WSTĘP W czasie zajęć laboratoryjnych będzie badany ...home.agh.edu.pl/~godek/GEN_LC.pdf ·...
Transcript of WSTĘP W czasie zajęć laboratoryjnych będzie badany ...home.agh.edu.pl/~godek/GEN_LC.pdf ·...
GENERATOR DRGAŃ SINUSOIDALNYCH LC i KWARCOWY
WSTĘP
W czasie zajęć laboratoryjnych będzie badany generator LC w układzie
Colpittsa (z dzielnikiem pojemnościowym) przedstawiony w uproszczeniu na
rysunku 1, oraz generator kwarcowy otrzymany przez zastąpienie cewki
rezonatorem kwarcowym. Pełny schemat badanego układu znajduje się na
rysunku 8.
Przy projektowaniu generatora zadaje się dwa główne parametry:
częstotliwość i amplitudę sygnału wyjściowego. Zwykle żąda się, aby parametry
te zmieniały się możliwie mało przy zmianach obciążenia generatora,
temperatury otoczenia, napięć zasilających i czasu. W praktyce projektowanie
układu generatora na oba zadane parametry jest bardzo trudne, gdyż trzeba
korzystać z nieliniowego opisu elementów. Równocześnie wyniki obliczeń
niezbyt często sprawdzają się po uruchomieniu modelu generatora. Stąd proces
projektowania generatora ogranicza się zwykle do wyznaczenia wartości
niektórych jego elementów tak, aby generator wzbudzał się łatwo i wytwarzał
sygnał o częstotliwości zbliżonej do wymaganej. Korzysta się przy tym z
liniowych modeli elementów generatora. Oczywiście, potraktowanie generatora
jako układu liniowego ma sens tylko w fazie wzbudzania się drgań i w
Rys.1. Schemat generatora Colpittsa badanego w ćwiczeniu.
2
początkowej fazie narastania drgań, gdy amplitudy napięć i prądów są bardzo
małe.
Przystąpmy do uproszczonego projektowania układu generatora
przedstawionego na rysunku 1. Metoda wyprowadzenia wzorów projektowych
będzie na tyle ogólna, że można ją stosować do analizy innych układów
generacyjnych.
Przede wszystkim należy rozważyć wszelkie założenia, ograniczenia i dane
projektu. W rozpatrywanym przypadku będą to:
- założenie liniowości wszystkich elementów układu generatora,
- narzucony schemat układu generatora,
- założona wartość częstotliwości sygnału wytwarzanego przez generator
(fg),
- założona wartość współczynnika regeneracji (w),
- dane wartości indukcyjności i dobroci cewki [L,QL]
- dane wartości parametrów niektórych elementów układu (R1,Robc),
- dane wartości napięć zasilających.
Poszukujemy wartości pojemności kondensatorów C1 i C2.
Projektowanie odbywa się w kolejnych krokach.
1. Mając dane wartości parametrów elementów układu, wartości napięć
zasilających oraz typ tranzystora T1 wyznacza się początkowy punkt pracy
tranzystora T1 (tzn. punkt pracy tranzystora dla zerowej amplitudy sygnału
wyjściowego generatora). W przykładowym układzie początkowy punkt pracy
(dla U’EE=13,7V) równy jest: IE=1mA, UCB=5V.
2. Dla wyznaczonego początkowego punktu pracy tranzystora T1 i danej
częstotliwości fg odczytuje się z katalogu lub określa w dowolny inny sposób
parametry różniczkowe przyjętego liniowego modelu tranzystora T1. Dla
rozpatrywanego układu, tranzystora typu BF 215, częstotliwości fg=1MHz i
modelu bazującego na macierzy [yb] otrzymamy:
g11b=33mS C11b=9pF g12b0 C12b=0,6pF
g21b=33mS 21b0 g22b0 C22b=0,7pF
(Y12b=-j3.8S dla f=1MHz)
3. Dla danego schematu generatora oraz przyjętego liniowego modelu
elementu aktywnego rysuje się schemat zastępczy układu generatora. W
schemacie zastępczym występują tylko elementy liniowe. Może on służyć
jedynie do wyznaczenia warunków wzbudzania się drgań w rzeczywistym
generatorze. Schemat zastępczy układu z rys.1 przedstawiono na rys. 2.
Porównując te dwa rysunki łatwo można określić odpowiedniość
elementów i ich modeli. Wyjątek stanowi symbol Gd. Konduktancja Gd
3
modeluje łącznie: straty energii w nieobciążonym obwodzie rezonansowym Gd0,
konduktancję wejściową wtórnika separującego Gwe wt oraz konduktancję
obciążenia Gobc. Możemy napisać:
Gd=Gd0+Gwe wt+Gobc
Konduktancja Gd0 reprezentuje straty energii powstające do przy przepływie
prądu o częstotliwości fg przez cewkę [L,QL] oraz kondensatory C1 i C2.
Stratność kondensatorów mikowych i styrofleksowych (takie powinny być
użyte w ćwiczeniu) dla f1MHz jest znacznie mniejsza od stratności cewki
indukcyjnej. Wtedy konduktancję Gd0 można utożsamiać z konduktancją
GL=1/gLQL) stanowiącą wraz z równolegle do niej dołączoną indukcyjnością
L wygodny model cewki [L,QL].
Zauważmy, że na rys.2 można wskazać zamkniętą pętlę, w której
cyrkuluje sygnał. Na przykład, biorąc pod uwagę napięcie US: steruje ono
źródłem prądowym g21bUS, które powoduje, między innymi, powstanie napięcia
na dzielniku C1, C2. Spadek napięcia z C2 doprowadzany jest do punktu
startowego naszych rozważań. W ten sposób zidentyfikowaliśmy pętlę
generacyjną.
4. Rozcinamy pętlę generacyjną. Musimy to zrobić (choćby w pamięci!),
aby napisać równanie generatora o postaci:
(k)fg=w+j0 (1)
gdzie: (k)fg - transmitancja otwartej pętli generatora dla częstotliwości f = fg,
w - współczynnik regeneracji.
Aby układ mógł wytwarzać drgania elektryczne, musi być w1.
Równanie generatora (warunek powstawania drgań) może mieć inną
postać np. można przyrównać do zera wyznacznik sieci, którą tworzy układ
generatora i poszukiwać warunków występowania miejsc zerowych w prawej
Rys.2. Schemat zastępczy generatora z rys.1.
4
półpłaszczyźnie zmiennej zespolonej s. Równanie (1) nazywane bywa
warunkiem powstawania drgań. Jest ono zwykle zastępowane dwoma
równaniami:
Re (k)fg=w (2)
Im (k)fg=0 (3)
które nazywa się odpowiednio: warunkiem amplitudy i warunkiem fazy (lub
częstotliwości).
Rozcięcie pętli generacyjnej musi być wykonane w sposób właściwy, tzn.
po rozcięciu nie mogą zmienić się warunki pracy pętli. Dla schematu z rys.2
najbardziej wygodne, dla celów obliczeniowych, jest rozcięcie pętli w punkcie
P oznaczonym krzyżykiem. W doświadczalnej części ćwiczenia pętla zostanie
przecięta w punkcie P' oznaczonym rombem. Co należy zrobić, aby warunki
pracy pętli rozciętej w punkcie P' były takie same jak pętli zamkniętej?
5. Korzystając ze schematu generatora z rozciętą pętlą obliczamy
transmitancję pętli. Następnie, uwzględniając narzuconą wartość współczynnika
regeneracji w, wypisujemy jawną postać równania (1) i z niego wyznaczamy
poszukiwane wartości parametrów.
Dla schematu z rys.3, który odpowiada schematowi z rys.2 z rozcięciem
pętli w punkcie P, otrzymamy dla =g równanie:
kU
U
g
j C' +g'
j C'j C' +
j LG j C' +g'
w+jZ
S
b
b
b d b
21
2 11
1
22 2 1111
0 (4)
Równanie (4) można rozdzielić na część rzeczywistą i urojoną, czyli
można otrzymać jawną postać równań (2) i (3). Jednak zanim to zrobimy,
podejmiemy próbę uproszczenia równania (4). W tym celu załóżmy, że dla
g:
Rys.3. Schemat generatora Colpittsa z rozciętą pętlą sprzężenia zwrotnego.
5
g’11b<<C’2 (5)
Nierówność ta jest prawdziwa dla prawie wszystkich układów
generatorów stosowanych w praktyce. Świadomość tego faktu nie zwalnia
oczywiście projektanta od sprawdzenia prawdziwości tego warunku po
zakończeniu projektowania.
Biorąc pod uwagę warunek (5), dokonajmy transformacji konduktancji
g'11b z zacisków C’2 na zaciski obwodu rezonansowego (równolegle do Gd).
Konduktancja przetransformowana ma wartość g’11b/n2, gdzie n = (C'2+C'1)/C'1 -
współczynnik transformacji. Teraz schemat zastępczy układu przyjmuje postać
jak na rys.4, a równanie (4) upraszcza się następująco (dla =g):
kU
U
g
C C
Cj C' C +
j LG
w+jZ
S
b
b dw
21
2 1
1
22
10
' '
'( )
(6)
gdzie: C=C'1C'2/(C'1+C'2), Gdw=Gd+g'11b/n2, n=1+C'2/C'1
Wydzielając z równania (6) część urojoną i rzeczywistą, otrzymamy:
1
022
j Lj C C j
g
g b
( ' ) (7)
g
G nw
b
dw
21
(8)
Z równania (7) znajdujemy pierwsze równanie projektowe:
C L Cg b 1 222/ ( ) ' (9)
C Lg1 2/ ( ) dla C’22b<<C (9’)
Równanie (8) możemy zapisać inaczej:
n2Gdw-ng21b+g’11bw=0 (8’)
Rys.4. Uproszczony schemat generatora Colpittsa z rozciętą pętlą sprzężenia zwrot-
nego.
6
Z równania (8') otrzymujemy drugie równanie projektowe:
ng g g G w
G w
b b b d
d
1 2
21
221 11
24
2,
'
(10)
Zanim obliczymy wartości n1 i n2 z zależności (10) warto sprawdzić, czy
obliczanie ma sens. W tym celu wyznaczamy maksymalną wartość
współczynnika regeneracji w, którą max można osiągnąć w danym układzie:
wg
g G
b
b d
max'
21
112 (11)
Obliczanie n1 i n2 ma sens, jeśli wwmax. Gdy n1> 0 i n2> 0, o wyborze jednej z
tych wartości musi zadecydować spełnienie warunku (5).
Po obliczeniu wartości C z równania (9) i wartości n z równania (10),
otrzymujemy dwa równania z dwoma niewiadomymi, z których obliczamy
wartości C'1 i C'2. Po odjęciu (lub pominięciu, jeśli jest to dopuszczalne)
wartości C11b i C12b, otrzymamy poszukiwane wartości pojemności
kondensatorów C1 i C2.
W tym miejscu kończy się projektowanie generatora bazujące na
warunkach powstawania drgań (tzn. według teorii liniowej). Teraz
zaprojektowane elementy trzeba wmontować do układu. Zmontowany układ
generatora będzie badany zarówno w otwartej pętli jak i po jej zamknięciu.
Badanie generatora z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego ma na celu
sprawdzenie, czy projekt został wykonany poprawnie oraz uświadomienie
wykonującemu ćwiczenie, w jaki sposób generator osiąga stan ustalony.
Rozcięcie pętli sprzężenia zwrotnego w rzeczywistym generatorze
zostanie zrealizowane na zaciskach obwodu rezonansowego (w punkcie P'
według rysunku 2). Wymaga to uzupełnienia rozciętej pętli odpowiednimi
elementami tak, aby warunki pracy pętli otwartej i zamkniętej były takie same.
Pełny układ rozciętej i uzupełnionej odpowiednimi elementami pętli
generacyjnej przedstawiono na rysunku 5. Wejściem otwartej pętli jest punkt
dołączenia kondensatora C"1 do kolektora tranzystora T3 (oczywiście drugim
zaciskiem wejściowym jest masa układu). Napięcie wejściowe pętli, oznaczane
dalej symbolem U2, będzie mierzone na wyjściu „U2” i należy je interpretować
jako siłę elektromotoryczną generatora zasilającego dzielnik pojemnościowy
C"1, C"2. Napięcie wyjściowe pętli U1 będzie mierzone na wyjściu „U1”. W
przypadku rozcięcia pętli sprzężenia zwrotnego w punkcie P rolę napięcia
wejściowego pętli U2 pełniło napięcie sterujące wzmacniacz US, natomiast rolę
napięcia wyjściowego pętli U1 napięcie zwrotne UZ.
Mierząc równocześnie amplitudy (lub wartości międzyszczytowe, lub
wartości skuteczne) i fazy napięć U2 i U1, możemy, dla dowolnej pulsacji ,
doświadczalnie wyznaczyć quasi-liniową transmitancję pętli generatora:
7
( ) /k U Upomiar 1 2
W ćwiczeniu interesować nas będzie transmitancja pętli dla pulsacji
rezonansowej g obwodu rezonansowego, znajdującego się w kolektorze
tranzystora T1. Dostrojenie generatora sterującego układ (dołączonego do
gniazda „WE”) do pulsacji g osiągniemy wtedy, gdy przesunięcie fazy między
napięciami U2 i U1 będzie równe zeru.
Gdy wymuszamy zmiany U2, zmienia się również U1. Zależność U1=f(U2)
nazywamy charakterystyką dynamiczną danego generatora. Typowy kształt
charakterystyki dynamicznej przedstawiono na rysunku 6a. Z początkowego
odcinka charakterystyki dynamicznej możemy określić rzeczywistą wartość
współczynnika regeneracji wpomiar i porównać ją z wartością założoną w
projekcie.
Na przecięciu charakterystyki dynamicznej generatora i prostej U1=U2
otrzymujemy punkt odpowiadający normalnym warunkom pracy generatora. Po
zrzutowaniu tego punktu na jedną z osi uzyskamy wartość amplitudy drgań
generatora, która powinna się ustalić po zamknięciu pętli. Należy ją porównać z
rzeczywistą wartością amplitudy drgań generatora. W miarę zwiększania
amplitudy napięcia U2 zmieniają się warunki pracy tranzystora T1. Można to
stwierdzić, notując wartości składowej stałej napięcia na emiterze oraz
obserwując zmiany kształtu prądu kolektora tranzystora T1 (wyjście „UE” i
wyjście „I” - patrz pełny schemat na rys.7). W miarę zwiększania amplitudy
napięcia U2 zwiększa się potencjałami emitera T1. Świadczy to o nieliniowej
Rys.5. Układowa symulacja generatora z rozciętą pętlą sprzężenia zwrotnego.
8
pracy tranzystora T1; występuje prostowanie napięcia zmiennego
doprowadzanego do emitera tego tranzystora. Kondensatory C1 i C2 zaczynają
pełnić dodatkową funkcję - gromadzenia ładunku przyczyniającego się do
zmiany składowej stałej napięcia na emiterze i powodującego przesuwanie
punktu pracy tranzystora T1.
Zmiana punktu pracy tranzystora powoduje zmianę jego parametrów,
zwłaszcza „g11b” i „g21b”. Parametry te celowo ujęto w cudzysłowie, gdyż w
miarę zwiększania amplitudy napięcia na złączu E-B tranzystora T1 i zmiany
kształtu prądu emitera (i kolektora) z sinusoidalnego na impulsowy należy je
interpretować jako konduktancje wiążące pierwsze harmoniczne prądu i
napięcia. W układach generatorów z dynamiczną polaryzacją (a z takim
układem mamy do czynienia) obie konduktancje maleją ze wzrostem amplitudy
U2. Powoduje to z jednej strony wzrost wzmocnienia pętli (gdy rośnie „1/g11b”,
zmniejsza się obciążenie obwodu rezonansowego), a z drugiej strony malenie
tego wzmocnienia (gdyż maleje „g21b”). Jeśli przeważa wpływ malenia „g21b” i
amplituda drgań na obwodzie rezonansowym nie narośnie do wartości
powodującej otwieranie złącza C-B tranzystora T1, występuje ograniczanie
emiterowe amplitudy drgań generatora. W przeciwnym przypadku występuje
ograniczanie kolektorowe (jeśli opisany powyżej mechanizm zmiany punktu
pracy nie ma większego znaczenia) lub mieszane.
Po wykonaniu wszystkich doświadczeń z układem generatora LC
zastępujemy cewkę [L,QL] rezonatorem kwarcowym RK. Obliczone poprzednio
pojemności C1 i C2 pozostawiamy w układzie. Ponieważ rezonator kwarcowy
nie przepuszcza składowej stałej prądu kolektora, musimy zastosować tzw.
zasilanie równoległe tranzystora T1, zrealizowane za pomocą rezystora R7
Element ten oczywiście tłumi dodatkowo obwód rezonansowy utworzony z
rezonatora kwarcowego i pojemności C1 i C2.
Rys.6. Charakterystyka dynamiczna generatora ze sprzężeniem zwrotnym.
9
Po przełączeniu z cewki L na rezonator kwarcowy RK mamy
niespodziankę. Generator kwarcowy nie wzbudza się. Dlaczego? Przecież
rezonator kwarcowy ma dobroć rzędu tysięcy i więcej, natomiast dobroć cewki
jest rzędu kilkudziesięciu. W wyjaśnieniu tej pozornej sprzeczności pomoże
schemat zastępczy rezonatora kwarcowego. Wartości elementów tego schematu
odpowiadają użytemu w ćwiczeniu rezonatorowi RS-1004 o częstotliwości
podstawowej 1MHz. Dla danego dzielnika C1, C2 i dla częstotliwości
fg=1MHz, należy obliczyć indukcyjność zastępczą Lz gałęzi Lk, Ck, rk modelu
rezonatora kwarcowego (Co należy połączyć z C1 i C2). Dobroć tej indukcyj-
ności będzie równa Qz=gLz/rk. Należy obliczyć wartość Qz i wartość
współczynnika regeneracji, zakładając:
Lk=2.46H, Ck=0.0103pF, rk=150, Co=7.0pF,
a następnie wyciągnąć wnioski.
2 OPIS TECHNICZNY UKŁADU BADANEGO (WKŁADKA DK 071A)
Pełny schemat badanego układu generatora LC (i kwarcowego)
przedstawiono na rysunku 7, natomiast uproszczony schemat tego generatora
można znaleźć na rysunku 1 we wstępie do ćwiczenia. Elementem aktywnym
generatora jest tranzystor T1 typu BF 215. Jego punkt pracy ustalają rezystory
R1, R2 i napięcie zasilania -UEE. Napięcie to może przyjmować dwie wartości:
-15V lub -13.7V w zależności od położenia przełącznika P4. We wszystkich
eksperymentach, oprócz pomiaru wrażliwości generatorów na zmianę napięcia
zasilania, powinno być UEE=-15V.
W obwodzie kolektora tranzystora T1 znajdują się (rys.7): uzwojenie
pierwotne transformatora prądowego TR1, obwód rezonansowy z cewką lub
rezonatorem kwarcowym oraz stabilizator napięcia. Transformator TR1 służy do
umożliwienia obserwacji kształtu prądu kolektora tranzystora T1. Jego
uzwojenie pierwotne zawiera 1.5 zwoja i widziane jest przez tranzystor jako
rezystancja rzędu dziesiątej części oma nie mająca żadnego wpływu na pracę
generatora. Przetransformowany impuls prądu kolektora wzmacniany jest we
wzmacniaczu różnicowym z tranzystorami T8 i T9. Kształt prądu kolektora
można obserwować na wyjściu „I” układu badanego. Obwód rezonansowy
generatora LC składa się z cewki o indukcyjności L=6H i dobroci QL=70 dla
f=1MHz oraz z kondensatorów C1 i C2 o wartościach pojemności ustalanych
przez projektującego generator. Do obwodu rezonansowego może być wtrącony
rezystor Robc symulujący dołączenie obciążenia. Dokonujemy tego, zmieniając
położenie przełącznika P3. Możliwość dołączenia Robc wykorzystuje się przy
badaniu wrażliwości generatora na zmianę obciążenia.
10
Po zmianie położenia przełącznika P2 następuje odłączenie cewki [L,QL] i
włączenie na jej miejsce rezonatora kwarcowego RK oraz rezystora R7,
pozwalającego na przepływ składowej stałej prądu kolektora tranzystora T1. W
celu maksymalizacji wartości R7, dołączono ten rezystor bezpośrednio do na-
pięcia +15V, a jego wartość tak dobrano, aby w chwilach wzbudzania drgań
oraz przy pracy z małymi amplitudami drgań w stanie ustalonym składowa stała
Rys.7. Pełny schemat badanego układu generatora LC (i kwarcowego).
11
napięcia na rezonatorze kwarcowym była
bliska zeru (praca bez wstępnego naprężenia
płytki kwarcowej). Stabilizator napięcia
kolektorowego tranzystora T1 zrealizowano za
pomocą diody Zenera D2 (o napięciu
stabilizacji około 5V) i rezystora R4.
Przez dołączenie odpowiedniego
przyrządu pomiarowego (oscyloskopu, prze-
twornika AC/DC) do wyjścia oznaczonego
„U1” możemy obserwować kształt napięcia na
kolektorze T1 oraz mierzyć wartość między-
szczytową (lub amplitudę) tego napięcia.
Między wyjściem „U1” a kolektorem T1
znajduje się wtórnik emiterowy, separujący
generator od obciążenia przyrządem pomia-
rowym. Należy pamiętać, że wtórnik emite-
rowy powoduje przesunięcie napięcia kolekto-
rowego o około 0,7V w kierunku napięć
ujemnych. W przypadku pomiaru wartości
międzyszczytowej napięcia sinusoidalnego nie
ma to żadnego znaczenia, natomiast może być
istotne, gdy chcemy określić rzeczywiste
wartości napięcia na kolektorze T1 przy obser-
wacji sygnału zniekształconego w wyniku
ograniczania na złączu C-B tego tranzystora.
Gdy pojawią się zniekształcenia sygnału
sinusoidalnego, wskazane jest, do oscylosko-
powej obserwacji tego sygnału używać sondę bierną oscyloskopu zamiast kabla
koncentrycznego. Stosowane kable mają duża pojemność własną i powodują
filtrację harmonicznych
obserwowanego sygna-
łu. Drugi wtórnik, z
tranzystorem T7, służy
do wysterowania czę-
stościomierza cyfrowe-
go, którego wejście łą-
czymy kablem koncen-
trycznym z wyjściem
„f'” badanego układu.
W celu pomiaru
składowej stałej napię-
Rys.8. Wygląd płyty czołowej
wkładki DK 071A.
Rys.9. Rozmieszczenie zacisków i przełączników na płytce
drukowanej.
12
cia na emiterze T1 należy dołączyć woltomierz cyfrowy do wyjścia „UE” układu
pomiarowego. Rezystor R3 separuje emiter T1 od wpływu kabla do
prowadzającego napięcie do wejścia woltomierza oraz stanowi, wraz z pojem-
nością kabla, filtr dolnoprzepustowy odcinający składową zmienną sygnału z
emitera.
Za pomocą przełącznika P1 można zrealizować dwa różne układy
pomiarowe: generatora (LC lub kwarcowego) położenie „GEN”, lub
wzmacniacza rezonansowego położenie „WZM”. Gdy przełącznik P1 znajduje
się w położeniu „WZM”, przerwana jest pętla dodatniego sprzężenia
zwrotnego. Do emitera tranzystora T1 dołączony jest dzielnik C"1, C"2,
symulujący dzielnik C1, C2 układu generatora, natomiast dzielnik C1, C2
obciążony jest złączem E-B tranzystora T2, symulującym obciążenie złączem
E-B tranzystora T1. Teraz można zmierzyć wzmocnienie |k| otwartej pętli
generatora. Sygnał z generatora zewnętrznego doprowadzamy do wejścia „WE”
wzmacniacza różnicowego, wykonanego z tranzystorów T3 i T4. W kolektorze
tranzystora T3 znajduje się obwód rezonansowy L', C"1, C"2 tłumiony
dodatkowo rezystorem R14. Ważne jest, aby L=L', C"1=C1, C"2 = C2 czyli aby
równe były częstotliwości rezonansowe obu obwodów. Równość indukcyjności
obu cewek osiągnięto w trakcie wykonywania wkładki DK 071A, natomiast o
równość pojemności musi zadbać wykonujący ćwiczenie.
Przy pomiarach wzmocnienia otwartej pętli generatora napięciem
wejściowym jest napięcie na dzielniku C"1, C"2, a więc napięcie między
zaciskami 5 i 8 lub, równoważnie, między zaciskiem 5 a masą układu. Wartość
międzyszczytową tego napięcia można zmierzyć na wyjściu układu,
oznaczonym symbolem „U2”. W celu odseparowania kabla pomiarowego od
obwodu rezonansowego zastosowano wtórnik emiterowy z tranzystorem T5.
Rozmieszczenie zacisków pomiarowych 1 8, służących do dołączania
kondensatorów C1, C2, C"1, C"2, oraz przełączników P1 P3 pokazano na
rysunku 9. Przełącznik P4 znajduje się na płycie czołowej wkładki.
3 WYKAZ APARATURY POMOCNICZEJ
Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące przyrządy
pomocnicze:
- generator sinusoidalny przestrajany (SK2112)
- sonda bierna do oscyloskopu
13
4 OBLICZENIA WSTĘPNE I PROJEKTOWE
1. Należy ustalić wartość częstotliwości nominalnej generatora oraz
wartość współczynnika regeneracji z następujących danych do wyboru:
fg: 950kHz; 1,000MHz; 1,050 MHz
w: 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0
Dla wybranych wartości fg i w obliczyć wymagane wartości C1 i C2.
Sprawdzić, czy po zastosowaniu obliczonych wartości kondensatorów generator
wzbudzi się po obciążeniu jego obwodu rezonansowego rezystorem Robc. Jak
zmienił się współczynnik regeneracji pętli oraz dobroć wypadkowa obwodu
rezonansowego po dołączeniu Robc?
2. Posługując się schematem zastępczym rezonatora kwarcowego,
sprawdź, czy po odłączeniu cewki [L,QL] i dołączeniu zamiast niej rezonatora
kwarcowego, zaprojektowany powyżej generator wzbudzi się. Jeśli nie, oblicz
nowe wartości pojemności C1 i C2 tak, aby uprzednio wybrana wartość
współczynnika regeneracji nie uległa zmianie. Dodatkowe dane rezonatora
kwarcowego:
częstotliwość rezonansu szeregowego fs=999848Hz,
częstotliwość rezonansu równoległego fr=1000583Hz.
5. OBSERWACJE I POMIARY
5.1. Pomiar charakterystyki dynamicznej generatora z otwartą pętlą oraz
charakterystyki polaryzacji.
Początkowe położenia przełączników:
P1 - „WZM”, P2 - „L”, P3 - Robc odłączone, P4 - napięcie zasilania -15V.
Wmontować do układu obliczone wartości C1 i C2 oraz C"1=C1 i C"2=C2
o obliczonych wartościach pojemności. Do gniazda „WE” doprowadzić
sygnał z generatora sygnału sinusoidalnego. Obserwować napięcia na
wyjściach „U1” oraz „U2”, mierzyć częstotliwość na wyjściu „f” układu
lub bezpośrednio na dodatkowym wyjściu generatora sinusoidalnego (rys.
10). Osiągnąć zerowe przesunięcie fazy między napięciami na wyjściach
„U1” i „U2” poprzez zmianę częstotliwości sygnału wejściowego.
Dla tego stanu:
a) zanotować wartość częstotliwości sygnału wejściowego,
b) zmierzyć charakterystykę dynamiczną generatora U1=f(U2) i
wykreślić ją. Dla sygnałów sinusoidalnych wartości U1 i U2 mogą
14
być amplitudami, wartościami międzyszczytowymi lub wartościami
skutecznymi. Dla sygnałów niesinusoidalnych powinny to być
amplitudy pierwszych harmonicznych.
c) zmierzyć charakterystykę polaryzacji generatora UE0=f(U2) i
wykreślić ją,
d) na obu charakterystykach oznaczyć punkt pracy, który powinien
ustalić się po zamknięciu pętli sprzężenia zwrotnego,
e) zmierzyć charakterystykę dynamiczną układu po dołączeniu Robc i
wykreślić ją na wspólnym układzie współrzędnych z charakterystyką
z punktu b).
Uwagi:
- równość pojemności C"1=C1 i C"2=C2 jest konieczna; gdy różnice
pojemności będą większe niż 5%, mogą wystąpić trudności z
osiągnięciem dostatecznie dużej amplitudy napięcia U2.
- kondensatory montowane do obwodów rezonansowych muszą być dobrej
jakości: ceramiczne, mikowe lub styrofleksowe bezindukcyjne,
- przy poszukiwaniu zerowego przesunięcia fazy między napięciami U1 i
U2 nie należy korzystać z możliwości pracy oscyloskopu w trybie X-Y. W
tym rodzaju pracy występuje duże przesunięcie fazy między obu
kanałami dla częstotliwości bliskich 1MHz,
- jeżeli po wmontowaniu kondensatorów częstotliwość zerowego
przesunięcia fazy okaże się inna niż projektowa, należy zmieniać
wartości pojemności aż do uzyskania zgodności z błędem nie
przekraczającym 10kHz. Zanotować wartości pojemności kondensatorów
Rys.10. Schemat układu pomiarowego.
15
wmontowanych do układu i obliczyć nową wartość współczynnika
regeneracji.
- pomiary charakterystyki dynamicznej mają sens do chwili, gdy oba
napięcia mają kształt sinusoidalny. Gdy pojawi się obcięcie
wierzchołków jednego z sygnałów, dalsze pomiary należy wykonywać po
konsultacji z prowadzącym zajęcia laboratoryjne.
5.2. Pomiar parametrów generatora LC (po zamknięciu pętli s.z.)
Odłączyć od układu generator zewnętrzny. Zmienić położenie
przełącznika P1 do pozycji „GEN”. Zanotować dla wszystkich możliwych
konfiguracji Robc i -UEE (4 przypadki):
wartość częstotliwości generatora,
amplitudę napięcia generowanego,
wartość napięcia polaryzacji.
Obliczyć wrażliwość generatora na zmiany Robc i ujemnego napięcia zasilania.
Naszkicować kształt impulsów prądu kolektora.
Zagadnienia:
a) Skomentuj zgodność lub niezgodność zaprojektowanych wartości C1 i C2 z
wartościami pojemności kondensatorów wmontowanych do układu.
b) Czy współczynnik regeneracji obliczony dla kondensatorów wmontowanych
do układu zgadza się ze współczynnikiem wyznaczonym z charakterystyk
dynamicznych (dla obu wartości Robc)? Jeśli nie wyjaśnij przyczynę różnic
lub wykonaj powtórnie, tym razem poprawnie, pomiary.
c) Czy charakterystyka polaryzacji UE0=f(U2) zależy od wartości Robc obwodu
rezonansowego i dlaczego?
d) Czy wartość napięcia polaryzacji UE0 w stanie ustalonym generatora zależy
od Robc? Jeśli tak (należy posłużyć się wynikami pomiarów), to dlaczego?
e) Oblicz kąt odcięcia impulsu prądu kolektora tranzystora T1 dla stanu
ustalonych drgań w zaprojektowanym generatorze.
f) Dlaczego częstotliwość i amplituda sygnału generowanego zmienia się w
wyniku zmiany Robc? Czy z punktu widzenia liniowej teorii generacji,
dołączenie Robc , takie jak w ćwiczeniu, powinno powodować zmianę
częstotliwości drgań układu?
g) Dlaczego częstotliwość i amplituda sygnału generowanego zmienia się, gdy
zmianie ulega wartość UEE?
h) Jaki wpływ na częstotliwość i amplitudę sygnału generowanego w
zaprojektowanym układzie miałaby zmiana napięcia UCC=+15V?
(Wskazówka: zwróć uwagę na sposób zasilania kolektora tranzystora T1).
16
5.3 Badanie generatora kwarcowego
Wstępne położenia przełączników: P1 - „GEN”, P2 - „KW”, P3 - odłączyć
Robc, P4 - -15V.
a) Sprawdzić, czy z kondensatorami C1, C2 wmontowanymi do układu
generatora LC, generator kwarcowy wzbudzi się.
b) Zmień kondensatory C1 i C2 zgodnie z wynikami obliczeń przeprowadzo-
nych w trakcie przygotowania do ćwiczenia. Sprawdź, czy generator
wzbudza się; zanotuj częstotliwość, amplitudę, napięcie polaryzacji emitera,
kształt napięcia kolektorowego, kształt impulsów prądu kolektora.
c) Zmniejsz znacznie (np. dziesięciokrotnie) wartości pojemności kondensato-
rów C1, C2 tak, aby generator nadal wzbudzał się bez trudności. Zanotuj
parametry generatora jak w punkcie b).
d) Dla dowolnie wybranych C1 i C2 (aby tylko generator wzbudzał się we
wszystkich dalszych przypadkach) wyznacz wrażliwość częstotliwości gene-
ratora na zmianę: ujemnego napięcia zasilania, obciążenia, pojemności
dołączonej równolegle do rezonatora kwarcowego.
e) Spróbuj uzyskać „twarde” wzbudzenie generatora kwarcowego, tzn. dobierz
tak pojemności dzielnika C1 i C2, aby generator nie mógł się wzbudzić
samodzielnie, natomiast aby mógł generować, gdy go wstępnie do tego
zmusimy (np. przez chwilowe dołączenie kondensatora C2 o większej
pojemności).
Zagadnienia:
a) Dlaczego generator kwarcowy nie może wzbudzić się z dzielnikiem
pojemnościowym obliczonym dla generatora LC?
b) Wyznacz wartość zastępczej indukcyjności, jaką stanowi rezonator
kwarcowy w przypadku b) i c) części pomiarowej.
c) Porównaj wrażliwość częstotliwości generatora kwarcowego na
wpływ czynników zewnętrznych z wrażliwością częstotliwości
generatora LC na te same czynniki. Odpowiednie wyniki zbierz w
tabeli.
d) Czy w badanym generatorze wystąpiły drgania z relaksacjami?
e) W jaki sposób „zmusić” generator kwarcowy - wzbudzający się na
tonach harmonicznych - do pracy z częstotliwością podstawową?
f) Wyjaśnij zjawisko „twardego” wzbudzania się generatora kwarco-
wego.