3. Mérés Áramkör építési gyakorlat III. – Rezgéskeltők II. 2014.03.15. Az elkövetkező mérés első fele két kapcsolás erejéig tovább taglalja a műveleti erősítővel megvalósítható egyszerű oszcillátorok témakörét:
Kvadratúra oszcillátor, Feszültségvezérelt oszcillátor (VCO).
1. 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 +Ut-GND és/vagy –Ut-GND táppontok közé!
3.1 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 R1 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.
1 2πRC R = R 2 = R3 f =
C = C1 = C 2 = C 3 Méréshez szükséges adatok:
Mérési feladatok:
IC: NE5532 (Ut = ±10V)
1. Mérjük meg az oszcillátor frekvenciáját, majd számítással igazoljuk annak helyességét!
R1=10kΩ potenciométer R2=R3=10kΩ C1=C2=C3=100nF *A kapcsolás jelalakjai lehetőleg mm-papíron kerüljenek rögzítésre!
2. Ábrázoljuk a kimeneti jelalakokat fázishelyesen!
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 Ube-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)
Méréshez szükséges adatok:
Mérési feladatok:
IC: NE5532 (Ut = +20V)
1. Vegyük fel az oszcillátor Ube-fki karakterisztikáját 0-20V tartományban!
R1= R6=56kΩ R2=R3=R4=10kΩ R5=20kΩ C1=100nF C2=15nF *A működési frekvenciát C1 és R6 erősen befolyásolja. *+10V segédtáp előállítására használjuk a sematikus ábrán mellékelt osztót.
2. Vizsgáljuk meg és vegyük fel a kimeneti jelalak kitöltési tényezőjének változását 020V tartományban 1V-os léptékben (Ube-d)! 3. R6-ot cseréljük 10kΩ értékűre, majd vizsgáljuk meg a újra a VCO-t!
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 C1 kondenzátor R1 és R2 ellenállások soros eredőjén folyó árammal töltődni kezd, majd amint eléri a kondenzátor feszültsége az IC belsejében található osztó által beállított komparálási feszültséget (2/3Utáp), akkor a DISCHARGE (7) láb mögött található tranzisztor kinyit, majd C1 kondenzátor kisül R2 ellenálláson keresztül mindaddig, amíg a feszültsége 1/3Utáp-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:
t1 = 0,693( R1 + R2 )C1 T = t1 + t 2 = 0,693( R1 + 2 R2 )C1 t 2 = 0,693R2C1
d=
R2 ⋅100% R1 + 2 R2
f =
1 1,44 = T ( R1 + 2 R2 )C1
Ahol t1 a kimenet magas (HIGH) szintű, t2 az alacsony (LOW) szintű ideje periódusonként, d pedig a kitöltési tényező (közelítő képlet).
A szabadon futó astabil multivibrátor rezgési frekvenciája, valamint a rezgőkört alkotó R1, R2 és C1 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
Méréshez szükséges adatok:
Mérési feladatok:
IC: NE555 (Ut = +12V)
1. 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!
a, eset:
b, eset:
c, eset:
R1=10kΩ
R1=10kΩ
R1=56kΩ
R2=10kΩ
R2=56kΩ
R2=10kΩ
C1=100nF
C1=100nF
C1=100nF
C=15nF (az IC 5-ös lábán)
2. Ismételjük meg az 1. pontban foglaltakat a „b” és „c” eset adatai szerint is!
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 1/3Utáp amplitúdójú lefutó élre reagál. Amint a triggerelés bekövetkezik, úgy a kimenet magas szintbe (HIGH) kerül mindaddig, amíg az R1C1 rezonáns tag kondenzátora el nem éri a 2/3Utáp 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:
t1 = R1C1 A monostabil multivibrátor rezgőköri elemeinek és a kimeneti jel magas szintje közötti összefüggést grafikusan szemlélteti a 10. ábra.
10. ábra: Monostabil multivibrátor „impulzusszélesség – rezgőkör” gráfja
Az NE555-el megvalósított monostabil multivibrátor jellemző jelalakjait a 11. ábra mutatja be (katalógus adat, a hozzátartozó R és C értékek esetében):
11. ábra: Monostabil multivibrátor jellemző jelalakjai
Méréshez szükséges adatok:
Mérési feladatok:
IC: NE555 (Ut = +12V)
1. 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!
a, eset:
b, eset:
c, eset:
R1=10kΩ
R1=10kΩ
R1=56kΩ
C1=100nF
C1=470nF
C1=100nF
C=15nF (az IC 5-ös lábán)
2. Ismételjük meg az 1. pontban foglaltakat a * A trigger bemenet meghajtáskor érdemes a „b” és „c” eset adatai szerint is! függvénygenerátor TTL kimenetét alkalmazni
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 12. ábra szerinti, 555-el megvalósítható PWM kapcsolásra is igaz.
12. 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 +Utáp közé essen). Alapesetben az RAC 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 13. ábra mutatja be (katalógus adat, a hozzátartozó órajel és alkatrész értékeknek megfelelően).
13. ábra: 555-el megvalósított PWM kapcsolás jelalakjai
Méréshez szükséges adatok: IC: NE555 (Ut = +9V)
Mérési feladatok:
1. Valósítsuk meg a kapcsolást az és vizsgáljuk meg a 3-as és 6-os lábak RA=2,2kΩ jelalakjait fázishelyesen! Végezzük el ezen C=15nF vizsgálatot legalább 4 egymástól jelentősen *Az órajel bemenet meghajtáskor érdemes a eltérő frekvencián! függvénygenerátor TTL kimenetét 2. Vegyük fel a modulátor Umod-d alkalmazni. karakterisztikáját! *A moduláló (Umod) jelet szolgáltassa a 3. Vizsgáljuk meg a modulátor működését kettős tápegység nem használt kimenete. 12V-os tápfeszültség esetén is!
3.6 Pulzusszélesség modulátor II. Hobbicélok, illetve egyéb, nagyon egyszerű igények kielégítésére kiválóan alkalmas a 14. 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 t1 (HIGH) és t2 (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.
14. ábra: PWM generátor II.
Méréshez szükséges adatok:
Mérési feladatok:
IC: NE555 (Utáp = +12V)
1. 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.)
R1=2,2kΩ P1=10kΩ C1=15nF C2=100nF D1 és D2 normál Si dióda
2. Vizsgáljuk meg a modulátor Uki és UC2, azaz a C2 kondenzátoron eső feszültségének, valamint a DISCHARGE láb jelalakjait fázishelyesen!
3.6 Ellenőrző kérdések: 1. 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)!
