5. MÉRÉS LC OSZCILLÁTOROK VIZSGÁLATA

Átírás

1 5. MÉRÉS LC OSZCILLÁTOROK VIZSGÁLATA BMF-Kandó 2006

2 2 A mérést végezte: A mérés időpontja: A mérésvezető tanár tölti ki! Mérés vége:. Az oszcillátorok vizsgálatánál a megadott kapcsolások közül csak egyet kell lemérni! (Szabadon választható, vagy a mérésvezető jelöli ki!)

3 3 LC OSZCILLÁTOROK VIZSGÁLATA 1. A méréshez szükséges eszközök: Függvénygenerátor Kétsugaras oszcilloszkóp DC tápegység Oszcillátor panel Dugaszolható elemek Az oszcillátor mérőpanel műszaki adatai: Különböző oszcillátorok felépítésére és vizsgálatára szolgál (pl. Meissner, Colpitts, Hartley és FM oszcillátorok). Tápfeszültség: ± 15V DC Frekvenciasáv: 400kHz-2MHz Kimeneti amplitúdó: kb. 2V pp 2. Elméleti alapok A mérés elősegíti az LC oszcillátorok működési viszonyainak tanulmányozását, a berezgés feltételeinek megértését és tapasztalati igazolását. Az oszcillátorok berezgésének három alapfeltétele van: ) A kapcsolásnak hangoltnak kell lennie. Ez általában megvalósítható egy rezgőkör alkalmazásával, amely mágneses (L) ill. elektromos (C) energiatároló elemekből épül fel és 180 o -os fázistolást biztosít. a) Fázisfeltétel Aktív elem (pl. tranzisztor) és hangolt kör alkalmazásával az aktív elem bemenetére azonos fázisban kell visszavezetni a kimenő jelet (pozitív visszacsatolás). b) Amplitúdó (erősítési) feltétel A helyes fázisban visszacsatolt jelnek akkorának kell lennie, hogy folyamatos rezgés keletkezzék. Ha a visszacsatolt jel túl kicsi, lecsengő rezgést kapunk (pl. a tápfeszültség bekapcsolása után), ha viszont túl nagy, akkor az aktív elem túlvezérlését eredményezheti. Az amplitúdót úgy kell stabilizálni, hogy teljesüljön az A*ß=1 feltétel, ahol A az aktív elem erősítése, ß pedig a visszacsatolási tényező.

4 4 A MEISSNER-KAPCSOLÁS Az 1. ábrán látható kapcsolás közös emitterkapcsolású tanzisztorának bázisa (bemenet) és kollektora (kimenet) között φ=180 o -os fázistolás van. Következésképpen olyan visszacsatoló hálózatra van szükség, amelynek fázistolása ugyancsak 180 o, így elérhető, hogy az eredő fázistolás φ e =0 o legyen. A megfelelő fázisviszonyokat a rezgőkörtől galvanikusan elválasztott csatolókör eredményezi. A torzítatlan és lehetőleg konstans amplitudójú rezgést az adott frekvenciatartományban a báziskörben alkalmazott RC tag, a munkapontbeállító elemek és az emitterkörben alkalmazott negatív visszacsatoló hálózat biztosítják. 0. ábra Meissner-oszcillátor közös emitterkapcsolású tranzisztorral A visszacsatoló lánc 2,2kΩ-os ellenállása a tranzisztor bemeneti kapacitásával aluláteresztő szűrőt képez, amely a frekvencia növekedésével a visszacsatolt jel növekedése ellen dolgozik. A 2. ábrán látható áramkör esetén mivel a közös bázisú kapcsolás fázistolása φ=0 o a csatoló tekercset úgy kell bekötni, hogy az eredő fázistolás ismét 0 o legyen. A bázis váltakozó áramú szempontból földpotenciálon van. A visszacsatoló hálózat az emitterkörbe adja a jelet. 2. ábra Meissner-oszcillátor közös bázisú kapcsolásban A HARTLEY-KAPCSOLÁS A 3. ábrán látható Hartley oszcillátor a Meissner oszcillátor változata. A transzformátor auto-transzformátorként működik, ugyanis a két tekercs galvanikus kapcsolatban van. A két tekercs közös pontja váltakozóáramúlag földpotenciálon van, a tekercsek végpontjai között a fázistolás φ 1 =180 o. A visszacsatolt jel egy közös emitter- vagy báziskapcsolású tranzisztort

5 5 vezérel (φ 1 +φ 2 =360 o ill. φ eredő =0 o ). A munkapont-beállítás és a negatív visszacsatolás megegyezik az 1. ábrán látható megoldáséval. 3. ábra Hartley-oszcillátor Hátránya: a hangoló kondenzátor mindkét kivezetésén nagyfrekvenciás jel van, így a tengelyének szigeteltnek kell lennie a kézkapacitás okozta elhangolódás elkerülése érdekében. A COLPITTS-KAPCSOLÁS A 4. ábrán látható Colpitts-oszcillátor a Hartley-oszcillátor változata: a rezgőkör kapacitív osztón keresztül csatlakozik a nullpontra. Innen adódik a kapacitív hárompontkapcsolás elnevezés. 4. ábra Colpitts-oszcillátor A Hartley-oszcillátornál említett hátrányt a közös bázisú kapcsolás alkalmazása küszöböli ki.

6 6 3. Kapcsolási rajzok 5. ábra Meissner-oszcillátor közös emitterkapcsolású tranzisztorral

7 7 6. ábra Meissner oszcillátor közös bázisú kapcsolásban

8 8 7. ábra. Hartley-oszcillátor

9 9 8. ábra Colpitts-oszcillátor

10 10 4. Mérési feladatok 0. Építse fel a Meissner-oszcillátort közös emitterkapcsolású tranzisztorral (1. ill. 5. ábra). Állítsa a ΔC 1 forgókondenzátort jobb szélső, a ΔC 2 -t pedig középállásba! Állítsa a munkapontbeállító potenciométert a skála 3. osztására, a visszacsatoló potenciométert az 1,5-ös osztásra! Csatlakoztassa az oszcilloszkópot a kollektorpontra! A frekvencia meghatározása: Adjon a generátorból U 1 =50mV eff jelet a bázisra. Hangolja be a generátort, hogy a kollektoron maximális nagyfrekvenciás jel lépjen fel, és olvassa ezt a frekvenciát! 0. Határozza meg az oszcilloszkóp segítségével a fáziseltolást (φ u1,u2 )! (Figyelem: a behangolás akkor jó, ha φ u1,u2 pontosan 180 o!) Csatlakoztassa az oszcilloszkóp Y 1 csatornáját a csatolótekercs kimenetére. Határozza meg az φ u1,u3 fázistolás értékét! A mérőfej mintegy 10pF-os kapacitása miatt a rezgőkört újból be kell hangolni! Ha a φ u1,u3 0, fordítsa meg a csatolótekercs bekötését! 0. Távolítsa el a generátort a bemenetről, zárja rövidre a visszacsatoló ellenállást (2,2kΩ) és állítsa a visszacsatoló potenciométert a 2. osztásra! Mérje meg a feszültséget a bázison és a kollektoron, majd határozza meg A és ß értékét (A*ß=1)! 0. Forgassa lassan a ΔC 1 forgókondenzátort a baloldali végállásáig! Mi figyelhető meg? Állítsa a visszacsatoló potenciométert ismét az 1,5-ös osztásra és szüntesse meg a 2,2kΩ-os ellenállás rövidrezárását! A hangoló kondenzátort újból átforgatva figyelje meg a kollektorfeszültséget (a hasznos jelet)! Kísérelje meg a munkapontbeállítás változtatásával stabilizálni az amplitúdót! Mekkora az elért ΔU amplitúdóingadozás (db-ben)? Határozza meg a sávhatárok frekvenciáját! 0. Építse fel a Meissner-oszcillátort közös bázisú kapcsolásban (2. ill. 6. ábra)! A munkapont-beállító és a visszacsatoló potenciométer egyaránt az 1. osztáson legyen. Ügyeljen arra, hogy a csatolótekercs bekötését meg kell fordítani. A kimenetre oszcilloszkópot kapcsolva optimalizálja a munkapont-beállítást és a visszacsatolást az amplitúdóstabilitás és a torzítás szempontjából! Határozza meg ismét U 2, U 3, és φ u2,u3 értékét, valamint a ΔU amplitúdó-ingadozást és a sávhatárokat! 0. Építse fel az induktív hárompont-kapcsolást (Hartley) a 3. ill. 7. ábra szerint! A munkapontbeállító potenciométert állítsa a 2,5-ös osztásra, a visszacsatolást pedig a 0,5-ös osztásra! Határozza meg ismét az 5. pont szerinti jellemzőket! Értékelje az eredményeket! 0. Építse fel a Colpitts-kapcsolást a 4. ill. a 8. ábra szerint! Állítsa a munkapontbeállító potenciométert az 1. osztásra! Határozza meg ismét az 5. pont szerinti jellemzőket! Értékelje az eredményeket!