Лекция 25: Элементная база интеллектуальных сенсоров. Часть 1

Набор для практики

Вопросы для самопроверки

• Что такое "элементная база интеллектуальных сенсоров"?
• Для чего нужны в сенсорах усилители сигналов?
• Что означает сокращение "ОУ"? Расскажите вкратце, что это такое.
• Какими характеристиками должен был бы обладать "идеальный" ОУ?
• Что такое "дифференциальный усилитель"?
• Объясните разницу между "собственными" и "привнесенными" шумами.
• Какие меры применяют в интеллектуальных сенсорах для уменьшения вредного влияния посторонних факторов и шумов?
• Для чего в интеллектуальных сенсорах нужны АЦП?
• Какой именно узел позволяет сделать сенсор "умным", интеллектуальным?
• Какие микрокомпьютеры используют в простейших интеллектуальных сенсорах для сравнительно простых применений?
• Какие микрокомпьютеры применяются в интеллектуальных сенсорах наиболее часто?
• Что собой представляет единица измерения "MIPS"?

Упражнения

Упражнение 25.1. Дайте ответы на некоторые вопросы, касающиеся операционных усилителей.

Вариант 1. Как изображают операционные усилители в электрических схемах? Приведите примеры схем применения ОУ.

Вариант 2. Нарисуйте и кратко опишите типовую схему использования ОУ в неинвертирующем усилителе сигналов. Какую роль здесь играет цепь обратной связи? Вкратце опишите вариант со 100%-й обратной связью.

Вариант 3. Нарисуйте и кратко опишите типовую схему использования ОУ в качестве усилителя малых изменений электрического заряда.

Вариант 4. Нарисуйте и кратко опишите типовую схему использования ОУ в качестве усилителя слабых сигналов от чувствительных элементов, действующих как источник тока.

Вариант 5. Чем отличаются прецизионные (или высокоточные) ОУ от ОУ широкого применения?

Вариант 6. Чем отличаются от ОУ широкого применения быстродействующие ОУ?

Вариант 7. Чем отличаются от ОУ широкого применения ОУ с минимальным потреблением мощности?

Вариант 8. Чем отличаются от ОУ широкого применения операционные усилители с минимальным собственным шумом?

Вариант 9. Чем отличаются от ОУ широкого применения мощные ОУ, рассчитанные на непосредственное управление актуаторами?

Упражнение 25.2. Дайте ответы на некоторые вопросы, касающиеся борьбы с шумами.

Вариант 1. Что понимают под "шумами"? Объясните причины появления собственных шумов в чувствительных элементах, усилителях и др. узлах сенсоров.

Вариант 2. Что такое "дробовый" шум? Напишите формулу, определяющую среднеквадратичное значение дробовых флуктуаций тока и расшифруйте смысл всех входящих в неё величин.

Вариант 3. Назовите основные источники привнесенных шумов.

Вариант 4. Какие меры применяют для уменьшения влияния привнесенных шумов и внешних помех?

Вариант 5. Объясните, каким образом в борьбе с привнесенными шумами и помехами помогает использование дифференциальных пар?

Вариант 6. Каково назначение дифференциальных усилителей? Назовите их особенности.

Вариант 7. Объясните принцип работы мостовой схемы.

Вариант 8. Нарисуйте схему и объясните принцип автоматической нуль-балансировки моста. Какую пользу это может дать?

Упражнение 25.3.

Вариант 1. В схеме усилителя, изображенной на рис. 1, = 2,5 кОм. Каков должен быть номинал резистора , чтобы коэффициент усиления схемы был равен 512?

Вариант 2. Коэффициент усиления в схеме на рис. 1 должен равняться 256. Каков должен быть номинал резистора , если = 250 кОм?

Вариант 3. Рассчитайте коэффициент усиления схемы рис. 1 по напряжению, если = 2,0 кОм и = 510 кОм.

Вариант 4. В схеме на рис. 2 при входном токе 3 мкА надо получить на выходе напряжение 2,56 В. Каковы должны быть для этого номиналы резисторов и ?

Вариант 5. Рассчитайте номинал резистора в схеме на рис. 2, если при входном токе 50 нА напряжение на выходе равно 40 мВ.

Вариант 6. Рассчитайте напряжение на выходе дифференциального усилителя, если его коэффициент усиления = 512, = 72 мВ, = 64 мВ.

Вариант 7. Каков коэффициент усиления дифференциального усилителя, если при напряжениях на его входах = 128 мВ, = 32 мВ напряжение на его выходе составляет 2,4 В?

Вариант 8. Напряжение на выходе дифференциального усилителя равно 1,15 В, коэффициент усиления 250. Рассчитайте напряжение , если напряжение на втором входе = 12,5 мВ.

Упражнение 25.4.

Вариант 1. Рассчитайте дифференциальное напряжение на выходе мостовой схемы (рис. 3), если = 1,5 кОм; = 10,5 кОм; = 4,2 кОм; = 30,5 кОм; = 2,4 В.

Вариант 2. При каком импедансе достигается баланс моста (рис. 3), если = 2,4 кОм; = 9,6 кОм; = 30 кОм?

Вариант 3. В мостовой схеме на рис. 3 импедансы, включенные в плечи моста, равны = 12,2 кОм; = 48 кОм; = 30 кОм; = 120 кОм. При каком значении опорного напряжения = 42 мВ?

Вариант 4. Каково значение импеданса в схеме на рис. 3, если = 48 кОм; = 30 кОм; = 120 кОм; = 24?

Вариант 5. В схеме на рис. 3 имеем; = 12 кОм; = 48 кОм; = 30 кОм; = 120 кОм; = 4,5 В. Насколько должен измениться импеданс , чтобы напряжение на выходе изменилось на 1 мВ?

Вариант 6. Рассчитайте дифференциальное напряжение на выходе мостовой схемы (рис. 3), если = 7,52 кОм; = 15 кОм; = 30 кОм; = 60 кОм; = 3,2 В.

Вариант 7. При каком импедансе достигается баланс моста (рис. 3), если = 7,2 кОм; = 29 кОм; = 60 кОм?

Вариант 8. В схеме на рис. 3 имеем; = 18 кОм; = 72 кОм; = 45 кОм; = 180 кОм; = 3,6 В. Насколько изменится дифференциальное напряжение на выходе моста, если импеданс изменится на 1%?

Упражнение 25.5.

Вариант 1. Рассчитайте среднеквадратичное значение напряжения теплового шума на резисторе номиналом = 420 кОм при температуре 25 С и частотном диапазоне = 100 кГц.

Вариант 2. Среднеквадратичное значение напряжения теплового шума на резисторе при температуре 25 С и частотном диапазоне = 40 кГц равно 80 мкВ. Каков номинал этого резистора?

Вариант 3. Каков максимальный номинал резистора в схеме с частотным диапазоном 1 МГц, чтобы при рабочей температуре 40 С среднеквадратичное значение напряжения теплового шума не превышало 0,1 мВ?

Вариант 4. Каков максимально допустимый частотный диапазон работы резистора номиналом 110 кОм, чтобы при при температуре 35 С среднеквадратичное значение напряжения теплового шума не превышало 100 мкВ?

Вариант 5. При какой температуре работает резистор номиналом 720 кОм, если в частотном диапазоне = 120 кГц среднеквадратичное значение напряжения теплового шума составляет 42 мкВ?

Вариант 6. Какое среднеквадратичное напряжение теплового шума создает резистор номиналом = 670 кОм при температуре 25 ?С и частотном диапазоне = 16 кГц?

Вариант 7. Рассчитайте среднеквадратичное значение дробовых флуктуаций тока, если ток через -переход составляет 3 мА и частотный диапазон электронной схемы составляет 150 кГц.

Вариант 8. Среднеквадратичное значение дробовых флуктуаций тока через -переход составляет 7,5 нА. В каком частотном диапазоне работает схема, если через переход протекает ток 2,5 мА?

Упражнение 25.6. Дайте ответы на некоторые вопросы, касающиеся микрокомпьютеров и АЦП.

Вариант 1. Для обозначения каких микрокомпьютеров применяют сейчас термин "микроконвертор"?

Вариант 2. Для обозначения каких микрокомпьютеров применяют сейчас термин "микроконтроллер"?

Вариант 3. Для обозначения каких микрокомпьютеров применяют сейчас термин "микропроцессор"?

Вариант 4. Охарактеризуйте вкратце популярные сейчас 4-разрядные микроконтроллеры семейства MARC4 фирмы Atmel.

Вариант 5. Охарактеризуйте вкратце один из современных 8-разрядных микроконтроллеров.

Вариант 6. Расскажите вкратце о микроконверторе ADuС 812.

Вариант 7. Какую точность отсчетов обеспечивает 16-разрядный АЦП?

Вариант 8. Какова точность отсчета напряжения в 10-разрядном АЦП?