WienůV Oscilator

Jméno M.PecháčekStřední odborná škola a Střední odborné učiliště Lanškroun

1/11Měření OZ

Protokol o měření

Název úlohy:

Wienův oscilátor

Příjmení: Pecháček Datum měření.: 27.1.2010Jméno: Marcel Datum odevzdání: 10.2.2010Třída: 4.SE Počet listů: 12Skupina: Počet příloh: 0Číslo úlohy: 2 Klasifikace:


2/11Měření OZ

ZADÁNÍ:

Navrhněte Wienův oscilátor.Pomocí Lissajousových obrazců zjistěte jeho skutečnou frekvenci oscilací s porovnáním s generátorem ze stavebnice RC2000

TEORETICKÝ ROZBOR:

Oscilátor je systém, ve kterém se vzájemně přeměňuje jedna forma energie v jinou a zpět, jeho projevem je opakovaná výchylka nějaké veličiny do krajních hodnot, minimálních i maximálních. Fyzikálních kmitajících systémů, oscilátorů, lze sestavit mnoho. Pokud se výchylky pravidelně opakují, hovoříme o periodických kmitech. Pokud je vazba systému lineární, kmity jsou harmonické. Vzhledem k tomu, že přírodě se lineární nebo téměř lineární vazba vyskytuje velmi často, je kmitání velmi obvyklým jevem.

Oscilátory dělíme podle několika hlediseka) Podle průběhu výstupního generovaného signálu• Sinusové• Obdélníkové (blokující oscilátory)• Generátory funkcí (např. trojúhelník, pila)b) Podle frekvence výstupního generovaného signálu• Nízkofrekvenční (do 1 MHz)• Vysokofrekvenční (stovky MHz až jednotky GHz)• Generátory cm vln (až desítky GHz)c) Podle způsobu vzniku oscilací v obvodu• Zpětnovazební (spojení zesilovače + obvodu kladné zpětné vazby)• Parametrické (využívá se negativní diferenciální odpor součástek)• Astabilní (volně kmitající) klopné obvody – multivibrátoryd) Podle typu zpětnovazebního členu• RC oscilátory• LC oscilátory (Colpitts, Hartley, Clapp)• Krystalové oscilátorye) Podle použitého typu aktivního prvku• S tranzistory – bipolárními i unipolárními (JFET)• S operačními zesilovači• S logickými (klopnými) obvody

Zpětnovazební oscilátorySkládají se ze 2 základních funkčních bloků: zesilovače a obvodu zpětné vazby.Oscilátor pracuje na principu kladné zpětné vazby.Zesílení zesilovače = AZesílení zpětné vazby (+ZV) = B


3/11Měření OZ

Obr. 1 Základní bloková struktura zpětnovazebního oscilátoruZákladní podmínky pro činnost oscilátoru:• Fázový posun signálu mezi zesilovačem a obvodem ZV musí být 0°• Zesílení zesilovače a ZV musí být shodné, blízké 1 (celkové zesíleníA ⋅ B ≥ 1)Pokud je toto zesílení < 1, velikost kmitů oscilátoru má sestupnou tendenci, aždojde k úplnému ustání oscilací.V opačném případě (> 1), má hodnota kmitů

oscilátoru vzrůstající tendenci, vedoucí až k limitním hodnotám – viz obr.2.

Obr. 2 Vliv rozdílné velikosti zesílení na amplitudu výstupního signálu zpětnovazebního oscilátoru

Sinusový RC oscilátorObvod ZV je tvořen součástkami typu RC, které způsobují fázový posun 60°.

Obr. 3 Základní schéma sinusového RC oscilátoru.

Obvod zesilovače s tranzistorem v zapojení SE obrací fázi o 180° ⇒ celková fáze zapojenízesilovače a ZV je 360, respektive 0°.Generátor produkuje výstupní sinusový signál s konstantní amplitudou za předpokladu splnění podmínky A ⋅ B = 1

Sinusové LC oscilátory


4/11Měření OZ

a) Colpittsův oscilátor (investor)

Obr. 4 Základní zapojení Colpittsova LC oscilátoru.

Jak je vidět na obr. 4. obvod ZV obsahující prvky LC funguje vlastně jako filtr, tj. propouští pouze specifický rezonanční kmitočet fr.

Kondenzátory C1 a C2jsou zapojeny v sérii, proto výsledná hodnota je dána podle

b) Harteyův oscilátorPracuje na podobném principu zpětnovazebního LC obvodu jako Colpittsův, tentokrát složeného z sériového zapojení indukčností L1 a L2 a kondenzátoru C. Rezonanční kmitočetobvodu ZV je pak roven kmitočtu generovaného sinusového signálu

Obr. 5 Základní zapojení Hartleyova LC oscilátoru.

c) Clappův oscilátor


5/11Měření OZ

Vychází opět z Colpittsova oscilátoru, ve zpětnovazebním LC obvodu je navíczařazen kondenzátor C3 v sérii s indukčností L. Pokud tento kondenzátor bude mít negativní průběh teplotní závislosti pomáhá stabilizovat frekvenci celéhooscilátoru při teplotních změnách.

Obr. 6 Základní zapojení Clappova LC oscilátoru.

Sinusové oscilátory řízené krystalemVycházejí opět z principu spojení bloku zesilovače a obvodu ZV, kde je použit krystalový rezonátor. Jedná se zpravidla o křemenný výbrus s kovovými elektrodami. Vyrábějí se dvoupolepové krystaly (pro kmitočty od 100 kHz do 150 MHz), pro nižší kmitočty pak třípolepové (v provedení jako dvojhran).

Obr. 7 Krystalový rezonátor: značka (a), el. náhradní obvod (b), typická konstrukce (c) a základní provedení (d).V elektrickém náhradním obvodu je mechanický rezonátor nahrazen prvky RS,LS, CS a Cm. Frekvenční charakteristika takovéhoto rezonátoru se vyznačuje 2význačnými vrcholy – rezonancemi:• sériová rezonance = shodná reaktance sériových prvků náhradního obvodu (LS, CS)• paralelní rezonance = shodná reaktance LS a Cm z náhradního obvoduKmitočet fp je vyšší než fs s relativní odchylkou

Impedance rezonátoru je minimální na sériové rezonanci, maximální při


6/11Měření OZ

paralelní rezonanci.Při realizaci oscilátoru se stává, že oscilátor kmitá na jiném kmitočtu, než jerezonance krystalu. Příčiny lze rozdělit do tří oblastí:• Každý krystal má více mechanických rezonancí – oscilace probíhají nakmitočtu kde jsou nejmenší ztráty. Situace nastává při nevhodném zapojenís většími ztrátami, nebo nevhodném fázovém posuvu.• Krystalové výbrusy pro kmitočty nad 20 MHz jsou velmi malé, proto sevyužívá v oscilátorech 3. nebo 5. harmonická základního kmitočtu. Na tutoharmonickou musí být nastaven pomocný LC obvod (pásmová propust) –jinak není oscilátor schopen kmitat na požadovaném kmitočtu.• Oscilátor kmitá jen s kapacitou držáků Cm a kmity se mechanickémurezonátoru vyhýbají. Nastává při nevhodném zapojení oscilátoru – zapojenímusí být vybráno tak, aby obvod kmital jen tehdy, když se krystal chová jakoimpedance induktivního charakteru (tj. napětí na krystalu předbíhá proud).Nejjednodušší konstrukce oscilátorů s krystaly odpovídají zapojení dle obr. 8.jako aktivní člen může být použit rovněž invertor typu CMOS – viz obr. 9.

Obr. 8 Krystalový oscilátor s krystalovým rezonátorem v obvodu ZV využívajícím sériovou(a) a paralelní (b) rezonanci.

Obr. 9 Krystalový oscilátor na bázi jednoho (a) dvojice (b) CMOS invertoru.

Krystalové oscilátory se vyznačují velkou teplotní stálostí, a přesností generovaného výstupního signálu. Proto se nejčastěji používají jako primární generátory hodinových signálů. • Oscilátory využívající negativní diferenciální odpor prvků (regenerativní)


7/11Měření OZ

U zesilovačů se mimo aktivní (přibližně lineární) oblasti využívají i obě oblasti omezování (nelinearity). Prvky s negativním diferenciálním odporem určené pro regenerativní obvody tvoří dvě skupiny:• Prvky s V-A charakteristikou tvaru „N“ (obr. 11.10 a) = Tunelová a Gunnova dioda, hrotový tranzistor (vstup emitor, kolektor)• Prvky s V-A charakteristikou tvaru „S“ (obr. 11.10 b) =Tyristor a triak, jednopřechodový tranzistor, P-N přechody v oblasti Zenerova nebo lavinového průrazu

Obr.10 V-A charakteristiky prvků s negativním difer. odporem typu „A“ (a) a typu „S“ (b).

Oba typy se vyznačují oblastí negativního diferenciálního odporu mezi body B a D. Prvky se provozují v pracovním bodě P, kde tento diferenciální odpor RdP nabývá extrémních hodnot. K oběma základním typům lze jednoznačně přiřadit jednoduchý RLC obvod, s nímž je uvedený prvek schopen generovat periodické kmity. Tyto obvody jsou uvedeny na obr. 11.

Obr. 11 Schéma regenerativních obvodů s prvky typu „N“ – paralelní (a) a typu „S“ – sériový (b).

Kmity v obvodě nastanou je-li zároveň splněna podmínka

Dojde-li k ustáleným kmitům, vytvoří stavová trajektorie uzavřenou křivku(obr.12 a) – tzv. „mezní cyklus“. Podle jejích tvaru můžeme odhadnout i tvarčasového průběhu příslušných obvodových veličin:• tvar blízký elipse – vznikají v obvodu téměř čisté sinusové kmity• „hranatý“ tvar – tj. zapojení se chová jako astabilní klopný obvod (AKO)a generuje relaxační kmity


8/11Měření OZ

Obr. 12 Stavová trajektorie prvku s neg. difer. odporem (a), časový průběh relaxačních kmitů (b)

Časový průběh relaxačních kmitů (obr. 11.12 b) lze rozložit na relativně pomaléa rychlé děje. Při relativně pomalých dějích sleduje mezní cyklus V-A char., přirychlých dějích probíhá mimo ni. Časový průběh rychlého děje u prvku typu „N“ určuje kapacita C, u prvku typu „S“ indukčnost L, pro pomalé děje je tomu naopak. Regenerativní obvody na bázi prvků s negativním difer. Odporem jako základ oscilátorů se používají pouze zřídka. Jsou však tak jednoduché, že jejich funkce byla zcela exaktně rozebrána a popsána, na rozdíl od oscilátorů využívajících kladné ZV.

Obr. 13 Schéma zapojení oscilátoru s prvky s negativním difer. odporem.

• Blokující oscilátory:Blokující oscilátory patří mezi relaxační obvody, i když ke své činnosti využívají rovněž principů známých pro harmonické oscilátory LC. Do funkceblokujícího oscilátoru se může dostat v podstatě každý LC oscilátor, jsou-li splněny dvě základní podmínky:• V aktivní oblasti bude zesílení A ⋅ B >> 1• Oscilátor obsahuje setrvačný obvod pro stabilizaci amplitudy

Obr. 14 Schéma zapojení blokujícího oscilátoru (a) a odpovídající výstupní časové průběhy (b).


9/11Měření OZ

Typické zapojení blokujícího oscilátoru je uvedeno na obr. 14. Je zpravidla osazen jediným zesilovacím prvkem a transformátorem s velmi těsnou vazbou mezi primárním a sekundárním vinutím. Používá se pro generování impulsních průběhů v širokém kmitočtovém pásmu od několika Hz až do stovek MHz. Oscilátor je schopen generovat velmi úzké impulsy (s nepatrnou střídou) a dá se velmi dobře synchronizovat vnějším impulsním zdrojem.

• Astabilní klopné obvody (AKO) se dvěma invertujícími zesilovači Základní zapojení obvodu AKO se dvěma bipolárními tranzistory je uvedeno na Obr.15a), příslušné časové průběhy výstupního signálu na obr.11.15b). Pro dosažení obdélníkové průběhu na výstupu a dostatečné stability kmitočtu je nutno splnit podmínku Rb1< B1⋅RC1 a Rb2 < B2⋅RC2.Výhodou tohoto zapojení je možnost měnit střídu výstupního signálu poměrem kapacit C1 a C2.

Obr. 15 Zapojení obvodu AKO se dvěma bipolárními tranzistory (a), výstupní časové průběhy (b).

Astabilní multivibrátory uvedeného typu lze též realizovat s dvěma invertujícími logickými členy (NAND nebo NOR) – viz obr. 16. Činnost AKO lze zastavit v kterékoliv části periody a spouštět na začátku T1 nebo T2. Při použití standardních log. členů TTL a CMOS jsou přeběhy dostatečně rychlé,kmitočet relaxačních kmitů však není příliš stálý.

Obr. 16 Zapojení obvodu AKO se dvěma invertujícími logickými členy NAND.

Oscilátory RCV těchto oscilátorech není klasický rezonanční obvod, a proto se dají nejlépe vysvětlit pomocí teorie kladné zpětné vazby. Zpětná vazba se uzavírá přes selektivní RC článek, který určuje kmitočet oscilátoru. Tyto oscilátory jsou tvořeny pouze rezistory a kondenzátory používají se pro velmi nízké frekvence. Error: Reference source not found


10/11Měření OZ

Obr. 17 Příklad zapojení RC oscilátoru

SHÉMA ZAPOJENÍ:

POSTUP PŘI MĚŘENÍ:

Zapojili jsme obvod dle výše uvedeného schéma. Hodnoty součástek jsme si předem vypočítali podle frekvence. Takto sestavené schéma jsme spojili s PC pomocí rozhraní interface a v programu RC2000 jsme zvolili dvoukanálový osciloskop. Na interface jsme připojili generátor pulzů a nastavily danou frekvenci . Pote jsme tuto frekvenci ladili tak dlouho dokud se nám na osciloskopu neobjevil kruh. Tato frekvence je pote přesná frekvence, kterou vyrábí náš oscilátor.


11/11Měření OZ

VÝPOČTY:

Kondenzátor si zvolíme, v našem případe 33nF a ze zadané frekvence dopočítáme velikost odporu, ten nám vyšel přibližně 50kΩ. GRAFY NAMĚŘENÝCH HODNOT:

ZÁVĚR:

Měřením sme si ověřili funkci Wienova oscilátoru a zjistit jeho skutečnou frekvenci oscilací. Toto ověření jsme provedli pomocí Lissajousových obrazců. Výsledna frekvence nám dle očekávání nevyšla přesně 80Hz ale 77,5Hz tato odchylka je způsobena především součástkami neboť při výpočtu hodnoty odporu jsme výsledek lehce zaokrouhlili.

Entertainment & Humor

WienůV Oscilator