Jelgenerátorok ELEKTRONIKA_2
TEMATIKA Jelgenerátorok osztályozása. Túlvezérelt erősítők. Feszültségkomparátorok. Visszacsatolt komparátorok. Multivibrátor. Pozitív visszacsatolás. Oszcillátorok. RC oszcillátorok. Wien hidas kapcsolás. LC oszcillátorok. Kvarcoszcillátorok. 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 2
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 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 3
Szinuszos jel amplitúdó periódus amplitúdó 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 4
Háromszög jel t v periódus A meredekség = v / t abszolút értéke állandó Dr. Buchman Attila
Fűrészfog jel A felfutási idő alatt a meredekség jóval kisebb mint a lefutási idő alatt periódus 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 6
Négyszög jel T1 T Kitöltési tényező = T1 / T 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 7
Impulzus Kitöltési tényező << 50% 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 8
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. 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 9
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 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 10
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 0 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 11
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 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 12
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 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 13
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. 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 14
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 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 15
Hiszterézises komparálási görbe Dr. Buchman Attila 2012.04.25. 16 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 2 1 1 2 1 2 0 2 1 1 2 1 2
Alkalmazási példa: négyszögjel generátor Példaként: R 20k T 2,2RC 44ms f 22,7Hz 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 17 R 1 R 2 C 1F 0.5 1 ln ln(3) 1,1 1 1 T
Működés szimulálása (TINA) T kimenet Out1 4.00 + be VP_4-4.00 2.00 - be VP_5-2.00 2.00-2.00 0.00 2.50m 5.00m 7.50m 10.00m Time (s) 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 18
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 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 19
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. 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 20
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. 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 21
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 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 22
Működési elv (5) 14. V2 gyorsabban csökken mint V1 Vout hamarosan eléri a negatív telítési szintjét (Vout=V-). 15. V2=λ V-. 16. C miatt V1 tovább csökken. 17. Egy idő múlva V1<V2 és a folyamat a megismétlődik 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 23
Háromszögjel generátor C Négyszögjel + integrátor 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 24
Működési elv du I C dt U V C V I R dv0 dt tehát V 0 0 V RC C álandó háromszögjel 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 25
Szimuláció T 3.00 Out1 Integrátor ki -2.00 4.00 VP_7-4.00 Integrátor be 0.00 2.50m 5.00m 7.50m 10.00m Time (s) 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 26
Oszcillátorok Olyan kapcsolások, amelyek szinuszos rezgéseket állítanak elő. Pozitív visszacsatolású erősítők. A visszacsatoló hálózat frekvenciafüggő tagokat tartalmazz LC RC Kvarc kristály Kerámia rezonátor 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 27
Barkhausen kritériuma (1) Milyen körülmények között viselkedik oszcillátorként egy visszacsatolt erősítő? 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 28
Barkhausen kritériuma (2) Oszcillátor üzemmódban bemeneti jel nélkül is van kimeneti jel! 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 29
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 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 30
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 1 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 31
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. 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 32
Megjegyzés Barkhausen kritériuma = Amplitúdó feltétel rezgések fenntartását biztosítja Fázis feltétel rezgés frekvenciáját határozza meg. Mekkora lesz az eredő rezgések amplitúdója? Nincs meghatározva!!!!!!!! 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 33
Példa: Wien hidas oszcillátor IC + RB +RA = erősítő R + C + R II C = visszacsatoló hálózat f 0 1 2RC 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 34
Visszacsatoló hálózat átviteli függvénye 0,333 amplitudó 0 fázis 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 35 f0
Következtetés Az amplitúdó feltétel teljesítéséhez minimum háromszoros erősítés szükséges. RB A 1 3 R A fázis feltétel teljesítéséhez egy non invertáló erősítő kell. A 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 36
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 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 37 1 Noninvertáló erősítő
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 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 38 1 Noninvertáló erősítő
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. 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 39
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. 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 40
Alapkapcsolások Soros rezonancia rekvencián működő kvarcoszcillátor Párhuzamos rezonancia frekvencián működő kvarcoszcillátor 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 41
Köszönöm a figyelmet! 2012.04.25. 42