8 что изменится если вместо прямоугольных импульсов на схему подать синусоидальное напряжение

Работа № 7. Исследование схем формирования импульсов

Цель работы — изучить работу схем формирования импульсов и исследовать влияния параметров схем на качество формирования сигналов. Продолжительность работы — 4 часа.

Формирователем называется схема, позволяющая изменять параметры импульсов: длительность, амплитуду, время фронта и среза импульсов. Типичными представителями этого класса устройств являются ограничитель амплитуды, дифференцирующие и интегрирующие цепи.

Ограничители амплитуды строятся на нелинейном элементе, в качестве которого могут использоваться полупроводниковые диоды и триоды. В зависимости от используемого нелинейного элемента, схемы его включения и режима работы существует большое разнообразие ограничителей (параллельные и последовательные диодные ограничители и т.д.).

Ограничители амплитуды используется:

для формирования импульсов с плоской вершиной;

для формирования импульсов нужной амплитуды;

для селекции импульсов требуемой полярности и амплитуды;

для формирования квазипрямоугольных (почти прямоугольных) импульсов из синусоидальных колебаний и т.д.

Дифференцирующие и интегрирующие цепи состоят из RC или RL элементов. Первые служат для получения коротких по длительности импульсов из перепадов напряжений; вторые — для расширения импульсов по длительности, в качестве линии задержки и простейшего генератора линейно изменяющегося напряжения.

Ограничитель представляет собой устройство, напряжение на выходе которого остается практически постоянным, при том, что входное напряжение стало больше (ограничение по максимуму) или меньше (ограничение по минимуму) некоторого предельного значения. Предельное напряжение в этом случае называется уровнем или порогом ограничения сверху или снизу. В пределах же порогов ограничения выходной сигнал по форме совпадает с входным.

Таким образом, ограничитель изменяет форму кривой подводимого к нему напряжения, срезая верхнюю или нижнюю часть кривой (или и ту, и другую). Например, при подаче на вход двустороннего ограничителя напряжения синусоидальной формы на выходе можно получить напряжение трапецеидальной (почти прямоугольной) формы (рис. 21).

Входное напряжение в любой момент

где — максимальное значение амплитуды синусоидальных колебаний; — период синусоидальных колебаний; , — соответственно круговая и циклическая частоты синусоидальных колебаний.

При верхнем пороге ограничения и нижнем имеем , где — время фронта выходного напряжения.

Обычно и синус можно заменить его аргументом. Тогда

Отсюда длительность фронта выходного напряжения определится следующим образом:

Выражение (1) позволяет выбрать параметры входного сигнала и ограничителя и для получения нужной прямоугольности выходных импульсов.

В данной работе мы ограничимся исследованием последовательного и параллельного диодных ограничителей дифференцирующей и интегрирующей цепей.

Последовательный диодный ограничитель и диаграммы напряжения, поясняющие его работу, представлены на рис. 22.

Если переключатель П находится в положении 1, то происходит полное ограничение сверху входных сигналов (эпюра ); в положении 2 схема ограничивает входной сигнал сверху на уровне ЭДС подпора –E (эпюра ).

Рис.22 Эпюры напряжений (а) и схема (б)последовательного ограничителя

Амплитуда выходного сигнала определяется следующим образом:

1) при положительных полуволнах входного сигнала диод VD практически разрывает цепь между входными и выходными клеммами, поэтому , ;

2) при отрицательных полуволнах входного сигнала диод открыт и

здесь — прямое сопротивление диода.

Если изменить полярность включения диода, то получим схему ограничения снизу (по минимуму). Ограничение в схеме наступает за счет обратного смещения диода.

Качество работы в области пропускания и ограничения характеризуется коэффициентами передачи и соответственно. Эти характеристики определяются отношением приращений выходного и входного сигналов:

где — внутреннее сопротивление источника входного сигнала, , — сопротивление диода при прямом и обратном смещении на нем соответственно.

При ограничениях импульсных сигналов с крутыми фронтами происходит искажение формы выходных импульсов, что обусловлено переходными процессами в схеме, связанными с зарядом емкости нагрузки при формировании среза и разрядом емкости при формировании фронта (рис. 23).

Нетрудно видеть, что всегда .

Параллельный диодный ограничитель по максимуму (сверху) и эпюры напряжения, поясняющие его работу, представлены на рис.24.

Если переключатель находится в положении 1, то происходит полное ограничение сверху входных полувершин (эпюра ); в положении 2 схема ограничивает входной сигнал сверху на уровне (эпюра ).

Амплитуда выходного сигнала в этих случаях соответственно:

1) при положительных полуволнах входного сигнала диод VD открыт (при для положения 1; при для положения 2) и

( — резистор, ограничивающий ток через открытый диод);

2) при отрицательных полуволнах входного сигнала диод VD заперт и

Если считать, что ограничитель работает на нагрузку, то коэффициенты передачи

Как и в последовательном диодном ограничителе, на форму выходного сигнала в параллельном диодном ограничителе существенно влияет емкость нагрузки (рис. 25).

Формирование среза связано с разрядом емкости:

При формировании фронта емкость нагрузки стремится перезарядиться с уровня до уровня с той же постоянной времени . Однако как только напряжение на выходе достигает нулевого значения, открывается диод и дальнейший перезаряд емкости прекращается. Поэтому длительность фронта оказывается меньше длительности среза.

Если амплитуды положительной и отрицательной полуволны входного сигнала равны, то приближенно можно считать

Дифференцирующей называется цепь, сигнал на выходе которой пропорционален производной входного сигнала. Примеры дифференцирующих цепей представлены на рис. 26.

Дифференцирующие цепи служат для получения коротких импульсов из перепадов напряжений.

Выходное напряжение связано со входным соотношением

где — постоянная времени дифференцирующей цепи.

Форма выходного сигнала зависит от соотношения между длительностью входного импульса и постоянной времени цепочки .

Чем меньше постоянная времени , тем более короткие импульсы на выходе можно получить из перепадов напряжения. Цепочка, у которой , называется переходной.

Интегрирующая цепь имеет на выходе сигнал, пропорциональный интегралу входного сигнала. Примеры интегрирующей цепи приведены на рис. 27.

Как преобразовать прямоугольный импульс в синусоидальный?

Радист 11

Просмотр профиля

Группа: Пользователи
Сообщений: 222
Регистрация: 24.4.2009
Пользователь №: 14304

Volt380

Просмотр профиля

Группа: Пользователи
Сообщений: 2963
Регистрация: 23.7.2009
Из: Волгодонск
Пользователь №: 15076

Радист 11

Просмотр профиля

Группа: Пользователи
Сообщений: 222
Регистрация: 24.4.2009
Пользователь №: 14304

Volt380

Просмотр профиля

Группа: Пользователи
Сообщений: 2963
Регистрация: 23.7.2009
Из: Волгодонск
Пользователь №: 15076

хех, тогда ответ прост:

Dmitry_G

Просмотр профиля

Группа: Пользователи
Сообщений: 1200
Регистрация: 17.1.2009
Из: СССР
Пользователь №: 13157

Радист 11

Просмотр профиля

Группа: Пользователи
Сообщений: 222
Регистрация: 24.4.2009
Пользователь №: 14304

mic61

Просмотр профиля

Группа: Модераторы
Сообщений: 1508
Регистрация: 7.2.2008
Из: Россия, ДНР, Донецк
Пользователь №: 10408

Радист 11

Просмотр профиля

Группа: Пользователи
Сообщений: 222
Регистрация: 24.4.2009
Пользователь №: 14304

mic61

Просмотр профиля

Группа: Модераторы
Сообщений: 1508
Регистрация: 7.2.2008
Из: Россия, ДНР, Донецк
Пользователь №: 10408

Радист 11

Просмотр профиля

Группа: Пользователи
Сообщений: 222
Регистрация: 24.4.2009
Пользователь №: 14304

Радист 11

Просмотр профиля

Группа: Пользователи
Сообщений: 222
Регистрация: 24.4.2009
Пользователь №: 14304

Просто хотел понять, как в ППТ преобразуется прямоугольные импульсы в синусоидальные после ртутных винтелей.

Сообщение отредактировал Радист 11 — 19.9.2009, 14:22

mic61

Просмотр профиля

Группа: Модераторы
Сообщений: 1508
Регистрация: 7.2.2008
Из: Россия, ДНР, Донецк
Пользователь №: 10408

KIVOK

Просмотр профиля

Группа: Пользователи
Сообщений: 628
Регистрация: 16.11.2008
Из: Украина Запорожье
Пользователь №: 12584

Радист 11

Просмотр профиля

Группа: Пользователи
Сообщений: 222
Регистрация: 24.4.2009
Пользователь №: 14304

Двигателю та по барабану, а как тогда в Передачах постоянного тока синхронизировать энергосистему с синусоидальным напряжением с напряжением прямоугольной формы которое выдаёт инвертор?

Как это понять ведомые сетью? У меня книжка про ППТ — Электрические Системы,Передачи эенергии переменным и постоянным током высокого напряжения, В.А. Веников, том 3, 1972 год.Тут сказанно что Конденсаторы и последовательно с ними соединяют реакторы,образую с ними сетевые фильтры Cф и Lф, настроенные на 5,7,11 или 13-ю гармоники тока сети.Сетевые фильтры обеспечивают получение практически синосуидального напряжения на шинах приёмной сети.

На передаче постоянного тока Волгоград-Донбасс.+-200 кВ.

Сообщение отредактировал Радист 11 — 20.9.2009, 13:26

mic61

Просмотр профиля

Группа: Модераторы
Сообщений: 1508
Регистрация: 7.2.2008
Из: Россия, ДНР, Донецк
Пользователь №: 10408

Двигателю та по барабану, а как тогда в Передачах постоянного тока синхронизировать энергосистему с синусоидальным напряжением с напряжением прямоугольной формы которое выдаёт инвертор?

Как это понять ведомые сетью? У меня книжка про ППТ — Электрические Системы,Передачи эенергии переменным и постоянным током высокого напряжения, В.А. Веников, том 3, 1972 год.Тут сказанно что Конденсаторы и последовательно с ними соединяют реакторы,образую с ними сетевые фильтры Cф и Lф, настроенные на 5,7,11 или 13-ю гармоники тока сети.Сетевые фильтры обеспечивают получение практически синосуидального напряжения на шинах приёмной сети.

Радист 11

Что изменится если вместо прямоугольных импульсов на схему подать синусоидальное напряжение

Лабораторная работа 2.18 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЗАРЯДКИ И РАЗРЯДКИ КОНДЕНСАТОРА. Бугров Г.Э., Филимонов В.В.

1 Лабораторная работа 2.18 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЗАРЯДКИ И РАЗРЯДКИ КОНДЕНСАТОРА. Бугров Г.Э., Филимонов В.В. Цель работы: изучение кривых зарядки конденсатора при различных параметрах RC электрической цепи (R сопротивление цепи, C емкость конденсатора) и вычисление времени релаксации. Задание: произвести экспериментальные измерения времени полузарядки и полуразрядки конденсатора при различных параметрах RC электрической цепи. По полученным данным построить графики зависимости времени полузарядки и полуразрядки от R и C, сравнить номинальные значения R и C и полученные из графиков. Подготовка к выполнению лабораторной работы: изучить процессы, происходящие при зарядке и разрядке конденсатора; ознакомиться с работой экспериментальной установки; подготовить конспект лабораторной работы; ответить на контрольные вопросы. Библиографический список 1. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие для ВТУ- Зов. Кн.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. М.: Изд-во Астрель, Изд-во АСТ, 21. 1,6,26,27,31 34, Калашников С.Г. Электричество: Учеб. пособие. 6-е изд., стереот. М.: ФИЗМАТЛИТ, ,74. Контрольные вопросы 1. Что называется электроемкостью конденсатора? 2. Как рассчитать электроемкость плоского конденсатора? 3. Как определяется общая емкость при последовательном и параллельном соединении конденсаторов? 4. Как влияет на процесс зарядки конденсатора величина сопротивления, подключенного с ним последовательно?

2 5. Что такое кривая релаксации зарядки? 6. Как определяется характеристическое время релаксации τ? 7. Опишите схему экспериментальной установки. 8. Что изменится, если вместо прямоугольных импульсов на схему подать синусоидальное напряжение? 9. Какова зависимость напряжения на конденсаторе U и тока в цепи I от времени, т.е. U() и I(), в процессе заряда и разряда конденсатора? 1. Как по графику зависимости U() определить характеристическое время релаксации τ? Теоретическое введение Рассмотрим процесс зарядки конденсатора в электрической цепи, содержащей последовательно соединенные конденсатор С, сопротивление R и источник ЭДС ε (рис. 1). Первоначально конденсатор не заряжен. Пусть I,, U мгновенные значения тока, заряда и разности потенциалов между обкладками конденсатора. Полагаем, что токи и напряжения удовлетворяют Рис.1 условиям квазистационарности, т.е. мгновенное значение тока во всех элементах цепи одно и то же, а соотношение между мгновенными значениями I,, U такое же, как и в цепях постоянного тока. В момент времени = ключ К замкнули и в цепи пошел ток d I, (1) d заряжающий конденсатор, где заряд конденсатора. Применим к данной цепи закон Ома IR U, где R полное сопротивление цепи, включающее внутреннее сопротивление источника ЭДС. Учитывая, что разность потенциа-

3 лов на пластинах конденсатора U / С, запишем предыдущее уравнение в виде d / C. (2) d R Разделим переменные и проинтегрируем это уравнение с учетом начального условия: при =, =. Тогда получим Rd C / d, откуда RC ln(1 ). C Выражая заряд, приходим к соотношению ( 1 RC m e ), (3) где m =εс предельное значение заряда на конденсаторе. Напряжение на конденсаторе изменяется по закону U ( 1 e RC ), (4) C а закон изменения тока в цепи получим дифференцированием где RC d I I e, d I. Графики зависимостей () и I() показаны на рис. 2. R Рис. 2

4 Рассмотрим процесс разрядки конденсатора емкостью С, пластины которого замкнуты сопротивлением R. Пусть d уменьшение заряда конденсатора за время d. При разряде конденсатора в цепи (рис. 3) протекает ток I. Известно, что d d CU, где U разность потенциалов на конденсаторе, а следовательно, и на сопротивлении R. По закону Ома имеем U IR, тогда d U. (5) d R CR Уравнение (5) показывает, что скорость уменьшения заряда конденсатора пропорциональна величине этого заряда. Интегрируя уравнение (5) при условии, что в момент времени = =, получим d 1 RC d, или откуда Рис. 3 ln /, (6) RC RC e. (7) Видно, что заряд () изменяется по экспоненциальному закону. График зависимости () приведен на рис. 4. Закон измене-

5 ния напряжения на конденсаторе в процессе разряда аналогичен (7) RC U( ) Ue, где C. (8) C U Рис. 4 Произведение RC имеет размерность времени RC и называется постоянной времени или временем релаксации τ. За время τ заряд конденсатора уменьшается в е раз. Для определения RC часто удобно измерять время, за которое величина заряда падает до половины первоначального значения 1/2, которое определяется из выражения 1/ 2 1 е RC. (9) 2 Взяв натуральный логарифм от обеих частей уравнения (9), получаем 1 / 2 RC ln 2, 693RC или RC 1,4425 1/ 2. (1) Способ измерения постоянной времени состоит в определении времени 1/2 и умножении полученной величины на 1,44. Так как экспонента асимптотически приближается к оси абсцисс, то точно установить окончание процесса разряда конденсатора (так же как и процесса зарядки) не представляется возможным. Поэтому целесообразно измерять время уменьшения величины заряда в 2 раза. За каждый интервал времени

6 1/2 =,693RC (11) заряд на емкости уменьшается в два раза (рис. 5). Рис. 5 Если на обкладки конденсатора подавать прямоугольные импульсы, то график процесса зарядки-разрядки конденсатора будет иметь вид, примерно показанный на рис. 6. Процесс зарядкиразрядки можно наблюдать с помощью осциллографа, подключенного к компьютеру. Рис. 6

7 Описание аппаратуры и методики измерений В настоящей работе производится измерение времени зарядки и разрядки конденсатора до установленного значения напряжения для различных пар конденсаторов и сопротивлений. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 7 Рис. 7. На рисунке: 1 переключатель режима заряд/разряд конденсатора; 2 терминал для подключения внешнего сопротивления; 3 терминал для подключения внешнего конденсатора; 4 подключение блока питания; 5 цифровой секундомер; 6 переключатель напряжения; 7 переключатель пар сопротивление/конденсатор; 8 кнопка сброса секундомера.

8 Когда переключатель 1 находится в положении STOP (верхняя позиция) конденсатор (внешний или внутренний) полностью разряжен. При переводе переключателя в верхнее положение START (CHARGE) конденсатор подключается к источнику напряжением 1 В через одно из сопротивлений и начинает заряжаться. В этот же момент автоматически включается секундомер 5. Когда напряжение на конденсаторе достигает значения, установленного на переключателе 6, секундомер останавливается, фиксируя время зарядки от нуля до заданного напряжения. Возврат переключателя 1 в положение STOP приводит к прекращению зарядки и полной разрядке конденсатора. Чтобы перейти к изучению процесса разрядки конденсатора через одно из сопротивлений следует перевести переключатель 1 в положение STOP (нижняя позиция). При этом конденсатор подсоединяется напрямую к источнику и очень быстро заряжается до максимального напряжения 1 В. Перевод переключателя в нижнее положение START (DISCHARGE) запускает разрядку конденсатора через сопротивление и включает секундомер. Когда напряжение уменьшится до значения, заданного переключателем 6 секундомер останавливается. Возврат переключателя 1 в положение STOP приводит к прекращению процесса разрядки конденсатора и к его быстрой зарядке до 1 вольт. Установка позволяет измерять время зарядки или разрядки конденсатора до заданного напряжения в диапазоне от,5 В до 9,5 В. Во внутренней схеме установки имеется один конденсатор, который в режимах INTERN 1, INTERN 2 или INTERN 3 подключается к одному из трех внутренних сопротивлений. Когда переключатель 7 находится в положении EXTERN, измеряется время зарядки или разрядки при известных значениях R и C, подключенным к терминалам 2 и 3, что позволяет сравнить экспериментальное и теоретическое значения времени релаксации.

9 Порядок выполнения работы 1. Установите переключатель 7 в положение EXTERN. Вставьте сопротивление и конденсатор в терминалы 2 и 3, соответственно. 2. Установите переключатель 1 в положение STOP (верхняя позиция), а переключатель 6 в положение,5 В. Нажав на кнопку 8, сбросьте показания секундомера. Быстро переведите переключатель 1 в верхнее положение START (CHARGE). Занесите зафиксированное на секундомере время зарядки з в таблицу 1. и верните переключатель 1 в положение STOP. 3. Повторите измерения времени зарядки согласно пункту 2, постепенно увеличивая напряжение до 9,5 В. Результаты измерений занесите в таблицу Оставьте переключатель 6 на 9,5 В и переведите переключатель 1 в положение STOP (нижняя позиция). При этом конденсатор заряжается до максимального напряжения 1 В. 5. Сбросьте показания секундомера и быстро переведите переключатель 1 в нижнее положение START (DISCHARGE).При этом конденсатор начнет разряжаться, а секундомер покажет время его разрядки от 1 до 9,5В 6. Аналогичным образом измерьте время зарядки з конденсатора, постепенно уменьшая напряжение, устанавливаемое переключателем 6 до,5 В. Результаты всех измерений занесите в таблицу 1: Таблица 1 U, В з, с р, c,

10 9 9,5 7. Извлеките внешнее сопротивление и конденсатор из терминалов 2 и 3. По указанию преподавателя установите переключатель 7 в положение INTERN 1, INTERN 2 или INTERN Измерьте время зарядки и разрядки внутреннего конденсатора С х через одно из внутренних сопротивлений, аналогично пунктам 2-6. Результаты измерений занесите в таблицу 2 Таблица 2 U, В з, с р, c, ,5 9. Не меняя положение переключателя 7, вставьте в терминал 3 внешний конденсатор. Измерьте время зарядки и разрядки параллельно соединенных внешнего и внутреннего конденсаторов. Результаты измерений занесите в таблицу 3 Таблица 3 U, В з, с р, c,5 1 2

11 ,5 Обработка результатов измерений 1. По данным Таблицы 1 построить графики зависимости напряжения зарядки и разрядки внешнего конденсатора от времени U(). 2. С помощью графиков определить время, при котором напряжение достигает половины первоначального значения в процессе зарядки ( 1/2 ) З и разрядки ( 1/2 ) Р, и вычислить среднее значение 1/2 = ½[( 1/2 ) З + ( 1/2 ) Р ] 3. Вычислить экспериментальное значение времени релаксации τ= 1,4425 1/2 и сравнить его с рассчитанным как τ=rc по известным значениям сопротивления и емкости. 4. По данным Таблицы 2 построить графики зависимости напряжения зарядки и разрядки внутреннего конденсатора от времени и вычислить время релаксации τ 1 внутренней пары R х С х, как указано в п.п. 2 и Аналогично с помощью данных Таблицы 3 вычислить время релаксации τ 2 при подключенном внешнем конденсаторе. 6. Учитывая, что емкости внешнего и внутреннего конденсаторов складываются, вычислить емкость внутреннего конденсатора из соотношения τ 2 /τ 1 =(C х + С)/С х. 7. Зная емкость С х, вычислить внутреннее сопротивление из соотношения τ 1 =R х С х.

Формирование прямоугольных импульсов из синусоиды

Этот метод формирования импульсов имеет весьма существенное преимущество, заключающееся в том, что стабильность частоты входного синусоидального напряжения может быть достаточно высокой, и, следовательно, частота сформированной периодической последовательности импульсов будет также строго постоянной. Это преимущество будет реализовано, если в качестве генератора синусоидальных колебаний будет работать кварцевый генератор.

Основной задачей при формировании импульсов из синусоиды является получение импульсов, по возможности близких по форме к прямоугольным, т.е. с наивысшей крутизной фронта и среза.

Пусть на вход двустороннего амплитудного ограничителя подаётся синусоидальное напряжение (рис.2.18). Поскольку ограничитель двусторонний симметричный, то

Е_пв = Е_пн = Е_п.

Напряжение на выходе будет следовать за напряжением на входе до тех пор, пока не достигнет величины Е_п. Напряжение на выходе будет определяться как

…………… (2.15).

Если учесть, что длительность фронта τ_ф значительно меньше периода синусоиды Т, т.е. и, следовательно, , то можно функцию синуса заменить его аргументом. В результате получим:

Рис.2.18. Получение прямоугольных импульсов при двустороннем

симметричном ограничении синусоиды

,

После несложных преобразований получим

…………………. (2.16).

Из этого выражения следует, что формируемое напряжение будет тем ближе к прямоугольной форме, чем больше будет амплитуда синусоиды, чем больше её частота и чем меньше будет порог ограничения Е_п. Однако бесконечно увеличивать амплитуду синусоиды на входе ограничителя нельзя, так как это напряжение ограничено величиной допустимой электрической прочности элементов схемы. Чтобы всё-таки увеличить крутизну фронтов формируемых импульсов, полученное после ограничения напряжение усиливают и вновь ограничивают до тех пор, пока не получат необходимого значения крутизны фронтов.

В зависимости от способа включения диода и нагрузки различают два вида ограничителей:

· диодные ограничители с последовательным включением диода

· диодные ограничители с параллельным включением диода и нагрузки.

Диодные ограничители с последовательным включением

Диода и нагрузки

Ограничители с нулевым порогом ограничения.

Схема такого ограничителя приведена на рис.2.19,а. Эпюры напряжений показаны на рис.2.19,б.

а)б)

Рис.2.19. Последовательный ограничитель с нулевым порогом

а) схема диодного ограничителя; б) эпюры напряжений.

Из схемы следует, что входное напряжение U_вх распределяется между диодом VD и резистором нагрузки R_н. От соотношения их сопротивлений зависит, какая часть напряжения U_вх выделяется на выходе. Сопротивление диода в прямом направлении R_пр << R_н. Поэтому положительная полуволна напряжения практически полностью выделится на выходе. Сопротивление диода в обратном направлении R_обр>> R_н.Поэтому отрицательная полуволна практически полностью выделяется на диоде, и U_вых≈ 0.

Таким образом, рассмотренная схема обеспечивает ограничение входного напряжения снизу с порогом ограничения, равным нулю.

Ограничение сверху с нулевым порогом ограничения можно получить, изменив полярность включения диода (рис.2.20,а; б).

а) б)

Рис.2.20. Последовательный ограничитель с нулевым порогом

а) схема диодного ограничителя; б) эпюры напряжений

Ограничители с нулевым порогом ограничения применяются для исключения импульсов определённой полярности из последовательности разнополярных импульсов (рис.2.21).

Рис.2.21. Получение импульсов одной полярности из последовательности

Ограничители с ненулевым порогом ограничения.

Для получения порога ограничения, отличного от нуля, последовательно с нагрузкой включают напряжение смещения Е_см, равное выбранному порогу ограничения.

В схеме, изображенной на рис.2.22, при отсутствии входного сигнала от источника смещения Е_см на катод диода VD подаётся отрицательный потенциал, а анод диода через источник входного сигнала соединяется с положительным полюсом + Е_см. Диод смещается в прямом направлении, т.е. рабочая точка диода сдвигается вправо по ВАХ.

а)

б)

Рис.2.22. Ограничитель снизу с отрицательным порогом ограничения:

а) схема ограничителя; б) эпюры напряжений

Таким образом, до поступления входного напряжения диод открыт и через резистор R_н протекает ток, создающий на нём напряжение с полярностью, указанной на рисунке. Если пренебречь сопротивлением источника сигнала и по-прежнему считать, что R_н>> R_пр, то основным сопротивлением в цепи будет R_н, поэтому до начала действия U_вх напряжение на нагрузке U_Rн≈ Е_см и U_вых = U_Rн – Е_см≈ 0. Положительная полуволна напряжения U_вх действует согласно с Е_см и почти целиком (т.к. R_н>> R_пр), выделяется на резисторе R_н. Поэтому U_Rн = Е_см + U_вх и U_вых = U_Rн – Е_см = U_вх, т.е. выходное напряжение, начиная нарастать от нуля, повторяет все изменения входного напряжения.

При действии отрицательной полуволны входного напряженияисточника Е_см и U_вх оказываются включёнными встречно, так что результирующее напряжение в цепи будет равно U_вых = Е_см – U_вх, где U_вх – абсолютное значение напряжения. Пока напряжение Е_см – U_вх > 0, диод остаётся смещённым в прямом направлении, он проводит ток и напряжение на выходе равно входному.

В некоторый момент времени напряжение отрицательной полуволны достигает значения, равного –Е_см. Начиная с этого момента, диод запирается, и дальнейшее увеличение U_вх не влияет на выходное напряжение. Таким образом, рассмотренная схема обеспечивает ограничение снизу с отрицательным порогом U_огр = – Е_см.

Если в схеме рис.2.22 изменить полярность источника смещения Е_см

и направление включения диода, то получится схема, изображённая на рис.2.23

а) б)

Рис.2.23. Ограничитель сверху с положительным порогом ограничения:

а) схема ограничителя; б) эпюры напряжений.

Как и в предыдущей схеме, здесь до начала действия U_вх напряжение на выходе равно нулю. С началом действия положительной полуволны входного напряжения диод будет проводить ток до того момента, когда величина U_вх, действующего на катоде, станет равной потенциалу анода (т.е. + Е_см), после чего диод запирается. В запертом состоянии диод будет находиться до тех пор, пока уменьшающееся на катоде напряжение U_вх не станет вновь равным потенциалу + Е_см, после чего диод вновь отпирается, и через него и резистор R_н начинает протекать ток. Таким образом, рассмотренная схема обеспечивает ограничение сверху с положительным порогом U_огр = + Е_см.

Рассмотрение других сочетаний полярности источника смещения и направления включения диода не сложно.

Комбинируя ограничения сверху и снизу, можно получить двусторонний ограничитель (рис.2.24), который используется для получения трапецеидальных импульсов из синусоидального напряжения. Диод VD₁ пропускает положительную полуволну входного напряжения, но ограничивает отрицательную полуволну на уровне – Е_см, подобно схеме рис.2.22. Диод VD₂ пропускает на выход схемы отрицательную полуволну, но ограничивает положительную полуволну на уровне + Е_см, подобно схеме рис.2.23.

а) б)

Рис.2.24. Двусторонний симметричный ограничитель:

а) схема ограничителя; б) эпюры напряжений.

Необходимо иметь в виду, что временные диаграммы, изображённые на рис.2.22 …2.24, соответствуют идеальному диоду, у которого R_пр = 0

и R_обр = ∞.

Достоинства схем с последовательным включением диода и нагрузки:

· чёткое (чистое) ограничение, т.к. диод в запертом состоянии отключает нагрузку от входной цепи.

Недостатком схем с последовательным включением диода и нагрузки следует считать то, что при большой крутизне фронта входного напряжения

(т.е. при работе с высокочастотными составляющими спектра) начинает сказываться паразитная ёмкость схемы, которая вместе с сопротивлением нагрузки создаёт дифференцирующую цепь, искажающую форму выходного напряжения.

Примеры дифференцирования сигналов

1. Цель работы: овладение методами измерения основных характеристик линейной цепи (звена).

Теоретические основы

Дифференцирующей называется электрическая цепь, в которой выходная величина пропорциональна производной от входной величины. Простейшими дифференцирующими цепями могут служить цепи с емкостью или индуктивностью (рис.2.1).

Рис.2.1 Простейшие дифференцирующие цепи

В цепи с емкостью

Принимая u_c (t) за входную величину, а ток i_c (t) – за выходную, получим дифференцирующую цепь.

В цепи с индуктивностью

Принимая i_L(t) за входную величину, а u_L(t) – за выходную, получим дифференцирующую цепь.

Использовать ток как входную или выходную величину практически затруднительно, так как в первом случае необходимо иметь стабильный источник тока, а во втором для его измерения необходимо включить последовательно дополнительное сопротивление, которое оказывает влияние на процесс. Следовательно, входной и выходной величинами целесообразно выбирать напряжения, при этом используются rC — и rL – цепи. На практике широкое распространение получила rC — цепь.

Условие, при котором rC-цепь выполняет операцию дифференцирования, вытекает из уравнения

При синусоидальном входном напряжении уравнение цепи в комплексной форме

По условию дифференцирования

При несинусоидальной форме напряжения U₁(t) условие дифференцирования должно быть выполнено для всех гармонических составляющих входного сигнала. При этом условием дифференцирования является

где ω_В – частота наивысшей гармоники, которой нельзя пренебречь.

Идеальное дифференцирование прямоугольного импульса показано на рис. 2.2,а. Амплитуда выходного сигнала u₂(t)бесконечно велика.

Рис.2.2 Идеальное (а) и реальное (б) дифференцирование прямоугольного импульса

График напряжения u₂(t)на выходе реальной дифференцирующей цепи показан на рис.2.2,б. Напряжение u₂(t)представляет собой импульсы экспоненциальной формы с чередующейся полярностью.

За длительность выходного импульса принимают время, равное утроенному значению постоянной времени цепи . Амплитуда импульсов равна величине входного напряжения. Сравнение временных диаграмм реальной и идеальной дифференцирующей цепи (рис.1,а и 1,б) показывает, что при уменьшении τдлительность импульсов u₂(t)сокращается и кривая u₂(t)стремится по форме к производной входного напряжения. Величина τ называется постоянной времени цепи и соответствует изменению выходного напряжения на 63% от исходного (e -1 = 0.37). Очевидно, что время изменения выходного напряжения зависит от сопротивления резистора и емкости конденсатора и, соответственно, постоянная времени цепи пропорциональна этим значениям, т. е. τ = RC (в секундах).

Дифференцирующая цепь называется еще укорачивающей, так как длительность выходных импульсов значительно меньше, чем входных.

Допустим, конденсатор разряжен. При подаче на вход RC-цепи импульса напряжения конденсатор сразу же начнет заряжаться током, проходящим через него самого и резистор. Сначала ток будет максимальным, затем по мере увеличения заряда конденсатора постепенно уменьшится до нуля по экспоненте. Когда через резистор проходит ток, на нем образуется падение напряжения, которое определяется, как U=i R, где i-ток заряда конденсатора. Поскольку ток изменяется экспоненциально, то и напряжение будет изменяться также — экспоненциально от максимума до нуля. Падение напряжения на резисторе как раз и является выходным, величину которого можно определить по формуле U_вых = U₀e -t/τ .

Передаточная функция цепи (коэффициент передачи) — равна отношению комплексной амплитуды сигнала на выходе к комплексной амплитуде сигнала на входе:

, где — фазово-частотная характеристика, — амплитудно-частотная характеристика цепи.

Импульсная характеристика g(t) —реакция цепи на действие сигнала в виде δ-функций, т. е. это сигнал на выходе, если сигнал на входе есть d-функция. при . При этом g(t) = 0 при t < 0 – выходной сигнал не может возникнуть ранее момента появления входного сигнала.

Импульсная характеристика цепи и передаточная функция связаны преобразованием Фурье:

Переходная характеристика цепи h(t) — является откликом на сигнал, называемый единичным скачком: h(t) = 1 при t >0, h(t) = 0 при t < 0, при этом

Для дифференцирующей цепи:

Комплексный коэффициент передачи: ,

Передаточная функция:

Импульсная характеристика:

Рис.2.3 АЧХ (а) и ФЧХ (б) идеального дифференциатора

Условие хорошего дифференцирования сигнала: для синусоидального колебания с частотой w дифференцирование осуществляется при условии, что частота его много меньше величины 1/RC. Если на входе действует сложный сигнал, то он будет хорошо дифференцироваться, если наивысшая частота в спектре входного сигнала много меньше граничной частоты цепочки.

Подставляя в выражение для передаточной функции K(p) вместо р комплексную величину jω, мы получаем однозначную зависимость между передаточной функцией и частотными характеристиками звена. При этом комплексная величина K(jω) есть функция частоты, и называется амплитудно-фазовой характеристикой (АФХ). При построении K(jω) в прямоугольной системе координат — комплексной плоскости — получаем годограф амплитудно-фазовой характеристики, где частота ω входит как параметр. Примерный вид годографа АФХ показан на рис. 2.4. Каждой точке такого годографа соответствует определенная частота ω, как и помечено на рисунке.

Рис.2.4 Амплитудно-фазовая характеристика

АФЧХ реального дифференцирующего звена приведена на рис. 2.5.

Рис.2.5 Годограф АФЧХ реального дифференцирующего звена

Годограф описывает полуокружность с радиусом, стремящимся к ¥ при T стремящимся к 0. При этом годограф прижимается к положительной мнимой полуоси и становится практически неотличим от годографа идеального дифференцирующего звена.

Частота w*=1/T считается максимальной, при которой еще реальное дифференцирующее звено работает "почти как идеальное". При достаточно низких частотах реальное дифференцирующее звено близко к идеальному.

Примеры дифференцирования сигналов

1. Подаем на вход синусоидальное напряжение.

Таким образом, напряжение на входе изменяется по закону косинуса.

2. На вход подается сигнал треугольной формы (рис.2.6):

Рис. 2.6 Дифференцирования сигнал треугольной формы

Выходной сигнал — это прямоугольное напряжение, частота которого равна частоте входного сигнала: , таким образом, любому линейно изменяющемуся сигналу на входе дифференциатора соответствует постоянный выходной сигнал, величина которого пропорциональна крутизне входного сигнала; этот выходной сигнал остается постоянным в течении всего времени, пока входной сигнал сохраняет постоянный наклон.

1. На вход подается прямоугольный сигнал (рис. 2.7):

Рис. 2.7 Дифференцирования прямоугольного сигнала

Участки входного сигнала, на которых его значение постоянно не дают никакого напряжения на выходе дифференциатора, так как производная постоянной величины равна нулю.

Участки нарастания и спада импульсов можно аппроксимировать наклонными прямыми. Так как t_Н= t_С выходное напряжение во время нарастания равно выходному напряжению во время спада и противоположно ему по закону. Ненулевое выходное напряжение вообще появляется только во время спада или нарастания импульсов.

1. Порядок выполнения работы

3.1. Ко входу дифференцирующей цепи подключить генератор синусоидального напряжения, к выходу – осциллограф (рис. 3.1) и снять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) цепи, т.е. зависимость коэффициента передачи цепи от частоты входного сигнала. Отсчеты частоты рекомендуется брать в логарифмическом масштабе. Построить АЧХ.

Рис. 3.1 Схема установки для снятия частотных характеристик дифференцирующего звена

3.2. Собрать установку по схеме, приведенной на рис.3.2. С выхода дифф. звена подать сигнал на Y–пластины осциллографа, а входной сигнал – на X-пластины осциллографа. Снять фазово-частотную характеристику (ФЧХ) звена. Фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением звена определяется по параметрам эллипса на экране осциллографа (рис.3.3)

Рис. 3.2 Схема установки для снятия фазово-частотных характеристик дифференцирующего звена

Перед измерением фазы необходимо выровнять амплитуды сигналов, подаваемых на Y- и X-пластины осциллографа. Для этого убирается сигнал с Y-пластин. На экране осциллографа образуется горизонтальная линия. Запоминается ее размер в делениях осциллографической сетки. Затем убирается сигнал с X-пластин и подводится сигнал с выхода звена к Y-пластинам осциллографа. На экране образуется вертикальная линия. Ручкой «регулировка усиления по вертикали» добиваются, чтобы размер вертикальной линии был одинаков с ранее наблюдаемой горизонтальной. После этого восстанавливается схема измерения, приведенная на рис.3.2, и определяется сдвиг фазы по параметрам эллипса А и В: .

Следует проводить фазовые измерения на тех же частотах, на которых измерялся коэффициент передачи звена при снятии частотной характеристики. По полученным результатам построить фазовою характеристику линейного звена, т.е. зависимость фазового сдвига φ между входным и выходным сигналом от частоты, а по АЧХ и ФЧХ – построить годограф.

Рис. 3.3 Определение фазового сдвига между входным и выходным напряжением звена

3.3. Собрать схему установки, приведенной на рис.3.4. На вход линейного звена подать прямоугольные импульсы с генератора импульсов и с помощью осциллографа наблюдать характер переходного процесса на выходе цепи. Зарисовать полученные осциллограммы и замерить параметры переходного процесса.

Рис. 3.4 Схема установки для снятия переходных характеристик дифференцирующего звена

Содержание отчета

1. Титульный лист установленного образца с наименованием работы.
2. Цель работы.
3. Функциональные схемы лабораторной установки.
4. Основные формулы исследуемых характеристик.
5. Таблицы измерений.
6. Графики или осциллограммы измеренных зависимостей.
7. Выводы по работе.

Вопросы для проверки

1. Что такое дифференцирующая цепь?
2. Запишите для дифференцирующего звена:

а) передаточную функцию К(р)

б) дифференциальное уравнение

в) комплексный коэффициент передачи K(jω)

г) модуль комплексного коэффициента передачи A(ω)=|K(jω)|

д) фазовую характеристику

е) импульсную и переходную характеристики.

3. Построить графики A(ω), φ(ω), годограф, h(t), g(t), для дифференцирующего звена.

Схема преобразования прямоугольного сигнала в синусоидальный

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Простая схема преобразователя прямоугольного сигнала в синусоидальный

Схема преобразования прямоугольного сигнала в синусоидальный является важной аналоговой схемой. Она имеет широкий спектр применения во многих различных областях электроники, таких как акустика, аудиоприложения, инверторы, источники питания, генераторы функций и т. д.

В этом проекте мы обсудим, как работает схема преобразования прямоугольного сигнала в синусоидальный и как она может быть собрана с использованием простых пассивных электронных компонентов.

Преобразователь прямоугольного сигнала в синусоидальный может быть собран н с использованием 6 пассивных компонентов, а именно трех конденсаторов и трех резисторов. Используя эти три конденсатора и три резистора, можно построить трехкаскадную RC-цепь, которая принимает прямоугольный сигнал на входы и выдает синусоидальный сигнал. Простая однокаскадная RC-цепь показана на следующем изображении.

В приведенной выше схеме показан однокаскадный RC-фильтр, в котором используется один резистор и один конденсатор. Эта по своему принципу работы схема довольно проста. Конденсатор заряжается в зависимости от состояния прямоугольного сигнала. Если прямоугольный сигнал на входе находится в высоком положении по напряжению, конденсатор заряжается, а если он находится в низком положении, конденсатор разряжается.

Изменяющийся прямоугольный сигнал, имеет частоту, в зависимости от этой частоты выходной сигнал цепей изменяется. Из-за такого поведения схемы RC-фильтр называется RC-интегратором. Схема RC-интегратора изменяет выходной сигнал в зависимости от частоты и может изменить прямоугольный сигнал на треугольный или треугольный на синусоидальный.

В этом уроке мы используем эти интегральные RC-цепи для преобразования прямоугольного сигнала в синусоидальный. Полная принципиальная схема преобразователя приведена далее, и, как вы можете видеть, в ней очень мало пассивных компонентов.

Схема состоит из трех каскадов фильтрующих RC-цепей. Каждый каскад имеет свое значение преобразования, давайте разберемся с работой каждого каскада и как он способствует преобразованию прямоугольного сигнала в синусоидальный, осуществив моделирование. Чтобы знать, как работает преобразователь, нужно понимать, что происходит на каждом каскаде RC-фильтра.

Первый каскад RC-цепи имеет последовательно включенный резистор и параллельный конденсатор. Выход доступен через конденсатор. Конденсатор заряжается через резистор последовательно. Но, поскольку конденсатор является частотно-зависимым компонентом, для зарядки требуется время. Однако эта скорость заряда может быть определена постоянной времени RC-фильтра. Посредством зарядки и разрядки конденсатора, и поскольку выходной сигнал поступает от конденсатора, форма сигнала сильно зависит от напряжения заряда конденсатора. Напряжение на конденсаторе в течение времени зарядки можно определить по приведенной формуле:

И напряжение разряда можно определить по следующей формуле:

Следовательно, из приведенных выше двух формул постоянная времени RC является важным фактором, определяющим, сколько заряда хранит конденсатор, а также, сколько разряда выполняется для конденсатора в течение постоянной времени RC. Если мы выберем значение конденсатора равным 0,1 мкФ, а резистор – 100 кОм, как показано на рисунке далее, постоянная времени будет равна 10 миллисекундам.

Теперь, если через этот RC-фильтр подается постоянный прямоугольный сигнал 10 мс, форма выходного сигнала будет такой же из-за зарядки и разрядки конденсатора с постоянной времени RC 10 мс. Сигнал здесь представляет собой экспоненциальную форму параболической формы.

Теперь выход первого каскада RC-цепи является входом второго каскада RC-цепи. Эта RC-цепь принимает экспоненциальный сигнал параболической формы и делает его треугольным. Используя тот же сценарий постоянной зарядки и разрядки RC, RC-фильтры второго каскада обеспечивают прямой восходящий наклон, когда конденсатор заряжается, и прямой нисходящий наклон, когда конденсатор разряжается. Выход этого каскада – линейное изменение, правильный треугольный сигнал.

На третьем каскаде RC-цепи выход второй RC-цепи является входом третьего каскада RC-цепи. Он принимает треугольный линейный сигнал в качестве входного сигнала, а затем изменяет формы треугольных сигналов. Это обеспечивает на выходе синусоидальный сигнал, где верхняя и нижняя часть треугольного сигнала сглаживаются, делая их изогнутыми.

Значение конденсатора и резистора являются наиболее важными параметрами этой цепи. Поскольку без надлежащего значения конденсатора и резистора постоянная времени RC не будет согласована для конкретной частоты, конденсатор не получит достаточно времени для зарядки или разрядки. Это приводит к искаженному выходу или даже к высокой частоте, резистор будет работать как единственный резистор и может генерировать ту же форму сигнала, что и на входе. Таким образом, значения конденсатора и резистора должны быть выбраны правильно.

Если входную частоту можно изменить, можно выбрать случайное значение конденсатора и резистора и изменить частоту в соответствии с комбинацией. Рекомендуется использовать одинаковое значение конденсатора и резистора для всех каскадов фильтра. Для быстрой зарядки на низких частотах используйте конденсатор с более высоким значением, а для высоких частот выберите конденсатор с более низким значением. Однако если все компоненты R1, R2 и R3 имеют одинаковое значение и все конденсаторы C1, C2, C3 имеют одинаковое значение, конденсатор и резистор можно выбрать с помощью приведенной формулы f = 1/(2π x R x C). Здесь F – частота, R – значение сопротивления в Омах, C – емкость в Фарадах. Ниже приведена схема трехкаскадной интегральной RC-цепи, которая была описана ранее. Однако в схеме используются конденсаторы емкостью 4,7 нФ и резисторы 1 кОм. Это создает приемлемый диапазон частот в диапазоне 33 кГц.

Для тестирования схемы соберем ее на макетной плате, а для проверки выходного сигнала используем генератор функций и осциллограф. Схема очень проста и, следовательно, ее легко собрать на макетной плате, как вы можете видеть на следующем изображении.

Для этой демонстрации мы используем генератор функций, и, как вы можете видеть на изображении далее, генератор функций настроен на желаемый выходной сигнал прямоугольной формы 33 кГц.

Выходной сигнал можно наблюдать на осциллографе. Входной прямоугольный сигнал показан желтым цветом, а выходная синусоида – красным цветом.

Резонансные LLC-преобразователи. Часть вторая: от прямоугольных импульсов к синусоидальным сигналам

В первой статье серии «Резонансные LLC-преобразователи. Часть первая: Введение» было сказано, что для работы резонансного LLC-преобразователя требуется создание первичного синусоидального тока, который передается на вторичную обмотку трансформатора, а затем выпрямляется и фильтруется с помощью большого конденсатора, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема резонансного LLC-преобразователя

В данной статье объясняется, как преобразовать прямоугольный периодический сигнал в сигнал синусоидальной формы, используя фильтр нижних частот. Прямоугольный сигнал может быть получен путем суммирования нечетных гармоник синусоидальных сигналов (формула 1):

Суммирование нечетных гармоник можно пояснить более простым способом.

Прямоугольный сигнал амплитудой 1 В и частотой 50 Гц равен сумме:

(4/π)(1 В синусоидальный сигнал частотой 50 Гц)

+ (4/π)(1/3 В синусоидальный сигнал частотой 150 Гц)

+ (4/π)(1/5 В синусоидальный сигнал частотой 250 Гц)

+ (4/π)(1/7 В синусоидальный сигнал частотой 350 Гц)

+ (4/π)(1/9 В синусоидальный сигнал частотой 450 Гц)

+ бесконечное число слагаемых

В резонансных LLC-преобразователях используется более высокая частота переключений. Вместо 50 Гц, как в рассмотренном примере, применяется 90 кГц или выше. Если разбить прямоугольный сигнал 90 кГц на гармонические составляющие, можно получить бесконечное число синусоидальных сигналов с увеличивающейся частотой и уменьшающейся амплитудой (рис. 2).

Рис. 2. Прямоугольный сигнал может быть представлен в виде гармоник синусоидального сигнала

Обратное суммирование осциллограмм, представленных на рис. 2, позволяет получить сигнал, форма которого приближается к прямоугольной (рис. 3).

Рис. 3. Суммирование нечетных гармоник позволяет получить прямоугольный сигнал

Чем больше гармоник суммируется, тем ближе форма результирующего сигнала к прямоугольной (рис. 4).

Рис. 4. Сигнал, полученный в результате суммирования 11 гармоник

По мере увеличения числа суммируемых гармоник их вклад в результирующий сигнал снижается из-за уменьшения амплитуды высокочастотных составляющих. При сложении 19 гармоник влияние высших гармоник становится минимальным (рис. 5).

Рис. 5. Сигнал, полученный в результате суммирования 19 гармоник

Если отфильтровать суммарный сигнал с помощью фильтра нижних частот, то его гармонические составляющие будут выглядеть, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Гармонические составляющие отфильтрованного сигнала

Сумма этих осциллограмм выглядит как исходная синусоидальная волна (рис. 7).

Рис. 7. Суммирование отфильтрованных гармоник

Теперь мы определились с базовыми особенностями работы резонансного LLC-конвертера и пояснили, как использовать традиционный импульсный источник питания для создания синусоидального сигнала. Существует гораздо больше особенностей работы LLC-конвертера, поскольку это сложный преобразователь со многими режимами работы. В последующих статьях мы рассмотрим их подробнее.

Предыдущие главы:

1. “Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power Systems” Bo Yang Dissertation submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical Engineering, Fred C. Lee, Chairman; Dushan Boroyevich; Jason Lai; Guo-Quan. Lu; Alex Q. Huang; September 12, 2003 Blacksburg, Virginia
   • Chapter 4 LLC Resonant Converter;
   • Bo Yang Dissertation Appendices.
2. “Basic Principles of LLC Resonant Half Bridge Converter and DC/Dynamic Circuit Simulation Examples”, On Semiconductor LLC Application Note AND9408/D.
3. “RLC Resonant Circuits” Andrew McHutchon April 20, 2013.
4. 11 The Series RLC Resonance Circuit.
5. ‘Resonant LLC Converter: Operation and Design 250W 33Vin 400V out Design Example’AN2012-09 Sam Abdel-Rahman, Infineon Technologies North America (IFNA) Corp.
6. “Design Considerations for an LLC Resonant Converter” Fairchild Semiconductor Power Seminar 2007 Appendix A: White Papers; couldn’t get a website URL; suggest you Google the text in brackets[“Design Considerations for an LLC Resonant Converter” Fairchild Semiconductor Power Seminar 2007 Appendix A: White Papers].
7. “SIMULATION OF A SERIES HALF BRIDGE LLC RESONANT CIRCUIT” ECE562: Power Electronics I COLORADO STATE UNIVERSITY Fall 2011.
8. “230-V, 400-W, 92% Efficiency Battery Charger w/PFC and LLC for 36-V Power Tools” Texas Instruments Reference Design, TIDA-00355.

Схема формирует правильную синусоиду из высокочастотных прямоугольных импульсов

Mixed Signal Integration MSHFS6

Выпускается немало микросхем прямого цифрового синтеза, способных формировать высокочастотные синусоидальные сигналы, но сфера их целесообразного использования существенно ограничена высокой сложностью. Однако задачу генерации гармонических колебаний легко можно решить с помощью логических элементов КМОП и пары фильтров на коммутируемых конденсаторах. Микросхемы фильтров позволяют формировать сигнал с частотой 1 МГц и амплитудой 1.7 В пик-пик.

Пример такой схемы показан на Рисунке 1. В нем использованы выпускаемые компанией MSI фильтры на коммутируемых конденсаторах MSHFS6 с 5-вольтовым питанием и отношением тактовой частоты к центральной равным 12.5:1. Эти экономичные микросхемы могут работать как в режимах низкочастотных 6-полюсных фильтров Баттерворта, Бесселя или эллиптических фильтров, так и в качестве полосовых полно- 1/3- или 1/6-октавных фильтров. Конкретная конфигурация выбирается соответствующей коммутацией выводов 1 … 3 MSHFS6.

Рисунок 1.

Вместо микросхемы прямого цифрового синтеза в генераторе SIN/COS использованы логические микросхемы КМОП и два фильтра на коммутируемых конденсаторах.

В схеме использованы два счетчика. Микросхема 74HC393A делит частоту 50 МГц на 4, до частоты 12.5 МГц. 74HC390A содержит делители на 2 и на 5. Комбинация этих двух счетчиков и D-триггера 74HC74A позволяет понизить частоту 50 МГц до 500 кГц.

На выходах Q и /Q микросхемы 74HC74A формируются импульсы половинной частоты выходного сигнала 74HC390A. После деления частоты выходных импульсов 74HC74A на 2 с помощью части 74HC390A образуется сигнал, сдвинутый на –90°. На Рисунке 2 изображены входные прямоугольные импульсы с частотой 100 МГц, выходные импульсы 12.5 МГц, используемые для синхронизации фильтров, и импульсы 1 МГц каналов SIN и COS.

Рисунок 2.	Из последовательности прямоугольных импульсов с частотой 100 МГц (канал 1) получены синусоидальный (канал 3) и косинусоидальный (канал 4) сигналы частотой 1 МГц.

Чтобы исключить искажения в фильтрах, амплитуда выходных сигналов делителей, практически равная напряжению питания, понижается резистивными делителями R1, R2 и R9, R10. Фильтрация постоянных составляющих входных сигналов MSHFS6 позволяет получить сглаженные прямоугольные импульсы, симметричные относительно аналоговой земли фильтров.

На Рисунке 3 показаны осциллограммы сигналов на выходах двух фильтров при частоте входного сигнала около 50 МГц. Если «перевернутый» сигнал на выходе COS не подходит для выбранного приложения, его можно инвертировать с помощью операционного усилителя, включенного на выходе фильтра COS или на выходе 13 счетчика 74HC390A.

Рисунок 3.	Каналы 1 и 2 демонстрируют выходные сигналы двух фильтров на коммутируемых конденсаторах при входной частоте около 50 МГц.

Фигура Лиссажу для двух выходов схемы (Рисунок 4) указывает на соотношение фаз 89.1° между каналами SIN и COS. Анализатор нелинейных искажений Krohn-Hite 6900B с входным ФНЧ, необходимым для удаления составляющих синхросигнала и имеющим частоту среза 1 МГц, показал, что общий коэффициент нелинейных искажений сигнала на выходе SIN равен 0.1%.

Рисунок 4.	Фигура Лиссажу для двух выходов схемы указывает на соотношение фаз 89.1°.

Несмотря на то, что, согласно справочным данным, предельная рабочая частота микросхем 74HC390A и 74HC393A при напряжении питания 6 В равна 50 МГц, MSI и другие компании находят эту спецификацию чрезмерно скромной.

Рисунок 5.	В первоначально предложенном варианте использован фильтр на коммутируемых конденсаторах MSHFS6, однако схема может работать и с более новой версией MSVHFS6, рассчитанной на напряжение питания 3.3 В. Осциллограмма показывают фазовые соотношения сигналов на временнóй оси.

Рисунок 6.	Фигура Лиссажу показывает соотношение фаз выходных сигналов схемы, в которой используются фильтры MSVHFS6 с напряжением питания 3.3 В.

В рассматриваемом приложении счетчики могут работать на частоте 100 МГц, что позволит использовать более новую версию фильтров MSVHFS6 с частотой синхронизации 100 МГц и напряжением питания 3.3 В. Все, что требуется для такой замены – понизить напряжение питания до 3.3 В, 5-вольтовые микросхемы MSHFS6 заменить на MSVHFS6 и повысить входную частоту до 100 МГц. На Рисунках 5 и 6 выходные сигналы фильтров сравниваются во временнóй и фазо-частотной областях.