Усиление электрических сигналов

457-2015

 

Моделирование и анализ

Принципиальных электрических схем

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

к выполнению курсового проекта по дисциплине

“Электроника и микропроцессорная техника”

для студентов направления

12.03.04 «Биотехнические системы и технологии»

(профиль «Биотехнические и медицинские аппараты и системы»)

очной и заочной форм обучения

 

 

 

Воронеж 2015

Составители: д-р техн. наук О.В. Родионов,

канд. техн. наук Е.И. Новикова

 

УДК 681.327.8

 

Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине “Электроника и микропроцессорная техника” для студентов направления 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии» (профиль «Биотехнические и медицинские аппараты и системы») очной и заочной форм обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. О.В. Родионов, Е.И. Новикова. Воронеж, 2015. 33 с.

 

Данное методическое указание предназначено для выполнения курсового проекта по дисциплине “Электроника и микропроцессорная техника”.

Предназначены для студентов 3 курса.

 

Табл. 1. Ил. 56. Библиогр.: 3 назв.

 

Рецензент д-р. техн. наук, проф. Е.Н. Коровин

 

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. О.В. Родионов

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

 

 

Ó ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный технический

университет», 2015

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ

 

Цель курсового проекта

Целью курсового проекта является моделирование принципиальных электрических схем и приобретение навыков анализа и корректировки таких схем.

 

СОСТАВ ИСПОЛЬЗУЕМОГО ОБОРУДОВАНИЯ

 

Используемые программно-аппаратные средства: ПЭВМ класса IBM стандартной конфигурации, пакет Multisim.

 

3. Краткие теоретические сведения

Электроника – наука о том, как взаимодействуют электроны в процессе протекания тока по элементам функциональных устройств, и выполняются соответствующие функции этих устройств. В процессе выполнения курсового проекта необходимо изучить, прежде всего, физические основы работы электронных приборов, их характеристики, параметры и важнейшие свойства, определяющие возможность их применения в радиоэлектронной аппаратуре.

 

Усиление электрических сигналов

Электронным усилителем называют устройство, в котором входной сигнал напряжения или тока используется для управления током (а следовательно, и мощностью), поступающим от источника питания в нагрузку. Обобщенная схема включения усилителя приведена на рис. 1.

Источниками сигналов могут быть различные преобразователи неэлектрических величин в электрические: пьезоэлементы, считывающие магнитные головки, термоэлектрические датчики и др. Частота и форма напряжения или тока этих источников может быть любой, например, импульсной, гармонической и др.

 

 

Рис. 1. Обобщенная схема включения усилителя

 

Нагрузкой усилителей могут быть различные устройства, преобразующие электрическую энергию в неэлектрическую, например, индикаторные устройства, нагревательные приборы и др. Характер нагрузки может существенным образом влиять на работу усилителя.

Основные характеристики усилитей.

Все характеристики можно разделить на три группы: входные, выходные и передаточные. К входным характеристикам относятся: допустимые значения входного напряжения или тока, входное сопротивление и входная емкость. Обычно эти характеристики определяются параметрами источника входного сигнала.

Основной передаточной характеристикой усилителя является его коэффициент преобразования или коэффициент передачи – отношение выходного сигнала к входному. В частном случае, когда входное и выходное значения сигнала являются однородными, коэффициент преобразования называют коэффициентом усиления. Различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности:

 

, , ,

 

где U_вх, I_вх, Р_вх — значения напряжения, тока и мощности на входе усилителя;

U_вых, I_вых, Р_вых — значения напряжения, тока и мощности на выходе усилителя.

В ряде случаев коэффициенты усиления выражают в логармических единицах – децибелах (дБ):

 

К_u =20lg (U_вых/U_вх), K_i =20lg (I_вых/I_вх), K_p =20lg (Р_вых/Р_вх).

 

Коэффициенты усиления по напряжению и току, как правило, комплексные величины, характеризуемые как модулем, так и фазой. Это связано с тем, что отдельные составляющие спектра сигнала усиливаются по-разному из-за наличия реактивных компонентов и инерционности активных приборов.

При прохождении сигнала через усилитель его форма подвергается изменению. Эти изменения формы обычно называют искажением сигнала. Искажения сигнала называются линейными, если при передаче его через усилитель спектральный состав не изменяется. Основной причиной линейных искажений является зависимость комплексного коэффициента усиления от частоты входного сигнала.

Нелинейные искажения связаны с изменением спектрального состава сигнала при его передаче через усилитель. Появление нелинейных искажений обусловлено нелинейностью передаточных характеристик усилительных элементов.

Отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению называют динамическим диапазоном:

D=U_вхmax/U_вхmin;

D (дБ) =20lg (U_вхmax/U_вхmin);

 

Выходная мощность характеризуется номинальной выходной мощностью. Под ней понимают мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений.

Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания:

 

η=P_вых /P₀.

 

КПД характеризует энергетические показатели усилителя.

Характеристики преобразования показывают, как преобразуется входной сигнал в зависимости от параметров усилителя.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала.

Фазо-частотная характеристика – зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжениями от частоты. В ряде случаев для наглядности строят фазовые характеристики отдельно для области низких и области высоких рабочих частот.

Амплитудно-фазовая характеристика – это построенная в полярной системе координат зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты.

Амплитудная характеристика – зависимость амплитудного значения напряжения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения.

Переходная характеристика – зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения. Эта характеристика дает возможность определить переходные искажения, которые в области малых времен характеризуются фронтом выходного напряжения и оцениваются временем установления t_у и выбросом δ.

В области больших времен искажается вершина импульса. Эти искажения оцениваются относительным значением спада плоской вершины λ=∆K (t) /K₀ к моменту окончания импульса.

Переходные искажения вызваны наличием реактивных элементов в цепях усилителя и инерционностью активных компонентов.

Рабочий диапазон частот (полоса пропускания, диапазон пропускаемых частот и т. д.) – полоса частот от низшей рабочей частоты f_н до высшей рабочей частоты f_в, в пределах которой коэффициент усиления или коэффициент преобразования усилителя не выходит за пределы заданных допусков. Это касается как модуля, так и фазы коэффициента усиления.

Если к усилителю не предъявляются какаие-либо специальные требования, то рабочий диапазон частот определяют на уровне 3 дБ. Это диапазон от низшей частоты f_н, на которой коэффициент усиления уменьшается относительно своего значения на средней частоте на 3 дБ (в 1,41 раза), до высшей f_в, на которой коэффициент усиления также уменьшается на 3 дБ.