Ćwiczenie nr 05 1 Oscylatory RF Podstawy teoretyczne Aβ(s) 1 Generator w układzie Colpittsa gmr Aβ(S) =1 gmrc1/c2=1 lub gmr=c2/c1 gmr C2/C1

Transkrypt

1 Ćwiczenie nr 05 Oscylatory RF Cel ćwiczenia: Zrozumienie zasady działania i charakterystyka oscylatorów RF. Projektowanie i zastosowanie oscylatorów w obwodach. Czytanie schematów elektronicznych, przestrzeganie zasad bhp podczas montażu elementów. Podstawy teoretyczne Oscylatory RF (w.cz.) są prostymi układami generatorów sygnałowych, które konwertują stałe napięcie zasilania na ciągłe przemienne napięcie wyjściowe bez żadnego sygnału wejściowego. Oscylatory zajmują bardzo ważną pozycje w systemach telekomunikacyjnych, generują częstotliwości nośne lub lokalne wykorzystywane w każdym takim systemie. Na rysunku - pokazano podstawowy schemat blokowy oscylatora, składający się ze wzmacniacza i rezonansowego obwodu sprzężenia zwrotnego. Po podłączeniu do obwodu napięcia zasilania w układzie pojawia się szum, który jest wzmacniany przez wzmacniacz i podawany z powrotem na jego wejście przez układ sprzężenia zwrotnego. Obwód sprzężenia zwrotnego, jako obwód rezonansowy, pełni również role filtra, który przepuszcza częstotliwość równą swojej częstotliwości rezonansowej, blokując pozostałe częstotliwości. Sygnał sprzężenia zwrotnego jest wzmacniany i ponownie z wyjścia podawany na wejście wzmacniacza. Jeżeli faza sygnału sprzężenia zwrotnego jest zgodna z fazą sygnału na wejściu i wzmocnienie wzmacniacza jest wystarczające, to układ wchodzi w żądany stan pracy, generując na wyjściu w sposób ciągły sygnał o określonej częstotliwości. Warunkiem prawidłowej pracy oscylatora jest spełnienie tzw. kryterium Barkhausena. Warunek ten opisuje zależność miedzy wzmocnieniem wzmacniacza i współczynnikiem sprzężenia zwrotnego oscylatora jak niżej: Aβ(s) Gdzie: A : wzmocnienie wzmacniacza β(s) : współczynnik sprzężenia zwrotnego oscylatora W naszych ćwiczeniach używane będą oscylatory tranzystorowe. Wzmacniacz tranzystorowy z nieliniową charakterystyka I C -V BE pracuje jak ogranicznik amplitudy. Oscylator z funkcja ograniczania amplitudy nazywany jest oscylatorem z samoograniczaniem, gdy wzmocnienie jego pętli sprzężenia jest równe. W takim przypadku obwód oscylatora nie musi być rozbudowywany o dodatkowy układ ogranicznika amplitudy. Generator w układzie Colpittsa Zastępczy schemat zmiennoprądowy oscylatora Colpittsa pokazano na rysunku -2. Równoległy obwód rezonansowy LC jest włączony miedzy bazę i kolektor tranzystora, a cześć napięcia sprzężenia zwrotnego jest podawana na emiter poprzez dzielnik napięcia złożony z kondensatorów C i C2. Występująca na schemacie rezystancja R reprezentuje sumę rezystancji wyjściowej tranzystora, rezystancji obciążenia oraz rezystancji zastępczych cewki i kondensatora. Dla niezbyt wysokich częstotliwości wewnętrzne pojemności tranzystora mogą zostać pominięte w rozważaniach i częstotliwość oscylacji generatora Colpittsa można obliczyć z zależności: f 0 Hz C C2 2 L C C2 W oscylatorze Colpittsa współczynnik sprzężenia zwrotnego β jest równy C/C2, a wzmocnienie A wzmacniacza wynosi g m R. Podstawiając te wartości do zależności (-): Aβ(S) = uzyskujemy g m RC/C2= lub g m R=C2/C Aby rozpoczęły się oscylacje, wzmocnienie pętli sprzężenia powinno być przynajmniej równe, zatem warunek oscylacji może być zapisany jak niżej: g m R C2/C Na rysunku -3 przedstawiono praktyczny schemat generatora w układzie Colpittsa. Rezystory R, R2, R3 i R4 wraz z kondensatorem C2 ustalają spoczynkowy punkt pracy tranzystora, kondensator C jest kondensatorem sprzęgającym, natomiast częstotliwość oscylacji jest zależna od dzielnika C3 i C4 oraz cewki L.

2 Wymagane wyposażenie. Moduł KL Moduł KL Oscyloskop 4. Miernik LCR Generator Colpittsa. Zlokalizować w module KL-9300 obwód oscylatora Colpittsa. Wpiąć zwieracze do punktów J i J3, aby ustawić C3 = 0,00µF, C4 = 0,05µF i L = 27µH. Zanotować w tabeli - kształt i częstotliwości obserwowanego przebiegu. Jeżeli układ pracuje niepoprawnie, ponownie sprawdzić polaryzacje (punkt pracy) tranzystora. 3. Odłączyć zwieracze od punktów J i J3. Miernikiem LCR zmierzyć pojemność kondensatorów C3 i C4 oraz indukcyjność cewki L, wyniki pomiarów wpisać do tabeli -, a następnie obliczyć częstotliwość wyjściową 4. Wpiąć teraz zwieracze do punktów J2 i J4, aby zmienić kondensator C3 na C5 (200pF), kondensator C4 na C6 (000pF) i cewkę L na L2 (2,7µH). Dla nowych elementów powtórzyć punkty 2 i 3. Tabela - Tabela -2 2

3 Generator Hartleya Zastępczy schemat zmiennoprądowy oscylatora Hartleya pokazany na rysunku -4 jest podobny do przedstawionego wcześniej układu Colpittsa. Równoległy obwód rezonansowy LC jest również włączony miedzy bazę i kolektor tranzystora, ale dzielnik napięcia wykonany jest z cewek L i L2, a nie z kondensatorów. Występująca na schemacie rezystancja R reprezentuje sumę rezystancji wyjściowej tranzystora, rezystancji obciążenia oraz rezystancji zastępczych cewek i kondensatora. Dla niezbyt wysokich częstotliwości pojemność rozproszenia tranzystora może zostać pominięta w rozważaniach, wtedy częstotliwość oscylacji determinowana przez wartości elementów układu rezonansowego można obliczyć z zależności: f 0 Hz W oscylatorze Hartleya współczynnik sprzężenia zwrotnego β jest równy L2 / 2 C L L 2 L, a wzmocnienie A wzmacniacza wynosi g m R. Podstawiając te wartości do zależności (-): Aβ(S) = uzyskujemy g m RL 2 /L = lub g m R=L /L 2 Aby rozpoczęły się oscylacje, wzmocnienie pętli sprzężenia powinno być przynajmniej równe, zatem warunek oscylacji może być zapisany jak niżej: g m R L /L 2 Na rysunku -5 przedstawiono praktyczny schemat generatora w układzie Hartleya. Rezystory R, R2 i R3 wraz z kondensatorem C2 ustalają spoczynkowy punkt pracy tranzystora, kondensator C jest kondensatorem sprzęgającym, natomiast częstotliwość oscylacji jest zależna od dzielnika L i L2 oraz kondensatora C3. Oprócz układów omówionych wyżej praktyczne zastosowanie znajduje wiele innych rodzajów oscylatorów, jak np. generatory RC z przesuwnikiem fazy lub mostkiem Wiena przy małych częstotliwościach lub oscylatory Pierce a i Clappa, gdzie wymagana jest duża stabilność częstotliwości. Generatory Pierce a są najpowszechniej stosowanym typem oscylatora w zakresie wysokich częstotliwości, gdyż wykorzystują rezonatory kwarcowe charakteryzujące się małym poborem mocy oraz bardzo dużą dobrocią i wysoką stabilnością. Generator Hartleya. Zlokalizować w module KL-9300 obwód oscylatora Hartleya. Wpiąć zwieracze do punktów J i J3, aby ustawić L = 68µH, L2 = 2,7µH i C3 = 00pF. Zanotować w tabeli -2 kształt i częstotliwości obserwowanego przebiegu. Jeżeli układ pracuje niepoprawnie, ponownie sprawdzić polaryzacje (punkt pracy) tranzystora. 3. Odłączyć zwieracze od punktów J i J3. Miernikiem LCR zmierzyć pojemność kondensatora C3 oraz indukcyjności cewek L i L2, wyniki pomiarów wpisać do tabeli -2, a następnie obliczyć częstotliwość wyjściową 4. Wpiąć teraz zwieracze do punktów J2 i J4, aby zmienić kondensator C3 na C4 (50pF), cewkę L na L3 (47µH) oraz cewkę L2 na L4 (470µH). Dla nowych elementów powtórzyć punkty 2 i 3 3

4 Zespół Szkół Mechanicznych w Namysłowie Eksploatacja urządzeń elektronicznych Temat ćwiczenia: Zrozumienie zasady działania oscylatorów generator Colpittsa, Hartleya. Imię i nazwisko Nr ćw 5 Data wykonania Klasa 2TEZ Grupa Zespół OCENY Samoocena Wykonanie Ogólna CEL ĆWICZENIA: ODPOWIEDZ NA PYTANIA. W jaki sposób zbudowany jest generator Colpittsa? 2. Jaką częstotliwość otrzymujemy z generatora Colpittsa? 3. Jak obliczysz częstotliwość oscylacji Generatora Colpittsa? 4. W jaki sposób zbudowany jest generator Hartleya? 5. Jaką częstotliwość otrzymujemy z generatora Hartleya? 6. Jak obliczysz częstotliwość oscylacji Generatora Hartleya? 7. Jaka jest różnica między generatorem Colpittsa a Hartleya? 4

5 8. Generator Colpittsa Schemat potrzebny do realizacji zadania. Zlokalizować w module KL-9300 obwód oscylatora Colpittsa. Wpiąć zwieracze do punktów J i J3, aby ustawić C3 = 0,00µF, C4 = 0,05µF i L = 27µH. Zanotować w tabeli - kształt i częstotliwości obserwowanego przebiegu. Jeżeli układ pracuje niepoprawnie, ponownie sprawdzić polaryzacje (punkt pracy) tranzystora. 3. Odłączyć zwieracze od punktów J i J3. Miernikiem LCR zmierzyć pojemność kondensatorów C3 i C4 oraz indukcyjność cewki L, wyniki pomiarów wpisać do tabeli -, a następnie obliczyć częstotliwość wyjściową 4. Wpiąć teraz zwieracze do punktów J2 i J4, aby zmienić kondensator C3 na C5 (200pF), kondensator C4 na C6 (000pF) i cewkę L na L2 (2,7µH). Dla nowych elementów powtórzyć punkty 2 i 3. Generator Hartleya Schematy. Zlokalizować w module KL-9300 obwód oscylatora Hartleya. Wpiąć zwieracze do punktów J i J3, aby ustawić L = 68µH, L2 = 2,7µH i C3 = 00pF. Zanotować w tabeli -2 kształt i częstotliwości obserwowanego przebiegu. Jeżeli układ pracuje niepoprawnie, ponownie sprawdzić polaryzacje (punkt pracy) tranzystora. 3. Odłączyć zwieracze od punktów J i J3. Miernikiem LCR zmierzyć pojemność kondensatora C3 oraz indukcyjności cewek L i L2, wyniki pomiarów wpisać do tabeli -2, a następnie obliczyć częstotliwość wyjściową 4. Wpiąć teraz zwieracze do punktów J2 i J4, aby zmienić kondensator C3 na C4 (50pF), cewkę L na L3 (47µH) oraz cewkę L2 na L4 (470µH). Dla nowych elementów powtórzyć punkty 2 i 3 WNIOSKI I SPOSTRZEŻENIA 5

6 Tabela - generator Colpittsa C3 C4 L Przebieg wyjściowy nf 5nF 27µH nf 5nF 27µH 00pF 000pF 2,7µH 6

7 Tabela -2 Generator Hartleya L L2 C3 Przebieg wyjściowy 68µH 2,7µH 00pF 470µH 47µH 50pF 7