Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział AEiI, Instytut Elektroniki,

Kierunek Elektronika i Telekomunikacja, Laboratorium Układów Analogowych 2, semestr IV

© ®

Materiały dydaktyczne Instytutu Elektroniki Politechniki Śląskiej, Gliwice, Październik 2004. wer. 1.0

Ćwiczenie: Generatory niesinusoidalne

Przygotowanie do ćwiczenia:
Należy opanować materiał z rozdziału „Generatory napięć niesinusoidalnych” na
podstawie skryptu „Laboratorium elektroniki II” (Wydanie I Nr 1728 lub wydanie II Nr
2008 lub Nr 2323).
Dodatkowo należy zapoznać się z budową i zasadą działania układu NE555 na
podstawie dostępnej literatury – np. „Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe”
A. Filipkowski (rozdział 14.3.2) lub artykułów – np. ogólnodostępnego na stronie
elportal.pl:

www.elportal.pl/pdf/k01/19_11.pdf

oraz noty katalogowej

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ne555.pdf

.

Program ćwiczenia

1. Generator na NE 555

10 min

 Zmontować układ generatora przebiegu

piłokształtnego

z

SPM

(Rys.

1),

C=100nF, kondensator rozładowywać
bezpośrednio przez kolektor tranzystora
kluczującego:
a) zaobserwować przebiegi napięcia na

kondensatorze i na wyjściu Q za
pomocą sondy studenckiej i sondy
skompensowanej wyjaśnić różnice.

b) zaobserwować przebiegi napięcia na

kondensatorze i na wyjściu Q
z użyciem sondy skompensowanej
przy C=100nF i C=1nF, wyjaśnić
różnice.

c) Zmierzyć częstotliwość dla dwóch

wartości pojemności i skrajnych
nastaw SPM, porównać z warto-
ściami teoretycznymi.

 W układzie generatora między kolektor

a kondensator włączyć potencjometr
(Rys. 2)

. Zaobserwować jak zmiana

prądu rozładowania wpływa na przebiegi
napięcia na C oraz na Q. Jaka jest
maksymalna rezystancja potencjometru,
przy której układ jeszcze generuje?

 W układzie jak w (Rys. 2) sprawdzić

funkcję VCO. W tym celu na wejście
VCO podać napięcie stałe z testera.
Sprawdzić jak zmienia się kształt
przebiegu,

amplituda

przebiegu

piłokształtnego oraz prostokątnego przy
zmianach stałego napięcia sterującego.

 Zrealizować typowy układ multiwibratora

astabilnego z noty aplikacyjnej (Rys. 3).
Zaobserwować

przebiegi

na

kondensatorze

i

wyjściu

Q

przy

zmianach nastawy potencjometru. Od
czego zależy współczynnik wypełnienia
przebiegu prostokątnego?

R

R

R

R

TRIG

NE555

THR

CTRL

VCC

VCO

+12 V

DISC

GND

OUT

RESET

Q

Q

R1

S

Rys. 1

R

R

R

R

TRIG

NE555

THR

CTRL

VCC

VCO

+12 V

DISC

GND

OUT

RESET

Q

Q

R1

S

Rys. 2

Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział AEiI, Instytut Elektroniki,

Kierunek Elektronika i Telekomunikacja, Laboratorium Układów Analogowych 2, semestr IV

© ®

Materiały dydaktyczne Instytutu Elektroniki Politechniki Śląskiej, Gliwice, Wrzesień 2012 wer. 2.0

- 2 -

 W układzie z punktu poprzedniego

zmierzyć częstotliwość dla skrajnych
nastaw potencjometru i dwóch wartości
pojemności. Porównać wyniki z warto-
ściami teoretycznymi wyliczonymi na
podstawie wzoru z noty katalogowej.

R

R

R

R

TRIG

100 nF

NE555

THR

CTRL

VCC

VCO

+12 V

DISC

GND

OUT

RESET

Q

Q

R1

S

5k

Rys. 3

W sprawozdaniu:

 Opisać funkcje poszczególnych bloków układu NE555.

 Wyjaśnić zasadę działania układów z Rys. 1÷3.

 Wyjaśnić dlaczego kształt przebiegu na kondensatorze obserwowany przy użyciu

sondy studenckiej i sondy skompensowanej się różnią.

 Wyprowadzić wzory na częstotliwość (okres) drgań dla układów z Rys. 1 oraz 3.
2. Multiwibrator tranzystorowy

10 min

 Uruchomić multiwibrator astabilny na dwóch

tranzystorach.

Wybrać

maksymalne

wartości

rezystorów kolektorowych (2.5 kΩ) i pojemności 20
nF. Pokrętła potencjometrów bazowych obu
tranzystorów ustawić tak, aby na oscyloskopie
otrzymać

poprawne

przebiegi

napięć

na

kolektorach tranzystorów.

 Zmieniając wartości pojemności kondensatorów

i nastawy potencjometrów w obwodach bazy
zaobserwować na oscyloskopie ich wpływ na
częstotliwość, wypełnienie i kształt generowanego
przebiegu. Przerysować przebiegi napięcia, na
bazie i kolektorze jednego z tranzystorów
(synchronicznie jeden pod drugim).

 Dla skrajnych ustawień potencjometrów bazowych

i różnych wartości pojemności (obu takich samych)
wyznaczyć wartość teoretyczną okresu drgań i
porównać z rzeczywistymi zmierzonymi przy
pomocy częstościomierza (lub oscyloskopu).

W obwodzie kolektorów wybrać rezystory 250 Ω.
Wybrać taką nastawę potencjometrów w bazach aby
uzyskać przebieg zniekształcony jak na Rys. 5.
Przerysować przebieg napięcia na bazie i kolektorze
tranzystora. Sprawdzić jak można zlikwidować te
zniekształcenia.

Wyjaśnić

mechanizm

ich

powstawania.

Rys. 4

Rys. 5

Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział AEiI, Instytut Elektroniki,

Kierunek Elektronika i Telekomunikacja, Laboratorium Układów Analogowych 2, semestr IV

© ®

Materiały dydaktyczne Instytutu Elektroniki Politechniki Śląskiej, Gliwice, Wrzesień 2012 wer. 2.0

- 3 -

W sprawozdaniu:

 Wyjaśnić i podać w postaci nierówności jakie są warunkiem prawidłowej pracy

multiwibratora.

 Wyprowadzić dokładny wzór na częstotliwość (okres) drgań multiwibratora

uwzględniający spadki napięć na tranzystorach.

3. Generator na jednym wzmacniaczu operacyjnym

10 min

 Badanie

przerzutnika

Schmitta

(Rys.

7).

Zaobserwować i zmierzyć przy użyciu oscyloskopu
progi przełączania przerzutnika Schmitta dla trzech
możliwych ustawień dzielnika. Na wejście podać
wolnozmienne napięcie trójkątne. Obserwując
przebiegi na wejściu i wyjściu odczytać wartości
napięć, przy których następuje przełączenie na
wyjściu. Przełączyć oscyloskop w tryb X-Y,
zaobserwować

i

zmierzyć

szerokość

pętli

histerezy. Uzyskane wartości progowe porównać
z wartościami teoretycznymi.

 Uruchomić

generator

zamykając

sprzężenie

zwrotne (Rys. 8). Zaobserwować przebiegi na
wyjściu oraz na obydwu wejściach wzmacniaczy
operacyjnych. Jak wygląda przebieg napięcia na
kondensatorze?

 Wybrać

kondensator

10F

oraz

ustawić

maksymalną

rezystancję

potencjometru.

Na

oscyloskopie obserwować przebiegi na obydwu
wejściach wzmacniacza.

 Wybrać kondensator 5nF i minimalną wartość

potencjometru. Zaobserwować zmianę kształtu
przebiegu

prostokątnego

na

trapezowy

a wykładniczego na zbliżony do sinusoidalnego.

Rys. 6

U

we

U

wyj

Rys. 7

U

wyj

Rys. 8

W sprawozdaniu:

 Narysować zaobserwowane przebiegi zsynchronizowane w czasie i wyjaśnić zasadę

działania.

 Podać od czego zależy amplituda napięcia na kondensatorze (uzasadnić).

 Wyprowadzić wzór na częstotliwość (okres) drgań multiwibratora.

 Wyjaśnić wpływ parametrów wzmacniacza operacyjnego na generowany przebieg.

Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział AEiI, Instytut Elektroniki,

Kierunek Elektronika i Telekomunikacja, Laboratorium Układów Analogowych 2, semestr IV

© ®

Materiały dydaktyczne Instytutu Elektroniki Politechniki Śląskiej, Gliwice, Wrzesień 2012 wer. 2.0

- 4 -

4. Generator na dwóch wzmacniaczach operacyjnych

2 min

 Badanie

przerzutnika

Schmitta

(Rys.

10).

Zaobserwować i zmierzyć przy użyciu oscyloskopu
progi przełączania przerzutnika Schmitta zamykając
sprzężenie zwrotne wprost z wyjścia wzmacniacza.
Na wejście podać wolnozmienne napięcie trójkątne,
zaobserwować

przy

jakiej

wartości

napięcia

wejściowego następuje przełączenie na wyjściu.
Zmierzyć napięcia przełączenia dla napięć dodatnich i
ujemnych przy wszystkich trzech ustawieniach
sprzężenia zwrotnego. Dlaczego progi przełączania
dla napięć dodatnich i ujemnych się różnią?

 Pomiary z p.1 powtórzyć dla sprzężenia dodatniego

połączonego do ogranicznika diodowego (Rys. 11).
Sprawdzić czy progi przełączania dla napięć
dodatnich i ujemnych są jednakowe.

 Uruchomić generator łącząc przerzutnik Schmitta

połączony jak w p.1 z integratorem (Rys. 12 zwora
czerwona). Rezystor w dodatnim sprzężeniu ustawić
na 40k. Zaobserwować przebiegi na wyjściach
wzmacniaczy oraz na wejściu nieodwracającym
wzmacniacza

w

przerzutniku.

Wyjaśnić

zaobserwowane przebiegi (zwłaszcza na wejściu
nieodwracającym drugiego wzmacniacza).

 Przełączyć rezystor w sprzężeniu dodatnim na 200k.

Co stanie się z amplitudą przebiegu trójkątnego oraz
częstotliwością?

 Przełączyć rezystor w sprzężeniu dodatnim na 20k

dlaczego układ przestał generować?

 Przyłączyć

sprzężenie

dodatnie

do

dwójnika

diodowego (Rys. 12 zwora niebieska). Dlaczego po
tej zmianie układ pracuje poprawnie?

 Ustawić

minimalną

wartość

pojemności

i

potencjometru

w

integratorze.

Zaobserwować

przebiegi na wyjściu obydwu wzmacniaczy. Zmierzyć
nachylenie zboczy przebiegu prostokątnego.

 Wykorzystanie wejścia PWM. Na dodatkowe wejście

pierwszego wzmacniacza podać napięcie stałe z
zadajnika.

Obserwować

kształt

przebiegu

prostokątnego i trójkątnego oraz częstotliwość przy
zmieniającym się napięciu sterującym.

 Dla kilku zadanych przez prowadzącego nastaw

dzielnika, wartości kondensatora oraz nastaw
potencjometru zmierzyć częstotliwość generacji,
porównać

uzyskane

wartości

z

wartościami

teoretycznymi.

Rys. 9

U

w

e

U

w

y

j

Rys. 10

U

w

e

U

w

y

j

Rys. 11

Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział AEiI, Instytut Elektroniki,

Kierunek Elektronika i Telekomunikacja, Laboratorium Układów Analogowych 2, semestr IV

© ®

Materiały dydaktyczne Instytutu Elektroniki Politechniki Śląskiej, Gliwice, Wrzesień 2012 wer. 2.0

- 5 -

U

w

y

j

P

W

M

Rys. 12

W sprawozdaniu i na kolokwium:

 Omówić zasadę działania układu.

 Jaki wpływ na generowany przebieg ma parametr SR każdego ze wzmacniaczy?

 Wyprowadzić wzór na częstotliwość (okres) drgań przy niesymetrycznym zasilaniu

W.O.

5. Generator na bramce Schmitta

10 min

 Zaobserwować przebiegi na kondensatorze oraz

na wyjściach pierwszej i drugiej bramki. Co
decyduje o amplitudzie napięcia na kondensatorze.
Na co wpływa zmiana nastawy potencjometru?

 Dla dwóch skrajnych nastaw potencjometru oraz

dwóch

pojemności

kondensatora

zmierzyć

częstotliwość drgań. Porównać z wartościami
teoretycznymi. Szerokość pętli histerezy potrzebną
do wyznaczenia częstotliwości odczytać z noty
układu CD4093.

 Zaobserwować zachowanie układu przy zwarciu

jednego z wejść pierwszej bramki do masy – w
jakim stanie są wyjścia bramek?

Rys. 13

W sprawozdaniu:

 Narysować zaobserwowane przebiegi zsynchronizowane w czasie i wyjaśnić zasadę

działania.

 Wyprowadzić wzór na częstotliwość (okres) drgań multiwibratora.

Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział AEiI, Instytut Elektroniki,

Kierunek Elektronika i Telekomunikacja, Laboratorium Układów Analogowych 2, semestr IV

© ®

Materiały dydaktyczne Instytutu Elektroniki Politechniki Śląskiej, Gliwice, Wrzesień 2012 wer. 2.0

- 6 -

6. Generator na dwóch inwerterach

10 min

 Zaobserwować przebiegi na wejściu i wyjściach

bramek. Przeanalizować działanie układu, wyjaśnić
dlaczego po przełączeniu napięcie na wejściu
przyjmuje wartości ujemne a także większe od
napięcia zasilającego.

 Dla dwóch skrajnych nastaw potencjometru oraz

dwóch

pojemności

kondensatora

zmierzyć

częstotliwość drgań. Porównać z wartościami
teoretycznymi.

 Zaobserwować zachowanie układu przy zwarciu

jednego z wejść pierwszej bramki do masy – w
jakim stanie są wyjścia każdej z bramek?

Rys. 14

W sprawozdaniu:

 Narysować zaobserwowane przebiegi zsynchronizowane w czasie i wyjaśnić zasadę

działania.

 Wyprowadzić wzór na częstotliwość (okres) drgań multiwibratora.
7. Generator kwarcowy (OBOWIĄZKOWE)

10 min

 Uruchomić generator dobierając doświadczalnie

nastawę

potencjometru

oraz

wartości

kondensatorów między końcówkami rezonatora a
masą.

Sygnał

na

końcówkach

rezonatora

obserwować za pomocą sondy skompensowanej.

 Zaobserwować

przebiegi

na

końcówkach

rezonatora oraz wyjściach bramek. Do jakiej
znanej

struktury

generacyjnej

układ

jest

podobny? Zmierzyć częstotliwość generacji,
sprawdzić,

czy

częstotliwość

zależy

od

pojemności i nastaw potencjometru (tylko w
stanie, w którym układ generuje). Wyjaśnić po co
jest rezystor 10M łączący wejście z wyjściem
bramki.

 Obserwować zmiany kształtu przebiegów przy

zmianach nastawy potencjometru oraz przy
zmianach pojemności uziemiających. Dlaczego
przy zbyt małych i zbyt dużych pojemnościach
układ

nie

działa

albo

ma

problemy ze

wzbudzeniem się? Dlaczego przy zbyt małej i
zbyt dużej rezystancji potencjometru układ nie
działa poprawnie.

Rys. 15

W sprawozdaniu:

 Wyjaśnić zasadę działania. Z jakim klasycznym generatorem LC układ ten jest

spokrewniony?

 Odpowiedzieć na pytania postawione w treści programu.

Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział AEiI, Instytut Elektroniki,

Kierunek Elektronika i Telekomunikacja, Laboratorium Układów Analogowych 2, semestr IV

© ®

Materiały dydaktyczne Instytutu Elektroniki Politechniki Śląskiej, Gliwice, Wrzesień 2012 wer. 2.0

- 7 -

8. Generator na dwóch uniwibratorach 74123

10 min

 Przetestować działanie uniwibratora. W

tym celu zewrzeć klucz o/z i podać z
zewnętrznego

generatora

przebieg

prostokątny na wejście wyzwalające
pierwszego uniwibratora.

Zaobserwować:

a) które zbocze przebiegu wejściowego

wyzwala uniwibrator;

b) co się dzieje jeśli okres przebiegu

wyzwalającego

jest

dłuższy

od

nastawionego czasu trwania impulsu;

c) co się dzieje jeśli okres przebiegu

wyzwalającego

jest

krótszy

od

nastawionego czasu trwania impulsu
(czy uniwibrator jest retrygowalny);

d) co

się

dzieje przy wyzwalaniu

uniwibratora impulsami szpilkowymi
przedzielonymi długimi przerwami.

 Uruchomić generator rozwierając klucz

o/z,

zaobserwować

przebiegi

na

wyjściach obu uniwibratorów. Zwrócić
uwagę

na

przebiegi

przy

50pF.

Porównać przebiegi obserwowane za
pomocą sondy skompensowanej i sondy
studenckiej, wyjaśnić różnice. Czy są
jakieś ograniczenia na możliwe do
uzyskania współczynniki wypełnienia.

 Zmierzyć częstotliwość dla skrajnych

(jednakowych) nastaw potencjometrów i
dwóch (jednakowych) wartości konden-
satorów.

Porównać

częstotliwości

zmierzone z wartościami teoretycznymi.

 Przetestować układ jako bramkowany

generator fali prostokątnej. W tym celu
na wejście wyzwalające podać sygnał z
zewnętrznego generatora fali prosto-
kątnej o okresie wyraźnie mniejszym od
okresu

badanego

generatora.

Zaobserwować co się dzieje przy
zmianie z 0 na 1 oraz z 1 na 0 na
wejściu. Czy sygnał na wyjściu zanika
natychmiast

po

zaniku

sygnału

wyzwalającego?

Rys. 16

W sprawozdaniu:

 Wyjaśnić zasadę działania układu.

Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział AEiI, Instytut Elektroniki,

Kierunek Elektronika i Telekomunikacja, Laboratorium Układów Analogowych 2, semestr IV

© ®

Materiały dydaktyczne Instytutu Elektroniki Politechniki Śląskiej, Gliwice, Wrzesień 2012 wer. 2.0

- 8 -

Widok płyty czołowej stanowiska