C - Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki
Transkrypt
C - Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki
Elektronika i techniki mikroprocesorowe Elektronika Wybrane układy elektroniczne 2 Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki Wydział Elektryczny, ul. Krzywoustego 2 PLAN WYKŁADU 1. Generatory sinusoidalne: 2. 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. 7. Generatory zbudowane na wzmacniaczach operacyjnych. 8. Generatory sygnałów prostokątnych (w układach cyfrowych). 9. Układ generatora uniwersalnego W2: Elektronika 2 Powstawanie drgań w obwodzie el. R uC(0) L i Równania opisujące układ d 2 uC du di L + Ri + uC = LC + RC C + uC = 0 dt dt dt C uL = L Podstawowy obwód elektryczny w którym występują drgania du di , i = C c , u L + u R + uC = 0 dt dt Równanie charakterystyczne d 2uC du C + 2 ξω 0 + ω 02 u C = 0 dt dt s 2 + 2 ξω 0 s + ω 02 = 0 uc[V] i[A] Wielkości opisujące ukł. rezonansowy ω0 = t[ms] W2: Elektronika 1 LC R ξ= 2 L C L Q= 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). W2: Elektronika 4 Generator sinusoidalny - parametry Parametry podstawowe: - częstotliwość sygnału generowanego - amplituda sygnału generowanego |Am| - moc wyjściowa - sprawność Parametry dodatkowe: ∆ | Am | ∆f = δ δf = A | Am | fN stałość częstotliwości (względną zmianę stałość amplitudy częstotliwości w określonym przedziale) ∞ ∞ ∑ h' = ∆ | U k |2 k=2 |U1 | współczynnik zawartości harmonicznych THD (Total Harmonic Distortion) W2: Elektronika ∑ ∆ |U h= k |2 k |2 k=2 ∞ ∑ ∆ |U k =1 współczynnik zniekształceń całkowitych 5 Warunki generacji K(jω) – wzmacniacz β(jω) – sprzęŜenie zwrotne U 2 β ( jω ) = K ( jω ) ⋅ U1 ( jω ) = β ( jω ) ⋅ K ( jω ) ⋅ U 2 ( jω ) K ( jω )β ( jω ) = K ( jω ) e jϕ1 β ( jω ) e jϕ 2 = 1 WARUNEK AMPLITUDY: K ( j ω ) β ( jω ) = 1 WARUNEK FAZY: ϕ1 + ϕ 2 = 0, 2π , 4π , ... Rola wzmacniacza: wzmocnienie sygnału z filtru w sprzęŜeniu, Rola filtru: zapewnienie odpowiedniego przesunięcia dla jednej częstotliwości, Realizacje generatora: wzmacniacz odwracający + filtr przesuwający o π (dla jednej pulsacji), wzmacniacz nieodwracający + filtr przesuwający o 2π (dla jednej pulsacji), 6 W2: Elektronika Generator RC ze sprzęŜeniem βu1Ψ u 1 1 6 | β |f =f = f0 = ⋅ 29 2π RC 1 βu f 0 Ψu ϕ = arctg 1 RC 0 f0 -π -3π/2 Generator z tranzystorem bipolarnym i przesuwnikiem RC 1 1 1 | β |f =f = f0 = ⋅ 3 2π RC βu1Ψu 0 1/3 π/2 0 -π/2 βu f0 f Ψu Generator ze wzmacniaczem operacyjnym i półmostkiem Wienna W2: Elektronika 7 Generator LC ze sprzęŜeniem Generator Meissnera z tranzystorem bipolarnym 1 1 ⋅ f = 2π LC Generator Colpittsa z tranzystorem unipolarnym C1 ⋅ C2 C= C1 + C2 Tranzystor T pracuje w układzie wzmacniacza odwracającego. Rezystory RB1, RB2, RE dla tranzystora bipolarnego, natomiast RG, RS dla unipolarnego wyznaczają punkt pracy. Kondensatory CE, CS, CB (t. bipolarny), CS, CG , CC (t. unipolarny) blokują składową stałą. Filtry określają częstotliwość pracy i zapewniają odwrócenie fazy. 8 W2: Elektronika Generator LC ze ujemną rezystancją I P1 DT f = 1 1 ⋅ 2π LC I0 P0 P2 U Realizacja z wykorzystaniem diody tunelowej Charakterystyka diody tunelowej uR0 f t W2: Elektronika 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 R0. Dzięki temu powstają drgania o częstotliwości zaleŜnej od pojemności i indukcyjności. 9 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 CO R3 Symbol i schemat zastępczy rezonatora 1 C L fR = fS 1 + ≈ fS fS = QS = C0 2π LC RC W rezonatorze kwarcowym wykorzystuje się rezonans szeregowy (lepsza stabilność częstotliwości). PoniewaŜ Co >> C rezonans równoległy zachodzi blisko szeregowego. DuŜa wartość indukcyjności L zapewnia bardzo wysoką dobroć (nawet setki tysięcy). W2: Elektronika +UZAS + - A0 R2 R1 R2 R > R1 R3 Generator kwarcowy ze wzmacniaczem operacyjnym 10 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). W2: Elektronika 11 Generatory przebiegów prostokątnych Przebiegi uB1 U(T0)1 Przerzutnik astabilny - multiwibrator t 0 τ1=RB1CB1 uC1 EC Um1 UCEsat1 0 t t1 t2 T uB2 SprzęŜenie zwrotne dodatnie uzyskuje się za pomocą odpowiednio przyłączonych kondensatorów CB1 i CB2. Kondensator CB2 ładuje się do napięcia załączającego tranzystor T2 dzięki załączeniu tranzystora T1. U(T0)2 0 t τ2=RB2CB2 uC2 EC Okres drgań na wyjściu: T=2ln2RBCB W2: Elektronika Um2 UCEsat2 0 12 t Przerzutnik astabilny - multiwibrator Przerzutnik astabilny zbudowany ze wzmacniacza operacyjnego: Kondensator C przeładowuje się do napięcia Uwy przez rezystor R1. Na wejściu nieodwracającym panuje napięcie wynikające z dzielnika napięciowego bUwy. Zmiana napięcia wyjściowego występuje w chwili zrównania się napięcia kondensatora uC z napięciem na rezystorze R3 13 W2: Elektronika Przerzutnik astabilny - multiwibrator Przerzutnik astabilny zbudowany z bramek logicznych: Bramka negacji odwraca sygnał o 180º, dlatego aby powstały drgania konieczne jest uŜycie dwóch bramek negacji. Częstotliwość generowanego sygnału wyjściowego w przybliŜeniu jest równa: 1 f ≈ R1C1 + R2C2 Wypełnienie sygnału wyjściowego zaleŜy od parametrów R1C1 i R2C2. W przypadku gdy R1=R2, C1=C2, wypełnienie sygnału wyjściowego wynosi D=0,5. W2: Elektronika 14 Przerzutnik monostabilny - uniwibrator Przebiegi W przerzutniku monostabilnym moŜna wygenerować jeden impuls wymuszony zewnętrznym sygnałem. Czas trwania tego impulsu jest proporcjonalny do R1C. Przerzutnik ten moŜna stosować wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba wydłuŜenia impulsów. W2: Elektronika 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 R2/R1Uwy. C We Uwe B2 B2 R Uwe1 W2: Elektronika Wy Uwe2 Uwe2 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 C2. W2: Elektronika 17 Generator przebiegów liniowych – piłokształtnych Rr p C R + Ku → ∞ - Ez uwy 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 Rr. Jest to zatem generator napięcia piłokształtnego. 18 W2: Elektronika Układ czasowy (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, 2004. Przykładowe zastosowania: - multiwibrator - dzielnik częstotliwości - uniwibrator W2: Elektronika 19 Układ czasowy (Timer) – NE555 Uniwibrator Multiwibrator Podłączenie jednego lub dwóch rezystorów i kondensatora pozwala skonstruować róŜne układy czasowe. W2: Elektronika 20 Scalony generator uniwersalny 8038 Scalony generator funkcyjny XR 8038A (EXAR), ICL 8038 (Intersil) pozwala na generację przebiegów sinusoidalnych, prostokątnych i piłokształtnych. Symbol i schemat zastępczy rezonatora W2: Elektronika 21 Scalony generator XR 8038A Parametry znamionowe: Zakres częstotliwości: - 0.001 Hz – 200 kHz Regulacja wypełnienia w zakresie: - D = 2-98 % Napięcie zasilania: - (10–30)V lub ±(5–15)V Napięcia wyjściowe: - przebieg prostokątny: 0,98 UZAS - przebieg trójkątny: 0,33 UZAS - przebieg sinusoidalny: 0,22 UZAS Poziom odkształceń: - przebieg trójkątny: 0,1 % - przebieg sinusoidalny: 0,8 % Wysoka stabilność temperaturowa i przy zmianach napięcia zasilania. MoŜliwość realizacji modulacji częstotliwościowej i przemiatania częstotliwości W2: Elektronika ZaleŜności czasowe: Regulację częstotliwości oraz wypełnienia uzyskuje się poprzez dobór rezystorów podłączonych do wejść DCA1 i DCA2 oraz kondensatora podłączonego do TC. Czas narastania przebiegu trójkątnego i sinusoidalnego oraz czas trwania poziomu niskiego dla przebiegu prostokątnego wynosi: T1 = 5/3RAC Czas opadania przebiegów oraz poziomu wysokiego wynosi: T2 = 5/3RARBC/(2RA-RB) Częstotliwość przebiegów wynosi: f=1/(T1+ T2) f=0.15/RC dla równych wartości rezystancji. 22 Scalony generator XR 8038A Przykładowe aplikacje Generator przebiegów o regulowanym wypełnieniu i częstotliwości W2: Elektronika Generator sinusoidalny o zmniejszonych odkształceniach 23 KONIEC WYKŁADU NR 3 W2: Elektronika 24