96.10.21 grupa 5: Hubert Nagórny
Konrad Pryciak
Sprawozdanie z ćwiczenia nr 9.
Temat: Generatory impulsowe ze stabilizacją kwarcową.
W ćwiczeniu badany był układ impulsowego generatora kwarcowego zbudowanego przy użyciu bramek NAND. (Schemat układu znajduje się w instrukcji do ćwiczenia.)
1. Pomiar wybranych własności układu generatora. (Wy1 - wyjście pierwsze)
a) podstawowy układ pomiarowy, napięcie zasilania UZAS = 5.2 V.
Parametry generowanego przebiegu (rys.1):
czas narastania τ0 = 2μs
czas opadania τn = 1.6μs f = 80kHz (z częstościomierza)
czas trwania impulsu τt = 7μs
współczynnik wypełnienia γ = 0.5
b) dołączenie zwory Z1
Parametry generowanego przebiegu (rys.2):
czas narastania τ0 = 2,8μs
czas opadania τn = 3μs f = 80kHz (z częstościomierza)
czas trwania impulsu τt = 6.5μs
współczynnik wypełnienia γ = 0.46
2. Obserwacja przebiegów napięciowych na wyjściach układu formującego.
a) Wy2 (rys.3)
czas narastania τ0 = 0,2μs
czas opadania τn = 0.6μs f = 80kHz (z częstościomierza)
czas trwania impulsu τt = 7μs
współczynnik wypełnienia γ = 0.5
b) Wy3 (rys4) i Wy4 (rys5)
Czasy narastania i czasy opadania są dla tych przebiegów są niemierzalne, natomiast czasy trwania impulsów i współczynniki wypełnienia wynoszą odpowiednio:
dla Wy3 τt = 7μs
γ = 0.5
dla Wy4 τt = 6.5μs
γ = 0.46
3. Pomiar zależności parametrów generatora kwarcowego od napięcia zasilającego.
a) w pętlę sprzężenia zwrotnego załączony kwarc
Wyniki pomiarów :
UZAS |
f |
τ |
τ |
V |
kHz |
μs |
μs |
6.0 |
80 |
1.8 |
1.8 |
5.0 |
80 |
2.0 |
1.8 |
4.5 |
80 |
2.2 |
2.0 |
Na podstawie wyników pomiarów została wyznaczona niestałość częstotliwości:
UZAS = 5.0V
Δf = 0 stąd AL.= 0
b) w pętlę sprzężenia zwrotnego załączony szeregowy obwód rezonansowy LC (kwarc zwarty).
Wyniki pomiarów :
UZAS |
f |
τ |
τ |
V |
kHz |
μs |
μs |
6.1 |
82.108 |
1.6 |
3.2 |
5.5 |
83.355 |
1.8 |
2.4 |
5.0 |
84.224 |
2.0 |
2.0 |
4.5 |
80.550 |
2.2 |
1.8 |
f1= 84.224kHz, UZAS1= 5V, f2= 83.355kHz, UZAS2= 5.5V
stąd :
Δf = 0.869kHz, ΔUZAS=0.5V
4.Badanie możliwości przestrajania generatora kwarcowego.
Do zacisków ZEXT podłączaliśmy kolejne pojemności zewnętrzne.
C |
f |
pF |
kHz |
200 |
80.017 |
150 |
80.024 |
51 |
80.047 |
27 |
80.068 |
22 |
80.074 |
18 |
80.082 |
Przebieg zmienności f = f(CEXT) przedstawiony jest na dołączonym wykresie.
Na podstawie wyników pomiarów możemy oszacować realny zakres przestrajania generatora kwarcowego:
Możemy również wyznaczyć pojemność szeregową modelu kwarcu CS.
fS'(częstotliwość przed przestrojeniem) = 80kHz
fS”(częstotliwość po przestrojeniu) = 80.082kHz
CEXT = 18pF
po podstawieniu wartości otrzymaliśmy wynik: CS = 0.037pF
Znając pojemność szeregową kwarcu CS i częstotliwość rezonansu szeregowego fS możemy wyznaczyć indukcyjność L zastępczą kwarcu.
po przekształceniu otrzymujemy :
po podstawieniu wartości otrzymaliśmy wynik : L = 106.9H
Wnioski:
Analizując wyniki pomiarów możemy zauważyć, że generatory impulsowe z rezonatorami kwarcowymi charakteryzują się dużą stałością częstotliwości. Dołączając zworę Z1 wzrosły czasy narastania i opadania, było to spowodowane tym, że do układu została dołączona pojemność, której cykliczne przeładowywanie wydłużyło czasy przejść pomiędzy stanami multiwibratora astabilnego.
Zastosowanie układów formujących pozwala uzyskać dowolny kształt przebiegów napięciowych. Badany układ formujący pozwolił uzyskać przebiegi prostokątne o bardzo krótkich czasach narastania i opadania, praktycznie nie mierzalnych w warunkach laboratoryjnych pracowni Układów Elektronicznych.
Bardzo mały wpływ na parametry generatora kwarcowego miały zmiany napięcia zasilania. Częstotliwość drgań rezonatora kwarcowego była stała wobec czego niestałość częstotliwości AL. powodowana zmianami napięcia zasilania wyniosła zero. Inaczej było w przypadku, gdy kwarc zastąpiliśmy obwodem rezonansowym LC. Zmiany napięcia zasilania miały duży wpływ na generowaną częstotliwość drgań układu, dlatego też wartość AL. była różna od zera i wyniosła 0.02. Również czasy narastania i opadania w przypadku obwodu rezonansowego LC były większe. Było to spowodowane tym, że w układzie LC stosunek indukcyjności do pojemności jest dużo mniejszy niż w kwarcu zastąpionym równoważnym mu układem złożonym z elementów RS, CS, L i CO. Stosunek ten jest wyznacznikiem dobroci układu, która dla kwarcu jest bardzo duża rzędu 106-108. Świadczą o tym wyznaczone analitycznie na podstawie wyników pomiaru wartości CS i L kwarcu. Dodatkowo wyznaczona pojemność szeregowa rezonatora kwarcowego pozwala stwierdzić, że zakres przestrajania generatora jest niewielki ponieważ pojemność wypadkowa po dołączeniu dodatkowego kondensatora jest nada bardzo mała i zbliżona do CS. Ponadto kwarc wykazuje bardzo dobre właściwości stabilizacyjne tzn. jakiekolwiek zmiany indukcyjności lub pojemności pozostałej części obwodu są wyrównywane odpowiednimi zmianami indukcyjności kwarcu przy bardzo małej zmianie częstotliwości.