Ćw. 4b: Generatory sinusoidalne LC - Scalak

Podstawy Elektroniki dla Międzywydziałowej Szkoły Inżynierii Biomedycznej
Ćw. 4b: Generatory sinusoidalne LC
Wstęp
Tematem ćwiczenia są podstawowe zagadnienia dotyczące generacji napięcia sinusoidalnego.
Ćwiczenie składa się z dwóch części. W pierwszej z nich, mającej charakter wprowadzenia,
obserwuje się związek miedzy charakterystykami częstotliwościowymi (amplitudową i fazową)
wzmacniacza z jednej strony, a kształtem przebiegu wytwarzanego przez generator powstały z tego
wzmacniacza w wyniku objęcia go pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego. Druga, zasadnicza część
ćwiczenia poświęcona jest badaniom podstawowych właściwości generatorów Collpittsa, Clappa i
Hartleya.
Celem ćwiczenia jest zilustrowanie jakościowych i ilościowych zależności rządzących
podstawowymi układami generatorów LC, zwłaszcza dotyczących częstotliwości pracy i jej
stałości. Drugim istotnym wątkiem jest jakościowe poznanie zjawisk występujących w układach
generacji przebiegów sinusoidalnych.
Przebieg ćwiczenia
1. Badanie wzmacniacza pasmowego objętego pętlą sprzężenia zwrotnego
Rysunek 1 przedstawia trzystopniowy wzmacniacz pasmowym o wzmocnieniu w zakresie
średnich częstotliwości kU0 ≅ 7[V/V]. Pierwszy oraz ostatni stopień tego wzmacniacza stanowią
wtórniki emiterowe (T1, T4), pełniące rolę separatorów. Wzmocnienie napięciowe zapewnia stopień
środkowy, pracujący w układzie niesymetrycznego wzmacniacza różnicowego. Górną częstotliwość
graniczną badanego wzmacniacza wyznacza filtr dolnoprzepustowy R7 C2, który wprowadza biegun
dominujący fg ≅ 3,6 kHz. Od dołu pasmo ograniczane jest przez filtr górnoprzepustowy - R3 C1.
Rezystancja R3 może być regulowana płynnie - R31 oraz - R32. Dzięki temu możliwa jest zmiana
dolnej częstotliwości granicznej, a zarazem i kształtu charakterystyk amplitudowych oraz fazowych
wzmacniacza. Należy zwrócić uwagę na to, że w wyniku zastosowania wtórników T1 i T4,
impedancja wejściowa wzmacniacza nie obciąża jego wyjścia po zamknięciu pętli sprzężenia
zwrotnego.
Tranzystor BC107BP znajduje się w bibliotece BJT_NPN.
R3
Rys. 1. Wzmacniacz pasmowy
Katedra Elektroniki AGH
1
Podstawy Elektroniki dla Międzywydziałowej Szkoły Inżynierii Biomedycznej
Pomiary:
• Należy zamknąć pętlę sprzężenia zwrotnego (połączyć WY z WE),
• Ustawiamy R31 i R32 na wartości 0Ω (0%). Następnie zwiększamy R31 aż do uzyskania
drgań na oscyloskopie,
• Przy pomocy oscyloskopu zmierzyć częstotliwość drgań oraz amplitudę,
• Następnie zwiększać rezystancję R31 i R32 obserwując częstotliwość, amplitudę oraz kształt
drgań. Zaobserwować maksymalną niezniekształconą amplitudę oraz przebieg mocno
zniekształcony
• Za pomocą charakterografu Bodego zdjąć charakterystyki amplitudowe oraz fazowe
wzmacniacza pasmowego dla powyższych punktów. Szczególnie interesująca jest faza i
wzmocnienie dla powyżej zmierzonych częstotliwości.
Uwagi:
Zmiana nastawy potencjometru jest realizowana ze skokiem 5% poprzez wybrane klawisze
(np. A oraz B). Aby uzyskać zwiększanie należy użyć tych samych klawiszy z klawiszem
SHIFT.
Do pomiaru częstotliwości użyć kursorów na oscyloskopie oraz właściwie dobrać podstawę
czasu i wzmocnienie napięciowe kanału. Dokładniejszy pomiar uzyskujemy ustawiając
kursory w punkcie przejścia napięcia przez zero.
Charakterograf Bodego wymaga podpięcia generatora na wejście układu. Można zastosować
przełącznik, który będzie zamykał pętlę sprzężenia zwrotnego lub dołączał generator na
wejście.
Opracowanie wyników:
• W sprawozdaniu zawrzeć wyniki pomiarów oraz zmierzone charakterystyki
• Wyjaśnić związki między częstotliwością, amplitudą i kształtem powstałych drgań a chkami amplitudowymi i fazowymi wzmacniacza. Z czego wynika wartość częstotliwości
powstających drgań?
Katedra Elektroniki AGH
2
Podstawy Elektroniki dla Międzywydziałowej Szkoły Inżynierii Biomedycznej
2. Badanie generatorów LC Collpittsa i Clappa
Pomiary:
• Dla zadanych wartości L1, C2, RO w tabeli 1 zmierzyć za pomocą oscyloskopu częstotliwość
generowanych drgań dla kilku wartości prądu emitera (Ie= 0.8mA, 1mA, 1.5mA, 2mA) dla
obu generatorów.
Tabela 1. Dane do projektowania generatorów
Grupa
L1
C2
A
2.2nF
15µH
B
1nF
15µH
C
0.5nF
15µH
D
1nF
30µH
E
0.5nF
30µH
Ro
33kΩ
33kΩ
47kΩ
33kΩ
47kΩ
Rysunek 2 przedstawia schemat generatora Collpittsa. Tranzystor T1 jest zasilany od strony
emitera prądowo, przez regulowane w pewnych granicach źródło (I e), zaś od strony kolektora
napięciowo przez dławik. Tranzystor T1 jest elementem aktywnym badanych generatorów z
dzieloną pojemnością. Pracuje on w punkcie pracy o następujących współrzędnych: I C ≅ IE ≅ 0,8 ÷
2mA oraz ponieważ potencjał bazy jest bliski zeru UCE ≅ 15,7V. Trzy kondensatory Ce, Cb i Cc
(10nF) służą do odseparowania obwodu rezonansowego i obwodów zasilania.
Rysunek 3 przedstawia generator Clappa.
Rys. 2. Generator Collpittsa
Katedra Elektroniki AGH
3
Podstawy Elektroniki dla Międzywydziałowej Szkoły Inżynierii Biomedycznej
Rys. 3. Generator Clappa
Opracowanie wyników:
• W sprawozdaniu zawrzeć wyniki pomiarów
• Porównać stałość generatorów Collpittsa i Clappa
• Obliczyć teoretyczne wartości częstotliwości drgań na podstawie zadanych wartości
elementów (z Tabeli 1) i porównać z wartościami zmierzonymi, wyjaśnić ewentualne
różnice.
Katedra Elektroniki AGH
4
Podstawy Elektroniki dla Międzywydziałowej Szkoły Inżynierii Biomedycznej
3. Badanie generatorów LC Hartleya
Pomiary:
• Przeprowadzić symulację generatorów Hartleya dla różnych metod zasilania (rys. 4 i 5).
• Dla kolejnych zestawów wartości L1, L2, RO (Tabela 2) zmierzyć za pomocą oscyloskopu
częstotliwość generowanych drgań.
• Zaobserwować proces narastania i stabilizacji amplitudy drgań sinusoidalnych.
Tabela 2. Dane do generatorów Hartleya
Grupa
L1
L2
Zestaw 1
11µH
2µH
Zestaw 2
15µH
1µH
Zestaw 3
6µH
1µH
Zestaw 4
11µH
2µH
Ro
10kΩ
10kΩ
10kΩ
5kΩ
Uwaga: Na wzbudzenie się generatora należy odczekać ok. 100-500ms czasu symulacji.
L1
5uH
Ro
10kohm
C1
123pF
L2
1uH
Q1
BC107BP
Rel
82ohm
Ce
Rb
15ohm
V2
6.8V
Re
330ohm
330pF
V1
10V
Rys 4. Generator Hartleya z zasilaniem przez opornik w obwodzie emitera
Katedra Elektroniki AGH
5
Podstawy Elektroniki dla Międzywydziałowej Szkoły Inżynierii Biomedycznej
V1
10V
Q1
BF245B
Cg
L1
15uH
Ro
10kohm
C1
155pF
27pF
Rg
470kohm
L2
1uH
Rys. 5. Generator Hartleya z tranzystorem unipolarnym ze sprzężeniem źródłowym
Opracowanie wyników:
• W sprawozdaniu zawrzeć wyniki pomiarów
• Obliczyć teoretyczne wartości częstotliwości drgań na podstawie zadanych wartości
elementów (Tabela 2) i porównać z wartościami zmierzonymi, wyjaśnić ewentualne
różnice.
Katedra Elektroniki AGH
6