Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Analogová a číslicová technika Průběh přírodních dějů (teplota,světlo,zvuk,…) je spojitý-analogový proces-snaha o jeho zachycení,zpracování a uložení Příklad.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Analogová a číslicová technika Průběh přírodních dějů (teplota,světlo,zvuk,…) je spojitý-analogový proces-snaha o jeho zachycení,zpracování a uložení Příklad."— Transkript prezentace:

1 Analogová a číslicová technika Průběh přírodních dějů (teplota,světlo,zvuk,…) je spojitý-analogový proces-snaha o jeho zachycení,zpracování a uložení Příklad – zvuk : mikrofon-zesilovač-záznam-zesilovač-reproduktor Číslicový signál-nespojitý jev,popsaný dvěma stavy ( 0 a 1 – impuls ) výhodné pro další zpracování,záznam,uložení a zpracování dat (nejprve je ovšem nutné analogový signál převést na digitální) Fyzikální experiment zahrnuje mnoho proměnných analogových signálů,jež je nutno zpracovat.Optimální je využít výhod číslicové techniky v určité fázi procesu.

2 „…digitální zvuk“

3 Analogové elektronické obvody analogové číslicové obvody spojité a nespojité signály lineární a nelineární (popsané lineárními a nelineárními diferenciálními rovnicemi) podle použitých prvků – lineární např. R, L, C … nelineární např. transistory,diody pasivní a aktivní prvky spojování a řazení prvků v elektronických obvodech paralelní a sériové spojování hlediska navazování v obvodech (druhy vazeb,oddělení,výkonové přizpůsobení)

4 Názvosloví,veličiny normy schematické značky jednotky symboly el.veličin U,I,P,R,G,L,C,…… u,i,p,z,y,…… předpony logaritmické vyjádření dB U =(20logU 1 /U 2 ) dB P =(10log P 1 /P 2 ) Návrhové CAD programy (PADS,Eagle)

5 Základní zákony Ohmův zákon U=RI (obecně platný pro impedance) 1.Kirchhoffův uzlové proudy 2.Kirchhoffův smyčková napětí ostatní – princip superpozice, (odezva lineárního obvodu na několik vstupních signálů je dán součtem jednotlivých odezv) Theveninův a Nortonův teorém

6 Dvojpóly (jednobrany) 1-brany a 2-brany aktivní > < pasivní aktivní ideální zdroj napětí a) “ proudu b) některé diody pasivní odpor definice R=U/I prvek rezistor náhradní obvod (zapojení) vliv vývodů a pouzder teplotní závislost

7 Dvojpóly (jednobrany) kapacita definice prvek kondensátor náboj Q energie impedance Z (admitance Y) (zobecněný Ohmův zák.) náhradní obvod (zapojení) vektorový diagram

8 Dvojpóly (jednobrany) indukčnost definice prvek cívka energie impedance Z (zobecněný Ohmův zák.) náhradní obvod (zapojení) vektorový diagram

9 Dvojpóly (jednobrany) odpory řízené neelektrickou veličinou termistor (záporný teplotní koeficient) – použití pro snímání teploty,teplotní stabilizaci v obvodech posistor (kladný teplotní koeficient) – ochrana prvků před nadměrnými proudy,termostaty k udržování konstantní teploty fotoodpor – velikost ohmického odporu závisí na světle

10 Obvody s diskrétními polovodičovými součástkami Diody pn přechod,VA charakteristika v prvním kvadrantu,souvislost prahového napětí U d se šířkou zakázaného pásu Ge,Si,Schottky,GaAsP,SiC diferenciální odpor grafická konstrukce detekce rf napětí na diodě rekombinace nosičů náboje omezuje rychlost usměrnění či sepnutí přechodu nelineární prvek

11 Voltampérové charakteristiky diod

12 Další typy diod Zenerova dioda –použití ve stabilisačních obvodech,zdrojích napětí,omezovače atd Zenerův a lavinový jev > teplotní koeficient,šum dynamický odpor LED a foto diody – přeměna elektrického proudu na světlo a opačně (indikace,displeje,použití v optočlenech,světelné závory, zabezpečovací technika aj.) Detekční diody

13 Čtyřpóly (dvojbrany) aktivní transistory bipolární a unipolární pasivní transformátory,kmitočtové filtry

14 Filtry

15 Transistory bipolární Základní aktivní prvek analogové i číslicové techniky V analogových obvodech použití pro zesilování signálů,spínání Fyzikální model-struktury NPN,PNP-dvě vodivostní struktury 2 druhy nosičů náboje-majoritní a minoritní Elektrické parametry stejnosměrné a střídavé Nelineární prvek - výhodné graficko-matematické řešení Střídavé parametry – nejčastěji používané „h-parametry“ slouží pro návrh obvodů pomocí maticového počtu Stejnosměrné parametry – smysl a význam nejlépe patrné z obrázku tzv. voltampérových charakteristik

16

17 Bipolární transistor-VA charakter. Stejnosměrné VA charakteristiky bipolárního transistoru > par.U C I C / I B > > par. I B I C / U C > par.U C I B / U B > > par.I B U C /U B

18 Pracovní oblast tranzistoru

19 Bipolární versus CMOS technologie Unipolární tranzistory mají velký vstupní odpor, řádu Ohmu, tudíž pro jejich řízení nepotřebujeme výkon. Tento aspekt se příznivě odrazí zejména v konstrukci logických obvodů, kde s velkou hustotou integrace u bipolárních technologií strmě narůstá příkon (a tím teplo) obvodu.

20 Pracovní bod Soubor stejnosměrných parametrů,udávající jednoznačně polohu ve VA charakteristikách (obvodu) Může být ovlivněn neelektrickými parametry Nastavení a stabilizace Pracovní bod diody

21 Pracovní bod transistoru Základní zapojení transistoru v obvodu s rezistory určujícími polohu pracovního bodu Metody řešení vícesmyčkových obvodů-aplikace Ohmova a Kirchhoffových zákonů

22 Pracovní bod transistoru Teplotní závislost pracovního bodu Metody stabilizace-použití teplotně závislých prvků, nebo volba obvodových prvků v zapojení

23 Zesilovače Stejnosměrné zesilovače Přenos ss signálů-možnost ovlivnění posunem ss pracovního bodu Symetrické zapojení pro kompenzaci – tzv. diferenciální stupeń Základní zapojení pro tzv. operační zesilovače Hlavní parametry drift,ofset U vícestupňových zesilovačů stabilita

24 Příklad vícestupňového zesilovače s galvanickou vazbou mezi stupni,velmi vhodnou pro možnost integrace (OZ) Lze použít jako zesilovač stejnosměrných i střídavých signálů Základní parametry zesilovačů-zesílení,vstupní a výstupní odpor, kmitočtová a fázová charakteristika,drift,výkon Zesilovače

25 Zesilovače-zpětná vazba,stabilita Pojem zpětné vazby Kladná a záporná Vliv vazby na zesílení,kmitočtovou charakteristiku a stabilitu Nyquistovo kriterium stability Zpětná vazba jednoznačně definuje zesílení Možnost změny zpětné vazby

26 Kladná zpětná vazba-oscilátory Oscilátor s T – článkem (harmonický sinusový průběh) Stupeň vazby se řídí potenciometrem Oscilátor s trafo-vazbou (neharmonický obdélníkový průběh) Oscilátor-multivibrátor využívající nabíjení-vybíjení RC členů

27 Spínací vlastnosti transistoru Základní parametry impulsu doba zpoždění doba náběhu (čelo) trvání impulsu doba doběhu (týl) Další parametry – perioda, opakovací kmitočet,střída aj. Vznik zákmitů,přenos impulsu, zpoždění,přizpůsobení

28 Spínací vlastnosti transistoru Transistor se po přivedení spínacího napětí U 1 do báze otevře ze stavu „off“ (bod A) po přímce odpovídající R C do stavu „on“ (bod B).V obou těchto mezních stavech je ztrátový příkon transistoru (U CE x I C ) minimální.Nezanedbatelný je však příkon během spínacích dob (náběžné a doběžné), rostoucí se vzrůstajícím kmitočtem signálu. Z hlediska příkonů není rovněž zanedbatelný budící příkon do báze transistoru (U BE x I B ). Tento příkon je u unipolárních transistorů nulový a proto je tento typ transistorů preferován při integraci obvodů vysoké hustoty (paměti, CPU atd). Bipolární transistor

29 Operační zesilovače Proč operační zesilovač ? Základní vlastnosti OZ Ideální a reálný operační zesilovač Základní funkční zapojení operačních zesilovačů Typy operačních zesilovačů podle způsobu použití Spektrum aplikací operačních zesilovačů Digitální potenciometry a programovatelné zesilovače

30 Proč operační zesilovač ? Nejčastěji používaný elektronický prvek, historicky první byl realizován s elektronkami v roce 1938 Zpravidla se označením myslí rozdílový (diferenční) operační zesilovač (dále OZ) Byl nejprve určen k analogové realizaci matematických operací Základní obvodový prvek pro zpracování analogových signálů (součet,rozdíl,negace, integrace,derivace,generace různých časových průběhů) V analogových systémech je ekvivalentem mikroprocesoru u systémů digitálních

31 Aplikace - analogové počítače Název odvozený od elektronických obvodových bloků provádějících určité operace (sčítání,násobení,integraci,derivaci atd) se ss signály Analogové počítače mx" + bx' + kx = F(t)

32 Operační zesilovače Mají vysoké požadavky na vlastnosti stejnosměrných obvodových bloků. Pokročilá polovodičová technologie vedla k integraci prvku, umožnila např. teplotní stabilizaci čipu,kombinací bipolárních a unipolárních prvků (BIFET technologie) a dosažení optimálních parametrů. OZ se blíží svými vlastnostmi ideálním zesilovačům Univerzální využití v analogové elektronice s použitím vnější sítě obvodových prvků a zpětných vazeb.

33 Základní funkční schéma

34 Ideální převodní charakteristika rozdílového zesilovače U vst U výst -U B +U B U ofs U ofs – vstupní ofsetové napětí A –zesílení - udává směrnice přímky saturační napětí

35 Příklad základního zapojení bipolárního vícestupňového zesilovače s galvanickou vazbou mezi stupni,velmi vhodnou pro možnost integrace Lze použít jako zesilovač stejnosměrných i střídavých signálů Integrované operační zesilovače

36 Ideální operační zesilovač

37 Rozdělení operačních zesilovačů podle použití –standardní (..741) levné –precizní (OP177) trimované laserem –přístrojové (AD624) pevné/nastavitelné zesílení –výkonové, vysokonapěťové AD A –vysokofrekvenční (video...) AD MHz podle technologie –bipolární –unipolární –kombinované např.BIFET velký počet typů podle požadovaných vlastností výhodná provedení 1,2,4 OZ v jednom pouzdře

38 Komparátor Základní zapojení operačního zesilovače (bez vnější sítě obvodových prvků) Rozhraní mezi analogovými a digitálními obvody Obvod,který zajišťuje „rozhodnutí“, které ze 2 analogových vstupních napětí je větší. Výstupem je logická hodnota reflektující relativní hodnoty na vstupu. Ideální převodní charakteristika

39 Rozdílový zesilovač Často využíván k zesilování napětí na můstku

40 Zapojení neinvertujícího zesilovače Zesílení : nemění polaritu velký vstupní odpor – v případě použití FET transistorů na vstupu je řádu Ohmů elektrometrický zesilovač Záporná zpětná vazba – zesílení určuje opět pouze poměr resistorů R 0 a R 1 zvláštní případy: –diferenciální zesilovač –sledovač Charakteristické vlastnosti :

41 Zapojení invertujícího zesilovače Zesílení : Princip virtuální nuly - sčítací bod, virtuální 0 (napětí E i > 0,R vst se blíží nekonečnu) záporná zpětná vazba zesílení je jednoznačně určeno poměrem rezistorů R 0 ku R 1,mění polaritu,vstupní odpor je dán R 1 Sčítání vstupních napětí Charakteristické vlastnosti :

42 Můstek s OZ

43 Sčítací zesilovač

44 Aplikační spektrum Voltmetr s neinvertujícím zapojením OZ

45 D/A převodník se sčítacím zesilovačem 2 základní obvodové prvky : sčítací zesilovač a spínače U digitálně-analogového převodníku využíváme vlastnosti operačního zesilovače, u kterého je zesílení určeno zpětnou vazbou

46 Sledovač Používá se jako měnič impedance : Velmi vysoký vstupní odpor mění na velmi Malý výstupní odpor Kde A o je zesílení bez Zpětné vazby

47 Zdroj referenčního napětí s velmi nízkým výstupním odporem

48 Usměrňovače a detektory diodový usměrňovač s OZ výhodný k usměrnění malých napětí (prahové napětí diody se v tomto zapojení zmenší v poměru A zisku OZ) nevýhoda-omezený kmitočtový rozsah využití v přístrojové technice (multimetry) a při zpracování signálů

49 Logaritmické zesilovače

50 Funkční měniče dioda jako exponenciální měnič logaritmický zesilovač teplotní nestability ….

51 Převodníky U/I a I/U Detekce světelného záření Fotodioda v zapojení převodník I/U

52 Integrátor zapojení pro analogové počítače využití: odezva na ss a stř signály kmitočtová charakteristika má charakter dolní propustikmitočtová charakteristika má charakter dolní propusti aktivní filtry analogové „středování” šumuanalogové „středování” šumu dolní propust pro digitalizaci signáludolní propust pro digitalizaci signálu funkční generátory analogové časovací obvody

53 Analogově/digitálního převod Převodník využívající dvojnásobné analogové integrace Analogový signál transformuje na časový interval, který se digitalizuje.Základním obvodem je analogový integrátor. Ke vstupu integrátoru se nejprve na přesně stanovený časový interval t 1 přivede analogový signál U x > 0. Poté se na vstup integrátoru připne referenční napětí U ref opačného znaménka než U x. Komparátor určuje okamžik, kdy výstupní napětí integrátoru je rovno nule. Časový interval mezi okamžikem připojení napětí U ref na vstup integrátoru a překlopení komparátoru označíme t 3. Časové intervaly t 1 a t 3 měříme jako násobky přesného hodinového intervalu t 2. Časový interval t 3 je úměrný převáděnému analogovému signálu U x a snadno jej vyjádříme v číslicové formě pomocí hodinových impulsů a čítače. A1 A2 CLK

54 Derivační obvod

55 elektronická derivace –potlačení šumu “1/f” (filtr „hornopropust“) elektronická integrace –potlačení šumu v horní kmitočtové části (filtr „dolnopropust“) kombinací integračního a derivačního obvodu (filtr pásmová propust) dosáhneme zúžení pásma filtrace signálů Základem aktivních filtrů

56 Aktivní dolní propust

57 Aktivní horní propust

58 Schmittův klopný obvod (trigger) zapojení velmi podobné neinvertujícímu zesilovači kladná zpětná vazba-poměrem R 2 / R 1 je dána tzv. hystereze, jejímž důsledkem je,že výstup SKO se mění teprve tehdy,když vstupní úroveň překročí napěťovou hysterezi nutnou pro zpětný přechod pouze 2 stabilní stavy: Eo = +/- Usat - tvarovače Napěťová hystereze

59 Schmittův klopný obvod Komparátor je zdrojem chyb při zpracování skutečného signálu vlivem šumu či rušivého signálu V horní část obrázku je průběh vstupního signálu. V prostřední po zpracování komparátorem. Pokud zde místo komparátoru použijeme SKO s vhodně zvolenou úrovní hystereze, dostaneme správnou odezvu – spodní obrázek

60 Základní vlastnosti a parametry V návaznosti na číslicové obvody je třeba zajistit kompatibilitu s jednotlivými logickými skupinami (např. TTL kompatibilita předpokládá, že“1“ je + 5V a „0" je < 0,8V) Rychlost odpovědi typicky 40 až 100 ns, nejrychlejší i několik ns Chyby : Vstupní ofsetové napětí - (ideálně 0), udává jak je posunut rozhodovací bod vzhledem ke skutečné 0 hodnotě V 1 – V 2 (obvykle jednotky mV) interval neurčitosti (ani T ani F), nepřímo uměrný zesílení použitého OZ (obvykle desítky µV) Interval neurčitosti

61 Funkční generátory Vhodným spojením integrátoru a Schmittova klopného obvodu lze realizovat generátor (trojúhelníkového a obdélníkového) tvaru impulsů. Demo verze programu Multisim7 je na

62 Studijní literatura [1] J. Punčochář, Operační zesilovače v elektronice, BEN technická literatura, Praha 2002, ISBN X [2] M. Frohn et. al., Elektronika – polovodičové součástky a základní zapojení, BEN technická literatura, Praha 2006, ISBN


Stáhnout ppt "Analogová a číslicová technika Průběh přírodních dějů (teplota,světlo,zvuk,…) je spojitý-analogový proces-snaha o jeho zachycení,zpracování a uložení Příklad."

Podobné prezentace


Reklamy Google