Praktikum Elektronische chaltungstechnik Versuch: T0 ignalgeneratoren Vorbereitung Wiederholen sie Grundlagen und Berechnung der Generatorschaltungen! inus-generatoren Eine chwingung entsteht, wenn in einem Mitgekoppelten Regelkreis die beiden Bedingungen: chleifenverstärkung = und Phasenverschiebung =0 ist zwischen Eingangs- und rückgekoppeltes ignal Die praktischen Realisierungen dieser Bedingung stellen die RC- und LC-Oszillatoren dar LC-Oszillatoren werden dabei typische für höhere Frequenzen (0kHz bis GHz) verwendet, RC-Oszillatoren für niedrige Da vor allem RC-Oszillatoren zu der gewünschten inusspannung auch noch viele Verzerrungen hervorrufen, findet zudem häufig eine Amplitudenstabilisierung mit einer komplexen Regelschaltung statt o werden törungen durch Verzerrungen (Oberwellen) und Temperaturänderung vermieden, sowie ein sicheres Einschwingen beim Einschalten gewährleistet Zum Einschwingen muss die chleifenverstärkung zunächst größer als sein und dann zusehends auf = heruntergeregelt werden Beim Colpitts-Oszillator in Abb entsteht eine chwingung im chwingkreis, der von L, C und C gebildet wird Da aber C einiges größer als C im Dimensionierungsbeispiel ist, bestimmen vor allem nur C und L die Frequenz Zwischen den Kondensatoren wird das ignal auf den Emitter des Transistors rückgekoppelt, der den Verstärker des Oszillators repräsentiert Das ignal ist phasengleich mit dem Kollektorstrom und da der Transistor in Basisschaltung betrieben wird, ist auch seine verursachte Phasenverschiebung gleich 0 Durch die tromgegenkopplung mit R E wird eine chleifenverstärkung eingestellt, die beim Einschwingen zunächst größer ist als und dann beim erreichen der gewünschten Amplitude auf gleich heruntergeregelt wird Damit sind die chwingbedingungen erfüllt und die chaltung liefert eine stabile inuskurve Die Dimensionierungen für 5 lauten U R U BE + I E RE U CC U R R = = = 4, 77kΩ R = = 9, 44kΩ I I I + I q q CC f = C = = 9nF = C = 9, 9nF π L C 4π f L C + C q B Rechteck-Generatoren Rechteckgeneratoren erzeugen eine Rechteckschwingung und realisieren so die Funktion eines Umschalters Die chaltung in Abb 3 funktioniert auf folgende Weise Nach dem Einschalten ist die Kapazität ungeladen, so dass am invertierenden Eingang Massepotential anliegt Wir nehmen jetzt an, dass am Ausgang High-Pegel erscheint (es könnte aber auch Low-Pegel nach dem tarten auftreten) Über R fällt nun eine pannung R U High ab, wodurch sich nun auch C auf diese pannung langsam auflädt Wenn er R + R diese erreicht hat, klappt die Ausgangsspannung auf Low-Pegel um Nun fällt über R die
R pannung U Low ab, wodurch sich auch C wieder gezwungen sieht, diesen Wert R + R anzunehmen o lädt sich C negativ auf, bis er diesen Wert erreicht hat, der Verstärkerausgang kippt auf High-Pegel um und alles beginnt wieder von vorn Dieser Vorgang aus langsames Ansteigen am Eingang und plötzliches Umkippen am Ausgang hat zur Folge, dass am Eingang des OPV ein Dreiecksignal anliegt und am Ausgang ein Rechtecksignal heraus kommt Die Dimensionierung für 5 lautet f = C = 00, 7nF R RC ln + R Der astabile Multivibrator in Abb 4 ist das digitale Pendant zu der analogen chaltung oben Hier wurde die Regelschleife mit Gattern, genauer gesagt, mit Invertern realisiert Wenn zwischen den ersten beiden Gattern, also dort wo R angeschlossen ist, High-Pegel anliegt, folgt nach dem zweiten Gatter, da wo C angeschlossen ist, Low-Pegel Dadurch lädt sich die Kapazität soweit auf, bis der Umschaltpegel vom ersten Gatter erreicht ist Dann liegt an R unten Low-Pegel an und C entlädt sich wieder bis der Umschaltpegel unterschritten wird Das dritte Gatter dient nur zur Impulsformung, damit am Ende auch ein Ordentliches Rechtecksignal heraus kommt Die Dimensionierung für 53 lautet f = C = 48, nf 3RC Dreieck-Generatoren Beim Dreieck-Generator ist dem Rechteckgenerator ein Integrator nachgeschaltet, der aus dem positiven bzw negativen Pegel eine linear steigende bzw fallende Gerade macht Funktionsgeneratoren Funktionsgeneratoren liefern gleich mehrere ignalformen auf einmal Dazu besitzen sie Ausgänge für Rechteck-, Dreieck- und inusschwingungen ie werden heutzutage in integrierten chaltkreisen realisiert, die in einem großen Frequenzbereich arbeiten und zusätzlich gute Amplitudenstabilisierung bieten Beschreiben sie die Arbeitsweise des Timers 555 und seinen Einsatz in einem astabilen Multivibrator! Der Timer 555 besitzt intern zwei Komparatoren, deren Vergleichsspannung von einem symmetrischen pannungsteiler, bestehend aus 3 gleichen Widerständen, geliefert wird Am Plus-Eingang des Komparators K (siehe Abb 7) ist somit eine Vergleichsspannung von U CC /3 angeschlossen, sein Ausgang wird auf den etzeingang eines R-Flipflops geführt o lange die pannung am Minus-Eingang kleiner ist als die Vergleichsspannung, ist der Komparatorausgang, das Flipflop wird gesetzt und der Ausgang des Timers ist High Am Minus-Eingang des Komparators K liegt die Vergleichsspannung U CC /3 an o lange die pannung am Plus-Eingang kleiner ist als die Vergleichsspannung, ist der Ausgang des Komparators 0 und das Flipflop wird nicht auf 0 zurückgesetzt Wenn sie aber größer wird, geht das Flipflop und der Timerausgang auf 0
Neben den Eingängen für die pannungen an den Komparatoren, besitzt der Timer auch noch Eingänge für Masse, Betriebsspannung, einen low-aktiven asynchronen Reset und einen Prüfeingang Damit der Timer als astabiler Multivibrator arbeitet, wird er außen mit Widerständen und einen Kondensator beschaltet Diese bestimmen auch gleichzeitig die Frequenz, mit dem der Multivibrator schwingen soll Im Dimensionierungsbeispiel ergibt sich ein Widerstand von = Ra f R = = Ω ( ) ( R + R ) C f C k b 7, 9 ln a b ln Nach dem Einschalten ist die Kapazität ungeladen und somit liegt an beiden Komparatoren eine pannung von 0V an Da diese kleiner ist als U CC /3 und U CC /3 ist der Reseteingang des FF gleich 0 und der etzeingang Dadurch wird das FF und der Ausgang auf High gesetzt Nun steigt die Kondensatorspannung Zunächst übersteigt sie den Wert von U CC /3, wodurch das etzsignal auf Low geht, der FF bleibt aber weiterhin High am Ausgang Erst wenn die Kondensatorspannung U CC /3 erreicht hat, wird das Reset High und setzt den FF, und damit den Ausgang, auf Low zurück Der OD Ausgang wird damit aber auch gleichzeitig Low, wodurch die Kapazität wieder auf einen Wert unter U CC /3 entladen wird Dann wird das FF wieder gesetzt und die Periode geht von vorne los Da das asynchrone Reset immer auf Betriebsspannungspotential liegt, wird nie ein solches am FF ausgelöst (Definition folgender Begriffe im obigen Text: Low=0= gewöhnlich Massepotential; High== gewöhnlich Betriebsspannung) 3 Erklären sie die Arbeitsweise des Funktionsgenerators MAX 038! Er kann Rechteck-, Dreieck- und inussignale generieren Am Ausgang erscheint dann jeweils die jenige Form, die man über die teuereingänge A0 und A ausgewählt hat Mit einer symmetrischen Betriebsspannung von +/-5V liefert er eine feste Amplitude von V Die Frequenz kann man in einem Bereich von 0,Hz bis 0MHz mit Hilfe des externen Kondensators C F und einer pannung an FADJ wählen Das Tastverhältnis wird über eine pannung am DADJ Eingang eingestellt Da diese beiden pannungen auch dynamisch seien können, ist es sehr leicht, ein frequenz- oder pulsweitenmoduliertes ignal mit diesem Funktionsgenerator zu erzeugen Der Lade- und Entladestrom des Kondensators wird über den Eingang IIN gesteuert Eine einfache Möglichkeit, um die benötigten tröme und pannungen zu erzeugen, bietet eine interne Referenzspannungsquelle von,5v Mit ihr und weiteren externen Widerständen, kann man alle benötigten Eingangssignale erzeugen Für das Dimensionierungsbeispiel erhält man so für den gesuchten Widerstand: VIN Für 600kHz: [ ] [ mv ] Rin kω = = 50, 8kΩ F MHz C pf 0 [ ] [ ] 6 (für Hz: R in [ kω] = 30,5 0 kω, für 0MHz: [ ] = Ω F R in kω 3 k ) Zusätzlich zu den genannten Anschlüssen besitzt der chaltkreis auch noch Ein- und Ausgänge um sich mit anderen (PDI, PDO) oder andere mit sich (YNC) zu synchronisieren
4 Prüfen sie ihre chaltungsdimensionierung mit PPICE! Für 5 wurden folgende Werte ermittelt: Die simulierte Frequenz beträgt 50kHz bei R = 0kΩ, R = 4, 7kΩ und C = 9, 9nF Mit C = 9, nf würde man auch in der imulation in etwa 5kHz erreichen Für 5 wurden folgende Werte ermittelt: Die simulierte Frequenz beträgt,35khz bei C = 00, 7nF Mit C = 95nF würde man auch in der imulation in etwa,4khz erreichen
Für 53 wurden folgende Werte ermittelt: Die simulierte Frequenz beträgt 7,5kHz bei C = 48, nf Mit C = 63nF würde man auch in der imulation in etwa khz erreichen Für 54 wurden folgende Werte ermittelt: Die simulierte Frequenz beträgt 0,994kHz bei R b = 7, 9kΩ Das ist fast genau die Frequenz (khz), die die chaltung erreichen sollte
Durchführung Dimensionieren sie den COLPITT-Oszillator für I E =4,mA, U BE =0,65V, I q =330µA, I B =33µA und C =00nF, und die chwingfrequenz f 5kHz Kontrollieren sie den Arbeitspunkt! Wie groß ist die chwingungsamplitude? Die chwingfrequenz betrug 57,5kHz und die Amplitude Û =, V Dimensionieren sie den astabilen Multivibrator für die chwingfrequenz f, 4kHz Welche Kurvenform entsteht durch die chaltung? Welche Amplituden sind zu erwarten? Am Ausgang entsteht ein Rechtecksignal Die Frequenz betrug,307khz und die Amplitude Û = 5, 6V 3 Dimensionieren sie den astabilen Multivibrator für eine chwingfrequenz f khz Die Frequenz betrug 30,8kHz und die Amplitude Û = 3, 8V 4 Dimensionieren sie den astabilen Multivibrator mit dem Timer 555 für die chwingfrequenz f khz Die Frequenz betrug 974Hz und die Amplitude Û = 3, 8V 5 Vergleichen sie die Ergebnisse ihrer Dimensionierung mit den Messergebnissen und der Netzwerksimulation mit PPICE für die Aufgaben 5 und 5 Unter welchen Voraussetzungen lassen sich auch die chaltungen 53 und 54 mit PPICE simulieren? Zu 5 Während die simulierte Frequenz niedriger war, als die ollfrequenz, war die gemessene höher Dies kommt dadurch, dass der Emitterwiderstand sehr klein war und der tromfluss durch ihn zu einer nicht berücksichtigten Phasenverschiebung geführt hatte Um diesen auszugleichen stellte sich im Oszillator eine um % höhere Frequenz ein Die hohe Amplitude kommt durch die Resonanzüberhöhung im chwingkreis zu stand Zu 5 Hier ist die gemessene Frequenz nochmals ein kleines tück (7%) niedriger, als die simulierte Dies kommt durch die nichtidealen Eigenschaften des OPVs, der sich doch etwas mehr trom gönnt, als vorgesehen Die chaltungen aus 53 und 54 lassen sich mit den anderen analogen chaltungen simulieren, wenn man sie ebenfalls mit Transistoren nachbaut ie würden sonst als digitale Bausteine auch nur rein digitales Verhalten aufzeigen, was der Realität nicht unbedingt sehr nahe kommt
o kommt die gemessene Frequenz der simulierten auch wesentlich näher als der berechneten Trotzdem dem waren die Resultate katastrophal Gut 50% Abweichung von den geforderten khz markiert den Negativrekord aller getesteten chaltungen Das kommt durch die hohen Toleranzen bei digitalen Bausteinen, weshalb sie sich für solch hoch präzisen Aufgaben nicht so gut eignen wie die anderen chaltungen Das gemessene Ergebnis von 54 hatte am besten mit dem ollergebnis übereingestimmt Es gab nur eine minimale Abweichung 6 Dimensionieren sie die Versuchsschaltung MAX 038 für f 600kHz (C F =8pF, V FADJ =0) und stellen sie über den Multiplexer die verschiedenen ignalformen ein Wie müsste die chaltung aussehen, wenn sie für die Erzeugung von Frequenzen zwischen Hz und 0MHz verwendet werden soll? Für MHz und Amplitude von R = 30, 5kΩ wurden für alle ignalformen (Rechteck, Dreieck, inus) eine Û = 4V gemessen Für 0MHz müsste man entsprechend einen Widerstand von R = 3 kω nehmen Für Hz würde sich aber bei gleicher Kapazität ein Widerstand im Gigaohm-Bereich ergeben Deshalb sollte man hier sowohl einen großen MΩ wie auch eine große Kapazität (,5µF) wählen Widerstand ( )