Elektronika dla informatyków

Elektronika

(nie tylko) dla informatyków

Elementy i układy elektroniczne

wokół mikroprocesora

Wykład 11. Filtrowanie i powielanie Mikroprocesory są dziś powszechnie stosowane bazie mikroprocesorów. Zdarza się jednak, iż elektronikami. Niniejszy cykl, przedstawiający niew najróżniejszych urządzeniach, nie tylko fabrycz-twórcy takich konstrukcji, zafascynowani łatwoś-

zbędne zasady, kluczowe elementy elektroniczne nych. Niska cena, łatwość programowania i dostęp-cią programowania, popełniają błędy układowe, i rozwiązania układowe, opracowany został wpraw-ność wszelkich niezbędnych narzędzi powodują, że wynikające z nieznajomości podstaw elektroniki.

dzie głównie dla miłośników mikroprocesorów, ale coraz młodsi realizują interesujące układy na Okazują się dobrymi informatykami, ale słabymi pożytek zeń odniosą wszyscy Czytelnicy.

W poprzednim odcinku doszliśmy do wnio-Zenera o napięciu około 6...7V), jak ilustruje ści można łatwo uzyskać, stosując cewkę z sku, że na równoległym obwodzie rezo-rysunek 76.

odczepem według rysunku 78, ale to już nansowym mogłoby wystąpić bardzo duże W każdym razie obecność tranzystora, inna historia.

napięcie, jeżeli byłby on zasilany ze źródła czy to bipolarnego NPN, czy MOSFET-a prądowego, a konkretnie z obwodu kolektora N, nie pozwoli, by napięcie wytworzone w Filtrowanie...

lub drenu tranzystora. Wspomniałem wtedy, cewce obniżyło się znacząco poniżej masy. A teraz kolejna ważna sprawa. Mówiliśmy, że że ograniczeniem jest tranzystor. Przyjrzyjmy Wprawdzie napięcie to mogłoby �śrosnąć w rezonans to zjawisko związane z wymusze-się temu bliżej.

górę” bez ograniczeń, ale na cewce wystę-

niem przez zewnętrzne źródło napięciowe lub Otóż szczególnie łatwo zrozumieć prob-puje sygnał przemienny, a to oznacza, że prądowe. Wiadomo też, że obwody rezonanso-lem w przypadku tranzystora MOSFET, który także część dodatnia, przewyższająca dodat-we pełnią rolę filtrów, bo �ślubią swoją często-jak wiadomo, zawiera pasożytnicze struktu-nie napięcie zasilania, będzie mieć amplitudę tliwość rezonansową”. I wszystko jest jasne, ry, zachowujące się jak dioda, a nawet jak taką, jak część ujemna – patrz rysunek 77.

jeśli przebieg wymuszający jest sinusoidą.

dioda Zenera o napięciu nieco wyższym od Podobnie jest z tranzystorami PNP i Obwód rezonansowy przepuszcza skład-jego katalogowego napięcia UDS (rysunek MOSFET P: w praktyce nie uda się w zwy-niki o częstotliwościach bliskich f 0, a tłumi

75a). W układzie z MOSFET-em N obecność kłym obwodzie LC uzyskać napięcia wyjścio-inne. Od stu lat wykorzystujemy to w odbior-takiej �śdiody” uniemożliwi przede wszystkim wego o wartości międzyszczytowej znacząco nikach radiowych, by spośród mnóstwa syg-obniżenie się napięcia o więcej niż 0,7V większej niż podwójna nałów wyłowić ten jeden, o częstotliwości poniżej masy, jak pokazuje rysunek 75b.

wartość napięcia zasi-

naszej ulubionej stacji.

Mniejszym problemem jest dodatnia połówka lania. Większe warto-Ale spójrzmy na to nieco inaczej: A

i przepływ prądu przez �śdiodę Zenera”

U

przecież w praktyce zazwyczaj mamy do według rysunku 75c, ponieważ zawsze czynienia z przebiegami o innych kształ-

można zastosować tranzystor o wyższym tach niż sinusoida. I właśnie wtedy obwód napięciu U

@

DS, gdzie �śnapięcie Zenera UZ”

Uzas

rezonansowy LC ma pełnić rolę filtru.

będzie większe.

Jak zachowa się obwód rezonansowy, gdy C

C

W tranzystorze bipolarnym jest podob-B

B

wymuszenie nie jest sinusoidą?

ny problem, ponieważ złącze kolektor-E

E

Wbrew pozorom odpowiedź jest prosta, A

baza jest złączem PN (a ponadto złą-

U

o ile tylko pamiętasz, że sinusoida jest cze baza-emiter zachowuje się jak dioda

�śelementarnym” przebiegiem i że przebieg Rys. 76



o dowolnym kształcie jest w istocie złożeRys. 75

niem sygnałów sinusoidalnych o często-a)

b)

c)



Rys. 77

Rys. 79



Uzas

Rys. 78

Uzas

U

Uwy

zas

L

U+

Z

L U

sk�ładniki

wy

U

C

L

C

C

zasU

U

U

wy

wy

ZU

=0,7V FU

UF

przebieg odkszta�łcony o czêstotliwœci bliskiej f0

32

Czerwiec 2010

Elektronika dla Wszystkich

worldmags & avaxhome





Elektronika dla informatyków tliwościach harmonicz-niczne o częstotliwościach bliskich nych. Ilustruje to rysu-f0, to zostaną one przepuszczone, nek 79, gdzie kolorem

a pozostałe, łącznie z podstawową zielonym zaznaczony

– stłumione. Na wyjściu pojawi się jest przebieg wymusza-przebieg o częstotliwości będącej jący, podobny trochę

wielokrotnością częstotliwości prze-do prostokątnego, nato-

biegu wejściowego. Nie jest to wcale miast kolorem czerwo-teoretyczny eksperyment myślowy.

nym zaznaczone są jego

Od lat tego rodzaju układy, zwane sinusoidalne składniki.

powielaczami częstotliwości, są

Chodzi o tzw. rozkład

wykorzystywane w praktyce. Mogą

Fouriera i zagadnienia,

być na przykład realizowane w pro-które już przerobiliśmy

sty sposób, choćby z wykorzysta-

przy omawianiu właś-

niem tranzystora według rysunku ciwości kondensatorów.

81. Przebieg wejściowy ma często-Jeśli masz wątpliwości,

tliwość f0, ale jest zniekształcony, wróć do tego materiału

więc zależnie od rodzaju zniekształ-

(EdW 6/2008 str. 26).

ceń, zawiera w różnych proporcjach Zgodnie z rysunkiem

także składowe (harmoniczne) o

79, pobudzanie obwodu

częstotliwościach 2*f0, 3*f0, 4*f0, rezonansowego prze-5*f0, 6*f0,... , a przynajmniej harmo-biegiem odkształconym

niczne nieparzyste. Obwód LC ma

należy rozumieć jako

częstotliwość rezonansową N*f0,

pobudzanie go jedno-

przy czym zazwyczaj wykorzystu-

cześnie wszystkimi

je się nieparzyste harmoniczne. Po składowymi sinusoi- Rys. 80

prostu obwód rezonansowy prze-

dami. Oczywiście jak



puszcza konkretną harmoniczną o

Rys. 81

wskazują rysunki 61 i

�śswojej” częstotliwości, a pozostałe 66, obwód ten będzie reagował głów-obwód rezonansowy

tłumi. Idea jest bardzo prosta, ale o czêstotliwoœci

nie na składniki o częstotliwościach N*

N f

* 0

czym wyższa harmoniczna, tym jej

bliskich częstotliwości rezonansowej f0.

zawartość w odkształconym prze-

Te składniki przepuści, a pozostałe sil-biegu jest mniejsza, dlatego w ten nie stłumi. W efekcie na wyjściu poja-sposób uzyskuje się częstotliwości wią się wszystkie te składniki wejścio-3f0, 5f0, rzadko 7f0. W sumie takie we, ale stłumione w różnym stopniu, Rys. 82

powielanie okazuje się znacznie



niektóre bardzo silnie.

przebieg

trudniejsze od zwykłego �śczysz-

o czêstotliwoœci

Właśnie obwody rezonansowe o dużej odkszta�łcony N

wyjściowy jest czystszą czenia” z rysunku 80. Rysunek 82 ilustruje

*f

* 0

dobroci, pracujące w roli filtrów, pozwa-przebieg

sinusoidą.

problem uzyskania, a ściślej odfiltrowania har-o czêstotliwoœci

lają udowodnić prawdziwość twierdze-f0

f

Rysunek 80 ilustruje monicznej o częstotliwości 7f0. Z przebiegu pro-nia Fouriera. Ale nie wpadnij przypadkiem na skuteczność �śczyszczenia” przebiegu prosto-stokątnego o częstotliwości f=10kHz chcemy pomysł, że obwód rezonansowy może zmienić kątnego o częstotliwości f0, w zależności od wyłowić tylko siódmą harmoniczną (70kHz) za częstotliwość przebiegu, żeby �śpodciągnąć ją wypadkowej dobroci obwodu RLC. Górne pomocą obwodu LC nastrojonego właśnie na te bliżej częstotliwości f0”. Nie, zmiana częstotli-przebiegi pokazują napięcie na obwodzie rezo-70kHz Przy bardzo dużej dobroci obwodu LC

wości nie jest możliwa. Obwód rezonansowy po nansowym o bardzo kiepskiej dobroci Q = 1.

nie byłoby żadnego problemu i na wyjściu uzy-prostu w różnym stopniu stłumi poszczególne Widać wyraźnie, że przebieg jest odkształ-

skalibyśmy piękną sinusoidę 70kHz – w górnej składowe (harmoniczne) sygnału wejściowego.

cony i daleko mu do sinusoidy. Przy dobroci części rysunku 82 pokazany jest prostokątny Przyjrzyjmy się temu nieco bliżej.

Q = 3 jest znacznie lepiej, ale też jeszcze przebieg wejściowy o częstotliwości 10kHz i Przebieg z rysunku 79 ma częstotliwość widać zniekształcenia sinusoidy w chwilach, �śwyciągnięty z niego” sinusoidalny przebieg w zbliżoną do częstotliwości f0 obwodu rezo-gdy w czyszczonym przebiegu prostokątnym obwodzie rezonansowym 70kHz o dobroci Q =



nansowego, na który zostanie podany. Wtedy występują zbocza. Przy dobroci Q = 10 takich 1000. Ale jeśli dobroć obwodu rezonansowego wyższe harmoniczne zostaną stłumione i zniekształceń już prawie nie widać. Jednak byłaby mniejsza, to najbliższe niepożądane har-przebieg wyjściowy będzie przypominał sinu-dopiero przy jeszcze większej dobroci przebieg moniczne nie będą dostatecznie tłumione i prze-soidę o częstotliwości bliskiej f0, ale nieco wyjściowy byłby sinusoidą o znikomych znie-bieg wyjściowy nie będzie już czystą, regularną zniekształconą przez obecność nie do końca kształceniach.

sinusoidą o częstotliwości 70kHz, jak pokazują stłumionych składników o innych często-Ale nie zawsze częstotliwość odkształco-pozostałe przebiegi na rysunku 82.

tliwościach. Nic więc dziwnego, że obwo-nego przebiegu wejściowego jest zbliżona do Podane tu informacje tylko w ogólnym zary-dy rezonansowe często służą do zamiany częstotliwości f0. Jeśli byłaby dużo większa, sie przedstawiają możliwości i problemy związa-przebiegu prostokątnego, lub nawet krótkich to wszystkie jego składowe harmoniczne będą ne z wykorzystaniem obwodów rezonansowych impulsów, na przebieg sinusoidalny. Może odległe od częstotliwości rezonansowej i obwód w roli filtrów. Jednak obecnie filtry realizuje się to być prosty układ, jak na rysunku 72b, z LC wszystkie silnie stłumi – praktycznie nie w inny sposób albo za pomocą wzmacniaczy obwodem rezonansowym o częstotliwości f0, zareaguje na taki sygnał. Inaczej będzie, jeśli operacyjnych, albo metodami cyfrowymi, dlaterównej częstotliwości sygnału wejściowego. odkształcony przebieg będzie miał częstotli-go nie będziemy zagłębiać się w problematykę Po prostu obwód LC tłumi wyższe harmo-wość mniejszą od f0. Wtedy wszystko zależy filtrów LC. A w następnych odcinkach cyklu niczne. Oczywiście czym większa dobroć Q, od zawartości harmonicznych. Jeśli tylko ten zajmiemy się transformatorami.

tym skuteczniejsze to czyszczenie i sygnał odkształcony przebieg będzie zawierał harmo-Piotr Górecki

Elektronika dla Wszystkich

Czerwiec 2010

33

worldmags & avaxhome