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