ÓBUDAI EGYETEM Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar Híradástechnika Intézet
Négyszög - Háromszög Oszcillátor Mérése Mérési Útmutató
A mérést végezte:
A mérés időpontja:
Neptun kód:
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: fo = 1/2ΠRC ahol fo R C
az oszcillátor frekvenciája Hz-ben, a visszacsatoló ellenállás (VAR7) Ohm-ban, 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 T
a frekvencia, Hz-ben, a periódusidő.
Az impulzus időtartamának és a periódusidőnek az arányát kitöltési tényezőnek nevezzük: DC = (PD/T)*100, % ahol
DC PD T
a kitöltési tényező (Duty Cycle) %-ban, az impulzus időtartam (Pulse Duration), 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
2
Ah = Af/n
összefüggés szerint számíthatók, ahol Af 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
