Jelgenerátorok ELEKTRONIKA_2

Átírás

1 Jelgenerátorok ELEKTRONIKA_2

2 TEMATIKA Jelgenerátorok osztályozása. Túlvezérelt erősítők. Feszültségkomparátorok. Visszacsatolt komparátorok. Multivibrátor. Pozitív visszacsatolás. Oszcillátorok. RC oszcillátorok. Wien hidas kapcsolás. LC oszcillátorok. Kvarcoszcillátorok Dr. Buchman Attila 2

3 Jelgenerátorok osztályozása Jelgenerátorok = olyan jelforrások, amelyek periodikus időfüggvényeket állítanak elő. Szinuszos jelgenerátorok (oszcillátorok): Hangfrekvenciás (RC) oszcillátorok Rádiófrekvenciás (LC) oszcilátorok Nem szinuszos generátorok Háromszögjel generátor Fűrészfogjel generátor Négyszögjel generátor Impulzus generátor Dr. Buchman Attila 3

4 Szinuszos jel amplitúdó periódus amplitúdó Dr. Buchman Attila 4

5 Háromszög jel t v periódus A meredekség = v / t abszolút értéke állandó Dr. Buchman Attila

6 Fűrészfog jel A felfutási idő alatt a meredekség jóval kisebb mint a lefutási idő alatt periódus Dr. Buchman Attila 6

7 Négyszög jel T1 T Kitöltési tényező = T1 / T Dr. Buchman Attila 7

8 Impulzus Kitöltési tényező << 50% Dr. Buchman Attila 8

9 Megjegyzés A jelgenerátor áramkörök megvalósításához általában pozitív visszacsatolású erősítőket alkalmazunk. A pozitív visszacsatoló hálózat lehet: Frekvenciafüggő (szinuszos jelgenerátorok esetében). Frekvenciától független (más jelalakú generátorok esetében). A négyszögjel generátorok alapvető része a feszültségkomparátor. Ez nem más mint egy túlvezérelt feszültségerősítő Dr. Buchman Attila 9

10 Túlvezérelt erősítők Egy feszültségerősítő akkor túlvezérelt ha: U BE U TÁP UBE a bemeneti feszültség UTÁP a tápfeszültség a a feszültségerősítési tényező Minél nagyobb a feszültségerősítési tényező, annál kisebb bemeneti jelel lehet az erősítőt túlvezérelni. a Dr. Buchman Attila 10

11 Feszültségkomparátor A végtelen feszültségerősítési tényezője miatt a műveleti erősítő (negatív visszacsatolás híján), akár milyen csekély bemeneti feszültség esetében is túl lesz vezérelve. A kimenetnek csak két stabil állapota van: 0 és UTÁP A két bemeneti potenciál összehasonlítására alkalmas: UTÁP V+ + U, ha U BE 0 TÁP UBE V- _ UKI U U U KI BE KI 0, V V U, ha V V TÁP 0, ha V V ha U BE Dr. Buchman Attila 11

12 Non-invertáló komparátor V+ az aktuális bemeneti jel, VBE V- egy állandó küszöbfeszültség, VK A kimeneten akkor mérünk feszültséget ha VBE > VK VBE + U KI H, L, ha ha V V BE BE V V K K VK _ UKI Dr. Buchman Attila 12

13 Invertáló komparátor V- az aktuális bemeneti jel, VBE V+ egy állandó küszöbfeszültség, VK A kimeneten akkor mérünk feszültséget ha VBE < VK VK + U KI H, L, ha ha V V BE BE V V K K VBE _ UKI Dr. Buchman Attila 13

14 Komparálási görbe UKI H L VK VBE Ha a bemeneti feszültség a küszöbfeszültségtől jóval eltér a kimenet L vagy H állapota stabil. Ha viszont VBE VK, akkor a kimenet állapota nem stabilis Dr. Buchman Attila 14

15 Visszacsatolt komparátor A visszacsatolás pozitív. A küszöbfeszültség a kimenet aktuális állapotától függ. V K R2 R1 R2 V REF R1 R1 R2 U KI VREF R1 + R2 VK VBE _ UKI Dr. Buchman Attila 15

16 Hiszterézises komparálási görbe Dr. Buchman Attila VBE VKH UKI H L VKL KH TÁP KL K TÁP KI KL REF K KI KI REF K V U R R R V V U H ha U V V R R R V L ha U U R R R V R R R V

17 Alkalmazási példa: négyszögjel generátor Példaként: R 20k T 2,2RC 44ms f 22,7Hz Dr. Buchman Attila 17 R 1 R 2 C 1F ln ln(3) 1,1 1 1 T

18 Működés szimulálása (TINA) T kimenet Out be VP_ be VP_ m 5.00m 7.50m 10.00m Time (s) Dr. Buchman Attila 18

19 Működési elv (1) 1. Az áramkor bekapcsolásakor a két bemenet csak véletlenül és átmenetileg lehet egyforma potenciálú. 2. Mindig létezik zaj tehát V2 V1 3. Legyen V2>V1 a bekapcsolás utáni állapot Dr. Buchman Attila 19

20 Működési elv (2) 4. V2>V1 a kimenet növekedését eredményezi. 5. A pozitív visszacsatolás hatására V2 a kimenettel arányosan növekszik. 6. V1 növekedését a kondenzátor késlelteti Dr. Buchman Attila 20

21 Működési elv (3) 7. V2 gyorsabban emelkedik mint V1 Vout eléri a pozitív telítési szintjét (Vout=V+). 8. Ha Vout nem növekszik akkor V2 sem (V2=λ V+). 9. C viszont továbbra is töltődik tehát V1 növekszik Dr. Buchman Attila 21

22 Működési elv (4) 10. Egy idő múlva V1>V2 11. Következés képen Vout csökken 12. Ez V2 csökkenését eredményezi 13. Ehhez képest V1 csökkenését a C késlelteti Dr. Buchman Attila 22

23 Működési elv (5) 14. V2 gyorsabban csökken mint V1 Vout hamarosan eléri a negatív telítési szintjét (Vout=V-). 15. V2=λ V C miatt V1 tovább csökken. 17. Egy idő múlva V1<V2 és a folyamat a megismétlődik Dr. Buchman Attila 23

24 Háromszögjel generátor C Négyszögjel + integrátor Dr. Buchman Attila 24

25 Működési elv du I C dt U V C V I R dv0 dt tehát V 0 0 V RC C álandó háromszögjel Dr. Buchman Attila 25

26 Szimuláció T 3.00 Out1 Integrátor ki VP_ Integrátor be m 5.00m 7.50m 10.00m Time (s) Dr. Buchman Attila 26

27 Oszcillátorok Olyan kapcsolások, amelyek szinuszos rezgéseket állítanak elő. Pozitív visszacsatolású erősítők. A visszacsatoló hálózat frekvenciafüggő tagokat tartalmazz LC RC Kvarc kristály Kerámia rezonátor Dr. Buchman Attila 27

28 Barkhausen kritériuma (1) Milyen körülmények között viselkedik oszcillátorként egy visszacsatolt erősítő? Dr. Buchman Attila 28

29 Barkhausen kritériuma (2) Oszcillátor üzemmódban bemeneti jel nélkül is van kimeneti jel! Dr. Buchman Attila 29

30 Barkhausen kritériuma (3) A Ae e j j A 1 A 1 0 A komplex mennyiség mert az erősítés általában fáziseltolással is jár. Β komplex mennyiség mert a visszacsatoló hálózatban frekvenciafüggő elemeket alkalmazunk Dr. Buchman Attila 30

31 Amplitúdó feltétel A 1 Az erősítőnek, a visszacsatoló hálózat csillapítását, kompenzálnia kell. E feltétel beteljesülése biztosítja a rezgések fenntartását. Sajnos egyáltalán nem garantálja a rezgés beindulását. Ezért a gyakorlatban túltejesítjük: A Dr. Buchman Attila 31

32 Fázis feltétel 0 A visszacsatoló hálózat pontosan kompenzálja az erősítő fáziseltolását. A visszacsatoló hálózat úgy van kialakítva hogy e feltétel csak egy adott frekvencián teljesül. Ez lesz a rezgési frekvencia Dr. Buchman Attila 32

33 Megjegyzés Barkhausen kritériuma = Amplitúdó feltétel rezgések fenntartását biztosítja Fázis feltétel rezgés frekvenciáját határozza meg. Mekkora lesz az eredő rezgések amplitúdója? Nincs meghatározva!!!!!!!! Dr. Buchman Attila 33

34 Példa: Wien hidas oszcillátor IC + RB +RA = erősítő R + C + R II C = visszacsatoló hálózat f 0 1 2RC Dr. Buchman Attila 34

35 Visszacsatoló hálózat átviteli függvénye 0,333 amplitudó 0 fázis Dr. Buchman Attila 35 f0

36 Következtetés Az amplitúdó feltétel teljesítéséhez minimum háromszoros erősítés szükséges. RB A 1 3 R A fázis feltétel teljesítéséhez egy non invertáló erősítő kell. A Dr. Buchman Attila 36

37 Párhuzamos LC oszcillátor működési elve f0 frekvencián az ideális LC rezgőkőr impedanciája végtelenül nagy és fáziseltolása 0. A fázis feltétel teljesítéséhez egy non invertáló erősítő szükséges. Az erősítési tényező RB A 1 1 R A f 0 2 LC Dr. Buchman Attila 37 1 Noninvertáló erősítő

38 Soros LC oszcillátor működési elve f0 frekvencián az ideális soros LC rezgőkőr impedanciája és fáziseltolása egyaránt 0. A fázis feltétel teljesítéséhez egy non invertáló erősítő szükséges. Az erősítési tényező RB A 1 1 R A f 0 2 LC Dr. Buchman Attila 38 1 Noninvertáló erősítő

39 Kvarc oszcillátor Az eddig ismertetett LC oszcillátorok frekvenciastabilitása sok esetben nem kielégítő. A frekvenciastabilitás függ a rezgőköri kapacitás és induktivitás hőmérsékleti tényezőjétől. Rezgőkvarccal lényegesen jobb stabilitás érhető el. A fegyverzetekkel ellátott kvarckristály elektromos szempontból úgy viselkedik, mint egy nagy jósági tényezőjű rezgőkör Dr. Buchman Attila 39

40 Rezonanciák A rezgőkvarc komplex impedanciája (R ellenállás elhanyagolásával): Látható, hogy van egy olyan frekvencia (fs - soros rezonancia frekvencia), amelynél Z = 0. És van egy olyan frekvencia (fp - párhúzamos rezonancia frekvencia), amelynél Z végtelen Dr. Buchman Attila 40

41 Alapkapcsolások Soros rezonancia rekvencián működő kvarcoszcillátor Párhuzamos rezonancia frekvencián működő kvarcoszcillátor Dr. Buchman Attila 41

42 Köszönöm a figyelmet!