2. Аналоговые сигналы и средства их обработки. Лекция 2

2. Аналоговые сигналы и
средства их обработки
(продолжение)
 Школа Н.Ф.
«ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА»
«АНАЛОГОВЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА»
Ч.1. «АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА»
Лекция №2 2004 г.
Выводы:
• Чем меньше длительность импульса,
тем более широкий
частотный
спектр ему соответствует.
• Наиболее
широкий
частотный
спектр имеют те импульсные
сигналы, которые содержат скачки
величины (либо крутые перепадыфронты).
• Для
обеспечения
минимальных
искажений формы сигнала при
прохождении через усилитель его
полоса
пропускания
(полоса
прозрачности) должна быть шире
спектра сигнала.
• Наибольшие трудности возникают
при усилении коротких импульсов с
крутыми перепадами (фронтами).
• Протяженность
спектра
сигнала,
содержащая фиксированную часть
энергии, зависит от его формы: чем
круче перепады (фронты) импульса,
тем она шире.
Прямоугол
ьный
Треугольн
ый
Гауссов
(колокол)
S(t)
S(t)
S(t)
А
А
А
Ae-1/2
-tи/2
0
tи/2
t
-tи/2
0
tи/2
t
a
0 a
t
Зависимость доли энергии сигнала  от
произведения f*tи для трех форм импульсов.
1- прямоугольный, 2 -треугольный , 3 –

гауссов (колокол)
1
3
1
2
ftи
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Классификация и свойства
аналоговых цепей
Аналоговые
цепи
по
виду
дифференциальных
уравнений,
описывающих
процессы
в
них,
подразделяются на
1.Линейные с постоянными во времени
параметрами (времяинвариантные);
2.Линейные с переменными во времени
параметрами (времявариантные);
3.Нелинейные.
Цепь линейна, если:
 Величины, описывающие элементы
цепи, не зависят от уровня воздействия;

Справедлив принцип суперпозиции:


L s i ( t )   Ls i ( t )
 i 1
 i 1
N
N
ЦЕПЬ 1 содержит элементы, величины
которых
постоянны
во
времени,
оператор
L
задается
дифференциальными уравнениями с
постоянными коэффициентами.
При воздействии на них сигнала в цепи
не возникает
колебаний новых
частот, т. е. исходный спектр сигнала не
обогащается новыми гармониками.
Пример1. Сопротивление R= const.
ЦЕПЬ 2 содержит элементы, величины
которых переменны во времени, то
оператор
L
задается
дифференциальными уравнениями с
переменными коэффициентами.
Спектр сигнала обогащается новыми
гармоническими составляющими, но его
состав не зависит от уроня (величины)
электрического воздействия.
Пример2. Сопротивление R= r(t).
ЦЕПЬ 3 содержит элементы, параметры
которых
зависят
действующих в них
величин.
от
уровня
электрических
Принцип суперпозиции не справедлив.
Спектр сигнала обогащается новыми
гармониками при изменении его уровня.
Пример3. Сопротивление диода R= rд.
2.2. Аналоговые операции
Операции по аналоговой обработке сигналов
(АОС):
• Умножение на постоянный множительусиление;
• Арифметические действия;
• Интегрирование и дифференцирование;
• Функциональные
преобразование(логарифмирование,
потенцирование, sin, cos и т.д.);
• Свертка и фильтрация;
• Выборка мгновенного значения, экстремума;
• Оценка параметров случайных величин.
Усиление – основная операция при
обработке электронных сигналов
Усиление
процесс
преобразования
энергии
некоторого ее источника в
результате воздействия на него
сигнала.
Усилитель электрических сигналов устройство, позволяющее при наличии
на его входе сигнала с некоторым
уровнем мощности получить на его
выходной нагрузке сигнал с большим
уровнем мощности за счет энергии
источника питания.
Усилительное устройство- усилитель и
источник питания.
Усилитель как активный элемент
электрической цепи является активным
четырехполюсником:
Классификация аналоговых
электронных устройств
Аналоговые электронные устройства
(АЭУ)- это устройства усиления и
обработки аналоговых электрических
сигналов,
выполненные
на
электронных приборах.
Все АЭУ делятся на две группы:
•Усилители;
•Устройства на основе усилителей.
1.1. Диапазон усиливаемых частот
• Усилители постоянного тока УПТ:
fн=0, fв>0;
• Усилители переменного тока: fн>0;
• Усилители низкой частоты УНЧ: fн>0,
fв=20кгц;
• Широкополосные усилители: fв/fн>>1;
• Усилители высокой частоты УВЧ: fв/
fн1.
1.2. Форма входного сигнала
• Усилители гармонических
сигналов;
• Усилители импульсные.
1.3. Назначение
• Усилители напряжения:
RГ<<Rвх, Rвых<<Rн;
• Усилители тока:
RГ>>Rвх,Rвых>>Rн;
• Усилители мощности:
RГ=Rвх,Rвых=Rн.
1.4. Тип активного элемента
• ламповые;
• транзисторные, ИМС(
интегральные микросхемы);
• диэлектрические;
• магнитные.
Устройства на основе
2.1. усилителей
Активные устройства
АОС:
 суммирования;
 вычитания;
 перемножения;
 деления;
 интегрирования;
 дифференцирования;
 логарифмирования;
 потенцирования;
 сравнения;
 фильтрация;
 детектирования;
 выборки и хранения;
 временной фильтрации и
2.2. Преобразователи
сопротивления:
 величины;
 знака;
 характера сопротивления.
Классификация усилителей фирмы
Analog Devices
УСИЛИТЕЛИ
УСИЛИТЕЛИ
ОПЕРАЦИОННЫЕ
C МАЛЫМ ТОКОМ
СМЕЩЕНИЯ



Малошумящие
Быстродействующие
Прецизионные
ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ
ИМПУЛЬСНЫЕ






С ОДНИМ ИСТОЧНИКОМ
ПИТАНИЯ
ПРЕЦИЗИОННЫЕ



Малое напряжение смещения
Малый ток смещения
Малое шумовое напряжение


СОГЛАСОВАННЫЕ
NPN&PNP
ИЗОЛИРУЮЩИЕ
С ЦИФРОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
От шины до шины
Высокоскоростные
МАЛОЙ МОЩНОСТИ


ТРАНЗИСТОРЫ
Обратная связь по напряжению
Обратная связь по току
Буферные видеоусилители
Ограничители - усилители
Предусилители фотодиодов
ADSL,HDSL-преобразователи
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
Прецизионные
Ультрамалой мощности
ЛОГОРИФМИРУЮЩИЕ
АНАЛОГОВЫЕ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ
АУДИО
3. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ
УСИЛИТЕЛЕЙ
Технические
показатели
любого
устройства представляют количественную
оценку его свойств.
Они характеризуют усиление, искажения,
точность преобразования, уровни сигналов
на входе и выходе и т. д. и позволяют оценить
степень пригодности устройства для того или
иного применения.
Для устройств широкого применения
показатели и методы их измерения
определяются
государственными
или
отраслевыми стандартами (ГОСТ, ОСТ).
Стандартизация
тесно
связана
с
унификацией (уменьшением числа типов),
объектом которой могут быть как устройства,
так и их узлы.
Номенклатура большинства устройств
ограничена
разумным
числом
типов,
различающихся
выходной
мощностью,
выходным и входным напряжениями и т.д..
Стандартизация и унификация позволяют
ускорить и упростить разработки, снизить
стоимость производства и его подготовки,
упростить ремонт.
В
первую
очередь
рассмотрим
технические показатели усилителей как
основного типа АЭУ. Большинство их
параметров могут быть отнесены и к
другим
аналоговым
устройствам,
выполняемым на основе усилителей.
3.1. ВХОДНОЕ И ВЫХОДНОЕ
СОПРОТИВЛЕНИЯ.
Входное сопротивление Zвх
усилителя
или
другого
устройства - это внутреннее
сопротивление
между
его
входными зажимами.
Iвх
Uвх
Iвх
Zвх
Uвх Rвх
Cвх
В большинстве случаев оно может быть
представлено
в
виде
параллельного
соединения
активного
(резистивного)
сопротивления Rвх и емкости Свх. Обычно
желательно большое Rвх и малое Свх.
Выходное
сопротивление
Zвых
усилителяэто
внутреннее
сопротивление между его выходными
зажимами.
Iвых
Евых
Uвых
Rн
Cн
По отношению к нагрузке усилитель является
источником колебаний, внутреннее сопротивление
которого как раз равно Zвых. В области средних
частот выходное сопротивление можно считать
активным Rвых.
3.2. КОЭФФИЦИЕНТЫ
УСИЛЕНИЯ
Коэффициент усиления или передачи
напряжения усилителя — отношение
амплитуды его выходного напряжения к
амплитуде входного:
U вых
KU 
U вх
Запомни!
Коэффициент усиления напряжения
определяется в установившемся режиме (как
правило,
при
гармоническом
(синусоидальном)
входном
сигнале),
используется наиболее часто и в дальнейшем
для простоты обозначается через К (без
индекса U).
Отношение
K скв
U вых

Eг
называется
коэффициентом
сквозной
передачи, или сквозным коэффициентом
передачи.
K скв
Z вх
 Квх  К 
К.
Z г  Z вх
Z вх
Квх 
Z г  Z вх
---коэффициент
передачи (в комплексной форме) входной
цепи, состоящей из входного сопротивления
Zвх
и
внутреннего
сопротивления
эквивалентного генератора входного сигнала
Zг.
Коэффициентом усиления тока называется
отношение
I вых
KI 
I вх
Он используется реже, так как для
измерения токов требуется осуществлять
разрыв цепей, что трудоемко.
Запомни!
Если источник входного сигнала представить
в виде эквивалентного генератора тока, то
можно
ввести
понятие
сквозного
коэффициента усиления тока
K скв
I вых

Iг
Иногда
используют
также
понятия
сопротивления передачи и проводимости
передачи:
U вых
Z
I вх
I вых
Y
U вх
Отношение мощности усиленного колебания
в нагрузке к мощности, подаваемой на вход,
называется
коэффициентом
усиления
мощности:
PH
KP 
Pвх
В связи с тем, что громкость слухового
восприятия
звукового
сигнала
пропорциональна
логарифму
его
интенсивности, для сравнения мощностей
двух
колебаний
была
введена
логарифмическая единица бел (названа по
имени изобретателя телефона А. Белла).
Коэффициент усиления мощности часто
выражают в более мелких единицах—
децибелах: KP[дБ]=10 lg KP.
Если мощности РН и Рвх выделяются на
одинаковых сопротивлениях (RН=Rвх=R), то
их отношение в децибелах можно выразить
через отношение напряжений:
Эту запись часто используют для
выражения в децибелах коэффициента
усиления напряжения даже при неравенстве
РН
и Rвх (хотя это и не корректно), т. е.
полагают
K[дБ]=K =20lgK.
дБ
Логарифмические единицы удобны тем,
что
позволяют
перемножение
коэффициентов
усиления
заменить
сложением.