wscopul lucrării: prezentarea modului de realizare şi de determinare a valorilor parametrilor generatoarelor de semnal.

Transcript

1 wscopul lucrării: prezentarea modului de realizare şi de determinare a valorilor parametrilor generatoarelor de semnal. Cuprins I. Generator de tensiune dreptunghiulară cu AO. II. Generator de tensiune triunghiulară cu AO. III. Realizarea practică a generatorului de semnal dreptunghiular cu AO. IV. Proiectarea unui generator de tensiune triunghiulară şi testarea funcţionării sale prin simulare în Orcad. I. Generator de tensiune dreptunghiulară cu AO Introducerea unei reacţii pozitive într-un amplificator, permite obţinerea unui nou tip de circuit, numit generator de tensiune, care aparţine unei clase distincte de circuite numite oscilatoare. Un oscilator reprezintă un circuit electronic care este capabil să genereze un semnal periodic, pe baza energiei electrice preluate de la sursa de alimentare. În Figura este prezentat un oscilator pe bază de amplificator operaţional, în care, pentru simplificarea figurii, bornele de alimentare ale AO-ului nu s-au mai desenat. Circuitul prezentat generează la ieşirea sa o tensiune periodică, de formă dreptunghiulară. Figura. Generator de tensiune dreptunghiulară cu AO. Modul în care funcţionează acest circuit este următorul: AO-ul este inclus într-o buclă de reacţie pozitivă, realizată prin intermediul rezistorului R F. Reacţia pozitivă are tendinţa să crească amplificarea în tensiune a circuitului şi din acest motiv, ieşirea sa tranzitează succesiv între cele 2 tensiuni de saturaţie ale AOului, în funcţie de valoarea tensiunii de intrare - -

2 diferenţiale v ID, care este egală cu diferenţa dintre tensiunea aplicată pe intrarea neinversoare şi cea aplicată pe intrarea inversoare. Tensiunea aplicată pe intrarea neinversoare are rolul unei tensiuni de prag v P şi se poate exprima prin relaţia v P R = R R + R R + R F F V V iar tensiunea aplicată pe intrarea inversoare este egală cu tensiunea de pe condensatorul C, notată cu v C şi este variabilă în timp. Astfel, atât timp cât v C < v P tensiunea de intrare diferenţială v ID este pozitivă, iar v O are valoarea V + SAT. În această stare, condensatorul C tinde să se încarce prin R la valoarea V + SAT, şi în consecinţă tensiunea v C creşte în timp. Etapa de încărcare a condensatorului C durează atât timp cât este satisfăcută condiţia v C < v P. În momentul în care tensiunea v C devine mai mare decât tensiunea v P, tensiunea de intrare diferenţială v ID devine negativă, iar ieşirea AO-ului basculează în valoarea V - SAT. Începând din acest moment, tensiunea v C descreşte în timp deoarece condensatorul C se descarcă prin R la valoarea V - SAT. Această etapă durează atât timp cât este satisfăcută condiţia v C > v P. La un moment dat, tensiunea v C devine mai mică decât valoarea tensiunii v P, iar fenomenele descrise mai sus se repetă, intervalul de repetiţie depinzând de valorile capacităţii electrice C şi a rezistenţei electrice R. Perioada T a tensiunii generate este: + SAT SAT v v ID ID > 0 < 0 T R = 2 R C ln + 2 R F în care s-a considerat că cele 2 tensiuni de saturaţie sunt egale: V SAT + = V SAT -. II. Generator de funcţii cu amplificatoare operaţionale Generatorul de funcţii reprezintă un circuit care poate genera mai multe tipuri de forme de undă, cum ar fi: forma de undă sinusoidală, dreptunghiulară, respectiv triunghiulară. În cele ce urmează se prezintă un generator de funcţii dreptunghiulare şi triunghiulare. Circuitul, - 2 -

3 prezentat în Figura 2 (în care, pentru simplificarea figurii, bornele de alimentare ale amplificatoarelor operaţionale nu s-au mai desenat) necesită două amplificatoare operaţionale. Primul amplificator operaţional este utilizat într-o buclă de reacţie pozitivă în scopul generării unui semnal dreptunghiular. Al doilea amplificator operaţional este utilizat în configuraţie de integrator şi are rolul de generator de semnal triunghiular. Explicarea funcţionării circuitului poate fi urmărită pe formele de undă indicate în Figura 2. Datorită reacţiei pozitive, valorile posibile ale tensiunii de la ieşirea primului amplificator operaţional sunt V + SAT respectiv V - SAT. Din acest motiv, la ieşirea primului amplificator operaţional se obţine o tensiune periodică v OD de formă dreptunghiulară. Pe durata unei semiperioade a semnalului de la ieşirea primului AO, valoarea tensiunii de ieşire este constantă, ceea ce determină încărcarea sau descărcarea condensatorului C, prin rezistorul R, la un curent constant, egal cu valoarea v OD /R, unde v OD poate avea valorile {V + SAT, V - SAT }, în funcţie de semiperioada considerată. Încărcarea/descărcarea unui condensator la un curent constant determină o variaţie liniară a tensiunii pe acesta, conform relaţiei de mai jos, dedusă pe baza ecuaţiei de funcţionare a condensatorului I vc ( t ) = t + vc ( 0 ) C unde v C (0) reprezintă valoarea tensiunii pe condesator la momentul iniţial t=0, iar I reprezintă valoarea curentului de încărcare/descărcare a condensatorului. Deoarece tensiunea v C (t) este egală cu tensiunea de ieşire v OT (t), rezultă că la această ieşire se obţine o tensiune periodică de formă triunghiulară. Figura 2. Generator de funcţii

4 Pentru generatorul de tensiune triunghiulară se pot deduce următoarele formule de proiectare: frecvenţa semnalului: f valoarea maximă a tensiunii triunghiulare: = k 4 R C 2.a V V SAT MAX = V SAT = VEE + k [ V ] 2.b valoarea minimă a tensiunii triunghiulare: unde: V + V SAT + MIN = V V CC k SAT = R [ V ] 2.c RF k = 2.d Proiectarea generatorului de semnal: în cazul proiectării unui astfel de circuit, specificaţiile de proiectare (datele iniţiale) sunt reprezentate de parametrii indicaţi mai sus, iar proiectarea generatorului de semnal triunghiular constă în alegerea valorilor componentelor circuitului (rezistoare, condensatoare), parcurgând etapele precizate în ordinea de mai jos:. se alege valoarea pentru tensiunile de alimentare V CC şi V EE ale AO-ului utilizat; 2. se determină valoarea parametrului k din formula 2.b; 3. se alege din tabelul de valori standardizate valoarea rezistenţei R la o valoarea convenabilă (câţiva kiloohmi) şi se calculează valoarea rezistenţei R F din relaţia 2.d; pentru valoarea rezistenţei R F, se alege din tabelul de valori standardizate valoarea cea mai apropiată de valoarea obţinută prin calcule; 4. se alege convenabil valoarea capacităţii electrice a condensatorului C din tabelul de valori standardizate (pentru domeniul de frecvenţe de ordinul kiloherţi, zeci de kiloherţi, se recomandă condensatoare cel mult de sute de nanofarazi), iar valoarea rezistenţei R se calculează cu formula 2.a; pentru valoarea rezistenţei R, se alege din tabelul de valori standardizate valoarea cea mai apropiată de valoarea obţinută prin calcule; - 4 -

5 III. Realizarea practică a generatorului de semnal dreptunghiular cu AO. Toate rezultatele obţinute se vor trece în Tabelul.. Se verifică dacă sursa de alimentare este decuplată (ledul ON de pe panoul frontal al aparatului trebuie să fie stins); dacă sursa de alimentare nu este decuplată, atunci se va apăsa butonul OUTPUT de pe panoul frontal al sursei de alimentare, pentru decuplarea acesteia (se observă stingerea ledului ON). 2. Se realizează circuitul din Figura 4, care reprezintă un generator de semnal dreptunghiular. Cele două surse de alimentare se setează la valoarea de 5[V]. Valorile componentelor circuitului sunt: C=33[nF], R =[kω], Rp =390[Ω] iar valorile pentru R şi R F sunt indicate în tabelul de mai jos, în funcţie de masa de lucru. Cele 2 led-uri sunt introduse în circuit pentru a scoate în evidenţă, printr-un efect vizual, faptul că tensiunea de ieşire basculează între cele 2 tensiuni de saturaţie ale AOului. Astfel, dacă tensiunea de ieşire este egală cu V SAT +, atunci LEDul este polarizat direct şi se aprinde, iar LEDul 2 este polarizat invers şi rămâne stins. Dacă tensiunea de ieşire este egală cu V SAT -, atunci LEDul 2 este polarizat direct şi se aprinde, iar LEDul este polarizat invers şi rămâne stins. Masa Masa 2 Masa 3 Masa 4 Masa 5 Masa 6 R = RF 2,2[kΩ] 2,7[kΩ] 3,9[kΩ] 4,7[kΩ] 5,6[kΩ] 6,2[kΩ] Figura 4. Generator de semnal dreptunghiular

6 3. Utilizând valorile ideale ale componentelor (cele indicate în laborator), se calculează cu formula valoarea teoretică a perioadei semnalului generat, apoi valoarea teoretică a frecvenţei semnalului. Valoarea frecvenţei obţinute se trece în Tabelul. 4. Se vizualizează pe ecranul osciloscopului tensiunea de ieşire v O şi se măsoară perioada semnalului generat, apoi se calculează frecvenţa semnalului cu relaţia f [ Hz ] =. T [ s ] Totodată, pe forma de undă a tensiunii de ieşire, se observă efectul limitării vitezei de variaţie a tensiunii de ieşire, introdus de amplificatorul operaţional: datorită acestei limitări, forma de undă nu este dreptunghiulară (cum ar fi ideal) ci trapezoidală. 5. Se decuplează sursa de alimentare prin apăsarea butonului OUTPUT de pe panoul frontal al acesteia (se observă stingerea ledului ON). 6. Se înlocuieşte condensatorul de 33[nF] cu condensatorul de 220[µF]. Atenţie! terminalul negativ al condensatorului trebuie conectat la masa circuitului. Se refac punctele 3 şi 4. Prin introducerea în circut a unui condesator de capacitate mai mare, perioada semnalului dreptungiular creşte, ceea ce determină scăderea frecvenţei semnalului generat. Din acest motiv, efectul limitării vitezei de variaţie a tensiunii de ieşire, introdus de amplificatorul operaţional nu maai este vizibil, forma de undă a semnalului generat tinzând spre cea dreptunghiulară. În concluzie, efectul limitării vitezei de variaţie a tensiunii de ieşire, introdus de amplificatorul operaţional influenţează circuitul la frecvenţe de lucru de valori mari. IV. Proiectarea unui generator de tensiune triunghiulară şi testarea funcţionării sale prin simulare în Orcad. Se va proiecta un generator de tensiune triunghiulară cu amplificatoare operaţionale. Procedeul de proiectare este indicat în secţiunea II a lucrării. Datele de proiectare sunt indicate în tabelul de mai jos, în funcţie de masa de lucru (datele de proiectare se precizează în Tabelul 2, în secţiunea Date de proiectare ): Masa Masa 2 Masa 3 Masa 4 Masa 5 Masa 6 frecvenţa f [khz] valoarea maximă a tensiunii triunghiulare V MAX [V] valoarea minimă a tensiunii triunghiulare V MIN [V] , ,8 + 3, , ,8-3,

7 Tensiunile de alimentare VCC şi VEE se aleg la valoarea de 5[V], respectiv -5[V]. Valorile componentelor circuitului, alese conform criteriilor de proiectare ale circuitului, se trec în Tabelul 2 (secţiunea Valori componente ). Pentru alegerea valorilor componentelor se utilizează cele 2 tabele de valori standardizate, indicate la finalul laboratorului. 2. Pentru testarea funcţionării circuitului se va utiliza pachetul software de proiectare a sistemelor electronice Orcad. În acest scop, se editează circuitul din Figura 5, în care sursele de tensiune VCC şi VEE sunt de tipul VDC şi au valoarea de 5[V]. Figura 5. Generator de tensiune triunghiulară circuitul editat în Orcad. 3. Testarea circuitului proiectat se realizează prin simularea acestuia; în acest scop, se va efectua o analiza de tip Time Domain. Parametrii simulării se calculează în funcţie de frecvenţa generatorului de semnal, precizată ca dată de proiectare. Se recomandă ca parametrii simulării să fie astfel calculaţi încât să se permintă vizualizarea a 0 perioade ale semnalelor generate. 4. Se vizualizează pe ecran tensiunea v OT, respectiv v OD. 5. Pentru tensiunea de ieşire a circuitului v OT, se vor măsura cu ajutorul cursorului parametrii următori: perioada T a semnalului triunghiular, valoarea maximă V MAX, respectiv valoarea minimă V MIN ; se calculează frecvenţa semnalului generat cu relaţia f [ Hz ] = ; toate T [ s ] valorile determinate se trec în Tabelul 2, în secţiune Date obţinute din circuit

8 Valorile standard ale rezistenţei electrice (gama de toleranţă ±5%) Valorile standard ale capacităţii electrice a condensatorului (gama de toleranţă ±0%) - 8 -

9 Nume, Prenume, Grupa: Tabelul. Rezultate circuit practic: generatorul de semnal dreptunghiular C f teoretic f masurat 33[nF] 220[uF] Tabelul 2. Rezultate Orcad: proiectarea unui generator de funcţii Date de proiectare Valori componente Date obţinute din circuit f C f V MAX R V MAX V MIN R F V MIN R - 9 -