Elektronika i techniki Elektronika i techniki mikroprocesorowemikroprocesorowe

ElektronikaElektronika

Wybrane ukWybrane ukłłady elektroniczne ady elektroniczne

22Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki

Wydział Elektryczny, ul. Krzywoustego 2

W2: Elektronika2

1. Generatory sinusoidalne:2. Powstawanie drgań w obwodzie elektrycznym3. Generatory sinusoidalne – podstawy, parametry , warunki generacji. 4. Podstawowe układy generatorów sinusoidalnych.4. Generatory niesinusoidalne – podstawowe informacje :5. Multiwibrator.6. Uniwibrator.7. Generatory zbudowane na wzmacniaczach operacyjnych.8. Generatory sygnałów prostokątnych (w układach cyfrowych).9. Układ generatora uniwersalnego

PLAN WYKPLAN WYK ŁŁADUADU

W2: Elektronika3

Podstawowy obwód elektryczny w którym występują drgania

Powstawanie drgaPowstawanie drga ńń w obwodzie w obwodzie elel ..R

CuC(0)

Li

0,, =++== CRLc

L uuudt

duCi

dt

diLu

02

=++=++ CCC

C udt

duRC

dt

udLCuRi

dt

diL

Równania opisujące układ

t[ms]

uc[V]i[A] 02

02

200

2

200

2

=++

=++

ωξω

ωξω

ss

udt

du

dt

udC

CC

Równanie charakterystyczne

Wielkości opisujące ukł. rezonansowy

LC

10 =ω

C

L

R

2

=ξ

RC

L

Q =

W2: Elektronika4

Generatory sinusoidalne to układy elektroniczne samorzutnie wytwarzające zamierzone przebiegi sinusoidalne okresowe. Nie są one źródłem energii lecz przetwarzają energię zasilania w energię sygnału wyjściowego. Generatory mogą pracować przy stałej lub przestrajanej częstotliwości i amplitudzie. Zakres częstotliwości pracy mieści się od µHz do THz.

Generator sinusoidalny Generator sinusoidalny -- podstawypodstawy

Ze względu na zasadę działania wyróŜnia się:• generatory RC ze sprzęŜeniem zwrotnym (niŜsze częstotliwości),• generatory LC ze sprzęŜeniem zwrotnym (wyŜsze częstotliwości),• generatory LC z ujemną rezystancją dynamiczną (wyŜsze częstotliwości),• generatory kwarcowe (wyŜsze częstotliwości).

Ze względu na sposób wzbudzania generatory dzielimy na:samowzbudne – rozpoczynające generację sygnału po podaniu zasilania,obcowzbudne – wymagające sygnału zewnętrznego do sterowania (pobudzania) procesu generacji.

W2: Elektronika5

Parametry podstawowe:- częstotliwość sygnału generowanego - amplituda sygnału generowanego |Am| - moc wyjściowa - sprawność

Parametry dodatkowe:

Generator sinusoidalny Generator sinusoidalny -- parametryparametry

Nf f

f∆∆∆∆δδδδ ====|A|

|A|

m

mA

∆∆∆∆δδδδ ====

|U|

|U|

'h

kk

1

2

2∑∑∑∑

∞∞∞∞

========

∆∆∆∆

2

1

2

2

|U|

|U|

h

kk

kk

∑∑∑∑

∑∑∑∑

∞∞∞∞

====

∞∞∞∞

========

∆∆∆∆

∆∆∆∆

stałość częstotliwości (względną zmianęczęstotliwości w określonym przedziale)

stałość amplitudy

współczynnik zawartości harmonicznych THD (Total Harmonic Distortion)

współczynnik zniekształceńcałkowitych

W2: Elektronika6

Warunki generacjiWarunki generacji

K(jω) – wzmacniacz β(jω) – sprzęŜenie zwrotne

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )ωωωβ

ωωωβjUjKj

jUjKjU

2

12

⋅⋅=⋅=

( ) ( ) ( ) ( ) 121 == ϕϕ ωβωωβω jj ejejKjjK

WARUNEK AMPLITUDY:

( ) ( )K j jω β ω = 1

WARUNEK FAZY:

1 2 0, 2 , 4 , ...ϕ ϕ π π+ =

Rola wzmacniacza: wzmocnienie sygnału z filtru w sprzęŜeniu,Rola filtru: zapewnienie odpowiedniego przesunięcia dla jednej częstotliwości,Realizacje generatora:wzmacniacz odwracający + filtr przesuwający o π (dla jednej pulsacji),wzmacniacz nieodwracający + filtr przesuwający o 2π (dla jednej pulsacji),

W2: Elektronika7

Generator RC ze sprzGenerator RC ze sprz ęŜęŜeniemeniem

βu

Ψu

βu1Ψu

0

-3π/2

1

f0

f

-π

0

1 6

2f

RC= ⋅

π

ϕ = arctgRC

1

29

1||

0== ffβ

Generator z tranzystorem bipolarnym i przesuwnikiem RC

βu

Ψu

βu1Ψu

0

-π/2

π/2

1/3

f0

f

0

1 1

2f

RC= ⋅

π 3

1||

0== ffβ

Generator ze wzmacniaczem operacyjnym i półmostkiem Wienna

W2: Elektronika8

Generator LC ze sprzGenerator LC ze sprz ęŜęŜeniemeniemGenerator Meissnera z

tranzystorem bipolarnymGenerator Colpittsa z

tranzystorem unipolarnym1 1

2f

LC= ⋅

π

1 2

1 2

C CC

C C

⋅=+

Tranzystor T pracuje w układzie wzmacniacza odwracającego. Rezystory RB1, RB2, RE dla tranzystora bipolarnego, natomiast RG, RS dla unipolarnego wyznaczają punkt pracy. Kondensatory CE, CS, CB (t. bipolarny), CS, CG , CC

(t. unipolarny) blokują składową stałą. Filtry określają częstotliwość pracy i zapewniają odwrócenie fazy.

W2: Elektronika9

Generator LC ze ujemnGenerator LC ze ujemn ąą rezystancjrezystancj ąą

Charakterystyka diody tunelowej

Realizacja z wykorzystaniem diody tunelowej

1 1

2f

LC= ⋅

π

Dioda tunelowa DT charakteryzuje się obszarem o ujemnej rezystancji dynamicznej. Punkt pracy określa siępośrodku tego obszaru. Rezystancja dynamiczna musi równowaŜyć rezystancję układu rezonansowego R oraz rezystancję obciąŜenia R0. Dzięki temu powstają drgania o częstotliwości zaleŜnej od pojemności i indukcyjności.

I

f

U

I0 P0

P1

P2

uR0

DT

t

W2: Elektronika10

Generator kwarcoweGenerator kwarcowe

Symbol i schemat zastępczy rezonatora

W układach wymagających duŜej stabilizacji częstotliwości stosuje sięrezonatory kwarcowe. Wycina się je z monokryształów kwarcu. Wykorzystująone odwrotne zjawisko piezoelektryczne, polegające na odkształcaniu płytki piezoelektrycznej pod wpływem pola elektrycznego.

C

CO

RL

LCfS π2

1= SSR fC

Cff ≈+=

0

1RC

LQS =

W rezonatorze kwarcowym wykorzystuje sięrezonans szeregowy (lepsza stabilnośćczęstotliwości). PoniewaŜ Co >> C rezonans równoległy zachodzi blisko szeregowego. DuŜa wartość indukcyjności L zapewnia bardzo wysoką dobroć (nawet setki tysięcy).

KWARC

A0+

-

R3

R2

R1

+UZAS

Generator kwarcowy ze wzmacniaczem operacyjnym

31

2

R

R

R

R >

W2: Elektronika11

Generatory niesinusoidalne dzielą się na generatory:- przebiegów prostokątnych

- przerzutniki astabilne- przerzutniki monostabilne- przerzutniki bistabilne

- przebiegów liniowych (piłokształtnych i trójkątnych) - inne

Generatory mogą być zbudowane z:- tranzystorów (generatory tranzystorowe)- wzmacniaczy operacyjnych- bramek cyfrowych

W generatorach niesinusoidalnych obowiązują te same warunki generacji co dla generatorów sinusoidalnych. SprzęŜenie zwrotne najczęściej jednak ma bardzo silne wzmocnienie co pozwala na generowanie przebiegów niesinusoidalnych (prostokątnych).

Generatory niesinusoidalne Generatory niesinusoidalne -- podstawypodstawy

W2: Elektronika12

Generatory przebiegGeneratory przebieg óów w prostokprostok ąątnychtnych

Przerzutnik astabilny - multiwibratort

uB1

U(T0)1

0

τ1=RB1CB1

t

uC1

0

EC

UCEsat1

t1 t2

T

Um1

t

uC2

0

EC

UCEsat2

Um2

t

uB2

U(T0)2

0

τ2=RB2CB2

SprzęŜenie zwrotne dodatnie uzyskuje się za pomocą odpowiednio przyłączonych

kondensatorów CB1 i CB2. Kondensator CB2 ładuje się do napięcia załączającego tranzystor T2 dzięki

załączeniu tranzystora T1.

Okres drgań na wyjściu: T=2ln2RBCB

Przebiegi

W2: Elektronika13

Przerzutnik astabilny Przerzutnik astabilny -- multiwibrator multiwibrator

Kondensator C przeładowuje się do napięcia Uwy przez rezystor R1. Na wejściu nieodwracającym panuje napięcie wynikające z dzielnika napięciowego bUwy. Zmiana napięcia wyjściowego występuje w chwili zrównania się napięcia kondensatora uC z napięciem na rezystorze R3

Przerzutnik astabilny zbudowany ze wzmacniacza operacyjnego:

W2: Elektronika14

Przerzutnik astabilny zbudowany z bramek logicznych:

Bramka negacji odwraca sygnał o 180º, dlatego aby powstały drgania konieczne jest uŜycie dwóch bramek negacji.Częstotliwość generowanego sygnału wyjściowego w przybliŜeniu jest równa:

Wypełnienie sygnału wyjściowego zaleŜy od parametrów R1C1 i R2C2. W przypadku gdy R1=R2, C1=C2, wypełnienie sygnału wyjściowego wynosi D=0,5.

Przerzutnik astabilny Przerzutnik astabilny -- multiwibrator multiwibrator

1 1 2 2

1f

R C R C≈

+

W2: Elektronika15

Przerzutnik Przerzutnik monostabilnymonostabilny -- uniwibratoruniwibrator

Przebiegi

W przerzutniku monostabilnym moŜna wygenerować jeden impuls wymuszony zewnętrznym sygnałem. Czas trwania tego impulsu jest proporcjonalny do R1C. Przerzutnik ten moŜna stosować wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba wydłuŜenia impulsów.

W2: Elektronika16

Przerzutnik Przerzutnik monostabilnymonostabilny -- uniwibratoruniwibrator

Wy

R Uwe2

B2 B2C

Uwe1 Uwe2

Uwe

We

Stanem stabilnym na wyjściu jest stan wysoki. Podanie niskiego stanu na wejście spowoduje natychmiastowe przełączenie w stan niski napięcia wyjściowego.Kondensator będzie się rozładowywał, aŜ do momentu gdy przekroczone zostanie napięcie R2/R1Uwy.

Uniwibrator – stanem stabilnym na wyjściu jest stan wysoki. Zmiana sygnału wejściowego z wysokiego na niski powoduje wygenerowanie na wyjściu impulsu niskiego o czasie trwania proporcjonalnym do R i C.

W2: Elektronika17

Generator Generator PiercePierce ’’aaGenerator Pierce’a jest jednym z najpopularniejszych generatorów napięcia prostokątnego. Stosowany niemal w kaŜdym mikroprocesorze wymaga jedynie podłączenia zewnętrznego rezonatora kwarcowego.

Generator Pierce’a moŜe istnieć teŜ w wersji z tranzystorami, bądźwzmacniaczami operacyjnymi. Drgania powstają w obwodzie rezonansowym rezonator-kondensatory C1 i C2.

W2: Elektronika18

Generator przebiegGenerator przebieg óów liniowych w liniowych ––pipi łłoksztaokszta łł tnychtnych

p

uwy

C

+

-

R

Ez

Ku → ∞

R

Rr

Generator przebiegów liniowych najczęściej bazuje na moŜliwości wytworzenia liniowo zmieniającego się napięcia na kondensatorze, przez który wymusza sięprąd stały. Generator przebiegów liniowych moŜna zbudować na układzie integratora, w którym napięcie kondensatora jest cyklicznie rozładowywane rezystorem Rr. Jest to zatem generator napięcia piłokształtnego.

W2: Elektronika19

UkUkłład czasowy (ad czasowy ( TimerTimer ) ) –– NE555NE555Układ czasowy NE555 jest uniwersalnym, tanim i bardzo prostym w uŜyciu układem, co sprawia, Ŝe jest on bardzo popularnym w elektronice.

Układ czasowy NE555 jako jedyny doczekał się odrębnej ksiąŜki w języku polskim. Wydawnictwo BTC, 2004.

Przykładowe zastosowania:- multiwibrator- dzielnik częstotliwości- uniwibrator

W2: Elektronika20

UkUkłład czasowy (ad czasowy ( TimerTimer ) ) –– NE555NE555

Uniwibrator MultiwibratorPodłączenie jednego lub dwóch rezystorów i kondensatora pozwala skonstruować róŜne układy czasowe.

W2: Elektronika21

Scalony generator uniwersalny 8038Scalony generator uniwersalny 8038

Symbol i schemat zastępczy rezonatora

Scalony generator funkcyjny XR 8038A (EXAR), ICL 8038 (Intersil) pozwala na generację przebiegów sinusoidalnych, prostokątnych i piłokształtnych.

W2: Elektronika22

Scalony generator XR 8038AScalony generator XR 8038AZaleŜności czasowe:

Parametry znamionowe:

Zakres częstotliwości: - 0.001 Hz – 200 kHz

Regulacja wypełnienia w zakresie: - D = 2-98 %

Napięcie zasilania: - (10–30)V lub ±(5–15)V

Napięcia wyjściowe:- przebieg prostokątny: 0,98 UZAS

- przebieg trójkątny: 0,33 UZAS

- przebieg sinusoidalny: 0,22 UZAS

Poziom odkształceń:- przebieg trójkątny: 0,1 %- przebieg sinusoidalny: 0,8 %

Wysoka stabilność temperaturowa i przy zmianach napięcia zasilania.MoŜliwość realizacji modulacji częstotliwościowej i przemiatania częstotliwości

Regulację częstotliwości oraz wypełnienia uzyskuje się poprzez dobór rezystorów podłączonych do wejść DCA1 i DCA2 oraz kondensatora podłączonego do TC. Czas narastania przebiegu trójkątnego i sinusoidalnego oraz czas trwania poziomu niskiego dla przebiegu prostokątnego wynosi:

T1 = 5/3RACCzas opadania przebiegów oraz poziomu wysokiego wynosi:

T2 = 5/3RARBC/(2RA-RB)Częstotliwość przebiegów wynosi:

f=1/(T1+ T2) f=0.15/RC dla równych wartości rezystancji.

W2: Elektronika23

Scalony generator XR 8038AScalony generator XR 8038APrzykładowe aplikacje

Generator przebiegów o regulowanym wypełnieniu

i częstotliwości

Generator sinusoidalny o zmniejszonych odkształceniach

W2: Elektronika24

KONIEC

WYKŁADU NR 3