Лабораторная работа № 3
Выпрямители
Цели работы:
1. Исследовать характеристики пассивных и активных выпрямителей.
2. Научиться в среде моделирования B2 Spice Workshop выполнять анализ поведения схемы во временной области.
При работе с переменными периодическими сигналами для их сравнения и оценки используются следующие значения.
Амплитудное значение определяется как максимальное отклонение сигнала от нулевого уровня:
(1)
Амплитудное значение необходимо, например, для определения возможности измерения сигнала с помощью преобразователя, имеющего определенный входной диапазон. Его можно использовать для сравнения сигналов, имеющих одинаковую форму. Также амплитудное значение может быть очень важным параметром при исследовании апериодических сигналов. Однако для сравнения сигналов разной формы амплитудного значения недостаточно, поскольку в амплитудном значении отсутствует всякая информация о форме сигнала и о той энергии, которую этот сигнал несёт.
Среднеквадратическое (эффективное) значение определяется как усредненное за период сигнала значение квадратного корня из интеграла от квадрата сигнала:
(2)
Среднеквадратическое значение учитывает форму сигнала. Среднеквадратическое значение также удобно использовать для описания и сравнения шумов и зашумленных сигналов. В этом случае интегрирование производится за промежуток времени существенно превышающий интервал корреляции шума или смеси сигнала и шума. Однако построение детектора среднеквадратического значения на практике представляет собой сложную задачу, поскольку требует двух нелинейных операций: умножения (возведения в квадрат) и извлечения квадратного корня.
На практике при измерении стационарных периодических сигналов вместо среднеквадратического часто используют средневыпрямленное значение. Средневыпрямленное значение определяется как усредненное за период значение интеграла от модуля сигнала:
(3)
При определении средневыпрямленного значения необходима операция взятия модуля сигнала – выпрямление сигнала. Устройства, реализующие выпрямление, называют выпрямителями. Если выпрямитель пропускает на свой выход сигналы только одной полярности, а сигналы противоположной полярности не пропускает, то говорят об однополупериодном выпрямителе. Если выпрямитель пропускает на свой выход модуль сигнала (т.е., сигналы одной полярности – без изменения, а сигналы противоположной полярности – с обратным знаком), то говорят о двухполупериодном выпрямителе.
1. Пассивные однополупериодные выпрямители
На рисунке 1 приведена принципиальная схема простейшего однополупериодного выпрямителя.
Рисунок 1. Простейший однополупериодный выпрямитель
Рисунок 2. Параметры источника напряжения V1
Рассмотрим во временной области, каким образом эта схема преобразует входной сигнал V1, представляющий собой синусоидальное напряжение (Sinusoidal) с частотой 1 кГц (Frequency), амплитудой 5 В (Peak Amplitude…), без постоянного смещения (Offset Voltage) (рисунок 2). Настройки анализа поведения схемы во временной области задаются через пункт Transient and Fourier analyses – анализ переходных процессов и Фурье-анализ (рисунок 3).
Рисунок 3. Меню выбора выполняемых видов моделирования
Средства анализа переходных процессов моделирую поведение схемы во времени, начиная от момента Start Time до Stop Time. Важно правильно выбрать максимальный временной шаг моделирования (Step Ceiling). Если этот шаг чересчур велик, то резкие изменения сигналов могут быть пропущены программой моделирования. Программа предоставляет возможность линеаризации результатов моделирования (Linearize Results) – при выборе этой опции отображаются кусочно-линейно аппроксимированные графики (шаг аппроксимации задается параметром Linearization Step).
В некоторых случаях при выполнении анализа переходных процессов у программы моделирования возникают проблемы со сходимостью результатов. В этом случае, иногда, помогает увеличение значений электрических емкостей, а также внутренних емкостей транзисторов. Также, может помочь увеличение параметра itl4 из меню Convergence Options с 10 до примерно 40.
После выполнения моделирования переходного процесса может быть выполнен Фурье-анализ (если установлен флажок у поля Enable Fourier). При этом виде анализе вычисляются параметры первых десяти гармоник основной частоты (Fundamental Frequency). Для получения достоверной оценки ряда Фурье, результаты анализа переходного процесса должны быть линеаризованы.
Для достижения высокой точности моделирования временной шаг (Step Ceiling) должен быть равен не более 1/100 периода основной частоты (Fundamental Frequency).
Фурье-анализ выполняется для напряжения между двумя узлами схемы (Output Voltage) или для напряжения на вольтметре (Output Probe).
Результаты Фурье-анализа включают амплитуду (magnitude), нормализованную амплитуду – т.е., отнесенную к амплитуде основной гармоники (normalized magnitude), фазу (phase) и нормализованную фазу (normalized phase) исследуемого напряжения.
На рисунке 5 представлены результаты моделирования поведения схемы во временной области.
Рисунок 4. Окно настроек анализа переходных процессов
По рисунку 5 можно судить о том, что простейший выпрямитель из-за нелинейности своей характеристики искажает форму сигнала. Исследовать нелинейность можно с помощью параметрического анализа – построить зависимость выходного напряжения детектора от входного. По форме кривой бывает сложно определить границы линейного участка. В этом случае удобнее анализировать производную характеристики (для участка с линейной зависимостью производная равна константе) или вторую производную (для участка с линейной зависимостью вторая производная равна нулю). Производную кривой на графике в B2Spice можно получить с помощью функции deriv (рисунок 6).
Как видим из рисунка 7, линейный участок характеристики простейшего выпрямителя начинается, примерно, с 2В. Это означает, что при детектировании сигналов менее 2В будет вноситься существенная (от 1% и более) погрешность, обусловленная нелинейностью.
Еще одним недостатком пассивных выпрямителей является их низкое входное сопротивление, зависящее от измеряемого напряжения.
Схему на рисунке 1 можно изменить с целью улучшения ее линейности (рисунок 8). Эта схема представляет собой делитель, собранный на резистивно-диодных ячейках R2-D1 и R3-D2. При отсутствии нагрузки R1 сопротивления обоих плеч делителя были бы равны (конечно, при полной идентичности диодов). Но в этом случае эффект детектирования отсутствует (схема работает как делитель напряжения). Добавление R1 нарушает симметрию плеч делителя и вносит нелинейность. Однако, в итоге, схема линейный участок начинается немного раньше, чем у схемы на рисунке 1 (рисунок 9).
Рисунок 8. Однополупериодный выпрямитель с коррекцией нелинейности
Рисунок 9. Характеристики улучшенного однополупериодного выпрямителя
Дополнительное улучшение линейности можно получить, заменив нагрузку R1 на диод (рисунки 10 и 11).
Рисунок 10. Улучшенный однополупериодный выпрямитель
с диодом в качестве нагрузки.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.