Teoretický úvod Zesilovač je aktivní dvojbran, který tedy zesiluje vstupní signál. Pokud zesilovač zesiluje pouze úzký úsek frekvence, nazývá se tento zesilovač výběrový, neboli selektivní (chová se tedy jako aktivní pásmová propust). Nejčastěji bývá realizován jako tranzistorový zesilovač s použitím reaktančních prvků (kondenzátory nebo cívky) místo frekvenčně nezávislých rezistorů.
Obrázek č. 1 : Typická frekvenční přenosová charakteristika selektivního zesilovače (FPCH) Oscilátor je zařízení, kde se cyklicky opakují stavy maxima a minima některé veličiny. V elektrotechnice se většinou jedná o napětí nebo proud. Oscilátorů existuje spousta, avšak většinou se používá harmonický (sinusový) oscilátor, který se dalšími obvody (tzv. tvarovače signálu) poměrně snadno tvaruje na další průběhy (trojúhelník, obdélník, ...). Dříve patřil mezi nejrozšířenější LC nebo RLC oscilátor, dnes se však téměř nepoužívá, především kvůli negativním vlastnostem cívek (velký ztrátový činitel, náchylná na rušení - i ho sama vytváří, velké rozměry, …). Zpravidla bývá nahrazován zapojením zesilovač “zeslabovač“ (obvykle frekvenční filtr), nebo digitálním.
Obrázek č. 2 : Blokové schéma oscilátoru Aby oscilátor osciloval je třeba splnit základní, tzv. oscilační podmínky:
A =A . β=1 U
zesilovač musí zesílit pouze tolikrát, amplitudová kolikrát „zeslabovač“ zeslabí
fázová
Celkový fázový posuv celého oscilátoru musí být roven 0 (přesněji 0 + k . 360°)
U
1 AU =3 . =1 3 = AU =0 +k . 360°
=180 −180 =0 °
Při vysokém AU napětí poroste až do saturace, při nízkém pak bude klesat, až bude nulové. Pokud bude celkový fázový posuv nenulový, napětí se bude fázově posunovat – změní se frekvence
Jedním ze základních měřených parametrů oscilátoru patří kromě frekvence a výstupního napětí také stabilita frekvence. Ta udává, jak moc se bude měnit výstupní frekvence oscilátoru, nejčastěji v závislosti na čase (Herz na uplynulý čas) a teplotě (Herz na Kelvin). U oscilátorů v přesných laboratorních generátorech funkcí se obvykle pohybuje od 10 -9 Hz / rok a 10-9 Hz / K a 10-3 Hz / rok a 10-3 Hz / K u méně přesných generátorů. Frekvenční stabilita se určuje tak, že se postupně v čase nebo při měnící se teplotě odečítají různé hodnoty frekvence, rozdíl mezi nejnižší a nejvyšší se označuje jako Δf. Frekvenční stabilita se poté vyjadřuje buďto absolutně
f t= f [
Hz ; Hz] t
(kde t je čas nebo teplota pro které bylo měření prováděno) nebo relativně vztaženo na frekvenci oscilátoru f0
f f = [−; Hz , Hz] f f0
Schéma Schéma č. 1 : Navržené schéma pro měření FPCH selektivního zesilovače
Jméno: JAŠEK Martin
Třída: T4
Číslo projektu: 101-4R
List: 2/6
Schéma č. 2 : Navržené schéma pro měření budící charakteristiky zesilovače
Schéma č. 3 : Navržené schéma pro měření Schéma č. 4: Schéma modulu Zesilovače-oscilátoru: parametrů oscilátoru časové stability oscilátoru MP je milivoltmetr pro měření napětí nebo čítač pro měření frekvence
Tabulka použitých přístrojů Označení v zapojení
Z G MP OSC mV1 mV2, MP
Přístroj
Typ
Evidenční číslo
Poznámka
ss zdroj
BK 127
-
0 až 20V / 100mA až 1A, 23°C
funkční generátor
GFG-2002C
0218
2Hz až 4MHz, UMIN = 50mV
čítač
U2000
0179b
ZV=1MΩ,100MHz až 2GHz, ±1%
osciloskop
GOS-620
10-1320/01
nf miliVoltmetr
BN579
0210c
nf miliVoltmetr
NV 2.85
135
přesnost 3%, fMAX =100MHz ZV=1MΩ RV=1MΩ, chyby pro použité rozsahy: 100mV, 300mV : 3%, 1V, 3V, 10V : 4% RV=1MΩ, chyby pro použité rozsahy: 100mV, 300mV,1V, 3V, 10V : 2,5%
Postup měření 1.
2.
3.
Seznámení se s modulem zesilovače - oscilátoru:
• • •
Nejdříve jsme si nakreslili schéma zapojení modulu. Poté jsme se obeznámili se svorkami a vývody - vstup, výstup, napájení. Na závěr jsme se dle schématu seznámili s funkcemi potenciometrů P1 a P2 a spínače SP.
Příprava na měření zesilovače:
• • •
Použitím voltmetru V1 jsme nastavili vstupní napětí U1 = 1V.
• •
Postupným regulováním frekvence jsme přibližně nalezli f 0.
Dle zadání a schématu jsme nastavili hodnoty potenciometrů P1 a P2. Poté jsme připojili voltmetr V1 na výstup zesilovače spolu s kanálem B osciloskopu. Na vstup jsme připojili generátor G a kanál A osciloskopu. Přesným měřením jsme jej pak nalezli přesně.
Měření FPCH zesilovače:
• • •
Na generátoru jsme si nastavili nejnižší frekvenci. Ve vhodných krocích jsme zvyšovali frekvenci a odečítali odpovídající výstupní napětí. Poté jsme vypočítali procentní chyby měření a velikost napěťového přenosu zesilovače AU.
Jméno: JAŠEK Martin
Třída: T4
Číslo projektu: 101-4R
List: 3/6
4.
5.
6.
Měření budící charakteristiky zesilovače:
• • • •
Na vstup jsme připojili voltmetr V2.
•
Měření jsme ukončili ve chvíli, kdy zesilovač přestal zesilovat.
Velikost výstupního napětí jsme stáhli na minimum a zapnuli režim ATT-20dB. Postupně jsme zvyšovali vstupní napětí generátoru a zapisovali hodnotu vstupního a výstupního napětí. Jakmile jsme dosáhli maxima vypnuli režim ATT-20dB, nastavili poslední měřené vstupní napětí a pokračovali v měření.
Měření oscilátoru.
• • •
Odpojili jsme vstup modulu a propojili výstup se vstupem – sepnutím spínače SP. Čítačem jsme změřili frekvenci, multimetrem efektivní hodnotu napětí. Zbývající parametry jsme určili osciloskopem.
Měření časové stability oscilátoru:
• • •
Hodnotu frekvence v čase 0 máme změřenou v předchozím bodě. Poté jsme v intervalech 1 minuta odečítali změřené hodnoty frekvence. Na závěr jsme spočítali frekvenční časovou stabilitu frekvence.
Tabulky naměřených a vypočítaných hodnot Tabulka č. 2 : FPCH selektivního zesilovače pro U1=1V, P1=11 a P2=6
f [kHz] U2 [V] δ U 2 [%] 1,0 1,05 ± 11,43 % 1,1 1,43 ± 8,39 % 1,2 2,30 ± 5,22 % 1,25 2,59 ± 4,63 % 1,30 2,94 ± 4,08 % 1,35 3,15 ± 12,70 % 1,38 3,30 ± 12,12 % 1,40 3,25 ± 12,31 % 1,45 3,12 ± 12,82 % 1,5 3,02 ± 13,25 % 1,6 2,96 ± 4,05 % 1,7 2,69 ± 4,46 % 1,8 2,30 ± 5,22 % 1,9 1,81 ± 6,63 % 2,0 1,47 ± 8,16 % 2,1 1,24 ± 9,68 % 2,3 0,66 ± 6,06 %
AU [-] 1,05 1,43 2,30 2,59 2,94 3,15 3,30 3,25 3,12 3,02 2,96 2,69 2,30 1,81 1,47 1,24 0,66
f0
. Tabulka č. 3: Budicí charakteristika selektivního zesilovače pro f=f0, P1=11 a P2=6
U1 [V] 0,05 0,1 0,25 0,5 1 2
δ U1 [%] U2 [V] ± 6,00 % 0,32 ± 3,00 % 0,84 ± 3,60 % 2,52 ± 8,00 % 2,98 ± 4,00 % 3,10 ± 6,00 % 3,15
δ U2 [%] ± 7,81 % ± 2,98 % ± 2,98 % ± 2,52 % ± 8,06 % ± 7,94 %
Tabulka č. 4: Změřené parametry oscilátoru pro kritický bod P1=8 a P2=6
frekvence
fOSC
[kHz]
perioda
TOSC
[μs]
710
šířka pásma
B
[Hz]
540
efektivní
UOSC EF
[V]
3,2
střední
UOSC STŘ
[V]
0
špička - špička
UOSC PP
[V]
9,0
výstupní napětí
1,4110
Tabulka č. 5: Měření časové stability frekvence oscilátoru
t [min]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
f [kHz]
1,4110
1,4111
1,4111
1,4117
1,4112
1,4111
1,4112
1,4112
1,4112
1,4112
1,4113
Vzor výpočtu Výpočet č. 1 : Výpočet napěťového přenosu selektivního zesilovače:
AU =
U 2 1,05 = =1,05 U1 1
Výpočet č. 2 : Určení šířky pásma selektivního zesilovače (-3dB):
B= f H − f H =1,76−1,22=540 Hz
Jméno: JAŠEK Martin
Třída: T4
Číslo projektu: 101-4R
List: 4/6
Výpočet č. 3 : Výpočet procentní chyby měření milivoltmetrem mV1:
M=
MR 3 .TP= . 4=±11,429 UM 1,05
Výpočet č. 4 : Výpočet časové stability frekvence:
Δf Δf 1,4117−1,4110 = = =4,961 . 10− 2 % f f0 1,4110
Grafy Graf č. 1 : FPCH selektivního zesilovače: 3,50 3,00 70,7% -3dB
2,50
B
Au [V]
2,00 1,50 1,00 0,50 fD
0,00 0,8
1,0
1,2
f0
fH
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
f [kHz] Graf č. 2 : Budící charakteristika selektivního zesilovače: 3,5 3
U2 [V]
2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
U1 [V]
Jméno: JAŠEK Martin
Třída: T4
Číslo projektu: 101-4R
List: 5/6
Graf č. 3: Časová stabilita oscilátoru: 1,4118 1,4116
f [kHz]
1,4114 1,4112
f0 1,4110 1,4108 1,4106 0
2
4
6
8
10
12
t [min]
Závěr Chyby měřících přístrojů
1.
2.
Chyba měření milivoltmetry: Při měření byly použity nf milivoltmery, takže s frekvencí by neměl být problém. Při pohledu do tabulek č. 2 (FPCH) a č. 4 (budící charakteristika) je patrné, že odchylky měření dosahují velice velkých hodnot. Příkladem toho je graf. č. 1 (FPCH) – těsně nad hodnotou 3V, kde je odchylka měření největší (kolem 13% - měřeno bylo na rozsahu 10V) je v grafu znatelný v okolí frekvence 1,5 kHz pozorovatelný ohyb způsobený právě vysokou chybou. Chyba měření čítačem: Frekvence oscilátoru byla měřena čítačem aby byla dosažena maximální přesnost. Měřeno bylo pouze na nejpřesnějším rozsahu (10S), takže by měla být dosažena vysoká přesnost.
Zhodnocení
1. 2.
3.
FPCH selektivního zesilovače (Tabulka č. 2 a graf. č. 1): Z grafu je jasná činnost zesilovače – kromě toho, že zesiluje také filtruje vybrané frekvence, dané jeho šířkou pásma. Křivka je mírně zkreslena vlivem vysoké odchylky měření (viz chyba měření milivoltmetry). Budící charakteristika selektivního zesilovače (Tabulka č. 3 a graf. č. 2): Z Charakteristiky vyplývá, že pracovní oblast selektivního zesilovače je od 0,3 V dolů. Tedy při vstupním napětí vyšším než 0,3V se zesilovač dostává saturace, zesílení je nelineární a zesilovač zkresluje. Dolní mez zesilovače se nám nepodařilo změřit,neboť minimální výstupní napětí generátoru je 50mV. Časové stability frekvenčního generátoru (Tabulka č. 5 a graf. č.3 ): Z grafu lze odvodit, že frekvence by pravděpodobně rostla. Víceméně je však předpokladatelné, že kolísání frekvence je způsobeno především mechanickými vlivy zevnějšku – posunování modulu po stole, ohýbání vodičů a podob.
Jméno: JAŠEK Martin
Třída: T4
Číslo projektu: 101-4R
List: 6/6
