[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Generator kwadraturowy
Do czego to służy?
W każdej pracowni elektronicznej po−
trzebne są generatory. O ile bez więk−
szych problemów można zbudować ge−
neratory przebiegów prostokątnych, o ty−
le budowa generatorów przebiegu sinu−
soidalnego, wcale nie jest tak łatwa,
zwłaszcza jeśli chodzi o generatory dają−
ce przebieg niezniekształcony, o małej za−
wartości harmonicznych.
W artykule opisano prosty generator
przebiegu sinusoidalnego, wykonany
z użyciem podwójnego wzmacniacza
operacyjnego. Bez kłopotu można uzys−
kać zawartość zniekształceń nieliniowych
poniżej 0,2%, co z powodzeniem wystar−
czy do wielu zastosowań. Opisany układ
może służyć jako warsztatowy generator
przebiegu sinusoidalnego.
Przedstawiony generator ma jednak
nie jedno, ale dwa wyjścia, na których do−
stępne są jednocześnie dwa przebiegi (si−
nusoidalne) przesunięte w fazie o 90
(
2181
/2). Patrząc z matematycznego punktu
widzenia, są to przebiegi: sinusoidalny
i kosinusoidalny. Jak wiadomo ze znane−
go ze szkoły wzoru:
sin
2
x + cos
2
x=1
Dla początkujących podany wzór nie
ma żadnego znaczenia, bo wykorzystają
tylko jeden z przebiegów. Bardziej za−
awansowani mogą wykorzystać oba
przebiegi do bardzo ciekawych celów. Na
przykład w niektórych układach przetwa−
rzania sygnałów potrzebne są sygnały si−
nusoidalny i kosinusoidalny. Zamiast sto−
sować przesuwniki fazowe, wystarczy
zastosować opisany dalej generator.
Podaną zależność wykorzystuje się
też w obwodach automatycznej regulacji
amplitudy, gdzie przy zastosowaniu ukła−
dów mnożących uzyskuje się bez żadne−
go opóźnienia sygnał proporcjonalny do
amplitudy generowanych drgań (ściślej
do kwadratu amplitudy). To zagadnienie
jest jednak dość skomplikowane i nie bę−
dzie szczegółowo analizowane.
w układzie występują rezystory o pewnej
rezystancji R oraz o dwukrotnie większej
rezystancji 2R.
Wszyscy wiedzą, że w kondensatorze (i
obwodzie RC) napięcie opóźnia się wzglę−
dem prądu. Można się słusznie domyślać,
że w prezentowanym układzie występują
dwa stopnie przesuwania fazy, wykorzys−
tujące wspomniane dwa kondensatory.
Warunkiem wzbudzenia drgań jest ta−
kie przesunięcie fazy, by uzyskać dodatnie
sprzężenie zwrotne. Ale właściwa faza to
nie wszystko. Konieczne jest także całko−
wite wzmocnienie układu wynoszące teo−
retycznie dokładnie 1. Taki warunek speł−
niony jest w układzie z rysunku 1.
Jeśli całkowite wzmocnienie (wyznacza−
ne między innymi stosunkiem rezystorów
RA) byłoby dużo większe, zamiast przebie−
gu sinusoidalnego uzyska się na wyjściu
sygnał zbliżony do prostokątnego. Jeśli
wzmocnienie byłoby mniejsze do 1, to układ
się nie wzbudzi i nie będzie generatorem.
Warunkiem powstania drgań sinusoidal−
nych jest więc precyzyjne dobranie wypad−
kowego wzmocnienia całego układu. I to
jest główny problem praktyczny przy kon−
struowaniu generatorów sinusoidalnych, bo
wzmocnienie zależy od wielu czynników, na
przykład od temperatury. Jeśli wzmocnienie
choć odrobinę spadnie, amplituda sygnału
szybko się zmniejszy i układ przestaje gene−
rować. Jeśli wzmocnienie jest zbyt duże,
amplituda szybko rośnie, wzmacniacze ope−
racyjne się nasycają, i przebieg sinusoidalny
ma obcięte wierzchołki, a tym samym za−
wartość harmonicznych radykalnie wzrasta
do co najmniej kilku procent.
Teoretycznie ustalenie właściwego
wzmocnienia jest możliwe przez zastoso−
wanie rezystorów i kondensatorów o do−
kładnie dobranych wartościach. W prak−
tyce występujją liiczne czynniikii wpłływajją−
ce na wzmocniieniie, dllatego nalleży:
– ustawiić wzmocniieniie niieco ponad 1 (by
generator w miiarę szybko zacząłł pracę
po włłączeniiu zasiillaniia)
– wprowadziić obwód lub ellement auto−
matyczniie regullujjący wzmocniieniie
w zalleżnościi od poziiomu sygnałłu na
wyjjściiu.
W niektórych generatorach sinusoidal−
nych do stabilizacji wzmocnienia stosuje
się element nieliniowy: miniaturową żaró−
weczkę lub ter−
mistor. W innych
o wymaganą war−
tość wzmocnienia
troszczy się złożo−
ny obwód regula−
cyjny z tranzysto−
rem FET lub foto−
rezystorem. W jesz−
cze innych genera−
torach do regulacji
wzmocnienia (a tym
samym stabilizacji
amplitudy na wy−
jściu) stosuje się
analogowe układy
Jak to działa?
Podstawowy schemat ideowy genera−
tora realizującego zmienne stanu, zwane−
go też generatorem kwadraturowym po−
kazano na rysunku 1 (znane są także inne
rozwiązania układowe takich generato−
rów, zawierające albo trzy wzmacniacze
operacyjne, albo trzy obwody RC). Prze−
de wszystkim należy zauważyć obecność
w układzie dwóch kondensatorów C two−
rzących ze współpracującymi rezystorami
obwody (całkujące) RC. Zastosowane re−
zystory mają ściśle ustalone wartości –
Rys. 1. Podstawowy schemat generatora kwadraturowego
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/98
53
mnożące. Wszyst−
kie wymienione
sposoby przy sta−
rannym zaprojekto−
waniu układu po−
zwalają uzyskać za−
wartość zniekształ−
ceń poniżej 0,01%.
Jednocześnie spo−
soby te mają swo−
je wady.
Innym, bardzo
prostym sposo−
bem jest zastoso−
wanie elementu
nieliniowego
w postaci diod Ze−
nera. Diody takie
zaczynają przewo−
dzić dopiero wte−
dy, gdy amplituda
przebiegu na wy−
jściu wzmacniacza przekroczy napięcie
tych diod Zenera. Przepływ prądu można
traktować jako zmniejszenie się rezystancji
(dynamicznej) tych diod. Czyli diody te pra−
cują w roli zmiennej rezystancji: jest ona
nieskończenie duża przy małych amplitu−
dach sygnału wyjściowego i maleje przy
przekroczeniu pewnego progu.
Ta zmienna rezystancja diod Zenera
przy dużych poziomach sygnału ograni−
Rys. 2. Schemat iideowy generatora
cza wzmocnienie, nie pozwalając na dal−
szy wzrost sygnału. Oczywiście wprowa−
dzenie do układu takiego elementu nieli−
niowego wiąże się z pewnym zniekształ−
ceniem sygnału.
Pełny schemat ideowy modułu gene−
ratora kwadraturowego pokazany jest na
rysunku 2. W roli zmiennej rezystancji
pracują dwie włączone przeciwsobnie
diody LED D1 i D2, pełniące rolę diod Ze−
nera (rezystancji zależnej od amplitudy
przebiegu).
Dodatkowo, dla zmniejszenia znie−
kształceń nieliniowych, dodany został re−
zystor szeregowy R1.
Jak wspomniano wcześniej, aby układ
startował w sposób pewny i szybki,
wzmocnienie należy ustawić na wartość
nieco większą niż 1. W układzie służy do
tego potencjometr PR1.
Układ może być wykorzystany jako
część większego urządzenia i wtedy za−
pewne będzie zasilany napięciem symet−
rycznym, dołączonym do punktów P, O,
N. W takim wypadku nie potrzebne są re−
zystory R7 i R8.
Próby wykazały, że układ zawierajacy
kostkę TL072(082) może być zasilany na−
pięciem ±3...±15V.
Układ może być także zasilany poje−
dynczym napięciem 6...30V – potrzebne
są wówczas rezystory R7 i R8 wytwarza−
jące sztuczną masę.
Wykaz ellementów
Rys. 3. Schemat montażowy
(opcjja 60Hz)
Rezystory
R1: 470k
1% (składane z dwóch
W zestawie AVT−2181 w roli konden−
satorów C5 i C6 przewidziano zastoso−
wanie albo precyzyjnych kondensatorów
styrofleksowych o tolerancji 0,5%, albo
dobieranych z dokładnością 0,5% kon−
densatorów MKT (MKSE). Kluczowe re−
zystory powinny być dobrej jakości rezys−
torami metalizowanymi o tolerancji 1%.
Na schemacie ideowym podano war−
tości elementów dla wersji o częstotli−
wości 60Hz.
W wykazie elementów podano też
wartości dla częstotliwości 1kHz – takie
elementy będą dostarczane w zestawie
AVT−2181B.
Jak podano wcześniej, dla uzyskania in−
nych częstotliwości pracy (1Hz...50kHz),
zarówno wartości kondensatorów C5,
C5, jak i rezystorów R2 – R6 mogą być
zmieniane w szerokich granicach.
Niestety, nie jest możliwe proste prze−
robienie układu na generator przestrajany
płynnie, bo wymagałoby to jednoczesnej
zmiany wartości kondensatorów C5 i C6.
Możliwe jest natomiast wykonanie gene−
ratora przestrajanego skokowo – wystar−
czy zastosować wielopozycyjny przełącz−
nik dwuobwodowy i dołączać nim kon−
densatory o różnych wartościach.
c.d. na str. 56
)
R4,R5,R6: 121k
1%
R7,R8: 10k
Ω
Kondensatory
C1,C2: 100µF/16V
C3,C4: 100nF
C5,C6: 22,1nF 0,5% styrofleksowe lub
22nF MKT dobierane z tolerancją 0,5%
Półłprzewodniikii
D1,D2: LED 3mm ziel.
U1: TL072 lub TL082
(opcjja 1kHz)
Rezystory
R1: 100k
Ω
R2,R3: 45,2k
1% (składane z dwóch
)
R4,R5,R6: 22,6k
1%
R7,R8: 10k
Ω
Kondensatory
C1,C2: 100µF/16V
C3,C4: 100nF
C5,C6: 6,81nF 0,5% styrofleksowe lub
6,8nF MKT dobierane z tolerancją 0,5%
Półłprzewodniikii
D1,D2: LED 3mm ziel.
U1: TL072 lub TL082
Uwaga!
W skład zestawu AVT−2181 wchodzą ele−
menty do budowy wersji generatora
1000Hz.
Montaż i uruchomienie
Generator można zmontować na płyt−
ce drukowanej pokazanej na rysunku 3.
Montaż jest klasyczny, nie sprawi trud−
ności.
W układzie modelowym zastosowano
niskoszumny układ TL072, ale w prakty−
ce śmiało można stosować popularniej−
szą kostkę TL082; nie zmieni to właści−
wości generatora.
54
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/98
Ω
R2,R3: 242k
121k
PR1: 10k
22,6k
PR1: 2,2k
cyjnym. Ponieważ po wyprostowaniu
napięcie wzrasta (prawie o 40%),
a moc transformatora jest w przybliże−
niu stała, a więc z zasilacza nie powin−
no się pobierać prądu stałego o wartoś−
ci podanej w katalogu, tylko co najwy−
żej prąd 1,41 razy mniejszy – praktycz−
nie do 70% wartości prądu podanego
w katalogu. Wtedy moc pobierana
z transformatora będzie mniej więcej
równa mocy nominalnej wynikającej
z przemnożenia napięcia i prądu poda−
nych w katalogu.
Montaż i uruchomienie
Zasilacz można zmontować na płytce
pokazanej na rysunku 2. Jak widać
układ ścieżek pozwala wykorzystać
praktycznie dowolny typowy
transformator z wyprowadze−
niami przystosowanymi do
wlutowania w płytkę.
W zależności od
użytego transfor−
matora trzeba też
wykonać odpowiednie
zwory, by połączyć uzwo−
jenie wtórne z prostowni−
kiem.
Na płytce przewidziano miejsce
na dwa kondensatory elektrolityczne
za prostownikiem, dzięki czemu w roli C1
można zastosować dwa kondensatory,
na przykład 1000µF/25V, które będą od−
Rys. 2. Schemat montażowy
Uwaga!
W urządzeniu
występują napięcia
mogące stanowić śmiertel−
ne zagrożenie dla życia! Osoby
niepełnoletnie mogą wykonać i uru−
chomić opisany układ tylko
pod opieką wykwalifi−
kowanych osób
dorosłych.
powiednie do ogromnej większości
zastosowań.
Zestaw AVT−2182B nie za−
wiera transformatora i sta−
bilizatora. Należy je za−
mówić oddzielnie
lub zdobyć we
własnym zakresie.
Montaż układu jest
klasyczny, nikomu nie
powinien sprawić trudnoś−
ci. Zmontowany ze sprawnych
elementów nie wymaga urucho−
miania i od razu powinien pracować
poprawnie.
Wykaz ellementów
Kondensatory
C1: 2200µF/25V lub 2 x 1000µF/25V
C2: 100µF/25V
C3,C4: 100nF ceramiczny
Półłprzewodniikii
D1−D4: 1N4001...7
płytka drukowana wg rysunku 2
Uwaga!
Transformator sieciowy i stabilizator nie
wchodzą w skład zestawu: należy je za−
mówić oddzielnie według potrzeb.
Kompllet podzespołłów z płłytką jjest
dostępny w siiecii handllowejj AVT jjako
„kiit szkollny” AVT−2182.
Piiotr Góreckii
Zbiigniiew Orłłowskii
Generator kwadraturowy
c.d. ze str.
54
widłowe drgania pojawiają się dopiero po
kilku sekundach, to znaczy że potencjo−
metr PR1 ma za małą wartość.
Próby przeprowadzone w układami
modelowymi wykazały, iż bez trudu moż−
na osiągnąć zawartość harmonicznych po−
niżej 1%. W układach modelowych dobrą
i stabilną pracę uzyskano przy niewielkiej
rezystancji czynnej potencjometru PR1
i zawartości zniekształceń 0,15...0,2%.
Należy też wiedzieć, że czym większa re−
zystancja R1, tym mniejsze zniekształcenia.
Osoby, które nie mają miernika pojem−
ności i cyfrowego omomierza, a tym sa−
mym nie potrafią dobrać precyzyjnie war−
tości kondensatorów i rezystorów, mogą
zbudować opisany generator przy użyciu
typowych elementów o tolerancji
5...20% i układ również powinien praco−
wać. Co najwyżej zwiększy się trochę za−
wartość zniekształceń, a poziomy na wy−
jściach A i B mogą nie być jednakowe.
Piiotr Góreckii
Zbiigniiew Orłłowskii
Jeśli ktoś chciałby wykorzystać układ
w roli prostego generatora przebiegu si−
nusoidalnego zasilanego z baterii 9V, mo−
że dodać obwód wyjściowy pokazany na
rysunku 4.
Po zmontowaniu, układ generatora nale−
ży wyregulować. W zasadzie określenie re−
gulacja jest zbyt poważne – należy ustawić
odpowiednio potencjometr PR1. Przy skrę−
ceniu potencjometru na minimum rezystan−
cji układ może nie pracować, a może będzie
pracował w każdej pozycji potencjometru
PR1 (zależy to od nieuniknionego rozrzutu
parametrów użytych elementów). Potencjo−
metr należy ustawić na możliwie małą war−
tość, przy której układ pracuje stabilnie.
Czym większa rezystancja czynna po−
tencjometru PR1, tym układ pewniej się
wzbudza, stabilniej pracuje, ale przebieg
wyjściowy ma większe zniekształcenia
i nieco większą amp−
litudę. Mniejsza re−
zystancja czynna
PR1 to mniejsze
zniekształcenia, ale
też większe ryzyko,
że przy zmianach
temperatury czy na−
pięcia zasilania,
układ przestanie ge−
nerować.
Dobrą wskazów−
ką przy ustawianiu
wartości PR1 jest
czas wzbudzania się
drgań po włączeniu
zasilania. Jeśli pra−
Kompllet podzespołłów z płłytką jjest
dostępny w siiecii handllowejj AVT jjako
„kiit szkollny” AVT−2181.
Rys. 4. Dołłączeniie obwodów wyjjściiowych
56
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/98
[ Pobierz całość w formacie PDF ]