5. MÉRÉS LC OSZCILLÁTOROK VIZSGÁLATA
BMF-Kandó 2006
2
A mérést végezte:
………………………………………………………
A mérés időpontja:
………………………………………………………
A mérésvezető tanár tölti ki! Mérés vége:
………………………….
Az oszcillátorok vizsgálatánál a megadott kapcsolások közül csak egyet kell lemérni! (Szabadon választható, vagy a mérésvezető jelöli ki!)
3
LC OSZCILLÁTOROK VIZSGÁLATA 1. A méréshez szükséges eszközök: • • • • •
Függvénygenerátor Kétsugaras oszcilloszkóp DC tápegység Oszcillátor panel Dugaszolható elemek Az oszcillátor mérőpanel műszaki adatai: Különböző oszcillátorok felépítésére és vizsgálatára szolgál (pl. Meissner, Colpitts, Hartley és FM oszcillátorok). Tápfeszültség: ± 15V DC Frekvenciasáv: 400kHz-2MHz Kimeneti amplitúdó: kb. 2Vpp
2. Elméleti alapok A mérés elősegíti az LC oszcillátorok működési viszonyainak tanulmányozását, a berezgés feltételeinek megértését és tapasztalati igazolását. Az oszcillátorok berezgésének három alapfeltétele van: ) A kapcsolásnak „hangoltnak” kell lennie. Ez általában megvalósítható egy rezgőkör alkalmazásával, amely mágneses (L) ill. elektromos (C) „energiatároló” elemekből épül fel és 180o-os fázistolást biztosít. a) Fázisfeltétel Aktív elem (pl. tranzisztor) és hangolt kör alkalmazásával az aktív elem bemenetére azonos fázisban kell visszavezetni a kimenő jelet (pozitív visszacsatolás). b) Amplitúdó (erősítési) feltétel A helyes fázisban visszacsatolt jelnek akkorának kell lennie, hogy folyamatos rezgés keletkezzék. Ha a visszacsatolt jel túl kicsi, lecsengő rezgést kapunk (pl. a tápfeszültség bekapcsolása után), ha viszont túl nagy, akkor az aktív elem túlvezérlését eredményezheti. Az amplitúdót úgy kell stabilizálni, hogy teljesüljön az
A*ß=1 feltétel, ahol A az aktív elem erősítése, ß pedig a visszacsatolási tényező.
4 A MEISSNER-KAPCSOLÁS Az 1. ábrán látható kapcsolás közös emitterkapcsolású tanzisztorának bázisa (bemenet) és kollektora (kimenet) között φ=180o-os fázistolás van. Következésképpen olyan visszacsatoló hálózatra van szükség, amelynek fázistolása ugyancsak 180o, így elérhető, hogy az eredő fázistolás φe=0o legyen. A megfelelő fázisviszonyokat a rezgőkörtől galvanikusan elválasztott csatolókör eredményezi. A torzítatlan és lehetőleg konstans amplitudójú rezgést az adott frekvenciatartományban a báziskörben alkalmazott RC tag, a munkapontbeállító elemek és az emitterkörben alkalmazott negatív visszacsatoló hálózat biztosítják.
0. ábra Meissner-oszcillátor közös emitterkapcsolású tranzisztorral A visszacsatoló lánc 2,2kΩ-os ellenállása a tranzisztor bemeneti kapacitásával aluláteresztő szűrőt képez, amely a frekvencia növekedésével a visszacsatolt jel növekedése ellen dolgozik. A 2. ábrán látható áramkör esetén – mivel a közös bázisú kapcsolás fázistolása φ=0o – a csatoló tekercset úgy kell bekötni, hogy az eredő fázistolás ismét 0o legyen. A bázis váltakozó áramú szempontból földpotenciálon van. A visszacsatoló hálózat az emitterkörbe adja a jelet.
2. ábra Meissner-oszcillátor közös bázisú kapcsolásban A HARTLEY-KAPCSOLÁS A 3. ábrán látható Hartley oszcillátor a Meissner oszcillátor változata. A transzformátor auto-transzformátorként működik, ugyanis a két tekercs galvanikus kapcsolatban van. A két tekercs közös pontja váltakozóáramúlag földpotenciálon van, a tekercsek végpontjai között a fázistolás φ1=180o. A visszacsatolt jel egy közös emitter- vagy báziskapcsolású tranzisztort
5 vezérel (φ1+φ2=360o ill. φeredő=0o). A munkapont-beállítás és a negatív visszacsatolás megegyezik az 1. ábrán látható megoldáséval.
3. ábra Hartley-oszcillátor Hátránya: a hangoló kondenzátor mindkét kivezetésén nagyfrekvenciás jel van, így a tengelyének szigeteltnek kell lennie a kézkapacitás okozta elhangolódás elkerülése érdekében. A COLPITTS-KAPCSOLÁS A 4. ábrán látható Colpitts-oszcillátor a Hartley-oszcillátor változata: a rezgőkör kapacitív osztón keresztül csatlakozik a nullpontra. Innen adódik a „kapacitív hárompontkapcsolás” elnevezés.
4. ábra Colpitts-oszcillátor A Hartley-oszcillátornál említett hátrányt a közös bázisú kapcsolás alkalmazása küszöböli ki.
6
3. Kapcsolási rajzok
5. ábra Meissner-oszcillátor közös emitterkapcsolású tranzisztorral
7
6. ábra Meissner–oszcillátor közös bázisú kapcsolásban
8
7. ábra. Hartley-oszcillátor
9
8. ábra Colpitts-oszcillátor
10
4. Mérési feladatok 0.
Építse fel a Meissner-oszcillátort közös emitterkapcsolású tranzisztorral (1. ill. 5. ábra). Állítsa a ΔC1 forgókondenzátort jobb szélső, a ΔC2-t pedig középállásba! Állítsa a munkapontbeállító potenciométert a skála 3. osztására, a visszacsatoló potenciométert az 1,5-ös osztásra! Csatlakoztassa az oszcilloszkópot a kollektorpontra! A frekvencia meghatározása: Adjon a generátorból U1=50mVeff jelet a bázisra. Hangolja be a generátort, hogy a kollektoron maximális nagyfrekvenciás jel lépjen fel, és olvassa ezt a frekvenciát!
0.
Határozza meg az oszcilloszkóp segítségével a fáziseltolást (φu1,u2)! (Figyelem: a behangolás akkor jó, ha φu1,u2 pontosan 180o!) Csatlakoztassa az oszcilloszkóp Y1 csatornáját a csatolótekercs kimenetére. Határozza meg az φu1,u3 fázistolás értékét! A mérőfej mintegy 10pF-os kapacitása miatt a rezgőkört újból be kell hangolni! Ha a φu1,u3≠0, fordítsa meg a csatolótekercs bekötését!
0.
Távolítsa el a generátort a bemenetről, zárja rövidre a visszacsatoló ellenállást (2,2kΩ) és állítsa a visszacsatoló potenciométert a 2. osztásra! Mérje meg a feszültséget a bázison és a kollektoron, majd határozza meg A és ß értékét (A*ß=1)!
0.
Forgassa lassan a ΔC1 forgókondenzátort a baloldali végállásáig! Mi figyelhető meg? Állítsa a visszacsatoló potenciométert ismét az 1,5-ös osztásra és szüntesse meg a 2,2kΩ-os ellenállás rövidrezárását! A hangoló kondenzátort újból átforgatva figyelje meg a kollektorfeszültséget (a hasznos jelet)! Kísérelje meg a munkapontbeállítás változtatásával stabilizálni az amplitúdót! Mekkora az elért ΔU amplitúdóingadozás (dB-ben)? Határozza meg a sávhatárok frekvenciáját!
0.
Építse fel a Meissner-oszcillátort közös bázisú kapcsolásban (2. ill. 6. ábra)! A munkapont-beállító és a visszacsatoló potenciométer egyaránt az 1. osztáson legyen. Ügyeljen arra, hogy a csatolótekercs bekötését meg kell fordítani. A kimenetre oszcilloszkópot kapcsolva optimalizálja a munkapont-beállítást és a visszacsatolást az amplitúdóstabilitás és a torzítás szempontjából! Határozza meg ismét U2, U3, és φu2,u3 értékét, valamint a ΔU amplitúdó-ingadozást és a sávhatárokat!
0.
Építse fel az induktív hárompont-kapcsolást (Hartley) a 3. ill. 7. ábra szerint! A munkapontbeállító potenciométert állítsa a 2,5-ös osztásra, a visszacsatolást pedig a 0,5-ös osztásra! Határozza meg ismét az 5. pont szerinti jellemzőket! Értékelje az eredményeket!
0.
Építse fel a Colpitts-kapcsolást a 4. ill. a 8. ábra szerint! Állítsa a munkapontbeállító potenciométert az 1. osztásra! Határozza meg ismét az 5. pont szerinti jellemzőket! Értékelje az eredményeket!
