, которые содержат почти все электронные элементы, за исключением, возможно, источника эталонного напряжения и схем выравнивания смещения операционного усилителя. Все эти элементы собраны в одном корпусе с двухрядным расположением выводов. Я использовал устройства разных фирм: Datel, Analog Devices, Precision Monolithics и др., но для иллюстраций в настоящей книге выбрал устройства фирмы PMI.

На рис. 14.2, а показана основная схема использования ЦАП- 08. Интегральная схема содержит электронные переключатели, токовый выход, матрицу сопротивлений и усилители эталонного напряжения. Токовый выход является дополнительным, так что наряду с выводом /вых имеется вывод /Вых-

Для работы такого ЦАП требуется два типа входных сигналов. Один из них ——эталонный ток /Эт, протекающий через контакт 14. Этот ток может вырабатывать цепь, состоящая из источника прецизионного эталонного напряжения, такого, как REF-01, и прецизионного резистора с низким температурным коэффициентом сопротивления. При сопряжении со схемами ТТЛ и эталонным напряжением 10,000 В сопротивление резистора должно быть в точности равно 5000 Ом.

Другой тип входного сигнала — восьмиразрядное двоичное слово, которое поступает на контакты 5—12 ИС. Разряд 1 (СЗР) поступает на контакт 5, следующий разряд ——на контакт 6 и т. д. до контакта 12, который соответствует младшему значащему разряду, разряду 8. Требуемые логические уровни — это обычные уровни ТТЛ, а именно потенциал земли для логического нуля и +5 В для логической единицы.

На рис. 14.2,6 показана схема соединений ЦАП-08 для обеспечения униполярной работы в диапазоне от 0 до примерно 10 В. Когда входное слово равно 00000000, выход находится в нулевом состоянии (0,00 В). Напряжение — 5 В, равное половине максимального, будет выдано тогда, когда входное слово

嗑" 9

ткн—

=QI м2

не

3

/613

色

~^^х而

勺

I

f]4 7]俨勺〃回办3必j> J С占& 2 &,

2 Выкод 2*'

Вводное цифровое елово (当一%)

^та^вь^вь^

Для совместимости с ТТЛ •

2^ 7 ^эт^ 255 £如 ~^~^^ 一 256 旬尹

И АП ^08

Прецизионный

5 кОм

R^R3m^5000 Um

1П В пост, то^а

Условие

МаксимумПоловина шкалыНуль

Двоичный код 〃"〃" 10000000 ЮОООйО

晶6次，" -9,960 一，勿

0.0 О GO

5 кОм

2

UAH-08

хну-

Условие Двоичиьш ко8Условие Двоичиьш ко8

Условие Двоичиьш ко8

Условие Двоичиьш ко8

так (+) ⑺ нд〃ь нуль тахС

"/〃"/ woooooo 01111111 00000000

^8ЫХ ,£

-9,92

十«〃4

-9,92

Рис. 14.2. Принципиальная схема, использующая ЦАП-8 фирмы PM.I (а); уни-лолярный вход напряжения, остальные связи ЦАП-08 см. на рнс. а (б); би-полярный выход напряжения (в).

будет равно 10000000. При этом СЗР имеет высокий потенциал, а остальные разряды — низкий. Выходное напряжение будет максимально только тогда, когда входное слово будет равно 11111111, При этом условии выходное напряжение равно —9,960 В, а не —10 В, как могло бы показаться с первого взгляда.

На рис. 14.2 в показана схема, которая похожа на униполярную, но включает цепь смещения уровня операционного усилителя для обеспечения биполярной работы. Показанные значения компонент опять выбраны с расчетом на работу с ТТЛ. Таблица на рис. 14.8,6 определяет двоичные коды и связанные с ними уровни выхода. Заметим, что уровни выхода изменяются от —9,96 до +9,96 В. Заметим также, что здесь нет истинного нуля, а есть положительный нуль и отрицательный нуль. Причиной этого является то, что ЦАП имеет только 256 состояний, которые расположены симметрично относительно нуля, по 128 состояний для каждой полярности. В технике мало что дается задаром, и использование ЦАП в биполярной конфигурации в этом смысле не является исключением. По этой причине, имея только конечное число возможных состояний для представления полного диапазона напряжений, мы вдвое ухудшаем разрешение при удвоении диапазона. В униполярном случае диапазон 10 В представляется 256 состояниями (если исключить нуль, то будет 255 состояний), так что каждая ступенька равна 0,039 В. В биполярном случае мы имеем полный диапазон 20 В, так что разрешение равно 0,78 В. Единственный путь повышения разрешающей способности, если разрешение 39 или 78 мВ недостаточно,——увеличить число разрядов в процессе цифроаналогового преобразования. Однако это не всегда возможно, так как, кроме разрядности, существуют другие ограничения.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

Из многих опубликованных методов аналого-цифрового преобразования для нас представляет интерес лишь небольшое число. Мы рассмотрим метод преобразования напряжения в частоту, метод hhtoi рирования с получением пилообразного или треугольного напряжения, метод последовательного счета и метод последовательных приближений. Остальные методы не столь эффективны или слишком неэкономичны, обладают избыточностью или не дают особых преимуществ. Полезно также прочитать раздел об устройствах преобразования кодов в гл. 12.

Прежде чем переходить к рассмотрению аналого-цифрового преобразования, стоит уточнить сначала, что мы подразумеваем под словами «аналоговый» и《цифровой》.

Аналоговые сигналы и устройства

Слово «аналоговый» имеет несколько значений, обозначающих похожие вещи. Интересно отметить, что часто, когда не требуется особой строгости формулировок, эти значения используют одно вместо другого, что, вообще говоря, ошибочно. В наиболее узком смысле значение этого слова связано со словами «аналогичный», 《сходный》， но в повседневном, профессиональном жаргоне оно используется для обозначения любого напряжения или тока, изменяющегося как функция времени (рис. 14.3, а) с непрерывной областью определения (t) и непрерывной областью значений f(t). Таким образом, всякое напряжение (или ток), которое может принимать любые значения в пределах диапазона своего изменения и в любой точке на оси времени, обычно называется аналоговым сигналом.

Однако в более строгом смысле общее название для всех таких сигналов — это непрерывные сигналы. Аналоговые сигналы—это подмножество непрерывных сигналов, они представ-' ляют некоторые физические величины или другие параметры (т. е. являются их аналогами). Большинство электронных научных приборов имеет на выходе напряжения или токи, являющиеся аналогами тех параметров, для измерения или обнаружения которых предназначены эти приборы.

Стенли [1], возможно, наилучшим образом классифицировал аналоговые и цифровые сигналы и описал различия между ними. В своей книге по обработке сигналов Стенли описывает квантование как процесс, в котором переменная может принимать только определенные отдельные дискретные значения.

Пример сигнала, дискретного по времени, показан на рис. 14.3, б. Здесь мы имеем тот тип сигнала, который представляет дискретные данные, т. е. переменная t может принимать только определенные значения, в то время как переменная f(t) может принимать любые значения в пределах диапазона своего изменения. Дискретный по времени сигнал может быть получен ■с помощью схемы выборки и запоминания (см. рис. 9.8 и 9.9), на вход которой для синхронизации подается последовательность прямоугольных импульсов с частотой повторения, равной числу отсчетов данных, требуемых в единицу времени. Таким образом, мы может назвать нашу синхронизированную схему выборки и запоминания преобразователем аналог ——дискретные дан^ ные.

Многие называют дискретные данные «цифровыми» или «оцифрованными», однако в таком названии содержится ошибка, более серьезная, чем двусмысленность слова «аналоговый». На самом деле цифровой сигнал ——это такой сигнал, в котором м /, и f(t) принимают только определенные дискретные значения. Этот сигнал воспринимается цифровой вычислительной машиной. На бумаге цифровой сигнал можно представить в

Напряжение, В пост, тока

Двоичное представление

8

11001101

Л

7,6

11000011

$2

7,3

101Н011

%

7,0

10110011

f/V

8,2

11010010

в

Рис. 14.3. Непрерывный сигнал, непрерывное время (а); дискретизированныйвариант того же сигнала (дискретизированное время, непрерывная областьзначений) (6); иллюстрация сигнала, квантованного по амплитуде и време-ни (в).

виде таблицы, в которой последовательность слов данных, соответствующих амплитуде или другому параметру, сопоставляется с отсчетами времени, как это сделано на рис. 14.3, в.

В некоторых случаях возникает желание использовать цифровой встроенный прибор или цифровой универсальный измерительный прибор одновременно в качестве устройства визуального считывания и в качестве АЦП для цифровой вычислительной машины. А, может быть, вам захочется использовать выходной сигнал какого-либо уже существующего прибора в качестве цифрового сигнала для вычислительной машины. Многие из таких приборов имеют на выходе шины параллельных цифровых данных, расположенные на задней панели вместе с линиями управления и (или) стробирования. Однако привлекательность такого подхода довольно быстро пропадает, если иметь в виду две проблемы: относительно низкую скорость преобразования и тот факт, что в приборах обычно используется двоично-десятичное кодирование, а не прямое двоичное или шестнадцатеричное/восьмеричное кодирование, требующееся для вычислительной машины.

Первая из этих проблем становится реальной помехой на более или менее высоких частотах, так что рассматриваемый подход полезен только при очень низких частотах. Решение проблемы состоит в преобразовании кодов аппаратными или программными средствами (см. гл. 12).

Большинство встроенных и универсальных цифровых измерительных приборов используют ЦАП с интегратором для получения пилообразного (или чаще треугольной формы) напряжения. Пример типичного преобразователя с интегратором и пилообразным напряжением показан на рис. 14.4, а.

Как указывает Барнс，2], одновременные требования про- €тоты и точности (аналого-цифровых преобразователей), как правило, противоречат друг другу. Интегратор с пилообразным напряжением может быть простым, однако его применение ограничено теми случаями, когда приемлема точность от 1 до 3%. Преобразователь, показанный на рис. 14.4, а, состоит из пяти основных частей: генератор линейно-изменяющегося напряжения, компаратор, логическая часть, генератор тактовых импульсов (ГТИ) и выходное кодирующее устройство.

Генератор линейно-изменяющегося напряжения ——это обычный интегратор на операционном усилителе, вход которого подключен к источнику стабильного эталонного напряжения. Благодаря этому входной ток /эт почти постоянен, а следовательно, напряжение в точке 2 будет повышаться почти линейно, создавая тем самым пилообразный сигнал.

Компаратор — это тоже операционный усилитель, но без обратной связи. Коэффициент усиления в данном случае равен по существу коэффициенту усиления при разомкнутой цепи обратной связи выбранного устройства. Как правило, этот

Ленсрагпор линейно изменяющегося напряжения

Коаирующее устройствоКоаирующее устройство

Коаирующее устройство

Коаирующее устройство

Рнс 14 4 Генератор с пилообразным напряжением (а), временная диаграмма (6)

коэффициент усиления очень велик, даже в недорогих операционных усилителях. Когда аналоговое входное напряжение Ех больше, чем линейно-изменяющееся напряжение, выход компаратора находится в состоянии насыщения (высокий логический уровень, или 1).

Логическая часть состоит из главного вентиля И, генератора главного вентиля и генератора тактовых импульсов. На рис. 14.4,6 показаны сигналы, связанные с рассматриваемой схемой.

Когда потенциал на выходе генератора главного вентиля низкий, переключатель S】остается замкнутым и пилообразное напряжение равно нулю. Сигнал управления главным вентилем в точке 7 представляет собой низкочастотное прямоугольное колебание (меандр), частота которого равна желаемой ча- 240

Рис 14 5 Генератор с напряжением треугольной формы (а), временная диаграмма колебаний (6)

стоте выборки. Когда точка / имеет высокий потенциал, ключ S] открыт и пилообразное напряжение линейно возрастает Когда пилообразное напряжение станет равным неизвестному входному напряжению (巨х), дифференциальное напряжение на входе компаратора будет равно нулю, а напряжение на его выходе будет мало.

Для того чтобы напряжение на выходе вентиля И было высоким, требуется, чтобы было высоким и напряжение на всех трех его входах. С момента времени to до момента 力 напряжение на выходе вентиля И повышается всякий раз при поступлении сигнала тактового импульса.

На выходное кодирующее устройство, в данном случае восьмиразрядный двоичный счетчик, поступает последовательность импульсов, длина которой пропорциональна величине входного аналогового напряжения. Если АЦП спроектирован правильно, максимальное число в кодирующем устройстве пропорционально максимальной возможной величине напряжения Ех.

С АЦП с интегратором и пилообразным напряжением связано несколько неприятных проблем:

Пилообразное напряжение может быть нелинейным.

Пилообразное напряжение может иметь или слишком пологий наклон, или недостаточную амплитуду.

Частота тактовых импульсов может быть не такой, которая нужна.

Истинное значение Ех может изменяться из-за шумов.

Многие из этих проблем не возникают в показанном на рис. 14.5 устройстве с возрастающим и падающим напряжением на интеграторе. Эта схема также состоит из пяти основ-

йых частей: интегратора, компаратора, управляющей логики, двоичного счетчика и источника эталонного напряжения или тока. Интегратор, как и в случае схемы с пилообразным сигна- .лом, выполнен в виде операционного усилителя с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи. Компаратор ——это схема такого же типа, которая была использована в предыдущем примере. В этом случае, однако, компаратор имеет только один активный вход, потенциал которого сравнивается с потенциалом земли.

После получения стартового сигнала управляющая схема сбрасывает счетчик в состояние 00000000, сбрасывает выходное напряжение интегратора в ноль (путем разряда конденсатора С]) и устанавливает электродный переключатель Sj на аналоговый вход. Аналоговое напряжение создает входной ток интегратора, благодаря чему конденсатор Ci начинает заряжаться через выход интегратора. Это означает, что выходное напряжение интегратора начнет повышаться. Как только это напряжение достигнет нескольких милливольт относительно земли, выход компаратора перебросится в состояние высокого положительного потенциала. При наличии высокого потенциала на выходе компаратора схема управления запускает счетчик, который начинает считать тактовые импульсы.

В процессе счета происходит переполнение счетчика, причем ■соответствующий выходной разряд перебросит переключатель S]. На графике рис. 14.5,6 показан заряд интегратора в течение интервала времени (%—介)между стартом и переполнением двоичного счетчика.

В момент 厶 переключатель меняет вход интегратора: вместо аналоговото сигнала подключается прецизионный эталонный источник. Между тем в момент 厶 счетчик переполнен и его выход опять оказывается в состоянии 00000000 (максимальное число + 1 есть также исходное состояние). Однако число на выходе будет продолжать возрастать до тех пор, пока на выходе компаратора будет высокий потенциал. Заряд, накопленный на конденсаторе Ci, пропорционален среднему значению аналогового сигнала за время от t0 до k.

Конденсатор Ci разряжается в течение следующего временного интервала (/о—12). Когда Ci полностью разрядиться, на активном входе компаратора будет нулевой потенциал, поэтому состояние компаратора изменился и будет соответствовать низкому потенциалу на выходе. В результате управляющая логика ^остановит двоичный счетчик, не обнуляя его. В момент, когда счетчик остановлен, двоичное слово на его выходе пропорционально среднему значению аналогового сигнала в интервале (厶一/О. Сигнал конец преобразования (КГ1) вырабатывается для стробирования микропроцессора или другого прибора. Он сигнализирует о том, что выходные данные устойчивы и готовы для использования.

Преобразователи напряжение— часто!а

Строго говоря, эти устройства не являются настоящими АЦП, но они очень хороши, если вы хотите представить аналоговые данные в форме, допускающей запись на магнитную ленту с помощью аппарата, стоимость которого не превышает вашего годового жалованья! Такое устройство состоит в основном из одного управляемого генератора (УГ) такого типа, как интегральная схема 566.

Аналого-цифровые преобразователи последовательного счета

АЦП последовательного счета показан на рис. 14.6. Он состоит из компаратора, преобразователя код ——напряжение, двоичного счетчика и необходимой управляющей логики.

При получении команды «старт» управляющая логика сбрасывает двоичный счетчик в состояние 00000000, запускает генератор тактовых импульсов и начинает счет. Выходы счетчика

Рис. 14.6. АЦП последовательного счета.

управляют входами ЦАП, так что выходное напряжение ЦАП начинает повышаться в соответствии с приращением содержимого счетчика. Пока аналоговое входное напряжение Евх меньше, чем напряжение на выходе ЦАП (Еэт), на выходе компаратора будет высокий потенциал. Однако, когда ЕЗК^ЕЭТ, потенциал на выходе компаратора понизится, выключит тем самым генератор тактовых импульсов и остановит счетчик. Цифровое слово, появляющееся в этот момент на выходе счетчика, представляет Евх・

Время преобразования и в преобразователе с пилообразным напряжением, и в преобразователе последовательного счета для многих приложений слишком велико. Оно составляет величины порядка 2П тактовых циклов (где п равно числу разрядов). Время преобразования становится критическим параметром, если необходимо точно воспроизвести высокочастотную компоненту входного колебания. По критерию Найквиста требуется, чтобы частота выборки (т. е. число преобразований в секунду) была как минимум вдвое больше максимальной распознаваемой частоты.

Методы последовательных приближений

Для многих применений, особенно там, где важна скорость преобразования, наиболее подходит метод последовательных приближений. Для выполнения преобразования этого типа АЦП требует только (孔+1) временных циклов, а некоторые конструкции обеспечивают возможность сокращения процесса преобразования до меньшего числа циклов, если окончательное значение найдено ранее (тг+1)-「о цикла.

Преобразователь с последовательными приближениями выполняет несколько последовательных проб, в которых производится сравнение входного аналового напряжения с эталоном, генерируемым ЦАП. На рис. 14.7 показан пример такой схемы. Схема состоит из компаратора, управляющей логической части, регистра сдвига, защелки выхода и ЦАП типа код ——напряжение.

При получении команды старта в СЗР регистра сдвига записывается логическая единица, благодаря чему на выходе СЗР защелки устанавливается высокий потенциал. Единица в СЗР устанавливает выходное напряжение 七導丁 равным половине шкалы. Если входное напряжение £вх больше, чем Еэт, потенциал на выходе компаратора остается высоким. При поступлении следующего тактового импульса оказывается, что потенциал на выходе защелки СЗР остается высоким и единица СЗР регистра сдвига передвигается вправо и занимает следующий за СЗР

разряд, разряд 2. После этого компаратор снова сравнивает Евх с £*эт. Если эталонное напряжение от ЦАП остается меньше аналогового входного напряжения, процесс продолжается с последовательным вовлечением менее значимых разрядов до тех пор, пока не будет получено напряжение, равное Евх (в этом случае напряжение на выходе компаратора падает), или пока регистр сдвига не переполнится.

Если, с другой стороны, первое испытание с СЗР показывает, что Евх меньше, чем значение половины шкалы £эт, в схеме будут производиться пробы напряжений, меньших половины шкалы. Защелка СЗР обнуляется, единица СЗР регистра сдвига сдвигается вправо в следующий разряд, разряд 2. Здесь проба повторяется. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет найден правильный уровень или пока не произойдет переполнение. В конце последней пробы (в нашем случае это разряд 8) регистр сдвига переполняется и вырабаты-

Рис. 14.7. АЦП с регистром последовательных приближений.

+5 Впоет mo^ct+5 Впоет mo^ct

+5 Впоет mo^ct

+5 Впоет mo^ct

выход тактовыхимпульсов(2,25 ММ)

Рис. 14 8. Схема АЦП с регистром последовательных приближений, в которой используется ЦАП-08 фирмы PMI, компаратор СМР-01С (или 311) той же фирмы и регистр последовательных приближений АМ-2502 фирмы AMD.

Подключение других выводов ЦАП 08 см иа рис 14 2, а

вает тем самым сигнал 《конец преобразования» (КП), означающий, что преобразование завершено.

Этот и большинство других типов АЦП требуют стартовых импульсов и сигнализируют о завершении преобразования импульсами КП. При этом вычислительная машина или другое устройство должно заниматься учетом всех сигналов, повторно посылать команду старта и следить за поступлением импульса КП. Если подключить вход сигнала старта к выходу сигнала КП, то преобразование будет выполняться непрерывно, а вычислительная машина должна только следить за возникнове* нием сигнала КП. Это также несколько ускоряет процесс.

На рис. 14.8 показан полезный и недорогой АЦП, использующий всего один эталонный источник и три интегральные схемы. Цифроаналоговый преобразователь — это рассмотрен* ная выше схема ЦАП-08 фирмы PMI, а компаратор — это схема СМР-01С фирмы PML Если вместо схемы СМР-01С в качестве компаратора использовать схему АМ686 фирмы AMD, то может быть получен более быстродействующий вариант АЦП.

Интегральная схема АМ-2502 фирмы AMD представляет собой специальный тип ИС, называемый регистром последовательных приближений. Она содержит почти все необходимое для создания на ее основе АЦП с последовательными приближениями, за исключением ИС ЦАП-08.

Интегральная схема AD-02 фирмы PMI показана на рис. 14.9. Она представляет собой полную схему АЦП с последователь- 246

ными приближениями. Этот кристалл содержит в себе регистры, так что в использовании схемы АМ-2502 нет необходимости. Считается, что схема AD-02 несколько дороговата, однако ее стоимость часто бывает оправдана ее полезностью. Она обеспечивает приличную скорость преобразования и имеет несколько вариантов выбора входа, что позволяет ей сопрягаться с различными диапазонами аналогового напряжения: от 0 до 5В, от О до 10В, от —2,5 до +2,5В, от —5 до +5В и от —10 до +10В.

На рис. 14.10 показано программное решение для АЦП с последовательными приближениями. Такая идея привлекательна для многих, особенно для тех специалистов по вычислительным машинам, которым ближе техника программирования. Она привлекательна также для специалистов по аппаратуре, так как позволяет уменьшить количество соединений и общее число компонент. Помните один основной принцип проектирования —— 《чем проще, тем лучше».

На рис. 14.10, а показана основная схема, а на рис. 14.10, б — блок-схема программы. До тех пор пока компаратор имеет высокий потенциал на выходе, показывая, что Евх не равно

Рис. 14 9. Схема использования ИС AD-02 PMI, включающей в себя АЦП с регистром последовательных приближений.

Высокий логический, уровень,евх :

Рис. 14.10. АЦП с регистром последовательных приближений, использующий микропроцессор и ИС ЦАП-08 (а); алгоритм последовательных приближений для микропроцессора, используемого в АЦП (6).

Рис. 14.11. Использование двоичного счетчика и ЦАП для генерирования ступенчато-пилообразного напряжения.

&т, программа будет продолжать увеличивать потенциал на выходе ЦАП. В данном случае регистр последовательных приближений и управляющая часть заменены программой в вычислительной машине.

Применения ЦАП

Интегральные схемы ЦАП представляют собой довольно интересный класс компонент, которые могут найти применение в областях, на первый взгляд не связанных с их основным назначением. Искусный конструктор может найти еще большее число приложений ЦАП.

Пожалуй, первое, что приходит на ум относительно применения ЦАП, —это генератор пилообразного, или ступенчатого напряжения, показанный на рис. 14.11. Здесь мы имеем ЦАП, входы которого подключены к выходам двоичного счетчика. В свою очередь вход двоичного счетчика подключен к автоколебательному мультивибратору, который обычно называют генератором тактовых импульсов. Когда счетчик обнулен, его выход соответствует коду 00000000, а на каждый счет ЦАП добавляет к выходному напряжению определенную малую величину. Каждый шаг в выходном напряжении равен

Вольт Полный диапазонFar = ，

где п — число разрядов на входе ЦАП (т. е. 8 для ЦАП-08). Если п достаточно большое, приращение каждого шага будет незаметно, так что генерируемая ступенчатая функция будет проявляться как непрерывно возрастающий сигнал.

Генератор линейно-изменяющегося напряжения на ЦАП используется в АЦП для генерирования пилообразного колебания цифровыми методами и в схемах синхронизации. АЦП типа счетчика (рис. 14.6) для выполнения преобразования использует генератор линейно-изменяющегося напряжения на ЦАП и компаратор. Когда выход ЦАП равен входному напря-

жению, потенциал на выходе компаратора понижается и закрывает двоичный счетчик.

В применениях ЦАП к задачам синхронизации также используется компаратор, причем схема не очень отличается от АЦП типа счетчика. Вместо неизвестного аналогового напряжения используется калиброванное напряжение от эталонного источника. Это напряжение может быть получено от схемы REF-01 фирмы PMI или эквивалентной ей схемы с использованием потенциометра, градуированного в единицах времени. Например, стосекундный таймер может быть выполнен при использовании калиброванного эталона 0——10 В и восьмиразрядного ЦАП. Разрешающая способность будет не хуже 0,1 с при условии, что выбран соответствующий генератор тактовых импульсов. При правильном выборе частоты тактовых импульсов или диапазона эталонного напряжения могут быть получены и другие диапазоны периода синхронизации.

Другое применение ЦАП ——это управляемый цифровыми сигналами источник напряжения или тока. Он может быть выполнен при использовании ЦАП и, если необходимо, масштабного усилителя. Для управления уровнем выходного напряжения можно использовать двоичные переключатели или, возможно, переключатель с выходом ДДК. Для той же цели можно использовать маломощный канал ввода/вывода.

Родственное применение — это управление отклоняющими системами осциллографов или перьями двухкоординатных самописцев (с осями X——Y) путем использования пары ЦАП (один для координаты X, а другой ——для координаты У), подключенных к каналам ввода/вывода или к соответствующей логике. Таким образом может быть получено выходное устройство для машинного построения графиков; это одно из важных направлений развития современного оборудования.

На рис. 14.12 показано несколько применений ЦАП, которые могут быть полезны при разработке аппаратуры. Схема на рис. 14.12, а иллюстрирует цифровой метод установки нуля операционного усилителя. Цифровое слово на линиях Во—б? выбирается таким образом, чтобы напряжение на выходе операционного усилителя было равно нулю. В обычных схемах все это привело бы к безумной трате денег и времени, так как обычный пятидесятицентовый потенциометр делал бы то же самое. Однако в некоторых случаях подход, основанный на применении ЦАП, позволяет автоматизировать установку нуля, например в схемах автоматического обнуления или схемах поиска нуля. Возможно, здесь стоит привести пример для иллюстрации сказанного.

Из предыдущих глав вы знаете, что датчики на мостиках Уитстона редко бывают в достаточной степени сбалансированными. Из-за этой разбалансированности почти всегда имеется напряжение смещения, которое появляется на выходе усилителя 250

мостика. В результате для устранения смещения необходимо предусмотреть управление установкой нуля.

Большинство усилителей с автоматической установкой нуля используют систему с кнопочным управлением. Оператор нажимает кнопку тогда, когда в датчике выполняются нулевые условия. При этом конденсатор схемы выборки и запоминания заряжается до уровня напряжения, равного напряжению смещения. Затем напряжение на этом конденсаторе подается обратно на усилительный каскад, где оно уменьшает смещение до нуля.

Подход, основанный на применении конденсатора, достаточно хорош и используется на практике, но смещение устраняется при этом лишь на короткое время. Если требуется, чтобы конденсатор сохранял заряд в течение длительного времени, то нужно учитывать, что заряд постепенно спадает и нулевые условия на-

Рис. 14.12. Использование ЦАП-08 для цифровой системы установки нуРис. 14.12. Использование ЦАП-08 для цифровой системы установки нуля (а); генератор сигнала на ЦАП-08 п”(6); устройство сложения/вычитания,рушаются. Рассматриваемый использующее ЦАП-08 (в), метод используется в распространенном медицинском усилителе кровяного давления, и в связи с этим медицинские сестры знают, что установка нуля должна производиться даже в том случае, если последнее измерение производилось не далееля (а); генератор сигнала на ЦАП-08 п”(6); устройство сложения/вычитания,рушаются. Рассматриваемый использующее ЦАП-08 (в), метод используется в распространенном медицинском усилителе кровяного давления, и в связи с этим медицинские сестры знают, что установка нуля должна производиться даже в том случае, если последнее измерение производилось не далеекак четверть часа тому назад.

Рис. 14.12. Использование ЦАП-08 для цифровой системы установки ну

Рис. 14.12. Использование ЦАП-08 для цифровой системы установки ну

ля (а); генератор сигнала на ЦАП-08 п”(6); устройство сложения/вычитания,

рушаются. Рассматриваемый использующее ЦАП-08 (в), метод используется в распространенном медицинском уси

лителе кровяного давления, и в связи с этим медицинские сестры знают, что установка нуля должна производиться даже в том случае, если последнее измерение производилось не далее

ля (а); генератор сигнала на ЦАП-08 п”(6); устройство сложения/вычитания,

рушаются. Рассматриваемый использующее ЦАП-08 (в), метод используется в распространенном медицинском уси

лителе кровяного давления, и в связи с этим медицинские сестры знают, что установка нуля должна производиться даже в том случае, если последнее измерение производилось не далее

В состав цифровой системы установки нуля может быть включена схема, подобная показанной на рис. 14.12, а, которая по существу свободна от недостатков, связанных с падением напряжения. Такая система может использовать двоичный счетчик, подключенный ко входам Во——В7. Входные импульсы счетчика проходят через управляемый вентиль, так что счет начинается и заканчивается по команде. Такая команда может выдаваться компаратором, сравнивающим входное напряжение с нулем, причем свободный вход компаратора подключается к выходу предусилителя моста. Логическая часть схемы устроена таким образом, что при нажатии кнопки сбрасывается счетчик

и вход компаратора подключается к выходу усилителя. В то же время на вход счетчика поступают импульсы. По мере возрастания содержимого счетчика возрастает и выходное напряжение ЦАП, так что смещение будет уменьшаться. Когда смещение будет равно нулю, компаратор перебросится так, что потенциал на его выходе станет низким и закроет вентиль тактовых импульсов. Дрейф эталона ЦАП или самого ЦАП мал по сравнению со скоростью падения напряжения в цепях установки нуля, использующих даже очень хорошие конденсаторы и входные операционные усилители на полевых транзисторах.

На рис. 14.12, б показан генератор сигналов. Устройство или схема, подключаемая ко входам Во——В7, определяет тип генерируемого сигнала. Двоичный счетчик будет вырабатывать пилообразный сигнал с положительным наклоном, если счет ведется с возрастанием, и с отрицательным наклоном, если счет ведется с убыванием. Подобным образом, если счетчик с воз- растанием/убыванием устроен так, что максимальное числа (11111111) вызывает срабатывание ключа, соединенного с выводом возрастание/убывание, то будет генерироваться треугольное колебание.

Если счетчик заменен запоминающим устройством (ЗУ) со считыванием без разрушения информации, то может быть обеспечено генерирование почти любого периодического сигнала в пределах возможностей ЦАП (примерно 38 кГц). Для опроса ЗУ по всем адресам используется восьмиразрядный двоичный счетчик, а сигнал появляется на выходе ЦАП.

Для получения аналогового напряжения, пропорционального сумме двух цифровых слов, используется устройство, включающее в себя пару ЦАП с выходом в виде источника тока и операционный усилитель. Простой пример представлен на рис. 14.12,8 В этом случае выходы обоих ЦАП подключены к од-

Рис. 14.13. Характеристика компандера на ЦАП.

ному и тому же входу операционного усилителя, так что результат равен А-{-В. Если, с другой стороны, каждый выход подключен к своему дифференциальному входу операционного усилителя, то будет вырабатываться либо (А——В), либо (В——А).

Компандеры

Компандер (КОМпрессор/эксПАНДЕР) на ЦАП, такой, как, например, ЦАП-76 фирмы PMI, может в значительной степени увеличить динамический диапазон схемы АЦП. Формат преобразователя ЦАП-08 ——восьмиразрядный, но на самом деле один разряд является знаковым, а семь остальных ——информационными. Три из этих разрядов используются для выбора одной из восьми (2^ = 8) связанных хорд, а оставшиеся четыре разряда используются для выбора одного из шестнадцати линейно связанных шагов в пределах каждой хорды (рис. 14.13). При использовании АП с последовательными приближениями схема ЦАП-76 может обеспечить динамический диапазон 72 дБ в отличие от 20 дБ, обеспечиваемых обычным АЦП. Схема ЦАП-76 будет кодировать или декодировать сигнал в зависимости от состояния определенных выводов.

Глава 15

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

Оптоэлектроника охватывает класс электрических и электронных устройств, которые при взаимодействии со светом дают такие эффекты, как протекание тока, возникновение разности потенциалов или изменение сопротивления. Большинство авторов наряду с устройствами, реагирующими на свет оптического (видимого) диапазона, включают в эту категорию и устройства, которые реагируют на инфракрасный и ультрафиолетовый свет. В данной книге мы рассмотрим фотовольтаические элементы, фоторезисторы, фототранзисторы и устройства, использующие эти элементы, такие, как оптроны или оптоизоляторы.

Фотоэлектрический эффект

В 1887 г. физик Генрих Герц в одном из своих экспериментов заметил, что некоторые вещества под воздействием света испускают свободные электроны. Другой физик, Макс Планк, как будто специально дождавшись начала двадцатого столетия, предложил в 1900 г. теорию, согласно которой свет может существовать только в виде некоторых дискретных сгустков энергии, которые он назвал фотонами. В 1905 г. Альберт Эйнштейн развил эту теорию. Он постулировал, что содержание энергии в фотоне пропорционально частоте (цвету) света. Это выражается соотношением

E = hv,(15.1)

где Е — энергия; h — постоянная Планка (6,63-10-34 Дж-с), 屮 ——частота света.

Каждый материал характеризуется так называемой работой выхода, т. е. энергией, требуемой для высвобождения электрона. Если энергия фотона (15.1) превышает этот уровень, электрон будет освобожден. Освобожденный электрон приобретает кинетическую энергию, равную разности между энергией фотона и работой выхода, или

加二 Ео+Екнн，(15.2)

где Ео ——работа выхода; Ек“н—кинетическая энергия испущенного электрона.

Следовательно, фотоэлектрический эффект зависит от двух факторов: частоты падающего луча света и работы выхода материала. Для каждого данного материала существует частота света (или, если хотите, цвет), ниже которой электроны не испускаются, так как энергия фотона не превышает работы выхода.

Интересно заметить, что в 1905 г. Эйнштейн опубликовал четыре статьи, завоевавшие ему признание среди физиков. Из них наиболее широкую известность получили статьи, посвященные теории относительности, но Нобелевскую премию по физике он получил за работы по фотоэлектрическому эффекту. За давностью лет трудно судить, из-за чего это произошло: то ли из-за крайнего консерватизма части комитета или из-за того, что они просто не смогли понять всего значения его теории. Тем не менее этот факт показывает, что иногда история является лучшим судьей, чем отдельные личности.

Явление фотопроводимости возникает в полупроводниковом материале в тех случаях, когда фотон способен передать валентному электрону количество энергии, достаточное для перевода его в зону проводимости. Благодаря этому явлению свет влияет в известной мере на проводимость р——п-перехода. Если переход смещен в прямом направлении, этот эффект маскируется большим количеством протекающих носителей заряда Однако в переходе, смещенном в обратном направлении, нормальный ток в отсутствие света ограничен током утечки, который крайне мал. Падение света на переход приводит к заметному возрастанию тока. Даже в обычном стеклянном диоде, смещенном в обратном направлении, этот эффект в некоторой степени заметен.

Когда р—n-переход является частью транзистора, сконст-_ руированного таким образом, что свет может попадать на базу, фототок увеличивается пропорционально усилению транзистора по постоянному току. Это выражается соотношением

4 = (/•紘)(15.3>

где /к ——ток коллектора； / — фототок базы; ЛфЭ — р-усиление транзистора по постоянному току.

Фотоэмиссия и светодиоды

Когда в атом попадает энергия в каком-либо виде, то существует вероятность того, что часть ее будет поглощена. В этой ситуации энергетические уровни некоторых электронов могут возрастать, не нарушая принципа сохранения энергии. В используемой нами орбитальной модели атома это соответствует перескоку электрона (рис. 15.1) на орбиту или в зону, более удаленную от ядра. В течение некоторого времени электрон может оставаться в этом возбужденном состоянии, однако в

Возбужденноеэнергетическое

Рис. 15.1. Когда возбужденный электрон переходит на более высокий энергетический уровень, его состояние неустойчиво. Когда он возвращается в исходное состояние, излучается фотон.

какой-то момент он должен возвратиться в основное состояние, или состояние покоя. Опять же по принципу сохранения энергии при этом требуется, чтобы электрон освободил количество энергии, равное разности между энергетическими уровнями двух различных состояний. Энергия может выделяться в виде тепла, рентгеновского излучения или излучения видимого света.

В р—n-переходе, смещенном в прямом направлении, электроны, инжектированные в п-область под воздействием источника ^питания, получают избыточный уровень энергии, позволяющий им пересекать р——n-барьер. Эта энергия может быть отдана, когда электрон рекомбинирует с дыркой и становится электрически нейтральным. Отданная энергия может выделяться в виде инфракрасного или видимого излучения.

В кремниевых и германиевых диодах фотоны, выделяемые при этом процессе, соответствуют обычно инфракрасному диапазону, но в диодах на арсениде галлия GaAs энергетические уровни расположены выше, в результате чего излучение попадает в красный, видимый диапазон. Светоизлучающие диоды создают излучение красного, желтого и зеленого цветов. В некоторых светодиодах красно-зеленого излучения диоды с крас-

Рнс. 15.2. Измеритель интенсивности света, использующий фотосопротивление. 256

ным и зеленым излучением заключены в одном корпусе и соединены друг с другом встречно. Цвет будет зависеть от полярности приложенного напряжения. При выборе светодиодов имейте в виду, что светодиоды с излучением красного цвета более эффективны и в большинстве случаев дают больше света при меньшем токе.

Фотоустройства и схемы

Фотовольтаический элемент, или солнечный элемент,——это устройство, использующее свойство света создавать электрический потенциал, величина которого, как правило, имеет порядок долей вольта. Эти устройства выпускаются уже много лет, однако только в последние годы они были во многом усовершенствованы в результате развития космической техники, по

Рис. 15.3. Измеритель интенсивности света с мостом Уитстона.Рис. 15.3. Измеритель интенсивности света с мостом Уитстона.скольку их использовали в качестве источников питания для космических кораблей и для преобразования энергии.

Рис. 15.3. Измеритель интенсивности света с мостом Уитстона.

Рис. 15.3. Измеритель интенсивности света с мостом Уитстона.

В соответствии с нашей целью (проектирование электронной аппаратуры) более важным является применение фоторезистора, который называется также фотоэлементом с внутренним фотоэффектом или просто фотоэлементом. С термином «фотоэлемент» будьте осторожны, потому что многие используют его для обозначения почти любого фоточувствительного электронного компонента. Тем не менее в нашей книге он будет обозначать фоторезистор, называемый также фотоэлементом с внутренним фотоэффектом или просто фотоэлементом.

Для фоторезисторов используются такие материалы, как сульфид кадмия, сульфид свинца или селенид кадмия. Эти материалы обладают свойством изменения электрического сопротивления под воздействием света. При выборе устройств для конкретного проекта нужно принять во внимание то, что различ- § ные фоторезисторы имеют раз- 翁 личные свойства. Одни из них,' например, имеют очень высокое темновое сопротивление и просто громадное изменение сопротивления под воздействием света. Например, один из типов имеет темновое соп

ротивление около 500 кОм, а сопротивление при комнатном освещении примерно 20 кОм.

На рис. 15.2 показана основная схема измерителя интенсивности света, использующая фоторезисторное устройство. Сопротивление фотоэлемента ФЭ1 зависит от интенсивности света, падающего на его поверхность. Батарея 5】является источни* ком тока для последовательной цеп>и, состоящей из ФЭ1, Ri и Mi. Величина тока, регистрируемая прибором М* зависит от сопротивлений ФЭ1 и R. Когда фоторезистор затемнен, сопротивление ФЭ1 будет высоким, а следовательно, ток будет мал* При возрастании интенсивности света сопротивление ФЭ1 уменьшается и показания Mi возрастают. Резистор Ri можно использовать для калибровки прибора М^ при некоторой определенной интенсивности света, так чтобы в каждом конкретном применении показания не были бы бессмысленными.

На рис. 15.3 показана более чувствительная и потенциально более полезная схема измерителя интенсивности света. Здесь мы видим еще одно применение классической мостовой схемы Уитстона. Сопротивления резисторов R и R? обычно выбираются равными друг другу, хотя это просто дело удобства и не очень существенно. Эти резисторы обычно имеют сопротивление в диапазоне от 500 Ом до 20 кОм. Конкретное выбираемое значение зависит в некоторой степени от величины фотосопротивления при такой интенсивности света, при которой должен работать измеритель. Старайтесь выполнить равенство R = Q и придерживаться пределов от Кз/2 до 2R小

Опять мы имеем в схеме калибровочный резистор, в данном случае это Т?4, одно из плеч моста. Резистор С можно отрегулировать так, чтобы ток через прибор был равен нулю, максимальному значению или некоторому заданному значению при нормальной интенсивности света в окружающей среде.

Этот тип схемы используется в обширном семействе электронных приборов и управляющих устройств, так как многие физические величины могут быть измерены по крайней мере косвенно, по коэффициенту пропускания или коэффициенту поглощения света (или белого, или определенной частоты в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового). Эту область техники называют иногда фотометрией (буквально измерение с помощью света), а относящиеся к ней приборы называются фотометрами или денситометрами.

Рассмотрим пример прибора такого типа. Предположим, что некоторый параметр может быть измерен по степени поглощения красного света, проходящего через образец материала. Испытательная установка показана на рис. 15,4. На пути луча света помещен красный фильтр для устранения помех, создаваемых другими цветами. Конечно, цвет и свойства фильтра в каждом данном случае будут зависеть от свойств исследуемого материала, однако мы выбираем красный фильтр. Использование фильтра в любом случае желательно, даже если испытуемый материал не чувствителен к частоте света, так как чувствительным к частоте света является фотоэлемент. Большин-

Рис. 15.4. Простой денситометр

сгво фоторезисторов неодинаково реагируют на разные частоты света, поэтому во многих случаях должны быть предприняты меры для устранения этой проблемы. В нашем случае пропускается красная компонента источника белого света, а остальные задерживаются или по крайней мере ослабляются.

Фоторезистор включается в схему, подобную показанной на рис. 15.3. Фактически есть два пути настройки этой схемы. Например, можно отрегулировать резистор R4 так, чтобы при установке образца ток через прибор был равен нулю (или близок к нулю). Затем мы могли бы регистрировать показания прибора после удаления образца.

Лучший способ — это регулировка резистора R4 точно на 100 мкА при отсутствии образца. При этом подразумевается, что показания в 100 мкА соответствуют стопроцентному пропусканию света. Красная компонента полностью доходит до ■фотоэлемента. Когда на пути света помещен образец, он будет поглощать некоторое количество света, так что только часть Qro будет падать на фотоэлемент. В правильно отрегулированной схеме показания тока будут соответствовать величине коэффициента пропускания света в процентах.

Еще один вариант предыдущей схемы показан на рис. 15.5, где используются два фотоэлемента. Фактически это более предпочтительный метод, и он используется широко во многих электронных приборах. Один элемент используется как эталонный, а другой — как измерительный. Фотоэлементы включаются в противоположные плечи моста Уитстона. Интересно отметить, что прибор Mi может быть как микроамперметром, так и милливольтметром.

Фотоэлементы ФЭ1 и ФЭ2 выбираются в виде согласованной пары. Если в вашем распоряжении нет заранее согласованных приборов, то хорошее приближение к согласованной паре может быть получено путем сравнения темновых и световых сопротивлений набора фоторезисторов и выбора пары, дающей близкие показания.

Рис. 15.5. Денситометр с мостом Уитстона.Рис. 15.5. Денситометр с мостом Уитстона.RlR; R飙尸Rg2・RlR; R飙尸Rg2・

Рис. 15.5. Денситометр с мостом Уитстона.

Рис. 15.5. Денситометр с мостом Уитстона.

RlR; R飙尸Rg2・

RlR; R飙尸Rg2・

Мост балансируется регулировкой резистора R4 при удалении образца. При этом условии на оба фоторезистора попадает одинаковое количество света. При установке образца часть света, направленного на ФЭ2, будет поглощаться, так что сопротивление ФЭ2 будет возрастать до значений, превышающих сопротивление ФЭ1. Из-за этого различия баланс моста нарушается, так что напряжение в точке Л становится больше, чем в точке В, и этот факт отражается в показаниях прибора.

Все эти схемы являются примерами оптических денситометров, так как их действие основано на измерении оптической плотности образца. Вы, наверное, удивитесь, если узнаете, что некоторые классы очень дорогих научных приборов представляют собой не более как усовершенствованные варианты схем, показанных в настоящей главе.

Одна из наиболее серьезных проблем, связанных с простыми денситометрами, — это подавление паразитных изменений в выходном сигнале, возникающих из-за изменений силы света в источнике света или из-за колебаний напряжения, приложенного к мосту Уитстона. В обоих случаях мы могли бы использовать логометрический метод измерения. Этот метод, как вы помните, был развит при рассмотрении способов измерения давления.

Для краткосрочных измерений эти паразитные колебания могут не иметь значения, но при измерениях, продолжающихся длительное время (более нескольких минут), они скорее всего будут мешать. Во всяком случае, постарайтесь использовать стабилизированный источник тока для питания лампы источника света и стабилизированный источник напряжения. Если па-

Эталонный

Egbtx

Рис. 15.6. Денситометр с расщеплением луча для устранения влияния измене-ний силы света источника.

разитные колебания все же остаются, можно перейти к л ого метрическим схемам.

При логометрическом методе устранения влияния изменений в источнике света требуется пара денситометров и светорасщепляющая призма для формирования двух раздельных путей светового луча (рис. 15.6).

Один луч проходит к эталонному денситометру, а другой направляется к измерительному денситометру (через образец). Поскольку в данной схеме формируется отношение величин, нам необходимо лишь приблизительно соблюдать оптическук> эквивалентность двух световых путей. Если мы хотим получать абсолютное значение плотности, необходимо обеспечить достаточно точное расщепление луча, так чтобы 50% света приходилось на проходящий луч, а 50%—на отраженный луч. Мы должны также быть уверены, что длины двух путей одинаковы.

Один луч проходит к эталонному денситометру, а другой воспринимается измерительным денситометром. Поскольку наша схема — это схема отношений, то нам необходима аналоговая схема умножения/деления, включенная так, что передаточная функция имеет вид

Е внх = KE』Е и(15.4)

где Евнх ——выходное напряжение аналогового делителя; £\ — выходное напряжение эталонного денситометра; Е2 — выходное напряжение измерительного денситометра; К — константа, зависящая от свойств делителя.

Изменения выходного напряжения в такой схеме обусловлены исключительно изменениями оптической плотности образца.

В сканирующем денситометре образец или луч света пере-

двигаются строго прямолинейно, так что могут быть обнаружены изменения плотности образца. Эти приборы очень дороги, хотя электрическая часть у них крайне проста — большинство из них представляют собой схемы такого типа, как показанная на рис. 15.2. Причина высокой стоимости — очень точная механика, которая требуется для обеспечения точности прибора. Довольно-таки странно, что многие широко распространенные сканирующие денситометры хотя и стоят весьма дорого, но не имеют никаких средств против рассмотренных выше паразитных изменений выходного сигнала. Они могут быть в значительной степени усовершенствованы при использовании логометрических методов.

Для выполнения измерений с высоким разрешением, когда выходной сигнал моста Уитстона близок к нулю, можно использовать денситометры с усилителем. Можно, например, просто соединить выход моста со входом схемы обычного операционного усилителя, дающего нужное усиление по напряжению. С другой стороны, можно подключить ко входу операционного усилителя обычный источник постоянного тока, а фоторезистор включить в цепь отрицательной обратной связи. Выходное напряжение будет равно

ЕвВ1х = /「Афз・ (15.5)

Схемы на фототранзисторах и светодиодах

Оптоизолятор, называемый также оптроном, — это устройство, в котором фототранзистор используется в качестве чувствительного элемента, а светодиод — в качестве источника света. Хотя конструктивно устройства различаются в зависимости от применения, основная электрооптическая схема будет такой, как показанная на рис. 15.7, а. Светодиод и фототранзистор заключены в общем корпусе и расположены таким образом, чтобы свет от светодиода попадал на чувствительную область базы транзистора.

Оптоизоляторы находят применение там, где прямое соединение двух частей схемы или нежелательно, или невозможно. Оптоизоляторы часто используются, например, в медицинских приборах для исключения риска электрошока у пациентов, чувствительных к электричеству.

На рис. 15.7,6 и s показаны два способа включения оптоизолятора. Как в импульсной схеме (рис. 15.7,6), так и в линейной (рис. 15.7,8) выходной сигнал будет в фазе со входным, так как транзистор включен по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Если желательна инверсия сигнала, включите резистор нагрузки между коллектором транзистора и источником напряжения VCc- Выходом теперь является вывод коллектора транзистора.

тока

Рис 15 7 Основная схема оптрона (а), импульсный оптрон (б), линейный оптрон (8)

Одним из применений импульсной схемы является преобразование логических уровней несовместимых систем, без прямых соединений. Например, может оказаться желательным сопряжение некоторого устаревшего логического устройства, использующего логические уровни 土 12 В с современной системой ТТЛ, или наоборот. Может оказаться желательным взаимодействие между этими двумя схемами. Другой случай — это когда одно

из устройств небезопасно. Примером может служить ситуация, когда уровни напряжения в устройстве составляют сотни вольт по отношению к земле, а уровни измерительного прибора, вычислительной машины или другого устройства, имеющегося в вашем распоряжении, представляют собой обычные уровни схем ТТЛ, ДТЛ или КМОП.

Конструктивная форма каждого данного оптоизолятора или ^оптрона будет зависеть почти полностью от области применения. В некоторых случаях, например, блок будет представлять собой шестиконтактный или восьмиконтактный миниатюрный корпус с двухрядным расположением выводов. Такие устройства используются там, где изоляция требуется по чисто электрическим причинам (как в медицинской аппаратуре).

Другие конструкции используют отраженный свет или схему с затемняющей заслонкой. В конструкции с отраженным светом светодиод и чувствительный элемент монтируются в одной плоскости, но свет направляется через отверстия в корпусе под углами 45°, так что светодиод и чувствительный элемент не будут связаны между собой до тех пор, пока в критическую точку не будет помещен отражающий объект.

В конструкции с затемняющей заслонкой в корпусе между светодиодом и чувствительным элементом имеется щель или прорезь, так что путь света может быть прегражден заслонкой. Такие схемы используются в счетчиках, устройствах считывания с перфолент и перфокарт в вычислительных и управляющих системах, а также в сигнальных устройствах.

Оптоэлектроника — это одна из тех областей электроники, которую можно назвать и молодой, и старой. Благодаря современной технологии она успешно развивается и не проявляет никаких признаков старения.

Глава 16

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТУРЫ

Электронная аппаратура ——это совокупность схем и меха* нических устройств, выполняющих определенные действия по измерению и управлению. Она может воспринимать сигнал от датчика определенного вида и обрабатывать сигнал с целью1 выработки некоторого числового значения для индикации или выдачи аналогового выходного сигнала. Она может также воспринимать несколько различных входных сигналов, выполнять некоторые вычисления или сравнения и затем отображать результат, а может использовать их для выработки управляющих воздействий.

Типы аппаратуры

Аппаратура может быть аналоговой, цифровой или представлять собой совокупность этих двух типов. В тех случаях, когда нужно обязательно обеспечить высокую точность или когда может потребоваться крайне сложная аппаратура, проектирование лучше предоставить квалифицированным инженерам по электронике, имеющим опыт работы в этой области. Однако любитель или новичок (например, студент) может сделать очень многое из того, что когда-то считалось слишком трудным. Словом, если вы из тех, кто может получать наслаждение от изобретения ради изобретения,——приступайте к работе.

Для таких людей имеется в основном две возможности: во- первых, создание простой или умеренно сложной аппаратуры и, во-вторых, объединение двух или большего числа уже существующих промышленно-выпускаемых устройств, которые прежде были несовместимыми.

Удивителен уровень сложности, который может быть достигнут любителями ценой, правда, некоторых неудач при первых попытках. Однако коэффициент неудач может быть значительно снижен, если вы проявите желание и умение искать советов у профессионалов.

Даже при умеренной сложности аппаратуры всегда имеется возможность поиска наиболее разумного применения электронных схем с целью экономии денег. К примеру, физиолог хочет использовать предусилитель с коэффициентом усиления 10 для

восприятия потенциалов деятельности клетки. Такой прибор будет стоить более 300 долл., однако этот прибор может быть в точности воспроизведен примерно за 35 долл, и даже за 20 долл, (если использовать другие, более современные элементы) .Такой предусилитель претендует на название «физиологический» в основном по той причине, что он имеет высокий коэффициент подавления синфазной составляющей и входной импеданс порядка 100 млрд. Ом. Однако современные операционные усилители на биполярных полевых и БиМОП-кристал- лах имеют входные импедансы порядка 1500 млрд. Ом (1,5 тераОм!).

Сопряжение двух существующих приборов может заключаться всего лишь в изготовлении соответствующего отрезка жгута, имеющего разъем для одного прибора на одном конце и разъем для другого прибора на другом конце. Напротив, «сопряжение» может включать конструирование электронных схем, обеспечивающих совместную работу этих двух приборов.

И в промышленных, и в университетских условиях, а также в некоторых избранных любительских проектах может потребоваться создание специальной системы, состоящей из приборов, созданных по индивидуальным проектам, или из множества покупных приборов. Прежде чем серьезно взяться за такую работу, желательно изучить каждый прибор, чтобы выяснить его возможности, требования и особенности входа/выхода, назначение й диапазон каждого органа управления и схему прохождения сигнала внутри прибора. Если этого не сделать, то любая попытка создания системы приведет к тому, что устройство будет не оптимальным или, хуже того, может привести к разрушению одного или нескольких сборочных узлов.

Восприятие сигнала

Входная часть любого прибора состоит из каскадов, воспринимающих сигнал и подготавливающих его для последующих каскадов. В простейшем случае входная часть может состоять из одного простого предусилителя (операционного усилителя). С другой стороны, она может представлять собой сложный модуль восприятия аналоговых сигналов. Такие модули выпускаются фирмами Analog Devices, Burr-Brown и др.

Если вы планируете использовать входную часть или весь прибор для передачи информации в вычислительную машину, вам потребуется тот или иной аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Они были более подробно рассмотрены в гл. 14.

В приложениях широко используется также схема мультиплексора. Такие схемы позволяют передавать информацию от нескольких входов в один канал. Соответствующие модели мультиплексоров позволяют объединить в один выходной канал любое число входных каналов в пределах от 2 до 32. В боль-

Рис. 16.1. Ситуация, приводящая к тяжелым последствиям ——повсеместные токи заземления (а); правильное заземление (6).

шинстве случаев стоимость таких устройств возрастает быстрее, чем число каналов.

Существует два технических приема, к которым несерьезно относятся даже те, кто производит впечатление знающих, ■— это заземление й экранирование. Главная причина осложнений, которые могут возникнуть в этой области, заключена в образовании так называемых цепей обратной связи через землю.

Такая цепь создается токами, протекающими в проводнике заземления. Этот ток создает падение напряжения, которое проявляется для системы как сигнал. Эта ситуация показана на рис. 16.1, а, где земля сигнала, общий проводник к источнику питания от усилителя и проводник заземления самого источника питания подключены к различным токам на поверхности заземления.

Поверхностью заземления может быть массивный толстый кусок меди, или сама земля, или большой лист металла, но даже в этом случае нет уверенности, что проблема решена. Если же

Земпа аналоговыхсхем

Единственнаяобщая точкаЕдинственнаяобщая точкаЗеМ〃* цифровых схемЗеМ〃* цифровых схемнншшнншш

Единственнаяобщая точка

Единственнаяобщая точка

ЗеМ〃* цифровых схем

ЗеМ〃* цифровых схем

нншш

нншш

Рис. 16.2. Метод соединения земли аналоговых и цифровых схем на печатнойплате.

《землей》 будет тонкий провод, то почти наверняка вы столкнетесь с проблемой цепей обратной связи через землю.

В случае, показанном на рис. 16.1, ^ большой ток («большим» может считаться ток всего в несколько миллиампер) вызывает падение напряжения между точками В и С. Это можно интерпретировать как сигнал -постоянного тока на входе усилителя. Хотя мы можем считать, что входной сигнал действует между точкой { и входной линией усилителя； в действительности входным сигналом для усилителя будет напряжение относительно точки С.

Мы очень часто говорим о необходимости заземления, но, по-видимому, возможны и такие случаи, когда точек заземления слишком много. Лучшая ситуация — это единственная точка заземления, как это показано на рис. 16.1,6. При этом формирование цепей обратной связи через землю исключается или по крайней мере значительно затрудняется.

Рис. 16.2 показывает, как это можно сделать при разработке рисунка печатных проводников на печатной плате. Проводники заземления от различных цепей сходятся в одну точку на тор-

цевом разъеме платы. Для более сильных токов используются два параллельных вывода.

Функция аналогового прибора напоминает иногда функцию аналоговой вычислительной машины. В самом деле, типичный аналоговый измерительный прибор (в противоположность простым предусилителям и т. д.) является по существу одноцелевым специальным аналоговым компьютером. Конструктору стоит иметь это в виду, так как иногда это может облегчить работу.

Конкретное множество каскадов между входом и дисплеем зависит от природы тех работ, которые устройство должно выполнять. Ознакомившись со своей задачей, вы должны решить, выполнение каких функций будет необходимо.

Пример. Спроектируйте прибор (только блок-схему, пожалуйста) ,который будет измерять импульсные потенциалы (рис. 16.3) величиной до 90 мВ и отображать на ленточном самописце или на осциллографе потенциал и сигнал, представляющий его первую производную. Кроме того, площадь под кривой потенциала должна отображаться на цифровом вольтметре. Вы должны предусмотреть способ устранения влияния на выходной сигнал помех на частотах более 200 Гц.

Импульс будет получаться на омических электродах и должен быть усилен в 10 раз. В связи с этим мы хотели бы включить в состав прибора предусилитель с коэффициентом усиле-

Рис. 16.5. Измеритель среднеквадратического значения.

нйя 10. При этом пиковое напряжение сигнала будет увеличено с 90 до 900 мВ. Такой уровень сигнала намного более удобен, так как он достаточно высок по сравнению с уровнем, при котором заметны искажения, связанные с дрейфом и шумами, и все же он на порядок ниже уровней ограничения обычных операционных усилителей и линейных ИС.

Схема прибора показана на рис. 16.4. Функции по уменьшению влияния помех могут быть выполнены активным фильтром нижних частот с полосой 200 Гц. Усиление фильтра предпочтительнее выбирать равным единице. При этом сигнал на выходе фильтра будет в пределах диапазона, который мы только что определили как желаемый.

Отфильтрованный импульсный сигнал проходит через буферный усилитель с коэффициентом усиления, равным единице, в канал 7 — канал самописца, или осциллографа. Одновременно он подается на дифференцирующее устройство, состоящее из стандартных схем операционного усилителя, и на интегратор на операционном усилителе.

Пример. Создайте схему, которая будет принимать сигналы звуковых частот с амплитудами в диапазоне от 0 до 5 В и вычислять их среднеквадратическое значение. Не используйте термические методы.

Во-первых, вернемся к основным определениям и посмотрим, что подразумевается под «среднеквадратическим значением» сигнала переменного тока. Определение среднеквадратического значения таково:

t

Еск = ( [ E^xdf) • (16.1) о

Первый шаг (рис. 16.5) состоит в возведении входного напряжения в квадрат и затем интегрировании его на интервале времени от 0 до /. Этот интервал должен быть равен по меньшей мере одному периоду входного колебания. Он определяет низкочастотный предел схемы. Выходной сигнал интегратора проходит через устройство извлечения квадратного корня. Во всех каскадах необходимо учитывать диапазон обрабаты-

ваемых входных сигналов. Поскольку амплитуды могут достигать 5 В, схема должна обрабатывать сигналы в интервале от О до 25 В! Это может потребовать использования логарифмической компрессии или какого-либо подобного метода.

Устройством возведения в квадрат может быть аналоговый умножитель, в котором входы X н У соединены друг с другом, а устройством извлечения квадратного корня может быть подобная же схема, включенная в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя.

Более дорогостоящий, но обычно легче реализуемый метод состоит в использовании многофункционального модуля (например, схемы 4301/02 фирмы Burr-Brown), передаточная функция которого имеет вид

Е 兩x = X(Y/Z)叫 (16,2

Установив в X удобную масштабную константу и сделав Z равным единице, мы можем использовать выход У для £BX. Для устройства извлечения квадратного корня установим т = 0,5, a^ для устройства возведения в квадрат т = 2.

Пример. Сконструируйте линеаризирующую схему для системы измерения давления в диапазоне от 0 до 2 тор.

Обсуждение. Большинство датчиков, независимо от измеряемого параметра, сохраняют заданную в паспорте линейность только в пределах определенного диапазона. При измерении давления оказывается, что лишь немногие из датчиков линейны в диапазоне от 0 до 2 тор. Фактически большинство из них

имеют кривые зависимости выходного сигнала от давления,

близкие скорее к параболическим, чем к линейным.близкие скорее к параболическим, чем к линейным.На рис. 16.6 показаны и идеальная, и реальная ситуации. В идеале выход нашего усилителя давления должен быть равен точно 1,00 В при давлении 1 тор и 2,00 В при давлении

близкие скорее к параболическим, чем к линейным.

близкие скорее к параболическим, чем к линейным.

1 тор. Всем значениям между 0 тор и верхним пределом 2 тор соответствуют пропорциональные значения выходного напряжения. Такой тип функции имеет вид Y=mX, где т ——масштабный множитель.

Однако это соотношение верно только в тех областях, где датчик линеен, а он не линеен в диапазоне до 2 тор. Фактически область нелинейности вероятнее всего превышает область, выбранную для нашего примера. Более того, большинству датчи-

Рис. 16 6. Типовые реальная и идеальная кривые датчика.Рис. 16 6. Типовые реальная и идеальная кривые датчика.Эти две кривые могут соединяться или становиться параллельными при Р> >10 тор или около этого значения.Эти две кривые могут соединяться или становиться параллельными при Р> >10 тор или около этого значения.ков нельзя доверять в диапазоне до 10 тор.

Рис. 16 6. Типовые реальная и идеальная кривые датчика.

Рис. 16 6. Типовые реальная и идеальная кривые датчика.

Эти две кривые могут соединяться или становиться параллельными при Р> >10 тор или около этого значения.

Эти две кривые могут соединяться или становиться параллельными при Р> >10 тор или около этого значения.

Существующее оборудовс(ш/б для измерения давления

Добавочный /it/Heapu^amof

Рис 16 7 Цифровой линеаризатор

В одном устаршевшем к настоящему времени методе линеаризации датчика используется набор генераторов отрезков ломаных линий, переключаемых с помощью диодов Эти генераторы аппроксимируют форму кривой, являющейся инверсией реальной кривой. Объединяя действительную кривую с ее ин* версией, мы надеемся создать линейный выход.

Этот метод хорош на бумаге, а при практической реализации он теряет свои достоинства. Возможно, вы были свидетелем дискуссий по вопросам линеаризации датчиков или термо* пар, однако мало кто представляет себе, с какими проблемами придется столкнуться на практике.

Основное ограничение вытекает из самой природы метода ломаной линии. Мы должны аппроксимировать части кривой инверсии хордами примерно правильного наклона. Проблема состоит в том, что число используемых хорд должно быть небольшим, если не допускать чрезмерного усложнения схемы. При большом числе хорд потребуется много переключательных диодов и устройств на операционных усилителях. Другие проблемы включают необходимость компенсации температурного дрейфа в диодах и операционных усилителях и компенсации неточностей в значениях резисторов и других компонент. Современная технология интегральных схем дает нам лучший метод примерно за ту же цену (рис. 16.7).

В этом методе используется восьмиразрядный аналого-цифровой преобразователь, кодирующий напряжение в диапазоне от 0 до 2 В таким образом, что О В представляется как 00000000, а 2 В — как 11111111. Эти двоичные числа представляют в десятичном виде 0 и 256 соответственно.

В диапазоне от 0 до 2 В стандартный 31/2-разряаннй цифровой панельный прибор (ЦПП) будет иметь разрешающую способность по давлению 0,01 тор, не считая младшего значащего разряда, который всегда под вопросом. АЦП на 256 чисел (от 0 до 255) может представлять 255 различных значении. Если принять такой тип системы в соответствии с только что данным описанием, то разрешение будет равно

2 тор/255 = 0,008 тор. (16.3)

Мы можем заключить теперь, что наша линеаризация имеет смысл, так как потенциальная разрешающая способность нашей схемы превосходит разрешающую способность устройства индикации.

Двоичное выходное слово АЦП может представлять дискретные значения входного напряжения, которое в свою очередь представляет значения давления. Оно используется также для адресации дискретных областей в интегральной схеме постоянного запоминающего устройства (ПЗУ).

Каждая область ПЗУ содержит восьмиразрядное слово, которое представляет точное напряжение, соответствующее давле* нию, воспринимаемому датчиком. Для схемы, расположенной после ПЗУ, у нас есть несколько вариантов Если требуется только цифровой индикатор, то может быть использована ИС, превращающая двоичный код в двоично-десятичный для преобразования выходного слова ПЗУ в форму, совместимую с большинством индикаторов. Если требуется аналоговый индикатор для генерации линеаризованного напряжения из выходного слова ПЗУ, используйте ЦАП.

Для отключения ПЗУ во время выполнения преобразования в АЦП требуется управляющая логика. В противном случае возникающие промежуточные состояния приводят к выработке ошибочных значений выходного напряжения. Кстати, по той же причине мы хотим, чтобы АЦП имел «защелкивающиеся^ выходы.

Ограничение (вы наверное, знаете) состоит в том, что ПЗУ должно быть запрограммировано для определенного датчика, иначе вы получите некоторую ошибку, хотя и меньшую, чем в ьелинеаризованном варианте

Для калибровки системы используйте водяной манометр или какой-либо другой прибор для измерения давления, в котором применяется материал еще меньшей плотности. Требуется также цифровой вольтметр с точностью не хуже З】% разряда. Отрегулируйте столб воды на различные давления, имея в виду тот факт, что на каждый тор давления требуется 13,6 мм воды. Это связано с тем, что 1 тор = 1 мм рт. ст., а ртуть в 13,6 раза плотнее воды.

Однако даже вода может не обеспечить адекватную калибровку системы, поскольку при 2 тор водяной столб будет иметь

высоту только 27,2 мм. Решение этой проблемы состоит в том, чтобы найти жидкость, которая не вызовет коррозии датчика и имеет в то же время плотность, значительно меньшую плотности воды.

Другой способ состоит в измерении давления при частичном вакууме. Вы можете, например, откачать воздух из пространства над столбом до давления примерно 370 тор. При этом величина столба удвоится.

Глава 17

АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ

Может быть, вы уже знаете об активных фильтрах больше,, чем это необходимо в рамках нашей книги; тогда вы, наверное,, сочтете меня самонадеянным или просто смешным из-за тог。, что я посвящаю этому вопросу всего одну главу. Если же вы узнаете, что об активных фильтрах написано несколько толстых книг, то ваше подозрение перерастет в уверенность. Но дело в том, что здесь не ставится задача сделать из вас специалиста, разбирающегося в тонкостях электронных фильтров. Цель состоит в том, чтобы научить вас конструировать нечто такое, что работает в большинстве случаев.

Простые фильтры

Фильтр — это схема, которая пропускает одни частоты сигналов переменного тока и не пропускает другие. Основными типами фильтров являются фильтр нижних частот, фильтр верхних частот и режекторный фильтр. Фильтр нижних частот пропускает все частоты от постоянного тока до частоты среза. Так, фильтр нижних частот на 1 кГц пропускает все частоты от постоянного тока до 1 кГц, а на частотах выше 1 кГц отклик фильтра очень быстро падает. В идеальном фильтре падение отклика было бы резким, как если бы спектр был《отрезан》 лезвием ножа в точке 1 кГц, но мы уже знаем, что идеальное и реальное — это обычно несовместимые концепции. Отклик реального фильтра падает с определенным наклоном, зависящим от природы схемы фильтра и его конструкции. Спад характеристики фильтра выше частоты среза выражается обычно в децибелах на октаву (отношение частот 2:1) или на декаду (отношение частот 10 : 1).

Простой RC-фильтр нижних частот состоит из резистора, подключенного последовательно к шине сигнала, и конденсато* ра, подключенного параллельно к ней. Если вы узнаете в этой /?С-цепи простой интегратор — примите мои пoздpaвлeния^ Этот простой фильтр имеет наклон ——6 дБ/октава. Для увеличения скорости спада может быть использовано несколько секций.

Фильтр верхних частот прямо противоположен фильтру нижних частот. Он пропускает только те сигналы, частоты ко-

4Topнх выше частоты среза. Примером пассивного RC-фнльтра верхних частот является простая дифференцирующая КС-цепь. Если вы понимаете соотношение между математическими понятиями интегрирования и дифференцирования, то вам видно изящество соотношения между фильтрами верхних и нижних частот.

Полосовой фильтр ——это сочетание фильтров верхних и нижних частот. Он пропускает только те частоты, которые лежат выше нижней частоты среза и ниже верхней частоты среза. Добротность Q полосового фильтра — это его свойство, определяемое соотношением

Q = &/n, (17.1)

где 尸ц — центральная частота при условии, что характеристика симметрична; П — полоса пропускания, выраженная в тех же единицах, что и 尸ц・

Режекторный фильтр — это схема, пропускающая все частоты, за исключением одной определенной частоты. Мы не особенно погрешим против истины, если представим себе эту схему в виде последовательного резонансного шунтирующего контура, подключенного параллельно к источнику сигнала. Основная область использования режекторных фильтров — это подавление некоторой определенной нежелательной частоты, такой, как наводка от сети 60 Гц1.

Большинство активных фильтров построено на основе операционного усилителя. Простейшая схема активного фильтра * нижних частот ——это инвертирующий повторитель с конденсатором, включенным параллельно резистору обратной связи. Емкость конденсатора должна быть такой, чтобы реактивное сопротивление Хс на частоте среза не превышало одной десятой сопротивления Roc При этом на частотах выше частоты среза отрицательная обратная связь будет больше, а, следовательно, усиление меньше. Эту частоту можно приближенно определить по формуле

F = 1/2 冗凡.С (17.2)

где F — частота среза в герцах, Ro.c — сопротивление обратной связи в омах, С ——емкость в фарадах, включенная параллельно Rog

Однако такой тип фильтра не особенно эффективен, поэтому если требуется большая крутизна характеристики среза, то надо поискать другую схему. Хотя существует несколько хороших фильтров, я собираюсь рассмотреть только один тип. Если вам требуется более подробная информация, посмотрите какую- нибудь из книг по общей электротехнике.

D Частота в сети переменного тока в США принята равной 60 Гц.— Прим, перев.

Некоторые основные математические соотношения

Передаточная функция любой электронной схемы будет иметь вид

F(f) = G(9/H(f),(17.3)

где G(t) — выходное напряжение как функция времени, Евых； H(t)——входное напряжение как функция времени, Евх・

Рассматривая определения G(t) и H(t) в нашем контексте, мы можем переписать выражение (17.3) в форме

f传)=居^/居x.(17.4)

Эта передаточная функция так же, как и многие другие функции, описывающие сложные электронные схемы, в своей общей форме представляет несколько различных величин, поэтому при изучении свойств схемы нужно быть внимательным.

В передаточной функции, которую мы представим для активных фильтров в следующем разделе настоящей главы, так же как и во многих других выражениях, используемых в электронике, будет появляться величина, которая обозначается через s. Эта величина появляется при выполнении преобразования Лапласа от функций, зависящих от времени. Преобразование Лапласа ——это метод решения таких линейных дифференциальных уравнений, решение которых во временной области было бы затруднительным. Преобразование Лапласа отображает уравнение в частотную область.

Определение преобразования Лапласа таково:

(17.5)

Преобразования Лапласа некоторых р аспростр аненных функций аргумента / имеют вид:

尸(/)

F⑹

1

1/s

/

1/s3

tn

n\!s{n+^

elt

l/(s—a)

cos at

s/(s2-|-a2)

sin at

a/(s2-]-a2)

Загадочный параметр s определяется как

s = /со = /2л/,(17.6)

где j — мнимая единица (—1)1/2.

Через (17.6) можно выразить реактивные сопротивления. Индуктивное сопротивление, например, равно 2n/L, а емкостное l/2nfC. В соответствующих обозначениях в индуктивном случае будет присутствовать +/, а в емкостном —/. Из этого видно, что формулы для емкостного и индуктивного сопротивлений представляют собой просто преобразования Лапласа некоторых уравнений во временной области. Выражения для реактивностей в s-обозначениях представляют собой просто sL и 1/sC. Выражение для импеданса, имеющего чисто емкостный характер, представляет собой 1/sC и совпадает с выражением для реактивного емкостного сопротивления.

Улучшенные схемы активных фильтров

Теперь мы рассмотрим активный фильтр, который пользуется наибольшей популярностью по сравнению с другими известными типами фильтров. Это двухполюсный фильтр Баттерворта. Схема, которую мы рассмотрим, будет иметь коэффициент усиления, равный единице, за исключением полосового фильтра, для которого мы рассмотрим два случая: коэффициент усиления равен единице и больше единицы. Такое ограничение вытекает из того, какие схемы потребуются вам на практике. Для нас оно во многом упрощает дело. Схема Баттерворта выбрана потому, что она обеспечивает наиболее равномерную частотную характеристику в пределах полосы пропускания ценой, правда, некоторого уменьшения крутизны спада вне полосы пропускания.

На рис. 17.1 показана обобщенная схема Баттерворта, в которой используются операционный усилитель и некоторые им- педансы в цепи обратной связи. В качестве последних могут выступать резисторы и конденсаторы, но в разных модификациях они будут занимать различные положения.

Заметим, что в обозначениях рис. 17.1 мы использовали полные проводимости, а не классические обозначения импе- дансов. Благодаря этому наш анализ упрощается. Такое упрощение—почти стандартный прием, используемый в книгах по анализу цепей. По определению, полная проводимость У есть величина, обратная импедансу Z, или

y=I/Z. (17.7)

Обобщенная передаточная функция двухполюсного фильтра Баттерворта (для всех трех типов частотной характеристики) имеет вид:

Евнх — ■ о\

Если проводимость чисто резистивная, то Y=l/R, а если она чисто емкостная, то У =^sC. Теперь мы можем переписать об- 278

Рис 17.1. Общая форма двухполюсного фильтра Баттерворта.

щее уравнение в терминах R и С. Одна такая общая форма вытекает из выражения (17.8):

—со2 + /2V2cocoo + соо2，—со2 + /2V2cocoo + соо2，(17.9)(17.9)

—со2 + /2V2cocoo + соо2，

—со2 + /2V2cocoo + соо2，

(17.9)

(17.9)

где(оо — частота, на которой усиление схемы равно —3 дБ.

Фильт нижних частот

Пример двухполюсного фильтра нижних частот Баттерворта приведен на рис. 17.2. В этом случае полные проводимости таковы:

匕=1/凡，匕=5&,%=1/旦，У4=1/&，%=吗.

Передаточная функция принимает вид:

f(s)=(17.10)

или, если мы используем уравнение (17.8), f — —(1/R1R2cle2) /1 *7 1 1 \

厶—$2斗(S/3 (1/Rl + 1/& + l/RJ + (I/R2R3cle2)・1 • 1 1丿

Чтобы упростить это выражение, используется некоторое правило (для которого мы не приводим каких-либо причин или доводов в защиту). Некоторые проводимости мы примем рав-

279

ными или пропорциональными некоторым другим проводимостям, или

R1 = 2&, & = Ri，Ci = 4C2.

Сравнивая (17.10) и (17.11), мы видим, что они имеют одну и ту же форму. Заметим (используя наше правило), что

号+*)=盡号+*)=盡(17.12>(17.12>

号+*)=盡

号+*)=盡

(17.12>

(17.12>

и что этот результат равен величине 2%S6q в уравнении (17.10), так что

談- = 2М%%・(17.13)

Поэтому мы можем заключить, что

3° = 4/l,414R£,(17.14)

2л/0 = 4/1,414ВД,(17.15)

% = 0,45/凡&,(17.16)

где /о — частота среза в герцах; & — емкость в фарадах; R — сопротивление в омах.

Пример. Спроектируйте двухполюсный фильтр нижних частот Баттерворта с частотой среза 500 Гц. Используйте равенство (17 17) и принятые нами условия.

При проектировании мы часто сталкиваемся с необходимостью взять значения некоторых компонентов, что называется, 《с потолка», а затем вычислить остальные. В таком образе действий нет ничего таинственного, как это кажется на первый взгляд, он просто дает отправную точку. Если окажется, что

сделанный выбор не является разумным, мы можем начать расчеты сначала, сделав новые предположения. Поскольку получить нестандартные значения резисторов, как правило, легче, величины емкостей примем равными некоторым стандартным значениям. В данном случае положим t?i = 0,015 мкФ. Это предположение приводит к тому, что 。2=4・6,015, или 0,06 мкФ. Из равенства (17.16) имеем

500 = 0,45/R「1,5 • 10弋(17.17)

R = O,45/5・1O2j,5jo8,(17.18)

a=6.104 = 60 кОм.(17.19)

Итак,

& = 0,015 мкФ, С2 = 0,06 мкФ, 7?t = 60 кОм

и в соответствии с принятыми нами условиями

Т?2 = 30 кОм,欠з = 60 кОм.

Фильтр верхних частот

Для создания фильтра верхних частот в такой же форме нам нужно только поменять ролями сопротивления и емкости, имеющиеся в схеме фильтра нижних частот. Это показано на рис. 17.3. Заметим, что вместо резисторов здесь появились конденсаторы, а вместо конденсаторов — резисторы. Передаточная функция имеет вид

f(s)=「(17.20)

S2十2】/2gs十g2

Проведя анализ методом, использованным в случае фильтра нижних частот, получим

fo = O,225/7?2C2.(17.21)

По соглашению

兄=40, & = С2, С3 = 2&.

Пример. Спроектируйте двухполюсный фильтр верхних частот Баттерворта с частотой среза 500 Гц.

Положим G = 0,015 мкФ, тогда 。2 = 0,015 мкФ и Сз =

= 0,03 мкФ. Из (17.22) имеем

& = 0,225/5・ IO?. 1,5.10-8,(17.22)

Т?2-3.104 Ом,(17.23)

R2 = 30 000 Ом.(17.24)

По соглашению

№ = 7?2/4,(17.25)

0 = 7,5 кОм.(17.26)

281

Итак,

R^ = 7500 Ом, Т?2 = 30 000 Ом, & = 0,015 мкФ, С2 — 0,015 мкФ, С3 = 0,03 мкФ.

Полосовой фильтр

Полосовой фильтр можно создать путем последовательного соединения каскадов фильтра нижних частот и фильтра верхних частот при условии, что они имеют одинаковое усиление. Фактически многие инженеры именно так и поступают. При-

Рис. 17.4. Полосовой фильтр Баттерворта.

мер полосового фильтра с одним операционным усилителем показан на рис. 17.4.

Так называемая центральная частота ——это в действительности не центральная частота, а величина, определяемая выражением

fo(MoB)1/2，(17.27)

где fo ——центральная частота; f0H — нижняя частота по уровню —3 дБ; /ов — верхняя частота по уровню —3 дБ.

Передаточная функция полосового фильтра имеет вид

f (s) = 2 竺 2・(17.28)

/ ' 丿 s2 + (①°2Q) s +

Тогда основное уравнение можно записать в виде:

% = 0,159Q/R&,(17.29)

и по соглашению

R2 = RR3/(4Q2R-&)， & = 20, & = G・ (17.30)

Пример. Спроектируйте полосовой фильтр, имеющий верхнюю частоту по уровню —3 дБ, равную 525 Гц, а нижнюю частоту по уровню —3 дБ, равную 475 Гц. Положим。2 = 1 мкФ. (Эта величина была найдена после того, как несколько различных значений емкости были испробованы и отброшены, так как значения одного или нескольких резисторов при этом становились смехотворными; полезно знать номенклатуру деталей, имеющихся в наличии, а также перечень стандартных значений радиоэлементов.)

% =(525・475)1",

fo = 500 Гц^ (приблизительно).

(17.31)

(17.32)

Согласно (17.1),

Q = 2 00/(52 5 —475),

(17.33)

Q = 500/50,

(17.34)

Q=10.

(17.35)

Согласно (17.30),

r=0,159.10/(500.1.10书，

(17.36)

R = 3,18・102 Ом,

(17.37)

旦=3180 Ом.

(17.38)

По соглашению

7?3 — 6360 Ом,

(17.39)

Ct = 1 мкФ,

(17.40)

& = 3180・ 6360/(4・ 晔 3180—6360),

(17.41)

0=16 Ом.

(17.42)

283

(17.43)(17.44)(17.43)(17.44)Эти значения соответствуют усилению, равному единице. Если желательно иметь коэффициент усиления порядка 20, используйте следующие соотношения:

(17.43)

(17.44)

(17.43)

(17.44)

% = 0,159Q/(4 虑 £力 7?3 = 2Ad7?1.

Остальные соотношения для усилительного фильтра такие же, как для фильтра с единичным усилением. Имейте, однако, в виду, что высокие значения Q и коэффициента усиления не всегда полностью совместимы с требованиями простоты конструкции и легкости настройки. Если из-за этого возникнут затруднения (особенно в связи с самовозбуждением), уменьшите коэффициент усиления и компенсируйте это уменьшение в последующих каскадах. Таким образом, мы «разменяли» усиление. Это делается по той причине, что в задачах фильтрации добротность Q ——более критичный параметр.

|Глава 18

НЕКОТОРЫЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

Во многих книгах, написанных на рассматриваемую нами тему, в многословной манере говорится, что надо делать то-то и то-то, приводятся слишком упрощенные схемы и дается масса советов относительно того, как проектировать эти схемы. Но когда читатель действительно приступает к соединению этих схем и испытывает их сам, то оказывается, что они не оправдывают его надежд. Причина состоит в том, что большинство приводимых в книгах схем основывается на обманчивой надежде: использовании идеальных компонентов. В этой главе мы обсудим некоторые из наиболее общих схемотехнических проблем, особенно те, которые связаны с операционными усилителями. Такое исследование, вероятно, поможет вам понять назначение некоторых компонентов, кажущихся с первого взгляда ненужными.

Смещение по постоянному току

Напряжение смещения — это то напряжение, которое существует на выходе операционного усилителя или другой линейной ИС, когда входное напряжение равно нулю. Как вы, наверное, помните, выходное напряжение операционного усилителя должно быть равно нулю, когда дифференциальное входное напряжение равно нулю. Большинство проблем, связанных с напряжением смещения, объясняется наличием двух основных источников: входного тока смещения и входного напряжения смещения.

Входное напряжение смещения создает 《ложное» выходное напряжение, возникающее благодаря накоплению несбалансированных напряжений, потенциалов переходов и т. д. Оно может быть измерено путем подключения ко входу исследуемой схемы источника питания с напряжением около милливольта и контроля выходного напряжения. Входное напряжение, требуемое для того, чтобы свести выходное напряжение к нулю, равно входному напряжению смещения. Входное смещение можно также приближенно определить следующим образом (при условии, что вход заземлен): '

Евых.см = ^вх.см^о.с (18.1)

Рис 18 1 Токи в суммирующей точке реального операционного усилителя (а); включение компенсационного резистора (6).Рис 18 1 Токи в суммирующей точке реального операционного усилителя (а); включение компенсационного резистора (6).

Рис 18 1 Токи в суммирующей точке реального операционного усилителя (а); включение компенсационного резистора (6).

Рис 18 1 Токи в суммирующей точке реального операционного усилителя (а); включение компенсационного резистора (6).

Другой общий источник выходного напряжения смещения —— это входной ток смещения. Он возникает как результат необходимости смещения входных транзисторов. Поскольку мы имеем два входа, им будут соответствовать два тока смещения, /см1 и /См2. Эти токи протекают в одном направлении, но, поскольку входы имеют противоположный смысл, на выходе они будут взаимно компенсироваться. Среднее значение тока смещения равно

7cMi + / СМ27cMi + / СМ222(18.2)(18.2)

7cMi + / СМ2

7cMi + / СМ2

2

2

(18.2)

(18.2)

Если эти токи равны между собой, среднее значение будет в точности равно каждому току смещения. В этом случае /см = = /cmi=/cm2, так что выходное напряжение, генерируемое этими токами, будет полностью скомпенсировано.

Ток смещения вызывает появление другого типа напряжение смещения на выходе. Рассмотрим схему рис. 18.1, а. Это обычный инвертирующий повторитель. Полагая Е равным нулю, мы можем рассматривать схему так, как если бы входной вывод резистора Rbx был заземлен. При таких обстоятельствах выходное напряжение должно быть нулевым, но на самом деле это не так. Ток 1С^ протекает на землю через цепь, состоящую из двух параллельных резисторов; поэтому напряжение в точке А будет равно

.(18.3)

Квх 十 АО.С

Это напряжение рассматривается как входной сигнал и вырабатывает выходное напряжение

Евых =/смКос(18.4)

Простое средство для исправления положения состоит в том, чтобы приложить такое же напряжение той же полярности к

От 0.00I до 01 мпФ

Рис. 18 2. Использование дополнительного симметрично включенного опера。ционного усилителя для увеличения входного импеданса Z.

противоположному входу так, чтобы на выходе произошла компенсация. Это делается путем подключения резистора (Rk на рис. 18.1, б) между другим входом и землей.

Имеется также несколько других альтернатив, особенно полезных тогда, когда важен входной импеданс. Мы можем, например, использовать входные усилители высшего класса со сверхвысоким коэффициентом усиления на полевых транзисторах с р——n-переходом, или биполярных МОП, или биполярных полевых устройствах. Это могут быть усилители САЗ 130, САЗ 140, СА3160 или LM156. С другой стороны, мы могли бы использовать дополнительный операционный усилитель с током, являющимся зеркальным отображением тока основного усилителя (рис. 18.2). Такой ОУ был использован для обеспечения усиления в неинверсирующей схеме. Такая конфигурация обычно имеет высокий импеданс, но с добавлением второго ОУ он становится еще выше. Оба операционных усилителя могут быть заключены в один корпус. Примерами являются схемы 1458 (пара ОУ) и 324 (четверка ОУ).

Входной импеданс любой схемы определяется выражением вида Z = Eb』L В обычном неинвертирующем повторителе I —

это /см, но в данном случае это будет разность /СМ1—/см2, которая близка к нулю. Конечно, благодаря этому значение Z делается очень высоким.

В прошлые годы мы брали согласованную пару полевых транзисторов с р——n-переходом или устройство, состоящее из двух таких транзисторов, и включали их во входную цепь ■обычного операционного усилителя. Благодаря этому входной импеданс значительно повышался, но в настоящее время такой метод построения схемы имеет плохую репутацию, так как он почти всегда ухудшает подавление синфазной составляющей. В связи с этим использование биполярных устройств на МОП- транзисторах и полевых транзисторах делается весьма привлекательным, и, поскольку их стоимость составляет 1—2 долл , она оправдывается эффективностью. Технические характеристики таких схем лучше, чем у гибридного варианта.

В одной и той же схеме рассматриваемого типа может быть устранено нежелательное выходное напряжение смещения и создано желаемое напряжение смещения. На рис. 18.3 показаны несколько вариантов схем, реализующих эту идею. Во всех случаях мы используем изменение уровня постоянного напряжения, вызывающего ток, который влияет на смещение.

На рис. 18.3, а показана полная схема, включающая операционный усилитель. На остальных рисунках усилитель не показан ради экономии места.

Чаще всего используется простейшая схема, изображенная на рис. 18.3, а. Она состоит из одного потенциометра и постоянного резистора. Так как противоположные выводы потенциометра подключены к Усс и Vee, то напряжение, появляющееся на движке потенциометра, будет положительным, отрицательным или нулевым в зависимости от его положения. Это позволяет нам создать ток требуемой полярности, так чтобы скомпенсировать любое смещение или создать любое желаемое смещение.

Даже если 欠立 представляет собой подстроечный потенциометр, а Т?2 имеет высокое значение сопротивления, разрешающая способность схемы ограниченна. На рис. 18.3, б—г показаны некоторые средства, позволяющие с различной степенью успеха повысить разрешающую способность.

На рис. 18.3, б мы используем прием, который состоит в том, что последовательно с каждым выводом R】 включаются дополнительные резисторы. Вообще говоря, 匕—это потенциометр, сопротивление которого примерно равно 10% сопротивлений R3 и Rm Благодаря этому процентное изменение сопротивления за один оборот потенциометра делается гораздо меньше, чем это было на рис. 18.3, а.

Подобное же устройство показано на рис. 18.3,6. В этом варианте напряжение на двух противоположных концах потенциометра поддерживается постоянным с помощью двух опор- 288

Рис. 18.3. Обычная установка нуля смещения (а), с хорошим разрешением (6)「 с еще лучшим разрешением (в), с очень хорошим разрешением (а), установка нуля с помощью отдельного операционного усилителя (0).

ных диодов, Д1 и 区2・ Соответствующие напряжения не должны превышать Vcd2f в противном случае должна быть использована другая схема.

Комбинация двух схем, показанная на рис. 18.3,2, обеспечивает грубую и точную регулировку смещения. Она используется тогда, когда смещения могут быть большими (в связи с

Диапазон управленияположением, при

Рис. 18.4. Рабочий диапазон усилителя с индикатором.

Условия: вертикальный размер индикатора 10 см, чувствительность по вертикали 0,2 В/см, изображению максимального размера соответствует: 0,2Х5«1,0 В.

этим предусмотрен потенциометр R) и в то же время они должны устанавливаться с помощью потенциометра Ri настолько близко к нулю, насколько это возможно.

На рис. 18.3, д показано использование буферного усилителя между цепями смещения и управляемым ими операционным усилителем. Эта схема довольно популярна, хотя я и не вижу в ней особых преимуществ перед другими типами схем.

Несколько раз я упомянул о том, что эти схемы не только подавляют нежелаемое смещение, но также создают желаемое смещение. Но зачем же может понадобиться смещение?

Одной из причин может быть необходимость управления положением изображения на осциллографе или ленточном самописце. При этом надо иметь в виду два момента.

Первое ——это то, что в системе может оказаться слишком много органов управления положением. Если это так, то пользователь (оператор) системы может потерять сигнал и не знать, как восстановить его. Некоторые конструкторы делают только один орган регулировки положения, управляемый с помощью отвертки, и только один орган управления, имеющий р”ку・

Другая проблема состоит в том, что вы должны установить полный диапазон регулировки положения таким, чтобы сигнал мог быть установлен вблизи края крана осциллографа или самописца без клиппирования (без отсечения какой-либо его ча- 290

Рис. 18.5. Диодная защита от обратного включе-ния источника питания.

сти). Такая ситуация показана на рис. 18.4. Таким образом, мы должны потребовать, чтобы система управления положением обеспечивала диапазон ±3 В без клиппирования."°」

Другая область использования выходного см еще-u ния связана с некоторыми применениями в биологии и химии, где датчик или входные электроды форми-. руют свое собственное смещение. Например, когда Л металлические электроды подключены к биологиче- ~ ской ткани, они образуют крохотную батарею и соз- . дают потенциал, составляющий значимые доли вольта. В связи с этим физиологические усилители часто 工 предусматривают регулировку смещения в пределах ©『 土 1 В, которая позволяет пользователю свести к нулю эффекты внешнего потенциала смещения.

Большинство устройств на ИС не выдерживают изменения полярности питающих напряжений. Разрушение наступает неизбежно, так же, как ночь наступает после дня. На рис. 18.5 показан метод, с помощью которого можно предотвратить возникновение такой проблемы. Включите одноамперный выпрямительный диод типа 1№4000—1№4007 последовательно в каждый проводник к источнику питания. Если случайно будет включено напряжение неправильной полярности, эти диоды предотвратят повреждение. На практике эти диоды очень полезны во время экспериментальных работ и макетирования схем. По всей вероятности, голова у вас будет занята мыслями об электронных проблемах схемы, так что вы легко можете включить источник питания в обратной полярности. Принцип Кара гласит: «После 30 минут работы все зажимы «крокодил» становятся похожими друг на другая.

Такие же проблемы возникают в оборудовании, питаемом от батарей, где имеется возможность обратной их установки. Избегайте таких батарей, которые имеют двунаправленные держатели. Используйте такие батареи, которые благодаря своей конструкции оставляют мало шансов на неправильную установку. Кроме того, если на входе ИС используются конденсаторы большой емкости (порядка нескольких микрофарад), используйте схему защиты рис. 18.5. Бели при выключении литания напряжения Vcc и Vee убывают с разными скоростями, то заряд на таких конденсаторах может изменить смещение диодов подложки ИС на противоположное, в результате чего устройство оказывается «непостижимым образом》сожженным. Фак-

тически рассмотренный способ защиты стоит применить тогда, когда ИС, подключенная к конденсатору, время от времени оказывается сожженной без какой-либо видимой причины.

Самовозбуждение

Устройства на ИС с высокочастотной характеристикой могут самовозбуждаться при определенных обстоятельствах:

Синфазная (360°) обратная связь по сигналу.

Коэффициент усиления цепи обратной связи больше единицы.

Эти критерии могут выполняться потому, что фазовые сдвиги в схеме могут складываться и в сумме доходить до 360° (из которых 180° могут быть обусловлены схемой ИС) на частоте Ft, меньшей произведения усиления на полосу пропускания (Ff — частота, на которой усиление равно единице). Для некоторых устройств, таких, как компараторы, простейшее, но, к сожалению, не всегда полностью успешное решение состоит в подключении конденсатора емкостью от 100 до 1000 пФ между выходом и землей. Старайтесь сделать этот конденсатор как можно меньшей емкости, так как многие устройства не выдерживают больших емкостных нагрузок.

Правила подавления самовозбуждения в любом конкретном устройстве на ИС могут зависеть от основных, свойств устройства. Подробности вы можете отыскать в литературе, выпускаемой фирмой-изготовителем.

В операционных усилителях эти подробности являются достаточно общими и заслуживают поэтому отдельного обсуждения. На рис. 18.6 показаны два общих метода уменьшения усиления в диапазоне частот, где возможно самовозбуждение.

На рис. 18.6, а мы используем выводы частотной компенсации, имеющиеся во многих операционных усилителях на ИС. Между этими выводами включается конденсатор малой емкости, значение которой лежит в пределах от 10 до 1000 пФ, причем наиболее распространенными являются значения от 50 до 100 пФ.

Другой простой метод показан на рис. 18.6, б. Здесь мы подключаем конденсатор малой емкости (от 10 до 1000 пФ) параллельно резистору обратной связи. По существу мы получаем при этом фильтр верхних частот, поэтому глубина обратной связи для высоких частот будет больше, чем для низких. Коэффициент усиления каскада будет зависеть от импеданса параллельно соединенных & и /?0.с：

4 =餐产• (18.5)

Итак, учитывая обычные свойства емкостной реактивности, из выражения (18.5) можно видеть, как усиление линейно уменьшается с увеличением частоты.

Рис. 18.6. Компенсационный конденсатор (а); конденсатор, шунтирующий резистор обратной связи (6).

Существует ряд других методов модификации частотной характеристики операционного усилителя. Подробности вы можете найти в любой из хороших книг по операционным усилителям.

Температурный дрейф

Параметры почти всех типов электронных компонентов изменяются при изменении температуры. Дрейф в операционном усилителе может быть от 1 до 10 мкВ/°С. На первый взгляд эта величина может показаться небольшой, но если требуется высокое усиление или высокая точность, она становится гораздо более значимой.

Трудность проблемы дрейфа усугубляется также и из-за внешних компонентов. Однако в этой части проблема может быть в значительной степени решена при использовании резисторов с малым температурным коэффициентом.

Дрейф операционного усилителя может быть минимизирован при использовании устройств высшего качества или переключательных схем. Некоторые операционные усилители имеют внутренний варакторный диод или переключатели на полевых транзисторах с р—п-переходом.

Другой метод, который, по-видимому, хорошо работает почти всегда, за исключением особо критичных приложений, состоит в использовании высококачественного микромощного операционного усилителя (заключенного в металлический корпус!) с входной схемой на биполярных полевых или биполярных МОП-устройствах и выполнении следующих условий:

Работа устройства при минимально возможных напряжениях питания (например, ±5 В).

Применение теплопоглотителя, такого, который обычно используется для транзисторных корпусов типа ТО-5.

Использование минимального усиления (т. е. 10) в каждом из первых двух каскадов.

Такие меры должны быть предприняты в отношении первых двух или трех каскадов. Дрейф также может быть уменьшен, если плата схемы термически изолирована. Это условие приближенно можно выполнить, если поместить схему в экранированный металлический кожух, а затем заключить кожух в пластиковую или бакелитовую коробку. В некоторых приборах, таких, как измерители давления Н, О2 или СО2, такие меры обязательно предпринимаются в отношении нескольких первых каскадов с общим усилением 100 или даже 1000. Входной сигнал может быть введен или через коаксиальные кабели, или с помощью установки коробки на входной разъем.

Глава 19

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Для работы большинства электронных схем требуется постоянный ток. Функцией источника питания является преобразование переменного тока, получаемого от сети, в постоянное напряжение или в постоянный ток точно такого уровня, который требуется для питания схемы.

Любой хороший источник питания должен отвечать некоторым определенным требованиям. Выходное напряжение должно иметь в точности требуемое значение, а величина тока должна быть достаточной для тех устройств, на которые будет подаваться напряжение от этого источника. Напряжение не должно меняться при изменении нагрузки (величины потребляемого тока). Далее, на выходе источника постоянного напряжения или тока не должно быть шума или пульсаций (остатков колебаний переменного тока). Кроме того, импеданс выхода по переменному току на самой низкой частоте, с которой будет работать схема, должен быть малым. Конечно, мы знаем, что на практике не все источники питания в точности отвечают этим требованиям, особенно в экономичных конструкциях. Однако всегда нужно пытаться улучшить их качество.

Основы источников питания

Независимо от конечного вида, который принимает каждый конкретный источник питания, в них можно выделить некоторые общие части. Например, в большинстве схем источников питания имеются блоки, выполняющие следующие функции: 1) преобразование уровней напряжения и тока; 2) выпрямление; 3) фильтрация; 4) стабилизация.

Преобразование уровней напряжения и тока выполняется с помощью трансформатора. Для большинства применений, где используются полупроводниковые электронные схемы, мы хотим понизить напряжение и, возможно, повысить ток. Это объясняется тем, что большинство таких схем работает при уровнях напряжения, меньших 115 В, характерных для сети переменного тока.

Для питания электронных схем требуются различные уровни напряжения. Многие транзисторные схемы работают от источ-

ников питания положительной полярности с напряжением в диапазоне от 24 до 28 В. С другой стороны, для большинства операционных усилителей предпочтительнее использовать источники двойной полярности, у которых VCc положительно по отношению к земле, a Vee — отрицательно. Наиболее часто встречающиеся значения этих напряжений — от ±12 до 士 15 В. Однако в некоторых схемах требуются напряжения, не попадающие в указанный диапазон. Тем не менее таких схем немного. Если вы предполагаете использовать цифровую ТТЛ-логику и не прочь затратить на это некоторые усилия, то приобретите стабилизированный источник +5 В постоянного тока. Требуемые уровни тока будут, конечно, зависить от того, что вы собираетесь делать, но, вообще говоря, для питания от ±12 до ±15 В будет достаточно значения 500 мА или больше, а для 5 В — не менее 1 А. Одаако питание 5 В ——это тот случай, про который можно сказать: 《Qcm больше, тем лучше». Лично я при питании 5 В предпочитаю иметь не менее 1,5 А, но считаю, что лучше всего работать при токах от 3 до 5 А.

(19.1а)(19.16)(19.1а)(19.16)Трансформатор — это пассивное устройство, которое не может вырабатывать энергию. Мощность, отбираемая от вторичной обмотки, никогда не может превысить мощности, отбираемой первичной обмоткой от сети. Фактически она всегда будет немного меньше, поскольку не бывает устройств со 100%-ным к.п.д. Тем не менее вы, наверное, удивитесь, узнав, что трансформатор—это одна из машин, обладающих наиболее высоким к.п.д. Такое свойство должно восхитить любого в наш век энергетических проблем. Поскольку к.п.д. составляет 95% и более, мы удовлетворимся использованием соотношения

(19.1а)

(19.16)

(19.1а)

(19.16)

^перв^перв = Евтор'втор，

Е^ерв/Евтор = ^втор/^перв'

Конечно, пуристы оспаривали бы использование знака равенства в выражении (19.1), но мы не будем играть словами ради ошибки в несколько процентов. Рассматривая выражение (19.16), можно заметить свойство взаимности: если вторичное напряжение уменьшается, то потребление тока, которое возможно для каждой данной мощности (£></), растет. Вот какие умные трансформаторы!

Выпрямление — это преобразование переменного тока в постоянный или в нечто похожее на постоянный ток. Следовательно, выпрямитель — это устройство, выполняющее выпрямление. Этот ловкий трюк делается путем пропускания тока только в одном направлении. Но так как переменный ток в разных полупериодах протекает в двух противоположных направлениях, то выпрямитель преобразует переменный ток в псевдопостоянный, пульсирующий.

Для сглаживания пульсаций, остающихся после выпрямле-

ния, используются схемы фильтрации. Они преобразуют пульсирующее напряжение с выхода выпрямителя в почти гладкое постоянное напряжение, годное к использованию в большинстве электронных схем, не безупречное, но зачастую вполне приемлемое.

Схемы стабилизации используются во многих, но не во всех, источниках питания для обеспечения устойчивости выходного напряжения постоянного тока в условиях изменяющейся нагрузки. В большинстве нестабилизированных источников выходное напряжение может несколько изменяться при изменениях нагрузки и колебаниях напряжения в сети переменного тока. Электронный стабилизатор напряжения предотвращает эти изменения. Вы узнаете и о других полезных применениях стабилизаторов. В последнее время, когда появились недорогие и удобные в работе стабилизаторы на ИС, они стали применяться особенно широко. В связи с этим я настоятельно рекомендую ими пользоваться.

Типы выпрямителей

В электронном оборудовании обычно используются несколько различных типов выпрямительных устройств. Почти все виды выпрямителей представляют собой электронные устройства, называемые диодами. В старом оборудовании вы можете встретить или выпрямители на электровакуумных лампах, или устарелые полупроводниковые селеновые выпрямители. Последние состоят из набора тонких металлических пластин, покрытых селеном. Площадь пластин приближенно определяет величину допустимого тока, а общее число пластин ограничивает уровень напряжения. Пластины соединены последовательно.

Современные выпрямители делаются из кремния, другого полупроводникового материала. Этот химический элемент позволяет создавать конструкции выпрямительных устройств, которые по своим габаритам гораздо меньше предыдущих типов. Размеры типичных кремниевых диодов могут быть всего лишь 3X6 мм, а допустимый ток при этом может быть больше 1 А. Некоторые диоды настолько малы, что соединительные проводники кажутся рядом с ними огромными.

Схемы выпрямителей

На рис. 19.1 показано несколько различных выпрямительных схем. В любом случае энергия поступает к диодам от трансформатора. Это делается по двум главным причинам: для изменения величин напряжения и тока до необходимых уровней и для изоляции от сети переменного тока. Требования безопасности делают обязательным использование трансформатора, даже

Рис. 19.1. Однополупериодный выпрямитель (〃)； двухполупериодный выпрямитель (6); двухполупериодный мостовой выпрямитель (в); условное обозначение двухполупериодного мостового выпрямителя (г).

если вам требуется напряжение 115 В (коэффициент трансформации 1:1). Некоторые электронные изделия широкого потребления являются бестрансформаторными, но для использования в заземленном окружении эта конструкция крайне опасна. Вот почему изготовители телевизоров и других электроприборов часто помещают на свои изделия бирку с надписью «Не открывать». НИКОГДА не делайте бестрансформаторные источники питания и не применяйте их, в противном случае возможен смертельный исход.

Схема на рис. 19.1, а ——это однополупериодный выпрямитель, Он получил свое название благодаря тому, что в нем используется только одна половина входного колебания переменного тока. К сожалению, при этом возникает несколько проблем, которые ограничивают полезность однополупериодного выпрямителя. Его единственное достоинство ——сомнительная экономия, связанная с использованием одного-единственного диода в процессе выпрямления, сомнительная потому, что диоды, право, дешевы.

Для того чтобы понять принцип действия этой схемы источника питания, нужно вспомнить, что диод Д1 может пропускать ток только в одном направлении — тогда, когда его анод положителен по отношению к катоду. Если же диод имеет обратное смещение, то ток не протекает.

В результате выпрямления напряжение и ток на выходной нагрузке Rh будут представлять собой только положительные полуволны периодов переменного тока. Недостающие полуволны, показанные пунктирными линиями, блокированы диодом 口工 и потому не проходят на нагрузочный резистор. Частота повторений импульсов пульсаций в точности совпадает с частотой сети переменного тока.

Другой тип выпрямителя, который мы рассмотрим,——это обычный двухполупериодный выпрямитель, показанный на рис. 19.1,6. Работа схемы такого типа основана на использовании центрального отвода вторичной обмотки силового трансформатора. Диоды Д1 и Д2 включены таким образом, что в каждой половине периода переменного напряжения один из них будет смещен в прямом направлении. Центральный отвод используется как общая точка источника питания и часто заземляется. При этом один конец вторичной обмотки делается положительным, а другой отрицательным по отношению к центральному отводу в любой момент периода переменного напряжения.

В результате этого используются обе полуволны переменного напряжения. При этом вырабатывается пульсирующее колебание, в котором отсутствовавшие ранее полуволны инвертируются и появляются между нормальными положительными полуволнами. В этом нет ничего волшебного; все дело в переключениях, осуществляемых с помощью диодов.

Частота пульсаций в точности равна удвоенной частоте входных колебаний переменного тока. Из-за одного только этого факта двухполупериодный источник более полезен, чем одно- полупериодный. Очевидно, что отфильтровать пульсации выхода такого источника можно гораздо легче и экономичнее, чем от однополупериодного.

Последний тип схемы — это мостовой двухполупериодный выпрямитель, показанный на рис. 19.1,8. Хотя схема с первого взгляда кажется неэкономичной, для источников питания аппаратуры обычно предпочитают именно такой тип схемы: сохраняются преимущества двухполупериодной работы и в то время выходное напряжение вдвое больше, чем в обычной двухполу- периодной схеме. Вспомним, что в предшествующей двухполу- периодной схеме использовался трансформатор с центральным отводом. Тогда для каждого силового трансформатора мостовая схема вырабатывает удвоенное выходное напряжение и вдвое меньший выходной ток по сравнению с обычной двухполу- периодной схемой, в которой используется трансформатор с центральным отводом.

В этом типе схемы используется четырехплечевой мост, сделанный из выпрямительных диодов. В каждую половину периода проводящими будут только два диода, а оставшиеся будут смещены в обратном направлении. В другой половине периода роли меняются, и диоды, пропускавшие ток, запираются, а те, которые были заперты, начинают пропускать ток.

Рассмотрим ситуацию, когда точка X положительна по отношению к точке К В этом случае диоды Д4 и Д2 смещены в прямом направлении и поэтому будут пропускать ток. Диоды Д〔 и Дз, с другой стороны, смещены в обратном направлении и поэтому не будут пропускать ток.

В эту половину периода ток протекает от точки X через диод Д4, через нагрузочное сопротивление, диод Д2 к точке У. В другую половину периода получается противоположная ситуация. Диоды Д2 и Д4 заперты, а Д1 и Дз пропускают ток. В этом случае точка X отрицательна по отношению к точке У. Ток будет протекать от точки У через диод Дз, нагрузочное сопротивление, диод Дь обратно к точке У. Важно отметить, что направление тока через нагрузочное сопротивление одно и то же в обеих половинах периода. Это порождает двухполупериод- ные пульсации.

Большинство фирм — изготовителей полупроводниковых устройств выпускают четырехдиодные мостовые выпрямительные наборы в виде герметизированных блоков, залитых черной эпоксидной смолой или каким-либо подобным материалом. Типичное условное изображение такого выпрямительного набора показано на рис, 19,1, г. Точки, к которым подсоединяются провода трансформатора, маркируются или буквами /С, или символом переменного тока, как показано на рисунке.

Фильтрация

Типичная схема электронного фильтра показана на рис. 19.2, а. Она называется RC-фильтром, так как ее главными составными частями являются резистор и два конденсатора. Хотя мы показали этот фильтр подключенным к выходу обычного двухполупериодного выпрямителя, можно считать, что такая же схема подойдет для однополупериодного и мостового выпрямителей.

Выходное колебание, связанное с этой схемой, также показано на рис. 19.2. На рис. 19.2, б показан сложный сигнал, состоящий из различных компонент, а на рис. 19.2,8 выходное колебание показано в том виде, в каком оно появляется на экране осциллографа.

Конденсаторы Сх и С2 заряжаются в течение интервалов времени, соответствующих пучностям пульсирующих колебаний. Когда же импульс исчезает, они начинают разряжаться. Тем самым они поддерживают ток в цепи и заполняют проме-

CiCi88Рис. 19 2. Схема /?С-фильтра (а); напряжения на входе и выходе фильтра (б); выходное напряжение (в).Рис. 19 2. Схема /?С-фильтра (а); напряжения на входе и выходе фильтра (б); выходное напряжение (в).

Ci

Ci

8

8

Рис. 19 2. Схема /?С-фильтра (а); напряжения на входе и выходе фильтра (б); выходное напряжение (в).

Рис. 19 2. Схема /?С-фильтра (а); напряжения на входе и выходе фильтра (б); выходное напряжение (в).

жутки между горбами. Пунктирные линии на рис. 19.2, б представляют пульсирующее напряжение, которое было бы в двух- полупериодном неотфильтрованном источнике питания. Сплошная линия представляет разряд конденсатора. Вскоре после включения устанавливается равновесие, при котором конденсатор не успевает полностью разрядиться до того момента, когда следующий импульс снова начинает заряжать его. В результате получается квазипилообразное напряжение (рис. 18.2,8).

Мы можем рассматривать комбинацию R и С2, хотя это несколько искажает истину, как фильтр нижних частот, предназначенный для ослабления компоненты 120 Гц в выходном колебании. Реактивное сопротивление емкости С2 на частоте 120 Гц1) обычно устанавливается равным одной десятой части сопротивления R】； тем самым подкрепляется наше утверждение, что это фильтр нижних частот.

Существует несколько вариантов схемы рис. 192 a. Например, в некоторых случаях сопротивление Ri заменяется индуктивностью. Это обычный метод, встречающийся в старых конструкциях с высокими напряжениями и большими мощностями. С другой стороны, в приложениях с низкими напряжениями и большими токами мы вообще не можем использовать R、и С^ В этом случае используется только один конденсатор Сь и он имеет гораздо большую емкость, от 1 до 10 мкФ.

Некоторые цифры

До сих пор, имея дело с источниками питания, мы пользовались словесными описаниями, а теперь настала пора дать количественные характеристики, необходимые для создания рабо-

п 120 Гц — это удвоенная частота сети переменного тока в США.— Прим, перев.

тоспособных источников. Мы обсудим такие термины, как процент пульсаций, пиковое обратное напряжение и процент стабилизации, а также соответствующие методы расчета.

В однополупериодной схеме пульсирующая компонента в два раза больше, чем в двухполупериодной, поэтому отфильтровать ее в двухполупериодной схеме гораздо легче. При полностью симметричном синусоидальном колебании на входе пульсирующая компонента в двухполупериодной схеме составляет около 48%.

Другое важное различие между двух- и однополупериодны- ми схемами состоит в том, что последняя вырабатывает меньшее количество энергии. В этом отношении двухполупериодная схема оказывается более экономичной при длительной работе. Для каждой данной величины мощности, требуемой в выходной цепи, мы должны иметь на 40% большую величину реактивной мощности в первичной обмотке трансформатора. Следовательно, трансформатор для однополупериодной схемы должен иметь реактивную мощность в 1,4 раза большую, чем для двухполупериодной схемы при той же номинальной мощности.

В любой схеме выпрямителя величина выходного напряжения (напряжения на конденсаторе) не равна среднеквадратическому значению переменного напряжения, как можно было бы ожидать, а равна пиковому значению. Странно, что в каталогах трансформаторов и в паспортных данных приводятся среднеквадратические значения. Выходное напряжение, измеренное на первом конденсаторе фильтра, в 1,41 раза больше среднеквадратического значения, вырабатываемого вторичной обмоткой трансформатора.

Разница в выходных напряжениях очевидна, однако, в случае отсутствия фильтра. Обычный вольтметр постоянного тока, подключенный к нагрузке, будет показывать среднее значение, а не пиковое. Показания будут равны 0,45 среднеквадратического для однополупериодной схемы и 0,9 ореднеквадратиче- ского для двухполупериодной.

Диодные выпрямители характеризуются величиной так называемого пикового обратного напряжения. Оно определяется как максимальное обратное напряжение, которое диод может выдержать без пробоя. Эта характеристика обычно приводится в технических условиях на диоды. Вы можете, например, встретить диод, для которого определены значения 1000 В при 1 А. Это означает, что пиковое обратное напряжение равно 1000 В, а ток в прямом направлении равен 1 А. Максимально допустимое среднеквадратическое напряжение, которое может использоваться для смещения диода в прямом направлении, несколько меньше, чем пиковое значение.

Однако при выборе подходящего диода должно учитываться именно пиковое обратное напряжение. В источниках питания с фильтрами конденсатор будет заряжаться до уровня 302

1,41 Ucp.kb・ Прибавим это напряжение к пиковому напряжению трансформатора (которое также равно 1,41 Ucp.kb), и мы получим напряжение 2,82 Оср・кв, которое прикладывается к диоду по крайнем мере один раз в каждом полупериоде. Используя такие приближенные расчеты, выбирайте диод, который имеет пиковое обратное напряжение, по крайней мере в 2,82 раза превышающее среднеквадратическое значение приложенного напряжения. Для дополнительной гарантии безопасности используйте множитель 3 (3 t/ср кв). Между прочим, с этим связана наиболее частая ошибка при эксплуатации или конструировании источников питания. В большинстве случаев полагают, что любой диод с пиковым обратным напряжением, превышающим 1,41 Ucp kb, будет отвечать требованиям, но это не так.

Стабилизация напряжения

В большинстве источников питания выходное напряжение в некоторой степени изменяется при изменении нагрузки. Вообще говоря, увеличение потребления тока вызывает уменьшение выходного напряжения. Механизм этого явления показан на рис. 19.3. Любой источник питания имеет некоторое внутреннее сопротивление, хотя оно может быть очень малым. Реальные источники питания, с которыми мы встречаемся в лаборатории, а не на классной доске, могут быть представлены в виде идеальной батареи и последовательного сопротивления. На рисунке они обозначены через Е и R. Значение R таково：

& = Е〃， (19.2)

где Е ——напряжение между точками Л и В при разомкнутой внешней цепи; I — ток, протекающий при коротком замыкании точек Л и В.

Выходное напряжение зависит от сопротивления нагрузки Rh и изменяется в зависимости от величины тока. Действительное значение выходного напряжения (Евнх) равно

Евмх = Е&/(&十 &). (19.3)

Стабилизатор напряжения — это схема, которая поддерживает выходное напряжение постоянным, несмотря на изменение

Рис. 19.3. Напряжение на выходе делителя, образованного внутренним сопротивлением источника питания и сопротивлением нагрузки.

сопротивления нагрузки или входного напряжения. Хотя в литературе представлено большое число разнообразных стабилизаторных схем, на самом деле существует всегда несколько основных типов.

Вероятно, простейшим стабилизатором напряжения является опорный (зенеровский) диод, или стабилитрон. Это специальный тип кремниевого диода, который пробивается при некотором определенном обратном напряжении. Если ток пробоя поддерживается в безопасных пределах, то диод осуществляет стабилизацию на уровне напряжения пробоя V3. Пример простого стабилизатора напряжения на зенеровском диоде показан на рис. 19.4.

Резистор на рис. 19.4 используется для ограничения тока через зенеровский диод Д1 до значений, меньших тех, при которых наступает разрушение. Если входное напряжение £BX превышает минимальный порог, определяемый как (£д+^з), то выходное напряжение будет равно V3. В области значений, превышающих порог, входное напряжение Евх может существенно изменяться, а изменения выходного напряжения будут при этом малыми.

Касаясь недостатков, мы должны признать, что с зенеровскими диодами связано несколько серьезных проблем. Например, действительное значение V3 может несколько изменяться с изменением температуры. Кроме того, мы обнаруживаем, что в обычных, наугад взятых зенеровских диодах напряжение V3 недостаточно хорошо откалибровано. Однако если высокая точность не нужна, зенеровские потенциалы обычно имеют приемлемый разброс.

Другой недостаток, более серьезный для большинства проектов, —это относительно малый динамический диапазон регулирования. Из-за этого зенеровская стабилизация недостаточно эффективна. С этим связаны и ограничения на величину тока, накладываемые последовательным резистором. Обе проблемы можно устранить путем использования зенеровского диода в качестве эталона напряжения (что в действительности и явля-

Рис. 19.5. Зенеровский диод, управляющий последовательным пропускающим транзистором.

ется его назначением) для управления последовательным пропускающим транзистором. Такая схема показана на рис. 19.5.

Последовательный пропускающий транзистор Qi используется как переменный электронный резистор. С помощью опорного диода Д1 на его базе поддерживается постоянное напряжение. Напряжение на эмиттере зависит от потребления тока и от напряжения между базой и эмиттером Убэ- Оно будет иметь следующее значение:

小=%—%3 • (19.4)

Если ток на выходе возрастает, то выходное напряжение уменьшается. Тогда для выполнения равенства (19.4) V63 должно возрастать. При этом транзистор Qi открывается и значительно уменьшает свое сопротивление. В результате Езых возрастает до своего равновесного значения. Хотя эта схема также подвержена в некоторой степени температурному дрейфу, она значительно лучше для тех случаев, где ожидается большой динамический диапазон тока нагрузки или большой потребляемый ток.

Современный вариант идеи последовательного регулятора реализован в стабилизаторе напряжения на трехвыводной ИС. Благодаря тому что эти устройства имеют только три вывода, и поэтому их очень легко применять на практике, они почти вытеснили другие типы стабилизаторов в диапазоне токов от 100 мА до ЗА. Для большинства конструкций, в которых требуются умеренные уровни токов, применение стабилизаторов на трехвыводной ИС представляет, по-видимому, наиболее разумный подход.

На рис. 19.6, а показана схема включения типичного стабилизатора напряжения на трехвыводной ИС. Напряжение Евх —— это неотфильтрованный выход выпрямителя источника питания,

Рис. 19.6. Стабилизатор на трехвыводной ИС в корпусах различных типол

а Евнх — стабилизированное выходное напряжение. Строго говоря, без конденсаторов G и С2 можно обойтись, но они способствуют улучшению характеристик. Конденсатор & используется для обеспечения стабильности системы, а конденсатор。2一 для улучшения передаточной характеристики. Он необходим из-за того, что неожиданное увеличение нагрузки не может быть отслежено стабилизатором. В этом случае ток в схеме поддерживает конденсатор С2.

На рис. 19.6,6—а показана цоколевка некоторых стандартных стабилизаторов на ИС. Как правило, интегральные схемы в корпусе, показанном на рис. 19.6,6, предназначены для токов до 100 мА. Норма тока для других двух типов обычно составляет 1 А, хотя выпускаются и стабилизаторы в корпусе ТО-3, рассчитанные на 3 А, и, как сообщается, существует стабилизатора вырабатывающий ток 10 А.

При использовании схемы рис. 19.6, а трехвыводный стабилизатор обеспечивает весьма приличную стабилизацию. Значение выходного напряжения устанавливается фирмой-изготови* телем и может быть определено по номеру схемы.

Популярный стабилизатор на 5 В ——это серия LM309. Схема LM309 рассчитана на 100 мА, она выпускается в корпусе ТО-5₽ Схема LM309K — это устройство на 1 А, выпускаемое в корпусе ТО-3. Кстати, большинство таких схем может работать при токе до 1,5 А, если поместить их на большой ребристый радиатор.

Устройства серии LM340 и LM320 выпускаются в одноамперных корпусах обоих типов, показанных на рис. 19.6,8 и г. Они

выпускаются на уровни напряжения 5, 6, 12, 15, 18 или 22 В. Номинал можно определить по суффиксу, написанному через дефис после номера схемы. Например, LM340-12 — это стабилизатор на 12 В.

LM340 — это устройство с положительным по отношению к земле напряжением, a LM320 воспринимает отрицательное по отношению к земле напряжение.

На практике часто используется эквивалент серии LM340/LM320 — схемы серии 7800/7900 фирмы Motorola. Схемы 7800 ——это стабилизаторы положительного напряжения, а схемы 7900 — отрицательного. Последние две цифры в номере схемы говорят о номинальном выходном напряжении, например:

Номер схемы Напряжение, В

78055

781212

781515

781818

(подобные же условные обозначения применяются и в серин 7900).

Если любой из этих стабилизаторов установлен на радиаторе, то он работает лучше и надежней. Для этих целей можно купить промышленный или некондиционный ребристый радиатор или прикрепить болтами корпус типа ТО-3/ТО-200 к алюминиевому шасси.

В схеме, подобной той, которая показана на рис. 19.6, а, выходное напряжение и его номинальное значение будут весьма близки друг к другу. Значения, далекие от номинальных, можно получить в схеме, подобной той, что показана на рис. 19.7, ценой некоторого ухудшения качества стабилизации. Выходное напряжение в схеме рис. 19.7 определяется выражением

%收=昂(1 + 旦/a)+ /旦， (19.5)

где Ео ——номинальное выходное напряжение в трехвыводном режиме (по схеме рис. 19.6, а).

Учтите, однако, что при этом для большинства выводных устройств стабилизация ухудшается, причем степень ухудшения примерно пропорциональна изменению уровня выхода.

Одно из возможных применений схемы рис. 19.7 — это настройка значения выходного напряжения точно на заданный уровень. Большая редкость, если трехконтактное устройство вырабатывает точно номинальное напряжение. Я проверил ряд стабилизаторов на 5 В и обнаружил, что они дают напряжения в диапазоне от 4,92 до 5,12 В и ни один не дал точного значения 5 В. Схему рис. 19.7 рекомендуется использовать тогда, когда требуется высокая точность при больших и малых нагрузках.

Последовательныйстабилизатортипа 7800Последовательныйстабилизатортипа 7800

Последовательныйстабилизатортипа 7800

Последовательныйстабилизатортипа 7800

Рис. 19.7. Изменение выходного напряжения.

^ВЫХ=^*^ + ^2^1 1+^«*

где Vi — номинальное выходное напряжение стабилизатора типа 7 800.

Если стабильность важнее точности, используйте схему рис. 19.6, а.

Другое применение схемы рис. 19.7 — это использование трехвыводного стабилизатора вместо зенеровского диода в рассмотренном ранее стабилизаторе с последовательным транзистором. Напряжение база ——эмиттер кремниевых элементов^ таких, как HEPS7000 или 2N3055 (хороши при токах до нескольких ампер), составляет от 0,6 до 0,7 В. Я обнаружил, что резистор с сопротивлением от 60 до 80 Ом увеличивает выходное напряжение схемы LM340-5 примерно на такую же величину. Если такое сочетание использовать для поддержания ста* бильного напряжения на базе последовательного транзистора, то получается довольно стабильное выходное напряжение 5 В.

Стабилизаторы тока

Существует два основных типа стабилизаторов тока. Один из них допускает произвольное изменение тока до пороговой величины, выше которой прирост потребляемого тока невозможен. Это ограничители тока, полезные в качестве схем защиты. Другой тип стабилизаторов тока поддерживает ток постоянным независимо от больших изменений в сопротивлении нагрузки. Они называются источниками постоянного тока (ИПТ).

Ограничители тока обычно основаны на использовании операционного усилителя или усилителя на транзисторе, воспринимающего напряжение на резисторе, включенном последовательно в цепь выхода. Резистор должен иметь очень малое сопротивление (несколько миллиом при больших токах), в противном' случае из-за увеличения последовательного сопротивления стабилизация напряжения будет сильно ухудшаться. Если напря~ 308

жение на последовательном резисторе превышает порог, установленный конструктором, то включается усилитель тока.

Ограничители тока применяются в основном для схем защиты. Если вы используете такой ограничитель в источнике питания, то короткие замыкания на выходе не выведут источник из- строя. Это становится особенно важным тогда, когда возможно^- неправильное обращение с источником питания или он используется для питания электронных схем, находящихся в стадии： разработки (что по существу одно и то же). Еще одно применение——это использование ограничителя тока для защиты электронного оборудования от повреждений. В ряде настольных источников питания, используемых разработчиками и специалистами по эксплуатации, имеется регулируемый ограничитель тока. При этом используется следующий неплохой метод. Уровень” ограничения тока устанавливается таким образом, чтобы обеспечить схеме достаточный рабочий ток, но не допустить увеличения потребляемого тока до таких значений, при которых схема будет повреждена. Такая защита особенно желательна тогда, когда в состав оборудования входят дорогие интегральные- схемы.

Существует несколько подходов к созданию источников постоянного тока. При последовательном соединении источника постоянного напряжения и резистора с сопротивлением, на два порядка превышающим любое возможное изменение сопротивления нагрузки, можно получить псевдо-ИПТ. Ток будет равен

/ ипт = Е/(&—Кипт)・ (19.6卜

Для примера предположим, что сопротивление нагрузки изменяется от 1 до 10 кОм (изменение 10:1). Сопротивление ИПТ равно 1 МОм. Полное изменение тока связано с полным изменением сопротивления, которое меньше 1 %:

1 010 0001001 0001 010 0001001 000= 1,009:1.= 1,009:1.(19.7)(19.7)

1 010 000

1001 000

1 010 000

1001 000

= 1,009:1.

= 1,009:1.

(19.7)

(19.7)

Трудности, связанные с таким подходом, состоят в том, что при большом токе требуется очень высокое входное напряжение, причем «большой ток》в данном случае до смешного мал. Например, если требуется ток 1 мкА, a R по-прежнему равно 1 000 000 Ом, то напряжение составляет всего 1 В. А что, если потребуется ток 1 мА?

Е = IR (закон Ома),(19.8)*

Е = 0,00Ь1 000 000,(19.9>

£ = 1000В.(19.10>

Использовать такое напряжение в низковольтных схемах, может быть, несколько затруднительно. Кроме того, это, может быть, очень опасно! К счастью, существуют более безопасные и

Рис 19 8. Схемы источников постоянного тока полевой транзистор с р——л-перехо- 上。м(а); с резистором (6); диодИПТ (з).Рис 19 8. Схемы источников постоянного тока полевой транзистор с р——л-перехо- 上。м(а); с резистором (6); диодИПТ (з).

Рис 19 8. Схемы источников постоянного тока полевой транзистор с р——л-перехо- 上。м(а); с резистором (6); диод

ИПТ (з).

Рис 19 8. Схемы источников постоянного тока полевой транзистор с р——л-перехо- 上。м(а); с резистором (6); диод

ИПТ (з).

легкие способы создания источников постоянного тока, превосходящие певдо- ИПТ по качеству работы.

В качестве источников постоянного тока можно использовать полевые транзисторы с /г-переходом, если установить величину тока вблизи насыщения. На рис. 19.8, а и 6 показаны два обычных способа создания ИПТ на полевом транзисторе с р—п-пере- ходом.

На рис. 19.8, 〃 мы видим простейший ИПТ на транзисторе. Он вырабатывает выходной ток, примерно равный /dss (/dss ——это обычный параметр полевого транзистора с р——/г-пе- реходом).

Фирма Siliconix и другие фирмы производят диоды ИПТ, условное обозначение которых показано на рис. 19,8,8, их номиналы лежат в пределах от нескольких микроампер до нескольких миллиампер.

В некоторых приложениях использование ИПТ таких типов, жак показанные на рис. 19.8, оказывается разумным, так как они

позволяют добиться максимально возможной простоты конструкции. Как уже упоминалось, один из основных принципов проектирования электронной аппаратуры гласит: «Чем проще» тем лучше».

Несмотря на то что эта мысль весьма привлекательна, реализовать ее на практике удается не всегда, так как в некоторых случаях элегантная простота уступает приоритет требованиям точности. В этом случае требуется и большая сложность. К несчастью, простота и точность не всегда совместимы.

Возможны несколько подходов к созданию более сложных ИПТ. Одна из схем — простой биполярный ИПТ, показанный- на рис. 19.9.

Эта схема отличается от других тем, что она используется скорее для потребления тока, чем для того, чтобы быть источником тока, как другие схемы ИПТ. Показанные на рисунке транзисторы—это дискретные устройства, однако если вместо них использовать двойной транзистор на одном кристалле, то качество стабилизации можно повысить. Хорошим примером таких устройств служит серия МАТ-01 фирмы Precision Monolithics, рассмотренная в главе, посвященной датчикам.

Транзистор Qi потребляет ток и управляется транзистором1 Q2. Постоянный ток — это ток /1, его значение примерно равно. 0,61/Ri. Ток А ——эталонный, он устанавливается примерно равным /1/10.

Для больших токов мы можем использовать трехвыводный стабилизатор напряжения (рис. 19.10). Эта схема дает выходной ток, примерно равный

/ =统垃J弋， (19.11>

где Евых — номинальное выходное напряжение, установленное для данного стабилизатора, используемого в качестве устройства U[. Поскольку такие устройства стабильны, но, как правило, не точны, может возникнуть необходимость подстраивать значение R до тех пор, пока не будет вырабатываться ток требуемой величины. Для этого целесообразно использовать подстроечный потенциометр.

Схема рис. 19.10 хорошо работает в диапазоне токов от 5 до、 50% номинального значения тока. Вне этих пределов стабильность несколько ухудшается. Кроме того, необходимо иметь в виду, что при работе полупроводниковых устройств в диапазоне от 50 до 100% максимальной мощности может заметно ухудшиться надежность, если не предусмотреть достаточного теплоотвода. Например, трехвыводные стабилизаторы в корпусе ТО-220 могут работать при токе 1 А только при хорошем теплоотводе. Если же такой корпус работает при естественной вентиляции или он установлен на печатной плате без радиатора, то ток должен быть уменьшен до 750 мА.

/ Последовательный &@*

—стабилизатор

типа 7800

ллRffene碉Rffene碉

л

л

Rffene碉

Rffene碉

Рис. 19.10. Использование трехвыводного стабилизатора напряжения в каче-стве источника тока.

Точные эталоны напряжения

Точный эталон напряжения ——это схема, которая предназначена не для того, чтобы производить большие количества электрической энергии, а для того, чтобы вырабатывать точные значения напряжения. Усилители, подключаемые к эталону, могут выдать любую необходимую мощность. Эталоны можно использовать в качестве внешнего стандарта для калибровки приборов 'Или в качестве составной части прибора. Грубым эталоном является прецизионный зенеровский диод. Эти устройства оптимизированы для получения высоких характеристик. Оптимизация обычно заключается в отборе устройств с определенными свойствами из партии обычных диодов. Эти диоды по крайней мере в большинстве случаев имеют все же обычные недостатки, присущие зенеровским диодам. Из-за этого они используются только тогда, когда требуется не слишком высокая точность.

Главная проблема — это, по-видимому, температурный дрейф зенеровского напряжения. На рис. 19.11 показан способ решения этой проблемы, придуманный мною экспромтом. Несколько зенеровских диодов, предпочтительно одного и того же сорта, объединены в два набора, в пределах которых они соединены последовательно. Важно, чтобы суммы зенеровских напряжений в наборах были одинаковыми, в противном случае возникнут осложнения. Если точка D считается общей, то дифференциальное выходное напряжение между точками Д и В будет равно （匕б+匕7—匕з）.

Выходное напряжение между точками 4 и В можно подать на дифференциальные входы операционного усилителя с малым дрейфом. При правильном выборе усиления и достаточно хорошем операционном усилителе (схема 741 здесь не подходит) будет вырабатываться довольно стабильное эталонное напряжение КТвых, где К — усиление операционного усилителя.

Такая схема хорошо работает только в том случае, если все зенеровские диоды находятся в одной и той же тепловой среде. Для этого можно прикрепить все зенеровские диоды к одному и тому же теплопоглотителю. С другой стороны, их можно заключить в хороший теплопроводящий состав, такой, как силиконо

Рнс. 19.11. Источник эталонного напряжения на нескольких зенеровских диодах. 匕1+匕2+ УзЗ=Уз4+%5+Узб+Уз7，Рнс. 19.11. Источник эталонного напряжения на нескольких зенеровских диодах. 匕1+匕2+ УзЗ=Уз4+%5+Узб+Уз7，вая смазка, но это может привести к загрязнению деталей и платы. В настоящее время выпускаются ИС, позволяющие решить задачу более элегантным методом; например, выпускается ИС, в которой зенеровские диоды встроены в схему усилителя класса А. Одно из свойств усилителя класса А состоит в том, что при коротком замыкании на входе количество рассеиваемого в нем тепла почти постоянно. Благодаря этому устанавливается постоянная температура среды, окружающей зенеровский диод. Устройство имеет четыре вывода, два из которых соответствуют зенеровскому диоду, а другие два предназначены для питания усилителя, который на схеме обозначается как нагревательный элемент.

Рнс. 19.11. Источник эталонного напряжения на нескольких зенеровских диодах. 匕1+匕2+ УзЗ=Уз4+%5+Узб+Уз7，

Рнс. 19.11. Источник эталонного напряжения на нескольких зенеровских диодах. 匕1+匕2+ УзЗ=Уз4+%5+Узб+Уз7，

Фирма Precision Monolithics выпускает семейство эталонов напряжения на ИС (состоящее из двух устройств): REF-01 и REF-02. Выходные напряжения этих устройств составляют 10 и 5 В соответственно. ИС REF-01 показана на рис. 19.12. Подразумевается, что эти же схемы относятся и к устройству REF-02. Эти ИС имеют восьмивыводной металлический корпус типа ТО-99 и выпускаются для двух диапазонов температур, установленных для схем коммерческого и военного применения.

Основная схема эталона напряжения показана на рис. 19.12,6. Эта схема выглядит элегантно простой, и во многом она похожа на ранее рассмотренные трехвыводные устрой-

Рис, 19.12. Точный эталон напряжения REF-01/REF-05 (а); основная схема (6); использование ИС REF-01 в качестве источника тока (в) ； использование ИС REF-01 в качестве «плавающего» источника тока (г), /Выхв(1°да+1 мА.

ства. Потенциометр R обеспечивает регулировку выходного напряжения в диапазоне приблизительно ±300 мВ. Таким образом, диапазон нормальной работы составляет от 9,7 до 10,3 В. Для многих приложений этот диапазон может оказаться слишком большим, но в таких случаях разрешающую способность по настройке выходного напряжения можно улучшить, если выполнить резистор R в виде комбинации подстроечных потенциометров или в виде одного подстроечного потенциометра с с несколькими прецизионными постоянными резисторами. Использование прецизионных резисторов в схеме с потенциометром может показаться крайне глупым, но если принять во внимание тот факт, что прецизионные резисторы стабильны при изменении температуры, то такое решение оказывается оправданным.

Благодаря тому что схема REF-01 потребляет всего несколько миллиампер, на ее основе нетрудно создать устройство калибровки напряжения с батарейным питанием. Для схемы REF-01 требуется питание по крайней мере 12 В, а для схемы REF-02 требуется 7,5 В.

На рис. 19.12,в и а показаны схемы источников постоянного тока. В обоих случаях выходной ток равен

/вых = (10 000/^) + 1 мА.(19.12)

Дополнительные замечания

Устройство защиты на КУВ. Все схемы стабилизации напряжения имеют некоторое падение напряжения между нестабили- зированным входом и стабилизированным выходом. Для неко-

торых схем, таких, как стабилизатор на трехвыводной ИС, это напряжение может быть значительным. Например, популярный стабилизатор М309 на 5 В будет нормально работать при входном напряжении от 7 до 35 В, хотя при входных напряжениях, превышающих 10 В (в крайнем случае 12 В), рекомендуется применять радиатор.

В случаях когда возникает короткое замыкание во внутреннем последовательном проводящем элементе стабилизатора или в проводниках внутреннего эталона, выходное напряжение возрастает до уровня, почти равного уровню входного напряжения, что может привести к повреждениям в питаемых схемах. В стабилизаторах с последовательным пропускающим транзистором, база которого управляется зенеровским диодом, очень часто случается потеря управления, когда зенеровский диод открывает транзистор. При этом напряжение на базе возрастает почти до величины напряжения на коллекторе, а транзистор полностью открывается. Конструктур должен предусмотреть меры, предотвращающие возникновение слишком высоких напряжений, иначе катастрофа неизбежна.

В некоторых стабилизаторах на ИС предусмотрен вывод для отключения выхода в случае возникновения слишком высокого напряжения. Но если выйдет из строя сам стабилизатор? В результате возникает нелепая ситуация, когда отказ компоненты стоимостью в два доллара выводит из строя подключенные к источнику питания схемы, стоящие тысячи долларов. Такая ситуация совершенно неприемлема, поскольку имеются очень простые средства решения этой «проблемы^.

При этом используются два типа схем: на опорном зенеровском диоде и на кремниевом управляемом вентиле (КУВ). Схема с зенеровским диодом полезна только в применениях с малыми токами, где большое время отклика не опасно. В ней параллельно выходной шине включается шунтирующий зенеров-

Рис. 19.13. Схема защиты на КУВ.

ский диод с напряжением, несколько превышающим номинальное напряжение на шине. При возрастании напряжения диод сводит его к зенеровскому потенциалу либо вызывает перегорание последовательно включенного предохранителя.

Лучший и более популярный метод, иллюстрированный рис. 19.13, заключается в использовании КУ В. Он не столь изящен, но зато в большинстве случаев эффективен. Он вызван необходимостью и не претендует на привлекательность для тех» кто радуется изображениям сложных схем. Создается впечатление стрельбы из пушки по воробьям, но зато мы надежно защищаем нашу схему.

КУВ ——это мощный выпрямительный диод, который остается выключенным до тех пор, пока через управляющий электрод не потечет ток. В этом случае он открывается и остается открытым до тех пор, пока ток, протекающий в прямом направлении, не снижается до некоторого критического порогового значения.

На рис. 19.13 КУВ нормально выключен, но если создать достаточный ток /ь он может быть включен. При этом через КУВ протекает большой ток, достаточный для того, чтобы перегорел предохранитель 尸卜 Этот метод груб и совсем не изящен, но он приемлем для защиты дорогостоящего оборудования.

Если ток /1 остается меньшим минимального уровня, необходимого для включения КУВ, никаких изменений в схеме не происходит и ток /2 равен нулю. При этих условиях на выходе будет нормальное напряжение и защищаемая схема работает в нормальном режиме.

Резисторы R—& выбираются таким образом, чтобы ток 厶 был меньше минимального порога срабатывания КУВ, если только напряжение на выходе не становится чрезмерно высоким. Если это случится, ток /1 превысит минимальное значение, открывая тем самым диод Дь через диод станет проходить большой ток, и в результате перегорит предохранитель 尸卜

В некоторых схемах резистор 先 заменяется зенеровским диодом. Соответствующее ему значение Кз выбирается таким образом, что диод пробивается при максимально допустимом выходном напряженки. В некоторых схемах используются только зенеровский диод и резистор Аз・

Индикатор перегоревшего предохранителя. Поиск неисправности в системе можно значительно облегчить, если встроить в схему специальные индикаторы. Можно, например, включить в каждую шину источник питания по светодиоду, так чтобы с первого взгляда было видно, имеется ли напряжение на шине. Если светодиод погашен, питание отсутствует.

Другой тип индикатора — это индикатор перегоревшего предохранителя, показанный на рис. 19.13. В нормальном режиме предохранитель F{ замыкает цепь &/以2 накоротко, так что светодиод не зажжен. Если же Fj перегорит, напряжение на

элементах /?4/Д2 будет достаточным для включения Д2. Ток через Дг составляет всего несколько миллиампер, так что никаких повреждений в защищаемой схеме не будет. В схемах переменного тока на 115 В замените Д2 на маленькую неоновую лампу (NE-2, NE-51 и т. д.), а сопротивление R« установите равным примерно 100 кОм. Индикатор перегоревшего предохранителя особенно полезен для панелей с несколькими предохранителями.

Бестрансформаторные источники питания: повторное предостережение. Некоторые конструкторы с целью «экономии» на стоимости силового трансформатора используют резистор для понижения напряжения сети переменного тока до уровня, требуемого схемами. В таких источниках провод нейтрали силовой сети подключен (как надеется конструктор) к шасси или к земле противовеса. Провод, находящийся под напряжением, подключен к выпрямителю.

ТАКУЮ ПРАКТИКУ НЕОБХОДИМО ИСКОРЕНИТЬ, КАК КРАИНЕ ОПАСНУЮ и ГЛУПУЮ! Нет НИКАКИХ обстоятельств, при которых ее можно было бы допустить. Забудьте воообще о бестрансформаторных источниках питания.

Покупные источники питания. Существует целый ряд компаний, которые специализируются на выпуске источников питания, входящих в состав разрабатываемого другими фирмами оборудования. Во многих случаях целесообразнее приобрести такой источник, нежели создавать свой, особенно в тех случаях, когда требования по току превышают величину 1 А, обеспечиваемую трехвыводными стабилизаторами. Затрачиваемые на готовые источники денежные средства часто компенсируются за счет стоимости сбереженных деталей и узлов.

Обычные покупные источники питания бывают трех основных типов: с закрытым корпусом, с открытым корпусом и герметизированные. Источники первого типа имеют собственный корпус и могут быть установлены в разрабатываемый вами узел за несколько минут. Однако они при любом данном номинале мапряжения/тока являются самыми дорогостоящими.

Класс источников с открытым корпусом в действительности включает две различные основные конструкции. Некоторые из них представляют собой только печатную плату с трансформатором, фильтрами и стабилизаторами. Большинство из них, однако, имеют номиналы токов всего лишь несколько сотен миллиампер или, возможно, 1 А. Другой тип источников с открытым корпусом—это источники, собранные на металлической полупустотелой раме, достаточно большой для того, чтобы выдержать вес силового трансформатора, необходимого при больших потребляемых токах нагрузки.

Герметизированные источники питания рассчитаны на небольшие токи (от 0,1 до 2 А). Вся схема заключается в черный

эпоксидный блок. Большинство из них не ремонтопригодны, так как компаунд, которым залит блок, не может быть удален. Большинство герметизированных источников имеют только четыре или пять выводов, выходящих из нижней части блока. Два вывода предназначены для подключения к сети переменного тока (115 В), а другие два — выходы постоянного тока, положительный и отрицательный. Для обеспечения настройки выходного напряжения на точное заданное значение может быть предусмотрен пятый контакт. Для малых приборов, в которых требования к мощности невысоки, но существенны требования малости габаритов, герметизированные источники являются наиболее подходящими. В большинстве случаев они могут быть смонтированы прямо на печатной плате.

Батареи. В некоторых случаях важна простота конструкции, а что может быть проще батареи? Все, что при этом требуется,—это держатель и несколько кусков провода, а держатель может быть и самодельным.

Применение батарей в качестве источников питания незаслуженно считается грубым, неизящным методом, а ведь иногда такой метод бывает наилучшим. В некоторых комплектах экспериментальной аппаратуры электронные схемы потребляют всего несколько миллиампер, и батарея, рассчитанная на большие токи, будет сохранять работоспособность в течение года и более. Затем она выйдет из строя, но не из-за утечки тока, а скорее из-за истечения срока хранения.

Когда важна изоляция схемы от влияния внешних факторов, зачастую нет лучшего решения, чем применение батареи. Например, не существует источников питания, на 100% свободных от пульсаций, а некоторые электронные схемы с очень высоким усилением реагируют на очень малые пульсации или магнитные поля. В этой области батарейное питание является не только делом удобства, оно просто необходимо.

Для батарейного питания часто используются никель-кадмиевые батареи. Для восстановления заряда в нерабочем режиме используется устройство подзаряда, но при включении прибора в рабочем режиме источник питания переменного тока от устройства подзаряда отключается. Имейте в виду, что никелькадмиевые батареи должны быть заряжены до 140% их номинала при токе, равном одной десятой номинала, выраженного в ампер-часах. Можно было бы считать, что при таком токе время заряда будет равно 10 ч, но на самом деле для заряда требуется 14 ч.

Кроме того, при заряде не допускайте превышения уровня тока, определяемого величиной одной десятой части номинала» выраженного в ампер-часах. В противном случае возможны повреждения. Никель-кадмиевые батареи могут взрываться при слишком быстром заряде.

Глава 20

ПРАКТИКА КОНСТРУИРОВАНИЯ

Конструирование электронной аппаратуры требует мастерства, а мастерство, как известно, ^приходит с опытом, поэтому работу мастера довольно просто отличить от работы новичка. В этой главе я хочу рассказать о некоторых премудростях, познать которые мне пришлось на собственном горьком опыте за последние двадцать лет работы в этой области. Если вам приходилось собирать что-нибудь из готовых наборов деталей, то считайте, что вам повезло, по крайней мере азы вами пройдены. Хорошая книга или руководство по сборке из готовых наборов помогают шаг за шагом проходить и легкие, и трудные места. И другое дело, когда вы сами должны разработать проект устройства и затем изготовить его. Здесь уж приходится рассчитывать только на самого себя.

Пайка

Прежде всего вы должны научиться паять. Не смейтесь! Большинство новичков не умеет паять. Кажется, что пайка —— очень простое дело, поэтому к ней относятся недостаточно внимательно, а потом оказывается, что уже поздно чем-либо помочь. Пожалуйста, отнеситесь со вниманием к следующему разделу, где мы рассмотрим инструменты для пайки, и, если у вас нет десятилетнего опыта работы с паяльником или документа об окончании школы электромонтажников, не будьте самонадеянны и не думайте, что вы все знаете о пайке.

Существует несколько методик обучения пайке. В основе любой из них лежит ПРАКТИКА. Многие преподаватели технических институтов предпочитают следующий метод. Студенту дают 300 мм голого провода диаметром 2——3 мм (или изолированного провода, с которого снята изоляция) и этот провод разрезают на двенадцать одинаковых кусков длиной 25 мм. Как вы думаете, почему берут двенадцать кусков, а не тринадцать или девять? Дело в том, что ровно двенадцать ребер имеет куб. Из двенадцати кусков провода нужно сделать куб, закрепив точки соединения посредством пайки. И вот в чем подвох: допускается использовать только плоскогубцы с длинными губками, паяльник и припой. Никаких державок, тисков или других приспособ-

лений! Это должно научить вас держать конструкцию неподвижной во время ее охлаждения. После того как куб будет готов, дайте ему остыть (если вы работали (старательно, это займет минут пятнадцать), а затем положите его на ладонь и сожмите руку в кулак. Если хотя бы одно из соединений нарушилось, возьмите двенадцать других кусков провода и проделайте все еще раз и так до тех пор, пока не будут получены достаточно прочные соединения.

Можно выбрать другой путь. Достаньте горсть проводков, используемых для выводов. Обмотайте провод вокруг вывода и соедините его путем пайки. Повторяйте это упражнение до тех пор, пока у вас не будут получаться аккуратные, блестящие, прочные соединения.

Обычная пайка, которую приходится выполнять в большинстве случаев, требует соблюдения нескольких правил:

Используйте только высококачественный припой; никогда не применяйте припой, бывший в употреблении. Новый припой содержит флюс из канифоли, который (предотвращает окисление поверхностей и разрушение соединений. В низкокачественных (несортовых) припоях содержание флюса зачастую недостаточно. Я предпочитаю припои, представляющие собой оловянисто- свинцовые смеси в соотношении 60/40 или 50/501. НИКОГДА НЕ ИСПОЛЬЗУЙТЕ ПРИПОИ С КИСЛОТНОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ или припой для паяльных мастерских. Если сомневаетесь в качестве имеющегося у вас припоя, не употребляйте его, лучше воспользоваться новым рулоном припоя, содержащего канифоль5 или припоем для радиоэлектронных схем.

Прогревайте место соединения до такой температуры, чтобы приложенный к нему припой мог расплавиться. Припой должен расплавиться благодаря теплу, отдаваемому местом соединения. Частая ошибка заключается в том, что припой расплавляют паяльником в надежде на то, что он стечет с паяльника и прилипнет к месту соединения. Это порочный метод, но им еще пользуются, несмотря иа все предостережения.

Место соединения следует тщательно зачистить. Для этого можно использовать ластик, наждачную бумагу, растворитель или любое другое средство, с помощью которого можно сделать место соединения блестящим и чистым. На худой конец подойдет и кончик отвертки!

Место соединения должно быть неподвижным до тех пор, пока расплавленный припой не затвердеет. Если место соединения не будет неподвижным, произойдет соединение холодным припоем (не может произойти, а произойдет!). Такое соединение будет тусклым, хрупким и пористым.

п Эти припои аналогичны припоям ПОС-40 и ПОС-50. — Прим тере&

Пе перегревайте место соединения Перегрев приводит к: испарению флюса и зачастую к повреждению компонентов

Припоя не должно быть слишком мало.

Припоя не должно быть слишком много.

Последние два предостережения относятся к ошибкам, которые чаще всего допускают новички. Используйте ровно столька припоя, сколько необходимо для того, чтобы покрыть место соединения, не перегружая его. Два соседних вывода, перегруженные припоем, могут замкнуться и повредить тем самым устройство, которое вы создали с таким трудом. Мне приходилось видеть печатные платы, вес которых удваивался из-за неправильной пайки. Неудивительно, что НАСА ограничивает вес припоя на печатной плате. Несколько миллиграммов излишнего припоя на каждом из более чем миллиона контактов на космическом корабле или спутнике приведут к тому, что он просто не сможет оторваться от земли!

Теперь, когда мы рассмотрели все премудрости пайки, приступим к более важным вопросам, например поговорим о том, каким инструментом работать.

Выбор инструмента

«Для всякой работы используйте соответствующий инструмент, используйте инструмент соответствующим образом》. Эти слова я услышал от опытного специалиста двадцать лет назад, но и по сей день они не утратили значения. Каждый инструмент имеет свое названиеt в соответствии с которым его и нужно использовать. Работа с электронными схемами предполагает использование совсем немногих предметов, которые можно отнести к категории «соответствующий инструмент》при соответствующих обстоятельствах.

Всегда необходим набор мелких инструментов для ручной работы. Почти каждый из тех, кто работает с электронными схемами, отдает предпочтение одним инструментам и имеет предубеждение против других, однако есть такие инструменты, которыми пользуются все, что объясняется характером выполняемых работ. Эти предметы имеются в любом наборе инструментов:

плоскогубцы с удлиненными губками, ювелирный размер;

плоскогубцы с удлиненными губками, размер от 100 до» 150 мм;

диагональные бокорезы, ювелирный размер;

диагональные бокорезы, размер от 100 до 150 мм;

отвертки с прямым лезвием шириной от 1,5 до 9,5 мм;

отвертки под крестообразный шлиц;

полный набор гаечных ключей;

серповидные гаечные ключи, миниатюрный и размером 150 мм;

газовый или разводной ключ;

инструмент для удаления закатанных крышек;

паяльник.

Что касается отверток и гаечных ключей, вы скоро поймете, что наряду с обычными целесообразно иметь инструменты с укороченными и удлиненными рукоятками. Можно приобрести набор инструментов, в котором содержатся лезвия, шила и т. п., подходящие к одной рукоятке. Лично я не люблю такие наборы и предпочитаю отдельные инструменты, но большинство моих коллег со мной не согласны, наборы им нравятся, так что окончательный выбор за ними.

Бокорезы ювелирного размера должны иметь прямые внешние кромки режущих частей, так чтобы ими можно было работать близко к поверхности печатной платы. Некоторые бокорезы имеют изогнутые режущие части, они используются при сборочных работах и так называемых шасси с ручным электромонтажом. Правда, в таких работах они не очень полезны.

В хороших бокорезах режущие части в сомкнутом состоянии соприкасаются только на концах. Даже среди инструментов невысокого качества можно выбрать хороший экземпляр, если перед покупкой проделать следующий эксперимент. Возьмите бокорезы, поднесите их к свету так, чтобы сторона с выемкой была обращена к вам и был виден просвет между режущими кромками. В хороших диагональных бокорезах вы увидите небольшой просвет у основания режущих кромок вблизи оси, а на концах просвета не будет. Не берите бокорезы, у которых кромки неровные, или не сходятся концы, или кромки соприкасаются не на концах, а в каком-либо другом месте.

В связи с этим нужно отметить еще один момент. (Кажется, я засыпал вас предостережениями, но они выработаны на опыте моих собственных ошибок в течение многих лет. Я предоставляю вам возможность учиться на моих ошибках, придерживаясь того взгляда, что учебная книга — это концентрированное выражение опыта.) Не покупайте дешевых инструментов, несмотря на искушение сэкономить деньги. Дешевый инструмент, как правило, быстро потребует замены, и потому покупать его невыгодно. Конечно, не обязательно покупать промышленные изделия высшего сорта, но желательно.

Запомните кусачки для проводов (например, бокорезы) и инструменты для зачистки проводов ——это разные типы инструментов, и они имеют разное назначение. Часто пытаются очищать провод от изоляции с помощью бокорезов — это плохая практика. Так делать не следует — можно легко оставить на проводе зазубрину, в результате чего через некоторое время (возможно, небольшое) произойдет обрыв. Кроме того, при ис-

пользовании бокорезов изоляция вытягивается и рвется, в ре> зультате конец провода имеет неряшливый вид, совсем не такой, какой вы хотели получить. Если среди стандартных изделий вы не можете найти то, что вам нужно (во что трудно поверить) ,то купите такие инструменты, которые аккуратны на вид, имеют чистые кромки и в которых вообще чувствуется хорошее качество. Я понимаю, что «чувствовать» — это ненаучный метод анализа, но он неплох, хотя и субъективен. После работы с хорошим инструментом вам вряд ли захочется работать с плохим. Хороший инструмент можно отличить по виду режущих кромок. Они должны быть похожи на лезвие хорошего ножа^ могут выглядеть воронеными (едва заметно) или закаленными.

Как мы уже упоминали, пайка и распайка, необходимые при создании электронных конструкций, требуют мастерства, но начинающие конструкторы уделяют им мало внимания. Многие считают эти операции тривиальными, легкими, но до тех пор, пока из-за неправильных методов работы не возникнут существенные и, возможно, неразрешимые проблемы.

Одна из частых ошибок ——неправильный или неудовлетворительный выбор паяльника. Даже для предположительно легких сборочных работ требуется по крайней мере два паяльника различного типа. Большинство печатных плат и ленточных выводов можно паять с помощью паяльника на 25 и 50 Вт с карандашным жалом. Для более крупных работ пользуйтесь паяльным устройством на 150 и 250 Вт.

Паяльники с карандашным жалом столь многочисленны, что это часто затрудняет выбор. Единственная рекомендация в атом отношении такова: выбирайте такой тип, который допускает применение большого числа сменных жал. В любом случае правильно выбранное жало облегчает работу. У вас должно быть несколько тонких конических и плоских жал и одно плоское широкое Они должны выдерживать температуру по крайней мере 371 ℃

Вместе с паяльным аппаратом неплохо приобрести также сопутствующий набор принадлежностей. В него входят и всякие мелочи, которые могут пригодиться в работе. Во всяком случае, иметь их приятно, даже если они и не очень нужны.

Распайка, хотя Ьзто и трудно поверить, может быть немногим проще пайки. Распаять контакт может почти каждый, но избежать при этом повреждения компонентов или проводника печатной платы очень нелегко. Кроме того, при неправильной распайке можно разбрызгать припой по всей печатной плате, и, конечно, по «принципу» Мэрфи и Финагля, наиболее опасные частицы не будут замечены при самом тщательном осмотре до тех пор, пока не приведут к серьезным нарушениям схемы

Существуют два основных класса хороших инструментов для распайки: приспособление всасывающего типа и капиллярного

типа. И те, и другие имеют своих приверженцев, но я думаю, что каждый из этих инструментов полезен в своей области применения. Есть несколько разновидностей приспособлений всасывающего типа, но в любом из них для того, чтобы снять расплавленный припой с обрабатывающего вывода или компоненты, используется разреженное пространство. В одном из недорогих приспособлений используется, например, резиновый сжимающийся шар, снабженный соответствующим наконечником. Принцип действия устройства состоит в том, что для снятия припоя сжимают шар, расплавляют паяное соединение, а затем, резко освободив резиновую грушу, всасывают припой внутрь приспособления. Такие устройства похожи на грубый шприц для промывания ушной полости, который можно купить в аптеке. Тем, кто занимается распайкой лишь эпизодически, следует выбрать именно такое приспособление, поскольку оно недорого. Однако мой собственный опыт говорит о том, что в электронной лаборатории, достаточно сильно загруженной работами, такое приспособление слишком быстро выходит из строя.

Другой паяльный инструмент всасывающего типа представляет собой длинный цилиндр с внутренним поршнем и наконечником на одном конце цилиндра. Из другого конца цилиндра выходит движущий стержень, прикрепленный к внешней по отношению к области разреженного пространства поверхности поршня. Для приготовления устройства к работе вы нажимаете на этот поршень до тех пор, нежа он не защелкнется. Для удаления припоя нужно расплавить его паяльником и, поддерживая необходимую температуру, подвести наконечник к месту пайки, я затем нажать кнопку или рычаг спуока. При этом поршень, находящийся под давлением пружины, освобождается. Он взлетает вверх, создавая разреженное пространство, всасывающее припой.

В устройствах такого типа, даже изготавливаемых одной и той же компанией, могут применяться два различных механизма В одном из них стержень не соединен с поршнем. Они соприкасаются друг с другом только тогда, когда вы взводите пружину. Все остальное время стержень остается в свободном состоянии и поэтому безопасен. В других устройствах после того, как инструмент подготовлен к работе, стержень находится в нижнем положении и быстро взлетает вверх при освобождении защелки. Устройство такого типа таит в себе некоторую опасность. Когда вы склонитесь над столом и будете поглощены работой, стержень может ударить вас в глаз или в лоб. Прежде нем приступить к работе с приспособлением всасывающего типа, проверьте, как работает стержень, и, если он представляет опасность, будьте осторожны.

Приспособление капиллярного типа представляет собой провод из медной оплетки, заполненный флюсом. Его подносят к распаиваемой точке, нагревают паяльником, и расплавленный

припой проникает внутрь оплетки благодаря капиллярному эффекту.

Приспособление капиллярного типа оставляет место соединения идеально чистым, но оно не очень подходит для обработки соединений больших ленточных выводов. Однако оно является очень хорошим средством для очистки печатной платы от припоя без повреждения компонентов или проводников на плате. Эти проводники просто наклеены на плату и при чрезмерном перегреве отделяются от нее. Конечно, в этом отношении высококачественные платы лучше, но и они будут повреждены, если попадут в руки профана.

Важно также правильно выбрать припой. Припой состоит из свинца и олова, благодаря чему он плавится при температуре, меньшей температур плавления обоих металлов. Некоторые припои высшего качества содержат 2% серебра, но их применение не всегда желательно, так как их температура плавления гораздо выше. Некоторые сплавы плавятся при низких температурах, около 135 °C, но большинство — при температурах от 150 до 230 ℃.

Запомните: НИКОГДА, ни для каких целей не используйте в электронике припой с кислотным флюсом или припой для паяльных мастерских!!! Он съедает все, с чем соприкасается, и деформирует остальное. Страшно представить, сколько разрушений может вызвать этот припой. Для монтажа электронных, радиотелевизионных и обычных электрических схем подходят оло- вянисто-свинцовые припои марки 50/50 или 60/40 с сердцевиной из канифоли). Для мелких работ с интегральными схемами на печатных платах используйте прутки припоя калибров №22,24 26 или 28 (диаметром 0,3——0,6 мм). Для более крупных работ требуются прутки калибров № 14, 16, 18 или 22 (диаметром 0,6— 1,6 мм) (все эти сечения соответствуют стандарту AWG — американскому сортаменту проволоки и проводов), а калибр № 22 (0,6 мм) подходит для обеих групп работ.

Если вы не пользуетесь услугами механической мастерской, вам потребуются инструменты для работы по металлу. При разработке и создании оригинальной электронной аппаратуры работы по металлу необходимы и по практическим, и по эстетическим соображениям. В конце концов, вы вложили в проект много сил, и чувство гордости за свое детище заставит вас использовать для пробивки отверстий не консервный нож, а более подходящий инструмент.

В вашем арсенале инструментов для работы по металлу обязательно должна быть ручная дрель, желательно также иметь пилу для отверстий. Дрель должна иметь патрон размером не более 6——9 мм. Патрон 12,5 мм слишком тяжел для тонких работ и может очень быстро искалечить вас. В магазине инстру-

【)См сноску на стр 320 ——Прим перев.

ментов продаются специальные хвостовики для дрелей, позволяющие сверлить отверстия до 12,5 мм дрелью с патроном 6 мм.

Отверстия больше 12,5 мм могут быть просверлены с помощью инструмента, называемого шилой для отверстий. При покупке таких инструментов убедитесь, что они предназначены для работы по металлу. Многие из них 'предназначаются только для дерева и смогут резать 'металл лишь один или два раза.

Отверстия, просверленные с помощью пилы, получаются зазубренными и могут быть даже опасны, если у вас нет достаточно (навыков работы с дрелью. Для подобных работ гораздо лучше подходит пробойник, если только имеется доступ к обеим сторонам обрабатываемого листа металла. Такой инструмент имеет неподвижную оправку, режущую Часть и болт, сжимающий эти две концентрические части.

Для использования пробойника просверлите в металле отверстие, достаточное для того, чтобы можно было вставить ведущий болт. Навинтите режущую часть и затягивайте ее до тех пор, пока не почувствуете ослабления сопротивления во второй раз (обе режущие точки должны дойти до противоположной поверхности), или шока инструмент не отпадет от обрабатываемой поверхности. Пробойник оставляет чистое отверстие, без заусенцев, и выглядит оно так, как будто его сделал профессионал.

Выпускаются также квадратные, треугольные пробойники и пробойники для отверстий в форме латинской буквы D, но все эти инструменты дороги. Для того чтобы вырезать отверстие такой формы, можно использовать напильники, после того как просверлено вспомогательное отверстие.

Напильники относятся к тем инструментам, для которых стоимость хорошего экземпляра и плохого настолько близка, что не может быть никакого оправдания для покупки дешевого инструмента, особенно если учесть, какие жалкие результаты получаются при его применении, даже в довольно умелых руках. Конечно, опытный механик скажет вам, что нет плохих инструментов, а есть плохие работники. Но вы только посмотрите на его напильники — все они высшего качества!

У вас должно быть несколько напильников различных типов и размеров. Для работы с печатными платами и малоразмерными компонентами хороши миниатюрные ювелирные надфили, но они непригодны для более крупных работ. Для обработки шасси из листового металла, шкафов и консолей используйте более крупные напильники. Если напильник слишком крупный, то он будет срезать слишком много металла, если же слишком мелкий ——вы очень устанете, пока обработаете поверхность. Поэтому 'правильный выбор размера напильника имеет не последнее значение. У вас должно быть несколько плоских Драчевых напильников, несколько круглых и пара треугольных, по два различных размера для каждого типа.

Другой полезный металлорежущий инструмент — кусачки. По виду они напоминают один из тех предметов спортивного инвентаря, который используется спортсменами для тренировки кистей рук. Каждый раз, когда вы сжимаете рукоятку, откусывается маленький кусочек металла. С помощью кусачек можно вырезать отверстие почти любой формы, только размер отверстия должен быть не менее 9,5 мм. Для таких работ нужны, правда, тренированные руки.

Для того чтобы просверлить отверстие, необходимо прежде с помощью керна наметить его центр, чтобы направить кончик сверла. Тем самым предотвращается отклонение сверла от нужной точки.

Старайтесь избегать применения дешевых кернов, которые нужно ударять молотком по тыльной части. Удар молотка, как бы мягок и осторожен он ни был, будет приводить к изгибу и искривлению поверхности. Этих неприятностей можно избежать при использовании автоматического керна. Вы просто помещаете его в нужную точку и немного нажимаете на тыльную часть. Спусковой ударный механизм выбьет углубление (хитро, не правда ли?). Такие приспособления продаются во многих крупных магазинах инструментов.

Проектная документация

Совершенно недопустимо выполнить проект, как бы прост он ни был, и не оставить документации, которая отражала бы назначение и принцип работы устройства. Кроме того, при создании любого устройства необходимо документировать процесс разработки. Другими словами, заведите лабораторный журнал! Почти в каждом магазине школьных принадлежностей, в больших писчебумажных магазинах и магазинах технических товаров продаются или лабораторные журналы, или журналы для инженерных расчетов. Они имеют около 100 пронумерованных разграфленных страниц. В большинстве случаев лабораторный журнал будет служить вам несколько лет.

После того как проект закончен, купите миллиметровую чертежную бумагу и начертите окончательную схему в более строгой фор)ме, если не хотите, чтобы вас поминали недобрым словом.

Шасси для макетирования

Разработка электронных схем—это, строго говоря, не наука, несмотря на то что мы толкуем о понятных лишь посвященным математических формулах и пытаемся убедить самих себя в том, что мы эрудированы и умны. Проблемы возникают тогда, когда схема уже изготовлена и мы обнаруживаем, что она работает неправильно. Почему? Если оставить в покое «принцип》

Рис. 20 1. Лабораторная макетная панель типа ЕТ-3300 (с разрешения фирмы Heath Company).

Мэрфи, то наиболее правильным объяснением будет то, что большинство наших формул является приближенными и предполагается использование идеальных электронных компонентов. На практике, однако, мы должны работать с весьма несовершенными компонентами и с приближенными значениями.

Что же делать? Прежде чем выбрать какой-либо конкретный вариант конструкции, нужно создать макет схемы. В настоящее время изготовить макет значительно проще, чем это было в сравнительно недавнем прошлом. Для этого используются панели для макетирования без пайки, выпускаемые некоторыми компаниями. На рис. 20.1 показана одна из таких панелей, которую я купил потому, что она оказалась самой дешевой по сравнению с другими и включала все разновидности необходимых мне источников питания. Конечно, она представляет собой набор узлов, но собрать их не составляет труда, и я, например, собрал все устройства за одно утро.

Панель типа Heathkit ЕТ-3300 представляет собой лабораторную макетную панель. Она имеет встроенные источники постоянного положительного и отрицательного напряжения 12 В, обеспечивающ'ие ток 100 мА каждый, и, кроме того, источник +5 В на 1,5 А. Одна из многих проблем, с которыми я столкнулся, прежде чем сделал окончательный выбор в пользу ЕТ-3300, состоит в том, что подобные устройства имеют источники питания 12 В (или 15 В, что не имеет особого значения), но не дают напряжения питания 5 В. Другие имеют источник 5 В, но не дают более высокого напряжения питания. Большие белые блоки ——это гнезда для многовыводных ИС с двухрядным расположением выводов, а более узкие полосы — это гнезда тех

шин, к которым можно подключить источники питания 12 В или 5 В либо землю.

После того как схема отработана на макете и исправлены все мелкие ошибки, ее переносят на печатную плату или на плату с проводным монтажом, а все уточнения схемы соединений и значений параметров элементов вводят в окончательную схему. Почти любому электронному устройству можно придать действительно профессиональный внешний вид, если поместить его в приличный корпус (см. следующий раздел) и собрать на соответствующих платах.

Печатный монта?к, выполненный промышленным способом, может стоить очень дорого. С другой стороны, самостоятельное изготовление печатных плат может оказаться весьма трудоемким делом. Если вам не удалось достать нужную печатную плату, прилично сделанную и не слишком дорогую, то вы можете попытаться, хотя бы один раз, сделать ее сами.

В специализированных магазинах можно купить наборы печатных плат и средства для нанесения рисунка. Если к ним прилагаются достаточно подробные инструкции, то результаты получаются превосходные.

Печатные платы предназначены для применения в таких конструкциях, в которых используется несколько (или несколько сотен) одинаковых плат. Делать печатную плату для таких конструкций, в которых она будет использоваться в единственном экземпляре, слишком хлопотно, поэтому в таких случаях следует обращаться к другим методам. Существует несколько видов плат, обеспечивающих удобство монтажа: перфорированные платы, платы с двухрядным расположением выводов (рис. 20.2) и платы с монтажом проводов навивкой.

Перфорированные платы выпускаются в виде плоских листов с площадью от нескольких квадратных дюймов (нескольких десятков квадратных сантиметров) до нескольких десятков квадратных дюймов (нескольких сотен квадратных сантиметров). Они имеют большое количество рядов и столбцов отверстий диаметром 1 мм. Расстояние между центрами соседних отверстий одного ряда или столбца равно 2,5 мм. Единственный недостаток перфорированных плат состоит в том, что они не имеют рисунка из фольги, к которой можно было бы припаять компоненты.

Хорошим решением может быть использование плат типа DIP, хотя они дороговаты. В качестве примера на рис. 20.2 показана модель 3677-2DP фирмы Vector. Показанная на рисунке плата 3677-2DP фирмы Vector (и другие, подобные ей) сконструирована так, чтобы на ней можно было устанавливать корпуса ИС типа DIP (с двухрядным расположением выводов). Рисунок фольги приспособлен для цифровых схем, так как он имеет только две шины питания: для источника и для заземления (имеется в виду источник питания 十5 В/земля). Однако

Рис 20 2 Плата с двухрядным расположением выводов фирмы Vector Electronics (с разрешения фирмы Vector)

ничто не мешает проложить дополнительные провода для дру- гих шин, перераспределить назначение имеющихся шин или раз* резать фольгу в определенных местах с помощью ножа и увеличить тем самым возможности использования платы. Кроме того, расходы на платы типа DIP можно несколько снизить, если расположить схемы, имеющие небольшое число компонентов, на

Рис, 20 3 Инструмент для зачистки и навивки проводов фирмы Vector(с разрешения фирмы Vector)

Инструмент зачищает изолированный провод и навивает его на выводы квадратного се яения размером 0 65 мм. Предварительного обрезания и зачистки провода не требуется. На рисунке в кружке показана ненавитая часть провода с оголенной медью.

одном конце платы, а затем отрезать свободную часть с тем, чтобы использовать ее в будущих проектах. За счет этого вы сэкономите заметную сумму ценой того, что край платы будет неровным. Платы с двухрядным расположением выводов и перфорированные платы можно разрезать вдоль ряда или столбца отверстий с помощью больших швейных ножниц. Такую операцию нельзя, правда, проделать с платой из стекловолокна G-10.

Фирма Vector выпускает также платы с таким же в основном рисунком, но различных размеров, с торцевым разъемом или без него. Выпускаются также большие платы для микропроцессорных схем. Одна из них совместима с популярными микрокомпьютерными шинными разъемами типа S-100.

Монтаж проводов навивкой — это метод электронного конструирования, при котором соединительные провода плотно навиваются (без пайки) на выводы прямоугольного сечения. Межвыводные соединения могут быть выполнены с помощью специального инструмента для навивки проводов.

Существует несколько типов таких инструментов. Один из них показан на рис. 20.3. Он действительно более удобен по сравнению со многими другими, так как не требует зачистки проводов для каждого соединения: встроенное лезвие для зачистки разрезает эмалевую изоляцию (см увеличенную вставку на рисунке). Изоляцию проводов можно легко расплавить паяльником. Благодаря этому можно припаять те точки, в кото-

Рис. 20 4. Модули, собранные в стойке (с разрешения фирмы Vector).

рых нарушился контакт, и подозрительные точки. Если вы используете какой-либо другой инструмент для навивки, купите изолированный провод.

Шасси, корпусы и кожухи

Существует много вариантов конструктивного оформления приборов и много предприятий, выпускающих для этой цели изделия различных марок. Советую вам воспользоваться их каталогами, В качестве наиболее простого варианта можно рекомендовать обычное металлическое шасси или сборный корпус из листового металла, правда, они не очень пробны.

В США широко используются три основные формы корпусов для электронной аппаратуры. Некоторые из них имеют хороший внешний вид, но не отличаются механической прочностью. Корпуса можно сделать еще более элегантными, если немного укрепить внутреннюю часть. Для этой цели можно использовать алюминиевые детали, предназначенные для домашних поделок, и пластиковые стержни. Выпускаются и очень прочные, имеющие привлекательный внешний вид, кожухи из литого алюминия различных размеров. Некоторые из них имеют внутренние перегородки с прорезями, приспособленные для установки печатных плат или плат с проводным монтажом. Благодаря этому сборка значительно облегчается, так как уменьшается объем работ по сверлению и монтажу плат.

На рис. 20.4 показана модульная монтажная стойка фирмы Vector. Она приспособлена для установки набора плат типа DIP (гнезда плат плотно прилегают к перекладине на тыльной сто

роне стойки) или модульных корпусов серии EFP той же фирмы Vector (они показаны на рисунке). Если вы создаете систему приборов, используйте стойку в качестве основной несущей конструкции, а подсистемы выполняйте в модульном виде в корпусах EFP. Корпуса могут быть сменными.

Выпускаются два различных типа модульных корпусов. В одном из них задняя часть закрыта, поэтому для питания устройства, а также для различных сигналов и управляющих команд вы должны предусмотреть соответствующие разъемы. Корпуса другого типа имеют открытую заднюю часть и сконструированы таким образом, что платы 3677-2DP выступают со стороны открытой тыльной части панели. Благодаря этому краевой разъем платы типа DIP может быть вставлен в стандартный 22-контактный разъем, постоянно прикрепленный к распорке на тыльной стороне стойки.

Модули с закрытой тыльной частью можно использовать в качестве корпусов для миниаппаратуры, и такие корпуса имели бы вполне приличный внешний вид. Поставьте такой корпус на боковую сторону и прикрепите к нему небольшие резиновые ножки по краям скользящей части, Я убедился, что это хороший вариант выбора корпуса для небольших приборов.

Отделка

Отделка — это те последние, завершающие штрихи, которые нужно сделать, чтобы придать аппаратуре профессиональный внешний вид. После того как в шанелях просверлены отверстия, удалены заусенцы (и панели покрашены, если хотите), но прежде, чем монтировать компоненты, прикрепите ярлычки ко всем органам управления, переключателям и т. п. С помощью пульверизатора покройте панель светлым пластичным лаком. Просушите панель в печи в течение нескольких часов. Старайтесь со вкусом оформить переднюю панель прибора. Благодаря этому конструкция будет выглядеть так, как будто вы ее купили, а не сделали сами. Внешний вид прибора не должен страдать из-за того, что он сделан в любительской или в небольшой университетской мастерской. Желаю удачи!

Глава 21

КАК РАБОТАТЬ НАД ПРОЕКТОМ

Есть один безошибочный признак, по которому можно узнать начинающего конструктора электронной аппаратуры, — это стремление перейти к этапу конструирования и испытаний без по крайней мере небольшого этапа проектирования. Не делайте этой ошибки, она приведет к излишним затратам сил и средств.

Основные принципы проектирования

То, что мы называем проектированием, представляет собой логический процесс. В самом деле, само слово «проектирование» подразумевает такие виды деятельности, как планирование, размышление и изготовление. В элементарных электронных конструкциях нет ничего сверхъестественного, и любой, кто обладает некоторыми знаниями, может создавать электронные приборы, отвечающие предъявленным к ним требованиям. Я не хочу приуменьшить роль первоклассного инженера-проектировщика, а имею в виду лишь то, что почти каждый может сделать устройства, выполняющие самые разнообразные функции. Хороший конструктор должен обладать достаточным интеллектом, проницательностью, знаниями, а также таким субъективным качеством, как одаренность. Большинство этих качеств приобретаются преимущественно одним путем: на основе опыта, умения преодолевать все новые и новые затруднительные ситуации. Если вы хотите, чтобы ваши усилия были не напрасными, нужно изучить хорошие конструкции, методы лабораторных исследований, а также предельные возможности устройств. Как правило, вы будете замечать свои ошибки всего лишь за считанные миллисекунды до момента, когда легкий дымок возвестит о том, что единственный в своем роде элемент только что испарился. Не переживайте, если вначале все ваши усилия будут казаться бесплодными. Они не бесполезны уже только потому, что представляют вам возможность учиться на ошибках. Данная книга позволит вам извлечь уроки из некоторых моих ошибок и ошибок других людей.

Самый первый шаг в процессе любого проектирования заключается в ознакомлении с поставленной задачей. На первый взгляд этот совет может показаться из дев ательским, но на са-

мом деле он продиктован здравым смыслом, основанным на наблюдениях. Значительное число людей начинают заниматься так называемым проектированием, не уяснив себе, что же должно на самом деле делать проектируемое устройство. Изучение задачи включает в себя такие виды деятельности (но не ограничивается ими), как поиск по литературе, обдумывание, беседы с заказчиком и беседы с людьми, которые сталкивались с такой же задачей в прошлом (особенно с теми, кто решил ее). Не следует недооценивать значения поиска по литературе.

Следующий шаг состоит в формулировке подхода к решению4 задачи. Здесь нужно попытаться найти несколько методов или схем, с помощью которых можно добиться необходимого результата. Редко бывает так, чтобы существовал единственный, «наилучший» путь решения задачи, поэтому непременно рассмотрите несколько возможных альтернатив. В этом плане нужно помнить о так называемых непредвиденных обстоятельствах. Бытует мнение, что первая конструкция в любом проекте будет, как правило, наихудшей из того, что можно изобрести. Если эта справедливо хотя бы в некоторых случаях, то имеет смысл рассмотреть несколько вариантов, прежде чем приступать к изготовлению какого-либо конкретного устройства. До начала изготовления необходимо также нарисовать полную схему и сделать чертежи всех критичных механических узлов. Я знаю несколько людей, считающих себя конструкторами электронных приборов, которых часто можно застать за копированием фирменного каталога интегральных схем. Они копируют фрагменты общей схемы сначала с одной страницы, потом с другой, третьей и т. д. Это скверная практика, она неизбежно будет связана с сожженными интегральными схемами, плохим настроением, несчастным заказчиком и заслуженным презрением коллег. Даже если вы решили сдублировать опубликованную электронную схему, вы должны скопировать ее полностью, особенно если вы собираетесь что-либо изменить в ней.

Чертежи и другая документация играют большую роль в изготовлении и испытаниях первого прототипа. Тщательно записывайте ключевые напряжения, сигналы и другие важные параметры. Вносите в главный чертеж все поправки и уточнения, отражающие любые изменения, производимые в схеме. Думайте с карандашом в руке!

Кроме того, опишите методику настройки и регулировки, так чтобы ею мог пользоваться персонал, менее квалифицированный по сравнению с вами. Для вас методика может быть самоочевидной, потому что вы ее придумали, а для других она может быть загадочной. Кроме того, спустя полгода-год вас могут попросить отремонтировать или отрегулировать ваш прибор, а вы к этому времени уже многое забудете. В подобных случаях хорошая документация окажет неоценимую помощь.

Далее, неопытный конструктор стремится придать даже до-

вольно сложным или непроверенным конструкциям окончательную форму без предварительного макетирования схемы. Разработка любой новой схемы не может считаться законченной до тех пор, пока схема должным образом не испытана Любая идея должна рассматриваться как гипотетическая до тех пор, пока не доказана ее обоснованность. Некоторые схемы на первый взгляд кажутся работоспособными, но после сборки они преподносят большие и неприятные сюрпризы. Вот почему лабораторные панели для макетирования раскупают с такой быстротой.

В окончательном виде схема обычно бывает собрана на платах с проводным монтажом, платах с двухрядным расположением выводов, печатных платах или каких-либо других, недорогих и удобных в работе. Качество корпуса для вашего устройства должно быть экономически оправданным. Конечно, причудливые корпуса придают престиж вашей работе и служат источником законной гордости для хорошего мастера. Но если вы забегаете вперед и собираете схемы, прежде чем испытать их, могут возникнуть проблемы, которые невозможно решить дешевыми средствами. Например, вам придется просверлить дополнительные отверстия в неподходящих местах. Или могут потребоваться дополнительные схемы, и в связи с этим более подходящими будут платы больших размеров, чем те, которые вы выбрали. Узкие полоски плат, которыми бывают обвешаны подобные плохо спланированные конструкции, не делают чести их автору.

Путь от идеи до конечного продукта и так имеет довольно большую протяженность, поэтому не стоит усложнять его дополнительными зигзагами из-за скверных методов и плохого планирования. Это приведет по крайней мере к удорожанию конструкции и будет причиной многих огорчений.

Итак, перечислим шаги, которые чаще всего необходимы для получения жизнеспособной конструкции: 1) изучите поставленную перед вами задачу; 2) сформулируйте несколько подходов к решению задачи; 3) подготовьте записи, чертежи и документы; 4) соберите прототип схемы на макетной панели или с помощью любых других средств, пригодных или непригодных к повторному использованию; 5) испытайте схему в условиях, как можно более близких к реальным; 6) изготовьте и испытайте изделие в его конечном виде, используя все свое умение.

Пополняйте свои знания

Как правило хорошим конструктором может быть специалист, который постоянно совершенствует и пополняет свои знания. Он подписывается на основные журналы для конструкторов, собирает и хранит указания по применению, спецификации и другую специальную литературу. Если учесть, что даже обычные каталоги и указания по применению, выпускаемые фирма-

ми-изготовителями, дают возможность расширить инженерное образование, то, естественно, что такой специалист знает, какие интегральные схемы и другие компоненты выпускает промышленность, и именно это помогает ему добиться успеха.

Читайте журналы, в том числе журналы для радиолюбите- лей^ Для профессиональных конструкторов можно рекомендовать журналы: END (Electronic Design News), Electronic Design и《Электроника》?).

Глава 22

ПРИМЕРЬ! ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Существует ряд электронных устройств, которые особенно широко распространены в электронном оборудовании, применяемом для научных исследований, в 1промышленности и т. д. В этой главе мы рассмотрим некоторые из них и дадим информацию, достаточную для их воспроизведения. Я сам изготовил и испытал каждую из схем, приведенных в этой главе, и убедился, что все они работоспособны. Поэтому вы смело можете браться за проектирование и изготовление подобных устройств, даже если у вас нет диплома инженера-электронщика.

Предварительные замечания

Некоторые устройства конструируются как составные части системы приборов, располагаемых в одной общей монтажной стойке. Для них выбирают модульные корпуса типа EFP 2046.6 фирмы Vector, подходящие к несущей стойке, выпускаемой той же фирмой. В других случаях модульности не требуется и проектируемое устройство конструктивно выполняется в виде отдельного прибора в красивом покупном корпусе. Пожалуйста, не думайте, что любая представленная здесь схема окончательна и не допускает никаких изменений только потому, что она опубликована в этой книге. Каждый пример рассчитан на широкий круг читателей, а у вас может и не быть тех проблем, которые стоят перед гипотетическим 《средним》 читателем. Чувствуйте себя абсолютно свободно в отношении изменения моих схем с целью удовлетворения своих собственных нужд. Копирование моих схем польстило бы мне, и вы, если хотите, можете сообщить мне о том, что вы воспроизвели мою схему. Однако я предпочел бы, если бы вы немного подумали и видоизменили схему, приспособив ее для собственных целей. Приятней всего мне было бы услышать такие слова «...точно так же, как в книге Кара, за исключением...» Чтобы помочь вам видоизменять схемы, в этой главе приводятся рассуждения о том, почему те или иные вещи делаются тем или иным образом. Приводятся также, где это необходимо, соответствующие расчетные формулы.

При разработке электронного прибора всегда могут возникнуть затруднения. Фактически в любой электронной лаборатории действуют «принципы» Финагля и Мэрфи. Я уже рассказывал о тех неприятностях, с которыми мне самому пришлось столкнуться на практике. К несчастью, их гораздо легче перечислить, чем избежать. Чтобы понять характер ожидаемых проблем и характер действий, которые всем нужно будет предпринять, когда вы натолкнетесь, на них, прочитайте всю главу, а вернее нужно прочитать всю книгу, прежде чем приступать к созданию любого конкретного устройства.

Предусилитель с одним выходом ' и небольшим усилением

В некоторых случаях необходимо повысить уровень сигнала на небольшую величину. Рассматриваемый в этом разделе усилитель обеспечивает усиление по напряжению от 1 до 100 в зависимости от его настройки. Необходимость в таком усилителе часто возникает при создании аппаратуры, состоящей из разнообразных приборов, изготовленных в разное время разными фирмами по различным технологиям. Например, может потребоваться усилить выходной сигнал какого-либо прибора до уровня, совместимого с полным диапазоном ленточного самописца, аналогового входа цифровой вычислительной машины (см. раздел АЦП в гл. 14) или входа осциллографа.

Такой усилитель может понадобиться по целому ряду причин. Одна из них состоит в том, что полный диапазон выходного сигнала прибора или датчика может составлять всего лишь небольшую часть полного диапазона входных сигналов устройства индикации. Усилитель позволяет увеличить размах изображения на индикаторе и добиться тем самым лучшего разрешения. Может быть и такой случай, что прибор или датчик, используемый для измерения, во время некоторого эксперимента работает только в нижней части своего диапазона. В этом случае мы также можем усилить его выходной сигнал и улучшить разрешение.

Для сопряжения различных приборов в описанных выше ситуациях специально приспособлен предусилитель с одним выходом и средним усилением. Он имеет два диапазона усиления: от 0 до 10 и от 0 до 100 и может воспринимать без перехода в насыщения входные напряжения до 1 В в диапазоне X 10 и до 0,1 В (100 мВ) в диапазоне X100. Поскольку большинство осциллографов, аналого-цифровых преобразователей и ленточных самописцев приспособлено к входным сигналам в диапазоне от 1 до 10 В, то мы со всем основанием можем ожидать, что наш усилитель может согласовать эти устройства почти с любым прибором, имеющим выход типа источника напряжения. Схему можно видоизменить так, чтобы получить больший диапазон выходных напряжений. Для этого нужно

70 *0м

庆加0

Ma#

1' ' ~|—O У^

x ”

2

7

6

力

个

1к0м

11) кОм Диапазон

ЮО Ом

Полярность

£=}

Питание

o'

夕/г〃 /В&нм

vj^J Вход

4 п

Выкод V

£

斤

tLS

斗о %( (*15В пост тока)

e 200MNP

о Земля

Г2

200 МН©

-о Vee 6左3 пост тола)

использовать Би-МОП операционный усилитель типа СА3140 фирмы RCA и источник питания ±22 В постоянного тока.

Рассматриваемый в этом разделе усилитель был частью разработанной автором системы электронных приборов, поэтому конструктивно он был выполнен в модульном корпусе EFP фирмы Vector. Конечно, вы можете выбрать любой другой корпус, наиболее подходящий для удовлетворения ваших нужд.

Выбор типа монтажа не играет особенно большой роли, так как наша схема имеет небольшое усиление и работает на низких частотах.

Вы убедитесь, однако, что в электронных конструкциях, в которых монтаж проводов упорядочен и выполнен аккуратно, число дефектов меньше, чем в конструкциях, где монтаж хаотичен и неаккуратен.

Схема усилителя была собрана на платах типа 3677-2DP фирмы Vector с двухрядным расположением выводов, но полноразмерная плата не оставляла бы места внутри корпуса для расположенных на передней и задней панелях органов управления, гнезд и переключателей. Для того чтобы выйти из этого затруднительного положения, пришлось отрезать часть платы размером около 40 мм со стороны краевого разъема. Для соединений с источником питания и землей был использован обычный провод для лабораторных схем (сечением 0,75 мм2), а для остальных соединений был взят провод гораздо меньшего сечения. Используйте толстые провода только там, где требуется механическая прочность или способность выдерживать большие токи.

Электрическая схема усилителя показана на рис. 22.1. Вы можете сразу заметить, что в ней используется четыре операционных усилителя, хотя в некоторых случаях можно обойтись и меньшим числом. Несмотря на это, нашу схему не стоит считать плохой или неэкономичной. Дело в том, что мы хотим, чтобы любитель мог воспроизвести проект с большой вероятностью успеха, а схемы, в которых несколько функций объединяются в одном и том же каскаде, зачастую требуют предварительной регулировки или насгройки, которые могут быть весьма трудоемкими. Заметьте, например, что в нашей схеме управление диапазоном, чувствительностью и смещением осуществляется с помощью отдельных операционных усилителей.

Рис 22 1. Усилитель со средним коэффициентом усиления.

Перечень элементов схемы если не оговорено противное, все резисторы объемные углеродистые, тонкослойные углеродистые нли тонкослойные металлизированные с номинальной мощностью 0,25 Вт и точностью 5%, R&, R9 — регулировочные потенциометры, Q и С?一 на рабочее напряжение 25 В или более, Д1 — светодиод, смонтированный на пе- редне負 панели, линза красного цвета, Sb 53 — переключатели типа DPDT, миниатюрные S2 — переключатель типа SPDT, миниатюрный, Л — разъем типа AN фирмы Amphenol (MS 3102A-14S 5Р) или эквивалентный, У2, /з — телефонные гнезда, У〔 и У2 — операционные усилители типа 741 в миниатюрном корпусе с двухрядным расположением выводов, Уз——сдвоенны負 операционный; усилитель типа 1458 (или 5558) в миниатюрном корпусе, с двухрядным расположением выводов.

Для нас этот метод вполне оправдан, так как он упрощает регулировку. Профессиональный конструктор, вероятно, объединит две или большее число таких функций в одном каскаде ценой усложнения процедуры настройки. Но в условиях производства на этом можно сэкономить тысячи операционных усилителей. Для нас, однако, добавление лишнего операционного усилителя вполне уместно.

Питание усилителя можно осуществить от сети переменного тока с помощью схемы, приведенной в этой книге, от группы батарей или от любого промышленного источника питания. От источника питания требуется только хорошая стабилизация напряжения и отсутствие пульсаций 60 Гц.

Шины питания шунтируются на землю парой электролитических конденсаторов на 200 мкФ, 25 В постоянного тока. Однако вы можете применить конденсаторы емкостью порядка 25 мкФ, причем я рекомендую танталовые. Я использовал алюминиевые конденсаторы на 200 мкФ только потому, что они нашлись у меня среди запасных деталей и мне не пришлось специально покупать конденсаторы для этого проекта. В практике конструирования электронной аппаратуры полезно заимствовать детали из старых конструкций, и учиться этому нужно с первых же шагов.

Уровни постоянного напряжения равны: Усс = + 15 В и %е = —15 В. В некоторых случаях может оказаться желательным использовать вместо них напряжения ± 12 В, особенно тогда^ когда у вас уже имеется источник 12 В, а источника на 15 В нет. Единственная связанная с этим неприятность ‘состоит в том, что операционный усилитель, используемый в качестве выходного каскада, не будет обеспечивать полный динамический диапазон, возможный при питании 15 В. Если в вашем случае это не является большой потерей, не тратьте деньги на «надлежащий» источник питания.

Одной из особенностей нашего усилителя является переключатель изменения полярности Si. Он используется для того, чтобы перевести при желании усилитель У】 из режима инвертирующего усилителя в режим неинвертирующего. По «принципу» Мэфри в любой следящей системе управляющие воздействия время от времени меняются на обратные； в связи с этим переключатель изменения полярности имеет очевидные достоинства.

В верхнем положении переключателя Si выходное напряжение всего усилителя инвертировано по отношению к входному. В этом случае У1 работает в режиме неинвертирующего повторителя. В нижнем положении Si входной каскад будет инвертирующим, поэтому между входом и выходом будет происходить четное число инверсий полярности. Благодаря этому весь усилитель работает как неинвертирующий каскад.

Единственная трудность, возникающая при разработке про-

*екта и его реализации, была результатом применения переключателя изменения полярности. Вспомним, что для простого повторителя усиление по напряжению определяется величиной Ro.c/Rbx в инвертирующем режиме, и такой же величиной +1 в неинвертирующем режиме. Поскольку усиление каскада мало (ХЮ), эта разница приводит к ошибке в коэффициенте усиления, равной 10%, возникающей при переключении режимов. Эта ошибка уменьшается до приемлемого значения, порядка 1 %, при использовании резистора & (100 Ом).

Коэффициент усиления всего усилителя определяется выражением

4 = (&/R)(兄/凡)(&/%)•(22.1)

Это выражение справедливо для диапазона усиления X100. В случае диапазона X10 вместо 欠5 нужно подставить 火6・

Два аттенюатора

Одна из проблем, часто встречающихся при испытаниях и сопряжении аппаратуры,——это чрезмерно высокие уровни сигналов. В результате сигналы от одного прибора перегружают вход следующего. Практика показывает, что целесообразно иметь под рукой несколько стандартных аттенюаторов, чтобы можно было уменьшить уровни сигналов до таких величин, которые могут воспринимать приборы, принимающие сигнал.

Предпочтительнее иметь аттенюаторы двух типов, показанные на рис. 22.2.

На рис. 22 2, а показан аттенюатор с одним выходом. Это хорошо известная схема делителя напряжения Сопротивление резистора R? должно быть малым, так чтобы аттенюатор действительно представлял собой источник напряжения для следующего прибора или усилителя. Для схемы такого типа справедливо соотношение

Е Bbix = Е bxRz/(RR。・(22.2)

Множитель в скобках называется коэффициентом ослабления, величина его всегда меньше единицы. Он представляет ту долю входного напряжения, которая действует на выходе.

Сопротивление ^2 выбирается скорее из соображений удобства, чем по каким-то строго обоснованным правилам. В большинстве случаев его можно сделать равным 100 Ом, но учтите, что оно должно быть равно входному сопротивлению следующего каскада, если желательно иметь максимальный коэффициент передачи по мощности, и должно быть меньше одной десятой части входного сопротивления следующего каскада, если от схемы требуется работа в режиме источника напряжения.

CtCtCZF自CZF自色色0Евах0ЕвахРис. 22.2.а — аттенюатор с одной внходно負 шнной: ^ВыХ=-£вх1^2/(^1+^2)Ь положение ^=100 Ом;Рис. 22.2.а — аттенюатор с одной внходно負 шнной: ^ВыХ=-£вх1^2/(^1+^2)Ь положение ^=100 Ом;

Ct

Ct

CZF

自

CZF

自

色

色

0

Евах

0

Евах

Рис. 22.2.

а — аттенюатор с одной внходно負 шнной: ^ВыХ=-£вх1^2/(^1+^2)Ь положение ^=100 Ом;

Рис. 22.2.

а — аттенюатор с одной внходно負 шнной: ^ВыХ=-£вх1^2/(^1+^2)Ь положение ^=100 Ом;

Коэффициент ослабленияR, Ом

20 дБ (1/10)900

40 дБ (1/100)9000

60 дБ (1/1000)90 000)

б — дифференциальный аттенюатор:

ЕвыхнЕвх^а^^+На+Нз] [R6/(R4+&+R6)], совет: положите /?1=^2=^з = 500 Ом и

(22.4)(22.4)(22.5)(22.6)(22.7)(22.5)(22.6)(22.7)/?б= 10 Ом,£bhL(Ebx/3) [^e/(^4+^s+^e)]«(10/3) [1О/(^4+7?5+1О)]Евх> кроме того, для ослаблениясинфазной составляющей положение RlRs.

(22.4)

(22.4)

(22.5)

(22.6)

(22.7)

(22.5)

(22.6)

(22.7)

В некоторых случаях значения, получаемые из (22.3), не будут совпадать ни с одним из стандартных значений сопротивления и вы не сможете купить соответствующие резисторы. Добиться требуемых значений сопротивления можно или с по* мощью комбинации постоянных резисторов, или с помощью потенциометра. Ошибка, вызванная применением стандартных значений, уменьшается при увеличении ослабления. Например, аттенюатор на 60 дБ имеет коэффициент ослабления 1/1000. Примерно такое значение можно получить, если сопротивление Ri принять равным 100 кОм, а сопротивление 及2 равным «стандартному» значению 100 Ом. Результирующая ошибка будет очень малой, вероятно менее 1 %, если сопротивление резистора на 100 кОм будет в пределах допуска, но ближе к. нижнему его пределу.

Для подачи сигналов на дифференциальные входы различных приборов используется балансный аттенюатор, показанный на рис. 22.2,6. Поскольку схема должна быть сбалансирована и симметрична, необходимо выполнить условия: Ri=R^ н 凡= = /?5・ Ради удобства, хотя это и необязательно, мы обычно устанавливаем R2 равным R【и R3. Кроме того, значения этих сопротивлений должны лежать в пределах от 200 до 500 Ом. Заметим, что три последовательно соединенных резистора со стандартными сопротивлениями 220 Ом обеспечивают хорошее согласование с выходом функциональных генераторов, которые имеются почти в каждой электронной лаборатории. Их выходной импеданс равен 600 Ом.

Если все три резистора в последовательном входном делителе имеют одинаковое сопротивление, напряжение Еа на резисторе & будет равно % £вх. Выходное напряжение всего устройства будет равно

Евмх = 4 凡 + 貪十 & ■ Q2‘>

Балансный аттенюатор (рис. 22.2, б) используется главным образом для формирования сигналов, поступающих от обычных функциональных генераторов на вход дифференциальных усилителей с высоким значением коэффициента усиления. Большинство таких приборов не имеет внутреннего аттенюатора, пригодного для значительного понижения уровня выходного сигнала. Они вырабатывают выходные напряжения, которые можно уменьшить только до нескольких сотен милливольт. Дальнейшее уменьшение ограничено нижним пределом управления аттенюатором. Наш аттенюатор вместе с собственным аттенюатором генератора сигналов позволяют использовать большую часть диапазона ослабления сигналов и обеспечить сопряжение по сигналам низких уровней с аппаратурой, на которой вы работаете. Как правило, аттенюатор должен быть заключен в закрытый алюминиевый корпус. Следует остере-

гаться использования корпусов с шасси из листового металла, потому что они недостаточно прочны. Необходимо также для корпуса аттенюатора выбрать соответствующий разъем. Для аттенюатора с одним выходом используйте разуем1* совместимый с остальными частями вашей системы. Для балансного аттенюатора разъем, устанавливаемый на шасси, нужно поставить на входе, а на выходе лучше всего (из экономических соображений) использовать штепсельный разъем на 6 мм для стереофонических устройств.

Вам может понадобиться переменный или переключаемый аттенюатор, чтобы иметь возможность в любой момент получить любой нужный коэффициент ослабления. Переменный аттенюатор можно сделать с помощью потенциометра. Я предпочитаю использовать потенциометр в качестве резистора ®, хотя его можно поставить и вместо /?2. Подобным же образом резистор Ri можно заменить переключателем, который включает в схему сопротивления различных значений. У меня есть такой аттенюатор, его коэффициент ослабления можно изменять переключателем в диапазоне от 40 дБ (1/100) до 60 дБ (1/1000).

кУниверсальный» операционный усилитель

Иногда возникает необходимость в операционном усилителе; характеристики можно было бы изменять. На рис. 22.3 показана схема такого устройства. Источники питания и все необходимые схемы компенсации (если используется операционный усилитель высшего класса) встроены в тот же самый корпус, так что пользователь может не беспокоиться о разного рода мелочах и в то же время использовать все возможности операционного усилителя.

Несколько операционных усилителей, построенных по одной и той же схеме, имеющих общий источник питания и размещенных на одном каркасе, образуют так называемый комплект операционных усилителей. Отдельные операционные усилители называются секциями. Секции часто делаются в виде сменных узлов, так что на главном каркасе может быть собрана система, необходимая в каждом конкретном случае.

Входы (+ и —) ИС операционного усилителя, земля и его выход в нашем случае подключены к однополюсным штепсельным клеммам на пять направлений, смонтированных на передней панели. Они предназначены для того, чтобы пользователь мог изменять схему включения по своему желанию. Предусмотрены также входной и выходной разъемы, с помощью которых усилитель при желании можно подключить к другим приборам.

Переключатель S? предназначен для выбора режима работы.

Q Данные о разъемах, выпускаемых отечественной промышленностью, можно найти, например, в ГОСТ 19104-73. — Прим, перев.

оо、1 мкФ、1 мкФЕ20/7 посттокаЕ20/7 посттока丄=丄=01 мк中01 мк中Обратная связьОбратная связь

о

о

、1 мкФ

、1 мкФ

Е20/7 посттока

Е20/7 посттока

丄=

丄=

0

1 мк中

0

1 мк中

Обратная связь

Обратная связь

Рис. 22.3. Секция комплекта универсальных операционных усилителей.

Перечень элементов схемы: R【на 0,25 Вт, R2 — регз^лировочный потенциометр, смонтированный на передней панели; &, С2 ——электролитические конденсаторы, рабочее напряжение 15 В (или более); ИС — типа 741 в миниатюрном корпусе типа DIP. для создания устройства высшего качества используйте ИС типа 1456; S：——шарнирный рычажный переключатель типа DPST (или одна половина переключателя DPDT); S?——то же, что и 51； J】一丿4 — однополюсные штепсельные клеммы на пять направлений; J5, Js — разъемы, смонтированные на шасси； /7, /а — зажимы (на схеме не показаны) для батарей на 9 В, применяемых в транзисторных радиоприемниках; В；, Вэ — батареи для транзисторных радиоприемников на 9 В; 8-контактное гнездо для ИС в миниатюрном корпусе типа DIP; корпус модели 3311 фирмы Pomona.

Когда он разомкнут, к усилителю должны быть подключены внешние цепи управления. Если же переключатель S? замкнут, каскад превращается в неинвертирующий повторитель с коэффициентом усиления по напряжению в пределах от 0 до 100 В в зависимости от положения движка потенциометра. Если желательно большее усиление, можно использовать несколько каскадов таких усилителей или же внешние цепи, обеспечивающие коэффициент усиления, больший 100. Коэффициент усиления каскада для сигналов постоянного тока низкочастотных сигналов переменного тока определяется выражением

G = R°.c/&「(22.9)

Комплекты операционных усилителей особенно часто используются при экспериментальных исследованиях в области химических и биологических наук. Пользователи могут включать их таким образом, что они будут выполнять целый ряд различных функций в соответствии с возможностями операционных усилителей, хотя сам пользователь может и не быть специалистом в области электроники. Усилитель действительно является универсальным (если вообще существует что-либо «универсальное»): он может усиливать сигналы, развязывать

различные части схемы, интегрировать, дифференцировать или генерировать колебания по вашему выбору.

Если вы решили сделать комплект операционных усилителей в виде стойки, в которую можно вставлять модули, то целесообразно на выходе в качестве буферного каскада поместить неинвертирующий повторитель с единичным коэффициентом усиления и подключить его не к однополюсным клеммам, а к разъему. Кроме того, можно включить такие каскады между каждой входной однополюсной клеммой и входом ИС операционного усилителя. Они служат для буферизации и развязки. В большинстве приложений для этих целей подходят устройства из семейства 741 или 1456.

Вольтметр нуля

На рис. 22.4 показана схема вольтметра нуля. Она построена таким образом, что имеет два диапазона и используется прежде всего для определения момента равновесия (нулевой точки) во внешней по отношению к прибору схеме моста Уитстона. Она работает тгк же как усилитель, вырабатывающий на выходе сигнал 1 В при малых входных сигналах порядка 10 мВ. Сигнал на выходном гнезде 厶 имеет в 10 или 100 раз большую амплитуду, чем входной сигнал, действующий на гнездах 厶 и 厶・

Характерной чертой схемы является параллельный выход, иметь который не обязательно, но иногда выгодно, и два вида индикаторов нуля: на лампах и на измерительном приборе. Чувствительность схемы можно изменять потенциометром Лю на передней панели.

Измерительный прибор М^, служащий для индикации, представляет собой микроамперметр с диапазоном от ——100 мкА до + 100 мкА, превращенный в вольтметр с помощью резистора Ri5. Автор использовал прибор фирмы Simpson, имеющий сопротивление катушки около 25 кОм. Никогда не подключайте микроамперметр к щупам омметра, если Вы не совсем уверены, что омметр работает при малых токах. Большинство аналоговых омметров (со стрелочным индикатором) работают при больших токах. Такой прибор сожжет микроамперметр, как только вы попытаетесь измерить сопротивление его катушки! Что касается современных цифровых омметров, то лишь немногие из них работают при очень малых напряжениях (а следовательно, и при малых токах). Любой прибор, в котором для измерения сопротивления используется батарея с напряжением 1,2 В или больше, совершенно непригоден для измерения сопротивления катушки микроамперметра. В таком случае нужно собрать схему для определения сопротивления методом сравнения, так чтобы токи в ней были малыми, или же поискать ее в фирменных каталогах или в других материалах об имеющихся в продаже изделиях.

Напряжение, требуемое для получения максимальных показаний прибора Mi, по закону Ома равно

£ = 1.10-4.2,5.10\(22.10)

Е = 2,5В・(22.11)

Но, проектируя свою схему, я решил использовать несколько каскадов, а коэффициент усиления по мощности каждого из них сделать равным 10, что позволяет создать точный, хорошо работающий прибор. Выходное напряжение на гнезде /5 должно быть равным 1 В при входном напряжении или 10 мВ, или 100 мВ. Из-за этого требования усилитель У3 должен иметь коэффициент усиления не менее 2,5, чтобы повысить напряжение, приложенное к прибору 〃【до уровня, достаточного для его нормальной работы. Желательно также иметь некоторое дополнительное последовательное сопротивление для защиты прибора Mi от чрезмерно высоких напряжений. Если сопротивление в цепи обратной связи усилителя У3 выбрано равным 33 кОм (это стандартное, широко распространенное значение), то напряжение, приложенное к прибору »匕 будет таким, что потребуется дополнительное последовательное сопротивление. При этом усиление усилителя Уз равно 3,3, позто* му напряжение на контакте 6 при максимальном значении входного сигнала равно 3,3 В.

Сопротивление потенциометра, включенного последовательно с ЛЬ, определяется по закону Ома и с учетом соображений здравого смысла. Поскольку полное выходное напряжение равно 3,3 В и мы хотим, чтобы максимальное значение тока было равно 100 мкА, то сумма сопротивления прибора Mi и сопротивления резистора R15 должна быть равна 33 кОм. Так как мы знаем, что сопротивление рамки прибора равно 25 кОм, то минимальное значение сопротивления R15 должно быть равно: 33—25 = 8 кОм. Выбор потенциометра на 10 кОм позволяет нам использовать стандартное значение и, кроме того, позволяет с запасом перекрыть установленные пределы тока, что обеспечивает возможность проведения регулировок для калибровки прибора М-

Процедура регулировки:

Соедините между собой гнезда 几 /2 и 〃•

Установите потенциометр Ro на максимальное значение сопротивления, а переключатель S\ ——в верхнее положение.

Отрегулируйте R14 так, чтобы показания прибора Mi были равны нулю.

Отключите гнездо /4, а гнезда 7)и J2 оставьте соединенными между собой.

Между точкой соединения гнезд Д и /2 и землей включите источник сигнала 1 В, 100 Гц.

*3#7

100 пОм100 кОм

弓

ID кОм—1Ь

修％

Ю кОм 7川

〃丁\\82k0m国

豆|__ 丄\\50к0м

-孑；宁丁 6 в пост.

ЗВ пост. .j+ ilx

тока :J111оо

~а Земля

пост, тока

Выход占

Верх. (^100) 工乜吻76

(3—近一，..——c=□——

勺6

_Юкоm

Подключите вертикальный вход осциллографа к гнезду 」5・

Отрегулируйте R5 так, чтобы выходной сигнал, отображенный на экране осциллографа, имел минимальное значение. Сигнал может быть замаскирован шумами, поэтому необходимо последовательно уменьшать ослабление, определяемое входным аттенюатором (аттенюатором диапазона) вертикального канала, до тех пор, пока дальнейшее уменьшение не станет невозможным.

Установите переключатель Si в нижнее положение.

Подключите прецизионное напряжение 100 мВ к гнездам /1 и 」2 (но прежде удалите соединительный проводник!).

Отрегулируйте Ri5 так, чтобы показания прибора Mi были в точности равны 100 мкА.

По окончании этой процедуры шкала прибора Mi будет соответствовать напряжениям от 0 до 10 мВ в верхнем положении Si и от 0 до 100 мВ — в нижнем, при условии, что сопротивление потенциометра максимально. Благодаря этому схему можно использовать как вольтметр нуля, милливольтметр или как усилитель сигналов до 10 мВ/100 мВ.

С помощью резистора R16 устанавливается чувствительность ламп индикации нуля. Если его сопротивление равно 680 Ом, то оказывается, что свечение обоих светодиодов полностью прекращается при напряжениях в несколько милливольт. Конечно, эти значения просто отражают свойства светодиодов, которые нашлись в моих запасах, и могут быть другими для тех светодиодов, которые приобретете вы. Поэтому будьте готовы к тому, что эти значения придется варьировать.

Если вы хотите использовать эти лампы в качестве грубого индикатора нуля, то сопротивление нужно выбрать равным примерно 1500 Ом. В этом случае лампы можно использовать тогда, когда внешний мост настолько сильно разбалансирован, что прибор Mi зашкаливает. Когда же состояние моста при-

Рис. 22.4. Вольтметр нуля.

Перечень элементов схемы: все резисторы, использованные в данном устройстве, тонкослойные металлизированные или прецизионные с номинальной мощностью 0,25 Вт и точностью 5% или более точные. Наивысшая точность будет достигнута при использовании прецизионных резисторов； Rs — подстроечный потенциометр, смонтированный на печатной плате; 7?» — потенциометр с линейным изменением сопротивления, смонтированный на передней панели; R“一 подстроечный потенциометр, смонтированный на передней панели; Ris — подстроечный потенциометр, смонтированный на печатной плате：自е ——от 680 до 1500 Ом, в завнснмостн от требуемой чувствительности индикатора на светодиодах; все ИС в миниатюрных корпусах типа DIP; У]——сдвоенный операционный усилитель типа 1458; Уз—У*—операционные усилители типа 741; 口，Д2 — светодиоды, излучающие красный свет в монтажном хомутике； Ji~J4 — крупноразмерные однополюсные штепсельные клеммы； /б — телефонное гнездо； В、勺一батареи на 9 В для транзисторных радиоприемников; 8з ——четыре последовательно соединенных элемента по 1,5 В (для карманных фонарей) в держателе; гнезда (4) для ИС в миниатюрных корпусах типа DIP; часть перфорированной платы типа 3677 фирмы Vector： зажимы (3) для батарей на 9 В, применяемых в транзисторных радиоприемниках; держатель на 4 батарейных элемента, собранный с вышеуказанными зажимами; миниатюрный шарнирный рычажный переключатель типа SPST; миниатюрный шарнирный рычажный переключатель типа 3PST, шасси и корпус.

бл'ижается к сбалансированному и напряжение приближается к нулю, можно использовать показания прибора.

Питание схемы обеспечивается парой обычных батарей на 9 В для транзисторных радиоприемников. Они вырабатывают напряжения VCc и Vee, требуемые операционными усилителями. Для питания схемы внешнего моста можно использовать набор1 из четырех последовательно соединенных элементов, используемых для питания устройств «светового пера》.

Усилитель с большим коэффициентом усиления

Схема усилителя с большим коэффициентом усиления показана на рис. 22.5. Хотя он представляет собой настоящий инструментальный усилитель, его характеристики относительно невысоки из-за выбранных типов операционных усилителей и резисторов. В спецификации к схеме указаны некоторые варианты, с помощью которых можно повысить характеристики ценой некоторых дополнительных затрат на составные части. Однако усилитель, показанный на рисунке, с каскадами на схемах типа 741 также имеет довольно хорошие характеристики. Вы можете сконструировать его таким образом, чтобы для операционных усилителей были предусмотрены специальные гнезда в расчете на восьмивыводные миникорпусы с двухрядным расположением выводов, а затем вставить ИС типа 741 и испытать усилитель. Такие ИС дешевы и широко распространены. Если характеристики усилителя вас не удовлетворяют, то замените эти ИС на более дорогие операционные усилители высшего качества, имеющие те же выводы (соответствующие так называемому промышленному стандарту).

Схемы Уь У2, Уз соединены так, что они образуют классическую конфигурацию инструментального усилителя. Они формируют входную часть схемы. Между прочим, именно в этих каскадах в большинстве усилителей с большим коэффициентом усиления возникают неприятности. Если в этой части схемы появляются шумовые напряжения или напряжения дрейфа, то они будут усилены последующими каскадами с большим коэффициентом усиления. Коэффициент ослабления синфазной составляющей в этой схеме максимизируется потенциометром R&. Каскад У《 ——это просто инвертирующий усилительный блок с коэффициентом усиления, равным 10 или 27, в зависимости от положения переключателя S2.

Последние три каскада спроектированы в соответствии с теми же идеями, что и подобные каскады в усилителе со средним значением коэффициента усиления на рис. 22.1. В усилителе У5 предусмотрена регулировка с помощью подстроечного потенциометра, позволяющая свести к нулю накопленный эффект смещений по постоянному току, возникающих в усилителях У1—У5. Может показаться, что эта регулировка работает как

управление смещением, но это не так, потому что она размещена внутри прибора как регулировка нуля. Кроме того, управление смещением должно осуществляться в выходном каскаде. В нашей схеме управление смещением выхода осуществляется потенциометром R21 в усилителе У7. Каскад Ле предназначен для управления чувствительностью, его коэффициент усиления можно менять от нуля до единицы. Коэффициент усиления всего усилителя определяется формулой

(22.12)(22.12)I 2K2 \ &R10 Н〃Н К】］К17

(22.12)

(22.12)

十员丿•瓦瓦

曰 при выбранных мной значениях и при максимальном сопротивлении

(22ЛЗ)(22ЛЗ)4 = 21・4・(27 или 10)・1 =2268 или 840.

(22ЛЗ)

(22ЛЗ)

Переключатель S3 предназначен для подключения конденсатора емкостью 0,47 мкФ параллельно резистору R5, чтобы усиление каскада по переменному току можно было уменьшить на высоких частотах. В результате получается фильтр нижних частот, который используется для подавления шумов и высокочастотных паразитных наводок, наложенных на входной сигнал.

Процедура регулировки

Прежде всего установите органы управления следующим образом: потенциометры Rg, Ri* Rd и Л21 — в среднее положение, переключатель Si — в положение ВЫКЛЮЧЕНО, переключатель S2 — в положение БОЛЬШОЕ УСИЛЕНИЕ, а переключатель S3 должен быть разомкнут, при этом конденсатор Сз исключен из схемы.

Процедура состоит в следующем:

Включите Sn и оставьте прибор прогреваться в течение 15 мин.

Отрегулируйте потенциометр R21 так, чтобы напряжение в точке А было равно нулю (± 10 мВ).

Соедините гнезда Ца и Jib между собой.

Между точкой соединения гнезд /» и 厶в и землей включите источник сигнала 1 В, 100 Гц.

Подключите вертикальный вход осциллографа к точке В.

Отрегулируйте R8 так, чтобы сигнал, отображенный на экране осциллографа, имел минимальную амплитуду. Повторите эту регулировку последовательно при меньших диапазонах осциллографа до тех пор, пока дальнейшее уменьшение сигнала не станет невозможным.

Отключите осциллограф и источник сигнала.

电ме以енит丛0

4口 kUm

11

I{

1 r2 ］自 ЮкОм

Ц—1

饱

幺勿分f

© 纱。 0< 0

Отрегулируйте потенциометр Rm так, чтобы напряжение в точке В было равно нулю (±10 мВ).

Удалите перемычку между гнездами J” и Jib-

После этого усилитель готов к работе. Если какой-либо из этих шагов выполнить не удалось, то, вероятнее всего, вы что- то напутали в процедуре или в схеме и тогда их необходимо проверить. Если это случится, не расстраивайтесь, потому что почти нет таких людей, которые при разработке устройств на операционных усилителях не попадали бы время от времени в пиковое положение.

Всякий раз, когда создается усилитель с большим усилением, вероятность возникновения различного рода затруднений весьма велика. Параметры и другие факторы, не играющие особой роли в усилителях с малым усилением, вдруг приобретают решающее значение, когда мы пытаемся получить высокое усиление.

Использование надлежащих способов расположения элементов необходимо для всех усилителей, но в усилителях с большим коэффициентом усиления, особенно если используются операционные усилители высшего качества (т. е. высокочастотные), этот фактор является решающим для достижения успеха. Старайтесь отделить усилители У】и У2 от каскадов У5, Уб и У7, имеющих большое усиление. Имейте в виду, что при коэффициентах усиления 2000 и более наводки величиной в несколько милливольт в усилителях У1 и У2 могут привести к насыщению усилителя У7.

Если окажется, что шумы, искажающие слабые сигналы, слишком велики, попытайтесь подобрать хорошие экземпляры из обычных схем типа 741 или купите схемы высшего качества из серии 741, например СА6741 фирмы RCA. Можно также использовать какую-либо из выпускаемых большинством фирм малошумящих схем с высокой скоростью нарастания импульсной характеристики. Следует, однако, иметь в виду, что при этом вероятнее всего потребуются конденсаторы для частотной компенсации. Кстати, подбор может быть несколько утомителен, но вероятность успеха при этом довольно велика, так как в уровнях шума схем 741 существует довольно большой разброс.

Рис. 22.5. Усилитель с высоким коэффициентом усиления.

Перечень элементов схемы: все резисторы углеродистые, с номинальной мощностью 0,26 Вт и точностью 5% или более. Если желательны более высокие характеристики, используйте прецизионные или тонкослойные металлнзнроваиные резисторы с точностью 1 или 级，помеченные знаком; У1—У7 — операционные усилители типа 741 в миниатюрном корпусе типа DIP (если требуются высокие характеристики, усилителями У〔一Уз могут быть ИС типа 741 высшего качества, а усилителем Уч — ИС типа 1456 или ИС типа 741 высшего качества); Cf и С?— на рабочее напряжение 25 В； Сз — миларовый пленочный, рабочее напряжение 25 В или более; Vcc=7; Vee=4;八一厶一телефонные гнезда 6 мм;

7 гвезд для ИС в миниатюрных корпусах типа DIP; модуль EFP фирмы Vector; перфо-рированная плата 3677-2DP фирмы Vector.

Многоцелевая дифференцирующая схема

Дифференцирующая схема—это устройство, которое вырабатывает выходное напряжение, пропорциональное производной или мгновенной скорости изменения входного сигнала. В большинстве применений, где встречается дифференцирующая схема, она подключается к выходу прибора, который воспринимает сигнал от источника. Например, физиолог для выделения артериальных колебаний животного может использовать датчик давления. Этот сигнал можно подать на дифференцирующую схему для получения сигнала dp/dt. Бывает также, что инженеру нужно получить информацию об ускорении и скорости из эксперимента, в котором сигнал о положении объекта вырабатывается потенциометром. Из физики известно, что при движении вдоль некоторой оси (обозначаемой через х) скорость представляет собой первую производную положения, а ускорение ——это первая производная по времени от скорости, т. е. вторая производная по времени от положения. Таким образом, V=dx/dt и A = dvldt. Если мы пропустим сигнал положения, вырабатываемый потенциометром, через дифференци-

Пищание6Пищание6*1 /初堂。 :*1 /初堂。 :22220мкФ220мкФ-° Земля-° Земля0沙1丿0沙1丿R$R$Рис. 22.6. Практическая дифференцирующая схема на операционных усилителяхРис. 22.6. Практическая дифференцирующая схема на операционных усилителяхПеречень элементов схемы если не оговорено противное, все резисторы углеродистые с номинальной мощностью 0,25 Вт и точностью 5%. Можно использовать резисторы более высоких классов точности, но это не намного улучшит характеристики устройства; Ri ——потенциометр с линейным изменением сопротивления, смонтированный на передней- панели, &, ^7 — подстроечные потенциометры, смонтированные на передней панели, рабочее напряжение всех конденсаторов 25 В или более, G—Сз — дисковые типа NPO; С4 — дисковый типа NPO или миларовый пленочный; С§, Се — миларовые пленочные; &, Се — электролитические； У〔，У2 — ИС типа 741 в миниатюрном корпусе типа DIP; Уз — ИС типа 1458 в миниатюрном корпусе типа DIP;厶一h — телефонные гнезда; 5i — поворотный типа SP/61, 52 — шарнирный рычажный типа DPST; модуль EFP фирмы

Пищание

6

Пищание

6

*1 /初堂。 :

*1 /初堂。 :

2

2

220мкФ

220мкФ

-° Земля

-° Земля

0沙1丿

0沙1丿

R$

R$

Рис. 22.6. Практическая дифференцирующая схема на операционных усилителях

Рис. 22.6. Практическая дифференцирующая схема на операционных усилителях

Vector; перфорированная плата 3677-2DP фирмы Vector.

рующую схему, то получим сигнал скорости, и если его пропустить через вторую дифференцирующую схему, то мы получим сигнал ускорения. На рис. 22.6 показана дифференцирующая схема с разными постоянными времени, что позволяет осуществить дифференцирование большого числа различных сигналов.

В этой книге и в большинстве других книг по операционным усилителям вы встретите основную дифференцирующую схему на операционных усилителях, в которой используется инвертирующий вход усилителя. Такая схема хорошо работает в устройствах с фиксированной постоянной времени, но в устройстве с несколькими постоянными времени ее характеристики сильно ухудшаются.

В первом варианте этой схемы, которая разрабатывалась для одного физиолога, я обнаружил, что схема имеет тенденцию к самовозбуждению при некоторых положениях потенциометра R，. Это происходило тогда, когда использовалась классическая дифференцирующая схема на операционном усилителе с инвертирующим входом. По-видимому, фазовый сдвиг RC- цепи и фазовый сдвиг на 180°, присущий инвертирующему входу, в совокупности приводят к тому, что на некоторых частотах в пределах частотного диапазона операционного усилителя- полный фазовый сдвиг получается равным 360°. Классический способ борьбы с этим явлением состоит в том, чтобы включить последовательно с входным конденсатором резистор, сопротивление которого достаточно велико. Оказывается, однако, что такой способ хорош только в том случае, если диапазон значений сопротивления Ri невелик. Если же значение емкости на входе меняется, то опять-таки возникает самовозбуждение.

Единственный эффективный способ обеспечения работы в нескольких диапазонах — это использование усилителя с единичным усилением и неинвертирующим входом, показанного на схеме. Благодаря этому усилителю самовозбуждение устраняется при любых положениях переключателя диапазонов и при любых значениях сопротивления R「

Собственно дифференцирующая схема —это RC-цепь, &— С6 и Аз Другие каскады (У1 и У2) являются развязывающими, предназначенными для обеспечения устойчивой работы. Кроме того, имеется каскад управления чувствительностью (УЗА) и выходной буферный каскад, в котором осуществляется управление положением (постоянной составляющей) выходного сигнала.

Все ИС, используемые в этой схеме, представляют собой операционные усилители типа 741, по крайней мере устройства класса 741 (т. е. ИС типа 1458). Они вполне подходят для тех диапазонов постоянных времени, которые устанавливаются переключателем Si. Использование устройств с большой скоростью нарастания импульсной характеристики только услож-

няет дело. Они в большей степени склонны к самовозбуждению, так как имеют гораздо большее значение произведения коэффициента усиления на ширину полосы пропускания. Это способствует возникновению тех явлений, из-за которых мы отказались от инвертирующего входа в дифференцирующих схемах.

Заметим, что коэффициент усиления прибора невелик и регулируется всего лишь в диапазоне от 0 до 5. Причина этого состоит в том, что входные сигналы, как правило, имеют высокий уровень, так как они вырабатываются другими приборами. Фактически большинство приборов имеет диапазон выходных сигналов от 0 до 1 В или 0 до 10 В. Поскольку дифференцирующая схема обычно ставится на выходе такого прибора, то большого усиления от нее не требуется. В действительности слишком большое усиление может привести к неприятностям при работе с входными колебаниями, имеющими крутые фронты.

Постоянная времени КС-цепи, задаваемая переключателем Si, имеет следующие значения:

Положениепереключателя $Положениепереключателя $12 3 4 5 612 3 4 5 6T=RG

Положениепереключателя $

Положениепереключателя $

12 3 4 5 6

12 3 4 5 6

50 мкс

100 мкс

500 мкс

мс

мс

100 мс

(в последнем положении переключателя Т максимально; по сравнению с ним значения Т для остальных положений практически равны нулю).

Имейте в виду, что эти значения только номинальные, реальные значения могут быть другими из-за разброса действительных значений емкости. Обычно емкость наугад взятых конденсаторов лежит в пределах ±10% номинала, а для некоторых из них отклонение может достигать ±20%. Далее, емкость конденсаторов & и С3 принята равной 47 и 470 пФ, потому что эти значения являются стандартными, и такие конденсаторы легко достать. Для того чтобы диапазоны действительно согласовывались с градуировкой, попытайтесь достать конденсаторы с номиналами 50 и 500 пФ.

Во всяком случае, если в вашем распоряжении имеется хороший прибор для измерения емкости нли LC-мост Уитстона (с этой целью можно обратиться в какое-нибудь техническое учебное заведение), то вы можете реализовать гораздо более точные значения постоянной времени. Для этого надо вручную отобрать конденсаторы из группы с соответствующим номиналом. Между прочим, для большинства экспериментов не страшно, если действительная постоянная времени несколько отличается от номинальной.

To

^H

Рис 22.7. Сигналы в дифференцирующей схеме. Постоянную времени Т РС-це* пн обычно выбирают равной 1/10 периода входного сигнала.

Процедура регулировки

Установите органы управления следующим образом: Si — в положение 6, S2 —в положение ВЫКЛЮЧЕНО,瓦一на мак* симальное сопротивление, Аз и R? — в среднее положение.

Процедура заключается в следующем:

Подключите провод питания к гнезду /з-

Поставьте переключатель S2 в положение ВКЛЮЧЕНО и подождите 15 мин, пока аппаратура прогреется.

Соедините гнездо /1 с землей.

Подключите вольтметр или осциллограф, воспринимающий сигналы постоянного тока, к гнезду /2

Отрегулируйте потенциометр R? так, чтобы напряжение на гнезде J2 было равно нулю (±10 мВ).

Проверьте, как выполняется дифференцирование. Для этого подайте на вход прямоугольное колебание (меандр); тогда на осциллографе, подключенном к выходу, должна появиться кривая, показанная на рис. 22.7. Качество дифференцирования будет зависеть от частоты меандра (она должна быть менее 400 Гц) и установки S3 Постарайтесь отрегулировать постоянную времени RC-непи с помощью R，и S( так, чтобы она была примерно равна Vio периода входного меандра.

Обычно в калибровке выхода дифференцирующей схемы нет необходимости. В большинстве приложений требуются только относительные значения производных, о которых можно судить по форме кривой. Однако, если вы хотите получать численные значения, потребуются те или иные средства для калибровки.

Многие пользователи калибруют дифференцирующую схему с помощью пилообразного напряжения на входе. Оно может быть получено с помощью генератора треугольного колебания или генератора линейно-изменяющегося напряжения. С по-

мощью осциллографа необходимо определить скорость нара* стания пилообразного сигнала. Отрегулируйте амплитуду и частоту пилообразного сигнала так, чтобы он заполнял большую часть экрана, и определите величину наклона в вольтах на единицу времени. Эта величина может быть определена по напряжению, соответствующему отклонению вдоль вертикальной оси, и времени, соответствующему отклонению по горизонтальной оси.

Если на вход дифференцирующей схемы подать линейно- изменяющееся напряжение, то напряжение на выходе будет постоянным. Это объясняется тем, что график линейно-изме- ^няющегося напряжения имеет постоянный наклон.

Если наклон известен, то можно определить коэффициент пропорциональности между выходным напряжением данной дифференцирующей схемы и производной напряжения на ее входе. При измерении параметров входных и выходных сигналов масштабы вертикальной и горизонтальной осей изменять не нужно. Наиболее высокую точность калибровки можно получить, если проверить шкалу в нескольких точках, используя линейно-изменяющиеся напряжения с различными наклонами.

Широкополосный усилительный блок

Усилитель, показанный на рис. 22.8, представляет собой широкополосный усилительный блок, предназначенный для включения между выходом некоторых электронных приборов и входом регистрирующих или индикаторных устройств, таких, как ленточные самописцы или осциллографы. Предполагается, что прибор, являющийся источником сигнала, имеет сравнительно низкий уровень сигнала на выходе, который не согласуется с требованиями к входным сигналам, предъявляемыми индикаторными устройствами. В таких случаях, если не предусмотреть усилительного блока, изображение будет слишком мало и такую систему нельзя будет использовать.

Ядром нашей схемы является операционный усилитель САЗ 140 фирмы RCA. Он принадлежит семейству Би-МОП операционных усилителей. В этих усилителях во входных цепях для повышения входного импеданса используются полевые МОП- транзисторы с диодной защитой, а на выходе для удовлетворения других требований, предъявляемых к операционным усилителям, используется биполярный транзистор. Этому операционному усилителю при рабочих напряжениях питания Vcc и Vee, равных ±5 В, присущи сравнительно малые шумы, а его частотная характеристика несколько лучше, чем у схемы 741. Еще более низкие уровни шума обеспечивают операционные усилители серии биполярных полевых устройств типа LM.-150, выпускаемые фирмой National Semiconductor. Усилительный блок сконструирован в корпусе типа 2901 фирмы Pomona.

fh

Рис. 22.8. Широкополосный усилитель.

Перечень элементов схемы; R, R с номинальной мощностью 0,25 Вт; R? — потенциометр С линейным изменением сопротивления, смонтированный на передней панели; Яз — подстроечный потенциометр, смонтированный на печатной плате; Сь С2 — на рабочее напряжение 20 В или более; Сз, С4 — на рабочее напряжение 16 В нли более; /〔，/2 — штепсельный разъем, смонтированный на шасси; 7з — разъем типа Amphenol 126-197 (необходима также сопряженная часть тнпа 126-196); У1 — операционный усилитель типа СА3140 фирмы RCA; небольшая часть перфорированной платы фирмы Vector с предварительно нанесенным рисунком печатных проводников; корпус тнпа 2901 фирмы Pomona.

Установите два разъема на противоположных сторонах корпуса так, чтобы сделать удобный кабель питания. Советую использовать батарейное питание.

Процедура регулировки

С помощью кабеля подключите разъем /】к прибору, служащему источником сигнала, и убедитесь, что сигнал отсутствует. В противном случае между точкой Л и землей включите резистор 1000 Ом.

Подключите осциллограф, воспринимающий сигналы постоянного тока, к разъему J^ Откалибруйте осциллограф так, чтобы было точно известно положение линии нуля напряжения.

Подключите питание к разъему /з； установите R》на максимальное сопротивление.

Отрегулируйте потенциометр R3 таким образом, чтобы напряжение на выходе было равно нулю (±10 мВ). Возможно, для этого придется начать с диапазона, в котором осциллограф имеет небольшое усиление, а затем последовательно переключать диапазоны, увеличивая усиление и устанавливая нуль напряжения в каждом диапазоне.

Рис. 22.9. Предусилитель сигналов датчика.

Перечень элементов схемы： точность всех резисторов 1、％; по возможности используйте малогабаритные резисторы; С2 — на рабочее иапряжеиие 10 В или более; У】—операционный усилитель типа СА314 фирмы RCA (можно использовать ИС типа 741 с малыми смещениями)； Ui — стабилизатор типа LM309H иа 5 В в корпусе типа ТО-5; Д1 — зенеровский диод типа HEPZ0409 или эквивалентный на 6,8 В; /1 — узел сопряжения с датчиком, смонтированный иа шасси; /2 — разъем типа Amphenol 126-197 (необходима также сопряженная часть типа 126-196); Fj — миниатюрный плавкий предохранитель； небольшая часть перфорированной платы типа 3677-2DP фирмы Vector； корпус типа 2417 фирмы Pomona.

Подайте сигнал на вход усилителя (если использовался резистор 1000 Ом, отключите его) и проверьте усиление.

После этого универсальный усилительный блок готов к работе.

Предусилитель сигналов датчиков

При экспериментальных исследованиях в биологии, а также при решении некоторых задач в условиях -производства часто используют тензодатчики с мостами Уитстона, которые вырабатывают электрические сигналы, зависящие от некоторых физических или биологических параметров. Природа датчиков- такова, что они вырабатывают очень малые дифференциальные сигналы, даже при больших величинах входных воздействий.

Обычно на практике выход тензодатчика подключают к усилителю, подобному тем, которые мы обсуждали в гл. 1L Однако такие усилители довольно дороги, и из-за этого многие стараются обойтись без промежуточного усилителя и подавать сигнал прямо на осциллограф или ленточный самописец. На рис. 22.9 показан недорогой усилитель сигналов датчика, который может пригодиться тем, кого недостаток средств заставляет искать обходные пути решения задачи.

Этот предусилитель не был предназначен для публикации. Я разработал его для одного физиолога, которому нужно было 362

наблюдать выходные сигналы величиной 50 мкВ от датчика смещения Грасса на старом осциллографе фирмы Tektronix.

Схема этого устройства не представляет особого интереса. Это операционный усилитель САЗ 140 фирмы RCA, включенный в схему простого дифференциального усилителя постоянного тока. Этот операционный усилитель выбран из-за малого напряжения смещения, что позволило избежать необходимости применения потенциометра регулировки коэффициента ослабления синфазной составляющей. Вполне возможно, однако, что вы найдете схему 741 с малым смещением, хотя при этом, может быть, придется перепробовать не один экземпляр, пока найдется хороший. Коэффициент усиления схемы примерно равен 67. Это почти предел того, что можно получить в данной схеме. При более высоком усилении возникнут проблемы, связанные со смещением. Если требуется дополнительное усиление, подключите этот усилитель к другому подобному усилителю со средней величиной коэффициента усиления, рассмотренному ранее в этой главе.

Если питание датчика желательно осуществлять от отдельной батареи на 6 В, то для этого можно использовать разъем Л?・ Однако в нашем случае используется трехвыводной стабилизатор LM309H на 100 мА, 5 В, который понижает напряжение питания Vcc (+) со значений 9 В — 15 В до значений порядка 5 В, воспринимаемых датчиком.

Для защиты датчика используется зенеровский диод Дь Большинство промышленных тензодатчиков выдерживают напряжение в диапазоне от 5 до 8 В. Если в схеме LM.309H возникнет короткое замыкание или по какой-либо причине нарушится контакт с землей, то напряжение, приложенное к датчику, возрастет до полного значения и вызовет серьезные повреждения. Зенеровское напряжение диода Д1 выбирается таким образом, чтобы оно лежало в пределах между нормальным уровнем на выходе Q и максимальным напряжением, которое

Рис. 22.10. Предусилитель сигналов датчика, смонтированный иа датчике.

выдерживает датчик. В нашем случае используются диоды на 6,8 В. Когда напряжение поднимается выше напряжения пробоя, диод пробивается и закорачивает линию питания датчика. В результате предохранитель 尸工 перегорает. Это грубый метод защиты, он подобен методу защиты с использованием схемы на тиристоре.

Одной из особенностей этого предусилителя является то, что он сконструирован в корпусе типа 2417 фирмы Pomona, установленном прямо на датчике (рис. 22.10). Этот предусилитель был предназначен для использования с датчиком Грасса, поэтому в качестве 乙 был взят устанавливаемый на шасси разъем WK-21C-5/16 фирмы Cannon. Сопряженная часть разъема смонтирована на датчике. Схему усилителя удалось разместить на небольшой части перфорированной платы и смонтировать в вертикальном положении внутри корпуса.

Универсальный (почти универсальный) предусилитель

По-ввдимому, одним из самых распространенных устройств в любой лаборатории является предусилитель с большим усилением, входные разъемы которого сконструированы таким образом, что устройство легко можно подключить к проводам или к электродам. Схема такого предусилителя показана на рис. 22.11.

Биопотенциалы, получаемые от живых организмов, обычно бывают очень маленькими, поэтому уровень сигналов, наблюдаемых исследователями, мал. Величины этих уровней лежат в пределах от 10 мкВ до 100 мВ.

Наш усилитель приспособлен для усиления сигналов, соответствующих нижней части этого диапазона, так как коэффициент усиления усилителя лежит в пределах от нуля до 9000 или более в зависимости от положения переключателя S2.

Однако для целей регистрации биопотенциалов деятельности, лежащих в районе 100 мВ, его усиление чрезмерно велико. В нижнем положении переключателя S2 напряжение на выходе равно 0,1 -2600, или 260 В. Очевидно, что такое напряжение выходит за пределы динамического диапазона операционных усилителей, использованных в схеме. Если требуется регистрировать биопотенциалы деятельности или какие-нибудь другие подобные сигналы, то необходимо изменить значение некоторых резисторов во входных каскадах схемы. Коэффициент усиления усилителя определяется выражением

4 = ( 1 +符)翳星吧^睜融.能 (22.14)

Усиление предусилителя будет высоким, когда сопротивление ®з равно 10 кОм. При этом коэффициент усиления каскада

У44 равен 10. На порядок меньший коэффициент усиления получается тогда, когда значение этого сопротивления повышается до максимального значения сопротивления R垃,т. е. в данном случае 100 кОм. С другой стороны, то же самое можно сделать путем уменьшения значений R& и (Rr+Rs)-

Входные разъемы устройства представляют собой однополюсные штепсели или контактные гнезда. Благодаря этому усилитель можно подключить к целому ряду различных электродов или датчиков.

Выходной разъем, записанный в спецификации к схеме, был выбран мной по одной простой причине: он подходил для моих целей и был у меня среди запасных деталей, так что его не нужно было покупать. Если потребуется, то вы можете выбрать другие разъемы.

Процедура регулировки

Процедура регулировки для нашего устройства во многом та же, что и для любого другого классического инструментального операционного усилителя. Однако из-за высокого усиления регулировку коэффициента ослабления синфазной составляющей можно осуществлять так, как если бы она была регулировкой баланса по постоянному току.

Установите органы управления следующим образом: /?8 и Ri6 ——среднее положение, Rm — на максимальное сопротивление и S2 — в положение 3.

Процедура состоит в следующем:

Соедините между собой гнезда 厶 и Л-

Подключите осциллограф или вольтметр постоянного тока к гнезду /5.

Подключите вольтметр постоянного тока к точке А.

Отрегулируйте потенциометр R&6 так, чтобы напряжение в точке А было равно нулю (± 10 мВ).

Изменяя сопротивление Rm в пределах его диапазона от максимального значения до минимального и обратно, пронаблюдайте, не смещается ли горизонтальная линия на осциллографе.

Отрегулируйте & так, чтобы при повторении шага 5 смещение линии было равно нулю.

Отрегулируйте ®б так, чтобы напряжение на гнезде /5 было равно нулю (±10 мВ).

Удалите перемычку между гнездами /1 и /4.

Заземлите гнездо /4.

Включите сигнал между точкой 厶 и землей. Амплитуда сигнала должна быть равна или 10 мВ, или 1 мВ, в зависимости от выбранного значения 欠旧

Убедитесь, что усиление происходит без искажений.

Отключите источник сигнала и отсоедините гнездо /4 от земли.

J?

4

У1

工力

必г

7

Смещение

ТПЦ4.

том

Заземлите гнездо 厶 и включите источник сигнала между гнездом /4 и землей.

Повторите шаг 11.

Усилитель готов к работе.

Универсальный выходной каскад

Од1на из целей настоящей книги —дать читателю возможность самостоятельно разрабатывать различные электронные приборы. Помочь в достижении этой цели может универсальный выходной каскад, схема которого показана на рис. 22.12. Он действительно довольно-таки универсален, и его можно использовать почти в любом приборе.

Обратите, пожалуйста, внимание на сходство между этой схемой и схемами оконечных каскадов во многих других устройствах, рассматриваемых в этой главе. Наша схема спроектирО' вана по тем же принципам и для тех же целей.

Коэффициент усиления схемы по напряжению определяется соотношением

4 = &/1° кОм,(22.14)

и если сопротивление резистора 火2 выбрано равным 10 кОм, общий коэффициент усиления будет равен единице.

Практически значение сопротивления R2 может доходить до 1 МОм; при этом полный коэффициент усиления будет равен X 100. Однако следует напомнить, что основная доля усиления должна приходиться на другие части схемы. Рассматриваемое в этом разделе устройство должно быть действительно выходным управляемым каскадом, и его усиление должно быть невелико.

Действительным назначением сопротивления R2 является обеспечение возможности согласования с любыми требованиями по входу, которые могут предъявляться другими приборами, и выработка подходящих выходных напряжений. Например, может оказаться желательным изменить масштаб входной

Рис. 22.11. Универсальный предусилитель.

Перечень элементов схемы: Vее изменяется от —12 до —15 В; Vcc изменяется от +12 до +15 В, уменьшение усиления на 6 дБ (по отношению к усилению на частоте 100 Гц) соответствует частоте 13 кГц; если не оговорено противное, номинальная мощность резисторов 0,25 Вт, точность 5% нли более высокая, ^3, /^i6 — подстроечные потенциометры, смонтированные на печатной плате； ^i4 — миниатюрный потенциометр под шлиц, смонтированный на передней панели, Ci, С2 — на рабочее напряжение 16 В или более высокое, Si — миниатюрный шарнирный рычажный переключатель тнпа DPST или DPDT; S2 — поворотный переключатель типа SP3T;厶——черное однополюсное гнездо (на одно направление); /?， ^з — однополюсные гнезда заземления; /4 — красное однополюсное гнездо такое же, как /ь за исключением цвета; /5 — телефонное гнездо или другая деталь, подходящая к вашему оборудованию; /6 — разъем типа 126-197 фирмы Amphenol (необходима также сопряженная часть типа 126-196); Уь У2 — операционные усилители гипа СА3140 фирмы RCA; Уз, Уд — сдвоенные операционные усилители типа МС1458; 4 гнезда для ИС в миниатюрных корпусах типа DIP; небольшая часть перфорированной платы тнпа 3677-2DP фирмы Vector; корпус типа 2901 фирмы Pomona.

10 кОм

иоложецае

Рис. 22.12. Универсальный выходной каскад.

Перечень элементов схемы: резистор R, используется только в том случае, еслн коэффициент усиления До не должен уменьшаться до нуля; 24t；=—R1/R2； Vcc изменяется от +9 до +15 В пост, тока; Vee изменяется от —9 до —15 В пост, тока; если не оговорено протнвиое» все резисторы углеродистые объемные, с номинальной мощностью 0,25 Вт и точвостью 5% (или более точные); R& — подстроечный потенциометр, смонтированный на печатной плате; R7 — потенциометр с линейным изменением сопротивления, смонтированный на передней панели; У1—У3 — операционные усилители типа 741 в миниатюрном корпусе типа DIP (можно использовать другие типы ИС, но при этом может потребоваться изменение номеров выводов нлн внешняя компенсация).

функции напряжения, подвергая ее линейному преобразованию с наклоном 1, 10 или 100, чтобы ее можно было считывать прямо с цифрового вольтметра или ленточного самописца. Кроме того, может оказаться полезным выполнить R2 в виде потенциометра, чтобы масштабные множители можно было делать нестандартными, переменными и т. д.

Единственная отличительная особенность схемы рис. 22.12, которая обычно отсутствует в других проектах, — это регулировка баланса по постоянному току — потенциометр Rs・ Он включается в схему регулировки нуля по постоянному току (в небольшом диапазоне), которая используется для исключения любых смещений, возникающих в предыдущих каскадах, чтобы они не вызвали смещение средней линии сигнала при управлении чувствительностью. Резистор 凡 компенсирует это смещение по постоянному току, так что оно не воздействует на каскад управления чувствительностью. Если эта регулировка выведена на переднюю панель управления, пользователь может исключить любые потенциалы смещения, возникающие в эксперименте; такая ситуация наиболее часто встречается в аппаратуре для биологических исследований.

Процедура регулировки

Установите органы управления следующим образом: R5 и Rio — в среднее положение, a R? — на максимум.

Процедура состоит в следующем:

Заземлите точку А.

Подключите вольтметр постоянного тока г точке С.

Отрегулируйте потенциометр R” так, чтобы напряжение в точке С было равно нулю (±10 мВ).

Подключите откалиброванный осциллограф к точке D.

Изменяйте сопротивление 欠7 в пределах его диапазона от нуля до максимума.

Отрегулируйте сопротивление R5 так, чтобы скомпенсировать любое смещение средней линии сигнала, наблюдаемое при шаге 5.

Повторяйте шаги 5 и 6 до тех пор, пока не будет устранено смещение при изменении R? в полном диапазоне. Заметим, что при больших значениях R2 эта регулировка может быть затруднительной или невыполнимой.

Интегратор

Операционный усилитель может функционировать как интегратор, если на его входе включен резистор, а в цепи отрицательной обратной связи — емкостной накопительный элемент. Интегратор, показанный на рис. 22.13, посторен на основе этой идеи. Напряжение на его выходе равно

Jhx =— 费 JXx或+С.(22.15)

О

В случае рис. 22.13 переменная R представлена резистором /?з (1 МОм), а значение переменной С устанавливается переключателем S2. Множество этих значений представлено рядом

Возможно, этот тип схемы встречался вам ранее в каком- либо учебнике, включая эту книгу и предыдущие книги автора. Проблема состоит в том, что в реальных условиях существуют факторы, осложняющие дело. Классические, обычно изображаемые упрощенные схемы неработоспособны, так как в них подразумевается, что операционные усилители идеальны, а на практике, в реальных условиях это совершенно не так. Как мне кажется, схемы, приводимые в учебниках по операционным усилителям, как правило, не дают читателю всей инфррмации, необходимой для создания работоспособных устройств. Схема, приведенная в этом разделе, поможет преодолеть Ht которые трудности, вызванные упрощенным подходом.

Если взять обычную схему интегратора на операционном усилителе, то мы увидим, что напряжение на его выходе будет

/% 1М0м

'EZZ3—

Hg 41KoM

欲贬

—I1—0 q

~°8

& Iо 7 мКФ 今 \\0,02^Ф Q ' ^OroiмкФ

Q '^ 0,005мкФ

Q '7,05 м2 馥 И ^70 пФ 67 I' ЮОпФ

%()

Dm з ту do 15 В - ло ст -]-„ тома 1

От 9 JT до 15 выпоет Т- тока 一

N0 联.(+)

46g С^?00л1кФ

为勿

-200 мкФ

^е(-)

年 %4①户步

联（丿

16 MsM

нарастать, как только будет подано питание или будет выключен переключатель сброса. Буквально через несколько секунд усилитель войдет в насыщение, и выходное напряжение установится равным своему предельному значению, т. е. напряжению питания Vcc или Vee. Причиной этому нежелательному явлению служит сумма всех тех смещений, которые присущи обычному, реальному операционному усилителю. Они вызывают появление тока заряда конденсатора, причем этот ток не является откликом напряжения на входе.

Скорость нарастания выходного напряжения, вызванного смещениями, определяется постоянной времени RC-цепи, а также величиной и полярностью напряжений смещения. Для компенсации дрейфа используется потенциометр &. С его помощью вырабатывается ток, величина и полярность которого таковы, что позволяют скомпенсировать напряжение смещения. Если смещение сведено к нулю, выходное напряжение будет оставаться постоянным до тех пор, пока на входе не появится сигнал.

Кроме того, уменьшить сложность проблемы позволяет правильный выбор операционного усилителя. Я испытал целый ряд операционных усилителей и убедился, что в параметрах, характеризующих дрейф интегратора, вызванный смещениями, имеется большой разброс. Можно было предвидеть тот факт, что характеристики дрейфа будут наихудшими у схем типа 741, Скорость дрейфа усилителя 741 составляет 4——5 В/с. В результате насыщение интегратора наступает примерно через 3 с (если используется напряжение питания ± 15 В).

Несколько удивительным, однако, является тот факт, что большинство исследованных мной операционных усилителей высшего класса также оказались весьма плохими в отношении дрейфа, причем некоторые из них не лучше самых низкокачественных из серии 741. Были испытаны устройства цА725 разных фирм, и результаты оказались довольно разочаровывающими. Хотя температурный дрейф у этих устройств был вполне приемлемым, в пределах установленных допусков, дрейф интегратора оказался равным примерно 1,5 В/с. Это меньше, чем

Рис. 22.13. Интегратор.

Перечень элементов схемы R5, Rn~ подстроечные потенциометры с линейным изменением сопротивления, R7 — точность 1 % (или 5% для тонкослойного металлизированного); Ri7, R2Q — регулировочные потенциометры с линейным изменением сопротивления, смон- тированньте на передней панели (если, как это часто бывает, допустимо меньшее разрешение по усилению, то можно применить однооборотные потенциометры); Ci—Cs — мила- ровые или более высококачественные; если не оговорено противное, все резисторы тонкослойные углеродистые, с номинальной мощностью 0,25 Вт и точностью 5%; С6—С8 — слюдяные посеребренные или более высококачественные; С9, Сю — на рабочее напряжение 25 В или более; Уь Уз, У4 — операционные усилители типа 741 в миниатюрных корпусах типа DIP, для улучшения характеристик можно применить такие же ИС, как и для У2, У2 — ИС типа СА3140Т или СА3140АН фирмы RCA; Si一переключатель типа SPST, шарнирный рычажный; S2 — поворотный переключатель типа SPHT, S3 — кнопка включения типа SPST с нормально разомкнутыми контактами; S4 — миниатюрный шарнирный рычажный переключатель типа SPST или DPDT; /ь У2 — штепсельные разъемы с одним гнездом, смонтированные на шасси; /з — разъем типа Amphenol MS3102B-14S 5Р, У4 — деталь, сопряженная с /3 в соответствующем корпусе (например, MS-3106B-14S 5).

у схем типа 741, но недостаточно для использования схемы в качестве интегратора. Странно, что лучшим среди имеющихся у меня устройств оказалась недорогая схема САЗ 140AH фирмы RCA. В показанной на рисунке схеме она имела дрейф 0,4 В/с. Несколько позднее, когда я понял, как сделать действительно работоспособный интегратор, я обнаружил, что схема САЗ 140 работает еще лучше (в отношении дрейфа) при пониженных напряжениях и если предусмотрен радиатор. Большинство транзисторных ребристых радиаторов типа ТО-5 подходит также к корпусам операционных усилителей, и это помогает предотвратить дрейф. Работа устройства улучшается также при уменьшении напряжений Vcc и Vee до ±5 В; при этом, правда, уменьшается полный диапазон на выходе.

В действительно тяжелых случаях целесообразно вместо потенциометра & использовать пару последовательно соединенных потенциометров, которые можно пометить надписями «грубо» и 《точно》. Для грубой регулировки потенциометр должен быть со значением 2000 Ом, а для точной — со значением 200 Ом.

Другой вид дрейфа на выходе возникает только тогда, когда ко входу приложен сигнал. По величине он меньше, чем дрейф, рассмотренный выше. Если во входном сигнале есть какая-либо компонента смещения по постоянному току, как это почти всегда бывает, то эта компонента заряжает интегрирующий конденсатор и на выходе наблюдается смещение средней линии сигнала. Это смещение уменьшается благодаря сопротивлению Rh, подключенному параллельно конденсаторам.

Для установки интегратора на ноль предусмотрено реле К,. Когда замкнут кнопочный выключатель S3, реле срабатывает и разряжает конденсатор, выбранный с помощью переключателя S2. Для подавления индуктивного импульса, возникающего при размыкании кнопки S3, предусмотрен диод Дь

Выбор подходящего значения емкости зависит от частоты входного сигнала, который необходимо интегрировать, и от допустимой максимальной амплитуды на выходе. Вообще чем выше частота на входе, тем меньшее значение должна иметь емкость С. В приборах для научных исследований чаще всего встречаются такие частоты, для которых требуемые значения емкости лежат в пределах от 0,001 до 0,1 мкФ, причем наиболее часто выбирается значение 0,01 мкФ.

Если выбрано слишком малое значение емкости, то выходной сигнал будет сильно искажаться. Рассмотрим выражение (22.15). Постоянный множитель (1/RC) перед интегралом имеет разные значения: от 10 в положении 8 до 22 000 в положении 1, в зависимости от выбранных значений сопротивления (1 МОм) и емкостей. Ясно, что из-за этого может произойти насыщение усилителя даже при малых амплитудах входных сигналов.

По этой причине в схеме предусмотрен входной аттенюатор, Если при выбранном значении емкости входной сигнал слишком велик, то с помощью аттенюатора его можно уменьшить, ■а затем уже подать на вход интегратора.

Рассматриваемая схема работает как интегратор в диапа^ зоне от частоты постоянного тока до 100 кГц. На более высоких частотах из-за естественного спада частотных характеристик операционных усилителей типа 741, использованных в ■большинстве каскадов, происходит сильное ослабление сигнала, которое не всегда нежелательно, особенно при высоких значениях множителя постоянной времени.

Одним из свойств интегратора является то, что он работает как фильтр нижних частот. Использование емкости в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя приводит к тому, что высокие частоты передаются обратно на вход в большей степени, чем низкие. Это означает, что они ослабляются в большей степени, чем низкие частоты. Обычно можно найти подходящее положение переключателя S2, при котором нежелательные высокочастотные компоненты выходного сигнала ослабляются, но свойства схемы как интегратора не проявляются. Большое значение при этом имеет правильный выбор постоянной времени (/?С)-интегратора.

Процедура регулировки

Установите органы управления следующим образом: Si и S4 ——разомкнуты; S2 — в положение 11; R5, Rm и 公20 — в среднее положение и R17 — на максимальное сопротивление.

Процедура состоит в следующем:

Включите S4 и дайте аппаратуре прогреться в течение 15 мин. Не волнуйтесь, если выходное напряжение возрастет до максимума и вам покажется, что схема войдет в насыщение (на самом деле это, конечно, так, но на данном этапе это неважно) .

Отрегулируйте R20 так, чтобы напряжение в точке А было равно нулю (±10 мВ).

Отрегулируйте Ли так, чтобы напряжение в точке В было равно нулю (±10 мВ). '

Отрегулируйте 辰5 так, чтобы напряжение в точке С было равно нулю (±10 мВ).

На гнездо Ji подайте прямоугольное колебание (меандр) 1 В, 100 Гц (частота не очень существенна).

С помощью осциллографа убедитесь в налачии сигнала на выходе.

Отключите источник сигнала; переведите S2 в положение 8 и заземлите гнездо Л.

Нажмите кнопку установки нуля S3.

Если на осциллографе наблюдается смещение выходного

74

OHHHU

сигнала (при масштабе 1 В/см) при выполнении шага 8, отрегулируйте R5 так, чтобы скомпенсировать это смещение.

Ю. Повторяйте шаги 8 и 9 до тех пор, пока не будет заметно дальнейшее улучшение. Небольшое смещение допустимо при условии, что при отпущенной кнопке S3 линия на экране стабильна. Это смещение можно скомпенсировать регулировкой положения, и оно поэтому не страшно

Уменьшите R^ до нуля, а затем верните его обратно на максимум

Если на шаге 11 возникает смещение линии, отрегулируйте Ra так, чтобы скомпенсировать его.

Повторяйте шаги 11 и 12 до тех пор, пока дальнейшее улучшение не станет невозможным.

Удалите перемычку со входа и приложите меандр 1 В, 10 Гц к гнезду 八.

Колебание на выходе должно быть треугольным. Если заметно ограничение сигнала, замкните переключатель & и снова проверьте форму колебания. При установке переключателя S2 на малые емкости усиление интегратора будет настолько большим, что треугольное колебание из-за клиппирования будет превращаться в прямоугольное Этого можно избежать путем правильной установки переключателя S2.

«Универсальный» источник питания 1

На рис. 22.14 показана схема источника питания общего назначения. Она особенно полезна при разработке и макетировании электронных схем, включающих транзисторы, цифровые логические интегральные схемы, линейные интегральные схемы и операционные усилители, В ней вырабатываются постоянные напряжения 5 В при токе 1 А и ± 15 В при токе 1 А Тем, кто уже знаком со сложными источниками питания, схема может показаться слишком простой, но она сделана такой умышлен-

Рис 22 14 Универсальный источник питания 1

Используются только тогда когда нагрузка удалена от источника на большое расстоя ние В этом случае конденсаторы подключаются к проводу питания со стороны нагруз ки В противном случае емкость конденсаторов должна быть равна 1 мкФ для источ ника 土 15 В и 2 2 мкФ для источника 5 В Перечень элементов схемы /(—/4 — крупно размерные однополюсные штепсельные клеммы на 5 направлений (/, и /4 — красные а /2 H /з — черные) /д — штепсельный разъем (вилка) сети переменного тока смонтиро ванный на шасси В\—Вз — мостовой выпрямительный набор пиковое обратное напряже лис 200 В ток i А (или более высокие характеристики) Ui U2 — трехвыводнои стаби лизатор напряжения на 15 В LM340K 15 (также применима ИС МС7815)5 — трехвы

водной стабилизатор напряжения на 5 В LM340K 5 Тр】Трг на 25 В (действующее зна чение) 2 А Трз на 12 5 В (действующее значение) 1 2 A Fi ——плавкий предохраните ib на i А держатель предохранитетя смонтирован на шасси S! — шарнирный рычажный переключатель типа SPST на 3 А корпус LMBC07 или более высококачественный & С2, G Сб — на рабочее напряжение 50 В С3 以 G С8 — на рабочее напряжение 25 В же латсльно чтобы конденсаторы были высококачественными использование низкосортных (дешевых) электролитических конденсаторов может привести к заметному ухудшению работы источника питания

Рис. 22.15. Универсальный источник питания 2.

но с тем, чтобы читатели могли ее скопировать. Выпрямители представляют собой четырехдиодные мостовые наборы. Использование наборов упрощает не только проектирование, но и конструкцию устройства. В качестве мостовых наборов и электролитических конденсаторов большой емкости обязательно выбирайте высококачественные компоненты. В прототипе использовались конденсаторы фирм Sprague и Mallory и серии ECG-160 фирмы Sylvania, а также мосты типа НЕР.

Стабилизаторы представляют собой трехвыводные ИС в корпусах типа ТО-3. Предусмотрен достаточно большой радиатор. Оба стабилизатора в цепях положительных напряжений (+5 В и +15 В) смонтированы на общем радиаторе, а стабилизатор ——15 В смонтирован на своем собственном радиаторе и изолирован от шасси. В качестве стабилизаторов выбраны ИС типа LM309K для источника 十5 В и ИС типа LM340-15 для источников ±15 В. Они рассчитаны на 1 А, но ради того, чтобы избежать риска, было решено использовать радиатор и силиконовую смазку (для передачи тепла) между устройством и его креплением. Причина выбора стабилизаторов серии LM весьма специфическая: они были в моих запасах деталей. Важно, чтобы весь монтаж цепей низкого напряжения был выполнен проводом сечением 0,7——1 мм2 или более толстым проводом. Более того, шина земли должна быть сделана из провода сечением 2—3 мм?. В последнем случае, если какой-то провод и может оказаться «слишком толстым», то только в механическом отношении.

«Универсальный» источник питания 2

Если вы сможете достать стабилизаторы для цепей отрицательного напряжения, то используйте их в источниках отрицательного напряжения (рис. 22.15).

Источник питания + 5 В на большие токи

Современные микрокомпьютеры и другие большие ТТЛ-системы потребляют чрезвычайно большие токи при напряжении +5 В постоянного тока. Кроме того, для большинства таких

Рис. 22.16. Источник питания 十5 В на большие токи.

Перечень элементов схемы： если не оговорено противное, номинальная мощность всех резисторов 0,5 Вт； R3—подстроечный потенциометр； С\ — на рабочее напряжение 25 В или более; Съ Сз, Cs, С6 — на рабочее напряжение 15 В; С4 — на 1 кВ, дисковый керамический; Дт ' смонтированный иа шасси мостовой выпрямитель на пиковое обратное напряжение 50 В и ток 25 А; Д2 — зенеровский диод, 5,6 В, i Вт; Д3 — КУВ иа пиковое обратное напряжение 50 В и ток 25 A; Q【一транзнстор 2N3771 или эквивалентный； Q?— транзистор 2N706 или эквивалентный; Ui — ИС MC1469R или HEPC6049R; Fi — плавкий предохранитель иа 14 А, безынерционный; большой радиатор для Q【и меньший по размерам для Д1.

систем требуется, чтобы напряжение источника питания лежало в пределах 5 В土5%, т. е. в диапазоне от 4,75 до 5,25 В. Как правило, чем ближе оно к значению +5 В, тем лучше работает схема. Схема на рис. 22.16 вырабатывает напряжение +5 В при токе 10 А.

Тр представляет собой накальный трансформатор на 6,3 В переменного тока с номинальным током вторичной обмотки 10 А или более. Прежде чем покупать новый трансформатор такого типа, можно попробовать найти некондиционный.

Выпрямитель Д1 представляет собой мостовой выпрямительный набор с номинальным пиковым обратным напряжением 50 В и номинальным током 25 А. При выборе выпрямителя возьмите за правило покупать такой, номинал которого существенно превышает ожидаемую нагрузку. В нашем случае этот запас составляет 2,5 раза.

Предусмотреть в выпрямителе с большими токами радиатор всегда похвально. Радиатор может только продлить жизнь устройства. Большинство мостов на большие токи заключаются в блоки, сконструированные таким образом, что они прикрепляются болтами прямо к шасси или радиатору. При установке моста обязательно используйте силиконовую теплоотводящую смазку на нижней части блока.

Для правильной работы при таких больших токах требуется фильтр на больших электролитических конденсаторах. В на-

зем случае конденсатор Ci имеет номинал 15000 мкФ или более. Если использовать меньшие значения емкости, то при больших потребляемых токах напряжение на входе стабилизатора будет слишком мало.

Интегральная схема 1Д — это стабилизатор типа MC1469R фирмы Motorola. При некоторых условиях эта схема может са- мовозбуждаться, поэтому рисунок проводников на печатной плате должен быть компактным и аккуратным. Выводы ИС должны быть короткими, а критические компоненты С2, Сз, С4, С5, R2, R3, R% Qi должны монтироваться как можно ближе к ИС. Основной ток проходит через последовательный пропускающий транзистор Qi. Это транзистор типа 2N3771 или НЕР S7000 с номинальным коллекторным током 25 А. Транзистор Qi должен быть установлен на большом радиаторе с силиконовой смазкой и, если возможно, в струе воздуха от вентилятора.

Характерная черта нашей схемы, которая была заимствована из инструкции по применению схемы MCI469, — это ограничение тока. Потребляемый ток создает падение напряжения на резисторе Ri, сопротивление которого равно 0,06 Ом. Поскольку готовых резисторов на 0,06 Ом не бывает, я советую сделать его из пяти параллельно соединенных плавких предохранителей с сопротивлением 0,33 Ом для автомобильных радиоприемников. Их можно купить в магазинах, торгующих радиодеталями. Падение напряжения на Ri смещает транзистор Q2j который подключен к выводу ограничения тока в стабилизаторной ИС. Если нагрузка расположена на расстоянии нескольких сантиметров от источника питания, то может возникнуть чрезмерное падение напряжения на соединительных проводниках. В этом случае устройство можно выполнить по схеме дистанционного управления. Для этого надо разорвать цепь эмиттера транзистора Q2 и соединить ее вторым проводом с удаленной точкой +5 В. -

Характерной чертой является также схема защиты на КУВ. Если напряжение на выходе превысит +5,6 В, КУВ Д3 открывается и вызывает перегорание предохранителя.

Глава 23

ДОПОЛНЕНИЕ: МИКРОПРОЦЕССОРЫ

Слово микропроцессор становится все более популярным в* областях, связанных с разработкой электронной аппаратуры. Некоторые специалисты, в том числе некоторые признанные авторитеты, утверждают, что появление микропроцессорных ИС имеет такое же значение, как появление транзистора в 50-х годах. Их влияние будет сказываться во всех областях электронной техники.

Как появился микропроцессор

Обычно изобретение микропроцессорной интегральной схемы приписывают фирме Intel Corporation. Считается, что микропроцессорная ИС была создана ею при работе по договору с фирмой Texas, выпускающей малые ЭВМ и периферийное- оборудование. Хотя разработанное устройство не смогло удовлетворить всем требованиям первоначального заказчика, оно поступило на общий рынок. У специалистов фирмы Intel, очевидно, хватило здравого смыста, чтобы понять, какие огромные возможности открываются перед их изделием. Впоследствии четырех- и восьмиразрядные устройства были названы микропроцессорами 4004 и 8008 соответственно. Более современные и самые популярные микропроцессорные ИС фирмы Intel — это схемы серии 8080. Эта серия во многом стала промышленным стандартом, хотя многие другие фирмы выпускают аналогичные микропроцессоры или даже превосходящие в некоторых отношениях схемы серии 8080. Одной из таких ИС^ является схема Z-80 фирмы Zilog.

Что такое микропроцессор

Что такое микропроцессор? Его часто называют микро-ЭВМ на одном кристалле, хотя это не совсем правильно. Микропроцессорные ИС содержат почти все логические cxevbi, необходимые для формирования центрального процессорного элемента (ЦПЭ), но для работы большинства из них требуется внешняя память и некоторые другие схемы. Новне микропроцессоры,

содержащие в одном кристалле ЦПЭ, логику, устройства вво- ла/вывода и память, еще только разрабатываются.

Микро-ЭВМ — это устройство, часто выполняемое на одной печатной плате, которое содержит ИС микропроцессора, всю необходимую память, устройства ввода/вывода и логические схемы, необходимые для создания настоящей цифровой ЭВМ. Однако многие склонны использовать термины «микропроцессор» и «микро-ЭВМ» так, как если бы они имели одно и то же значение. Например, ИС, стоящую 20 долл., многие называют микро-ЭВМ, а пакет электронных плат стоимостью около 800 долл.——микропроцессором.

Любую программируемую цифровую ЭВМ можно назвать универсальным логическим элементом или аналитической ма~ шиной, так как она может выполнять любые функции, в зависимости от того, как она запрограммирована. ЭВМ используются для управления швейными машинами, для автоматического управления несколькими токарными станками на промышленных предприятиях, для управления отоплением или охлаждением жилых и рабочих помещений. Теоретически различие между такими ЭВМ невелико. В одной и той же ЭВМ можно изменить конфигурацию или даже просто перепрограммировать ее, и она будет обрабатывать ежемесячные данные об оплаченных или подлежащих оплате счетах или выполнять трудоемкую статистическую обработку данных научного эксперимента, фактически имеются широкие возможности использования микропроцессора для управления экспериментом, а затем для выполнения математического анализа получаемых данных в соответствии с различными управляющими программами.

Совместимость микропроцессоров '

Микропроцессорные устройства, имеющиеся в свободной -продаже, бывают нескольких типов. Большинство из них продается в виде готовых сборок, хотя вы можете купить их и в виде набора и самостоятельно выполнить все трудоемкие сборочные операции. На рис. 23.1 и 23.2 показана основная конструкция микро-ЭВМ Altair 8800В, выпускаемая фирмой MITS. Между прочим, многие любители используют слово Altair как общий термин, но, строго говоря, здесь имеется в виду только торговая марка фирмы MITS. Многие из имеющихся в продаже так называемых плат Altair на самом деле просто совместимы с микро-ЭВМ Altair. Качество большинства из них достаточно высокое, но, так как они являются продукцией фирмы MITS, при их использовании могут возникнуть затруднения. Как показывает опыт, особенно часто бывают трудности в периферийном интерфейсе из-за необходимости согласования сигналов во времени.

Рис. 23.1. Микро-ЭВМ. Altair 8800В (с разрешения фирмы MITS, 1нс.).

еРнс. 23.2. Микро-ЭВМ Altair 8800В (с разрешения фирмы MITS, Inc.),

Микро-ЭВМ Altair построена на базе основной объединяющей платы. На этой плате параллельно располагается большое число 100-контактных разъемов для печатных плат, причем монтаж проводов выполнен заранее. Каждый контакт в 100- контактной шине Altair (которая в материалах, не принадлежащих фирме MITS, называется также шиной S-100) имеет определенное назначение, за исключением некоторых свободных контактов, назначение которых не определено, что обеспечивает возможность сопряжения со специальными устройствами. Прелесть такой системы состоит в том, что все печатные платы используют один и тот же разъем и контакты, которые зависят от их функционального назначения. Основная плата нисколько не зависит от того, в каком порядке вставляются печатные платы. Между прочим, одна из трудностей, связанных с нестандартными печатными платами системы S-100, заключается в том, что некоторые фирмы слишком смело распоряжаются назначением свободных контактов. Когда вставляются две платы специального назначения, не являющиеся продукцией фирмы MITS, то они могут оказаться несовместимыми из-за противоречащих назначений контактов. Конечно, эта ситуация подрывает принцип стандартной шины.

Использование стандартной шины позволяет приспособить основную конструкцию для выполнения различных функций. Например, в машине для обработки информации экономического характера может потребоваться интерфейс ввода/вывода для сопряжения с печатающим устройством или телетайпом. Для нее могут потребоваться также все 64 К байт памяти, которые могут быть адресованы шестнадцатиразрядной адресной шиной. В других случаях машина может быть предназначена для решения каких-либо задач измерения или управления. В этих случаях могут потребоваться лишь АЦП или ЦАП для устройств ввода/вывода, а объем необходимой памяти может быть меньше 10 К байт.

Другой тип ЭВМ — это так называемая микро-ЭВМ на одной плате. Примерами таких устройств являются микро-ЭВМ KIM-1 и ряд других. Они выпускаются разными фирмами. Большинство микро-ЭВМ, на одной плате имеют постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) емкостью от 256 до 1024 байт и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (например, схема 2102) емкостью до 4 К байт (обычно 1 К или 2 К байт).

Поскольку цена устройства KIM-1 довольно умеренна, оно наиболее широко распространено среди микро-ЭВМ на одной плате. Эта микро-ЭВМ имеет ОЗУ на 1 К байт, интерфейс кассетных устройств и интерфейс телетайпа. Интерфейс кассетных устройств предназначен для сопряжения с обычным кассетным магнитофоном и используется при организации хранения программ.

Такие ЭВМ обычно используются в качестве обучающих устройств, но их легко приспособить для тех применений, где ЭВМ является частью более крупной системы.

В третий класс микро-ЭВМ входит целый ряд микроконтроллеров, которые по существу представляют собой микро-ЭВМ на одной плате. Микроконтроллер обладает почти всеми характерными чертами рассмотренных выше микро-ЭВМ, за исключением того, что он предназначен для использования внутри определенного прибора. Микро-ЭВМ обучающего типа обычно имеют шестнадцатиричную клавиатуру и индикаторы на светодиодах. В контроллере они отсутствуют. Для постоянного хранения программы в контроллере используется ПЗУ, а для приема поступающих извне данных используется ОЗУ.

56 7 7U262020232532363738394142474761646874747679發阶^弘班夕肥改^的“侬 ^ ^^^56 7 7U262020232532363738394142474761646874747679發阶^弘班夕肥改^的“侬 ^ ^^^

56 7 7U262020232532363738394142474761646874747679發阶^弘班夕肥改^的“侬 ^ ^^^

56 7 7U262020232532363738394142474761646874747679發阶^弘班夕肥改^的“侬 ^ ^^^

Оглавление

Предисловие редактора перевода Предисловие

Глава 1. Операционные усилители

Практические характеристики операционного усилителя . . Простые инвертирующие повторители Работа усилителя с одним источником питания

Глава 2. Цифровая электроника

Что значит цнфрова兄？ Двоичная арифметика Логические вентили КМОП-вентили и др

КМОП против ТТЛ

КМОП-приборы и статическое электричество

Причины чувствительности КМОП-приборов к статическому элек тричеству Меры протнводействн兄——все заземл兄йте!

Практические советы по работе с КМОП-схемами ....

Триггеры

Глава 3. Специальные интегральные схемы

Таймеры и счетчики

Таймеры 反ji兄 больших интервалов времени Аналоговые умножители на ИС

Примеры интегральных умножителей Процедура настройки умножителя

Схема AD533 фирмы Analog Devices ,

Компараторы

Модули специальных функций

Глава 4. Транзисторы — для тех, кто просто не может без них обойтись Элементарная теорн兄 полупроводников р—п-переходы Элементарный транзистор Транзисторные усилители

Усиление по наир兄женню в транзисторах Смещение Типы усилителей Усилители переменного тока Частотная характеристика Транзисторы как переключатели Кремниевые управ』兄емне вентили

Глава 5. Усилители постоянного тока с несимметричным выходом ..

Схемы инвертирующих повторителей Миоговходовые схемы Неиивертирующие повторители

ш ^171718212424252727303133^ ^ ^ ^ ^и 1* 1* «1 «1 11 «J «1 I* 1* «1 и 1* «1 11 1* «1 1* 11ш ^171718212424252727303133^ ^ ^ ^ ^и 1* 1* «1 «1 11 «J «1 I* 1* «1 и 1* «1 11 1* «1 1* 11и 11 1* и 1ж и -1 1* 1* и и и и 1* и 1* w^ tl 1> 11 一 - 11 и и и 1* 1* и 1i 1* 1* 1*и 11 1* и 1ж и -1 1* 1* и и и и 1* и 1* w^ tl 1> 11 一 - 11 и и и 1* 1* и 1i 1* 1* 1*

ш ^171718212424252727303133^ ^ ^ ^ ^и 1* 1* «1 «1 11 «J «1 I* 1* «1 и 1* «1 11 1* «1 1* 11

ш ^171718212424252727303133^ ^ ^ ^ ^и 1* 1* «1 «1 11 «J «1 I* 1* «1 и 1* «1 11 1* «1 1* 11

и 11 1* и 1ж и -1 1* 1* и и и и 1* и 1* w^ tl 1> 11 一 - 11 и и и 1* 1* и 1i 1* 1* 1*

и 11 1* и 1ж и -1 1* 1* и и и и 1* и 1* w^ tl 1> 11 一 - 11 и и и 1* 1* и 1i 1* 1* 1*

Частотна兄 характеристика

Усилители пост。兄иного тока со сверхвысоким значением коэффициента уснлени兄

Глава 6. Усилители переменного тока

Почему их так называют? Схемы усилителей переменного тока Как можно измен兄ть частотную характеристику

Глава 7. Дифференциальные усилители постоянного тока.

Ослабление синфазной состав』兄ющей

Одиокаскадные схемы операционных усилителей .

Процедура регулировки КОСС (&) ..

Увеличение коэффициента усиления

Другие дифференциальные усилители постоянного тока .. . Дифференциальные усилители тока Операционные усилители проводимости

Глава 8. Устройства фазовой автоподстройки частоты

Теория ФАП

Демодуляция ЧМ-сигиалов с помощью схемы ФАП .

Демодулянн兄 частотно-манипулированного сигнала с помощью схемы ФАП

Тональный декодер иа основе схемы ФАП

Глава 9. Некоторые полезные схемы (главным образом аналоговые) Интегрирование

Пассивный интегратор

Активные интеграторы

Электромеханический способ интегрирования Дифференцирующие схемы Пиковые детекторы Схемы выборки и запоминания

Усилители абсолютного значения

Маленькие хитрости с аналоговыми умножителями

Квадратор

Аналоговые делители

Устройство извлечения квадратного корня Векторное суммирование Модуль специальной функции

Глава 10. Датчики

Мост Уитстона

Датчики температуры

Термопары "

Термочувствительные транзисторные элементы

Калибровка .

Датчики температуры на ИС

Датчики положена

Преобразование данных

Тензометрические датчики

Емкостные датчики

Индуктивные датчики

Литература

Глава 11. Схемы возбуждения н усиления сигналов мостового датчика

Методы возбуждения сигналом постояннога тока

Защита от перенапряжения

Логометрические измерения

Схемы возбуждения и усиления, работающие с снгналамн пере- меииого тока

Методы возбуждения сигналом переменного тока；.'

Типичные детекторы

Схемы компенсации смещения нуля

Глава 12. Семейства цифровых схем

Десятичные счетчики

Схема измерите』兄 частоты .

Модель 《Умннк 1》一счетчик, который считает до N ..

Регистры сдвига

Статистические запоминающие устройства на интегральных схемах

Глава 13. Генераторы сигналов

Ждущие мультивибраторы (одновибраторы)

Автоколебательные мультивибраторы

Генераторы, управляемые наир兄женнем

Генератор функций •

Глава 14. Преобразователи информации

Методы решенн兄 проблем Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

Аналоговые сигналы и устройства

Преобразователи напряжение — частота

Аналого-цифровые преобразователи последовательного счета

Методы последовательных приближений

Прнмененн兄 ЦАП

Компандеры ... *

Глава 15. Оптоэлектроника

Фотоэлектрический эффект

①отоамнсси兄 и светодиоды

Фотоустройства и схемы

Схемы иа фототраизисторах и светодиодах

Глава 16. Методы построения аппаратуры

Типы аппаратуры

Восприятие сигнала

Глава 17. Активные фильтры

Простые фильтры

Некоторые основные математические соотнотенн兄

Улучшенные схемы активных фильтров

Фильтр нижиих частот*

Фильтр верхних частот

Полосовой фильтр

Глава 18. Некоторые схемотехнические вопросы

Смещение по постоянному току

Самовозбуждение

Температурный дрейф

Глава 19. Источники питания

Основы источников питания

Типы выпрямителей

^^^^2020*2022 2 й ЙЙ22 2222222222^^^^2020*2022 2 й ЙЙ22 2222222222254254255257262265265266^ ^^^^^^2S5285索 ^ й^^254254255257262265265266^ ^^^^^^2S5285索 ^ й^^Схемы выпрямителей

^^^^2020*2022 2 й ЙЙ22 2222222222

^^^^2020*2022 2 й ЙЙ22 2222222222

254254255257262265265266^ ^^^^^^2S5285索 ^ й^^

254254255257262265265266^ ^^^^^^2S5285索 ^ й^^

Фильтрация .

Некоторые цифры

Стабилнзанн兄 напряжения Стабилизаторы тока Точные эталоны наир兄*ення

Дополнительные замеианн兄

Глава 20. Практика конструирования

Пайка .

Выбор инструмента

Проектная документация

Шасси для макетнровашш

Шасси, корпусы и кожухи

Отделка

Глава 21. Как работать иад проектом

Основные принципа проектнрованн兄

Пополняйте свои знанн兄

Глава 22. Примеры электронных устройств

Предварительные заме^анн兄

Предусилитель с одним выходом и небольшим усилением Два аттенюатора «Уииверсальный» операционный усилитель Вольтметр нул兄

Усилитель с большим коэффициентом усиления ...

Многоцелева兄 днфференнн^уюпха兄 схема Широкополосный усилительный блок Предусилитель сигналов датчиков

Универсальный (почти универсальный) предусилитель Универсальный выходной каскад Интегратор «Универсальный» источник пнтанн兄 1 «Универсальиый» источник питания 2

Источник питана +5 В на большие токи

Глава 23. Дополнение: микропроцессоры

Как по兄внлс兄 микропроцессор

Что такое микропроцессор .

ЮОЮ1030812141919212727323353434363838394346485256606264676975767637937937980^^^^33 3333333 0533 3 333333333333333 3333ЮОЮ1030812141919212727323353434363838394346485256606264676975767637937937980^^^^33 3333333 0533 3 333333333333333 3333Совместимость микропроцессоров

ЮОЮ1030812141919212727323353434363838394346485256606264676975767637937937980^^^^33 3333333 0533 3 333333333333333 3333

ЮОЮ1030812141919212727323353434363838394346485256606264676975767637937937980^^^^33 3333333 0533 3 333333333333333 3333

Для радиолюбителей

Джозеф Кар

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ

ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Издание 2-е, стереотипное

Ст. научный редактор Н. В. Серегина

Мл. научный редактор В. Н. Соколова

Художник А. В. Захаров

Художественный редактор В. П. Груздев

Технические редакторы А. Г. Резоухова, Т. А. Максимова

Корректор Т. И. Стифеева

ИБ № 6171

Сдано в набор 18.03.85. Подписано к печати 2Mo5.86. Формат 60X90%* Бумага кн. жури. имп. Печать высокая. Гарнитура литературная. Объем 12,25 бум. л. Усл. печ. л. 24,50. Усл. кр.- отт. 24,50. Уч.-изд. л. 22,94. Изд. № 6/4960. Тираж 30 000 экз. Зак. 203. Цена 2 р. 10 к.

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР», 129820, ГСП, Москва, ИТ 10, Ьй Рижский пер., 2.

Московская типография № 11 Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 113105, Москва, Нагатинская ул” д. 1.

Издание 2-ег стереотипное

Перевод с английского

О. А. СОБОЛЕВОЙ

и канд. техн, наук А. Е. ФРИДМАНА под редакцией

д-ра техн, наук, проф. и. М. ТЕПЛЯКОВА

Scan Pirat

МОСКВА «МИР» 1986

УВАЖАЕМЫЙ ЧИТАТЕЛЬ!

Ваши замечания о содержании книги, ее оформлении, качестве перевода и другие просим присылать по адресу: 129820, Москва, И-110, ГСП, 1-й Рижский пер., 2, издательство «Мир»,'

Carr J.

HOW TO DESIGN AND BUILD ELECTRONIC INSTRUMENTATION

TAB Books, Blue Ridge Summit, 1978

ББК 32 965.3 К21

УДК 621.396.6

Кар Дж.

К21 Проектирование и изготовление электронной аппаратуры: Пер. с англ.——2-е изд., стереотип.,——М.: Мир, 1986.— ? 387 с., ил.

В книге американского специалиста в области электроники рассматриваются многочисленные схемы электронной автоматики. Основой этих устройств являются готовые микросхемы, которые выпускаются промышленностью Наряду с описанием принципов действия основных электронных схем даны конкретные рекомендации по технологии изготовления и настройке аппаратуры, а также приведены примеры электронных устройств, разработанных и изготовленных автором.

Для инженеров и радиолюбителей.

ББК 32.965.3ББК 32.965.32403000000—403.

ББК 32.965.3

ББК 32.965.3

К -041 (01)—86 КБ 1986

Редакция литературы по информатике и робототехнике

© 1978 by TAB Books

© перевод на русский язык, «Мнр》，1986, 1980

Коллектив редакции и переводчики перечислили заработную плату и гонорар за эту книгу s фонд ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС