Gliwice 17.III.2000

Laboratorium z elektroniki

Temat: Układy przekształcające

Wydział elektryczny kierunek elektrotechnika

Sejm IV studia magisterskie Gr II sekcja VI

Artur Koczot

Tomasz Kazula

Mariusz Kulawik

Adam Świda

1. Wprowadzenie.

Celem ćwiczenia je zapoznanie się z układami zwanymi przekształcającymi, które zmieniają kształt przebiegu czasowego sygnału x(t) na sygnał y(t) według określonej zależności funkcyjnej.

W tym ćwiczeniu zajmowaliśmy się układami statycznymi, których zadaniem jest uformowanie kształtów, np. ustalenie amplitudy, polaryzacji. Są to układy zawierające zawierające w swej strukturze zwykłe diody lub diody zenera. Również badaliśmy układy dynamiczne takie jak całkujące i różniczkujące, czyli układy przekształcające sygnał wejściowy x(t) na wielkość proporcjonalną odpowiednio do całki lub pochodnej tego sygnału względem czasu.

2) Układy ograniczające jednostronnie.

Układy zostały zasilone napięciem sinusoidalnym o amplitudzie 12V

1. układ ograniczający jednostronnie z diodą zenera,

U_P=0,8V U_Z=4,3V

Charakterystyki przejściowe są przedstawione na rysunkach 1, 2.

2. układ ograniczający jednostronnie z diodą prostowniczą,

U_P=0,7V U₁=0V U₂=4V U₃=5.8V U_P=0,7V U₁=0V U₂=-2V U₃=-3,4V

Napięcie odcięcia z obliczeń:

U₀₁= U_P + U₁=0,7+0 = 0,7V U₀₁= U₁-U_P=0-0,7 = -0,7V

U₀₂= U_P + U₂=0,7+4 = 4,7V U₀₂= U₁-U_P =-2-0,7 = -2,7V

U₀₃= U_P + U₃=0,7+5,8 = 6,5V U₀₃= U₁-U_P =-3,4-0,7 = -4,4V

Napięcia odczytane z oscyloskopu:

U₀₁= 0,7V U₀₁= -0,7V

U₀₂= 5V U₀₂= -3,2V

U₀₃= 7V U₀₃= -4,4V

2. Układ całkujący.

Układ badany dla trzech częstotliwości:

f=1000Hz,

f_P=1600Hz,

f=16000Hz

gdzie: τ=RC

Rzeczywisty układ całkujący zbliża się do układu idealnego gdy |sτ|>>1, czyli pracuje poprawnie gdy zmiany sygnały wejściowego zachodzą z częstotliwością większą niż graniczna układu, czyli

gdzie: τ=RC

3. Układ różniczkujący.

Układ badany dla trzech częstotliwości:

f=1000Hz,

f_P=1600Hz,

f=16000Hz

gdzie: τ=RC

Rzeczywisty układ różniczkujący zbliża się do układu idealnego gdy |sτ|<<1, czyli pracuje poprawnie gdy zmiany sygnały wejściowego zachodzą z częstotliwością mniejszą niż graniczna układu, czyli

gdzie: τ=RC

4. Wnioski.

Badając układy ograniczające diodowe zauważyliśmy, że zasilając taki układ napięciem sinusoidalnym na wyjściu otrzymujemy sygnał znacznie odbiegający kształtem od pierwotnego, tzn. szczyty sygnału wejściowego zostały obcięte. Kształt sygnału wyjściowego jest uzależniona od zastosowanych diod w układzie i od tego czy z diodą jest połączone szeregowo źródło napięcia. W naszym ćwiczeniu wykorzystaliśmy diodę zenera i prostowniczą.

Przy diodzie zenera zauważyliśmy, że jeśli dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia to sinusoida zostaje obcięta na poziomie napięcia przewodzenia diody (w naszym ćwiczeniu 0,8V), czyli dla napięć wejściowych większych od 0,8V napięcie na wyjściu ma stały potencjał równy 0,8V. Gdy dioda jest spolaryzowana w kierunku zaporowym, to do napięcia zenera na wyjście zostaje przeniesione napięcie wejściowe (dioda stanowi przerwę) , a po przekroczeniu tego napięcia dioda zaczyna stabilizować, czyli na wyjściu układu otrzymamy napięcie równe napięciu zenera. Odpowiednio łącząc diodę można w ten sposób ścinać górną i dolną połówkę sinusoidy (rys 1, 2).

Łącząc dwie diody równolegle przeciwsobnie otrzymujemy ogranicznik dwustonny, i jeśli diody mają takie same parametry to jest ogranicznik symetryczny, który obcina nam sygnał wejściowy na poziomach wartości napięć progowych diod. Czyli otrzymujemy falę prostokątną o amplitudzie U_p.

Przy diodzie prostowniczej jest nieco inaczej, ponieważ polaryzując ją w kierunku zaporowym, na wyjście jest przenoszone napięcie wejściowe bez żadnych jego zniekształceń. Dopiero kiedy spolaryzujemy ją w kierunku przewodzenia to dioda obcina nam sygnał wejściowy przy osiągnięciu przez niego wartości napięcia przewodzenia diody i na wyjściu otrzymujemy stały poziom napięcia równy właśnie napięciu progowemu diody. Czyli w takim przypadku wycinamy jedna połówkę sinusoidy. Jeśli do diody przyłączymy szeregowo źródło napięciowe to przy polaryzacji diody w kierunku zaporowym mamy podobną sytuacje jak w poprzednim przypadku, czyli sygnał wejściowy jest przenoszony bez zniekształceń. Natomiast przy polaryzacji w kierunku przewodzenia sygnał wejściowy zostaje obcięty na poziomie osiągnięcia wartości równej sumie napięcia progowego diody i wartości źródła. Czyli w ten sposób możemy uzyskać na wyjściu przebieg wejściowy jeśli wartość źródła będzie równa U_m-U_P, lub jedną połówkę obciętą przy czym wysokość obcięcia zależy od wartości źródła. Im mniejsza wartość tym więcej obcinamy.

Podobnie jak w układach z diodami zenera możemy obcinać dolną lub górną połówkę przebiegu wejściowego.

Ogólnie układy ograniczające można stosować jako zabezpieczenia wejść różnych obwodów, które wymagają określonego napięcia wejściowego i nie są odporne na chwilowe wzrosty napięcia wejściowego np. do zabezpieczenia wejścia układów CMOS.

Jako układ całkujący wykorzystaliśmy filtr dolnoprzepustowy z rezystancją R w gałęzi podłużnej i pojemnością C w gałęzi poprzecznej. Układ ten zasililiśmy napięciem o przebiegu prostokątnym o trzech wartościach częstotliwości. Im większa częstotliwość przebiegu wejściowego to sygnał wejściowy coraz bardziej przypomina kształt piły. Przy częstotliwości dużo większej od częstotliwości granicznej na wyjściu otrzymujemy przebieg piłowy przedstawiony na charakterystyce. Czyli układ wtedy pracuje jako układ całkujący. Nasuwa się wniosek, że przy dużych częstotliwościach co najmniej o rząd większych jest spełniony warunek całkowania. Czas całkowania musi być mniejszy od stałej czasowej wynikającej z zastosowanych elementów. Co widać na charakterystykach. Układ całkujący można wykorzystać jako układ opóźniający sygnał wejściowy, co jest często wykorzystywane w sterowaniu układów cyfrowych, lub do otrzymania przebiegu piłowego z prostokątnego, co nam pozwala otrzymać bardzo prosty generator funkcyjny z jednego prostego generatora fali prostokątnej np. multiwibratora.

Jako układ różniczkujący również zastosowaliśmy filtr ale górno przepustowy o takich samych wartościach elementów, wiec częstotliwość graniczna jest taka sama. Podobnie jak układ całkujący zasililiśmy go napięciem o przebiegu prostokątnym, również o trzech wartościach częstotliwości. Zauważyliśmy, że im mniejsza częstotliwość to na wyjściu otrzymaliśmy impulsy zbliżone do impulsów Diraca. Przy wzroście częstotliwości, na wyjściu otrzymujemy impulsy wydłużone o łagodnych zboczach opadania, a przy częstotliwości o co najmniej rząd większej kondensator nie zdąża się całkowicie rozładować i na wyjściu otrzymujemy przebieg bardzo zbliżony do wejściowego.

Układ różniczkujący możemy więc wykorzystać do generacji szpilek. Układ ten również stosujemy w układach cyfrowych do generacji krótkich impulsów, które można wykorzystać jako układ zerujący liczniki, przerzutniki, itp.

---