Преобразователь средних значений (ПСЗ)

Преобразователь средних значений (прецизионный выпрямитель) используется для преобразования двухполярного сигнала в однополярный, так как работать с сигналами одной полярности гораздо удобнее ввиду возможного упрощения схем функциональных устройств, таких как пиковые детекторы, устройств выборки-хранения, источников опорного напряжения и т.д.

Uвых

Uвх

Рисунок 3.9 – Преобразователь средних значений

В данном курсовом проекте в качестве ПСЗ выбран универсальный двухполупериодный выпрямитель, схема которого представлена на рисунке 3.10. Схема представляет из себя выпрямитель общего назначения с высоким входным и малым выходным сопротивлениями, и при единичном коэффициенте передачи для неё требуется только одна пара согласованных резисторов. При положительных сигналах диод VD4 закрыт, а диод VD3 открыт. Схема охвачена общей обратной связью через резисторы R28, R30. Напряжение на инвертирующем входе ОУ DA15 за счёт действия обратной связи поддерживается равным Uвх, что и определяет выходное напряжение схемы. При отрицательных входных сигналах диод VD4 открыт, а VD3 – закрыт. Теперь ОУ DA15 действует как повторитель, а ОУ DA16 – как инвертор с коэффициентом передачи, равным R30/R28.

Достоинствами данной схемы являются высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, некритичность к параметрам нагрузки, а также то, что при единичном коэффициенте передачи требуется только одна пара согласованных резисторов. Среди недостатков можно отметить то, что при некоторых коэффициентах передачи может потребоваться частотная коррекция с помощью конденсатора C7.

Коэффициент передачи для положительных сигналов:

Коэффициент передачи для отрицательных сигналов:

Соотношение между резисторами:

При положительных входных сигналах оба усилителя охвачены общей петлёй обратной связи. Это может привести к потере устойчивости, и для частотной коррекции может потребоваться конденсатор C7, ёмкость которого должна составлять около 100 пФ.

Сопротивление , то есть отсутствует в схеме, тогда R28=R30, схема имеет единичный коэффициент передачи, и необходимо только согласование резисторов R28 и R30.

Примем R28=R30=10 кОм, потому как в схемах прецизионных выпрямителей нельзя выбирать большие значения сопротивлений резисторов, поскольку они образуют ФНЧ с емкостями p-n переходов импульсных диодов и паразитными емкостями монтажа, что приводит к существенному сужению полосы пропускания всего тракта преобразования высокочастотных входных сигналов.

Вычислим номинал балансировочного резистора R29:

В качестве ОУ выбраны прецизионные микросхемы усилителей К140УД26А. Резисторы необходимо выбирать прецизионные, согласованные и высокочастотные (плёночные резисторы C2-29В). Диоды должны быть маломощными, импульсными, высокочастотными, с малыми обратными токами утечки (КД521А).

Выберем по справочнику [3] необходимые элементы и микросхемы:

ОУ – К140УД26А

VD3, VD4: КД521А

C7: К10-17Б-63В-Н90-100 пФ±10 %

R28: C2-29В-0,25 Вт-10 кОм±0,1 % (ряд E192)

R29: C2-29В-0,25 Вт-8,98 кОм±0,1 % (ряд E192)

R30: C2-29В-0,25 Вт-4,99 кОм±0,1 % (ряд E192)

Устройство выборки-хранения

Устройство выборки и хранения (УВХ) является критической частью большинства систем сбора данных. Оно захватывает аналоговый сигнал и удерживает его в течение выполнения некоторой операции (например, аналого-цифрового преобразования). Устройство выборки и хранения имеет аналоговый вход, аналоговый выход и цифровой управляющий вход. Запоминающим элементом в УВХ является конденсатор, для его включения и отключения от входной цепи используется электронный ключ. Для обеспечения высокого входного и низкого выходного сопротивления используются усилители.

Для того, чтобы повысить эквивалентное быстродействие УВХ и практически исключить апертурную погрешность, используем схему на основе двух параллельно соединённых УВХ и аналогового ключа, управляемого синхронно с УВХ. На выходе схемы всегда присутствует готовое значение выборки от одного из УВХ, в связи с этим время выборки исключается из интервала дискретизации. Следует учитывать, что готовая выборка появляется на выходе УВХ, начиная со второго такта его работы.

Рисунок 3.10 – Устройство выборки-хранения

Для уменьшения влияния коммутационных выбросов на выходе электронного ключа установим интегрирующую RC-цепочку (ФНЧ), постоянная времени которой равна:

Тогда при R35=10 кОм, номинал ёмкости C10=113,7 пФ.

Номиналы балансировочных резисторов R31 и R33, устраняющих смещение нуля УВХ, рекомендуется брать 1 кОм, потенциометров R32, R34 – 100 Ом.

В качестве устройств выборки-хранения выбираем микросхемы К1100СК2Б. Время выборки при С8=С9=1000 пФ составляет 0,4 мкс, скорость спада выходного напряжения в режиме хранения 0,2 В/с и смещение нуля не более 5 мВ. В качестве электронного ключа используем микросхему К590КН8А.

Выберем номиналы резисторов и конденсаторов:

C8, C9: К71-7-63 В-1000 пФ±2% (ряд Е96)

C10: К10-43а-МП0-63 В-110 пФ±10% (ряд Е24)

R31, R33: C2-29В-0,25 Вт-1 кОм±0,1% (ряд E192)

R32, R34: СП3-19а-0,25 Вт-100 Ом±10% (ряд Е24)

R35: C2-29В-0,25 Вт-10 кОм±0,1% (ряд E192)