FH-Pforzheim Studiengang Elektrotechnik. Labor Schaltungstechnik. Laborübung 3: Oszillatoren Sven Bangha Martin Steppuhn

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1 FH-Pforzheim Studiengang Elektrotechnik Labor Schaltungstechnik Laborübung 3: Oszillatoren Sven Bangha Martin Steppuhn

2 3. Durchführung der Versuche 3.1 Linearer Oszillator mit passivem Rückkopplungsnetzwerk 3.1.1) Verstärker Wir messen bei verschieden Frequenzen die Eingangs- und die Ausgangsspannung des Verstärkers. Aus unseren Meßergebnissen errechneten wir dann den Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit von der jeweiligen Frequenz. f / khz U Ess / V U Ass / V Verstärkung 0,5 3 5,4 1,8 5 3,4 8,2 2,4 25 3,4 8,4 2, ,4 8,4 2, ,4 7,4 2, ,4 5,8 1, ,4 3,6 1,1 Um die Phase bei ca. 2MHz zu bestimmen, wurde die Eingangsspannung direkt auf den Kanal 1 und die Ausgangsspannung am TP3 auf Kanal 2 des Oszis gelegt. Mit Hilfe der Cursor ermittelten wir den Phasenversatz s: s = 192 ns Die Periodendauer errechnete uns das Oszi: T = 492 ns Aus diesen Werten errechneten wir dann die Phasenverschiebung: 360 ϕ = 192 ns = 140, ns Seite 1

3 3.1.2) Messung der Resonanzfrequenz des LC-Pi-Glieds Berechnung der Resonanzfrequenz : 1 1 f res = = = 1, 125 MHz 2π LC 2π 20µ H 1nF Am Oszi lasen wir eine Resonanzfrequenz von 1,65 MHz ab. Diese Ungenauigkeit zum errechneten Wert führen wir auf Bauteilungenauigkeiten, sowie Meß- bzw. Meßgerätefehler zurück. Die -3-dB-Bandbreite ergibt sich aus der Differenz zwischen oberer und unterer 3-dB- Grenze: f unten = 1,1571 MHz und f oben = 1,7562 MHz was eine ungefähre -3-dB-Bandbreite von f = 185,2 KHz ergibt ) Messung der Resonanzfrequenz des Quarzschwingers Das Einstellen der Resonanzfrequenz am Funktionsgenerator erwies sich als schwierig, da sich die Resonanzfrequenz des Quarzschwingers nur als ganz kurzer Ausschlag zeigte. Jedoch konnten wir die Frequenz einigermaßen genau einstellen, diese betrug 2MHz. Durch einen Vergleich mit dem Aufdruck am Quarz selbst bestätigte sich unsere Messung. Da die 3-dB-Bandbreite bei dem Quarz sehr schmal ist, sie liegt nur bei wenigen Hertz, war es uns unmöglich diese mit dem Funktionsgenerator zu ermitteln, da die Einstellung der Frequenz an diesem nicht präzise genug getätigt werden konnte. Somit hat der Quarz eine sehr schmale 3-dB-Bandbreite. Seite 2

4 3.1.4) Kettenschaltung von Verstärker und LC-Netzwerk Wir bestimmten am Oszi diejenige Frequenz, bei der die Ein- und Ausgangsspannung in Phase waren. Dies traf bei einer Frequenz von f = 1,626 MHz zu. Nun nahmen wir bei dieser Frequenz die Ausgangswechselspannungen für große Eingangswechselspannungen auf. Zusätzlich ermittelten wir Spannungswert, an dem Ein- und Ausgangsspannung genau in Phase waren. Dies führte zu Meßwerten von: U Eingang / Volt U Ausgang / Volt 0,5 0,72 1 1,3 2 2,36 4 4,08 4,4 4, ,68 Als Diagramm ergab sich folgendes: Ausgangswechselspannung für hohe Eingangswechselspannungen Ausgangswechselspannung / Volt Eingangswechselspannung / Volt Man erkennt, dass es sich um einen nahezu linearen Zusammenhang zwischen Eingangsund Ausgangswechselspannung handelt. Seite 3

5 3.1.5) Kettenschaltung von Verstärker und LC-Netzwerk mit Rückkopplung Durch die Rückkopplung auf den Verstärker schwingt dieses Netzwerk jetzt ohne externes Eingangssignal. Am Oszi lasen wir eine Phasenverschiebung um 180 ab (Pi-Filter). Ohne den zugeschalteten Kondensator über J-2 ermittelte uns das Oszi eine Frequenz von 1,647 MHz. Durch Zuschaltung des Kondensators erniedrigte sich die Frequenz auf 1,629 MHz ) Kettenschaltung von Verstärker und Schwingquarz mit Rückkopplung Beim Betrieb mit dem Quarz konnten wir zwischen dem zugeschalteten und nichtzugeschalteten Kondensator keine (für uns messbare) Frequenzänderung feststellen ) Kettenschaltung von Verstärker und RC-Netzwerk mit Rückkopplung Wir erhöhten die Verstärkung um das Netzwerk in Schwingung zu versetzen. Die minimale Verstärkung reichte hier nicht aus, um das Netzwerk in Schwingung zu bringen. Ohne Kondensator erhielten wir eine Frequenz von 890 khz, mit Kondensator eine Frequenz von 883 khz ) Fazit über die drei Netzwerke Die schlechteste Frequenzstabilität hat mit Sicherheit der RC-Tiefpaß, als nächst besserer Oszillator würden wir das LC-Glied wählen. Benötigt man aber eine sehr präzise Frequenz, so ist der Quarz sehr zu empfehlen, da er eine sehr stabile Schwingfrequenz liefert. Seite 4

6 3.2 Kippschwinger Der Widerstand bestimmt die Ladezeit des Kondensators. Somit lädt bzw. entlädt sich der Kondensator schneller, bzw. langsamer, was sich dann auf das Schaltverhalten des OP auswirkt. Der OP hat hier die Funktion eines Schalters, überschreitet bzw. unterschreitet die Ladung des Kondensators eine gewisse Grenze, so schaltet der OP, was ein Rechtecksignal zur Folge hat. Man sieht am Screen-Shot des Oszis die Lade- und Entladekurve des Kondensators sowie das vom OP erzeugte Rechtecksignal. Wir messen für fünf verschiedene Werte des R17 die zugehörige Ausgangsfrequenz: R / kohm f / khertz 94 7,67 47,8 15,19 21,4 33,02 14,5 47, ,1 Seite 5

7 Eingezeichnet in ein Diagramm zeigt sich folgender Kurvenverlauf: Frequenz in Abhängigkeit von R f / khz R / kohm Je niedriger der Widerstand desto höher die Frequenz. 3.3 Oszillator-IC Der Oszillator-IC hat die folgenden (einstellbaren) Eigenschaften: Frequenzbereichsumschaltung (J8) Frequenzeinstellung grob (R27) Freqeunzeinstellung fein (S10) Signalform (J7) Signalformen: J7-2 J7-1 Signalform Sinus --- gesetzt Dreieck gesetzt --- Sinus gesetzt gesetzt Rechteck Frequenzbereiche: (maximal einstellbar) J8-2 J8-1 Frequenzbereich ,4 MHz 31,0 MHz --- gesetzt 48,6 khz 541,6 khz gesetzt --- 4,4 khz 48,3 khz gesetzt gesetzt 4,0 khz 45,15 khz Seite 6