LABORATORIUM UKŁADÓw elektronicznych	Dzień tygodnia: poniedziałek godz. 8^15
Nr grupy: 3 Imię i nazwisko : Paweł Janiak Rafał Tarczyński	Nr ćwiczenia : 5 Temat : Generatory RC
Data wykonania : 98.11.09	Ocena :

1. Obliczenia projektowe.

Pętla ARW z tranzystorem FET - obliczenia.

Dane: f0 = 15 kHz U0 = 5V ;

do stabilizacji amplitudy drgań zastosować tranzystor polowy złączowy BF245 o parametrach: IDSS = 15mA UP = - 3,1V

W generatorze przerwiemy pętlę sprzężenia zwrotnego. Jest to kaskadowe połączenie czwórnika sprzężenia zwrotnego (dzielnika Wiena) o transmitancji:

, (1)

i wzmacniacza o wzmocnieniu:

(2)

przy czym wzór (2) jest słuszny dla sygnał*w o dostatecznie małej amplitudzie, kiedy nie zachodzą zniekształcenia nieliniowe we wzmacniaczu operacyjnym A741. Generator z mostkiem Wiena drga z pulsacją ₀ przy wzmocnieniu krytycznym A=3 i aby były to drgania odpowiadające cyklowi granicznemu stabilnemu, wzmocnienie wielkosygnałowe A(U_i) musi maleć ze wzrostem amplitudy drgań.

Jako element regulacyjny zastosowano tranzystor polowy BF245 z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Jego rezystancja zmienia się w funkcji napięcia regulacyjnego zgodnie z następującą zależnością:

rys.3.Tranzystor polowy jako rezystor regulowany napięciem

(3) gdzie (4)

stąd:

W szereg z tranzystorem polowym włączony jest rezystorR1', aby ograniczyć amplitudę sygnału U_ds. do wartości określonej liniowością tranzystora.

Wykres zmian rezystancji tranzystora polowego w funkcji napięcia regulacyjnego (i amplitudy drgań U₀) wykreślono na rys.5. Rezystancja ta rośnie w funkcji amplitudy drgań i, aby wzmocnienie wielkosygnałowe malało ze wzrostem amplitudy drgań, tranzystor polowy musi być włączony w miejscu rezystancji R₁

(6)

rys.5.1. Wykres charakterystyki ID=f(UGS)

rys.5.2. Wykres charakterystyki rDS=f(UGS) =f((UREG)/2)

Podstawiamy r_ds(U_REG=-5,2V)=670

R1' = 3,9 k R2 = 9 k

Napięcie regulacyjne u_REG zależy od amplitudy sygnału wyjściowego prostowanego przez detektor szczytowy o sprawności detekcji η=0.9, lub też od napięcia U_GS.

(5)

Korzystnie jest wybrać U_REG=2U_GS= -5,2V, ponieważ w tych okolicach znajduje się punkt autokompensacji termicznej tranzystora oraz szybkość zmian r_DS. jest duża.

r_DS(U_GS= -2,6V)=r_DS(U_REG= -5,2V)=670

rys.4. Schemat prostownika dostarczającego uREG

Dla rezystancyjnego dzielnika napięcia wyliczamy z (5) stosunek podziału k. Wynosi on

Stała czasowa prostownika R5*C2 powinna być przynajmniej 10 razy większa od okresu sygnału generatora T = 0,15 ms. Warunki te spełnia R5 = 100 k i C2 = 220 nF.

Elementy mostka Wiena:

R=R1||R2, gdzie R1=R1'+r_ds.(U_REG=-5,2V) = 4,57 k R2 = 9 k

Otrzymujemy R= 3,9 k

Z warunku częstotliwości generacji wyznacza się kondensatory C

C=1/2f₀R, stąd C = 2,2 nF.

Otrzymane elementy zgodnie z oznaczeniami na schemacie:

R₁ = 3,9 kΩ ;

R₂ = 9 kΩ ;

R₄ = R₅ = 3,9 kΩ ;

R₆ = R₇ = 100 kΩ ;

R₈ = 15 kΩ ;

R₉ = 115kΩ ;

C₁ = C₂ = 2,2 nF ;

C₃ = 220 nF ;

R_L = 4,7 kΩ

Schemat ideowy generatora zamieszczam na stronie następnej.

Schemat generatora

Na poprzedniej stronie zamieszczony jest przebieg czasowy uzyskany na wyjściu generatora.

Poniżej zamieszczam widmo fourierowskie tego sygnału.

2. Pomiar parametrów pętli β^-.

Do pomiarów parametrów pętli β- należało wydzielić zaprojektowaną pętlę ARW. W naszym przypadku schemat układu pomiarowego wygląda następująco:

1. pomiar |β^-| = f(f)

Pomiaru należało dokonać w taki sposób, aby napięcie wejściowe było równe amplitudzie generowanego sygnału.

Wykres zależności β^- od częstotliwości przedstawiam na rysunku poniżej:

Kursor umieszczony jest dokładnie w miejscu odpowiadającym częstotliwości generowanego sygnału. Dzięki temu możliwe jest dokładne odtczytanie uzyskanego wyniku dla naszego generatora.

Odczytany wynik:

β^- = 0,308 V/V

2. pomiar U_GS

pomiar U_GS polegał na zmierzeniu napięcia źródło - kanał tranzystora BC145 użytego do budowy pętli ARW. Otrzymany wynik przedstawiam jako wykres U_GS = f(f) na następnej stronie.

Zależność U_GS = f(f)

3. pomiar napięcia U^-

wynik pomiaru U^- = f(f)

3. Pomiar pętli β⁺.

Schemat układu pomiarowego

Na wejście układu obejmującego dodatnie sprzężenie zwrotne podany jest sygnał o amplitudzie generowanego przebiegu. Otrzymaną zależność |β⁺| = f(f) przedstawiam poniżej

Dla częstotliwości naszego generatora wartość β⁺ = 0,33 V/V

4. Pomiar otwartej pętli |k_uβ⁺|.

Schemat układu pomiarowego

Pomiar |k_uβ⁺|.

Na wejście układu podano takie napięcie, aby na wyjściu uzyskać taką amplitudę jak amplituda generowanego przebiegu.

Przebieg |k_uβ⁺| = f(f).

5. Pomiar parametrów znamionowych.

Parametry generatora dla U_zaś = 15V i R_L = 4,7 kΩ:

f_o = 15,25 kHz;

U_wy = 6,3 V

h = 4,91 %

6. Pomiar wpływu zmian napięcia zasilania:

R_L = 4,7 kΩ U_wy = 6,3 V f_o = 15,25 kHz

Uz [V]	h [%]
15	4,91
14,5	4,94
14,0	5,14
13,5	5,23
13,0	5,20
12,5	5,23
12,0	4,96
11,5	5,06
11,0	5,00
10,5	5,16
10,0	5,20
9,5	5,24
9,0	5,00
8,5	5,23
8,0	5,22
7,5	5,05

7. Pomiar wpływu zmian obciążenia

Wyniki pomiarów:

RL [kΩ] --> [Author:M]	fo [kHz]	Uwy [V]	h [%]
0,1	14,5	4,0	5,9
0,2	14,25	5,7	8,67
0,4	14,75	6,02	7,17
0,8	15,00	6,18	6,42
1	15,00	6,2	5,21
2	15,25	6,27	5,6
4	15,25	6,3	4,93
8	15,25	6,32	4,98
10	15,25	6,32	5,02
20	15,25	6,33	5,04
40	15,25	6,33	5,03
80	15,25	6,33	5,02
100	15,25	6,33	5,01

Na podstawie powyższych wyników sporządziłem wykres, który przedstawiam poniżej

Na powyższym wykresie linią ciągłą oznaczono zmiany częstotliwości generatora w funkcji obciążenia, linią kreskową - zmiany napięcia wyjściowego, natomiast linią kropkową - zmiany zniekształceń nieliniowych.

8. Wnioski i spostrzeżenia.

Ze względu na to, że generator przez nas zaprojektowany nie działał po zmontowaniu na zajęciach zmuszeni byliśmy do przeprowadzenia szeregu pomiarów i zasymulowania działania układu za pomocą programu PCSPICE. Jak widać z rysunków zaprojektowany układ działał w programie PCSPICE poprawnie (przedstawiony przebieg czasowy jest do 4ms, lecz układ sprawdzony został do czasu działania 10s). Amplituda generowanego sygnału jest różna od założonej o ponad jeden wolt. Przyczyną tego jest to, że w programie zastosowaliśmy elementy z szeregów (E12). Wyeliminowanie tego błędu polegałoby na tym, że jako rezystory R₁ I R₂ należałoby zastosować potencjometry, którymi możliwa byłaby dokładna regulacja amplitudy generowanego przebiegu. Niestety przy pomocy programu PCSPICE nie możliwe było również uzyskanie charakterystyk amplitudowych, które potwierdziłyby poprawność projektu. Jedynie uzyskana charakterystyka k_uβ⁺ potwierdza, że spełniony został warunek amplitudy. Otrzymaliśmy |k_uβ⁺| = 1,044 >1. Z wyliczeń teoretycznych wychodzi k_uβ⁺ = 1,082 >1. Jak widać rozbieżność pomiędzy założeniem, a wynikiem jest niewielka.

Dobry wynik uzyskaliśmy w dziedzinie częstotliwości, gdyż z założonych 15 kHz „zrobiło się” 15,25 kHz co oznacza błąd rzędu 1,67 %.

Przy pomiarach współczynnika zniekształceń nieliniowych wszystko wskazuje na to, że otrzymany wynik nie jest obiektywny, gdyż otrzymane wartości są zdecydowanie za duże. Powodem tego może być to, że w komputerze odbywa się pomiar przebiegu spróbkowanego, a nie przebiegu ciągłego natomiast laboratoryjny miernik zniekształceń działa na przebiegu uzyskanym bezpośrednio z generatora, a więc ciągłym. Oczywiście zmniejszenie czasu próbkowania powodowałoby zmniejszenie zniekształceń nieliniowych, lecz wygenerowanie rozsądnie długiego do pomiaru przebiegu przekraczałoby możliwości mojego komputera (przebieg o dość dużym czasie próbkowania i czasie trwania 10s generował się ok. 1,5 godziny).

Jak widać z pomiarów zależności parametrów generatora od rezystancji obciążenia w miarę wzrostu rezystancji nie zmieniały się one, natomiast gdy rezystancja obciążenia zmalała poniżej 400 Ω następował spadek napięcia wyjściowego, częstotliwości generowanego przebiegu oraz wzrost zniekształceń nieliniowych.

Pomiar generatora pozwala nam jednoznacznie stwierdzić, że projekt wykonany został poprawnie lecz niestety nie znamy powodów, które sprawiły, że generator po zmontowaniu nie zadziałał.

---