3. Mérés. Áramkör építési gyakorlat III. Rezgéskeltők II

Átírás

1 3. Mérés Áramkör építési gyakorlat III. Rezgéskeltők II Az elkövetkező mérés első fele két kapcsolás erejéig tovább taglalja a műveleti erősítővel megvalósítható egyszerű oszcillátorok témakörét: Kvadratúra oszcillátor, Feszültségvezérelt oszcillátor (VCO).. ábra: NE5532 lábkiosztása A mérés második felében a legalapvetőbb időzítő integrált áramkörrel megvalósított kapcsolások vizsgálata lesz. Az említett időzítő az NE555. AZ 555-ös IC számos módon alkalmazható, a mérés során azonban csupán a legegyszerűbb felhasználásai kerülnek bemutatásra, melyek az alábbiak: Astabil multivibrátor, Monostabil multivibrátor, Pulzusszélesség modulátor I., Pulzusszélesség modulátor II., 2. ábra: NE555 lábkiosztása 3. ábra: NE555 blokk diagramja Az első mérési útmutatóban szereplő módon ismét ellenőrizzük le a méréshez rendelkezése bocsájtott műveleti erősítő működőképességét (a mérés során használt műveleti erősítő DIP8-as tokjában mindkét erősítőt hajtsuk meg nullkomparátoros üzemmódban)! A mérőáramkörök esetleges gerjedése elkerülése végett illesszünk 470nF-os szűrőkondenzátorokat a +U t -GND és/vagy U t -GND táppontok közé!

2 3. mérés: Kvadratúra-oszcillátor A kvadratúra oszcillátor híradástechnikában használt áramkör (QAM), de egyéb hobbicélok kielégítését is szolgálhatja. Mindkét kimenet szinuszos jelalakot szolgáltat, de a kettő között 90 -os fázistolás lép fel, tehát az egyik jel szinusz, míg a másik koszinusz. Az alapáramkör esetében nem triviális az erősítés szabályozás. Megfelelő kimeneti amplitúdó eléréséért két egyszerű megoldást szokás alkalmazni; túl nagy erősítés esetén a kimeneti jelalakok torzulnak, ilyenkor a koszinuszos kimenetre zener-diódákat illesztenek, ily módon a visszacsatolt jel amplitúdója is lecsökken; túl kicsi hurokerősítés esetén pedig nem indul be a rezgés, ilyenkor R értékét kell megfelelően csökkenteni. 4. ábra: Kvadratúra-oszcillátor műveleti erősítőkkel A mérés során a kimeneti jelalak könnyedén lehet torz vagy instabil, igazán tiszta szinuszos kimeneti jel eléréséhez aktív amplitúdó szabályozó egységre lenne szükség; ennek ellenére a fázisviszonyok így is igazolhatók. IC: NE5532 (U t = ±0V) R =0kΩ potenciométer R 2 =R 3 =0kΩ C =C 2 =C 3 =00nF *A kapcsolás jelalakjai lehetőleg mm-papíron kerüljenek rögzítésre! f = 2 π RC R = R2 = R C = C = C 3 2 = C 3. Mérjük meg az oszcillátor frekvenciáját, majd számítással igazoljuk annak helyességét! 2. Ábrázoljuk a kimeneti jelalakokat fázishelyesen!

3 3.2 mérés: Feszültségvezérelt oszcillátor (VCO) A feszültségvezérelt oszcillátor - más néven VCO (Voltage Controlled Oscillator)-, elengedhetetlen alappillére a híradástechnikának; minden hangolható adó és vevőegység manapság már tartalmaz VCO-t, legtöbbször különböző kiegészítő áramkörökkel együttesen (PLL Phase Locked Loop - fázisszárt hurok). A 5. ábrán látható egy ilyen VCO, melynek négyszögjeles kimenete van. A kimeneti frekvencia arányosan függ az U be -re adott egyenfeszültség nagyságával, ily módon hangolhatóvá válik az oszcillátor. Felépítését és működését tekintve nagyon hasonlít az előző mérésben szereplő négyszög-háromszögjel generátorra, ahol szintén egy integrátor és egy hiszterézises komparátor együttese hozta létre a rezgést. Ez az eset abban különbözik, hogy az integrátort előfeszítjük egy általunk külsőleg ráadott egyenfeszültséggel, ezzel szabályozva az integrátor fűrészfeszültségének nagyságát, ami az utána kapcsolt komparátor végett egyúttal frekvenciaváltozást is von maga után. 5. ábra: Feszültségvezérelt oszcillátor (VCO) IC: NE5532 (U t = +20V) R = R 6 =56kΩ R 2 =R 3 =R 4 =0kΩ R 5 =20kΩ C =00nF C 2 =5nF *A működési frekvenciát C és R 6 erősen befolyásolja. *+0V segédtáp előállítására használjuk a sematikus ábrán mellékelt osztót.. Vegyük fel az oszcillátor U be -f ki karakterisztikáját 0-20V tartományban! 2. Vizsgáljuk meg és vegyük fel a kimeneti jelalak kitöltési tényezőjének változását 0-20V tartományban V-os léptékben (U be -d)! 3. R 6 -ot cseréljük 0kΩ értékűre, majd vizsgáljuk meg a újra a VCO-t!

4 3.3 Mérés: Astabil multivibrátor 555-el A legegyszerűbb alkalmazása az 555-ös időzítőnek az astabil multivibrátoros üzemmód. Ebben az esetben a TRIGGER (2) és a TRESHOLD (6) bemenetek összekötésre kerülnek, így biztosítva, hogy az oszcillátor szabadon futó legyen. Bekapcsoláskor a C kondenzátor R és R 2 ellenállások soros eredőjén folyó árammal töltődni kezd, majd amint eléri a kondenzátor feszültsége az IC belsejében található osztó által beállított komparálási feszültséget (2/3U táp ), akkor a DISCHARGE (7) láb mögött található tranzisztor kinyit, majd C kondenzátor kisül R 2 ellenálláson keresztül mindaddig, amíg a feszültsége /3U táp -ra le nem esik. Ez a folyamat ismétlődik, így létrehozva az állandó rezgést. A CONTROL VOLTAGE (5) kivezetésre helyezett kondenzátor szűrési célokat valósít meg, így stabilizálva a rezgési frekvenciát. Instabil működés vagy gerjedés esetén a tápágra elhelyezett (470nF) szűrőkondenzátor az 555-ös időzítő esetén is megoldást tud jelenteni. 6. ábra: 555-ös astabil multivibrátor Az astabil multivibrátor működését leíró képletek: t 0 + C =,693( R R2 ) t 2 = 0, 693R2C d = R R + 2 2R 2 00% T = t 0 + C f + t2 =,693( R 2R2 ) = T = ( R,44 + 2R2 ) C Ahol t a kimenet magas (HIGH) szintű, t 2 az alacsony (LOW) szintű ideje periódusonként, d pedig a kitöltési tényező (közelítő képlet).

5 A szabadon futó astabil multivibrátor rezgési frekvenciája, valamint a rezgőkört alkotó R, R2 és C kondenzátorok közötti összefüggést a 7. ábra szemlélteti ez a grafikon természetesen a gyors számítást, vagy akár annak mellőzését is lehetővé teszi. 7. ábra: Az astabil multivibrátor frekvencia - rezgőköri elemek grafikonja Az NE555-el megvalósított astabil multivibrátor jellemző jelalakjait a 8. ábra mutatja be (katalógus adat, a hozzátartozó R és C értékek esetében): 8. ábra: Az astabil multivibrátor tipikus jelalakjai IC: NE555 (U t = +2V) a, eset: b, eset: c, eset: R =0kΩ R =0kΩ R =56kΩ R 2 =0kΩ R 2 =56kΩ R 2 =0kΩ C =00nF C =00nF C =00nF C=5nF (az IC 5-ös lábán). Valósítsuk meg a kapcsolást az a eset szerint és vizsgáljuk meg a 3-as és 6-os lábak jelalakjait fázishelyesen! A kimeneti jel frekvenciáját és kitöltési tényezőjét is igazoljuk számítással; az esetleges eltérést magyarázzuk meg! 2. Ismételjük meg az. pontban foglaltakat a b és c eset adatai szerint is!

6 3.4 Mérés: monostabil multivibrátor 555-ös időzítővel A monostabil multivibrátor egy olyan áramkör, aminek csak egy stabil állapota van, innen származik az elnevezése. Abban az esetben, ha ebből a stabil állapotból kibillentjük egy külső jellel, azaz trigger impulzussal, akkor a multivibrátor kimenete átbillen ellentétes előjelűvé az áramkörben található rezgőkör időállandójának megfelelő ideig. Ebből adódóan a gyakorlatban történő felhasználása az, hogy igény szerint szélesíteni lehet keskeny impulzusokat (ez a gyakrabban előforduló eset), vagy keskenyíteni széleseket. 9. ábra: 555-ös időzítővel megvalósított monostabil multivibrátor A 9. ábrán látható multivibrátor bemenete /3U táp amplitúdójú lefutó élre reagál. Amint a triggerelés bekövetkezik, úgy a kimenet magas szintbe (HIGH) kerül mindaddig, amíg az R C rezonáns tag kondenzátora el nem éri a 2/3U táp feszültséget. Amint ez bekövetkezik, a kimenet ismét alacsony szintbe (LOW) kerül és ott is marad mindaddig, amíg nem érkezik újabb trigger impulzus. Megjegyzendő azonban, hogy mivel a kondenzátor töltődésének mértéke és a komparátor TRESHOLD értéke is közvetlenül és együttesen függ a tápfeszültségtől, így végeredményül az időzítés ideje tápfeszültség független lesz. Ebből az egyszerűsödésből következik, hogy a kimenet magas állapotban töltött ideje: t = RC A monostabil multivibrátor rezgőköri elemeinek és a kimeneti jel magas szintje közötti összefüggést grafikusan szemlélteti a 0. ábra.

7 0. ábra: Monostabil multivibrátor impulzusszélesség rezgőkör gráfja Az NE555-el megvalósított monostabil multivibrátor jellemző jelalakjait a. ábra mutatja be (katalógus adat, a hozzátartozó R és C értékek esetében):. ábra: Monostabil multivibrátor jellemző jelalakjai IC: NE555 (U t = +2V) a, eset: b, eset: c, eset: R =0kΩ R =0kΩ R =56kΩ C =00nF C =470nF C =00nF C=5nF (az IC 5-ös lábán) * A trigger bemenet meghajtáskor érdemes a függvénygenerátor TTL kimenetét alkalmazni. Valósítsuk meg a kapcsolást az a eset szerint és vizsgáljuk meg a 3-as és 6-os lábak jelalakjait fázishelyesen! A kimeneti jel kitöltési tényezőjét igazoljuk számítással! Végezzük el ezen vizsgálatot legalább 4 egymástól jelentősen eltérő frekvencián! 2. Ismételjük meg az. pontban foglaltakat a b és c eset adatai szerint is!

8 3.5 Mérés: pulzusszélesség modulátor I. Az előző mérési útmutatóban már láthattunk példát pulzusszélesség modulációra oly módon, hogy egy relaxációs oszcillátor fűrészfeszültségű kimenetét komparáltuk egy egyenfeszültségű referenciajellel. Akkor említésre is került, hogy ezt a feszültséget nem pusztán potenciométer szolgáltathatja, hanem valamely egyéb elektronika kimenete is, ez az állítás természetesen a 2. ábra szerinti, 555-el megvalósítható PWM kapcsolásra is igaz. 2. ábra: 555-ös PWM alapkapcsolás Első megközelítésről lényegében egy astabil multivibrátorról van szó azzal a különbséggel, hogy a TRIGGER bemenet nem visszacsatolásból származó jelet kap, hanem egy külső forrásból származó négyszögjel sorozatot, ezáltal általunk választható a működési frekvencia (a trigger jel, vagyis az órajel amplitúdója ajánlott, hogy 0V és +U táp közé essen). Alapesetben az R A C rezgőkörnek megfelelő, a korábbiakban vizsgált kitöltési tényezőjű kimeneti jelet kapunk, azonban ezúttal a CONTROL VOLTAGE bemenetet külső feszültséggel tápláljuk meg, így megváltoztatva az időzítőben található komparátorok billenési szintjeit. Ez a moduláló jel lehet egyaránt egyen- és váltakozó áramú jel is; igény szerint alkalmazható csatolókondenzátor ezen a bemeneten. Mivel a billenési, azaz a triggerelési szinteket külsőleg tudjuk befolyásolni, így a kitöltési tényezője is változni fog a kimeneti jelnek, továbbá a rezgőkör elemeinek számítása is felesleges, csak a nagyságrendek számítanak. Az imént ismertetett módon megvalósítható pulzusszélesség modulátor, azaz PWM áramkör jellemző jelalakjait a 3. ábra mutatja be (katalógus adat, a hozzátartozó órajel és alkatrész értékeknek megfelelően).

9 3. ábra: 555-el megvalósított PWM kapcsolás jelalakjai IC: NE555 (U t = +9V) R A =2,2kΩ C=5nF *Az órajel bemenet meghajtáskor érdemes a függvénygenerátor TTL kimenetét alkalmazni. *A moduláló (U mod ) jelet szolgáltassa a kettős tápegység nem használt kimenete.. Valósítsuk meg a kapcsolást az és vizsgáljuk meg a 3-as és 6-os lábak jelalakjait fázishelyesen! Végezzük el ezen vizsgálatot legalább 4 egymástól jelentősen eltérő frekvencián! 2. Vegyük fel a modulátor U mod -d karakterisztikáját! 3. Vizsgáljuk meg a modulátor működését 2V-os tápfeszültség esetén is!

10 3.6 Pulzusszélesség modulátor II. Hobbicélok, illetve egyéb, nagyon egyszerű igények kielégítésére kiválóan alkalmas a 4. ábrán látható PWM áramkör. Az áramkör alapját itt is az astabil multivibrátoros bekötés adja, de a két dióda és a potenciométer alkotta szabályozóegységnek köszönhetően a periodikus kimeneti jel t (HIGH) és t 2 (LOW) részeinek aránya állítható lesz. Bár az 555-ös időzítő típustól függően akár 200mA-t is képes az OUT pontján szolgáltatni, a gyakorlatban mégsem szokás közvetlen meghajtásra alkalmazni (maximum néhány LED, vagy egy PC ventillátor erejéig). A kimenetre rend szerint valamilyen kapcsolóeszközt teszünk (N-csatornás MOSFET-et leggyakrabban), majd a vezérelni kívánt eszközt a FET munkaellenállásaként kötjük be. 4. ábra: PWM generátor II. IC: NE555 (U táp = +2V) R =2,2kΩ P =0kΩ C =5nF C 2 =00nF D és D 2 normál Si dióda. Vegyük fel a potenciométer szögelfordulása és a kitöltési tényező közötti összefüggést karakterisztika formájában! (A potenciométer teljes kitérése 270, szemmel is megbecsülhetők a 45 -os léptékek.) 2. Vizsgáljuk meg a modulátor U ki és U C2, azaz a C 2 kondenzátoron eső feszültségének, valamint a DISCHARGE láb jelalakjait fázishelyesen!

11 3.6 Ellenőrző kérdések:. Rajzolja le a kvadratúra oszcillátor alapkacsolását (+rezonanciaképlet)! 2. Rajzolja le a két műveleti erősítővel megvalósított VCO-t és magyarázza meg annak működését! 3. Rajzolja le és mutassa be az 555-el megvalósított astabil multivibrátor működését, valamint a jellemző jelalakokat! 4. Adja meg az 555-el megvalósított astabil multivibrátor rezonanciára, és magas-alacsony szintidőkre vonatkozó képleteit! 5. Ismertesse a monostabil multivibrátor működését (+kapcsolási rajz, jellemző jelalakok)! 6. Mutassa be az 555-el megvalósítható, külső vezérlésű PWM modulátor működését (+kapcsolási rajz, jelalakok)!