Wst p Tematem projektu jest zaproponowanie uk adu generatora funkcyjnego, spe niaj cego nast puj ce warunki: - generacja przebiegów o kszta cie trójk tnym, prostok tnym i sinusoidalnym; - regulowana amplituda przebiegów wyj ciowych; - regulowana cz stotliwo przebiegów wyj ciowych w zakresie odpowiadaj cym cz stotliwo ciom akustycznym; Dodatkowo postawiono nast puj ce warunki: - generacja przebiegu pi okszta tnego; - regulacja sk adowej sta ej przebiegu; - regulacja wype nienia przebiegu prostok tnego; - wykorzystanie powszechnie dost pnych elementów elektronicznych; Projekt przewiduje równie wykonanie p ytki drukowanej do zaproponowanego uk adu. Bior c pod uwag za o enia wst pne oraz dodatkowe warunki, schemat blokowy uk adu mo na przedstawi w sposób nast puj cy: Rys.1 Schemat blokowy generatora. Sercem urz dzenia jest generator przebiegu trójk tnego i prostok tnego. Przebieg sinusoidalny uzyskuje si przez odpowiednie ukszta towanie przebiegu trójk tnego. Wbudowany regulowany t umik pozwala dowolnie regulowa amplitud napi cia wyj ciowego. Elementy uk adu zasilane s z napi ±12V, uzyskiwanych ze scalonych stabilizatorów napi cia. Przy projektowaniu uk adu skupiono si na prostocie schematów poszczególnych bloków funkcjonalnych generatora. 2
Dzia anie uk adu a.) Generator przebiegu prostok tnego i trójk tnego. Generator przebiegu trójk tnego i prostok tnego wykonany jest wed ug klasycznego uk adu pokazanego w uproszczeniu na rysunku. Wzmacniacz operacyjny A pracuje jako komparator, to znaczy porównuje napi cia na swoim wej ciu odwracaj cym i nieodwracaj cym. Ponadto komparator ten jest obj ty p tl silnego dodatniego sprz enia zwrotnego (wskutek obecno ci rezystorów R2 i R3). W konsekwencji napi cie na wyj ciu wzmacniacza A (w punkcie X) przybiera tylko dwie warto ci: albo jest bliskie dodatniego, albo ujemnego napi cia zasilaj cego. Wzmacniacz operacyjny B pracuje w charakterze integratora. Napi cie na jego wyj ciu zmienia si tak, by na jego wej ciu odwracaj cym napi cie zawsze by o równe potencja owi masy, (czyli napi ciu na wej ciu nieodwracaj cym). Poniewa napi cie w punkcie X przybiera jedn z dwu ustalonych, równych warto ci, wi c przez rezystor R1 b dzie p yn pr d o sta ym nat eniu, a zmienia si b dzie tylko kierunek pr du. Pr d ten b dzie na przemian adowa i roz adowywa kondensator C. Rys.2 Idea dzia ania i przebiegi czasowe w wybranych punktach generatora przebiegu prostok tnego i trójk tnego. Je eli w pewnej chwili czasu t 0 napi cie na wyj ciu wzmacniacza operacyjnego A (punkt X) jest równe dodatniemu napi ciu zasilaj cemu to przez rezystor R1 pop ynie pr d w kierunku od punktu X do Z. Wej cie wzmacniacza operacyjnego B nie pobiera pr du, wi c pr d ten musi p yn dalej przez kondensator C. Aby zapewni przep yw przez kondensator C pr du o sta ej warto ci, wzmacniacz operacyjny jednostajnie zmniejsza napi cie na swoim wyj ciu. Na rysunku 2 jest to okres czasu od t 0 do t 1. Napi cie w punkcie Y maleje liniowo. Mo na zauwa y, e rezystory R2 i R3 tworz dzielnik napi cia. Je eli rezystory te maj równe warto ci to napi cie w punkcie X ma warto blisk dodatniemu napi ciu zasilaj cemu. 3
Napi cie w punkcie Y spada i jest coraz bli sze ujemnego napi cia zasilaj cego. Tym samym napi cie w punkcie W spada równie i zbli a si do po owy napi cia zasilaj cego, czyli do potencja u masy. Je li to napi cie w punkcie W opadnie troszeczk poni ej potencja u masy, wtedy stan na wyj ciu wzmacniacza A zmieni si na przeciwny napi cie w punkcie X (wskutek dzia ania dodatniego sprz enia zwrotnego przez rezystor R2), gwa townie opadnie do poziomu bliskiego ujemnemu napi ciu zasilaj cemu. Podobnie napi cie w punkcie W. Na rysunku jest to chwila t 1. W takiej sytuacji zmieni si kierunek pr du p yn cego przez rezystor R1 teraz b dzie on p yn od punktu Z do X. Ten pr d musi pop yn przez kondensator C. Aby to nast pi o napi cie w punkcie Y musi jednostajnie narasta. Zadba o to wzmacniacz operacyjny B. Napi cie w punkcie Y, a tak e napi cie w punkcie W b dzie rosn. W momencie, gdy napi cie w punkcie W nieco przekroczy potencja masy, wzmacniacz A znów zmienia stan wyj cia znów pojawi si tam napi cie bliskie dodatniemu napi ciu zasilaj cemu. Na rysunku jest to chwila oznaczona t 2. Potem pr d p yn cy przez rezystor R1 zmieni kierunek i znów napi cie w punkcie Y zacznie opada. Cykl b dzie si powtarza. W praktyce, w normalnych warunkach pracy, na wyj ciu wzmacniacza operacyjnego nie mo e si pojawi napi cie równe jednemu z napi zasilania. Równie ujemne oraz dodatnie napi cie nasycenia nie s sobie równe. Ponadto uk ad nie móg by pracowa przy równych warto ciach rezystorów R2 i R3. Dlatego w uk adzie rzeczywistym na wyj ciu wzmacniacza A zastosowano obwód obcinania napi cia wyj ciowego. Warto ci rezystorów R2 i R3 pozostawiono równe, dzi ki czemu amplitudy przebiegu prostok tnego i trójk tnego s równe. Przeanalizowanie dzia ania uk adu generatora wskazuje, e cz stotliwo mo na atwo zmienia albo zmieniaj c pojemno kondensatora C, albo zmieniaj c pr d p yn cy przez rezystor R1. W uk adzie zmian pojemno ci wykorzystano do skokowej zmiany zakresu cz stotliwo ci, natomiast zmiany pr du p yn cego przez R1 s u do p ynnej regulacji cz stotliwo ci. Uk ad generacji przebiegu trójk tnego i prostok tnego oparty na omówionej wcze niej idei dzia ania przedstawia rysunek 3. W uk adzie generatora mo na zidentyfikowa podstawowe bloki znane z rysunku 2: wzmacniacze operacyjne U3A i U3B i rezystory R2, R3. Zamiast pojedynczego kondensatora C, w uk adzie zastosowano zespó kondensatorów, a prze cznik S1 umo liwia wybór zakresu cz stotliwo ci w zakresie 0,2Hz...20kHz. W uk adzie i na p ytce przewidziano miejsce na kondensator zmienny trymer C17. Przewidziano równie miejsce na kondensatory C7 C12, które umo liwiaj stworzenie zakresu 0,02...0,2Hz. 4
W uk adzie wprowadzono obwód ograniczania napi cia wyj ciowego wzmacniacza U3A. Sk ada si on z rezystora R4 i diod D5...D14. W uk adzie przewidziano dodatkowe wyj cie przebiegu prostok tnego w postaci z cza BNC (BNC1). Wyj cie to mo e by wykorzystane na przyk ad do do czenia cz sto ciomierza. Rezystor R5 separuje generator i umo liwia jego poprawn prac tak e w przypadku zwarcia wyj cia do masy. Rezystor R6 mo e by wykorzystany do zmniejszenia amplitudy przebiegu na tym wyj ciu. Potencjometr P1 wraz z rezystorem R18 umo liwiaj p ynn zmian cz stotliwo ci, natomiast rezystor R19 wyznacza minimaln cz stotliwo na danym zakresie. Rys.3 Schemat ideowy generatora przebiegu prostok tnego, trójk tnego i pi okszta tnego. b.) Uk ad regulacji wype nienia. Idea generacji przebiegu pi okszta tnego oraz zmiany wype nienia pokazana zosta a na rysunku 4. Zmiana wype nienia zosta a zrealizowana w oparciu o zmian czasu adowania i roz adowania kondensatora C. Zmieniaj c stosunek rezystancji R1a i R1b mo na uzyska zmian wspó czynnika wype nienia i uzyska przebiegi pokazane na rysunku 4. Rys.4 Schemat ideowy generatora przebiegu prostok tnego, trójk tnego i pi okszta tnego. 5
W uk adzie z rysunku 3, zmiana wspó czynnika wype nienia przebiegu jest realizowana za pomoc potencjometru P2. W obwodzie tym rezystory R16 i R17 ograniczaj zmiany wspó czynnika wype nienia do oko o 0,8...99,2%. Poniewa w obwodzie potencjometru P2 musz by w czone diody D25 i D26, niejako dla kompensacji w czono równie dodatkowe diody D29 i D30. Dzi ki temu uk ad pracuje poprawnie w pe nym zakresie ustawie potencjometru P1. Bez diod D27 i D28 uk ad nie pracowa by przy ustawieniu suwaka potencjometru P1 blisko masy. c.) Uk ad kszta towania przebiegu sinusoidalnego. Przebieg sinusoidalny uzyskuje si przez odpowiednie obci cie czy te sp aszczenie przebiegu trójk tnego. Rysunek 5 pokazuje jedn z mo liwych realizacji takiego obcinania czy sp aszczania, w przypadku gdyby chodzi o tylko o dodatni polówk przebiegu. Gdy napi cie chwilowe na wej ciu jest niewielkie, nie przewodzi adna z diod Zenera, nie ma spadku napi cia na rezystorze Rs przebieg na wyj ciu ma takie same nachylenie, jak przebieg wej ciowy. Gdy napi cie wej ciowe staje si wi ksze, zaczyna przewodzi dioda Zenera o najni szym napi ciu przebieg zostaje nieco sp aszczony. Przy dalszym wzro cie napi cia wej ciowego zaczynaj przewodzi nast pne diody i przebieg jest coraz bardziej sp aszczany. Aby uzyska odpowiedni dok adno nale y zastosowa odpowiedni ilo diod Zenera i dok adnie dobranych rezystorów, a amplituda przebiegu wej ciowego te musi by ci le okre lona. T metod (tzw. metoda aproksymacji odcinkowej) mo na uzyska potrzebny kszta t przebiegu nawet z bardzo du dok adno ci. Metoda ta jest stosowana nie tylko do generacji przebiegu sinusoidalnego, (czyli realizacji matematycznej funkcji sinus), ale równie do realizowania innych funkcji matematycznych (pot gowanie, logarytmowanie, itp), oraz do linearyzacji charakterystyk ró nych przetworników. Rys.5 Idea tworzenia przebiegu sinusoidalnego z przebiegu trójk tnego. 6
Praktyczn wad przedstawionej metody aproksymacji odcinkowej jest konieczno dobierania diod Zenera o ci le okre lonych napi ciach. Inn istotn wad zmniejszaj c dok adno jest zale no napi cia Zenera od temperatury. W projektowanym generatorze w roli diod Zenera pracuj diody krzemowe 1N4148, w czone w kierunku przewodzenia (diody D15...D24), a sam uk ad kszta towania sinusoidy jest zbudowany nieco inaczej, ni pokazuje rysunek 5 zawiera wzmacniacz operacyjny U4A i rezystory R7...R10 (rysunek 6). Poniewa diody krzemowe w czone w kierunku przewodzenia maj du y wspó czynnik temperaturowy ( 2,2mV/ C), dok adno odwzorowania funkcji sinus zale a aby od temperatury. Aby uniezale ni si od temperatury, tak zaprojektowano uk ad, by amplituda przebiegu wej ciowego kompensowa a te zmiany (zamiast dwóch diod Zenera, zastosowano diody D5...D14 rysunek 3). Rys.6 Uk ad formowania przebiegu sinusoidalnego. d.) Uk ady wyj ciowe. Przebiegi: prostok tny, trójk tny i sinusoidalny podawane s na prze cznik wyboru kszta tu przebiegu (J3), a dalej na bufor w postaci wzmacniacza operacyjnego U4B i na prze czany t umik wyj ciowy (J4 oraz J5). Potencjometr P3 pozwala p ynnie regulowa amplitud przebiegu wyj ciowego. Potencjometr P4 s u y do regulacji sk adowej sta ej przebiegu, co umo liwia przesuni cie przebiegu w gór lub w dó. Zastosowane t umiki pozwalaj zmniejszy amplitud sygna u wyj ciowego 10, 100 lub 1000 razy. Rezystancja wyj ciowa generatora na wszystkich zakresach t umika jest zbli ona do 600. Dzi ki zastosowaniu rezystora ograniczaj cego R14, generator mo e by obci any dowoln oporno ci z zakresu od zera do niesko czono ci. Schemat uk adów wyj ciowych generatora pokazano na rysunku 7. 7
Rys.7 Uk ady wyj ciowe generatora funkcyjnego. P ytka drukowana P ytka drukowana do proponowanego generatora zosta a zaprojektowana jako jednostronna o wymiarach 15x20 cm, z metalizacj otworów. Na p ytce przewidziano miejsce na transformator sieciowy TS2/037 oraz obwody zasilania (prostownik i stabilizatory napi ). Elementy s u ce do wyboru rodzaju generowanego przebiegu (prze czniki J3 oraz J2), regulacji parametrów przebiegu (potencjometry P1 P4 i prze cznik 6-pozycyjny J1) oraz stopnia t umienia (prze czniki J4 oraz J5) powinny zosta umieszczone na panelu przednim urz dzenia, podobnie jak dwa z cza BNC (wyj cie w a ciwe oraz wyj cie dla cz sto ciomierza). Na p ytce drukowanej przewidziano równie miejsce na radiatory dla dwóch stabilizatorów napi cia. 8
Rys.8 P ytka drukowana widok od strony druku. Rys.9 P ytka drukowana widok od strony elementów. 9
Spis elementów Rezystory Kondensatory Pó przewodniki R1: 1,5k C1, C12: 220nF foliowe MKT M1: mostek prostowniczy R2, R3: 15k C2: 82pF D1...D30: 1N4148 R4, R24: 1k C3: 1nF foliowy D31: LED R5, R8, R11: 10k C4: 10nF foliowy U1: LM7812 R6, R18: 100k C5: 100nF foliowy U2: LM7912 R7: 9,09k 1% C6, C11: 1 F foliowy U3: TL082 R9: 40,2 k 1% C7...C10: 2,2 F foliowy U4: NE5532 R10: 24,3 k 1% C13, C14: 470 F/40V R12: 33k C15, C16: 100 /16V R13: 5,6k R14, R20, R22: 590 Pozosta e R16, R17: 1,2k transformator: TS 2/037 R19: 130 J1: prze cznik obrotowy 6 pozycyjny R21: 5,9k J2, J3: prze cznik dwupozycyjny jednoobwodowy R23: 59k J4, J5: prze cznik dwupozycyjny dwuobwodowy P1, P3, P4: 10k liniowy P2: 220 k liniowy Literatura Elektronika dla Wszystkich - nr 5/97, 6/97, 10/98; Sztuka Elektroniki - P. Horowitz, W. Hill; WK ; Elementy i Uk ady Elektroniczne S. Kuta; 10