GENERATORY DRGA K.M.Gawrylczyk 1

Transkrypt

1 GENERATORY DRGA 1

2 Generator oparty na filtrze aktywnym o zbyt du ym wzmocnieniu wej cie filtru f=1/(2 RC) Rodzaj filtru: z tłumieniem krytycznym Bessela Butterwortha Czebyszewa 3dB drgania nietłumione k: 1,000 1,267 1,586 2,482 3,000 2

3 Generowanie drga (sinusoidalnych) Uzyskujemy dwoma sposobami: Pierwszy polega na utworzeniu takiego wzmacniacza, który dla jednej ci le okre lonej cz stotliwo ci sygnału miałby wzmocnienie równe niesko czono ci - generator ze sprz eniem zwrotnym Drugi polega na odtłumieniu rzeczywistego obwodu rezonansowego LC elementem o ujemnej rezystancji celem skompensowania rezystancji strat generator dwójnikowy 3

4 Układ ze sprz eniem zwrotnym U U =, U = β U, U = U + U wy 1 f f wy 1 f we ku U U U wy wy = βfku wy + ku we, kuf = = Uw e 1 U ku β k f u 4

5 Zgodnie z zało eniami pierwszego sposobu generacji drga budujemy wzmacniacz o niesko czonym wzmocnieniu. Wzmacniacz ten spełnia warunek wyst pienia drga, je li ma dodatnie sprz enie zwrotne oraz spełnione dwa warunki: 1. Warunek amplitudowy: 2. Warunek fazowy k uf U wy = = Uwe 1 k u k β u f Wzmocnienie wzmacniacza i toru sprz enia zwrotnego mo na przedstawi w postaci zespolonej wykładniczej: Wzmocnienie d y do niesko czono ci, gdy mianownik tego wyra enia d y do zera,a wi c: 1 k β = 0 czyli u k ( f ) β ( f ) = 1 u 0 f 0 Gdzie: k k ϕk = u k k- przesuni cie fazy w układzie wzmacniacza - przesuni cie fazy w układzie sprz enia zwrotnego. Zatem: e j u β β f = u f u f β f jϕ j e ϕ = k β = k 0 0 i jϕk e e 1 ϕ ( f ) + ϕ ( f ) = 0 + n 360 5

6 Je li wzmacniacz odwraca faz czyli ma ujemne sprz enie zwrotne K, a chcemy otrzyma dodatnie, nale y włw czy układ USZ o wzmocnieniu h które równier odwraca faz. ( h) ( K) > 0 u = h u = ( h) ( K u ) = h K u Napi cie U 0 mo e by wykorzystywane do synchronizacji generatora. Nie wpływa ono na istot zjawisk zachodz cych w generatorze lecz mo e przesun faz napi cia generowanego U 2. 6

7 Załó my najpierw, e U g =0 oraz P ustawiamy na 1. W ten sposób rozwieramy układ sprz enia zwrotnego, a wiec U 1 =U g (z zewn trznego generatora o małej amplitudzie). Wzmacniacz wzmacnia to napi cie oraz odwraca jego faz. Je eli teraz P ustawimy na 2 to U 1 =U 3 to kształt napi cia U 2 nie zmieni si tylko wtedy, gdy przed przeł czeniem napi cia zwrotnego U 3 miało tak sam amplitud i faz jak napi cie U g otrzymane z generatora. Otrzymujemy stan synchronizacji z generatorem zewn trznym. 7

8 Je eli jednak napi cie U 3 miało amplitud A 3 mniejsz od A 1 (h K<1) to zacznie male równie amplituda wyj ciowa A 2 a do całkowitego zaniku na skutek dodatniej p tli sprz enia zwrotnego. Je eli natomiast amplituda A 3 jest wi ksza od A 1 (h K>1), to zacznie rosn równie A 2, a do stanu nasycenia wzmacniacza. 8

9 Generator LC Do budowy generatorów sprz eniowych LC stosuje si obwody selektywne o du ej dobroci, gdy jej warto decyduje o stromo ci charakterystyki fazowej k (f) + (f), a co za tym idzie i o stało ci cz stotliwo ci całego generatora. Zakładamy, e cz stotliwo sygnału we mie ci si w zakresie rednich cz stotliwo ci tego wzmacniacza. W takich warunkach U wy jest przesuni te wzgl dem U we o k t zale ny od charakteru obci enia (Z 2, Z 3 ) 180 o - charakter rzeczywisty 90 o - charakter pojemno ciowy 270 o - charakter indukcyjny 9

10 Przykładem generatora LC jest układ z równolegr wnoległym obwodem rezonansowym (rezonansem pr dów) Przy cz stotliwo ci f 0 impedancja obci aj ca tranzystor ma charakter rzeczywisty (przesuni cie fazowe 180 ). Zakładaj c, e impedancja wej ciowa tranzystora jest du o wi ksza od impedancji Z 1 i Z 2 + Z 3 mo na pomin jej wpływ na sprz enie zwrotne. Wówczas schemat obwodu sprz enia zwrotnego wygl da tak: Transmitancja sprz zwrotnego: 3 3 j( ϕ3 ϕ ) = = = Poniewa argument dwójnika Z 3 oraz dwójnika Z mo e si zawiera w granicach od -90 do +90, to argument członu f (przesuni cie fazowe sprz enia zwrotnego) mo e si zawiera w granicach od -180 do β f Z Z Z + Z Z e gdzie: ϕ = arg( Z ) enia β e Z= Z2 + Z3 f jϕ Aby był spełniony warunek fazowy powstawania drga, przesuni cie fazy w USZ dla f 0 powinno wynie : ϕ = ϕ ϕ K ( ϕ + ϕ = 360 ) lub 180 ( ϕ + ϕ = 0) K 10

11 Generator Colpittsa W generatorze Colpittsa zastosowano tranzystor NPN z polaryzacj bazy i ujemnym sprz eniem zwrotnym dla składowej stałej (R E ) Rezystory R B i R E ustalaj punkt pracy tranzystora. Kondensator C E blokuje składow zmienn, a kondensator C B stanowi element sprz gaj cy. Dławik Dł (element separuj cy) zapewnia przepływ składowej stałej pr du kolektora, nie dopuszczaj c do zwarcia sygnału. Jest to wzmacniacz klasy A obj ty dodatnim sprz eniem zwrotnym (L,C 1,C 2 ) h = C C 2 1 f 0 = 2π 1 C1C 2 L C + C

12 Generator Clappa Generator Clappa jest modyfikacj generatora Colpittsa,, polegaj c na zastosowaniu dodatkowo kondensatora stroj cego C 3 poł czonego szeregowo z cewk L obwodu. Takie rozwi zanie pozwala u y du ych warto ci pojemno ci kondensatorów C 1 i C 2 (do 1mF) co znacznie poprawia stało cz stotliwo ci generatora. Układ: a) generatora Colpittsa, b) generatora Clappa. 12

13 Generator Hartley a Generator Hartley a zwany te czasem generatorem LC z dzielon indukcyjno ci ma układ taki sam jak w generatorze Colpittsa (elementy o tych samych symbolach pełni t sam rol ). Jednak tutaj cewka L jest rozdzielona na dwie L 1 oraz L 2 (czasem stosuje si po prostu odczep z jednej cewki) h f 0 = L L = 2 π ( L + L ) C

14 Generator Meissnera W generatorze Meissnera dodatnie sprz enie zwrotne zrealizowano za pomoc transformatora, zapewniaj cego przesuni cie fazy równe =180 dzi ki odpowiedniemu poł czeniu uzwoje (pokazano kropkami). Kolektor tranzystora jest obci ony równoległym obwodem rezonansowym zło onym z indukcyjno ci L uzwojenia pierwotnego transformatora i kondensatora C. Przy cz stotliwo ci f 0 impedancja obci aj ca kolektor ma charakter rzeczywisty i osi ga warto maksymaln. Przesuniecie fazy we wzmacniaczu wynosi k =180 Zapewnia to spełnienie warunku fazowego. Warunek amplitudowy realizuje si przez odpowiednie dobrane przekładni transformatora. h = M L f 0 = 2 π 1 LC 14

15 Podsumowanie: Zmian cz stotliwo ci drga generatorów w osi ga si najłatwiej atwiej przez zmian pojemno ci kondensatorów w wchodz cych w skład obwodów rezonansowych. Układ Meisnera Układ Colpittsa Układ Hartley a 15

16 Podsumowanie Generator: Collpitsa, Hartley a, Clappa 16

17 Generatory RC Generatory te mo na zbudowa z u yciem dowolnego elementu aktywnego. Funkcj toru wzmacniaj cego zwykle pełni wzmacniacz jedno- lub dwutranzystorowy albo wzmacniacz operacyjny. Na rysunkach przedstawiono schematy najprostszych układów generatora RC zwanych generatorem z przesuwnikiem fazowym RC albo generatorem drabinkowym RC. W obu układach rezystor R c jest tak dobrany aby był zachowany amplitudowy warunek generacji drga : k u βf 1 17

18 Generatory mostkowe RC Du o lepsze parametry cechuj jednak generatory z budowane z mostków RC, zwane równie czwórnikami kratowymi RC. Jest to zwi zane z ich du ym nachyleniem charakterystyki fazowej w otoczeniu punktu równowagi. Przykładem takiego układu jest mostek Wiena. Mostek zachowuje równowag dla: f 0 1 = 2 πrc gdy: R 2 R = 1 2 R = R (2 + ε ) 2 1 ε Układ powinien pracowa przy małym odstrojeniu R 2 =R 1 (2+ ). Liczba, czyli miara nie zrównowa enia mostka 0 < < 1 powinna by jak najmniejsza, poniewa zapewnia to bardzo du e nachylenie charakterystyki fazowej. Generator z tak dobranym mostkiem ma charakterystyk fazow o stromo ci odpowiadaj cej obwodowi rezonansowemu o dobroci Q = 0,23k, gdzie: k - wzmocnienie napi ciowe wzmacniacza. 18

19 Generatory kwarcowe Ma on zdecydowanie najlepsze parametry wła ciwo ci dzi ki kwarcowej stabilizacji cz stotliwo ci drga. Du a stromo charakterystyki fazowej toru sprz enia zwrotnego zapewniaj rezonatory kwarcowe. Generator kwarcowy jest to wzmacniacz operacyjny lub tranzystorowy obj ty selektywnym dodatnim sprz eniem zwrotnym, zapewniaj cym spełnienie warunku fazy oraz szerokopasmowego ujemnego sprz enia zwrotnego, zapewniaj cego spełnienie warunku amplitudowego powstawania drga sinusoidalnych. 19

20 Generator kwarcowy Colpitsa-Pierce Pierce a Generator kwarcowy Pierce'a jest odmian generatora Colpittsa. Rezonator kwarcowy wykorzystywany jest jako element indukcyjny. 3) 1) Generator Pierce'a 2) Symbol graficzny (a) i schemat zast pczy (b) rezonatora kwarcowego 3) Charakterystyki rezonatora kwarcowego. 20

21 Generator kwarcowy na bramkach Układ generatora przebiegów w prostok tnych stabilizowany kwarcem zbudowany na bramkach TTL.. Cz stotliwo drga jest okre lana poprzez warto ci R i C. Napi cie wyj ciowe jest prostok tne i ma poziom odpowiadaj cy układom TTL. 21

22 Generator relaksacyjny 22

23 Multiwibrator astabilny 23

24 Multiwibrator monostabilny 24

25 Parametry generatorów Cz stotliwo f 0 generowanego przebiegu (wraz ze zmianami temperatury, punktu pracy i innych parametrów w generowana cz stotliwo ulega nieznacznym zmianom wokół warto ci nominalnej f 0 Stało cz stotliwo ci generowanego przebiegu jest to stosunek redniej warto ci odchyłki cz stotliwo ci do warto ci nominalnej. Wyra ana jest liczb niemianowan. Generatory sprz eniowe maj tym lepsza stało, im wi ksze jest nachylenie charakterystyki fazowej. Współczynnik zawarto ci harmonicznych (podobnie jak we wzmacniaczach). Zakres i charakter przestrajania generatora (np. przestrajamie pr dem, napi ciem lub punktem pracy elementów w aktywnych) 25

26 Dzi kuj za uwag! 26