GENERATOR DRGAŃ SINUSOIDALNYCH LC i KWARCOWY

WSTĘP

W czasie zajęć laboratoryjnych będzie badany generator LC w układzie

Colpittsa (z dzielnikiem pojemnościowym) przedstawiony w uproszczeniu na

rysunku 1, oraz generator kwarcowy otrzymany przez zastąpienie cewki

rezonatorem kwarcowym. Pełny schemat badanego układu znajduje się na

rysunku 8.

Przy projektowaniu generatora zadaje się dwa główne parametry:

częstotliwość i amplitudę sygnału wyjściowego. Zwykle żąda się, aby parametry

te zmieniały się możliwie mało przy zmianach obciążenia generatora,

temperatury otoczenia, napięć zasilających i czasu. W praktyce projektowanie

układu generatora na oba zadane parametry jest bardzo trudne, gdyż trzeba

korzystać z nieliniowego opisu elementów. Równocześnie wyniki obliczeń

niezbyt często sprawdzają się po uruchomieniu modelu generatora. Stąd proces

projektowania generatora ogranicza się zwykle do wyznaczenia wartości

niektórych jego elementów tak, aby generator wzbudzał się łatwo i wytwarzał

sygnał o częstotliwości zbliżonej do wymaganej. Korzysta się przy tym z

liniowych modeli elementów generatora. Oczywiście, potraktowanie generatora

jako układu liniowego ma sens tylko w fazie wzbudzania się drgań i w

Rys.1. Schemat generatora Colpittsa badanego w ćwiczeniu.

2

początkowej fazie narastania drgań, gdy amplitudy napięć i prądów są bardzo

małe.

Przystąpmy do uproszczonego projektowania układu generatora

przedstawionego na rysunku 1. Metoda wyprowadzenia wzorów projektowych

będzie na tyle ogólna, że można ją stosować do analizy innych układów

generacyjnych.

Przede wszystkim należy rozważyć wszelkie założenia, ograniczenia i dane

projektu. W rozpatrywanym przypadku będą to:

- założenie liniowości wszystkich elementów układu generatora,

- narzucony schemat układu generatora,

- założona wartość częstotliwości sygnału wytwarzanego przez generator

(fg),

- założona wartość współczynnika regeneracji (w),

- dane wartości indukcyjności i dobroci cewki [L,QL]

- dane wartości parametrów niektórych elementów układu (R1,Robc),

- dane wartości napięć zasilających.

Poszukujemy wartości pojemności kondensatorów C1 i C2.

Projektowanie odbywa się w kolejnych krokach.

1. Mając dane wartości parametrów elementów układu, wartości napięć

zasilających oraz typ tranzystora T1 wyznacza się początkowy punkt pracy

tranzystora T1 (tzn. punkt pracy tranzystora dla zerowej amplitudy sygnału

wyjściowego generatora). W przykładowym układzie początkowy punkt pracy

(dla U’EE=13,7V) równy jest: IE=1mA, UCB=5V.

2. Dla wyznaczonego początkowego punktu pracy tranzystora T1 i danej

częstotliwości fg odczytuje się z katalogu lub określa w dowolny inny sposób

parametry różniczkowe przyjętego liniowego modelu tranzystora T1. Dla

rozpatrywanego układu, tranzystora typu BF 215, częstotliwości fg=1MHz i

modelu bazującego na macierzy [yb] otrzymamy:

g11b=33mS C11b=9pF g12b0 C12b=0,6pF

g21b=33mS 21b0 g22b0 C22b=0,7pF

(Y12b=-j3.8S dla f=1MHz)

3. Dla danego schematu generatora oraz przyjętego liniowego modelu

elementu aktywnego rysuje się schemat zastępczy układu generatora. W

schemacie zastępczym występują tylko elementy liniowe. Może on służyć

jedynie do wyznaczenia warunków wzbudzania się drgań w rzeczywistym

generatorze. Schemat zastępczy układu z rys.1 przedstawiono na rys. 2.

Porównując te dwa rysunki łatwo można określić odpowiedniość

elementów i ich modeli. Wyjątek stanowi symbol Gd. Konduktancja Gd

3

modeluje łącznie: straty energii w nieobciążonym obwodzie rezonansowym Gd0,

konduktancję wejściową wtórnika separującego Gwe wt oraz konduktancję

obciążenia Gobc. Możemy napisać:

Gd=Gd0+Gwe wt+Gobc

Konduktancja Gd0 reprezentuje straty energii powstające do przy przepływie

prądu o częstotliwości fg przez cewkę [L,QL] oraz kondensatory C1 i C2.

Stratność kondensatorów mikowych i styrofleksowych (takie powinny być

użyte w ćwiczeniu) dla f1MHz jest znacznie mniejsza od stratności cewki

indukcyjnej. Wtedy konduktancję Gd0 można utożsamiać z konduktancją

GL=1/gLQL) stanowiącą wraz z równolegle do niej dołączoną indukcyjnością

L wygodny model cewki [L,QL].

Zauważmy, że na rys.2 można wskazać zamkniętą pętlę, w której

cyrkuluje sygnał. Na przykład, biorąc pod uwagę napięcie US: steruje ono

źródłem prądowym g21bUS, które powoduje, między innymi, powstanie napięcia

na dzielniku C1, C2. Spadek napięcia z C2 doprowadzany jest do punktu

startowego naszych rozważań. W ten sposób zidentyfikowaliśmy pętlę

generacyjną.

4. Rozcinamy pętlę generacyjną. Musimy to zrobić (choćby w pamięci!),

aby napisać równanie generatora o postaci:

(k)fg=w+j0 (1)

gdzie: (k)fg - transmitancja otwartej pętli generatora dla częstotliwości f = fg,

w - współczynnik regeneracji.

Aby układ mógł wytwarzać drgania elektryczne, musi być w1.

Równanie generatora (warunek powstawania drgań) może mieć inną

postać np. można przyrównać do zera wyznacznik sieci, którą tworzy układ

generatora i poszukiwać warunków występowania miejsc zerowych w prawej

Rys.2. Schemat zastępczy generatora z rys.1.

4

półpłaszczyźnie zmiennej zespolonej s. Równanie (1) nazywane bywa

warunkiem powstawania drgań. Jest ono zwykle zastępowane dwoma

równaniami:

Re (k)fg=w (2)

Im (k)fg=0 (3)

które nazywa się odpowiednio: warunkiem amplitudy i warunkiem fazy (lub

częstotliwości).

Rozcięcie pętli generacyjnej musi być wykonane w sposób właściwy, tzn.

po rozcięciu nie mogą zmienić się warunki pracy pętli. Dla schematu z rys.2

najbardziej wygodne, dla celów obliczeniowych, jest rozcięcie pętli w punkcie

P oznaczonym krzyżykiem. W doświadczalnej części ćwiczenia pętla zostanie

przecięta w punkcie P' oznaczonym rombem. Co należy zrobić, aby warunki

pracy pętli rozciętej w punkcie P' były takie same jak pętli zamkniętej?

5. Korzystając ze schematu generatora z rozciętą pętlą obliczamy

transmitancję pętli. Następnie, uwzględniając narzuconą wartość współczynnika

regeneracji w, wypisujemy jawną postać równania (1) i z niego wyznaczamy

poszukiwane wartości parametrów.

Dla schematu z rys.3, który odpowiada schematowi z rys.2 z rozcięciem

pętli w punkcie P, otrzymamy dla =g równanie:

kU

U

g

j C' +g'

j C'j C' +

j LG j C' +g'

w+jZ

S

b

b

b d b

21

2 11

1

22 2 1111

0 (4)

Równanie (4) można rozdzielić na część rzeczywistą i urojoną, czyli

można otrzymać jawną postać równań (2) i (3). Jednak zanim to zrobimy,

podejmiemy próbę uproszczenia równania (4). W tym celu załóżmy, że dla

g:

Rys.3. Schemat generatora Colpittsa z rozciętą pętlą sprzężenia zwrotnego.

5

g’11b<<C’2 (5)

Nierówność ta jest prawdziwa dla prawie wszystkich układów

generatorów stosowanych w praktyce. Świadomość tego faktu nie zwalnia

oczywiście projektanta od sprawdzenia prawdziwości tego warunku po

zakończeniu projektowania.

Biorąc pod uwagę warunek (5), dokonajmy transformacji konduktancji

g'11b z zacisków C’2 na zaciski obwodu rezonansowego (równolegle do Gd).

Konduktancja przetransformowana ma wartość g’11b/n2, gdzie n = (C'2+C'1)/C'1 -

współczynnik transformacji. Teraz schemat zastępczy układu przyjmuje postać

jak na rys.4, a równanie (4) upraszcza się następująco (dla =g):

kU

U

g

C C

Cj C' C +

j LG

w+jZ

S

b

b dw

21

2 1

1

22

10

' '

'( )

(6)

gdzie: C=C'1C'2/(C'1+C'2), Gdw=Gd+g'11b/n2, n=1+C'2/C'1

Wydzielając z równania (6) część urojoną i rzeczywistą, otrzymamy:

1

022

j Lj C C j

g

g b

( ' ) (7)

g

G nw

b

dw

21

(8)

Z równania (7) znajdujemy pierwsze równanie projektowe:

C L Cg b 1 222/ ( ) ' (9)

C Lg1 2/ ( ) dla C’22b<<C (9’)

Równanie (8) możemy zapisać inaczej:

n2Gdw-ng21b+g’11bw=0 (8’)

Rys.4. Uproszczony schemat generatora Colpittsa z rozciętą pętlą sprzężenia zwrot-

nego.

6

Z równania (8') otrzymujemy drugie równanie projektowe:

ng g g G w

G w

b b b d

d

1 2

21

221 11

24

2,

'

(10)

Zanim obliczymy wartości n1 i n2 z zależności (10) warto sprawdzić, czy

obliczanie ma sens. W tym celu wyznaczamy maksymalną wartość

współczynnika regeneracji w, którą max można osiągnąć w danym układzie:

wg

g G

b

b d

max'

21

112 (11)

Obliczanie n1 i n2 ma sens, jeśli wwmax. Gdy n1> 0 i n2> 0, o wyborze jednej z

tych wartości musi zadecydować spełnienie warunku (5).

Po obliczeniu wartości C z równania (9) i wartości n z równania (10),

otrzymujemy dwa równania z dwoma niewiadomymi, z których obliczamy

wartości C'1 i C'2. Po odjęciu (lub pominięciu, jeśli jest to dopuszczalne)

wartości C11b i C12b, otrzymamy poszukiwane wartości pojemności

kondensatorów C1 i C2.

W tym miejscu kończy się projektowanie generatora bazujące na

warunkach powstawania drgań (tzn. według teorii liniowej). Teraz

zaprojektowane elementy trzeba wmontować do układu. Zmontowany układ

generatora będzie badany zarówno w otwartej pętli jak i po jej zamknięciu.

Badanie generatora z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego ma na celu

sprawdzenie, czy projekt został wykonany poprawnie oraz uświadomienie

wykonującemu ćwiczenie, w jaki sposób generator osiąga stan ustalony.

Rozcięcie pętli sprzężenia zwrotnego w rzeczywistym generatorze

zostanie zrealizowane na zaciskach obwodu rezonansowego (w punkcie P'

według rysunku 2). Wymaga to uzupełnienia rozciętej pętli odpowiednimi

elementami tak, aby warunki pracy pętli otwartej i zamkniętej były takie same.

Pełny układ rozciętej i uzupełnionej odpowiednimi elementami pętli

generacyjnej przedstawiono na rysunku 5. Wejściem otwartej pętli jest punkt

dołączenia kondensatora C"1 do kolektora tranzystora T3 (oczywiście drugim

zaciskiem wejściowym jest masa układu). Napięcie wejściowe pętli, oznaczane

dalej symbolem U2, będzie mierzone na wyjściu „U2” i należy je interpretować

jako siłę elektromotoryczną generatora zasilającego dzielnik pojemnościowy

C"1, C"2. Napięcie wyjściowe pętli U1 będzie mierzone na wyjściu „U1”. W

przypadku rozcięcia pętli sprzężenia zwrotnego w punkcie P rolę napięcia

wejściowego pętli U2 pełniło napięcie sterujące wzmacniacz US, natomiast rolę

napięcia wyjściowego pętli U1 napięcie zwrotne UZ.

Mierząc równocześnie amplitudy (lub wartości międzyszczytowe, lub

wartości skuteczne) i fazy napięć U2 i U1, możemy, dla dowolnej pulsacji ,

doświadczalnie wyznaczyć quasi-liniową transmitancję pętli generatora:

7

( ) /k U Upomiar 1 2

W ćwiczeniu interesować nas będzie transmitancja pętli dla pulsacji

rezonansowej g obwodu rezonansowego, znajdującego się w kolektorze

tranzystora T1. Dostrojenie generatora sterującego układ (dołączonego do

gniazda „WE”) do pulsacji g osiągniemy wtedy, gdy przesunięcie fazy między

napięciami U2 i U1 będzie równe zeru.

Gdy wymuszamy zmiany U2, zmienia się również U1. Zależność U1=f(U2)

nazywamy charakterystyką dynamiczną danego generatora. Typowy kształt

charakterystyki dynamicznej przedstawiono na rysunku 6a. Z początkowego

odcinka charakterystyki dynamicznej możemy określić rzeczywistą wartość

współczynnika regeneracji wpomiar i porównać ją z wartością założoną w

projekcie.

Na przecięciu charakterystyki dynamicznej generatora i prostej U1=U2

otrzymujemy punkt odpowiadający normalnym warunkom pracy generatora. Po

zrzutowaniu tego punktu na jedną z osi uzyskamy wartość amplitudy drgań

generatora, która powinna się ustalić po zamknięciu pętli. Należy ją porównać z

rzeczywistą wartością amplitudy drgań generatora. W miarę zwiększania

amplitudy napięcia U2 zmieniają się warunki pracy tranzystora T1. Można to

stwierdzić, notując wartości składowej stałej napięcia na emiterze oraz

obserwując zmiany kształtu prądu kolektora tranzystora T1 (wyjście „UE” i

wyjście „I” - patrz pełny schemat na rys.7). W miarę zwiększania amplitudy

napięcia U2 zwiększa się potencjałami emitera T1. Świadczy to o nieliniowej

Rys.5. Układowa symulacja generatora z rozciętą pętlą sprzężenia zwrotnego.

8

pracy tranzystora T1; występuje prostowanie napięcia zmiennego

doprowadzanego do emitera tego tranzystora. Kondensatory C1 i C2 zaczynają

pełnić dodatkową funkcję - gromadzenia ładunku przyczyniającego się do

zmiany składowej stałej napięcia na emiterze i powodującego przesuwanie

punktu pracy tranzystora T1.

Zmiana punktu pracy tranzystora powoduje zmianę jego parametrów,

zwłaszcza „g11b” i „g21b”. Parametry te celowo ujęto w cudzysłowie, gdyż w

miarę zwiększania amplitudy napięcia na złączu E-B tranzystora T1 i zmiany

kształtu prądu emitera (i kolektora) z sinusoidalnego na impulsowy należy je

interpretować jako konduktancje wiążące pierwsze harmoniczne prądu i

napięcia. W układach generatorów z dynamiczną polaryzacją (a z takim

układem mamy do czynienia) obie konduktancje maleją ze wzrostem amplitudy

U2. Powoduje to z jednej strony wzrost wzmocnienia pętli (gdy rośnie „1/g11b”,

zmniejsza się obciążenie obwodu rezonansowego), a z drugiej strony malenie

tego wzmocnienia (gdyż maleje „g21b”). Jeśli przeważa wpływ malenia „g21b” i

amplituda drgań na obwodzie rezonansowym nie narośnie do wartości

powodującej otwieranie złącza C-B tranzystora T1, występuje ograniczanie

emiterowe amplitudy drgań generatora. W przeciwnym przypadku występuje

ograniczanie kolektorowe (jeśli opisany powyżej mechanizm zmiany punktu

pracy nie ma większego znaczenia) lub mieszane.

Po wykonaniu wszystkich doświadczeń z układem generatora LC

zastępujemy cewkę [L,QL] rezonatorem kwarcowym RK. Obliczone poprzednio

pojemności C1 i C2 pozostawiamy w układzie. Ponieważ rezonator kwarcowy

nie przepuszcza składowej stałej prądu kolektora, musimy zastosować tzw.

zasilanie równoległe tranzystora T1, zrealizowane za pomocą rezystora R7

Element ten oczywiście tłumi dodatkowo obwód rezonansowy utworzony z

rezonatora kwarcowego i pojemności C1 i C2.

Rys.6. Charakterystyka dynamiczna generatora ze sprzężeniem zwrotnym.

9

Po przełączeniu z cewki L na rezonator kwarcowy RK mamy

niespodziankę. Generator kwarcowy nie wzbudza się. Dlaczego? Przecież

rezonator kwarcowy ma dobroć rzędu tysięcy i więcej, natomiast dobroć cewki

jest rzędu kilkudziesięciu. W wyjaśnieniu tej pozornej sprzeczności pomoże

schemat zastępczy rezonatora kwarcowego. Wartości elementów tego schematu

odpowiadają użytemu w ćwiczeniu rezonatorowi RS-1004 o częstotliwości

podstawowej 1MHz. Dla danego dzielnika C1, C2 i dla częstotliwości

fg=1MHz, należy obliczyć indukcyjność zastępczą Lz gałęzi Lk, Ck, rk modelu

rezonatora kwarcowego (Co należy połączyć z C1 i C2). Dobroć tej indukcyj-

ności będzie równa Qz=gLz/rk. Należy obliczyć wartość Qz i wartość

współczynnika regeneracji, zakładając:

Lk=2.46H, Ck=0.0103pF, rk=150, Co=7.0pF,

a następnie wyciągnąć wnioski.

2 OPIS TECHNICZNY UKŁADU BADANEGO (WKŁADKA DK 071A)

Pełny schemat badanego układu generatora LC (i kwarcowego)

przedstawiono na rysunku 7, natomiast uproszczony schemat tego generatora

można znaleźć na rysunku 1 we wstępie do ćwiczenia. Elementem aktywnym

generatora jest tranzystor T1 typu BF 215. Jego punkt pracy ustalają rezystory

R1, R2 i napięcie zasilania -UEE. Napięcie to może przyjmować dwie wartości:

-15V lub -13.7V w zależności od położenia przełącznika P4. We wszystkich

eksperymentach, oprócz pomiaru wrażliwości generatorów na zmianę napięcia

zasilania, powinno być UEE=-15V.

W obwodzie kolektora tranzystora T1 znajdują się (rys.7): uzwojenie

pierwotne transformatora prądowego TR1, obwód rezonansowy z cewką lub

rezonatorem kwarcowym oraz stabilizator napięcia. Transformator TR1 służy do

umożliwienia obserwacji kształtu prądu kolektora tranzystora T1. Jego

uzwojenie pierwotne zawiera 1.5 zwoja i widziane jest przez tranzystor jako

rezystancja rzędu dziesiątej części oma nie mająca żadnego wpływu na pracę

generatora. Przetransformowany impuls prądu kolektora wzmacniany jest we

wzmacniaczu różnicowym z tranzystorami T8 i T9. Kształt prądu kolektora

można obserwować na wyjściu „I” układu badanego. Obwód rezonansowy

generatora LC składa się z cewki o indukcyjności L=6H i dobroci QL=70 dla

f=1MHz oraz z kondensatorów C1 i C2 o wartościach pojemności ustalanych

przez projektującego generator. Do obwodu rezonansowego może być wtrącony

rezystor Robc symulujący dołączenie obciążenia. Dokonujemy tego, zmieniając

położenie przełącznika P3. Możliwość dołączenia Robc wykorzystuje się przy

badaniu wrażliwości generatora na zmianę obciążenia.

10

Po zmianie położenia przełącznika P2 następuje odłączenie cewki [L,QL] i

włączenie na jej miejsce rezonatora kwarcowego RK oraz rezystora R7,

pozwalającego na przepływ składowej stałej prądu kolektora tranzystora T1. W

celu maksymalizacji wartości R7, dołączono ten rezystor bezpośrednio do na-

pięcia +15V, a jego wartość tak dobrano, aby w chwilach wzbudzania drgań

oraz przy pracy z małymi amplitudami drgań w stanie ustalonym składowa stała

Rys.7. Pełny schemat badanego układu generatora LC (i kwarcowego).

11

napięcia na rezonatorze kwarcowym była

bliska zeru (praca bez wstępnego naprężenia

płytki kwarcowej). Stabilizator napięcia

kolektorowego tranzystora T1 zrealizowano za

pomocą diody Zenera D2 (o napięciu

stabilizacji około 5V) i rezystora R4.

Przez dołączenie odpowiedniego

przyrządu pomiarowego (oscyloskopu, prze-

twornika AC/DC) do wyjścia oznaczonego

„U1” możemy obserwować kształt napięcia na

kolektorze T1 oraz mierzyć wartość między-

szczytową (lub amplitudę) tego napięcia.

Między wyjściem „U1” a kolektorem T1

znajduje się wtórnik emiterowy, separujący

generator od obciążenia przyrządem pomia-

rowym. Należy pamiętać, że wtórnik emite-

rowy powoduje przesunięcie napięcia kolekto-

rowego o około 0,7V w kierunku napięć

ujemnych. W przypadku pomiaru wartości

międzyszczytowej napięcia sinusoidalnego nie

ma to żadnego znaczenia, natomiast może być

istotne, gdy chcemy określić rzeczywiste

wartości napięcia na kolektorze T1 przy obser-

wacji sygnału zniekształconego w wyniku

ograniczania na złączu C-B tego tranzystora.

Gdy pojawią się zniekształcenia sygnału

sinusoidalnego, wskazane jest, do oscylosko-

powej obserwacji tego sygnału używać sondę bierną oscyloskopu zamiast kabla

koncentrycznego. Stosowane kable mają duża pojemność własną i powodują

filtrację harmonicznych

obserwowanego sygna-

łu. Drugi wtórnik, z

tranzystorem T7, służy

do wysterowania czę-

stościomierza cyfrowe-

go, którego wejście łą-

czymy kablem koncen-

trycznym z wyjściem

„f'” badanego układu.

W celu pomiaru

składowej stałej napię-

Rys.8. Wygląd płyty czołowej

wkładki DK 071A.

Rys.9. Rozmieszczenie zacisków i przełączników na płytce

drukowanej.

12

cia na emiterze T1 należy dołączyć woltomierz cyfrowy do wyjścia „UE” układu

pomiarowego. Rezystor R3 separuje emiter T1 od wpływu kabla do

prowadzającego napięcie do wejścia woltomierza oraz stanowi, wraz z pojem-

nością kabla, filtr dolnoprzepustowy odcinający składową zmienną sygnału z

emitera.

Za pomocą przełącznika P1 można zrealizować dwa różne układy

pomiarowe: generatora (LC lub kwarcowego) położenie „GEN”, lub

wzmacniacza rezonansowego położenie „WZM”. Gdy przełącznik P1 znajduje

się w położeniu „WZM”, przerwana jest pętla dodatniego sprzężenia

zwrotnego. Do emitera tranzystora T1 dołączony jest dzielnik C"1, C"2,

symulujący dzielnik C1, C2 układu generatora, natomiast dzielnik C1, C2

obciążony jest złączem E-B tranzystora T2, symulującym obciążenie złączem

E-B tranzystora T1. Teraz można zmierzyć wzmocnienie |k| otwartej pętli

generatora. Sygnał z generatora zewnętrznego doprowadzamy do wejścia „WE”

wzmacniacza różnicowego, wykonanego z tranzystorów T3 i T4. W kolektorze

tranzystora T3 znajduje się obwód rezonansowy L', C"1, C"2 tłumiony

dodatkowo rezystorem R14. Ważne jest, aby L=L', C"1=C1, C"2 = C2 czyli aby

równe były częstotliwości rezonansowe obu obwodów. Równość indukcyjności

obu cewek osiągnięto w trakcie wykonywania wkładki DK 071A, natomiast o

równość pojemności musi zadbać wykonujący ćwiczenie.

Przy pomiarach wzmocnienia otwartej pętli generatora napięciem

wejściowym jest napięcie na dzielniku C"1, C"2, a więc napięcie między

zaciskami 5 i 8 lub, równoważnie, między zaciskiem 5 a masą układu. Wartość

międzyszczytową tego napięcia można zmierzyć na wyjściu układu,

oznaczonym symbolem „U2”. W celu odseparowania kabla pomiarowego od

obwodu rezonansowego zastosowano wtórnik emiterowy z tranzystorem T5.

Rozmieszczenie zacisków pomiarowych 1 8, służących do dołączania

kondensatorów C1, C2, C"1, C"2, oraz przełączników P1 P3 pokazano na

rysunku 9. Przełącznik P4 znajduje się na płycie czołowej wkładki.

3 WYKAZ APARATURY POMOCNICZEJ

Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące przyrządy

pomocnicze:

- generator sinusoidalny przestrajany (SK2112)

- sonda bierna do oscyloskopu

13

4 OBLICZENIA WSTĘPNE I PROJEKTOWE

1. Należy ustalić wartość częstotliwości nominalnej generatora oraz

wartość współczynnika regeneracji z następujących danych do wyboru:

fg: 950kHz; 1,000MHz; 1,050 MHz

w: 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0

Dla wybranych wartości fg i w obliczyć wymagane wartości C1 i C2.

Sprawdzić, czy po zastosowaniu obliczonych wartości kondensatorów generator

wzbudzi się po obciążeniu jego obwodu rezonansowego rezystorem Robc. Jak

zmienił się współczynnik regeneracji pętli oraz dobroć wypadkowa obwodu

rezonansowego po dołączeniu Robc?

2. Posługując się schematem zastępczym rezonatora kwarcowego,

sprawdź, czy po odłączeniu cewki [L,QL] i dołączeniu zamiast niej rezonatora

kwarcowego, zaprojektowany powyżej generator wzbudzi się. Jeśli nie, oblicz

nowe wartości pojemności C1 i C2 tak, aby uprzednio wybrana wartość

współczynnika regeneracji nie uległa zmianie. Dodatkowe dane rezonatora

kwarcowego:

częstotliwość rezonansu szeregowego fs=999848Hz,

częstotliwość rezonansu równoległego fr=1000583Hz.

5. OBSERWACJE I POMIARY

5.1. Pomiar charakterystyki dynamicznej generatora z otwartą pętlą oraz

charakterystyki polaryzacji.

Początkowe położenia przełączników:

P1 - „WZM”, P2 - „L”, P3 - Robc odłączone, P4 - napięcie zasilania -15V.

Wmontować do układu obliczone wartości C1 i C2 oraz C"1=C1 i C"2=C2

o obliczonych wartościach pojemności. Do gniazda „WE” doprowadzić

sygnał z generatora sygnału sinusoidalnego. Obserwować napięcia na

wyjściach „U1” oraz „U2”, mierzyć częstotliwość na wyjściu „f” układu

lub bezpośrednio na dodatkowym wyjściu generatora sinusoidalnego (rys.

10). Osiągnąć zerowe przesunięcie fazy między napięciami na wyjściach

„U1” i „U2” poprzez zmianę częstotliwości sygnału wejściowego.

Dla tego stanu:

a) zanotować wartość częstotliwości sygnału wejściowego,

b) zmierzyć charakterystykę dynamiczną generatora U1=f(U2) i

wykreślić ją. Dla sygnałów sinusoidalnych wartości U1 i U2 mogą

14

być amplitudami, wartościami międzyszczytowymi lub wartościami

skutecznymi. Dla sygnałów niesinusoidalnych powinny to być

amplitudy pierwszych harmonicznych.

c) zmierzyć charakterystykę polaryzacji generatora UE0=f(U2) i

wykreślić ją,

d) na obu charakterystykach oznaczyć punkt pracy, który powinien

ustalić się po zamknięciu pętli sprzężenia zwrotnego,

e) zmierzyć charakterystykę dynamiczną układu po dołączeniu Robc i

wykreślić ją na wspólnym układzie współrzędnych z charakterystyką

z punktu b).

Uwagi:

- równość pojemności C"1=C1 i C"2=C2 jest konieczna; gdy różnice

pojemności będą większe niż 5%, mogą wystąpić trudności z

osiągnięciem dostatecznie dużej amplitudy napięcia U2.

- kondensatory montowane do obwodów rezonansowych muszą być dobrej

jakości: ceramiczne, mikowe lub styrofleksowe bezindukcyjne,

- przy poszukiwaniu zerowego przesunięcia fazy między napięciami U1 i

U2 nie należy korzystać z możliwości pracy oscyloskopu w trybie X-Y. W

tym rodzaju pracy występuje duże przesunięcie fazy między obu

kanałami dla częstotliwości bliskich 1MHz,

- jeżeli po wmontowaniu kondensatorów częstotliwość zerowego

przesunięcia fazy okaże się inna niż projektowa, należy zmieniać

wartości pojemności aż do uzyskania zgodności z błędem nie

przekraczającym 10kHz. Zanotować wartości pojemności kondensatorów

Rys.10. Schemat układu pomiarowego.

15

wmontowanych do układu i obliczyć nową wartość współczynnika

regeneracji.

- pomiary charakterystyki dynamicznej mają sens do chwili, gdy oba

napięcia mają kształt sinusoidalny. Gdy pojawi się obcięcie

wierzchołków jednego z sygnałów, dalsze pomiary należy wykonywać po

konsultacji z prowadzącym zajęcia laboratoryjne.

5.2. Pomiar parametrów generatora LC (po zamknięciu pętli s.z.)

Odłączyć od układu generator zewnętrzny. Zmienić położenie

przełącznika P1 do pozycji „GEN”. Zanotować dla wszystkich możliwych

konfiguracji Robc i -UEE (4 przypadki):

wartość częstotliwości generatora,

amplitudę napięcia generowanego,

wartość napięcia polaryzacji.

Obliczyć wrażliwość generatora na zmiany Robc i ujemnego napięcia zasilania.

Naszkicować kształt impulsów prądu kolektora.

Zagadnienia:

a) Skomentuj zgodność lub niezgodność zaprojektowanych wartości C1 i C2 z

wartościami pojemności kondensatorów wmontowanych do układu.

b) Czy współczynnik regeneracji obliczony dla kondensatorów wmontowanych

do układu zgadza się ze współczynnikiem wyznaczonym z charakterystyk

dynamicznych (dla obu wartości Robc)? Jeśli nie wyjaśnij przyczynę różnic

lub wykonaj powtórnie, tym razem poprawnie, pomiary.

c) Czy charakterystyka polaryzacji UE0=f(U2) zależy od wartości Robc obwodu

rezonansowego i dlaczego?

d) Czy wartość napięcia polaryzacji UE0 w stanie ustalonym generatora zależy

od Robc? Jeśli tak (należy posłużyć się wynikami pomiarów), to dlaczego?

e) Oblicz kąt odcięcia impulsu prądu kolektora tranzystora T1 dla stanu

ustalonych drgań w zaprojektowanym generatorze.

f) Dlaczego częstotliwość i amplituda sygnału generowanego zmienia się w

wyniku zmiany Robc? Czy z punktu widzenia liniowej teorii generacji,

dołączenie Robc , takie jak w ćwiczeniu, powinno powodować zmianę

częstotliwości drgań układu?

g) Dlaczego częstotliwość i amplituda sygnału generowanego zmienia się, gdy

zmianie ulega wartość UEE?

h) Jaki wpływ na częstotliwość i amplitudę sygnału generowanego w

zaprojektowanym układzie miałaby zmiana napięcia UCC=+15V?

(Wskazówka: zwróć uwagę na sposób zasilania kolektora tranzystora T1).

16

5.3 Badanie generatora kwarcowego

Wstępne położenia przełączników: P1 - „GEN”, P2 - „KW”, P3 - odłączyć

Robc, P4 - -15V.

a) Sprawdzić, czy z kondensatorami C1, C2 wmontowanymi do układu

generatora LC, generator kwarcowy wzbudzi się.

b) Zmień kondensatory C1 i C2 zgodnie z wynikami obliczeń przeprowadzo-

nych w trakcie przygotowania do ćwiczenia. Sprawdź, czy generator

wzbudza się; zanotuj częstotliwość, amplitudę, napięcie polaryzacji emitera,

kształt napięcia kolektorowego, kształt impulsów prądu kolektora.

c) Zmniejsz znacznie (np. dziesięciokrotnie) wartości pojemności kondensato-

rów C1, C2 tak, aby generator nadal wzbudzał się bez trudności. Zanotuj

parametry generatora jak w punkcie b).

d) Dla dowolnie wybranych C1 i C2 (aby tylko generator wzbudzał się we

wszystkich dalszych przypadkach) wyznacz wrażliwość częstotliwości gene-

ratora na zmianę: ujemnego napięcia zasilania, obciążenia, pojemności

dołączonej równolegle do rezonatora kwarcowego.

e) Spróbuj uzyskać „twarde” wzbudzenie generatora kwarcowego, tzn. dobierz

tak pojemności dzielnika C1 i C2, aby generator nie mógł się wzbudzić

samodzielnie, natomiast aby mógł generować, gdy go wstępnie do tego

zmusimy (np. przez chwilowe dołączenie kondensatora C2 o większej

pojemności).

Zagadnienia:

a) Dlaczego generator kwarcowy nie może wzbudzić się z dzielnikiem

pojemnościowym obliczonym dla generatora LC?

b) Wyznacz wartość zastępczej indukcyjności, jaką stanowi rezonator

kwarcowy w przypadku b) i c) części pomiarowej.

c) Porównaj wrażliwość częstotliwości generatora kwarcowego na

wpływ czynników zewnętrznych z wrażliwością częstotliwości

generatora LC na te same czynniki. Odpowiednie wyniki zbierz w

tabeli.

d) Czy w badanym generatorze wystąpiły drgania z relaksacjami?

e) W jaki sposób „zmusić” generator kwarcowy - wzbudzający się na

tonach harmonicznych - do pracy z częstotliwością podstawową?

f) Wyjaśnij zjawisko „twardego” wzbudzania się generatora kwarco-

wego.