ÓBUDAI EGYETEM Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar Híradástechnika Intézet Négyszög - Háromszög Oszcillátor Mérése Mérési Útmutató A mérést végezte: Neptun kód: A mérés időpontja:
A méréshez szükséges eszközök: mérőpanel, mérődoboz tápegységgel Oszcilloszkóp Elméleti alapok A különböző alakú többnyire négyszög-, háromszög- és szinuszos jeleket előállító jelforrást általában függvénygenerátor -nak nevezzük. A következőkben tipikus függvénygenerátor kapcsolások főbb jellemzőit vizsgáljuk. 1. ábra Háromszög és négyszög alakú jelek legegyszerűbben az 1. ábrán látható Schmitt-triggeren alapuló áramkör segítségével hozhatók létre. Ez tulajdonképpen monostabil multivibrátor kapcsolás. Bekapcsoláskor a C7 kondenzátor rövidzárként viselkedik az IC párhuzamosan kapcsolt bemenetein, így a kimeneten magas logikai szint van. A VAR7 visszacsatoló trimmer potenciométeren keresztül C7 töltődni kezd, s ez a töltődés addig folytatódik, amíg C7 feszültsége el nem éri a Schmitt-triggerre jellemző komparálási szintet. Ekkor a Schmitttrigger átbillen, kimenete alacsony logikai szintre kerül, s a kondenzátor a visszacsatoló ellenálláson keresztül kisül. Amikor a kondenzátor feszültsége ismét eléri a komparálási szintet, a Schmitt-trigger visszabillen, s kimenetén ismét magas logikai szint jelenik meg. A működés periodikus; frekvenciája: f o = 1/2ΠRC ahol f o az oszcillátor frekvenciája Hz-ben, R a visszacsatoló ellenállás (VAR7) Ohm-ban, C a kapacitás Farad-ban. Belátható, hogy a Schmitt-trigger kimenetén négyszögjel sorozatot kapunk. A minimális frekvencia értelemszerűen a potenciométer maximális ellenállásánál adódik; a háromszög alakú jel a TP49, a négyszögjel pedig a TP50 mérőpontról vehető le. Ha a visszacsatoló ellenállás nagy, a töltődés csaknem lineáris. 2
Négyszögjelek legegyszerűbben astabil multivibrátor kapcsolásokkal állíthatók elő. Az impulzus, ill. a szünet időtartama az R és C elemekkel állítható be. A működési frekvencia f = 1/T ahol f a frekvencia, Hz-ben, T a periódusidő. Az impulzus időtartamának és a periódusidőnek az arányát kitöltési tényezőnek nevezzük: DC = (PD/T)*100, % ahol DC a kitöltési tényező (Duty Cycle) %-ban, PD az impulzus időtartam (Pulse Duration), T a periódusidő. A négyszögjelet azonos frekvenciájú szinuszos jellel összehasonlítva (Fourier analízis) közöttük abban áll a különbség, hogy a négyszögjelben a szinuszos jellel megegyező alapharmonikus mellett felharmónikusok is jelen vannak, rendre csökkenő amplitúdóval. Különböző kitöltési tényezők esetén egyes harmonikusok hiányozhatnak. A háromszögjelet azonos frekvenciájú szinuszos jellel összehasonlítva (Fourier analízis) közöttük abban áll a különbség, hogy a háromszögjelben a szinuszos jellel megegyező alapharmonikus mellett a 3. 5. 7. stb. páratlan harmonikusok is jelen vannak, rendre csökkenő amplitúdóval. A harmonikus amplitúdók az A h = A f /n 2 összefüggés szerint számíthatók, ahol A f az alapharmonikus amplitúdója, n a szóban forgó harmonikus száma. Háromszög alakú jeleket más módon is előállíthatunk, pl. a 2. ábrán látható, lineáris integrált áramkörökön alapuló kapcsolás segítségével. 3
2. ábra Az A oszcillátor kimenő jelét a második, egységnyi erősítésű fokozat (elválasztó erősítő) adja a kimenetre. A C1 kondenzátor az invertáló bemenetre csatlakozó R1 visszacsatoló ellenálláson keresztül töltődik, míg az erősítést a nem-invertáló bemenetre csatlakozó R2 - R3 ellenállások határozzák meg. Ha a háromszögjel igen kis (gyakorlatilag nulla) lefutási idejű, fűrészjelnek szokás nevezni. A tipikus jelalakok a 3. ábrán láthatók. 3. ábra A fűrészjel felfutásának általában lineárisnak kell lennie. Ha egy RC tagot egyenfeszültségforrásra kapcsolunk, a kondenzátor töltődése nem lineáris, hanem exponenciális, amint a 4A. ábrán látható. Ugyanakkor a töltődés kezdeti szakasza lineárisnak tekinthető. A kondenzátort konstans áramú forrásra (áramgenerátor) kapcsolva a töltődés lineáris lesz (4B. ábra). Az 5. ábrán a függvénygenerátor célokra kifejlesztett, négyszög-, háromszög- és szinusz alakú jeleket szolgáltató integrált áramkör (ICL8038) blokkvázlata látható. 4
4. ábra 5. ábra A C küls ő kondenzátor töltésére és kisütésére két áramgenerátor szolgál. Az #1 (felső) áramgenerátor állandóan be van iktatva, míg a #2 (alsó) áramgenerátort egy flip-flop kapcsolgatja. A töltődést két komparátor figyeli. Ha a #2 generátor nincs felkapcsolva, a kondenzátor I árammal töltődik, így feszültsége lineárisan növekszik. Ha e feszültség eléri az #1 komparátor komparálási szintjét (kb. a tápfeszültség 2/3-a), a komparátor átbillenti a flipflopot, az pedig beiktatja a #2 áramgenerátort, amelynek forrásárama 2I. Ennek következtében a kondenzátort I eredő áram kezdi kisütni, így feszültsége lineárisan csökken. Ha a kondenzátor feszültsége eléri a #2 komparátor komparálási szintjét (kb. a tápfeszültség 1/3-a), a komparátor visszabillenti a flip-flopot, s a folyamat újra indul. Ha az áramgenerátorok forrásárama I ill. 2I, a kondenzátor feszültségének változása szimmetrikus háromszög alakú, a flip- flop kimenő jele pedig szimmetrikus négyszög alakú lesz. A háromszög- és a négyszögjelet elválasztó (buffer) fokozatok csatolják az IC 3. ill. 9. lábára. Az áramgenerátorok forrásáramának változtatásával a működési frekvencia 0.1Hz és 20Mhz között, a kitöltési tényező pedig 10% és 90% között változtatható. 5
Az IC 2. és 3. lába között található nemlineáris hálózat (sine converter) a háromszögjelből színuszos jelet állít elő. Ez a kapcsolás a háromszögjel szélső értékeinél csökkenő söntimpedanciát képvisel. A bemutatott megoldásokon kívül számos egyéb oszcillátor kapcsolás létezik négyszög-, háromszög- és szinuszos jelek előállítására. A Schmitt -triggeres áramkör (ld. 1. ábra) a mérőpanel "P" szektorában, a 8038 IC-re épülő kapcsolás (6. ábra) pedig a "K" szektorban található. 6. ábra 3. Mérési feladatok 1. Határozza meg a Schmitt-trigger kapcsolás működési frekvenciatartományát! 2. Ábrázolja a jelalakokat! 3. Állapítsa meg a négyszögjel kitöltési tényezőjét! 4. Számítsa ki a harmonikus amplitúdók elméleti értékét a 7. harmonikusig! 5. Ábrázolja a 8038 IC-re épülő kapcsolás kimenetein (TP72, TP73, TP74) a jelalakokat! 6. Határozza meg a működési frekvenciatartományt! 7. Állapítsa meg a négyszögjel kitöltési tényezőjét! 6