Circuite neliniare de protecție optică

Электрофон "Электроника Б1-01" СССР 1975 г. (Iunie 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Circuite neliniare de protecție optică

Circuite integrate analogice


Intrebarea 1

Nu stați acolo! Construiți ceva!

Învățarea de a analiza matematic circuitele necesită mult studiu și practică. În mod obișnuit, elevii practică prin lucrul prin numeroase probleme de probă și verificând răspunsurile lor față de cele oferite de manual sau instructor. În timp ce acest lucru este bun, există o cale mult mai bună.

Veți învăța mult mai mult prin construirea și analizarea circuitelor reale, permițând echipamentul de testare să furnizeze "răspunsurile" în loc de o carte sau de o altă persoană. Pentru exerciții de construire a circuitelor de succes, urmați acești pași:

  1. Cu atenție măsurați și înregistrați toate valorile componentelor înainte de construcția circuitului.
  2. Desenați diagrama schematică pentru circuitul care urmează să fie analizat.
  3. Construiți cu atenție acest circuit pe un panou sau alt mediu convenabil.
  4. Verificați precizia construcției circuitului, urmărind fiecare cablu la fiecare punct de conectare și verificând elementele unu-câte unul pe diagramă.
  5. Analiza matematică a circuitului, rezolvarea tuturor valorilor tensiunii și curentului.
  6. Măsurați cu atenție toate tensiunile și curenții, pentru a verifica corectitudinea analizei.
  7. Dacă există erori substanțiale (mai mari de câteva procente), verificați cu atenție construcția circuitului în funcție de diagramă, apoi calculați cu atenție valorile și re-măsurați cu atenție.

Evitați utilizarea modelului 741 op-amp, cu excepția cazului în care doriți să contestați abilitățile de proiectare a circuitelor. Există mai multe versatil op-amp modele disponibile în mod obișnuit pentru începători. Vă recomandăm LM324 pentru circuitele de curent continuu și cu frecvență joasă și proiectele TL082 pentru AC care implică semnale audio sau frecvențe mai mari.

Ca de obicei, evitați valorile rezistenței foarte mari și foarte scăzute, pentru a evita erorile de măsurare cauzate de încărcarea contorului. Vă recomand valori rezistor între 1 kΩ și 100 kΩ.

O modalitate prin care puteți economisi timp și reduce posibilitatea de eroare este să începeți cu un circuit foarte simplu și să adăugați incremental componente pentru a crește complexitatea acestuia după fiecare analiză, mai degrabă decât să construiți un circuit complet nou pentru fiecare problemă de practică. O altă tehnică de economisire a timpului este de a reutiliza aceleași componente într-o varietate de configurații diferite de circuite. În acest fel, nu va trebui să măsurați valoarea unei componente mai mult decât o dată.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Lăsați electronii înșiși să vă dea răspunsul la propriile "probleme practice"!

Note:

Experiența mea a fost că studenții au nevoie de multă practică cu analiza circuitului pentru a deveni competenți. În acest scop, instructorii oferă de obicei studenților lor o mulțime de probleme de practică prin care să lucreze și oferă răspunsuri elevilor să-și controleze munca. În timp ce această abordare îi face pe studenți să se familiarizeze cu teoria circuitelor, nu reușește să le educe pe deplin.

Elevii nu au nevoie doar de practică matematică. Aceștia au nevoie, de asemenea, de circuite de construcție practice practice și de echipamente de testare. Deci, sugerez următoarea abordare alternativă: elevii ar trebui să- și construiască propriile "probleme de practică" cu componente reale și să încerce să prezică matematic diferitele valori de tensiune și curent. În acest fel, teoria matematică "vine în viață", iar studenții dobândesc o experiență practică pe care nu ar câștiga doar prin rezolvarea ecuațiilor.

Un alt motiv pentru a urma această metodă de practică este de a preda studenților metodă științifică : procesul de testare a unei ipoteze (în acest caz, predicții matematice) prin efectuarea unui experiment real. Elevii vor dezvolta, de asemenea, abilități reale de depanare, deoarece uneori fac erori de construcție a circuitelor.

Petreceți câteva momente de timp cu clasa dvs. pentru a revizui unele dintre "regulile" de construire a circuitelor înainte de a începe. Discutați aceste probleme cu elevii dvs. în aceeași manieră Socratică, în mod normal, ați discuta cu întrebările din foaia de lucru, în loc să le spuneți pur și simplu ce ar trebui și nu ar trebui să facă. Nu mă mai opresc niciodată să fiu uimită de modul în care elevii slab înțeleg instrucțiunile atunci când sunt prezentați într-un format tipic de prelegere (instructor monolog)!

O notă adresată acelor instructori care se pot plânge de timpul "irosit" trebuie să-i facă pe elevi să construiască circuite reale în loc să analizeze doar matematic circuitele teoretice:

Care este scopul studenților care vă ia cursul "panoul de lucru" panoul panoului de lucru implicit?

intrebarea 2

Știm că un opamp conectat la un divizor de tensiune cu un raport de divizare a tensiunii de (1/2) va avea un câștig general de tensiune de 2, și că același circuit cu un raport de divizare a tensiunii de (2/3) va avea un total câștig de tensiune de 1, 5 sau (3/2):

Există cu siguranță un model matematic la lucru în aceste circuite non-inversoare opamp: câștigul global de tensiune al circuitului este inversul matematic al câștigului de tensiune al rețelei de feedback.

Bazându-se pe acest concept, ce credeți că ar fi funcția globală a următoarelor circuite opamp "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/02464x02.png">

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Pentru circuitul din stânga: V out = V in - 4

Pentru circuitul din dreapta: V out =


V in

Rezultatul introducerii unei funcții matematice în buclă de feedback a unui circuit opamp non-inverting este că ieșirea devine funcția inversă a intrării: literalmente devine valoarea lui x necesară pentru a rezolva valoarea de intrare a y:

Note:

Ceea ce este arătat în această întrebare și răspuns este un exemplu ferm al puterii feedback-ului negativ într-un sistem matematic. Aici, vedem capacitatea opampului de a rezolva pentru variabila de intrare într-o ecuație pe care o cunoaștem valoarea de ieșire din. Pentru a preciza acest lucru în termeni simpli, opampul "face algebra" pentru noi prin "manipularea" ecuației rețelei de feedback pentru a rezolva pentru x dat un semnal de intrare de y.

Întrebarea 3

Relația dintre tensiune și curent pentru o joncțiune PN este descrisă de această ecuație, denumită uneori "ecuația diodei" sau "ecuația diodei Shockley" după descoperirea ei:

I D = I S (e ((qV D ) / NkT) - 1)

Unde,

I D = curent prin joncțiunea PN, în amperi

I S = curentul de saturație a joncțiunii PN, în amperi (de obicei 1 picoamp)

e = numărul lui Euler ≈ 2.718281828

q = încărcarea unității electronice, 1, 6 × 10 -19 coulombs

V D = Tensiunea pe joncțiunea PN, în volți

N = coeficient nonideality sau coeficient de emisie (de obicei între 1 și 2)

k = constanta lui Boltzmann, 1, 38 × 10 -23

T = temperatura de legare, grade Kelvin

La început, această ecuație poate părea foarte descurajantă până când îți dai seama că în ea există doar trei variabile: I D, V D și T. Toți ceilalți termeni sunt constanți. Deoarece în majoritatea cazurilor presupunem că temperatura este destul de constantă, de fapt, avem de-a face doar cu două variabile: tensiunea diodică și dioda. Pe baza acestei realizări, re-scrieți ecuația ca o proporționalitate mai degrabă decât o egalitate, arătând cum se referă cele două variabile ale curentului și tensiunii diodice:

I D α. . .

Pe baza acestei ecuații simplificate, care ar fi un grafic I / V pentru o joncțiune PN arata ca "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00712x01.png">

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Simplificată proporționalitate:

I D a e V D

Diagrama descrisă de "formula diodă" este o curbă exponențială standard, crescând brusc pe măsură ce variabila independentă (V D, în acest caz) crește. Graficul grafic pentru un rezistor, desigur, este liniar.

Note:

Întrebați-i pe elevii tăi să-și schițeze propria transmisie a unei curbe exponențiale pe tablă pentru ca toți să le vadă. Nu-i lăsați să scape cu parohia răspunsului: este o curbă exponențială.

Întrebarea 4

Plotați funcția de transfer (V out vs. V in ) pentru acest circuit opamp și explicați cum funcționează circuitul:

Ce tip de funcție matematică este reprezentat de acest circuit "# 4"> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

Acest circuit reprezintă o funcție exponențială (y α e x ):

Note:

Direcția curbei funcției de transfer poate surprinde anumiți studenți. Întrebați-le de ce curba coboară (negativ) pentru tensiunile de intrare din ce în ce mai pozitive.

Întrebarea 5

Plotați funcția de transfer (V out vs. V in ) pentru acest circuit opamp și explicați cum funcționează circuitul:

Ce tip de funcție matematică este reprezentat de acest circuit "# 5"> Răspuns dezvălui Ascunde răspunsul

Acest circuit reprezintă o funcție logaritmică (y α lnx):

Note:

Direcția curbei funcției de transfer poate surprinde anumiți studenți. Întrebați-le de ce curba coboară (negativ) pentru tensiunile de intrare din ce în ce mai pozitive.

Întrebați elevii dvs. cum au obținut această curbă a funcției de transfer. Există metode conceptuale pentru obținerea acesteia, precum și metode algebrice. Ar fi interesant să comparăm mai mult decât una dintre aceste metode într-o discuție de clasă și să îi oferim studenților să înțeleagă metodele celorlalți.

Întrebarea 6

Plotați funcția de transfer (V out versus V in ) pentru acest circuit opamp:

Ce tip de funcție matematică este reprezentat de acest circuit "# 6"> Răspuns dezvălui Ascunde răspunsul

Acest circuit (ideal) reprezintă o funcție liniară (y α x):

Note:

Ar trebui să fie evident din inspecție că cele două circuite opamp reprezintă funcții matematice inverse. Întrebați elevii dvs. de ce funcția finală de transfer este mai degrabă liniară decât neliniară. La urma urmei, ei ar trebui să înțeleagă că fiecare dintre circuitele opamp, luate individual, sunt foarte neliniare. De ce efectul lor combinat ar fi linia de lucru "panou de lucru" panou de panou implicit?

Întrebarea 7

Identificați funcția matematică a acestui circuit (dacă vă uitați atent, veți observa că tranzistorii sunt conectați astfel încât să acționeze foarte asemănător cu diodele):

Notă: cele două rezistoare etichetate "R" sunt egale în valoare.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Acest circuit ia rădăcina pătrată a semnalului de intrare (y = √x).

Următoarele întrebări: Cum am putea modifica acest circuit pentru a lua rădăcina cubului semnalului de intrare "note hidden"> Note:

Acest circuit nu este aproape la fel de complex cum ar putea să apară la început, dacă studenții au timp să-l izoleze secțiunea după secțiune și să identifice funcția matematică efectuată de fiecare secțiune.

Întrebarea 8

Identificați funcția matematică a acestui circuit (dacă vă uitați atent, veți observa că tranzistorii sunt conectați astfel încât să acționeze foarte asemănător cu diodele):

Notă: cele două rezistoare etichetate "R" sunt egale în valoare.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Acest circuit păstrează semnalul de intrare (y = x 2 ).

Întrebare provocare: de ce sunt folosite tranzistoare în loc de diode, deoarece au fost efectiv "dezactivate" pentru a acționa ca atare "note ascunse"> Note:

Acest circuit nu este aproape la fel de complex cum ar putea să apară la început, dacă studenții au timp să-l izoleze secțiunea după secțiune și să identifice funcția matematică efectuată de fiecare secțiune.

Întrebarea 9

Să presupunem că în cursul construirii acestui circuit exponențial întâlniți inexactități grave: circuitul pare să funcționeze o parte din timp, dar deseori ieșirea lui deviază substanțial (până la +/- 10%) din ceea ce ar trebui să fie:

Pe baza a ceea ce știi despre componentele din acest circuit, ceea ce ar putea fi diferit atât de mult încât să provoace aceste erori "# 9"> Reveal răspuns Ascunde răspunsul

Soluția este să vă asigurați că ambele tranzistoare sunt potrivite precis, ținute la aceeași temperatură:

Întrebare de provocare: există o parte pe care am putea să o comandăm, care să conțină două tranzistoare compatibile cu căldură pentru o aplicație cum ar fi "notele ascunse"> Note:

Cereți studenților dvs. să explice cum știu că temperatura este un factor care influențează acuratețea acestui circuit. Cereți-le să prezinte ecuații care descriu comportamentul tranzitorilor care demonstrează dependența de temperatură.

Această întrebare oferă o oportunitate de a examina semnificația exponenților fracționați cu studenții. Ce anume înseamnă y = x 0, 5 medie? Cereți elevilor să scrie această expresie folosind simboluri mai comune. De asemenea, întrebați-le ce ar trebui să fie modificate în acest circuit pentru a modifica valoarea exponentului.

În ceea ce privește întrebarea provocată, adresați-vă studenților dvs. să prezinte un număr de piesă pentru perechea de tranzistoare cu potrivire precisă pe care o găsesc. De unde au obținut informațiile despre această componentă?

Întrebarea 10

Proiectați un circuit op-amp care împarte o cantitate (x) cu o altă cantitate (y) utilizând logaritmuri. Pentru a vă da un start pe acest circuit, voi furniza modulele logaritmice op-amp ini în această diagramă:

Notă: va fi util pentru analiza dvs. să scrieți expresia matematică la fiecare ieșire op-amp din circuitul dvs., astfel încât să puteți observa cu ușurință modul în care este construită funcția de matematică globală din etapele individuale.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Note:

Circuitul prezentat în răspuns este o construcție logaritmică foarte comună: un circuit log-ratio, util pentru multe operații, altele decât diviziunea simplă. Această întrebare provoacă elevilor să pună împreună logaritmul, antilogaritmul și circuitele op-amp diferențiale într-un mod care să atingă obiectivul final de proiectare. Poate că aspectul cel mai provocator al acestei probleme este gestionarea inversărilor semnelor.

Întrebarea 11

Găsiți o foaie de date pentru AD538, un circuit integrat fabricat de Analog Devices. Apoi, citiți cu atenție și explicați modul în care este capabil să îndeplinească funcții aritmetice, cum ar fi multiplicarea, împărțirea, puterile și rădăcinile.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Voi lăsa asta la tine pentru a cerceta și pentru colegii tăi și instructori pentru a discuta!

Note:

Această întrebare este destinată uzurii, deoarece într-o zi AD538 nu va mai fi produs. Până atunci, este o piesă fină de inginerie, prezentând puterea logaritmilor ca un ajutor de calcul în circuitele analogice.

Întrebarea 12

Prezintă modul în care funcționarea acestui circuit exponentiator va fi afectată ca urmare a următoarelor defecțiuni. Luați în considerare fiecare defecțiune independent (adică unul câte unul, fără multiple defecte):

Rezistorul R 1 nu este deschis:
Parte de lipire (scurt) peste rezistor R 1 :
Dioda D 1 nu se deschide:
Dioda D 1 nu este scurtată:

Pentru fiecare dintre aceste condiții, explicați de ce se vor produce efectele rezultate.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Rezistorul R 1 nu este deschis: V este saturat în direcția negativă.
Zăvorul de lipire (scurt) peste rezistorul R 1 : V out merge la zero volți.
Dioda D 1 nu se deschide: V out merge la zero volți.
Dioda D 1 nu este scurtată: V este saturată în direcția negativă.

Note:

Scopul acestei întrebări este abordarea domeniului de depanare a circuitelor dintr-o perspectivă de a ști ce este vina, mai degrabă decât să știm doar ce sunt simptomele. Deși aceasta nu este neapărat o perspectivă realistă, aceasta îi ajută pe elevi să construiască cunoștințele fundamentale necesare pentru a diagnostica un circuit defect din datele empirice. Întrebări precum acest lucru ar trebui să fie urmate (în cele din urmă) de alte întrebări care îi cer elevilor să identifice greșelile posibile pe baza măsurătorilor.

Întrebarea 13

Prezintă modul în care funcționarea acestui circuit de extragere a logaritmului va fi afectată ca urmare a următoarelor defecțiuni. Luați în considerare fiecare defecțiune independent (adică unul câte unul, fără multiple defecte):

Rezistorul R 1 nu este deschis:
Parte de lipire (scurt) peste rezistor R 1 :
Dioda D 1 nu se deschide:
Dioda D 1 nu este scurtată:

Pentru fiecare dintre aceste condiții, explicați de ce se vor produce efectele rezultate.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Rezistorul R 1 nu funcționează deschis: V out merge la zero volți.
Poziția de lipire (scurt) peste rezistența R 1 : V este saturată în direcție negativă.
Dioda D 1 nu este deschisă: V este saturată în direcția negativă.
Dioda D 1 eșuează scurt: V out merge la zero volți.

Note:

Scopul acestei întrebări este abordarea domeniului de depanare a circuitelor dintr-o perspectivă de a ști ce este vina, mai degrabă decât să știm doar ce sunt simptomele. Deși aceasta nu este neapărat o perspectivă realistă, aceasta îi ajută pe elevi să construiască cunoștințele fundamentale necesare pentru a diagnostica un circuit defect din datele empirice. Întrebări precum acest lucru ar trebui să fie urmate (în cele din urmă) de alte întrebări care îi cer elevilor să identifice greșelile posibile pe baza măsurătorilor.

Întrebarea 14

Explicați de ce rezistențele și tranzistoarele potrivite sunt necesare în circuitele log / antilog, folosind propriile cuvinte. De asemenea, explicați de ce amplificatoarele operaționale nu trebuie să fie potrivite la fel de precis ca și componentele discrete.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Am spus, "propriile tale cuvinte", nu ale mele! Ce cauți aici pentru "note ascunse"> Note:

Această întrebare îi provoacă pe studenți să identifice "punctele slabe" ale circuitelor log / antilog, explicând de ce anumite toleranțe pentru componente sunt critice, iar altele nu sunt. Acesta este un test bun al înțelegerii elevilor în ceea ce privește circuitele log / antilog și teoria lor fundamentală.

Întrebarea 15

Acest circuit de extragere a rădăcinii pătrate a fost folosit pentru a funcționa bine, dar apoi, într-o zi, a încetat să emită rădăcina pătrată a semnalului de intrare și, în schimb, a reprodus pur și simplu semnalul de intrare cu un câștig de 1:

Ce ar fi putut merge în neregulă cu acest circuit pentru a provoca stoparea "calculării" rădăcinii pătrate a intrării "# 15"> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

Eventual R 2 a eșuat scurtat sau R 3 a eșuat. Vă voi lăsa să explicați de ce oricare dintre aceste erori ar putea cauza problema descrisă.

Note:

Trebuie să înțelegem ce se întâmplă în acest circuit și de ce, pentru a diagnostica cu succes problema. Discutați acest lucru cu atenția studenților.

Întrebarea 16

Identificați cel puțin două erori independente ale componentelor care ar putea determina acest circuit de extragere a rădăcinii pătrate să producă întotdeauna 0 volți în loc de rădăcina pătrată a tensiunii de intrare x așa cum ar trebui:

Explicați de ce fiecare dintre defectele propuse ar determina ieșirea să rămână la 0 volți.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Iată câteva posibilități: Rezistorul R 2 nu a reușit să deschidă un pod de lipire peste rezistența R 3, Q 2 a eșuat.

Note:

Elevii vor identifica probabil opampul U 3 ca o vină potențială, dar acest lucru este într-adevăr prea ușor. Încurajați-i să caute mai multe posibilități de vină interesante !

Întrebarea 17

La începutul anilor 1970, compania Fluke a inventat un circuit integrat revoluționar "senzor RMS", folosit pentru a transforma o formă de undă arbitrară în tensiunea DC echivalentă (RMS). Dispozitivul utilizează două rezistoare de precizie pentru încălzirea unei perechi de tranzistoare compatibile conectate ca o pereche diferențială:

Descrieți cum funcționează acest circuit. Ce principiu (principii) fizice utilizează pentru a obține o valoare RMS pentru V în "# 17"> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

Acest circuit exploatează sensibilitatea la temperatură a tranzistorilor la echilibrul termic al sensului dintre cele două rezistențe R1 și R2. Prin definiție, orice tensiune DC produce aceeași disipare a căldurii într-o anumită rezistență ca o tensiune AC este valoarea RMS a acelei tensiuni AC.

Note:

Această întrebare oferă o bună oportunitate de a revizui funcția circuitelor pereche diferențiale și, de asemenea, conceptul de măsurare RMS AC. Întrebați-vă elevilor cum influențează temperatura conductivitatea tranzistorilor de joncțiune bipolară și modul în care conexiunea opampului cu rezistorul R2 formează o buclă de feedback negativ.

  • ← Foaia de lucru anterioară

  • Fișa foilor de lucru

  • Foaia de lucru următoare →