Как найти управляющий сигнал

В прошлой части мы узнали, как настраивать осциллограф и проверять сигналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В этой статье вы научитесь проверять сигналы управления сервоприводами, сигналы с ультразвукового дальномера, а также исследовать сигналы UART и шины I2C и проверять пульсации источника питания.

Исследуем сигналы управления сервоприводом

Сервопривод — одно из популярных в робототехнике устройств. Он управляется импульсами заданной длительности. Есть сервоприводы с ограниченным углом поворота вала от 0 до 180 градусов, а есть сервоприводы непрерывного вращения.

На рис. 1 слева показан довольно мощный сервопривод непрерывного вращения DS04-NFC, а справа — сервопривод с ограниченным углом поворота вала MG90S.

Стенд для проверки сервоприводов

Для питания сервоприводов, особенно мощных, нужен отдельный источник питания. Рабочее напряжение для MG90S и DS04-NFC должно находиться в пределах 4.8–6.6 В, при этом сервопривод MG90S может потреблять ток до 300 мА, а DS04-NFC — до 1 А.

Для DS04-NFC и MG90S питание подается на красный провод. Земля подключается для DS04-NFC к черному проводу, а для MG90S — к коричневому.

Один провод в сервоприводе используется для подачи управляющий импульсов. Для сервопривода DS04-NFC управляющий провод белого цвета, а для MG90S — оранжевый.

При сборке макета управляющий провод подключите к контакту P0 микрокомпьютера. Не забудьте также объединить землю micro:bit и внешнего источника питания сервопривода (рис. 2).

Частота управляющих импульсов должна быть равна 50 Гц. Однако не стоит подавать на сервопривод сигналы ШИМ, которые используются для управления скоростью вращения обычных двигателей. Дело в том, что длина управляющих импульсов для сервоприводов должна находиться в определенных пределах.

Здесь вместо ШИМ применяется модуляция длительностью импульса (PDM, Pulse Duration Modulation), или как ее еще называют, фазово-импульсная модуляция ФИМ (PPM, Pulse Position Modulation).

В описании на сервоприводы (даташиты) можно найти соответствие длительности управляющих импульсов и углу поворота вала сервопривода с ограниченным углом поворота.

Чтобы установить вал сервопривода MG90S и похожего на него SG90 в среднее положение (0 градусов) используйте импульсы длительностью 1.5 мс. Для поворота на 90 градусов нужна длительность 2 мс, а для поворота на угол -90 градусов — 1 мс.

Таким образом длительность управляющих импульсов должна находиться в пределах от 1 мс до 2 мс, а частота — 50 Гц.

Что касается сервопривода непрерывного вращения DS04-NFC, то изменяя длительность управляющих импульсов от 1 мс до 2 мс, можно менять направление и скорость вращения вала, а также полностью остановить вращение.

При длительности 1 мс вал сервопривода будет вращаться с полной скоростью в направлении против часовой стрелки, а при длительности 2 мс — с полной скоростью по часовой стрелке.

Импульсы 1.5  мс вызывают остановку вала. При этом используя промежуточные значения в интервале от 1 мс до 2 мс можно использовать для управления скоростью вращения вала.

Программа управления сервоприводами для micro:bit

На рис. 3 показана несложная программа управления сервоприводом microbit-servo.hex.

В этой программе используется расширение Servo, в котором есть простые блоки управления сервоприводом.

При запуске программа устанавливает угол поворота вала сервопривода, равным нулю. Далее кнопкой A можно задать угол, равный 30 градусам, кнопкой B — 90 градусам, а комбинацией кнопок A и B — 180 градусов.

Загрузите программу в micro:bit и наблюдайте за поведением вала сервопривода, нажимая кнопки. Если вал не поворачивается, проверьте напряжение источника питания сервопривода и правильность подключения.

Проверяем управляющий сигнал осциллографом

При сборке макета вы подключили вход осциллографа CH1 к контакту P0 микрокомпьютера, где программа формирует управляющий сигнал для сервопривода.

Используйте курсор, описанный выше, для измерения длительности управляющего импульса (рис. 4).

Итак, с помощью осциллографа вы можете контролировать длительность управляющих импульсов. Заметим, что в сервоприводе DS04-NFC предусмотрена возможность калибровки. 

Установите длительность импульсов, равную 1.5 мс, а затем вращайте отверткой подстроечный резистор сервопривода, пока вал не остановится полностью. При этом длительность импульсов удобно контролировать осциллографом.

Данные UART на экране осциллографа

Микрокомпьютер micro:bit оборудован универсальным асинхронным приемопередатчиком UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter). Он позволяет передавать данные по одной линии в различные устройства, например, в радиомодули, или в другие микрокомпьютеры, а также получать данные из этих устройств.

Соединяем через UART два micro:bit

Соберем отладочный стенд из двух микрокомпьютеров micro:bit, передающих друг другу данные через UART.

Контакты P0 и P1 одной платы micro:bit соедините с контактами P1 и P0 другой платы micro:bit, соответственно. Также соедините контакты GND этих плат, чтобы у них была общая земля. Канал CH1 осциллографа подключите к контакту P0 одного из микрокомпьютеров (рис. 5).

Загружаем программу обмена данными

Загрузите в оба микрокомпьютера одну и ту же программу microbit-microbit-uart.hex.

Сразу после запуска эта программа перенаправляет последовательный порт контроллера UART на линии P0 и P1 в блоке последовательный порт. Контакт P0 назначается для отправки данных, а контакт P1 — для приема данных.

Также задается максимально возможная скорость передачи 115200 бит/c, после чего устанавливаются размеры буферов приема и передачи данных.

Далее программа делает задержку на 100 мс, чтобы успела выполниться инициализация, а затем выводит на монитор micro:bit букву «U» (рис. 6).

Если теперь нажать на плате микрокомпьютера кнопку A или B, программа вызовет блок последовательный порт записать строку, передав ему в качестве параметра строку «7» или «0», соответственно. Перед отправкой на монитор выводится значок в виде крестика, а после завершения отправки — строка «U» (рис.7).

Также в программе имеется блок последовательный порт по получению данных с параметром новая строка(). Когда через UART приходят данные от другого микрокомпьютера, программа читает их из буфера блоком последовательный порт читать символы и показывает на мониторе. Далее на монитор выводится все та же строка «U».

Используем осциллограф для просмотра данных UART

Чтобы увидеть осциллограмму пакета данных UART, установите триггер для срабатывания по спадающему фронту канала CH1. Теперь, если нажать кнопку A или B на одном из микроконтроллеров, то на его контакте P0 появится пакет импульсов. При правильно настроенном триггере вы увидите начало пакета, в котором передается несколько байт данных (рис. 8).

Чтобы растянуть осциллограмму с данными UART, воспользуйтесь ручками POSITION и SEC/DIV в блоке HORIZONTAL. Каждый раз после изменения положения запускайте заново передачу данных для срабатывания триггера.

Передвигая пакет данных влево, а также изменяя масштаб по горизонтали ручками POSITION и SEC/DIV, вы сможете просмотреть весь пакет данных.

Но как понять, какие данные передаются в этом пакете?

В протоколе UART каждый байт данных передается отдельно. При этом сначала передается стартовый бит, потом 8 бит данных (начиная с младшего), затем стоповый бит и, возможно, бит четности.

По умолчанию UART, встроенный в micro:bit, не использует бит четности, поэтому для передачи одного байта данных будет отправлено 10 бит (рис. 9). 

Младшие биты предаются первыми. На рис. 9 показана передача числа 0x30, что соответствует ASCII-коду символа «0».

Теоретически вы можете просмотреть подобным образом все передаваемые данные, однако это крайне неудобно и на практике обычно так не делают. Если вам нужно не только увидеть форму сигнала UART (либо другого протокола передачи данных), но и понять, какие данные передаются, то есть две возможности.

Во-первых, можно приобрести осциллограф со встроенным логическим анализатором, который умеет декодировать данные протоколов передачи данных. К сожалению, осциллограф Hantek MSO5202D этого делать не умеет.

Во-вторых, вы можете приобрести отдельный логический анализатор либо в виде USB-приставки к компьютеру, либо в виде отдельного прибора с экраном.

Исследуем данные протокола I2C

Если к микрокомпьютеру нужно подключить много периферийных устройств, удобно использовать шину I2C или SPI. 

Шина I2C использует для подключения только два контакта (линии SLC и SDA), а шина SPI, хотя и работает заметно быстрее, требует для каждого устройства дополнительный контакт. Мы расскажем, как увидеть на двухканальном осциллографе данные I2C.

Линия SLC предназначена для сигналов синхронизации, а линия SDA —для передачи данных. 

К шине I2C можно подключить одно или несколько ведущих устройств, и до 127 ведомых. При этом ведущие устройства управляют процессом передачи данных от ведомых устройств к ведущим. Каждое устройство обладает собственным адресом на шине I2C.

Собираем макет для исследования сигналов на шине I2C

В качестве ведущего устройства на шине I2C мы будем использовать микрокомпьютер micro:bit, а в качестве ведомого — измеритель освещенности (люксметр) BH1750 FVI GY-30 (рис. 10). 

Люксметр BH1750 FVI GY-30 возвращает измеренное значение в люксах. Для подключения к micro:bit мы будем использовать контакты GND, VCC, SCL и SDA люксметра (рис. 11).

Подключите выводы датчика GND и VCC к земле (контакт V0) и питанию 3V, соответственно. Вывод синхронизации SCL подключив к контакту P19, а вывод данных SDA — к контакту P20 микроконтроллера micro:bit.

Устройство BH1750 FVI GY-30 позволяет изменять свой адрес на шине I2C с помощью вывода ADD.

Если не подключать этот вывод, адрес будет равен 0x5C в шестнадцатеричной системе счисления или 92 в десятичной. Если же подключить его к земле, адрес станет равным 0x23 в шестнадцатеричной системе счисления или 35 в десятичной.

Вы можете подключить к micro:bit два таких устройства, установив для каждого из них свой адрес. Например, первое из этих устройств может измерять освещенность на улице, а второе — в помещении.

Программа для получения данных от люксметра

На рис. 12 показана очень простая программа, показывающая на мониторе micro:bit значение освещенности в люксах.

Когда программа запускается, она устанавливает адрес контроллера на шине I2C, равный 35 (0x23 в шестнадцатеричной системе счисления).

Нажатие кнопки A приводит к вызову блока get intensity (1x). Полученное значение интенсивности в люксах выводится на экран micro:bit.

При подготовке этой программы мы использовали расширение BH1750 для Microsoft MakeCode. Чтобы его загрузить, откройте палитру Расширения и введите в строке поиска адрес https://github.com/makecode-extensions/BH1750.

Смотрим данные I2C на осциллографе

Блок get intensity (1x) инициирует процесс передачи данных по шине I2C, который мы можем увидеть на экране осциллографа.

Подключите вход CH1 к контакту P19 (линия SCL шины I2C), а вход CH2 к контакту P20 (линия SDA шины I2C) микроконтроллера. После этого настройте триггер осциллографа так, чтобы он срабатывал по спадающему фронту канала CH2.

Далее нажимайте кнопку A на micro:bit, чтобы запустить процесс передачи данных. На экране осциллографа вы увидите управляющие импульсы SCL, а также сигнал данных SDA. С помощью ручек POSITION и SEC/DEV осциллографа добейтесь, чтобы осциллограмма занимала весь экран осциллографа (рис. 13).

Можно ли разобраться по такой осциллограмме, какие данные передаются по шине I2C?

Да, можно, но это сложнее, чем вручную разбирать трафик UART. По возможности здесь лучше воспользоваться логическим анализатором, способным раскодировать данные I2C.

Тем не менее, будет полезно знать, какие данные и как передаются. На рис. 14 показан процесс передачи данных от люксметра в micro:bit в деталях.

Спадающий фронт SDA начинает обмен данными (отмечено на рис. 14 как Start). Далее в нашем случае по шине I2C от микроконтроллера передается адрес люксметра 0x23. После этого люксметр возвращает два байта данных 0x01 и 0x95 с текущим значением освещенности (у вас будут другие значения освещенности). 

В процессе обмена мастер посылает на линию SCL тактовые импульсы, устанавливая каждый раз на линии SDA биты данных, соответствующие передаваемому значению. Когда SCL установлено в единицу, устройство считывает эти данные.

Обратите внимание, что первыми по шине передаются младшие биты данных.

Еще один важный момент касается адреса устройства. В нем только 7 бит, а восьмой бит указывает, следует ли подчиненному устройству принимать, или передавать данные. В нашем случае люксметр будет передавать данные, поэтому последний бит в адресе равен 1 (на рис. 14 выделен квадратом красного цвета).

После байта адреса идет бит подтверждения (обозначен буквой A), восемь бит второго байта данных, опять бит подтверждения A и восемь бит второго байта данных. Завершение обмена обозначено на рис. 14 как Stop.

На следующем шаге нашего эксперимента нажмите кнопку сброса, расположенную на обратной стороне платы micro:bit, чтобы запустить процесс инициализации люксметра.

На экране осциллографа вы увидите, что по шине I2C передается вначале адрес устройства 0x23, а затем команда инициализации 0x10 (рис. 15).

Здесь восьмой бит байта адреса равен нулю. Это означает, что следом идет еще один байт для подчиненного устройства, а именно байт команды 0x10 (измерение освещенности в режиме высокого разрешения). Подробнее о командах люксметра читайте в даташите.

Детальное описание I2C можно найти на сайте https://www.i2c-bus.org/, а здесь имеется перевод на русский язык: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/iic/.

Как видите, ручное раскодирование данных I2C при помощи осциллографа представляет собой выполнимую, но не слишком простую процедуру. Здесь как раз может оказать существенную помощь логический анализатор, но это тема для отдельных статей.

Измерение шумов и пульсаций в цепях электропитания

Когда вы создаете устройства с микрокомпьютерами, то следует ответственно подойти к выбору электропитания. Особенно если эти устройства управляют не только электродвигателями, но и каким-либо аналоговым измерительным оборудованием (получают данные с АЦП, например), принимают или передают данные по радиоканалу.

Помимо требований к напряжению и потребляемому току, такое оборудование может оказаться чувствительным к пульсациям и шуму со стороны источников электропитания.

Пульсациями мы будем называть периодические изменения напряжения на выходе источника питания. Эти изменения могут быть вызваны неполным подавлением переменного напряжения электросети, кратное 50 Гц или частоте, которая используется в импульсном источнике питания. Кроме того, на выходе источника питания могут наблюдаться шумы — кратковременные высокочастотные выбросы напряжения, возникающие  от работы электронных схем источника питания.

Как правильно измерять шумы и пульсации

Шумы и пульсации можно измерить с помощью осциллографа, однако для получения верных результатов измерений, следует соблюдать определенные правила.

Прежде всего нужно настроить вход осциллографа и щуп для получения максимальной чувствительности, избавившись при этом от постоянной составляющей на выходе источника питания. 

Нажмите кнопку канала CH1, который мы будем использовать для измерений. В меню Coupling выберите с помощью кнопки F1 режим AC, что нужно для переключения в закрытый режим, когда постоянная составляющая сигнала отфильтровывается.

Нажав кнопку F4, установите коэффициент деления щупа 1X. Также установите этот коэффициент деления на самом щупе.

Теперь замкните вход щупа с помощью крокодила, как это показано на рис. 16.

Как видите, осциллограф показывает наличие шумов, хотя мы еще не подключили щуп к выходу источника питания. Дело в том, что короткий кабель заземления и участок щупа до зажима образуют петлю, которая улавливает наводки от расположенной рядом техники. 

Уровень наводок может меняться в зависимости от электромагнитной обстановки в месте проведения измерений. На рис. 16 амплитуда пульсаций достигает 7 мВ.

Чтобы ее измерить, нажмите кнопку CURSOR и с помощью кнопки F1 выберите режим Voltage. Затем передвигайте измерительные линии S и E ручкой V0, выбирая нужную линию в меню Select Cursor, доступное при нажатии кнопки F4, как вы это делали раньше (рис. 17.

Вы можете отфильтровать высокочастотную составляющую, если она вас не интересует. Для этого выберите кнопкой F2 в меню 20MHz BW режим Limited. В этом режиме будут отфильтрованы все сигналы с частотой выше 20 МГц, и амплитуда видимых пульсаций на экране осциллографа станет намного меньше.

Другой путь уменьшить наводки на щуп осциллографа заключается в применении короткого провода для подключения щупа к земле (рис. 18).

Такая насадка будет полезна и при исследовании высокочастотных сигналов. Если она не вошла в комплект поставки вашего осциллографа, ее нетрудно изготовить из подходящей проволоки.

Если закоротить вход щупа с насадкой, уровень наведенных пульсаций уменьшится практически до нуля (рис. 19).

Измеряем пульсации на контактах питания micro:bit

Микрокомпьютер micro:bit может получать питание через порт USB при подключении к компьютеру, а также от батареи напряжением 3 В. К выводам земли GND и 3V micro:bit при этом допускается подключать слаботочные модули расширения, такие как сонары, метеостанции или таймеры. 

Однако насколько хорошее питание с точки зрения пульсаций будут получать такие модули?

Давайте проверим осциллографом.

Подключим micro:bit к порту USB компьютера, а осциллограф — к выводам GND и 3V микрокомпьютера (рис. 20).

Оказывается, что при питании micro:bit через USB амплитуда пульсаций достигает 17 мВ. Но может быть она будет меньше, если подавать питание на micro:bit от батарейки?  

Ничего подобного! В этом случае амплитуда пульсаций увеличится примерно до 34 мВ.

Но много это или мало?

Если подключать к линиям питания micro:bit слаботочные цифровые устройства, например сонар или погодную станцию, пульсации такой амплитуды не вызовут никаких проблем.

Но для измерительных устройств, наподобие микросхем аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и чувствительных аналоговых устройств такие пульсации могут быть слишком велики. В этом случае нужно использовать отдельные источники питания или фильтры.

Измеряем помехи от электродвигателя

А что, если вы собираете конструкцию, в которой есть сильные источники помех, например электродвигатели?

Давайте подключим к батарейке на 3 В, состоящей из двух элементов ААА, коллекторный электродвигатель, который обычно используется в самодельных роботах. Осциллограф покажет на выводах двигателя пульсации, достигающие 0.7 В (рис. 21).

Конечно, при питании электродвигателей, например, от литий-ионных аккумуляторов с небольшим внутренним сопротивлением пульсации будут меньше. Однако в любом случае величина этих пульсаций будет слишком большой для того, чтобы использовать батареи питания электродвигателей для чего-либо еще.

В идеале для электродвигателей и подобных устройств нужен свой источник питания, для микрокомпьютера — свой, а для аналоговых измерительных устройств и модулей с высокой чувствительностью к пульсациям — свой.

Пульсации на выходе импульсных источников питания

Когда-то сетевые блоки питания делали на основе понижающего трансформатора на 50 Гц, выпрямительного моста, электролитических конденсаторов, сглаживающих пульсации, к которым иногда добавлялся стабилизатор выходного напряжения.

Для уменьшения габаритов и массы в современных блоках питания применяются импульсные схемы, выполняющие коммутацию на частотах, намного превышающих 50 Гц. Эти схемы вызывают появление достаточно сильных пульсаций и шума, требующих фильтрации и сглаживания.

Для примера давайте посмотрим пульсации на выходе блока питания домашнего роутера производства D-Link (рис. 22).

Оказалось, что при номинальном выходном напряжении 5 В амплитуда пульсаций достигает 3.24 В (рис. 23).

Такой источник питания, конечно, требует сглаживания и стабилизации напряжения. Попробуем подключить к нему понижающий преобразователь на базе микросхемы LM2596S со встроенным вольтметром.

Входное напряжение должно находиться в диапазоне от 4 В до 40 В, а выходное можно будет установить подстроечным резистором в диапазоне от 1,25 В до 37 В.

Настроим преобразователь на выходное напряжение 3 В и посмотрим пульсации (рис. 24).

Воспользовавшись курсором, видим, что теперь амплитуда пульсаций составляет всего 8.88 мВ, что уже вполне подходит для питания micro:bit.

Вот и всё! Надеюсь, это было интересно и полезно.

Автор: Александр Фролов.

---

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.

По нормированной
АЧХ схемы определяем полосу пропускания
т. е. определяем разность частот f_в
и f_{н ,} вычисленных
по уровню 0,707|K_u|.
Единица частот Гц.

Управляющий
сигналдлительностью
1/2∆fпредставлен на рисунке
10.

Рисунок 10 —
Управляющий сигнал

Амплитудно-частотный
сектор управляющего сигнала изображен
на рисунке 11. Фазо-частотный сектор
управляющего сигнала изображен на
рисунке 12.

Рисунок 11 —Амплитудно-частотный спектр управляющего
сигнала

Рисунок 12 —Фазо-частотный спектр управляющего
сигнала

6. Амплитудно-модулированное колебание управляющего сигнала. Его ач и фч спектры

Амплитудно-модулированное
колебание задается формулой:

,

где
— управляющий сигнал;

— коэффициент
глубины модуляции, равный 30%;

— максимальная
амплитуда амплитудно-модулированного
колебания, равная единице;
— частота несущего колебания, равная;

— начальная фаза
несущего колебания, равная нулю.

Следовательно
амплитудно-модулированное колебание
примет вид:

.

В результате
получаем АМ-колебание показанное на
рисунке 13.

Рисунок 13 —
АМ-колебание

Амплитудно-частотный
сектор АМ-колебания изображен на рисунке
14. Фазо-частотный сектор АМ-колебания
изображен на рисунке 15.

Рисунок 14 —
Амплитудно-частотный спектр АМ-сигнала

Рисунок 15 —
Фазо-частотный спектр АМ-сигнала

7. Отклик схемы на амплитудно-модулированное колебание

Пусть на вход
данной схемы подается сигнал, который
представлен на рисунке 13. Чтобы получить
сигнал на выходе схемы, нужно поэлементно
умножить значения АЧХ схемы на значения
спектральных составляющих АМ-сигнала,
а затем, применить обратное преобразование
Фурье. Результаты проделанной работы
представлены на рисунках 16, 17 и 18.

Рисунок 16 —
Амплитудно-частотный спектр АМ-сигнала
на выходе

Рисунок 17 —
Фазо-частотный спектр АМ-сигнала на
выходе

Рисунок 18 — АМ-сигнал
на выходе

1. Импульсная характеристика схемы

Импульсную
характеристику схемы будем строить
исходя из реакции схемы на резкое
изменения амплитуды входного сигнала.
Реакция схемы на такое воздействие
является импульсная характеристика.
На вход резонансного усилителя подадим
сигнал представленный на рисунке 19.
Импульсная характеристика схемы
изображена на рисунке 20.

Рисунок 19 – Входной
импульс

Рисунок 20 –
Импульсная характеристика схемы

10. Выводы

1.При выполнении
данного курсового проекта был
проанализирован резонансный усилитель,
реализованный на полевом транзисторе.
Схема усилителя приведена на рисунке
1. Данный резонансный усилитель имеет
следующие параметры:

— резонансная
частота колебательного контура усилителя
f_рравна 186,5 кГц;

— граничная частота
полевого транзистора f_sравна 79,58 МГц. Применение данного
транзистора в усилителе возможно, так
как его граничная частота численно
превышает резонансную частоту
колебательного контура;

— полоса пропускания

fравна 5,67 кГц;

— коэффициент
усиления по напряжению K_uравен 4,93 раза;

— задержка сигнала
по времени на выходе схемы относительно
ее входа численно равна
мкс.

2.Эквивалентная
схема замещения резонансного усилителя
для рабочего диапазона частот представлена
на рисунке 6.

3.Для эквивалентной
схемы замещения резонансного усилителя
сформирована матрица сопротивлений
Z_c:

.

4.Построены АЧХ
(рисунок 7) и ФЧХ (рисунок схемы для
рабочего диапазона частот.

5.Управляющий
сигнал, заданный уравнением
,
приведен на рисунке 10. Его амплитудо-частотный
и фазо-частотный спектры представлены
на рисунках 11 и 12 соответственно.

6.Амплитудно-модулированный
управляющий сигнал
,
а также его амплитудо-частотный и
фазо-частотный спектры изображены на
рисунках 13. 14 и 15 соответственно.

7.Отклик схемы на
амплитудно-модулированное колебание
приведен на рисунке 18. Амплитудо-частотный
и фазо-частотный спектры АМ-сигнала на
выходе резонансного усилителя представлены
на рисунках 16 и 17 соответственно.

8.Импульсная
характеристика схемы приведена на
рисунке 20.

9.Резонансный
усилитель, представленный на рисунке1,
пригоден для усиления заданного сигнала

,так
как сигнал проходя через такое устройство
не искажается.

11.Спектор АМ-сигнала
как на входе схемы, так и на ее выходе
обладает асимметрией.

12.Численное
значение величины
равно резонансной частоте колебательного
контура,
гдес – период импульсной характеристики.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

В этом цикле статей мы попытаемся просто и доходчиво рассказать о таких непростых компонентах, как транзисторы.

Сегодня этот полупроводниковый элемент встречается почти на всех печатных платах, в любом электронном устройстве (в сотовых телефонах, в радиоприёмниках, в компьютерах и другой электронике). Транзисторы являются основой для построения микросхем логики, памяти, микропроцессоров… Вот давайте и разберёмся, что это чудо из себя представляет, как работает и чем вызвана такая широта его применения.

Транзистор — это электронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий с помощью входного сигнала управлять током.

Многие считают, что транзистор усиливает входной сигнал. Спешу огорчить, — сами по себе, без внешнего источника питания, транзисторы ничего не усилят (закон сохранения энергии ещё никто не отменял). На транзисторе можно построить усилитель, но это лишь одно из его применений, и то, для получения усиленного сигнала нужна специальная схема, которая проектируется и рассчитывается под определённые условия, плюс обязательно источник питания.

Сам по себе транзистор может только управлять током.

Что нужно знать из самого важного? Транзисторы делятся на 2 большие группы: биполярные и полевые. Эти 2 группы отличаются по структуре и принципу действия, поэтому про каждую из этих групп мы поговорим отдельно.

Итак, первая группа — биполярные транзисторы.

Эти транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводника и делятся по структуре на 2 типа: pnp и npn. Первый тип (pnp) иногда называют транзисторами прямой проводимости, а второй тип (npn) — транзисторами обратной проводимости.

Что означают эти буквы? Чем отличаются эти транзисторы? И почему именно двух проводимостей? Как обычно — истина где-то рядом. © Всё гениальное — просто. N — negative (англ.) — отрицательный. P — positive (англ.) — положительный. Это обозначение типов проводимостей полупроводниковых слоёв из которых транзистор состоит. «Положительный» — слой полупроводника с «дырочной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют положительный знак), «отрицательный» — слой полупроводника с «электронной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют
отрицательный знак).

Структура и обозначение биполярных транзисторов на схемах показаны на рисунке справа. У каждого вывода имеется своё название. Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база. Как на схеме узнать базовый вывод? Легко. Он обозначается площадкой, в которую упираются коллектор и эмиттер. А как узнать эмиттер? Тоже легко, — это вывод со стрелочкой. Оставшийся вывод — это коллектор. Стрелочка на эмиттере всегда показывает направление тока. Соответственно, для npn транзисторов — ток втекает через коллектор и базу, а вытекает из эмиттера, для pnp транзисторов наоборот, — ток втекает через эмиттер, а вытекает через коллектор и базу.

Тонем в теории глубже… Три слоя полупроводника образуют в транзисторе два pn-перехода. Один — между эмиттером и базой, его обычно называют эмиттерный, второй — между коллектором и базой, его обычно называют коллекторный.

На каждом из двух pn-переходов может быть прямое или обратное смещение, поэтому в работе транзистора выделяют четыре основных режима, в зависимости от смещения pn-переходов (помним да, что если на стороне с проводимостью p-типа напряжение больше, чем на стороне с проводимостью n-типа, то это прямое смещение pn-перехода, если всё наоборот, то обратное). Ниже, на рисунках, иллюстрирующих каждый режим, стрелочками показано направление от большего напряжения к меньшему (это не направление тока!). Так легче ориентироваться: если стрелочка направлена от «p» к «n» — это прямое смещение pn-перехода, если от «n» к «p» — это обратное смещение.

Режимы работы биполярного транзистора:

1) Если на эмиттерном pn-переходе прямое смещение, а на коллекторном — обратное, то транзистор находится в нормальном активном режиме (иногда говорят просто: «активный режим», — опуская слово нормальный). В этом режиме ток коллектора зависит от тока базы и связан с ним следующим соотношением: Iк=Iб*β. Активный режим используется при построении транзисторных усилителей.

2) Если на обоих переходах прямое смещение — транзистор находится в режиме насыщения. При этом ток коллектора перестаёт зависеть от тока базы в соответствии с указанной выше формулой (в которой был коэффициент β), он перестаёт увеличиваться, даже если продолжать увеличивать ток базы. В этом случае говорят, что транзистор полностью открыт или просто открыт. Чем глубже мы уходим в область насыщения — тем больше ломается зависимость Iк=Iб*β. Внешне это выглядит так, как будто коэффициент β уменьшается. Ещё скажу, что есть такое понятие, как коэффициент насыщения. Он определяется как отношение реального тока базы (того, который у вас есть в данный момент) к току базы в пограничном состоянии между активным режимом и насыщением.

3) Если у нас на обоих переходах обратное смещение — транзистор находится в режиме отсечки. При этом ток через него не течёт (за исключением очень маленьких токов утечки — обратных токов через pn-переходы). В этом случае говорят, что транзистор полностью закрыт или просто закрыт. Режимы насыщения и отсечки используются при построении транзисторных ключей.

4) Если на эмиттерном переходе обратное смещение, а на коллекторном — прямое, то транзистор попадает в инверсный активный режим. Этот режим является довольно экзотическим и используется редко. Несмотря на то, что на наших рисунках эмиттер не отличается от коллектора и по сути они должны быть равнозначны (посмотрите ещё раз на самый верхний рисунок, — на первый взгляд ничего не изменится, если поменять местами коллектор и эмиттер), на самом деле у них есть конструктивные отличия (например в размерах) и равнозначными они не являются. Именно из-за этой неравнозначности и существует разделение на «нормальный активный режим» и «инверсный активный режим».

Иногда ещё выделяют пятый, так называемый, «барьерный режим». В этом случае база транзистора закорочена с коллектором. По сути правильнее было бы говорить не о каком-то особом режиме, а об особом способе включения. Режим тут вполне обычный — близкий к пограничному состоянию между активным режимом и насыщением. Его можно получить и не только закорачивая базу с коллектором. В данном конкретном случае вся фишка в том, что при таком способе включения, как бы мы не меняли напряжение питания или нагрузку — транзистор всё равно останется в этом самом пограничном режиме. То есть транзистор в этом случае будет эквивалентен диоду.

Итак, c теорией пока закончили. Едем дальше.

Биполярный транзистор управляется током. То есть, для того, чтобы между коллектором и эмиттером мог протекать ток (по другому говоря, чтобы транзистор открылся), — должен протекать ток между эмиттером и базой (или между коллектором и базой — для инверсного режима). Более того, величина тока базы и максимально возможного тока через коллектор (при таком токе базы) связаны постоянным коэффициентом β (коэффициент передачи тока базы): I_Б*β=I_K.

Кроме параметра β используется ещё один коэффициент: коэффициент передачи эмиттерного тока (α). Он равен отношению тока коллектора к току эмиттера: α=Iк/Iэ. Значение этого коэффициента обычно близко к единице (чем ближе к единице — тем лучше). Коэффициенты α и β связаны между собой следующим соотношением: β=α/(1-α).

В отечественных справочниках часто вместо коэффициента β указывают коэффициент h_21Э (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в забугорной литературе иногда вместо β можно встретить h_FE. Ничего страшного, обычно можно считать, что все эти коэффициенты равны, а называют их зачастую просто «коэффициент усиления транзистора».

Что нам это даёт и зачем нам это надо? На рисунке слева изображены простейшие схемы. Они эквивалентны, но построены с участием транзисторов разных проводимостей. Также присутствуют: нагрузка, в виде лампочки накаливания, переменный резистор и постоянный резистор.

Смотрим на левую схему. Что там происходит? Представим себе, что ползунок переменного резистора в верхнем положении. При этом на базе транзистора напряжение равно напряжению на эмиттере, ток базы равен нулю, следовательно ток коллектора тоже равен нулю (I_К=β*I_Б) — транзистор закрыт, лампа не светится. Начинаем опускать ползунок вниз
— напряжение на нём начинает опускаться ниже, чем на эмиттере — появляется ток из эмиттера в базу (ток базы) и одновременно с этим — ток из эмиттера в коллектор (транзистор начнёт открываться). Лампа начинает светиться, но не в полный накал. Чем ниже мы будем перемещать ползунок переменного резистора — тем ярче будет гореть лампа.

И тут, внимание! Если мы начнём перемещать ползунок переменного резистора вверх — то транзистор начнёт закрываться, а токи из эмиттера в базу и из эмиттера в коллектор — начнут уменьшаться. На правой схеме всё то же самое, только с транзистором другой проводимости.

Рассмотренный режим работы транзистора как раз является активным. В чём суть? Ток управляет током? Именно, но фишка в том, что коэффициент β может измеряться десятками и
даже сотнями. То есть для того, чтобы сильно менять ток, протекающий из эмиттера в коллектор, нам достаточно лишь чуть-чуть изменять ток, протекающий из эмиттера в базу.

В активном режиме транзистор (с соответствующей обвязкой) используется в качестве усилителя.

Мы устали… отдохнём немного…

И снова вперёд!

Теперь разберёмся с работой транзистора в качестве ключа. Смотрим на левую схему. Пусть переключатель S будет замкнут в положении 1. При этом база транзистора через резистор R притянута к плюсу питания, поэтому ток между эмиттером и базой отсутствует и транзистор закрыт. Представим, что мы перевели переключатель S в положение 2. Напряжение на базе становится меньше, чем на эмиттере, — появляется ток между эмиттером и базой (его величина определяется сопротивлением R). Сразу возникает ток КЭ. Транзистор открывается, лампа загорается. Если мы снова вернём переключатель S в положение 1 — транзистор закроется, лампа погаснет. (на правой схеме всё то же самое, только транзистор другой проводимости)

В этом случае говорят, что транзистор работает в качестве ключа. В чём суть? Транзистор переключается между двумя состояниями — открытым и закрытым. Обычно при использовании транзистора в качестве ключа — стараются, чтобы в открытом состоянии транзистор был близок к насыщению (при этом падение напряжения между коллектором и эмиттером, а значит и потери на транзисторе, — минимальны).Для этого специальным образом рассчитывают ограничительный резистор в цепи базы. Состояний глубокого насыщения и глубокой отсечки обычно стараются избежать, потому что в этом случае увеличивается время переключения ключа из одного состояния в другое.

Небольшой пример расчётов. Представим себе, что мы управляем лампой накаливания 12В, 50мА через транзистор. Транзистор у нас работает в качестве ключа, поэтому в открытом состоянии должен быть близок к насыщению. Падение напряжения между коллектором и эмиттером учитывать не будем, поскольку для режима насыщения оно на порядок меньше напряжения питания. Так как через лампу течёт ток 50 мА, то нам нужно выбрать транзистор с максимальным током КЭ не менее 62,5 мА (обычно рекомендуют использовать компоненты на 75% от их максимальных параметров, это такой своеобразный запас). Открываем справочник и ищем подходящий p-n-p транзистор. Например КТ361. В нашем случае по току подходят с буквенными индексами «а, б, в, г», так как максимальное напряжение КЭ у них 20В, а у нас в задаче всего 12В.

Предположим, что использовать будем КТ361А, с коэффициентом усиления от 20 до 90. Так как нам нужно, чтобы транзистор гарантированно открылся полностью, — в расчёте будем использовать минимальный Кус=20. Теперь думаем. Какой минимальный ток должен течь между эмиттером и базой, чтобы через КЭ обеспечить ток 50 мА?

50 мА/ 20 раз = 2,5 мА

Токоограничивающий резистор какого номинала нужно поставить, чтобы пустить через БЭ ток 2,5 мА?

Тут всё просто. Закон Ома: I=U/R. Следовательно R=(12 В питания — 0,65 В потери на pn-переходе БЭ) / 0,0025 А = 4540 Ом. Так как 2,5 мА — это минимальный ток, который в нашем случае должен протекать из эмиттера в базу, то нужно выбрать из стандартного ряда ближайший резистор меньшего сопротивления. Например, с 5% отклонением это будет резистор 4,3 кОм.

Теперь о токе. Для зажигания лампы с номинальным током 50 мА нам нужно коммутировать ток всего 2,5 мА. И это при использовании ширпотребовского, копеечного транзистора, с низким Кус, разработанного 40 лет назад. Чувствуете разницу? Насколько можно уменьшить габариты выключателей (а значит и их стоимость) при использовании транзисторов.

Вернёмся опять к теории.

В рассмотренных выше примерах мы использовали только одну из схем включения транзистора. Всего же, в зависимости от того, куда мы подаём управляющий сигнал и откуда снимаем выходной сигнал (от того, какой электрод для этих сигналов является общим) выделяют 3 основных схемы включения биполярных транзисторов (ну, логично, да? — у транзистора 3 вывода, значит если делить схемы по принципу, что один из выводов общий, то всего может быть 3 схемы):

1) Схема с общим эмиттером.

Если считать, что входной ток — это ток базы, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора и выходное напряжение — это напряжение между коллектором и эмиттером, то можно записать, что: Iвых/Iвх=Iк/Iб=β , Rвх=Uбэ/Iб.

Кроме того, так как Uвых=Eпит-Iк*R, то видно, что, во-первых, выходное напряжение легко можно сделать гораздо выше входного, а во-вторых, что выходное напряжение инвертировано по отношению ко входному (когда Uбэ=Uвх увеличивается и входной ток растёт — выходной ток также растёт, но Uкэ=Uвых при этом уменьшается).

Такая схема включения (для краткости её обозначают ОЭ) является наиболее распространённой, поскольку позволяет усилить как ток, так и напряжение, то есть позволяет получить максимальное усиление мощности. Замечу, что эта дополнительная мощность у усиленного сигнала берётся не из воздуха и не от самого транзистора, а от источника питания (Eпит), без которого транзистор ничего не сможет усилить и вообще никакого тока в выходной цепи не будет. (Я думаю, — мы позже, в отдельной статье, про то, как именно работают транзисторные усилители и как их рассчитывать, подробнее напишем).

2) Схема с общей базой.

Здесь входной ток — это ток эмиттера, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь коллектора нагрузке. Для этой схемы: Iвых≈Iвх, т.к. Iк≈Iэ, Rвх=Uбэ/Iэ.

Такая схема (ОБ) усиливает только напряжение и не усиливает ток. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается.

3) Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Здесь входной ток — это ток базы, а входное напряжение подключено к переходу БЭ транзистора и нагрузке, выходной ток — ток эмиттера, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь эмиттера нагрузке. Для этой схемы: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=(I_К+I_Б)/I_Б=β+1, т.к. обычно коэффициент β достаточно большой, то иногда считают Iвых/Iвх≈β. Rвх=Uбэ/Iб+R. Uвых/Uвх=(Uбэ+Uвых)/Uвых≈1.

Как видим, такая схема (ОК) усиливает ток и не усиливает напряжение. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается. Кроме того, данная схема имеет самое большое входное сопротивление.

Оранжевыми стрелками на приведённых выше схемах показаны контура протекания токов, создаваемых источником питания выходной цепи (Епит) и самим входным сигналом (Uвх). Как видите, в схеме с ОБ ток, создаваемый Eпит, протекает не только через транзистор, но и через источник усиливаемого сигнала, а в схеме с ОК, наоборот, — ток, создаваемый входным сигналом, протекает не только через транзистор, но и через нагрузку (по этим приметам можно легко отличить одну схему включения от другой).

Ну и на последок поговорим о том, как проверить биполярный транзистор на исправность. В большинстве случаев о исправности транзистора можно судить по состоянию pn-переходов. Если рассматривать эти pn-переходы независимо друг от друга, то транзистор можно представить как совокупность двух диодов (как на рисунке слева). В общем-то взаимное влияние pn-переходов и делает транзистор транзистором, но при проверке можно с этим взаимным влиянием не считаться, поскольку напряжение к выводам транзистора мы прикладываем попарно (к двум выводам из трёх). Соответственно, проверить эти pn-переходы можно обычным мультиметром в режиме проверки диодов. При подключении красного щупа (+) к катоду диода, а чёрного к аноду — pn-переход будет закрыт (мультиметр показывает бесконечно большое сопротивление), если поменять щупы местами — pn-переход будет открыт (мультиметр показывает падение напряжения на открытом pn-переходе, обычно 0,6-0,8 В). При подключении щупов между коллектором и эмиттером мультиметр будет показывать бесконечно большое сопротивление, независимо от того какой щуп подключен к коллектору, а какой к эмиттеру.

Продолжение следует…