Основы автоматизации эксперимента Герман (стр. 5 из 16)

Проблемы выбора конденсаторов для построения схем выборки-хранения. Конденсаторам присущи недостатки. Прежде всего это утечка (отличное от бесконечного параллельное сопротивление), последовательное сопротивление и индуктивность, ненулевой температурный коэффициент емкости. Реже вспоминают про диэлектрическое поглощение (ДП) – явление, которое очень сильно проявляет себя в следующей ситуации: возьмем конденсатор большой емкости, заряженный до напряжения в несколько вольт и быстро его разрядим, подключив к выводам резистор сопротивлением в несколько десятков Ом. Удалим резистор и понаблюдаем за напряжением на конденсаторе с помощью вольтметра с большим входным сопротивлением. Напряжение на конденсаторе будет восстанавливаться, и за несколько секунд достигнет примерно 5-10% от величины начального напряжения.

Данное явление недостаточно изучено. Полагают, что оно связано с остаточной поляризацией диэлектрического вещества между обкладками конденсатора. Особенно плохим в этом отношении является такой диэлектрик, как слюда с присущей ей слоистой структурой. С точки зрения схемы добавочная поляризация проявляет себя так, как если бы к выводам конденсатора подключили ряд последовательных RC-цепочек с постоянными времени в диапазоне от микросекунд до нескольких секунд. Этот неприятный эффект может порождать серьезные ошибки в УВХ, интеграторах и других аналоговых схемах, которые рассчитаны на идеальные характеристики конденсаторов.

По свойству ДП диэлектрики конденсаторов существенно отличаются друг от друга. Поэтому конденсаторы нужно выбирать как можно тщательней (с этой точки зрения наилучшим диэлектриком является фторопласт). В особых случаях можно прибегнуть к компенсационным схемам, в которых влияние диэлектрического поглощения электрически устраняют с помощью тщательно настроенных RС-цепочек, включенных в комплекс с запоминающим конденсатором. Этот метод очень сложен в расчете и иногда используется в высококачественных модулях УВХ.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема лабораторной установки приведена на рис. 16. По своему принципу работы данная схема не отличается от рассмотренной ранее схемы УВХ К1100СК2 (рис. 15). В основе схемы лежат два повторителя напряжения: на ОУ DA1 реализован входной, а на DA2 – выходной повторитель. Применены операционные усилители К544УД2 с внутренними цепями частотной коррекции, имеющие вход на полевых транзисторах с очень высоким (свыше 1 ГОм) входным сопротивлением. Данные ОУ характеризуются очень низким уровнем собственных шумов.

Рис. 16. Принципиальная схема макета лабораторной установки

Вся схема охвачена отрицательной обратной связью через резистор R2, позволяющей скомпенсировать напряжение смещения ОУ DA2. Диоды VD3 и VD4 также, как и в схеме на рис. 15, служат для предотвращения насыщения ОУ DA1 при размыкании ключа DD1.1.

В качестве ключа используется один из четырех аналоговых двунаправленных ключей, размещенных в корпусе микросхемы К176КТ1. Данный ключ способен коммутировать двуполярные сигналы, так как он оснащен входом для подключения источника отрицательного напряжения питания к подложке (на схеме не показан). Для данного ключа паспортная величина сопротивления открытого канала менее 500 Ом, неидентичность сопротивлений каналов в пределах одного корпуса не превышает 10 Ом. При нагрузке 10 кОм на частоте 10 кГц отношение сигналов на выходе ключа в замкнутом и разомкнутом состоянии должно превышать 65 дБ. Сопротивление разомкнутого ключа достигает 100 ГОм.

Конденсатор хранения С7* подключается к специальным подпружиненным контактам на плате, что позволяет быстро его заменять. Конденсаторы С1-С6, С8-С11 служат для фильтрации напряжения питания и защиты ОУ от помех. Диоды VD1 и VD2 предохраняют схему от подключения напряжения питания в обратной полярности. VD5 и VD6 служат защитой входа управления от подачи на него управляющего напряжения, превышающего напряжение источника питания, либо отрицательного напряжения (естественно, в обоих случаях необходимо сделать поправку на величину падения напряжения на диоде). Резистор R1 обеспечивает уровень лог. 0 на неподключенном входе управления, исключая включение ключа от сигнала помехи, наведенного на этот вход.

Устройство питается от двуполярного источника стабилизированного напряжения ±15В, подключаемого к разъему X2. На входной разъем Х1 допустимо подавать сигналы, не превышающие напряжения источника питания минус 2В. К выходу схемы Х3 может быть подключена любая нагрузка сопротивлением не менее 1 кОм и емкостью не более 0,1 мкФ. На вход управления Х4 допустима подача управляющих сигналов КМОП-логики, работающей от напряжения источника питания 15В.

Внимание: все подключения, а также замена конденсатора хранения С7* должны осуществляться только при выключенных источниках питания, входного сигнала и сигнала управления. Включение макета осуществляется в следующей последовательности: напряжение питания, входное напряжение, сигнал управления. Выключение производится в обратной последовательности.

ЗАДАНИЯ К РАБОТЕ

1. Изучите теоретический материал, посвященный аналоговым ключам и областям их использования. Ответьте на контрольные вопросы, приведенные в конце работы.

2. Используя справочную литературу [3, 4], рассмотрите внутреннее устройство и параметры промышленно выпускаемых аналоговых ключей К176КТ1 и К561КТ3, а также мультиплексоров К561КП1 и К561КП2.

3. Изучите электрическую схему макета лабораторной установки и принципы ее работы.

4. Используя справочную литературу [5], проведите анализ типов конденсаторов, выданных преподавателем (в данной работе будут использованы конденсаторы КМ5, КМ6, К10-7В, КСО, МБМ, К73-11, К73-9, К73-17, емкостью 1-68 нФ), и выберите 3 конденсатора, наиболее пригодных по своим характеристикам для использования в качестве запоминающих в схемах УВХ.

5. Подключите макет установки к источнику питания ±15 В. Подайте на вход УВХ постоянное напряжение в несколько вольт. К выходу схемы подключите вольтметр. Экспериментально определите величину входного сопротивления ОУ DA2 на основании измеренного с помощью секундомера времени полного разряда конденсатора хранения C7*. Для управления УВХ используйте ручную подачу управляющего напряжения положительной полярности от источника питания. Эксперимент повторить 3 раза. Результат усреднить.

6. Подключив вместо конденсатора хранения C7* резистор известного сопротивления (1-6,8 кОм), измерьте напряжение на выходе схемы при замкнутом ключе. На основании измеренного напряжения, сопротивления резистора, и напряжения, поданного на вход схемы, определите сопротивление ключа. Повторите эксперимент 3 раза для резисторов разного сопротивления. Усредните полученный результат.

7. Подключите ко входу управления УВХ регулируемый генератор прямоугольных импульсов низкой частоты. Один из входов двухканального осциллографа подключите к выходу генератора, а другой – к выходу УВХ. Определите максимальное время хранения напряжения с точностью 10%, 5%, 1%, 0,5%. Для проведения этого эксперимента на вход УВХ подается постоянное напряжение в несколько вольт. Частота импульсов генератора выбирается таким образом, чтобы спад выходного напряжения, наблюдаемый на экране осциллографа в период хранения, не превысил заданной точности. Период следования импульсов генератора будет являться неизвестным временем. Эксперимент проводится 3 раза для всех отобранных конденсаторов, результаты усредняются.

СПИСОК КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ

1. Что такое аналоговый ключ?

2. Какие свойства полевых транзисторов делают их пригодными для использования в аналоговых ключах?

3. Объясните принцип работы ключа на ПТ с p-n переходом.

4. Как устроен ключ на одном МОП-транзисторе? Каковы его недостатки?

5. Как формируется итоговое сопротивление КМОП-ключа?

6. От чего зависит максимальная частота сигналов,
коммутируемых аналоговым ключом?

7. Перечислите известные Вам параметры аналоговых ключей.

8. Как влияют на работу ключа паразитные емкости?

9. Какие способы используются для борьбы со сквозным прохождением сигнала через разомкнутый ключ?

10. Где используются аналоговые ключи?

11. Как устроен аналоговый мультиплексор?

12. Объясните принцип работы интегратора с переключаемым конденсатором.

13. Предложите вариант схемы преобразователя с плавающими конденсаторами для положительного входного напряжения,
с выходным положительным напряжением, равным
удвоенному входному.

14. Где применяется устройство выборки-хранения?

15. Как устроено УВХ?

16. Каким образом устраняется влияние напряжения смещения ОУ выходного повторителя УВХ?

17. Какие параметры УВХ Вы знаете?

18. Какие методы могут быть использованы для улучшения этих параметров?

19. Как влияют параметры конденсатора хранения на точностные и динамические параметры УВХ?

Список использованных источников:

1. Волович Г. Аналоговые коммутаторы // Схемотехника.– 2001.–№3–4.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники.– М.: Мир, 1993. –Т.1.

3. Богданович М.И., Грель И.Н., Прохоренко В.А., Шалимо В.В. Цифровые интегральные микросхемы. Справочник.– Минск: Беларусь, 1991.

4. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование
дискретных устройств на интегральных микросхемах. –
М.: Радио и связь, 1990.

5. В помощь радиолюбителю. Сборник. Вып. 109 / Сост. Алексеева И.Н. –М.: Патриот, 1991.