Jelgenerátorok ELEKTRONIKA_2

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

∆v ∆t

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

UTÁP  a

– UBE – a bemeneti feszültség – UTÁP – a tápfeszültség – a – a feszültségerősítési tényező

• Minél nagyobb a feszültségerősítési tényező, annál kisebb bemeneti jelel lehet az erősítőt túlvezérelni. 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 TÁP , ha U BE  0 + U KI   0, ha U BE  0 UBE

V-

_

UKI

U BE  V    V   U KI

2012.04.25.

Dr.

Buchman Attila

U TÁP , ha V    V    0, ha V    V   11

Non-invertáló komparátor • V+ az aktuális bemeneti jel, VBE • V- egy állandó küszöbfeszültség, VK • A kimeneten akkor mérünk feszültséget ha VBE > VK VBE

VK

2012.04.25.

+ _

U KI

 H , ha VBE  VK   L, ha VBE  VK

UKI

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

+

VBE

_

2012.04.25.

U KI

 H , ha VBE  VK   L, ha VBE  VK

UKI

Dr.

Buchman Attila

13

Komparálási görbe • Ha a bemeneti feszültség a küszöbfeszültségtől jóval eltér a kimenet L vagy H állapota stabil. • Ha viszont VBE≈VK, akkor a kimenet VBE állapota nem stabilis.

UKI H

L VK

2012.04.25.

Dr.

Buchman Attila

14

Visszacsatolt komparátor • A visszacsatolás pozitív. • A küszöbfeszültség a kimenet aktuális állapotától függ. R2 R1 VK  VREF   U KI R1  R2 R1  R2

VREF

R1 +

R2

VK

VBE 2012.04.25.

UKI

_ Dr.

Buchman Attila

15

Hiszterézises komparálási görbe VK 

UKI H

R2 R1  VREF   U KI R1  R 2 R1  R 2

ha U KI

R2  L  0  VK   VREF  VKL R1  R 2

ha U KI  H  U TÁP  VK  VKL 

R1  U TÁP  VKH R1  R 2

L VBE

VKL VKH 2012.04.25.

Dr.

Buchman Attila

16

Alkalmazási példa: négyszögjel generátor

Példaként:

R1  R2  R  20k

C  1F

  0.5 1   ln    ln(3)  1,1 1     T  2,2 RC  44ms  f  2012.04.25.

Dr.

Buchman Attila

1  22,7 Hz T

17

Működés szimulálása (TINA) 4.00

T

Out1 kimenet -4.00 2.00

+ be

VP_4

-2.00 2.00

- be

VP_5

-2.00 0.00

2012.04.25.

2.50m

Dr.

5.00m Time (s)

Buchman Attila

7.50m

10.00m

18

Működési elv (1) 1.

2.

3.

2012.04.25.

Dr.

Az áramkor bekapcsolásakor a két bemenet csak véletlenül és átmenetileg lehet egyforma potenciálú. Mindig létezik zaj tehát V2≠V1 Legyen V2>V1 a bekapcsolás utáni állapot

Buchman Attila

19

Működési elv (2) 4.

5.

6.

2012.04.25.

Dr.

V2>V1 a kimenet növekedését eredményezi. A pozitív visszacsatolás hatására V2 a kimenettel arányosan növekszik. V1 növekedését a kondenzátor késlelteti.

Buchman Attila

20

Működési elv (3) 7.

8.

9.

2012.04.25.

Dr.

V2 gyorsabban emelkedik mint V1 → Vout eléri a pozitív telítési szintjét (Vout=V+). Ha Vout nem növekszik akkor V2 sem (V2=λ·V+). C viszont továbbra is töltődik tehát V1 növekszik.

Buchman Attila

21

Működési elv (4) 10. 11.

12.

13.

2012.04.25.

Dr.

Egy idő múlva V1>V2 Következés képen Vout csökken Ez V2 csökkenését eredményezi Ehhez képest V1 csökkenését a C késlelteti

Buchman Attila

22

Működési elv (5) 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
2012.04.25.





Háromszögjel generátor C

Négyszögjel + integrátor 2012.04.25.

Dr.

Buchman Attila

24

Működési elv

I C

dU C dt

U C  V0 I 

V R

dV0 V   álandó dt RC tehát V0  háromszögjel 2012.04.25.

Dr.

Buchman Attila

25

Szimuláció 3.00

T

Out1

• Integrátor ki -2.00 4.00

VP_7

-4.00

• Integrátor be 0.00

2012.04.25.

2.50m

5.00m Time (s)

Dr.

Buchman Attila

7.50m

10.00m

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

j

• A komplex mennyiség mert az erősítés általában fáziseltolással is jár. • Β komplex mennyiség mert a visszacsatoló hálózatban frekvenciafüggő elemeket alkalmazunk

   e j  A   1 A  1       0

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

1 f0  2RC 2012.04.25.

Dr.

Buchman Attila

34

Visszacsatoló hálózat átviteli függvénye amplitudó

0,333

fázis

0

2012.04.25.

Dr.

f0

Buchman Attila

35

Következtetés

• Az amplitúdó feltétel teljesítéséhez minimum háromszoros erősítés szükséges. RB A  1 3 RA

• A fázis feltétel teljesítéséhez egy non invertáló erősítő kell. 2012.04.25.

Dr.

Buchman Attila

36

Párhuzamos LC oszcillátor működési elve 1 • f0 frekvencián az f0  ideális LC rezgőkőr 2 LC impedanciája végtelenül nagy és fáziseltolása 0. • A fázis feltétel teljesítéséhez egy non invertáló erősítő szükséges. • Az erősítési tényező RB A  1 1 RA 2012.04.25.

Dr.

Buchman Attila

Noninvertáló erősítő 37

Soros LC oszcillátor működési elve 1 • f0 frekvencián az f0  ideális soros LC 2 LC rezgőkőr impedanciája és fáziseltolása egyaránt 0. • A fázis feltétel teljesítéséhez egy non invertáló erősítő szükséges. • Az erősítési tényező RB A  1 1 RA 2012.04.25. Dr. Buchman Attila 



Noninvertáló erősítő 38

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

2012.04.25.

• Párhuzamos rezonancia frekvencián működő kvarcoszcillátor

Dr.

Buchman Attila

41

Köszönöm a figyelmet !

2012.04.25.

42