LABORATORIUM Z PODSTAWOWYCH UKàADÓW ELEKTRYCZNYCH KL-210
ROZDZIAŁ 12 ZASTOSOWANIA WZMACNIACZA OPERACYJNEGO
ROZDZIAŁ 13 KOMPARATORY I OSCYLATORY ZE WZMACNIACZEM OPERACYJNYM
MODUŁY: KL-22001 KL-25008 KL-25009
Spis treĞci Rozdziaá 12 Zastosowania wzmacniacza operacyjnego ûwiczenie 12-1 Filtr górnoprzepustowy aktywny…………………………………………….. 3 ûwiczenie 12-2 Filtr dolnoprzepustowy aktywny…………………………………………….. 7 ûwiczenie 12-3 Filtr pasmowy aktywny………………………………………………………..11 ûwiczenie 12-4 Ukáad regulacji barwy dĨwiĊku……………………………………………… 16
Rozdziaá 13 Komparatory i oscylatory ze wzmacniaczem operacyjnym ûwiczenie 13-1 Komparatory……………………………………………………………………21 24 A. Komparator zera………………………………………………………………………… B. Komparator z polaryzacją wstĊpną……………………………………………………25 ûwiczenie 13-2 Przerzutnik Schmitta………………………………………………………… 28 ûwiczenie 13-3 Komparator okienkowy……………………………………………………… 32 ûwiczenie 13-4 Przerzutnik monostabilny…………………………………………………… 36 ûwiczenie 13-5 Przerzutnik astabilny (multiwibrator)…………………………………….… 40 A. Generator sygnaáu prostokątnego…………………………………………………… 42 43 B. Generator impulsowy…………………………………………………………………… ûwiczenie 13-6 Oscylator sygnaáu sinusoidalnego…………………………………………. 46 A. Oscylator z przesuwnikiem fazowym RC…………………………………………… 49 B. Oscylator z mostkiem Wiena………………………………………………………….50
2
Rozdziaá 12 Zastosowania wzmacniacza operacyjnego ûwiczenie 12-1 Filtr górnoprzepustowy aktywny PRZEDMIOT ûWICZENIA 1. Poznanie zasady dziaáania filtru górnoprzepustowego aktywnego. 2. Wyznaczenie charakterystyki przenoszenia filtru górnoprzepustowego aktywnego. DYSKUSJA Ukáad filtru górnoprzepustowego aktywnego przedstawiono na rys. 12-1-1, w którym napiĊcie wyjĞciowe Vo jest pobierane z dwóch wyprowadzeĔ rezystora R, i
Rys. 12-1-1 Filtr górnoprzepustowy aktywny
Z równania 12-1-1 wynika, Īe im mniejsza wartoĞü reaktancji Xc, tym wiĊksze napiĊcie wyjĞciowe Vo. Ze wzglĊdu na to, Īe reaktancja Xc = 1/(2 S f C) oraz, Īe im wiĊksza jest czĊstotliwoĞü f, tym mniejsza jest reaktancja Xc; to w górnym zakresie czĊstotliwoĞci moĪna uzyskaü wiĊksze napiĊcie wyjĞciowe. Na rys. 12-1-2(a) przedstawiono ukáad filtru górnoprzepustowego aktywnego skáadającego siĊ z górnoprzepustowego obwodu pasywnego oraz wzmacniacza operacyjnego. CharakterystykĊ przenoszenia tego filtru przedstawiono na rys. 12-1-2(b).
3
(a) Filtr górnoprzepustowy
(b) Charakterystyka przenoszenia
Rys. 12-1-2 Filtr górnoprzepustowy aktywny Jak przedstawiono na rys. 12-1-2(a), wtórnik napiĊciowy o wzmocnieniu Av =1 zbudowany ze wzmacniaczem operacyjnym i rezystorem R3 zapewnia obciąĪenie o duĪej impedancji dla obwodu filtru górnoprzepustowego. Obwody zbudowane z elementów CR2 i CR1 tworzą dwa stopnie ukáadu filtru górnoprzepustowego. CzĊstotliwoĞü odciĊcia nazywaną teĪ dolną czĊstotliwoĞcią spadku 3-decybelowego fL filtru górnoprzepustowego moĪna obliczyü z poniĪszych wzorów:
NIEZBĉDNY SPRZĉT LABORATORYJNY 1. KL-22001 – podstawowy moduá edukacyjny z laboratorium ukáadów elektrycznych 2. KL-25008 – moduá ukáadu wzmacniacza operacyjnego (3) 3. Oscyloskop
PROCEDURA 1. Ustawiü moduá KL-25008 na module KL-22001 (moduá edukacyjny laboratorium z podstawowych ukáadów elektrycznych), poczym zlokalizowaü blok a. Wykonaü poáączenia, posáugując siĊ ukáadem pomiarowym przedstawionym na rys. 12-1-3 i schematem montaĪowym przedstawionym na rysunku 12-1-4. Do moduáu KL-25008 doprowadziü napiĊcia staáe +12 V i -12 V z zasilacza o napiĊciu ustawionym na staáe znajdującego siĊ w module KL-22001.
4
2. Do wyprowadzeĔ wejĞciowych IN2 (Vi) doprowadziü z generatora funkcyjnego znajdującego siĊ w module KL-22001 sygnaá sinusoidalny o napiĊciu miĊdzyszczytowym 5 Vp-p. Doáączyü wejĞcie oscyloskopu do wyprowadzeĔ wyjĞciowych OUT1 (TP4). 3. Ustawiając kolejno czĊstotliwoĞci z zakresu od 10 Hz do 15 kHz podane w tablicy 12-1-1, zmierzyü i zapisaü w tablicy 12-1-1 napiĊcia wyjĞciowe Vo odpowiadające ustawianym czĊstotliwoĞciom. 4. Obliczyü wzmocnienie napiĊciowe ze wzoru Av = Vo/Vi i wypeániü tablicĊ 12-1-1. 5. WykreĞliü na rys. 12-1-5 charakterystykĊ przenoszenia filtru górnoprzepustowego aktywnego i zaznaczyü na niej dolną czĊstotliwoĞü 3-decybelowego spadku fL.
Rys. 12-1-3 Filtr górnoprzepustowy aktywny
5
Rys. 12-1-4 Schemat montaĪowy (moduá KL-25008 blok a)
Rys. 12-1-5
PODSUMOWANIE Filtr górnoprzepustowy moĪe przepuszczaü tylko te sygnaáy, których czĊstotliwoĞü jest wiĊksza od dolnej czĊstotliwoĞci 3-decybelowego spadku tego filtru.
6
ûwiczenie 12-2 Filtr dolnoprzepustowy aktywny
PRZEDMIOT ûWICZENIA 1. Poznanie zasady dziaáania filtru dolnoprzepustowego aktywnego. 2. Wyznaczenie charakterystyki przenoszenia filtru dolnoprzepustowego aktywnego. DYSKUSJA Ukáad filtru dolnoprzepustowego aktywnego przedstawiono na rys. 12-2-1, w którym napiĊcie wyjĞciowe Vo jest pobierane z dwóch wyprowadzeĔ kondensatora C, i
Rys. 12-2-1 Filtr dolnoprzepustowy aktywny
Z równania 12-2-1 moĪna wywnioskowaü, Īe im wiĊksza reaktancja Xc, tym wiĊksze napiĊcie wyjĞciowe Vo. PoniewaĪ reaktancja Xc = 1(2 S f C), zatem im mniejsza czĊstotliwoĞü, tym wiĊksza reaktancja Xc i tym wiĊksze napiĊcie wyjĞciowe w dolnym zakresie czĊstotliwoĞci. Na rys. 12-2-2(a) przedstawiono filtr dolnoprzepustowy aktywny zawierający wzmacniacz operacyjny, a na rys. 12-2-2b charakterystykĊ przenoszenia ukáadu filtru dolnoprzepustowego.
7
(a) Filtr dolnoprzepustowy
(b) Charakterystyka przenoszenia
Rys. 12-2-2 Filtr dolnoprzepustowy aktywny CzĊstotliwoĞü odciĊcia nazywaną teĪ górną czĊstotliwoĞcią spadku 3-decybelowego fH moĪna obliczyü ze wzoru: fH = 1(2 S R C1). Jak przedstawiono na rys. 12-2-2(a), wtórnik napiĊciowy o wzmocnieniu Av =1 zbudowany ze wzmacniaczem operacyjnym i rezystorem R1 zapewnia obciąĪenie o duĪej impedancji dla obwodu filtru dolnoprzepustowego. Obwody RC2 i RC1 tworzą ukáadu filtr dolnoprzepustowy drugiego rzĊdu.
NIEZBĉDNY SPRZĉT LABORATORYJNY 1. KL-22001 – podstawowy moduá edukacyjny z laboratorium ukáadów elektrycznych 2. KL-25008 – moduá ukáadu wzmacniacza operacyjnego (3) 3. Oscyloskop
PROCEDURA 1. Ustawiü moduá KL-25008 na module KL-22001 (moduá edukacyjny laboratorium z podstawowych ukáadów elektrycznych), poczym zlokalizowaü blok a. Wykonaü poáączenia, posáugując siĊ ukáadem pomiarowym przedstawionym na rys. 12-2-3 i schematem montaĪowym przedstawionym na rysunku 12-2-4. Do moduáu KL-25008 doprowadziü napiĊcia staáe +12 V i -12 V z zasilacza o napiĊciu ustawionym na staáe znajdującego siĊ w module KL-22001. 2. Do wyprowadzeĔ wejĞciowych IN3 (Vi) doprowadziü z generatora funkcyjnego znajdującego siĊ w module KL-22001 sygnaá sinusoidalny o napiĊciu miĊdzyszczytowym 5 Vp-p. Doáączyü wejĞcie oscyloskopu do wyprowadzeĔ wyjĞciowych OUT1 (TP4).
8
3. Ustawiając kolejno czĊstotliwoĞci z zakresu od 10 Hz do 15 kHz podane w tablicy 12-2-1, zmierzyü i zapisaü w tablicy 12-2-1 napiĊcia wyjĞciowe Vo odpowiadające ustawianym czĊstotliwoĞciom. 4. Obliczyü wzmocnienie napiĊciowe ze wzoru Av = Vo/Vi i wypeániü tablicĊ 12-2-1. 5. WykreĞliü na rys. 12-2-5 charakterystykĊ przenoszenia filtru dolnoprzepustowego aktywnego i zaznaczyü na niej górną czĊstotliwoĞü 3-decybelowego spadku fH.
Rys. 12-2-3 Filtr dolnoprzepustowy aktywny
9
Rys. 12-2-4 Schemat montaĪowy (moduá KL-25008 blok a)
Rys. 12-2-5
PODSUMOWANIE Filtr dolnoprzepustowy moĪe przepuszczaü tylko te sygnaáy, których czĊstotliwoĞü jest mniejsza od górnej czĊstotliwoĞci 3-decybelowego spadku tego filtru.
10
ûwiczenie 12-3 Filtr pasmowy aktywny
PRZEDMIOT ûWICZENIA 1. Poznanie zasady dziaáania filtru pasmowego aktywnego. 2. Wyznaczenie charakterystyki przenoszenia filtru pasmowego aktywnego. DYSKUSJA Jak przedstawiono na rys. 12-3-1, sygnaáy wejĞciowe o maáych i duĪych czĊstotliwoĞciach są po przejĞciu przez ukáad górnoprzepustowy i odpowiednio przez ukáad dolnoprzepustowy táumione, podczas, gdy jedynie sygnaá, którego czĊstotliwoĞü mieĞci siĊ w zakresie czĊstotliwoĞci Ğrednich (wyspecyfikowanym jako zakres przepuszczania filtru) pozostanie niestáumiony i pojawia siĊ na wyjĞciu filtru.
Rys. 12-3-1 Schemat blokowy filtru pasmowego Na rys. 12-3-2 przedstawiono praktyczny ukáad filtru pasmowego (Ğrodkowoprzepustowego) aktywnego skonstruowanego przy uĪyciu wzmacniaczy operacyjnych i odpowiednich zewnĊtrznych elementów biernych.
Rys. 12-3-2 Filtr pasmowy aktywny
11
Zgodzie z rysunkiem 12-3-2 Av1 = Zf1/Z1 i Av2 = -Zf2/Z2. Na rys. 12-3-3 przedstawiono obwody RC tworzące impedancje Z1 i Z2.
Rys. 12-3-3 Obwody tworzące impedancje Z1 i Z2 OczywiĞcie impedancja Z1 jest obwodem górnoprzepustowym, a impedancja Z2 - obwodem dolnoprzepustowym. Na rys. 12-3-4 przedstawiono schemat blokowy i charakterystykĊ przenoszenia filtru pasmowego zaporowego, zbudowanego przez poáączenie równolegáe filtru dolnoprzepustowego z filtrem górnoprzepustowym, a nastĊpnie przez doáączenie do wyjĞcia tej konstrukcji wzmacniacza szerokopasmowego. Filtr taki przepuszcza sygnaáy o czĊstotliwoĞciach mniejszych od czĊstotliwoĞci dolnej 3-decybelowego spadku i sygnaáy o czĊstotliwoĞciach wiĊkszych od czĊstotliwoĞci górnej 3-decybelowego spadku.
12-3-4 Filtr pasmowy-zaporowy 12
NIEZBĉDNY SPRZĉT LABORATORYJNY 1. KL-22001 – podstawowy moduá edukacyjny z laboratorium ukáadów elektrycznych 2. KL-25008 – moduá ukáadu wzmacniacza operacyjnego (3) 3. Oscyloskop
PROCEDURA 1. Ustawiü moduá KL-25008 na module KL-22001 (moduá edukacyjny laboratorium z podstawowych ukáadów elektrycznych), poczym zlokalizowaü blok a. Wykonaü poáączenia, posáugując siĊ ukáadem pomiarowym przedstawionym na rys. 12-2-5 i schematem montaĪowym przedstawionym na rysunku 12-3-6. Do moduáu KL-25008 doprowadziü napiĊcia staáe +12 V i -12 V z zasilacza o napiĊciu ustawionym na staáe znajdującego siĊ w module KL-22001. Doáączyü napiĊcie +12 V do wyprowadzenia V+. 2. Do wyprowadzeĔ wejĞciowych IN1 (Vi) doprowadziü z generatora funkcyjnego znajdującego siĊ w module KL-22001 sygnaá sinusoidalny o napiĊciu miĊdzyszczytowym 2 Vp-p. 3. Ustawiając kolejno czĊstotliwoĞci z zakresu od 10 Hz do 15 kHz podane w tablicy 12-3-1, zmierzyü za pomocą oscyloskopu i zapisaü w tablicy 12-3-1 napiĊcia Vo1 na wyjĞciu OUT1 (TP4) i napiĊcia Vo2 na wyjĞciu OUT2 (TP5) odpowiadające ustawianym czĊstotliwoĞciom. 4. Obliczyü wzmocnienie napiĊciowe ze wzoru Av = Vo2/Vi i wypeániü tablicĊ 12-3-1. 5. WykreĞliü na rys. 12-3-7 charakterystykĊ przenoszenia filtru pasmowego aktywnego i zaznaczyü na niej czĊstotliwoĞci 3-decybelowego spadku górna fH i dolną fL.
Tablica 12-3-1
13
Rys. 12-3-5 Filtr pasmowy aktywny
Rys. 12-3-6 Schemat montaĪowy (moduá KL-25008 blok a)
14
Rys. 12-3-7
PODSUMOWANIE Filtr pasmowy moĪe przepuszczaü tylko te sygnaáy, których czĊstotliwoĞü jest wiĊksza od dolnej czĊstotliwoĞci 3-decybelowego spadku i mniejsza od górnej czĊstotliwoĞci 3decybelowego spadku tego filtru.
15
ûwiczenie 12-4 Ukáad regulacji barwy dĨwiĊku PRZEDMIOT ûWICZENIA 1. Poznanie zasady dziaáania ukáadu regulacji barwy dĨwiĊku. 2. Zademonstrowanie efektów regulacji tonów wysokich i niskich w sygnale wyjĞciowym. DYSKUSJA Ukáad regulacji barwy dĨwiĊku jest niezbĊdnym blokiem w ukáadzie kaĪdego wzmacniacza hi-fi. Pozwala on przede wszystkim dostosowaü dĨwiĊk z takiego wzmacniacza do indywidualnych wymagaĔ sáuchacza. NastĊpnym, waĪnym zadaniem ukáadu regulacji barwy dĨwiĊku jest zrównowaĪenie lub skompensowanie znieksztaáceĔ charakterystyki czĊstotliwoĞciowej wzmacniacza spowodowanych przez procesy zapisu lub odtwarzania. Jeszcze innym zadaniem ukáadu regulacji barwy dĨwiĊku jest poprawienie wáasnoĞci akustycznych pomieszczenia. BarwĊ dĨwiĊku moĪna zmieniaü w tak szerokim zakresie czĊstotliwoĞci, aby wzmacniacz mógá wiernie reprodukowaü materiaá nagrany w róĪnych stylach muzycznych. ChociaĪ w handlu są dostĊpne róĪne modele wzmacniaczy, to w kaĪdym z nich ukáad regulacji barwy moĪe byü jednego z dwóch typów tj. z obwodem táumienia RC lub z obwodem ujemnego sprzĊĪenia zwrotnego RC. Ukáad, który zostanie omówiony w tym üwiczeniu przedstawiono na rys. 12-4-1(a). Jest on typu z obwodem ujemnego sprzĊĪenia zwrotnego RC. Ogólnie rzecz biorąc, ukáad ten jest aplikacją wzmacniacza odwracającego. àączy on stopieĔ korekcji barwy dĨwiĊku z obwodem ujemnego sprzĊĪenia zwrotnego i reguluje wielkoĞü ujemnego sprzĊĪenia zwrotnego przez regulacjĊ czĊstotliwoĞci urządzenia sterującego. Wzmocnienie sygnaáu dla danej czĊstotliwoĞci odpowiadającej wiĊkszej wartoĞci ujemnego sprzĊĪenia zwrotnego jest mniejsze. DziĊki temu moĪna speániü zadanie regulacji barwy tonu. Na rys. 12-4-1(b) przedstawiono wzmacniacz odwracający o wzmocnieniu Av = -Rf/R1, w którym wzmocnienie Av zmniejsza siĊ krĊcąc potencjometrem w prawo, co jest równoznaczne ze zmniejszaniem wartoĞci rezystancji Rf. Jak przedstawiono na rys. 12-4-1(c), dwa kondensatory C1 sáuĪące do wyboru czĊstotliwoĞci poáączono z rezystorem nastawnym R2. PoniewaĪ reaktancja Xc1 = 1/(2 S f C) jest w zakresie duĪych czĊstotliwoĞci bardzo maáa, zatem rezystor R2 stanowi prawie zwarcie, a poniewaĪ wzmocnienie Av = -R1/R1 = -1, zatem nie moĪna uzyskaü efektu wzmocnienia. Z drugiej strony w dolnym zakresie czĊstotliwoĞci, w którym reaktancja Xc1 jest bardzo duĪa, moĪna zastosowaü bazowy ukáad regulacji, regulując poáoĪeniem rezystora zmiennego R2 (nastawnego) tak, aby zmieniü stosunek wzmocnienia w zakresie dolnych czĊstotliwoĞci. W zakresie tym 16
moĪna podnieĞü poziom dolnych czĊstotliwoĞci krĊcąc rezystorem nastawnym R2 w lewo, lub stáumiü te czĊstotliwoĞci krĊcąc rezystorem nastawnym R2 w prawo.
Rys. 12-4-1 Ukáady regulacji barwy dĨwiĊku z ujemnym sprzĊĪeniem zwrotnym Na rys. 12-4-1(d) przedstawiono ukáad regulacji tonów wysokich, który w związku z bardzo duĪą wartoĞcią reaktancji Xc3 nie bĊdzie dziaáaá w zakresie niskich czĊstotliwoĞci. Z drugiej strony w zakresie czĊstotliwoĞci wysokich, w którym reaktancja Xc3 jest bardzo maáa, ten ukáad ten bĊdzie sáuĪyá do regulacji gáoĞnoĞci fizjologicznej (loudness) tonów wysokich, gdyĪ przez regulacjĊ wartoĞci rezystora R4 uzyskuje siĊ zmianĊ wzmocnienia napiĊciowego Av (Av = -Rf/R1). Jak przedstawiono na rys. 12-41(a), rezystor R5 jest wprowadzony po to, aby uniknąü przesáuchu miĊdzy sygnaáami o czĊstotliwoĞciach wysokich i niskich.
17
NIEZBĉDNY SPRZĉT LABORATORYJNY 1. KL-22001 – podstawowy moduá edukacyjny z laboratorium ukáadów elektrycznych 2. KL-25009 – moduá ukáadu wzmacniacza operacyjnego (4) 3. Oscyloskop
PROCEDURA 1. Ustawiü moduá KL-25009 na module KL-22001 (moduá edukacyjny laboratorium z podstawowych ukáadów elektrycznych), poczym zlokalizowaü blok b. Wykonaü poáączenia, posáugując siĊ ukáadem pomiarowym przedstawionym na rys. 12-4-1(a) i schematem montaĪowym przedstawionym na rysunku 12-4-2. Do ukáadu doáączyü potencjometr VR3 za pomocą przewodów poáączeniowych. Do moduáu KL-25009 doprowadziü napiĊcia staáe +12 V i -12 V z zasilacza o napiĊciu ustawionym na staáe znajdującego siĊ w module KL-22001.
Rys. 12-3-6 Schemat montaĪowy (moduá KL-25009 blok a) 2. Do wyprowadzeĔ wejĞciowych IN (Vi) doprowadziü z generatora funkcyjnego znajdującego siĊ w module KL-22001 sygnaá sinusoidalny o napiĊciu miĊdzyszczytowym 1 Vp-p i czĊstotliwoĞci 1 kHz. 3. Ustawiü potencjometry VR3 i R12 w pozycji Ğrodkowej. Zmierzyü i zapisaü przebieg Vi na wejĞciu IN oraz przebieg Vo na wyjĞciu OUT. 4. PrzekrĊciü potencjometr VR3 (100 k:) caákowicie w lewo. Zmierzyü i zapisaü w tablicy 12-4-1 przebieg Vi na wejĞciu IN oraz przebieg Vo na wyjĞciu OUT.
18
5. PrzekrĊciü potencjometr VR3 (100 k:) caákowicie w prawo. Zmierzyü i zapisaü w tablicy 12-4-1 przebieg Vi na wejĞciu IN oraz przebieg Vo na wyjĞciu OUT. 6. PrzekrĊciü potencjometr R12 (100 k:) caákowicie w lewo. Zmierzyü i zapisaü w tablicy 12-4-2 przebieg Vi na wejĞciu IN oraz przebieg Vo na wyjĞciu OUT. 7. PrzekrĊciü potencjometr R12 (100 k:) caákowicie w prawo. Zmierzyü i zapisaü w tablicy 12-4-2 przebieg Vi na wejĞciu IN oraz przebieg Vo na wyjĞciu OUT. 8. Do wyprowadzeĔ wejĞciowych IN (Vi) doprowadziü z generatora funkcyjnego znajdującego siĊ w module KL-22001 sygnaá sinusoidalny o napiĊciu miĊdzyszczytowym 1 Vp-p i czĊstotliwoĞci 60 Hz, a nastĊpnie krĊcąc potencjometrami VR3 (regulacja basów) i R12 (regulacja tonów wysokich) obserwowaü, który potencjometr daje wiĊkszy efekt regulacyjny. 8. Do wyprowadzeĔ wejĞciowych IN (Vi) doprowadziü z generatora funkcyjnego znajdującego siĊ w module KL-22001 sygnaá sinusoidalny o napiĊciu miĊdzyszczytowym 1 Vp-p i czĊstotliwoĞci 5 kHz, a nastĊpnie krĊcąc potencjometrami VR3 (regulacja basów) i R12 (regulacja tonów wysokich) obserwowaü, który potencjometr daje wiĊkszy efekt regulacyjny.
Tablica 12-4-1
19
Tablica 12-4-2
PODSUMOWANIE Ukáad regulacji barwy dĨwiĊku jest jedną z aplikacji filtrów górno- i dolnoprzepustowego. Ukáad regulacji tonów wysokich jest uĪywany do regulacji wzmocnienia w zakresie wysokich czĊstotliwoĞci pasma akustycznego, a ukáad regulacji basów do regulacji wzmocnienia w zakresie czĊstotliwoĞci niskich tego pasma.
20
Rozdziaá 13 Komparatory i oscylatory ze wzmacniaczem operacyjnym ûwiczenie 13-1 Komparatory PRZEDMIOT ûWICZENIA 1. Poznanie zasady dziaáania ukáadów komparatorów. 2. PrzeĞledzenie zaleĪnoĞci napiĊcia wyjĞciowego od napiĊcia wyjĞciowego w komparatorze zera. DYSKUSJA Wzmacniacz operacyjny znajduje zastosowanie nie tylko w urządzeniach z ujemnym sprzĊĪeniem zwrotnym przedstawionych w poprzednich rozdziaáach, lecz takĪe w urządzeniach wykorzystujących sprzĊĪenie zwrotne dodatnie. W niniejszym rozdziale zostaną wprowadzone szeroko stosowane ukáady zbudowane ze wzmacniaczami operacyjnymi. Komparator zera Podczas gdy wzmocnienie napiĊciowe idealnego wzmacniacza operacyjnego Av ma wartoĞü nieskoĔczoną, to wzmocnienie Av wzmacniacza operacyjnego rzeczywistego wynosi kilkadziesiąt tysiĊcy. Wzmacniacz operacyjny bez obwodu ujemnego sprzĊĪenia zwrotnego nie moĪe byü uĪywany jako wzmacniacz. RozwaĪmy wzmacniacz o wspóáczynniku wzmocnienia 10000. JeĞli napiĊcie wejĞciowe Vi = 10 mV, to napiĊcie wyjĞciowe Vo bĊdzie równe 10 mV x 10000 = 100 V, co nie ma wiĊkszego sensu, gdyĪ napiĊcie zasilania ma wartoĞü od +Vcc do -Vcc. JeĞli napiĊcie wejĞciowe Vi = 0,1 V, to napiĊcie wyjĞciowe Vo bĊdzie równe 0,1 V x 10000 = 1000 V, co teĪ z takiego samego powodu nie ma sensu. Wzmacniacz ten bĊdzie dostarczaá zatem napiĊcie wyjĞcie równe albo +Vcc, albo –Vcc, z czego z kolei nie moĪna korzystaü, przy koniecznoĞci speánienia przez wzmacniacz warunku wzmacniania bez znieksztaáceĔ. Choü wzmacniacz operacyjny bez obwodu ujemnego sprzĊĪenia zwrotnego nie moĪe byü stosowany jako wzmacniacz, to moĪe on byü uĪywany jako komparator jak przedstawiony na rys. 13-1-1 (przy zasilaniu podwójnym tj. symetrycznym).
21
Rys. 13-1-1 Komparator z zasilaniem symetrycznym JeĞli: a. V(+) > V(-), to Vo = +VCC. b. V(+) = V(-), to Vo = 0 V. c. V(+) < V(-), to Vo = -VEE. Z powyĪszych trzech warunków, bardzo trudno zaakceptowaü warunek b. Przy bardzo duĪym wzmocnieniu Av wzmacniacza operacyjnego, gdy napiĊcie zasilania V+ nie jest dokáadnie równe V+, to napiĊcie wyjĞciowe Vo moĪe nie byü równe 0 V. Ponadto, jeĞli wewnĊtrzne ukáady wzmacniacza operacyjnego nie są symetryczne, co jest podobne do wewnĊtrznej asymetrii wzmacniacza bez kondensatora wyjĞciowego, to spowoduje to brak napiĊcia 0 V w punkcie Ğrodkowym napiĊcia. Na rys. 13-1-2 przedstawiono komparator z zasilaniem niesymetrycznym (pojedynczym).
Rys. 13-1-2 Komparator z zasilaniem niesymetrycznym JeĞli: a. V(+) > V(-), to Vo = +VCC. b. V(+) = V(-), to Vo = ½ VCC. c. V(+) < V(-), to Vo = 0 V. Na rys. 13-1-3 przedstawiono komparator przejĞcia przez zero (komparator zera).
Rys. 13-1-3 Komparator zera 22
Komparator zera tworzy siĊ áącząc napiĊcie V(+) lub V(-) z masą jako potencjaá zerowy, a nastĊpnie porównując napiĊcie wejĞciowe Vi z potencjaáem zerowym. JeĞli: a. Vi > 0 V, to Vo = -VEE. b. Vi = 0 V, to Vo = 0 V. c. Vi < 0 V, to Vo = +Vcc. Rezystor o wartoĞci 10 k: znajdujący siĊ w ukáadzie komparatora przedstawionego na rys. 13-1-3 nie pozwala, aby stosunkowo duĪe napiĊcia (+12 V) przedostaáo siĊ bezpoĞrednio na wejĞcie wzmacniacza operacyjnego, chroniąc w ten sposób wzmacniacz operacyjny przed zniszczeniem. Komparator z polaryzacją wstĊpną Na rys. 13-1-4 przedstawiono ukáad komparatora z polaryzacją wstĊpną.
Rys. 13-1-4 Komparator z polaryzacją wstĊpną Przykáadane napiĊcie V(+) ma wartoĞü staáą i jest pobierane z dzielnika napiĊciowego záoĪonego z rezystorów R1 i R2. PoniĪsze wzory przedstawiają zaleĪnoĞci napiĊcia wejĞciowego Vi od napiĊcia odniesienia Vr. JeĞli: a. Vi > Vr, to Vo = -VEE. b. Vi = Vr, to Vo = 0 V. c. Vi < Vr, to Vo = +Vcc.
23
NIEZBĉDNY SPRZĉT LABORATORYJNY 1. KL-22001 – podstawowy moduá edukacyjny z laboratorium ukáadów elektrycznych 2. KL-25009 – moduá ukáadu wzmacniacza operacyjnego (4) 3. Multimetr
PROCEDURA A. Komparator zera 1. Ustawiü moduá KL-25009 na module KL-22001 (moduá edukacyjny laboratorium z podstawowych ukáadów elektrycznych), poczym zlokalizowaü blok c. 2. Wykonaü poáączenia, posáugując siĊ ukáadem pomiarowym przedstawionym na rys. 13-1-5 i schematem montaĪowym przedstawionym na rysunku 13-1-6. Do ukáadu doáączyü potencjometr VR3 za pomocą przewodów poáączeniowych. Do moduáu KL25009 doprowadziü napiĊcia staáe +12 V i -12 V z zasilacza o napiĊciu ustawionym na staáe znajdującego siĊ w module KL-22001. 3. Ustawiü potencjometr VR3 (100 k:) tak, aby napiĊcie wejĞciowe Vi = 1, 5 V (na wyprowadzeniu TP2). Zmierzyü i zapisaü w tablicy 13-1-1 wartoĞü napiĊcia Vo na wyjĞciu OUT. 4. Ustawiü potencjometr VR3 (100 k:) tak, aby napiĊcie wejĞciowe Vi = 0 V (na wyprowadzeniu TP2). Zmierzyü i zapisaü w tablicy 13-1-1 wartoĞü napiĊcia Vo na wyjĞciu OUT. 3. Ustawiü potencjometr VR3 (100 k:) tak, aby napiĊcie wejĞciowe Vi = -1, 5 V (na wyprowadzeniu TP2). Zmierzyü i zapisaü w tablicy 13-1-1 wartoĞü napiĊcia Vo na wyjĞciu OUT.
Tablica 13-1-1
24
Rys. 13-1-5 Komparator zera
Rys. 13-1-6 Schemat montaĪowy (moduá KL-25009 blok c) B. Komparator z polaryzacją wstĊpną 1. Wykonaü poáączenia, posáugując siĊ ukáadem pomiarowym przedstawionym na rys. 13-1-7 i schematem montaĪowym przedstawionym na rysunku 13-1-8. Do ukáadu doáączyü potencjometr VR2 za pomocą przewodów poáączeniowych. Do moduáu KL25009 doprowadziü napiĊcia staáe +12 V i -12 V z zasilacza o napiĊciu ustawionym na staáe znajdującego siĊ w module KL-22001. 2. Posáugując siĊ multimetrem (z ustawionym zakresem napiĊcia staáego), zmierzyü i zapisaü w tablicy 13-1-2 napiĊcie VB na wyprowadzeni TP4. 3. Ustawiü potencjometr VR2 (10 k:) tak, aby napiĊcie VA na wyprowadzeniu TP3 byáo wiĊksze niĪ napiĊcie VB. Zmierzyü i zapisaü w tablicy 13-1-2 wartoĞü napiĊcia VA oraz napiĊcia Vo na wyjĞciu OUT. 4. Ustawiü potencjometr VR2 (10 k:) tak, aby napiĊcie VA na wyprowadzeniu TP3 byáo równe napiĊciu VB. Zmierzyü i zapisaü w tablicy 13-1-2 wartoĞü napiĊcia VA oraz napiĊcia Vo na wyjĞciu OUT.
25
5. Ustawiü potencjometr VR2 (10 k:) tak, aby napiĊcie VA na wyprowadzeniu TP3 byáo mniejsze niĪ napiĊcie VB. Zmierzyü i zapisaü w tablicy 13-1-2 wartoĞü napiĊcia VA oraz napiĊcia Vo na wyjĞciu OUT.
Tablica 13-1-2
Rys. 13-1-7 Komparator z polaryzacją wstĊpną
Rys. 13-1-8 Schemat montaĪowy (moduá KL-25009 blok c)
26
PODSUMOWANIE ChociaĪ teoretyczna wartoĞü napiĊcia wyjĞciowego powinna wynieĞü +VCC lub –VEE, to w rzeczywistoĞci w związku z wpáywem rezystancji obciąĪenia wartoĞü zmierzona bĊdzie nieco mniejsza niĪ +VCC ;lub –VEE. Z drugiej strony stan Vo = 0 V jest trudny do zrealizowania, podczas, gdy przy zasilaniu symetrycznym aktualnie zmierzona wartoĞü bĊdzie równa +VCC lub –VEE. W przypadku zasilania niesymetrycznego napiĊcie VCC/2 jest trudne do zrealizowania, podczas, gdy aktualnie zmierzona wartoĞü bĊdzie w przybliĪeniu równa +VCC lub 0 V.
27
ûwiczenie 13-2 Przerzutnik Schmitta PRZEDMIOT ûWICZENIA 1. Poznanie zasady dziaáania ukáadu przerzutnika Schmitta. 2. Pomiar przebiegów napiĊcia wejĞciowego i wyjĞciowego przerzutnika Schmitta. DYSKUSJA ZasadĊ dziaáania przerzutnika Schmitta nazywanego teĪ ukáadem ksztaátującym impulsy moĪna zilustrowaü poniĪszymi rysunkami z przebiegami sygnaáów wejĞciowego i wyjĞciowego.
Rys. 13-2-1 Przebiegi napiĊcia wejĞciowego Vi i napiĊcia wyjĞciowego Vo w ukáadzie przerzutnika Schmitta Na rys. 13-2-2 przedstawiono ukáad odwracającego przerzutnika Schmitta, który jest teĪ nazywany komparatorem regeneracyjnym. JeĞli napiĊcie wejĞciowe Vi > VU, to napiĊcie wyjĞciowe Vo = -VEE; jeĞli zaĞ Vi < VL, to napiĊcie wyjĞciowe Vo = +Vcc. Zgodnie z powyĪszą wáasnoĞcią, moĪna transformowaü napiĊcie wejĞciowe, zmieniające siĊ bardzo wolno, na napiĊcie wyjĞciowe o nagáych zmianach. KaĪda z tych nagáych zmian powoduje powstanie zboczy o dwóch wartoĞciach progowych VU i VL.
28
Rys. 13-2-2 Ukáad odwracającego przerzutnika Schmitta JeĞli do wejĞcia ukáadu przedstawionego na rys. 13-2-2(a) zostanie doprowadzony sygnaá sinusoidalny, to na jego wyjĞciu bĊdzie dostĊpny sygnaá prostokątny przedstawiony na rys. 13-2-3.
Rys. 13-2-3 Przebiegi na wejĞciu i wyjĞciu przerzutnika Schmitta
NIEZBĉDNY SPRZĉT LABORATORYJNY 1. KL-22001 – podstawowy moduá edukacyjny z laboratorium ukáadów elektrycznych 2. KL-25009 – moduá ukáadu wzmacniacza operacyjnego (4) 3. Multimetr 4. Oscyloskop
29
PROCEDURA 1. Ustawiü moduá KL-25009 na module KL-22001 (moduá edukacyjny laboratorium z podstawowych ukáadów elektrycznych), poczym zlokalizowaü blok c. Wykonaü poáączenia, posáugując siĊ ukáadem pomiarowym przedstawionym na rys. 13-2-4 i schematem montaĪowym przedstawionym na rysunku 13-2-5. Do ukáadu doáączyü potencjometr VR3 za pomocą przewodów poáączeniowych. Do moduáu KL-25009 doprowadziü napiĊcia staáe +12 V i -12 V z zasilacza o napiĊciu ustawionym na staáe znajdującego siĊ w module KL-22001.
Rys. 13-2-4 Ukáad przerzutnika Schmitta
Rys. 13-2-5 Schemat montaĪowy (moduá KL-25009 blok c) 2. KrĊcąc potencjometrem VR3 (100 k:), zmieniaü napiĊcie wejĞciowe VIN na wyprowadzeniu TP2 w zakresie od -12 V do +12 V, a nastĊpnie zaobserwowaü, Īe napiĊcie wyjĞciowe Vo na wyprowadzeniu OUT (TP7) zmienia siĊ tylko od Vcc do -Vcc. Zapisaü na rys. 13-2-6(a) zmiany napiĊcia wyjĞciowego. Zmierzyü napiĊcie wejĞciowe VIN i zapisaü je jako górne napiĊcie progowe VU = ____________.
30
3. KrĊcąc potencjometrem VR3, zmieniaü napiĊcie wejĞciowe VIN na wyprowadzeniu TP2 w zakresie od +12 V do -12 V, a nastĊpnie zaobserwowaü, Īe napiĊcie wyjĞciowe Vo na wyprowadzeniu OUT (TP7) zmienia siĊ tylko od -Vcc do +Vcc. Zapisaü na rys. 13-2-6(a) zmiany napiĊcia wyjĞciowego. Zmierzyü napiĊcie wejĞciowe VIN i zapisaü je jako dolne napiĊcie progowe VL = ____________. 4. Usunąü z ukáadu potencjometr VR3 odáączając od tego ukáadu przewody poáączeniowe. Do wyprowadzeĔ wejĞciowych TP2 doprowadziü z generatora funkcyjnego znajdującego siĊ w module KL-22001 sygnaá sinusoidalny o napiĊciu miĊdzyszczytowym 6 Vp-p i czĊstotliwoĞci 1 kHz. Posáugując siĊ oscyloskopem zmierzyü i zapisaü na rys. 13-2-6(b) przebieg napiĊcia Vo na wyjĞciu OUT (TP7).
Rys. 13-2-6 Przebiegi zmierzone na wyjĞciu przerzutnika Schmitta
PODSUMOWANIE PoniewaĪ w ukáad przerzutnika Schmitta jest wáączony obwód dodatniego sprzĊĪenia zwrotnego, zatem napiĊcie wyjĞciowe po zmianie stanu przerzutnika jest bardziej stabilne. Wadą typowego komparatora jest wzglĊdna niestabilnoĞü ukáadu, gdy napiĊcie wejĞciowe ma wartoĞü bliską napiĊciu porównywanemu. DziĊki dodatniemu sprzĊĪeniu zwrotnemu, punkt zmiany stanu napiĊcia wyjĞciowego przerzutnika Schmitta jest podzielony na dwa punkty VU i VL, tworząc obszar histerezy VH = VU – VL, w którym napiĊcie wyjĞciowe Vo nie moĪe byü zmienione. Przerzutnik Schmitta jest szeroko stosowany w ukáadach sterowania czasowego, regulacji temperatury, pomiarach (w tym teĪ z uĪyciem czujników) oraz ksztaátowania nieregularnych sygnaáów w ukáadach cyfrowych.
31
ûwiczenie 13-3 Komparator okienkowy PRZEDMIOT ûWICZENIA 1. Poznanie zasady dziaáania ukáadu komparatora okienkowego. 2. Pomiar napiĊü wejĞciowego i wyjĞciowego komparatora okienkowego. DYSKUSJA Na rys. 13-3-1 przedstawiono ukáad komparatora okienkowego skáadający siĊ z dwóch komparatorów górnego A1 i dolnego A2. ZasadĊ pracy komparatora okienkowego ilustrują poniĪsze wzory:
JeĞli napiĊcie wejĞciowe Vi > Vu, to na wyjĞciu wzmacniacza operacyjnego A1 bĊdzie panowaü napiĊcie -12 V, a na wyjĞciu wzmacniacza operacyjnego A2 – napiĊcie +12 V. JeĞli napiĊcie wejĞciowe speánia warunek VL < Vi < Vu, to na wyjĞciu wzmacniacza operacyjnego A1 bĊdzie panowaü napiĊcie +12 V, a na wyjĞciu wzmacniacza operacyjnego A2 – napiĊcie +12 V. JeĞli napiĊcie wejĞciowe Vi < VL, to na wyjĞciu wzmacniacza operacyjnego bĊdzie napiĊcie panowaü +12 V, a na wyjĞciu wzmacniacza operacyjnego A2 – napiĊcie -12 V.
Rys. 13-3-1 Komparator okienkowy
32
JeĞli rezystor R4 zostanie poáączony z masą, to napiĊcie wyjĞciowe bĊdzie równe:
gdzie: Vo1 – górne napiĊcie wyjĞciowe komparatora Vo2 – dolne napiĊcie wyjĞciowe komparatora JeĞli rezystor R4 zostanie doáączony do minusa napiĊcia zasilania -VEE , to napiĊcie wyjĞciowe Vo bĊdzie równe:
NIEZBĉDNY SPRZĉT LABORATORYJNY 1. KL-22001 – podstawowy moduá edukacyjny z laboratorium ukáadów elektrycznych 2. KL-25009 – moduá ukáadu wzmacniacza operacyjnego (4) 3. Multimetr
PROCEDURA 1. Ustawiü moduá KL-25009 na module KL-22001 (moduá edukacyjny laboratorium z podstawowych ukáadów elektrycznych), poczym zlokalizowaü blok d. Wykonaü poáączenia, posáugując siĊ ukáadem pomiarowym przedstawionym na rys. 13-3-2 i schematem montaĪowym przedstawionym na rysunku 13-3-3. Do ukáadu doáączyü potencjometr VR2 za pomocą przewodów poáączeniowych. 2. Do moduáu KL-25009 doprowadziü napiĊcia staáe +12 V i -12 V z zasilacza o napiĊciu ustawionym na staáe znajdującego siĊ w module KL-22001. 3. Ustawiü potencjometr VR3 (100 k:) tak, aby napiĊcie wejĞciowe Va (na wyprowadzeniu TP1) byáo wiĊksze od górnego napiĊcia progowego VU = 8 V. 4. Zmierzyü i zapisaü w tablicy 13-3-1 wartoĞü napiĊcia wyjĞciowego Vb (na wyprowadzeniu TP4) górnego komparatora i wartoĞü napiĊcia wyjĞciowego Vc (na wyprowadzeniu TP5) dolnego komparatora. Zaobserwowaü i zapisaü stan diody LED CR1.
33
5. Ustawiü potencjometr VR2 (10 k:) tak, aby napiĊcie wejĞciowe Va (na wyprowadzeniu TP1) byáo mniejsze od górnego napiĊcia progowego VU = 8 V, lecz wiĊksze od dolnego napiĊcia progowego VL = 4 V. 6. Powtórzyü krok 4 niniejszej procedury. 7. Ustawiü potencjometr VR2 (10 k:) tak, aby napiĊcie wejĞciowe Va (na wyprowadzeniu TP1) byáo mniejsze od dolnego napiĊcia progowego VL = 4 V. 8. Powtórzyü krok 4 niniejszej procedury.
Rys. 13-3-2 Ukáad komparatora okienkowego
34
Rys. 13-3-3 Schemat montaĪowy (moduá KL-25009 blok d)
PODSUMOWANIE Komparator okienkowy jest szeroko stosowany w ukáadach regulacji temperatury, gdy obciąĪenie pracuje w zakresie napiĊü od VL do VU. W praktyce naleĪy zwracaü uwagĊ na aktualny poziom napiĊcia w górnym stanie granicznym (H) i w dolnym stanie granicznym (L), aby uniknąü wyprowadzania napiĊcia wtedy, gdy napiĊcie wejĞciowe Vi < VL lub, gdy napiĊcie wejĞciowe Vi > VU. Do ukáadu dzielnika napiĊcia wyjĞciowego komparatora jest zwykle doáączony minus napiĊcia zasilania, aby zapewniü ujemne napiĊcie na wyprowadzeniu wyjĞciowym Vo w sytuacji, gdy napiĊcie wejĞciowe Vi < VL lub Vi > VU, a takĪe zapewniü dodatnie napiĊcie na wyprowadzeniu Vo, gdy napiĊcie wejĞciowe speánia warunek VL < Vi < VU.
35
ûwiczenie 13-4 Przerzutnik monostabilny PRZEDMIOT ûWICZENIA 1. Poznanie zasady dziaáania ukáadu przerzutnika monostabilnego. 2. Pomiar przebiegów napiĊü wejĞciowego i wyjĞciowego w przerzutniku monostabilnym. DYSKUSJA Zasada dziaáania przerzutnika monostabilnego nazywanego czĊsto ukáadem „one shot”, czyli wytwarzającym jednorazowy impuls jest taka sama jak multiwibratora zbudowanego z tranzystorami. Na rys. 13-4-1 przedstawiono stany napiĊcia wyjĞciowego przerzutnika wyzwalanego zboczem narastającym i odpowiednio zboczem opadającym. Analizując te stany moĪna zrozumieü zasadĊ dziaáania przerzutnika monostabilnego.
Rys. 13-4-1 Stany wejĞciowe i wyjĞciowe przerzutnika monostabilnego
Na rys. 13-4-2 przedstawiono przerzutnik monostabilny. Zasada dziaáania tego ukáadu jest podobna do zasady dziaáania multiwibratora (przerzutnika astabilnego), lecz oscylacje tego ukáadu, które nie mogą byü generowane same z siebie powinny byü wyzwalane sygnaáem zewnĊtrznym i po pewnym czasie liczonym od wystąpienia wyzwolenia przerzutnik powinien powróciü do stanu pierwotnego. Ukáad ten wytwarzający w stanie stabilnym wysoki stan napiĊcia wyjĞciowego zawiera: obwód C1-R3, który tworzy ukáad róĪniczkujący; diodĊ D2, której przeznaczeniem jest ograniczenie procesu áadowania kondensatora C2,
36
gdy napiĊcie wyjĞciowe jest dodatnie. Przebiegi w odpowiednich punktach ukáadu przedstawionego na rysunku 13-4-2 zilustrowano na rys. 13-4-3.
Rys. 13-4-2 Przerzutnik monostabilny
Rys. 13-4-3 Przebiegi w odpowiednich punktach ukáadu przerzutnika monostabilnego
37
NIEZBĉDNY SPRZĉT LABORATORYJNY 1. KL-22001 – podstawowy moduá edukacyjny z laboratorium ukáadów elektrycznych 2. KL-25010 – moduá ukáadu wzmacniacza operacyjnego (5) 3. Oscyloskop
PROCEDURA 1. Ustawiü moduá KL-25010 na module KL-22001 (moduá edukacyjny laboratorium z podstawowych ukáadów elektrycznych), poczym zlokalizowaü blok a. Wykonaü poáączenia, posáugując siĊ ukáadem pomiarowym przedstawionym na rys. 13-4-4 i schematem montaĪowym przedstawionym na rysunku 13-4-5. 2. Do moduáu KL-25010 doprowadziü napiĊcia staáe +12 V i -12 V z zasilacza o napiĊciu ustawionym na staáe znajdującego siĊ w module KL-22001. 3. Do wyprowadzeĔ wejĞciowych IN (TP1) doprowadziü z generatora funkcyjnego znajdującego siĊ w module KL-22001 sygnaá prostokątny o napiĊciu miĊdzyszczytowym 18 Vp-p i czĊstotliwoĞci 100 Hz. Posáugując siĊ oscyloskopem zmierzyü i zapisaü w tablicy 13-4-1 przebiegi napiĊcia na wyprowadzeniach TP2, TP3 i TP6 (OUT - wyjĞcie).
Tablica 13-4-1
38
Rys. 13-4-4 Ukáad przerzutnika monostabilnego
Rys. 13-4-5 Schemat montaĪowy (moduá KL-25010 blok a)
PODSUMOWANIE SzerokoĞü ujemnego impulsu sygnaáu wyzwalającego przerzutnik monostabilny nie powinna byü za duĪa (staáa czasu RC ukáadu róĪniczkującego nie powinna byü za duĪa), w przeciwnym wypadku przy krótkim odstĊpie czasowym nie bĊdzie moĪliwe uzyskanie opóĨnienia czasowego.
39
ûwiczenie 13-5 Przerzutnik astabilny (multiwibrator) PRZEDMIOT ûWICZENIA 1. Poznanie zasady dziaáania ukáadu przerzutnika astabilnego. 2. Pomiar przebiegu wyjĞciowego przerzutnika astabilnego. DYSKUSJA Przerzutnik astabilny zwany teĪ multiwibratorem jest aplikacją komparatora i moĪe byü uĪywany jako generator sygnaáu prostokątnego. Ukáad takiego przerzutnika astabilnego przedstawiono na rys. 13-5-1(a).
(a) Generator sygnaáu prostokątnego
(b) Generator impulsowy
Rys. 13-5-1 Zastosowania przerzutnika astabilnego Zasada pracy ukáadu generatora sygnaáu prostokątnego przedstawionego na rys. 13-51(a) jest nastĊpująca:
2. JeĞli napiĊcie Vc > Vu, to napiĊcie wyjĞciowe Vo = -VEE JeĞli napiĊcie Vc > VL, to napiĊcie wyjĞciowe Vo = +Vcc 3. Przebiegi napiĊü Vc i Vo przedstawiono na rys. 13-5-2.
40
4. Okres T jest wprost proporcjonalny do iloczynu RfC. JeĞli rezystancja R2 = 0,86 R1, to okres T = 2 RfC, JeĞli rezystancja R2 = R1, to T = 2,2 RfC,
Rys. 13-5-2 Przebiegi napiĊü Vc i Vo w przerzutniku astabilnym Na rys. 13-5-1(b) przedstawiono oscylator o zmiennej wartoĞci wspóáczynnika wypeánienia impulsu, w którym w porównaniu z rys. 13-5-2(a) obwód áadowania kondensatora C jest podzielony na dwie ĞcieĪki. Gdy napiĊcie wyjĞciowe jest równe +VCC, to kondensator C bĊdzie áadowaü siĊ prądem páynącym przez rezystancjĊ R3(ab), diodĊ D1 i kondensator C, co spowoduje zatkanie diody D2, a staáa czasowa wyniesie T1 = [R + R3(ab)] x C. Gdy napiĊcie Vc na kondensatorze C osiągnie w trakcie áadowania wartoĞü Vu, to wartoĞü napiĊcia wyjĞciowego Vo zmieni siĊ na na –VEE. Gdy napiĊcie wyjĞciowe stanie siĊ równe –VEE, to kondensator C bĊdzie áadowany prądem páynącym przez rezystancjĊ R3(bc), diodĊ D2 oraz rezystor R (áadowanie napiĊciem ujemnym), czego wynikiem bĊdzie odciĊcie diody D1, a odpowiednia staáa czasowa áadowania wyniesie T2 = [R + R3(bc)] x C. Gdy w trakcie áadowania kondensatora C napiĊcie na nim zmieni siĊ z Vc na VL, to napiĊcie wyjĞciowe zmieni siĊ na +Vcc. Regulując wartoĞü rezystora R3 bĊdzie siĊ zmieniaü stosunek czasu T1 do T1+T2 lub wartoĞü wspóáczynnika wypeánienia impulsu.
41
NIEZBĉDNY SPRZĉT LABORATORYJNY 1. KL-22001 – podstawowy moduá edukacyjny z laboratorium ukáadów elektrycznych 2. KL-25010 – moduá ukáadu wzmacniacza operacyjnego (5) 3. Oscyloskop
PROCEDURA A. Generator sygnaáu prostokątnego 1. Ustawiü moduá KL-25010 na module KL-22001 (moduá edukacyjny laboratorium z podstawowych ukáadów elektrycznych), poczym zlokalizowaü blok a. Wykonaü poáączenia, posáugując siĊ ukáadem pomiarowym przedstawionym na rys. 13-5-3 i schematem montaĪowym przedstawionym na rysunku 13-5-4. 2. Do moduáu KL-25010 doprowadziü napiĊcia staáe +12 V i -12 V z zasilacza o napiĊciu ustawionym na staáe znajdującego siĊ w module KL-22001. 3. Posáugując siĊ oscyloskopem zmierzyü i zapisaü w tablicy 13-5-1 przebiegi napiĊcia wyjĞciowego Vo na wyprowadzeniu OUT (TP6) oraz napiĊcia VC na kondensatorze C3 wystĊpującego na wyprowadzeniu TP3.
Tablica 13-5-1 Zmierzone przebiegi napiĊü Vo i VC
42
Rys. 13-5-3 Generator sygnaáu prostokątnego
Rys. 13-5-4 Schemat montaĪowy (moduá KL-25010 blok a) B. Generator impulsowy 1. Ustawiü moduá KL-25010 na module KL-22001 (moduá edukacyjny laboratorium z podstawowych ukáadów elektrycznych), poczym zlokalizowaü blok a. Wykonaü poáączenia, posáugując siĊ ukáadem pomiarowym przedstawionym na rys. 13-5-5 i schematem montaĪowym przedstawionym na rysunku 13-5-6. Doáączyü do ukáadu potencjometr VR3 uĪywając do tego przewodów poáączeniowych. 43
2. Do moduáu KL-25010 doprowadziü napiĊcia staáe +12 V i -12 V z zasilacza o napiĊciu ustawionym na staáe znajdującego siĊ w module KL-22001. PrzekrĊciü potencjometr VR3 (100 k:) caákowicie w lewo. 3. Posáugując siĊ oscyloskopem zmierzyü i zapisaü w tablicy 13-5-2 przebiegi napiĊcia wyjĞciowego Vo na wyprowadzeniu OUT oraz napiĊcia VC wyprowadzeniu TP3. 4. Ustawiü potencjometr VR3 (100 k:) w Ğrodkowym poáoĪeniu. Powtórzyü krok 3 niniejszej procedury. 4 PrzekrĊciü potencjometr VR3 (100 k:) caákowicie w prawo. Powtórzyü krok 3 niniejszej procedury.
Tablica 13-5-2 Zmierzone przebiegi napiĊü Vo i VC
Rys. 13-5-5 Ukáad generatora impulsowego
44
Rys. 13-5-6 Schemat montaĪowy (moduá KL-25010 blok a)
PODSUMOWANIE JeĞli zaistnieje potrzeba zmiany czĊstotliwoĞci generatora sygnaáu prostokątnego, to moĪna tego dokonaü zmieniając wartoĞü staáej czasu RC lub stosunku R1 do R2. Regulując w generatorze impulsowym wartoĞü wspóáczynnika wypeánienia impulsu moĪna uĪywaü tego generatora jako generatora wytwarzającego sygnaá impulsowy dodatni (wspóáczynnik wypeánienia < 50%), sygnaá impulsowy ujemny (wspóáczynnik wypeánienia > 50%) lub sygnaá prostokątny (wspóáczynnik wypeánienia = 50%).
45
ûwiczenie 13-6 Oscylator sygnaáu sinusoidalnego PRZEDMIOT ûWICZENIA 1. Poznanie zasady dziaáania oscylatorów z przesuwnikiem fazowym RC i mostkiem Wiena. 2. Wygenerowanie sygnaáu sinusoidalnego za pomocą oscylatorów z przesuwnikiem fazowym RC i mostkiem Wiena. DYSKUSJA Warunki powstania oscylacji sinusoidalnych są nastĊpujące: 1. Dodatnie sprzĊĪenie zwrotne i jednoczeĞnie 2. -ȕ A = 1, gdzie ȕ jest wspóáczynnikiem sprzĊĪenia zwrotnego, a A wspóáczynnikiem wzmocnienia. Zespóá powyĪszych warunków jest znany pod nazwą kryterium Barkhausena. Oscylator z przesuwnikiem fazowym RC.
Rys. 13-6-1 Oscylator z przesuwnikiem fazowym RC i z wyprzedzeniem w fazie Jak przedstawiono na rys. 13-6-1 oscylator z przesuwnikiem fazowym RC wykorzystuje róĪnicĊ fazy równą 180Û wprowadzaną przez trójstopniowy ukáad przesuwnika fazowego zbudowanego z elementów R i C i pracującego przy pewnej okreĞlonej czĊstotliwoĞci. W poáączeniu z sygnaáem wyjĞciowym wstĊpnie odwracanym otrzymywanym ze wzmacniacza operacyjnego, co powoduje to, Īe caákowita róĪnica fazy jest równa zeru. ZaleĪnoĞci fazowe przebiegów w punktach a, b i c zaznaczono na rys. 13-6-1. JeĞli wzmocnienie jest na tyle duĪe, Īe -ȕA = 1, to w takich warunkach pojawią siĊ oscylacje.
46
gdzie:
, Vf jest napiĊciem sprzĊĪenia zwrotnego, a Vo - napiĊciem wyjĞciowym.
JeĞli wymaga siĊ, aby róĪnica faz byáa równa zeru, to urojona czĊĞü liczby ze wzoru 13-6-1 powinna byü równa zeru, co z kolei wymaga, aby Į2 = 6. Stąd teĪ moĪna wyraziü czĊstotliwoĞü oscylacji jako:
Na rys. 13-6-2 przedstawiono ukáad i czĊstotliwoĞü oscylacji oscylatora z przesuwnikiem fazowym RC i wyprzedzeniem w fazie. PoniewaĪ do ukáadu jest doáączony dodatkowy wtórnik napiĊciowy, zatem ukáad wzmacniacza nie ma wpáywu na pracĊ obwodu przesuwnika fazowego RC.
Rys. 13-6-2 Oscylator z przesuwnikiem fazowym RC, z opóĨnieniem w fazie Oscylator z mostkiem Wiena Przedstawiony na rys. 13-6-3 oscylator zawierający mostek zrównowaĪony pracujący jako obwód ujemnego sprzĊĪenia zwrotnego jest nazywany oscylatorem z mostkiem Wiena. Oscylator ten w porównaniu z wyĪej opisanym oscylatorem z przesuwnikiem fazowym charakteryzuje siĊ lepszym ksztaátem przebiegu sinusoidalnego. Ukáad ten zawiera dwa obwody sprzĊĪenia zwrotnego: 1. Obwód dodatniego sprzĊĪenia zwrotnego zbudowany z impedancji Z1 i Z2, który okreĞla czĊstotliwoĞü oscylacji; i 2. Obwód ujemnego sprzĊĪenia zwrotnego zbudowany z elementów R1 i R2, który okreĞla amplitudĊ drgaĔ oscylatora.
47
Zgodnie z kryterium Barkhausena, w ukáadzie musi wystĊpowaü dodatnie sprzĊĪenie zwrotne, co oznacza przesuniĊcie fazy równe zero oraz czysto-rezystancyjny obwód sprzĊĪenia zwrotnego. CzĊĞü urojona liczby ze wzoru 13-6-2 powinna byü równa zero, co z kolei wymaga speánienia warunku, aby:
Aby podtrzymaü oscylacje, iloczyn -ȕA musi byü równy 1. Gdy Į =1, to:
Rys. 13-6-3 Oscylator z mostkiem Wiena
NIEZBĉDNY SPRZĉT LABORATORYJNY 1. KL-22001 – podstawowy moduá edukacyjny z laboratorium ukáadów elektrycznych 2. KL-25010 – moduá ukáadu wzmacniacza operacyjnego (5) 3. Oscyloskop
48
PROCEDURA A. Oscylator z przesuwnikiem fazowym RC 1. Ustawiü moduá KL-25010 na module KL-22001 (moduá edukacyjny laboratorium z podstawowych ukáadów elektrycznych), poczym zlokalizowaü blok b. Wykonaü poáączenia, posáugując siĊ ukáadem pomiarowym przedstawionym na rys. 13-6-4 i schematem montaĪowym przedstawionym na rysunku 13-6-5. 2. Do moduáu KL-25010 doprowadziü napiĊcia staáe +12 V i -12 V z zasilacza o napiĊciu ustawionym na staáe znajdującego siĊ w module KL-22001. 3. Posáugując siĊ oscyloskopem zmierzyü i zapisaü w tablicy 13-6-1 przebiegi napiĊcia na wyprowadzeniu T1, napiĊcia wyjĞciowego TP4 (Vo) i napiĊcia na wyprowadzeniu TP5, poczym porównaü ze sobą zaleĪnoĞci fazowe tych przebiegów. RóĪnica faz napiĊü VTP1 i VTP4 wynosi _____________________. RóĪnica faz napiĊü VTP4 i VTP5 wynosi _____________________. RóĪnica faz napiĊü VTP1 i VTP5 wynosi _____________________.
Tablica 13-6-1 Przebiegi zmierzonych napiĊü
49
Rys. 13-6-4 Ukáad oscylatora z przesuwnikiem fazowym RC
Rys. 13-6-5 Schemat montaĪowy (moduá KL-25010 blok b) B. Oscylator z mostkiem Wiena 1. Ustawiü moduá KL-25010 na module KL-22001 (moduá edukacyjny laboratorium z podstawowych ukáadów elektrycznych), poczym zlokalizowaü blok b. Wykonaü poáączenia, posáugując siĊ ukáadem pomiarowym przedstawionym na rys. 13-6-6 i schematem montaĪowym przedstawionym na rysunku 13-6-7. 2. Do moduáu KL-25010 doprowadziü napiĊcia staáe +12 V i -12 V z zasilacza o napiĊciu ustawionym na staáe znajdującego siĊ w module KL-22001.
50
3. Posáugując siĊ oscyloskopem zmierzyü i zapisaü w tablicy 13-6-2 przebiegi napiĊcia wyjĞciowego na wyprowadzeniu TP4 (Vo).
Rys. 13-6-6 Ukáad oscylatora z mostkiem Wiena
Rys. 13-6-7 Schemat montaĪowy (moduá KL-25010 blok b)
51
Tablica 13-6-2 Sygnaá zmierzony na wyjĞciu oscylatora
PODSUMOWANIE Oscylator z przesuwnikiem fazowym wykorzystuje przesuniĊcie fazy 180Û wprowadzane przez trójstopniowy obwód RC, który niestety powoduje stáumienie poziomu sygnaáu. Aby zachowaü warunek -ȕA = 1, naleĪy odpowiednio dobraü wspóáczynnik wzmocnienia, ustawiając go dokáadnie potencjometrem VR3, w przeciwnym razie pojawią siĊ znieksztaácenia generowanego sygnaáu lub brak oscylacji. Sygnaá sinusoidalny wytwarzany przez oscylator z mostkiem Wiena jest bardziej stabilny niĪ otrzymywany za pomocą oscylatora z przesuwnikiem fazowym RC.
DYSTRYBUCJA I SERWIS: „NDN – Zbigniew Daniluk” 02-784 Warszawa, ul. Janowskiego 15 tel./fax (0-22) 641-15-47, 641-61-96 e-mail:
[email protected]
