Files
eumirts5-dds/task.md
T

237 lines
12 KiB
Markdown
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters
This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.
# Лабораторная работа
## Интегратор и дифференциатор на ОУ: передаточная функция, АЧХ/ФЧХ и разброс по допускам
**Дисциплина:** Электронные устройства мехатронных и робототехнических
систем (Б1.В.06, очная форма)
**Семестр:** 5 · **Объём:** 4 часа · **Тема:** `lab5-peredatochnaya-funkciya-na-ou`
**Форма:** черновик — в учебный план пока не привязана
> AI-сгенерировано (2026-10-26), требует проверки преподавателем.
---
## 1. Легенда
В мехатронном модуле сигнал датчика проходит через аналоговую обработку:
фильтрацию, интегрирование, выделение скорости (дифференцирование).
Каждое такое звено описывается передаточной функцией, и от его параметров
(K, τ) зависит поведение всей системы управления.
**Задача работы:** убедиться, что аналоговое звено на операционном
усилителе действительно реализует расчётную передаточную функцию — сначала
в симуляторе, затем на макетной плате. И понять, как **допуски**
резисторов и конденсаторов влияют на параметры звена в серии.
Работа состоит из двух частей:
- **Симуляция** (LTSpice): АЧХ/ФЧХ и **новый анализ — Monte Carlo** по допускам;
- **Железо** (макет + генератор): переходные процессы и **автоматическое
снятие АЧХ** генератором-свипом на RP2040.
---
## 2. Теория кратко
**Интегратор на ОУ** (R1 на входе, C1 в ООС):
W(s) = −1 / (R1·C1·s)
**Реальный интегратор** (резистор утечки R2 параллельно C1) — это
**апериодическое звено первого порядка**:
W(s) = −R2 / (R1 · (1 + R2·C1·s)) = −K / (τ·s + 1)
где K = R2/R1, τ = R2·C1, f_c = 1/(2π·τ).
**Дифференциатор** (C1 на входе, R1 в ООС):
W(s) = −R1·C1·s
**Модель для работы:** K = −10, τ = 10 мс, f_c ≈ 16 Гц
(R1 = 10 кОм, R2 = 100 кОм, C1 = 0,1 мкФ).
---
## 3. Задания
### Задание 1 (1 ч). Симуляция: АЧХ и ФЧХ
В LTSpice собрать интегратор с резистором утечки: R1 = 10 кОм,
R2 = 100 кОм, C1 = 0,1 мкФ (R2 || C1 в ООС).
1. Задать анализ `.ac dec 20 1 100k`.
2. Снять АЧХ в децибелах и ФЧХ.
3. По графику определить:
- усиление на плоском участке (должно быть ≈ 20 дБ, т. е. K = 10);
- частоту сопряжения f_c (где спад −3 дБ);
- наклон спада (ожидается −20 дБ/дек).
4. Сравнить с расчётом по формулам из п. 2.
### Задание 2 (1 ч). Симуляция: Monte Carlo по допускам ⭐
**Новый анализ.** Реальные резисторы и конденсаторы имеют допуск ±5 %
(ряд E24 — не лучше). Оценим разброс параметров звена.
1. Задать разброс: `.step param tol list -5 -2.5 0 2.5 5` и применить
его к номиналам (например `{100k*(1+tol/100)}` для R2, аналогично R1 и C1).
Либо, для полноценного статистического анализа, использовать
`.step param run 1 100 1` с генератором случайных отклонений.
2. Прогнать **не менее 100 прогонов**.
3. Для каждого прогона зафиксировать K (усиление на плоском участке) и f_c.
4. Построить гистограммы распределения K и f_c.
5. Посчитать **долю экземпляров**, укладывающихся в полосу ±10 % от
номинального значения K и f_c.
6. Сделать вывод: **какой компонент** вносит наибольший вклад в разброс
и почему.
### Задание 3 (1 ч). Железо: переходные процессы
Собрать на макетной плате:
**3.1. Интегратор** (R1 = 10 кОм, C1 = 0,1 мкФ):
- подать прямоугольник 1 кГц (от RP2040-генератора или лабораторного);
- наблюдать пилообразный сигнал на выходе;
- замерить размах пилы и сравнить с
U_m = U_вх · T / (2 · R1 · C1);
- убедиться, что при росте частоты размах падает обратно пропорционально.
**3.2. Дифференциатор** (C1 = 0,1 мкФ на входе, R1 = 10 кОм в ООС):
- подать пилу 1 кГц;
- наблюдать импульсы в моменты перепада;
- сравнить амплитуду с U_m = R1·C1 · dU_вх/dt.
**3.3. Роль резистора утечки:** собрать интегратор с R2 = 100 кОм
параллельно C1 и без него; объяснить, что меняется на постоянном токе.
### Задание 4 (1 ч). Железо: автоматическое снятие АЧХ
Использовать подготовленный генератор-свип:
- **`stub/01-dds-generator-rp2040.ino`** — прошить в RP2040 (Raspberry Pi
Pico). Прямоугольник (ШИМ) и синус (DDS) + логарифмический свип
+ измерение амплитуды на ADC0.
- **`stub/02-izmerenie-achh.py`** — хост-скрипт: запускает свип по Serial,
собирает точки, строит АЧХ.
Порядок:
1. Прошить генератор, проверить команды `F`, `W S`, `M`, `A` в мониторе
порта.
2. **Собрать внешний ФНЧ** на выходе генератора (без него будет меандр,
а не синус):
```
GP15 ──[R1 1к]──┬──[R2 1к]──┬──────► вход схемы
│ │
[C1 47н] [C2 47н]
│ │
GND GND
```
Это пассивный ФНЧ 2-го порядка, f_c ≈ 3,4 кГц; он подавляет несущую
ШИМ 62,5 кГц примерно на 50 дБ. **Зарисовать фильтр в отчёт.**
3. Выход фильтра → вход схемы; выход схемы → вход измерения (ADC0).
**Если сигнал превышает 3,3 В — только через делитель.**
4. Запустить:
```
python 02-izmerenie-achh.py --port /dev/ttyACM0 \
--f0 10 --f1 100000 --n 25 --dwell 150 --uin 500 --out achh.csv --plot
```
5. Импортировать CSV, нанести точки на модельную кривую из задания 1.
6. Объяснить расхождения.
> **Смещение:** при скважности 50 % среднее на выходе ШИМ = `Uпит/2`
> = 1,65 В, поэтому синус смещён относительно земли. Если это мешает
> измерению — поставьте разделительный `C = 1 мкФ` + `R = 47 кОм`
> на землю, либо уменьшите амплитуду командой `M`.
> Свип-генератор — студенческая заготовка (черновик). Если на стенде
> есть серийный функциональный генератор с режимом свипа/логарифмической
> развёртки — можно использовать его, принцип тот же.
### Задание 5 (СРС / отчёт). Сведение результатов
Свести в одну таблицу «**расчёт / симуляция / железо**» параметры
K, τ, f_c. Построить совмещённый график АЧХ (три кривые).
Сделать выводы:
- причины расхождения расчёта и симуляции;
- причины расхождения симуляции и железа;
- что даёт анализ Monte Carlo для реального проектирования.
---
## 4. Варианты
| № | R1, кОм | R2, кОм | C1, мкФ | K | τ, мс | f_c, Гц |
|---|---------|---------|---------|---|-------|---------|
| 1 | 10 | 100 | 0,1 | 10 | 10 | 15,9 |
| 2 | 10 | 47 | 0,1 | 4,7 | 4,7 | 33,9 |
| 3 | 4,7 | 100 | 0,1 | 21 | 10 | 15,9 |
| 4 | 10 | 100 | 0,047 | 10 | 4,7 | 33,9 |
| 5 | 1 | 47 | 1,0 | 47 | 47 | 3,4 |
| 6 | 22 | 220 | 0,022 | 10 | 4,84 | 32,9 |
*Примечание. Номиналы приведены к ряду E24. Вариант 2 и 4 дают одинаковую
f_c при разном K — удобно для сравнения вклада параметров.*
---
## 5. Оформление и оценивание
Отчёт содержит:
1. Схему интегратора и дифференциатора (KiCad или от руки).
2. АЧХ и ФЧХ из LTSpice.
3. Гистограммы Monte Carlo (K и f_c) + доля годных.
4. Осциллограммы переходных процессов (пила, импульсы).
5. CSV-точки автоматического свипа + совмещённый график АЧХ.
6. Итоговую таблицу «расчёт / симуляция / железо».
7. Выводы.
| Задание | Баллы |
|---------|-------|
| 1. Симуляция АЧХ/ФЧХ | 2,0 |
| 2. Monte Carlo | 2,5 |
| 3. Железо: переходные процессы | 2,0 |
| 4. Железо: автоснятие АЧХ | 2,0 |
| 5. Отчёт: сведение | 1,5 |
| **Итого** | **10** |
Зачёт — при **6 и более** баллах. Расхождение с эталоном ±10 %
(допуски компонентов).
---
## 6. Контрольные вопросы
1. Чему равна передаточная функция идеального интегратора и почему без
резистора утечки она нереализуема на практике?
2. Как по АЧХ отличить идеальный интегратор от апериодического звена
первого порядка?
3. Почему частота сопряжения определяется R2·C1, а не R1·C1?
4. Как связаны наклон АЧХ в дБ/дек и порядок звена?
5. Какой компонент даёт наибольший вклад в разброс f_c при допуске ±5 %
и почему?
6. Как на форме переходного процесса сказывается конечная полоса
пропускания операционного усилителя?
---
## 7. Литература
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. 3-е изд. М.: Бином, 2014.
Гл. 4.
2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. М.: ДМК
Пресс, 2008. Т. 1, гл. 11.
3. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического
регулирования. М.: Наука, 2010. Гл. 2.
4. LTSpice XVII User Guide. Analog Devices.
5. LM358 / TL081 datasheet. Texas Instruments.
6. RP2040 Datasheet. Raspberry Pi Ltd.