Elektronika i techniki mikroprocesorowe

Elektronika i techniki mikroprocesorowe Elektronika Wybrane układy elektroniczne Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki Wydział Elektryczny, ul. Krzywoustego

1. Generatory sinusoidalne:. Powstawanie drgań w obwodzie elektrycznym 3. Generatory sinusoidalne podstawy, parametry, warunki generacji. 4. Podstawowe układy generatorów sinusoidalnych. 4. Generatory niesinusoidalne podstawowe informacje: 5. Multiwibrator. 6. Uniwibrator. PLAN WYKŁADU 7. Generatory zbudowane na wzmacniaczach operacyjnych. 8. Generatory sygnałów prostokątnych (w układach cyfrowych). 9. Układ generatora uniwersalnego

u C () Powstawanie drgań w obwodzie el. C Podstawowy obwód elektryczny w którym występują drgania R L i L di dt Równania opisujące układ d uc duc + Ri + uc = LC + RC + uc dt dt u di duc L, i = C, ul + ur + u = dt dt L = C Równanie charakterystyczne = d u dt C ξω u c [V] i[a] s + ξω s + ω = + du dt C + ω u C = t[ms] Wielkości opisujące ukł. rezonansowy ω = 1 LC ξ = R L C Q = L C R 3

Generator sinusoidalny - podstawy Generatory sinusoidalne to układy elektroniczne samorzutnie wytwarzające zamierzone przebiegi sinusoidalne okresowe. Nie są one źródłem energii lecz przetwarzają energię zasilania w energię sygnału wyjściowego. Generatory mogą pracować przy stałej lub przestrajanej częstotliwości i amplitudzie. Zakres częstotliwości pracy mieści się od µhz do THz. Ze względu na sposób wzbudzania generatory dzielimy na: samowzbudne rozpoczynające generację sygnału po podaniu zasilania, obcowzbudne wymagające sygnału zewnętrznego do sterowania (pobudzania) procesu generacji. Ze względu na zasadę działania wyróŝnia się: generatory RC ze sprzęŝeniem zwrotnym (niŝsze częstotliwości), generatory LC ze sprzęŝeniem zwrotnym (wyŝsze częstotliwości), generatory LC z ujemną rezystancją dynamiczną (wyŝsze częstotliwości), generatory kwarcowe (wyŝsze częstotliwości). 4

Generator sinusoidalny - parametry Parametry podstawowe: - częstotliwość sygnału generowanego - amplituda sygnału generowanego Am - moc wyjściowa - sprawność Parametry dodatkowe: f δ f = f stałość częstotliwości (względną zmianę częstotliwości w określonym przedziale) h' = k = N U U 1 współczynnik zawartości harmonicznych THD (Total Harmonic Distortion) k A δ A = A k = k = 1 m m stałość amplitudy h = U U współczynnik zniekształceń całkowitych k k 5

Warunki generacji K(jω) wzmacniacz β(jω) sprzęŝenie zwrotne U β = β ( jω) = K( jω) U ( jω) ( jω) K( jω) U ( jω) 1 Realizacje generatora: wzmacniacz odwracający + filtr przesuwający o π (dla jednej pulsacji), wzmacniacz nieodwracający + filtr przesuwający o π (dla jednej pulsacji), 6 K jϕ ( ) ( ) = ( ) ( ) 1 jϕ jω β jω K jω e β jω e = 1 WARUNEK AMPLITUDY: ( ) ( j ) K jω β ω = 1 WARUNEK FAZY: ϕ1 + ϕ =, π, 4 π,... Rola wzmacniacza: wzmocnienie sygnału z filtru w sprzęŝeniu, Rola filtru: zapewnienie odpowiedniego przesunięcia dla jednej częstotliwości,

Generator RC ze sprzęŝ ęŝeniem ϕ = arctg RC 1 β u1 Ψ u 1 -π -3π/ β u f Ψ u f 1 6 = π RC β = f = f f 1 9 Generator z tranzystorem bipolarnym i przesuwnikiem RC β u1 Ψ u 1/3 π/ f 1 1 1 = β f = f = π RC 3 -π/ f β u Ψ u f Generator ze wzmacniaczem operacyjnym i półmostkiem Wienna 7

Generator LC ze sprzęŝ ęŝeniem Generator Meissnera z tranzystorem bipolarnym f 1 1 = π LC Generator Colpittsa z tranzystorem unipolarnym C1 C C = C + C 1 Tranzystor T pracuje w układzie wzmacniacza odwracającego. Rezystory R B1, R B, R E dla tranzystora bipolarnego, natomiast R G, R S dla unipolarnego wyznaczają punkt pracy. Kondensatory C E, C S, C B (t. bipolarny), C S, C G, C C (t. unipolarny) blokują składową stałą. Filtry określają częstotliwość pracy i zapewniają odwrócenie fazy. 8

Generator LC ze ujemną rezystancją I 1 1 = π LC Realizacja z wykorzystaniem diody tunelowej f Charakterystyka diody tunelowej P 1 I P P u R DT U f Dioda tunelowa DT charakteryzuje się obszarem o ujemnej rezystancji dynamicznej. Punkt pracy określa się pośrodku tego obszaru. Rezystancja dynamiczna musi równowaŝyć rezystancję układu rezonansowego R oraz rezystancję obciąŝenia R. Dzięki temu powstają drgania o częstotliwości zaleŝnej od pojemności i indukcyjności. 9 t

Generator kwarcowe W układach wymagających duŝej stabilizacji częstotliwości stosuje się rezonatory kwarcowe. Wycina się je z monokryształów kwarcu. Wykorzystują one odwrotne zjawisko piezoelektryczne, polegające na odkształcaniu płytki piezoelektrycznej pod wpływem pola elektrycznego. L R C KWARC C O f S Symbol i schemat zastępczy rezonatora 1 = Q S = f R = f S 1 + f S C π LC L RC W rezonatorze kwarcowym wykorzystuje się rezonans szeregowy (lepsza stabilność częstotliwości). PoniewaŜ C o >> C rezonans równoległy zachodzi blisko szeregowego. DuŜa wartość indukcyjności L zapewnia bardzo wysoką dobroć (nawet setki tysięcy). C R 3 + - R 1 A R +U ZAS R > R Generator kwarcowy ze wzmacniaczem operacyjnym 1 1 R R 3

Generatory niesinusoidalne - podstawy Generatory niesinusoidalne dzielą się na generatory: - przebiegów prostokątnych - przerzutniki astabilne - przerzutniki monostabilne - przerzutniki bistabilne - przebiegów liniowych (piłokształtnych i trójkątnych) - inne Generatory mogą być zbudowane z: - tranzystorów (generatory tranzystorowe) - wzmacniaczy operacyjnych - bramek cyfrowych W generatorach niesinusoidalnych obowiązują te same warunki generacji co dla generatorów sinusoidalnych. SprzęŜenie zwrotne najczęściej jednak ma bardzo silne wzmocnienie co pozwala na generowanie przebiegów niesinusoidalnych (prostokątnych). 11

Generatory przebiegów prostokątnych tnych u B1 Przerzutnik astabilny - multiwibrator U (T)1 Przebiegi τ 1 =R B1 C B1 t u C1 E C U m1 t 1 t U CEsat1 T t SprzęŜenie zwrotne dodatnie uzyskuje się za pomocą odpowiednio przyłączonych kondensatorów C B1 i C B. Kondensator C B ładuje się do napięcia załączającego tranzystor T dzięki załączeniu tranzystora T 1. u B U (T) u C τ =R B C B t E C Okres drgań na wyjściu: T=lnR B C B U CEsat U m 1 t

Przerzutnik astabilny - multiwibrator Przerzutnik astabilny zbudowany ze wzmacniacza operacyjnego: Kondensator C przeładowuje się do napięcia U wy przez rezystor R 1. Na wejściu nieodwracającym panuje napięcie wynikające z dzielnika napięciowego bu wy. Zmiana napięcia wyjściowego występuje w chwili zrównania się napięcia kondensatora u C z napięciem na rezystorze R 3 13

Przerzutnik astabilny - multiwibrator Przerzutnik astabilny zbudowany z bramek logicznych: Bramka negacji odwraca sygnał o 18º, dlatego aby powstały drgania konieczne jest uŝycie dwóch bramek negacji. Częstotliwość generowanego sygnału wyjściowego w przybliŝeniu jest równa: f R C 1 + R C 1 1 Wypełnienie sygnału wyjściowego zaleŝy od parametrów R 1 C 1 i R C. W przypadku gdy R 1 =R, C 1 =C, wypełnienie sygnału wyjściowego wynosi D=,5. 14

Przerzutnik monostabilny - uniwibrator Przebiegi W przerzutniku monostabilnym moŝna wygenerować jeden impuls wymuszony zewnętrznym sygnałem. Czas trwania tego impulsu jest proporcjonalny do R 1 C. Przerzutnik ten moŝna stosować wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba wydłuŝenia impulsów. 15

Przerzutnik monostabilny - uniwibrator Stanem stabilnym na wyjściu jest stan wysoki. Podanie niskiego stanu na wejście spowoduje natychmiastowe przełączenie w stan niski napięcia wyjściowego. Kondensator będzie się rozładowywał, aŝ do momentu gdy przekroczone zostanie napięcie R /R 1 U wy. We U we B U we1 R C B U we Wy U we Uniwibrator stanem stabilnym na wyjściu jest stan wysoki. Zmiana sygnału wejściowego z wysokiego na niski powoduje wygenerowanie na wyjściu impulsu niskiego o czasie trwania proporcjonalnym do R i C. 16

Generator Pierce a Generator Pierce a jest jednym z najpopularniejszych generatorów napięcia prostokątnego. Stosowany niemal w kaŝdym mikroprocesorze wymaga jedynie podłączenia zewnętrznego rezonatora kwarcowego. Generator Pierce a moŝe istnieć teŝ w wersji z tranzystorami, bądź wzmacniaczami operacyjnymi. Drgania powstają w obwodzie rezonansowym rezonator-kondensatory C1 i C. 17

Generator przebiegów w liniowych piłokszta okształtnychtnych R r p E z R C + K u - u wy R Generator przebiegów liniowych najczęściej bazuje na moŝliwości wytworzenia liniowo zmieniającego się napięcia na kondensatorze, przez który wymusza się prąd stały. Generator przebiegów liniowych moŝna zbudować na układzie integratora, w którym napięcie kondensatora jest cyklicznie rozładowywane rezystorem R r. Jest to zatem generator napięcia piłokształtnego. 18

Układ czasowy (Timer( Timer) NE555 Układ czasowy NE555 jest uniwersalnym, tanim i bardzo prostym w uŝyciu układem, co sprawia, Ŝe jest on bardzo popularnym w elektronice. Układ czasowy NE555 jako jedyny doczekał się odrębnej ksiąŝki w języku polskim. Wydawnictwo BTC, 4. Przykładowe zastosowania: - multiwibrator - dzielnik częstotliwości - uniwibrator 19

Układ czasowy (Timer( Timer) NE555 Uniwibrator Multiwibrator Podłączenie jednego lub dwóch rezystorów i kondensatora pozwala skonstruować róŝne układy czasowe.

Scalony generator uniwersalny 838 Scalony generator funkcyjny XR 838A (EXAR), ICL 838 (Intersil) pozwala na generację przebiegów sinusoidalnych, prostokątnych i piłokształtnych. Symbol i schemat zastępczy rezonatora 1

Scalony generator XR 838A Parametry znamionowe: Zakres częstotliwości: -.1 Hz khz Regulacja wypełnienia w zakresie: - D = -98 % Napięcie zasilania: - (1 3)V lub ±(5 15)V Napięcia wyjściowe: - przebieg prostokątny:,98 U ZAS - przebieg trójkątny:,33 U ZAS - przebieg sinusoidalny:, U ZAS Poziom odkształceń: - przebieg trójkątny:,1 % - przebieg sinusoidalny:,8 % Wysoka stabilność temperaturowa i przy zmianach napięcia zasilania. MoŜliwość realizacji modulacji częstotliwościowej i przemiatania częstotliwości ZaleŜności czasowe: Regulację częstotliwości oraz wypełnienia uzyskuje się poprzez dobór rezystorów podłączonych do wejść DCA1 i DCA oraz kondensatora podłączonego do TC. Czas narastania przebiegu trójkątnego i sinusoidalnego oraz czas trwania poziomu niskiego dla przebiegu prostokątnego wynosi: T 1 = 5/3R A C Czas opadania przebiegów oraz poziomu wysokiego wynosi: T = 5/3R A R B C/(R A -R B ) Częstotliwość przebiegów wynosi: f=1/(t 1 + T ) f=.15/rc dla równych wartości rezystancji.

Scalony generator XR 838A Przykładowe aplikacje Generator przebiegów o regulowanym wypełnieniu i częstotliwości Generator sinusoidalny o zmniejszonych odkształceniach 3

KONIEC WYKŁADU NR 3 4