Laboration, analoga applikationer

Transkript

1 Labratin, analga applikatiner Du ska i denna labratin simulera ch analysera några kretsar för analga applikatiner. Material Datr med OrCad. Kppla kmpnentbibliteken sm är upplagda i mdle m du inte redan har gjrt det. Analg elektrnik, Bengt Mlin Uppgift 1 Linjär reglering Simulera en serieregulatr enligt figur i bken. Dimensinera återkpplingen för en utspänning på 8V. Använd transistr TIP31C från bibliteket PWBJT ch zenerdid D1N750 (4,7V) från bibliteket EVAL. Du behöver bara använda en spänningskälla för att mata din kppling (Uin i bken) Denna spänning matar även OP-förstärkaren. Den behöver inte dubbel matning eftersm spänningarna i kpplingen aldrig är negativ. Strömmen genm zenerdiden ska vara låg (någn ma max) för att effektiviteten ska bli så hög sm möjligt. Inspänningen väljs till 20V. Lasten väljs så att utströmmen blir ca 0,5A. a) Kntrllera kretsens utspänning. Eftersm strömmen genm zenerdiden är låg, kanske spänningen är lite lägre än 4,7V. Justera förstärkningen så att utspänningen blir ca 8V. b) Kntrllera linjereglering genm att införa en rippelspänning på inspänningen. Detta kan t.ex. göras genm att kppla en sinusgeneratr i serie med spänningskällan. Välj en amplitud på 1-3V ch en frekvens på 100Hz. Hur str del av ripplet är kvar på utgången? Uttryck i db. c) Filtrera din referensspänning genm att addera en kndensatr parallellt med zenerdiden. Testa några lika strlekar i spannet 10nF till 10uF. Hur påverkas ripplet? d) Kntrllera lastregleringen genm att variera lastströmmen. Detta kan göras med t.ex. en sinusgeneratr i serie med lastresistrn. Dimensinera resistansen ch amplituden på generatrn så att strömmen varierar mellan 0,1-0,5A. Sätt frekvensen till 100Hz. Hur påverkas utgångsspänningen av den varierande strömmen? Uttryck i V/A. e) Ändra frekvensen till 100kHz. Hur påverkas lastregleringen?

2 Uppgift 2 Oscillatr Simulera en Kmbinerad triangel- ch fyrkants-scillatr enligt figur i bken (funktinsgeneratr) Oscillatrn består av en kmparatr ch en integratr. Studera dessa kpplingar för att sedan teretiskt kunna designa en scillatr med given amplitud (på triangelvågen) ch frekvens. a) Simulera en scillatr med amplituden 2V ch frekvensen 1kHz. Vad blir resultatet? Hur mycket skiljer det sig från det teretiskt uträknade? b) Om det blir fel i a) så berr det trligtvis på att p-förstärkarens maximala utspänningar (+ ch -) skiljer sig från matningsspänningen. Utifrån simuleringens bttnadsspänning på kmparatrns utgång, beräkna nya kmpnentvärden ch gör en ny simulering sm kmpenserar för detta så att amplitud ch frekvens blir ungefär rätt. Uppgift 3 Aktiva filter a) Beräkna ch simulera ett aktivt lågpassfilter av 5:e rdningen. Se bilagan med beräkningsexempel. Sätt förstärkningen till 20dB ch gränsfrekvensen till 2kHz. Gör ett frekvenssvep ch visa resultatet med ett bde-diagram (med bägge axlarna lgaritmiska). Kntrllera att gränsfrekvens ch filtrets branthet stämmer. b) Beräkna ch simulera ett aktivt bandpassfilter enligt figur Sätt gränsfrekvensen till 10kHz ch Q-värdet till 5. Gör ett frekvenssvep ch visa resultatet med ett bde-diagram (med bägge axlarna lgaritmiska). Kntrllera att centerfrekvens ch filtrets bandbredd stämmer. För att göra frekvenssvep används VAC sm spänningskälla. För att göra ett bdediagram med lgaritmiska axlar ch db-skalning: Välj add trace i simuleringsfönstret ch uttryck det sm DB(Vut/Vin). Tänk på att frekvenssvepet måste gå en rejäl bit utanför gränsfrekvensen för att få med filtrets dämpning i spärrbandet. T.ex. kan det vara lämpligt att svepa mellan 10Hz-100kHz m gränsfrekvensen är 1kHz.

3 Uppgift 4 Step-dwn utan reglering Simulera en step-dwn-mvandlare enligt schemat nedan. D1 är en zenerdid på 4,7V. 4-5 utgör en spänningsdelning där du kan justera förhållandet för att ändra referensen. V3 är inställd så att den genererar en triangelvåg på 50kHz. U1 är en kmparatr sm genererar en pulsviddsmdulerad fyrkantsvåg, där pulsvidden berr på referensens spänning i förhållande till triangelvågens amplitud. M1 agerar switch ch D3 är frihjulsdid. L1-C1 är utgångsfiltret ch 7 representerar splens resistans. L är lasten. a) Vad händer med utspänningen m du ändrar inspänningen (Vin)? Varför? b) Uttryck utspänningen med strheterna inspänning ch mdulatinsgrad c) Beskriv hur mdulatinsgraden förändras med amplituden på V3 ch spänningen i punkten mellan 4-5. Spetsuppgift Step-dwn med reglering Kmplettera schemat i föregående uppgift så att regulatrn har en fungerande återkppling. Sätt utspänningen till 8V edvisa schema ch mtsvarande simuleringar på regleringen sm i uppg. 1. edvisning av labben Labratinen redvisas med scheman på alla delar, Förklaringar på hur du tänkt när du knstruerat dina lika kpplingar, beräkningar ch vilka resultat du fått. Du ska ckså kmmentera dina resultat ch jämföra teri ch simulering.

4 Bilaga för aktiva filter Tabell med filterparametrar.

5 Exempel: ecept för beräkning av kmpnenter till aktiva filter av 3:e rdningen. Figur 1: Aktivt filter (3:e rdningen med tre pler) bestående av ett 1:a ch ett 2:a rdningens filter. När du ska göra beräkningar på aktiva filter, börja med beräkningarna på steg 2 ch ta sedan steg 1 (Om du ska knstruera ett 3:e rdningens filter). Med detta förfaringssätt kan du välja slutlig förstärkning sm ska gälla för filtret. Steg 2 är en lågpassfilterlänk av andra rdningen av typ Sallen-Key. För denna andrardningslänk gäller: F F( j) 2 (( jgc) ( 3 F) jgc 1) g tabell) 1 är filterlänkens gränsvinkelfrekven1. (För Chebyshev gäller: g g C 1 där tas ur C F 1 1 är resulterande förstärkning vid frekvenser <<g. 3 F Är ett mått på dämpningen. F U ut 3 1 U 1 1 är förstärkningen i steg 2. Lös ut : ( ) Hämta ur en tabell (berr på vilket steg man gör beräkningarna på ch vilken typ av filter man valt, Butterwrth, Bessel,...) 2. Välj 1 ch beräkna. 3. Utifrån vald eller efterfrågad gränsfrekvens beräknas gränsvinkelfrekvensen: g 2 fg [rad/s] Pga att samtliga tabeller är nrmaliserade för = 1 rad/s måste g multipliceras med tabelvärdet,. Har man valt ett Butterwrthfilter så är alltid lika med 1, dvs g har sitt rätta värde.

6 4. Välj C ch beräkna ur nedanstående frmel: 1 2fgC Steg 1 är ett 1:a rdningens lågpassfilter vars resulterande överföringsfunktin är: F F( j) ( 1 jgc) g 1 C är filterlänkens gränsvinkelfrekvens. F 1 1 är resulterande förstärkningen vid frekvenser <<g. Den ttala förstärkningen för hela filterlänken blir då: Ftt Fsteg1 Fsteg2 ( 1 ) ( 3 ) 1 Läs av eller beräkna den resulterande förstärkningen ch välj 1 varvid kan beräknas enligt följande: Ftt ( 3 ) 1 1 För högpassfilter gäller vanstående recept, men: 1. I C-länken byter ch C plats (se figur 1). 2. När krrigerat värde på g ska beräknas så ska tänkt gränsvinkelfrekvens divideras med tabellvärdet ().