Руководство по изучению дисциплины «Электротехника и электроника» / Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)

Вид материала

Руководство

Содержание Курсовая работа Активный фильтр Амплитудные детекторы Аналоговые перемножители напряжений Аналоговый компаратор напряжений Аналого-цифровые преобразователи Апертурное время устройств выборки и хранения

Подобный материал:

• Руководство по изучению Дисциплины, 1375.16kb.
• Руководство по изучению дисциплины «Системы искусственного интеллекта», 705.89kb.
• Руководство по изучению дисциплины «Локальные сети эвм», 1457.25kb.
• Хi международная научно-практическая конференция, 60.3kb.
• 12-я Международная научно-практическая конференция, 64.65kb.
• V международная научно-практическая конференция, 57.93kb.
• 12-я Международная научно-практическая конференция, 57.13kb.
• 12-я Международная научно-практическая конференция, 64.65kb.
• Х международная научно-практическая конференция, 66.74kb.
• 12-я Международная научно-практическая конференция, 64.48kb.

^ Курсовая работа

Курсовая работа состоит из 3 разделов, включающих в себя: определение токов и напряжений во всех ветвях рассматриваемой электрической цепи постоянного тока; составление баланса мощностей; определение режимов работы источников питания; определение напряжения, действующего на зажимах цепи переменного тока, показание ваттметра, емкости конденсатора при резонансе токов и напряжений; построение векторной диаграммы токов и напряжений для всей электрической цепи; определение активного, реактивного и полного сопротивлений и соответствующих проводимостей, а также коэффициента мощности, полной, активной и реактивной мощностей ветвей и всей электрической цепи переменного тока.

Для проверки проектных решений предусматривается использование системы компьютерного моделирования Electronics Workbench. Результаты вычислений на Electronics Workbench приводятся в приложении к пояснительной записке и сдаются вместе с пояснительной запиской в электронном виде.

Один из методов расчета линейных электрических цепей постоянного тока подлежит подробному теоретическому рассмотрению в курсовой работе, что указывается в задании.

Примерный перечень тем курсовых работ:

1. Расчет разветвленных цепей постоянного и переменного тока. Метод составления и решения уравнений по законам Кирхгофа.
   
2. Расчет разветвленных цепей постоянного и переменного тока. Метод контурных токов.
   
3. Расчет разветвленных цепей постоянного и переменного тока. Метод наложения.
   
4. Расчет разветвленных цепей постоянного и переменного тока. Метод преобразования сложной электрической цепи.
   

Расчет разветвленных цепей постоянного и переменного тока. Метод узловых напряжений.


5. Список литературы

1. Мучник А. Я., Парфенов К. А. Общая электротехника. - М.: Высшая школа, 1965.-413 с. 1/4
   
2. Лоторейчук Е. А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 2000.-224 с. 1/4
   
3. Лачин В. И., Савелов Н. С. Электроника: Учебное пособие. – Ростов-н/Д: «Феникс», 2001. – 448 с. 1/4
   
4. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991.-621 с. 1/6
   
5. Синдеев Ю. Г., Грановский В. Г. Электротехника. – Ростов-н/Д: «Феникс», 1999. – 448 с. 1/8
   
6. Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. – СПб.: КОРОНА принт, 1998.-400 с., ил. 1/4
   
7. Герасимов В. Г., Князьков О. М., Краснопольский А. Е., Сухоруков В. В. Основы промышленной электроники: Учеб. для не электротехнических спец. вузов. - М.: Высшая школа, 1986.-336 с., ил. 1/6
   
8. Панфилов Д. И., Иванов В. С., Чепурин И. Н. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench: в 2 томах. - М.: ДОДЭКА, 1999.-304 с. (1 том), 288 с. (2 том).
   
9. Руководство к проведению лабораторных работ по общей электротехнике. - М.: Высшая школа, 1983.-54 с. 1/6
   
10. Лоторейчук Е. А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 2000.-224 с.
    
11. Меньшенин С.Е. Методические указания для расчета линейных электрических цепей постоянного тока при выполнении практических заданий, курсовой работы и лабораторных работ с использованием программы «Electronics Workbench». – Шахты, 2003. – 61 м.п.
    

6. Глоссарий


А


Активная ветвь – ветвь, содержащая источник электрической энергии.

Активный преобразователь сопротивлений – преобразователь, позволяющий изменить значение или характер сопротивлений или проводимостей пассивных двухполюсных элементов: резисторных, индуктивных или емкостных. К таким преобразователям относят конверторы и инверторы сопротивлений и проводимостей.

Активные преобразователи сопротивлений находят широкое применение в активных фильтрах, различных корректирующих устройствах, при создании селективных усилителей и генераторов и во многих других случаях.

^ Активный фильтр представляет собой четырехполюсник, содержащий пассивные RC-цепи и активные элементы: транзисторы, электронные лампы или операционные усилители. Активные фильтры обычно не содержат катушек индуктивности. Стремление исключить катушки индуктивности из фильтра вызвано рядом причин: катушки индуктивности имеют большие габариты и массу; потери в катушках приводят к отключению расчетных характеристик фильтра от реальных значений; в катушках рассеивается большая мощность; в катушках с сердечником проявляется нелинейный эффект, связанный с насыщением сердечника.

Активные фильтры можно реализовать на повторителях напряжения, на операционных усилителях, на усилителях с ограниченным усилением и др. В отличии от пассивных активные фильтры обеспечивают более качественное разделение полос пропускания и затухания. В них сравнительно просто можно регулировать неравномерности частотной характеристики в области пропускания и затухания, не предъявляются жестких требований к согласованию нагрузки с фильтром. Все эти преимущества активных фильтров обеспечили их самое широкое применение.

Активные фильтры можно разделить на группы по различным признакам: назначению, полосе пропускаемых частот, типу усилительных элементов, виду обратных связей и др.

По полосе пропускаемых частот фильтры делятся на четыре основные группы: нижних частот, верхних частот, полосовые и заграждающие. Фильтры нижних частот пропускают сигналы от постоянного напряжения до некоторой предельной частоты, называемой частотой среза фильтра. Фильтры верхних частот, наоборот, пропускают сигналы, начиная с частоты среза и выше.

Полосовые фильтры пропускают сигналы в некоторой полосе частот от f₁ до f₂, а заграждающие фильтры имеют характеристику, противоположную полосовым фильтрам, и пропускают сигналы с частотой ниже f₁ и выше f₂. Как полосовые, так и заграждающие фильтры могут иметь гребенчатую частотную характеристику, в которой будет несколько полос пропускания и затухания.

По назначению фильтры делятся на сглаживающие фильтры источников питания, заграждающие фильтры помех, фильтры для селективных усилителей низкой и высокой частоты и др.

По типу усилительных элементов можно выделить транзисторные фильтры, фильтры на усилителях с ограниченным усилением, на операционных усилителях, на повторителях напряжения и др.

Все рассмотренные фильтры могут иметь одну цепь обратной связи или несколько таких цепей. В связи с этим различают фильтры с одноконтурной или многоконтурной обратной связью. Кроме этого, различают фильтры по числу полюсов на частотной характеристике – фильтры первого порядка, второго и более высоких порядков. Фильтры высоких порядков имеют более крутые границы полос пропускания и затухания и более плоскую характеристику в области полосы пропускания. Широкие возможности активных RC-фильтров связаны с использованием в них активных элементов. В отличие от пассивных, активные RC-фильтры (АRC-фильтры) могут иметь полюсы в любой части комплексной плоскости.

^ Амплитудные детекторы предназначены для получения выходного напряжения, изменяющегося по закону модуляции амплитуды входного модулированного колебания. Если на входе амплитудного детектора действует амплитудно-модулированное колебание u(t) = U_m(t)cosω₀t, то выходное напряжение будет содержать составляющую с частотой Ω. По виду нелинейного преобразователя амплитудные демодуляторы делятся на диодные, транзисторные и с операционными усилителями. Простейшими амплитудными демодуляторами являются диодные, которые могут быть однотактными и двухтактными.

^ Аналоговые перемножители напряжений. Аналоговыми перемножителями напряжений называют интегральные микросхемы, предназначенные для выполнения операции перемножения двух сигналов и выдачи результата перемножения в форме напря­жжения:

,

где К_п – масштабирующее напряжение.

Особенностью операции перемножения является то, что полярность выходно­го напряжения определяется полярностями двух входных напряжений, каждое из которых может быть как положительным, так и отрицательным. Если входные и выходные сигналы могут быть как положительными, так и отрицательными, и полярности их согласованы, то такой перемножитель называется четырехквадрантным. Если выходной сигнал изменяет полярность при изменении полярности только одного входного сигнала, то умножитель называют двухквадрантным. Если все сигналы могут быть только однополярными, то умно­житель называют одноквадрантным. Масштабирующее напряжение U_r обычно является постоянным (хотя и с подстройкой), но в большинстве микросхем перемножителей значением этого напряжения можно управлять, подавая ток или напряжение управления на третий вход.

Поскольку в аналоговых перемножителях выходное напряжение зависит от двух входных напряжений, то его характеристики могут сложным образом зави­сеть от этих напряжений. В реальном перемножнтеле выходное напряжение ока­зывается пропорциональным не только произведению входных сигналов.

Для получения высокой точности перемножения сигналов в микросхемах перемножителей вводятся по крайней мере четыре регулировки, позволяющие уста­новить требуемый коэффициент передачи К_п и устранить прямое прохождение сигналов U_Х и U_У. Кроме этого, вводится регулировка смещения нулевого уровня.

Разработано несколько способов построения аналоговых перемножителей напряжения: логарифмирующие, квадратирующие, с широтно-импульсной модуляцией и другие, однако в интегральных микросхемах преимущественно применяется метод построения перемножителей на принципе переменной крутизны.

Масштабирующий коэффициент К_п представляет собой статический параметр и в большинстве перемножителей его значение принято равным 0,1 В^-1. Однако в ряде случаев применяются масштабирующие коэффициенты, отличные от этого значения. В некоторых случаях имеется даже возможность подстройки масштабирующего коэф­фициента.

Погрешность масштабирующего коэффициента может быть сведена к нулю подстройкой в какой-либо точке диапазона. Подстроить значение масштаби­рующего коэффициента во всем диапазоне невозможно из-за нелинейности.

Погрешность нелинейности не поддается уменьшению. Обычно ее оценивают по максимальному отклонению от среднего значения масштабирующего коэффи­циента.

Погрешность, связанная с прямым прохождением сигнала, состоит из двух частей – линейной и нелинейной. Линейная часть является произведением напря­жения на сигнальном входе и напряжения смещения нуля. Ее можно скомпенсиро­вать до нуля введением равного по значению и противоположного по знаку на­пряжения коррекции на подстраиваемом входе. Нелинейная часть обусловлена нелинейностью схемы перемножителя и ее нельзя убрать подстройкой смещения.

Динамика перемножителя характеризуется полосой пропускания по уровню 0,7 при малом сигнале (т.е. по уменьшению коэффициента передачи на 3 дБ). Понятие «малый» сигнал означает, что уровень выходного сигнала не превышает 10% от максимального значения выходного напряжения. Полоса пропускания су­щественным образом зависит от сопротивлений нагрузки перемножителя.

В связи с этим перемножители, которые предназначены для работы в широкой полосе частот, имеют открытый коллекторный выход, к которому подключается внешнее сопротивление нагрузки. Так, например, для перемножителя МС1495 при сопро­тивлении нагрузки 11 кОм полоса пропускания равна 3 МГц, а при сопротивлении 50 Ом полоса пропускания расширяется до 80 МГц.

Перемножители напряжений можно разделить по следующим признакам: принципу действия, полосе частот и погреш­ности перемножения. По принципу действия перемножители можно разделить на три основные группы: логарифмические, с широтно-импульсной модуляцией и с переменной крутизной.

Первые два типа промышленностью не выпускаются. Имеются только базовые узлы логарифматоров и широтно-импульсных модулято­ров, однако законченных перемножителей нет. Серийно выпускаются только пе­ремножители на принципе управления крутизной дифференциального каскада, рассмотренные выше.

По погрешности перемножения выпускаемые перемножители можно разде­лить на группы малой, средней и высокой точности. Перемножители малой точ­ности являются самыми простыми – они не содержат входного логарифматора и выходного операционного усилителя. Обычно такие перемножители называют балансными модулятора­ми и используют для преобразования частоты сигналов. Погрешность балансных модуляторов обычно не нормируется. Такие перемножители имеют открытый коллекторный выход, который допускает подключение резистивнои или индуктив­ной нагрузки (например, колебалыюго контура). Перемножители средней точности обычно содержат входной логарифматор, позволяющий увеличить входной сигнал до 10 В. Выходной операционный усили­тель и нагрузочные резисторы в таких перемножителях не входят в состав микро­схемы. Погрешность перемножения таких перемножителей больше 1%. Перемножители высокой точности имеют в своем составе все элементы для построения схемы перемножения: входной логарифматор, выходной операцион­ный усилитель и стабилизатор напряжений питания отдельных узлов микросхемы. Нагрузочные резисторы и резисторы обратной связи операционных усилителей в таких перемножителях выполняются с высокой точностью с помощью лазерной подгонки. Входы высокоточных перемножителей могут быть симметричными (дифференциальными) или несимметричными. Погрешность перемножения в та­ких микросхемах обычно не превышает 1%. Микросхемы перемножите­лей находят применение в различных электронных устройствах. Кроме этого, они входят составной частью во многие специализированные микросхемы и узлы.

Перемножители можно использовать для вычисления активной и реактивной мощности, определения фазового сдвига двух напряже­ний, деления частоты сигналов и во многих других случаях.

^ Аналоговый компаратор напряжений – интегральная микросхема, предназначенная для сравнения двух напряжений и выдачи результата сравнения в логической форме: больше или меньше. Основные особенности аналоговых компараторов связаны с отсутствием в них частотной коррекции и большим коэффициентом усиления. В отличие от операционных усилителей, в компараторах практически никогда не применяют отрицательную обратную связь, так как она понижает стабильность их работы. Специализированные ком­параторы напряжений имеют малые задержки, высокую скорость переключения, устойчивы к большим переключающим сигналам. Для устранения многократных переключений в момент сравнения сигналов в компараторах часто используют положительную обратную связь. Положительная обратная связь обеспечивает надежное переключение компаратора и устраняет дребезг выходного напряжения в момент сравнения. Однако при введении поло­жительной обратной связи создается зона неопределенности, обусловленная гисте­резисом. Если сигнал на входе компаратора изменяется монотонно, то наличие гистерезиса не отражается на погрешности компарирования. Напряжения на входах компаратора из-за отсутствия отрицательной обрат­ной связи могут существенно отличаться. Поэтому для ограничения входного на­пряжения на входе компаратора часто устанавливают двухсторонний диодный ограничитель. Быстродействие компаратора существенно зависит от уровня входного диф­ференциального сигнала. С увеличением входного сигнала до определенного зна­чения время переключения уменьшается. Однако дальнейшее увеличение входного сигнала может привести к насыщению компаратора и снижению его быстродей­ствия. В связи с этим в схеме двухстороннего ограничителя, рекомендуется использовать диоды Шотки с малым падением напряже­ния. Рекомендуемое значение входного напряжения указывается в справочных данных на компаратор и обычно лежит в пределах 20... 100мВ. Отказ от отрицательной обратной связи приводит к еще одной особенности применения компараторов напряжения – снижению их входного сопротивления и увеличению входного тока. При увеличении входного напряжения свыше поро­гового значения у компараторов может резко увеличиться входной ток и пони­зиться входное сопротивление. Происходит это по двум причинам: резкое увели­чение тока базы транзисторов дифференциального каскада и включение диодов защиты. Основное применение компараторы напря­жения находят в устройствах сопряжения циф­ровых и аналоговых сигналов. Простейшим примером такого применения является аналого-цифровой преобразователь параллельного типа. Для компарирования аналоговых сигналов можно применять операционные усилители. В этом случае для ограничения выходного напряжения в цепь отрица­тельной обратной связи операционного усилителя включают стабилитрон с напряжением включения, зависящим от типа цифрового логического элемента.

Основными недостатками компараторов на операционных усилителях являются: невысокое быстродействие и большое число вне­шних дискретных элементов. Время переключения таких компараторов обычно имеет значение 0,5...1,0 мкс. Для устранения паразитной генерации используется внешняя положительная обратная связь, при помощи которой формируется зона гистерезиса.

^ Аналого-цифровые преобразователи – представляют собой устройства, предназначенные для преобразования электрических величин (напряжения, тока, мощности, сопро­тивления, емкости и др.) в цифровой код. Наиболее часто входной величиной является напряжение. Все другие величины перед подачей на такой аналого-цифровой преобразователь нужно предварительно преобразовывать в напряжение. Однако на практике находят применение также преобразователи, например, сопротивления или емкости в циф­ровой код без промежуточного преобразования в напряжение. Обычно это по­зволяет уменьшить погрешность преобразования, но усложняет проектирование преобразователя и его изготовление. Последнее объясняется тем, что серийные промышленные микросхемы аналого-цифровых преобразователей предназначены только для работы с напряже­нием. Поэтому в дальнейшем будут рассмотрены только преобразователи напря­жения в цифровой код.

В общем случае напряжение характеризуется его мгновенным значением u(t). Однако для оценки напряжения можно также пользоваться его средним за вы­бранный промежуток времени Т значением.

В связи с этим все типы аналого-цифровых преобразователей можно разделить на две группы: аналого-цифровые преобразователи мгновен­ных значений напряжения и аналого-цифровые преобразователи средних значений напряжения. Так как опера­ция усреднения предполагает интегрирование мгновенного значения напряжения, то аналого-цифровые преобразователи средних значений часто называют интегрирующими.

При преобразовании напряжения в цифровой код используются три независи­мых операции: дискретизация, квантование и кодирование. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывного сигнала представляет собой преобразо­вание непрерывной функции напряжения u(t) в последовательность чисел u(t_n), где n = 0, 1, 2..., отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. При дискретизации непрерывная функция u(t) преобразуется в последовательность ее отсчетов u(t_n).

Вторая операция, называемая квантованием, состоит в том, что мгновенные значения функции u(t) ограничиваются только определенными уровнями, которые называются уровнями квантования. В результате квантования непрерывная функ­ция u(t) принимает вид ступенчатой кривой u_K(t).

Третья операция, называется кодированием, представляет дискретные квантованные величины в виде цифрового кода, то есть последовательности цифр, подчиненных определенному закону. С помощью операции кодирования осуществляется условное представление численного значения величины.

Любой аналого-цифровой преобразователь является сложным электрон­ным устройством, которое может быть выполнено в виде одной интегральной микросхемы или содержать большое количество различных электронных компо­нентов. В связи с этим характеристики аналого-цифровых преобразователей зависят не только от его построения, но и от характеристик элементов, которые входят в его состав. Тем не менее большинство аналого-цифровых преобразователей оценивают по их основным метрологическим показателям, которые можно разделить на две группы: статические и динамические.

К статическим характеристикам аналого-цифровых преобразователей относят: абсолютные значения и поляр­ности входных сигналов, входное сопротивление, значения и полярности выход­ных сигналов, выходное сопротивление, значения напряжений и токов источников питания, количество двоичных или десятичных разрядов выходного кода, погрешности преобразования постоянного напряжения и др.

К динамическим па­раметрам аналого-цифровых преобразователей относят: время преобразования, максимальную частоту дискрети­зации, апертурное время, динамическую погрешность и др. Рассмотрим некоторые из этих параметров более подробно.

Основной харак­теристикой аналого-цифровых преобразователей является его разрешающая способность, которую принято опре­делять величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе аналого-цифрового преобразователя. Разрешающую способность можно выражать в процентах, в количе­стве разрядов или в относительных единицах. Например, 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь име­ет разрешающую способность 1024^-1 = 10^-3 = 0,1%. Если напряжение шкалы для такого аналого-цифрового преобразователя равно 10 В, то абсолютное значение разрешающей способности будет около 10 мВ. Реальное значение разрешающей способности отличается от расчетного из-за погрешностей аналого-цифровых преобразователей.

Точность аналого-цифровых преобразователей определяется значениями абсолютной погрешности, дифференциальной и интегральной нелинейности.

Абсолютную по­грешность аналого-цифровых преобразователей определяют в конечной точке характеристики преобразования, поэтому ее обычно называют погрешностью полной шкалы и измеряют в едини­цах младшего разряда.

Дифференциальную нелинейность (DNL) определяют через идентичность двух соседних приращений сигнала, т. е. как разность напряжений двух соседних квантов.

Интегральная нелинейность аналого-цифровых преобразователей (INL) характеризует идентичность прираще­ний во всем диапазоне входного сигнала. Обычно ее определяют, по максимальному отклонению сглаженной характеристики преобра­зования от идеальной прямой линии.

Время преобразования обычно определяют как интервал времени от начала преобразования до появления на выходе аналого-цифрового преобразователя устойчивого кода входного сигна­ла. Для одних типов аналого-цифровых преобразователей это время постоянное и не зависит от значения входно­го сигнала, для других аналого-цифровых преобразователей это время зависит от значения входного сигнала. Если аналого-цифровой преобразователь работает без устройства выборки и хранения, то время преобразова­ния является апертурным временем.

Максимальная частота дискретизации – его частота, с которой возможно преобразование входного сигнала, при условии, что выбранный параметр (например, абсолютная погрешность) не выходит за заданные пределы. Иногда максимальную частоту преобразования принимают равной обратной величине времени преобразования. Однако это пригодно не для всех типов аналого-цифровых преобразователей.

Все типы используемых аналого-цифровых преобразователей можно разделить по признаку измеряемого значения напряжения на две группы: аналого-цифровые преобразователи мгновенных значений напряжения и аналого-цифровые преобразователи средних значений напряжения (интегрирующие аналого-цифровые преобразователи). Аналого-цифровые преобразователи мгновенных значений можно разделить на следующие основные виды: последовательного счета, последовательного приближения, параллельные, параллельно-последовательные и с промежуточным преобразованием в интервал времени.

^ Апертурное время устройств выборки и хранения – см. устройства выборки и хранения.

Б