POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT TELEKOMUNIKACJI I AKUSTYKI	Sprawozdanie z ćwiczenia Nr 8.
LABORATORIUM UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH	Generatory VCO
		Ocena:

Cel ćwiczenia.

Zapoznanie się z parametrami i właściwościami generatorów VCO.

I. Układ Pomiarowy.

Układ pomiarowy składał się z:

- panelu laboratoryjnego z wymiennymi układami generatorów,

- zasilacza stabilizowanego typu 5353,

- woltomierzy: V640, Metex M-3610,

- oscyloskopu DT 525 A

- częstościomierza PFL-23.

Na oscyloskopie obserwowano przebiegi wyjściowe pobierane z wyjść WYJŚCIE 1 i WYJŚCIE 2 panelu laboratoryjnego. Woltomierzy używano do pomiaru napięcia sterującego U_ster i napięcia wyjściowego U_wy1 . Panel laboratoryjny umożliwiał wymianę płytek drukowanych zawierających poszczególne układy generatorów (generatora VCO, generatora LC przestrajanego diodą pojemnościową i generatora funkcyjnego), dzięki czemu można było korzystać z tego samego kompletu zacisków, regulatorów i zasilania.

II. Generator VCO.

Badany przez nas generator VCO składał się z następujących bloków funkcyjnych:

- źródła prądowego sterowanego napięciem U_ster ,

- klucza prądowego zbudowanego na podstawie układu scalonego UL 1111,

- układu ULY 7855 zawierającego komparator okienkowy napięcia oraz układy sterowania kluczem prądowym i kształtowania prostokątnych impulsów wyjściowych.

Charakterystyka I_Z = f (U_ster).

W gnieździe, w którym zwykle umieszczony jest kondensator zainstalowano rezystor wzorcowy R_w = 1000.00 Ω. Dla różnych wartości rezystora umieszczonego w gnieździe R ( 510 Ω, 1 kΩ, 2kΩ) badano napięcie U_wy1­ przy U_ster zmieniającym się od wartości minimalnej do maksymalnej. Ze schematu badanego generatora wynika, że wartość interesującego nas prądu źródła należy przeliczyć (wiedząc, że uśredniona wartość napięcia U_BE tranzystora T7 wynosi 0.61 V) wykorzystując poniższą zależność:

Dodatkowo wyliczono teoretyczne przebiegi charakterystyk dla każdego przypadku posługując się wzorem uzyskanym dzięki analizie schematu badanego układu, a przedstawionym poniżej:

Wszystkie wyniki oraz wartości uzyskane w wyniku przeliczeń matematycznych zebrano w tabeli oraz przedstawiono w postaci graficznej.

	R = 510 [Ω]			R = 1 [kΩ]			R = 2 [kΩ]
Uster	Uwy1	IZ	IZ teoret	Uwy1	IZ	IZ teoret	Uwy1	IZ	IZ teoret
[V]	[V]	[mA]	[mA]	[V]	[mA]	[mA]	[V]	[mA]	[mA]
0.45	0.1219	0.7319	0.823	0.0002	0.6102	0.45	0.0002	0.6102	0.225
1	1.130	1.74	1.96	0.000292	0.610292	1	0.0007	0.6107	0.5
2	3.04	3.65	3.92	1.26	1.87	2	0.338	0.948	1
3	4.99	5.60	5.88	2.25	2.86	3	0.823	1.433	1.5
4	6.33	6.94	7.84	3.23	3.84	4	1.318	1.928	2
5	6.33	6.94	9.80	4.18	4.79	5	1.797	2.407	2.5
6	6.33	6.94	11.76	4.64	5.25	6	2.32	2.93	3
7				4.64	5.25	7	2.82	3.43	3.5
8				4.64	5.25	8	2.90	3.51	4
9							2.90	3.51	4.5
10							2.90	3.51	5

Napięcia progowe komparatora okienkowego U_pmin i U_pmax .

W układzie skonfigurowanym podobnie, jak przy wcześniejszych pomiarach (tzn. w gnieździe C rezystor R_w = 1000.00 Ω zaś w gnieździe R rezystor 510 Ω) zmierzono kilkakrotnie wartości progowe napięcia U_wy1 ( U_pmin , U_pmax) w chwilach, gdy oscyloskop wskazywał skokową zmianę napięcia U_wy2 pobieranego z wyjścia WYJŚCIE 2. Podobnie, jak w poprzednim przypadku otrzymane wartości U_wy1 są mniejsze od rzeczywistych napięć przełączania komparatora okienkowego o wartość U_{BE (T7)} = 0.61 V. Pomiarów dokonano trzykrotnie aby uzyskane wyniki były wiarygodniejsze.

Uwy1 max	Uwy1 min	Up max	Up min
[V]	[V]	[V]	[V]
4.92	2.37
4.92	2.37	5.53	2.98
4.92	2.38

Charakterystyka przestrajania generatora f_gen = f (U_ster).

Za pomocą woltomierza badano wartość U_ster , zaś częstościomierz podłączony do wyjścia WYJŚCIE 1 mierzył częstotliwość generowanego sygnału. Pomiarów dokonano dla dwóch kondensatorów ( C1 = 100 nF i C2 = 15 nF) umieszczonych w gnieździe C i trzech rezystorów ( 510Ω, 1 kΩ, 2kΩ) - w gnieździe R, czyli zdjęto 6 osobnych charakterystyk przestrajania przy U_ster zmieniającym się od wartości minimalnej do maksymalnej. Wyniki przedstawiono w poniższej tabeli.

Uster	Częstotliwość sygnału generowanego fgen [kHz]
[V]	R = 510 [Ω]		R = 1 [kΩ]		R = 2 [kΩ]
	C =100 [nF]	C =15 [nF]	C =100 [nF]	C =15 [nF]	C =100 [nF]	C =15 [nF]
0.134	0.245	1.731	0.079	0.600
0.5	1.586	10.907	0.739	5.195	0.281	1.994
1	3.641	23.954	1.780	12.207	0.806	5.651
2	7.740	47.782	3.903	25.610	1.876	12.808
3	11.788	69.934	6.061	38.270	2.960	19.760
4	15.588	90.296	8.138	49.976	4.041	26.308
5	17.374	98.204	10.165	61.280	5.082	32.717
6	17.509	99.969	11.975	70.381	6.077	38.680
7	17.541	100.053	12.194	71.888	6.799	42.744
8			12.242	72.672	7.211	44.760
9			12.266	73.178	7.175	45.137
10					7.206	45.373
	Częstotliwość teoretyczna fgen teoret [kHz]
0.134	0.517	3.448	0.264	1.759	0.131	0.879
0.5	1.930	12.866	0.984	6.562	0.492	3.280
1	3.860	25.732	1.969	13.123	0.984	6.562
2	7.720	51.464	3.937	26.247	1.969	13.123
3	11.580	77.196	5.906	39.37	2.953	19.685
4	15.439	102.928	7.874	52.493	3.937	26.247
5	19.299	128.660	9.843	65.617	4.921	32.808
6	23.159	154.392	11.811	78.74	5.906	39.370
7	27.019	180.125	13.780	91.864	6.890	45.932
8			15.748	104.987	7.874	52.493
9			17.717	118.11	8.858	59.055
10					9.843	65.617

Analiza schematu badanego układu oraz znajomość napięć progowych U_pmax i U_pmin pozwala na wyznaczenie teoretycznej funkcji opisującej zależność częstotliwości generowanych przebiegów od napięcia sterującego f = F_teoret (U_ster ), dzięki której wyznaczono teoretyczne przebiegi zmierzonych charakterystyk, które również przedstawiono w tabeli i na wykresie oznaczając je przez T, w odróżnieniu do charakterystyk zmierzonych - oznaczonych literą P.

III. Generator LC.

W punkcie tym badano właściwości generatora LC w układzie Colpittsa, zrealizowanego na tranzystorze polowym. Zmienna pojemność diody pojemnościowej przestraja generator. Do przestrajania diody wykorzystano układ UL 1520.

Charakterystyka przestrajania generatora f_gen = f (U_ster).

Za pomocą woltomierza badano wartość U_ster , zaś częstościomierz podłączony do wyjścia WYJŚCIE 1 mierzył częstotliwość generowanego sygnału. Zdjęto 2 charakterystyki przestrajania przy U_ster zmieniającym się od wartości minimalnej do maksymalnej dla dwóch wartości U_zaś ( 6 V, 12 V). Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli. oraz na wykresie.

Uster	fgen [kHz]
[V]	Uzaś = 6 V	Uzaś = 12 V
2.5	2 462.2	2 508.0
3	2 533.1	2 523.9
4	2 653.8	2 640.3
5	2 742.9	2 733.3
6	2 810.6	2 809.2
7	2 871.1	2 870.5
8	2 928.6	2 922.7
9	2 968.9	2 968.2
10	3 009.0	3 008.3
11	3 043.6	3 044.9
12	3 075.2	3 077.9
13	3 106.5	3 107.9
14	3 132.4	3 130.6
15	3 159.8	3 161.2
16	3 183.7	3 184.9
18	3 227.6	3 227.9
20	3 264.9	3 265.9
22	3 300.2	3 290.8
24	3 331.4	3 331.0
26	3 357.0	3 358.6
28	3 383.8	3 384.3
30	3 408.1	3 408.0

IV. Generator Funkcyjny.

Badany generator funkcyjny, oparty na układzie scalonym XR 2206 f-my Exar, umożliwia wytwarzanie przebiegów sinusoidalnych, prostokątnych i trójkątnych o częstotliwościach zmieniających się w zakresie 2000:1 przy zachowaniu dużej stabilności.

Charakterystyka przestrajania generatora f_gen = f (U_ster).

Za pomocą woltomierza badano wartość U_ster , zaś częstościomierz podłączony do wyjścia WYJŚCIE 1 mierzył częstotliwość generowanego sygnału. Zdjęto charakterystykę przestrajania przy U_ster zmieniającym się od wartości minimalnej do maksymalnej. Wyniki pomiarów zebrano w tabeli oraz wykreślono na wykresie.

Uster	f
[V]	[kHz]
0.00117	0.096
0.050	0.384
0.100	0.756
0.200	1.493
0.500	3.717
1	7.399
1.5	11.077
2	15.076
2.5	18.192
2.92	21.776

Za pomocą oscyloskopu obserwowano sygnały wyjściowe o przebiegach trójkątnym, sinusoidalnym i prostokątnym. Przykładowe przebiegi przedstawiono w protokole pomiarowym. Również zauważono, że w bardzo dużym stopniu można ingerować w kształt tych przebiegów dzięki potencjometrom i przełącznikom umieszczonym w panelu laboratoryjnym.

V. Wnioski.

1. Z charakterystyki I_Z = f (U_ster) dla generatora VCO umieszczonej na str. 2 wypływają następujące wnioski:

a) Czym większa wartość rezystora R, tym większe nachylenie charakterystyki. Sytuacja taka wynika z zasady działania dzielnika napięciowego, który de facto jest tworzony przez rezystory R i R_w . Wprawdzie omawiana charakterystyka jest prądowa, a nie napięciowa, lecz rozważany prąd źródła jest wprost proporcjonalny do napięcia sterowania zgodnie ze wzorem podanym na str. 2. Dodatkowo na kształt omawianych przebiegów ma wpływ charakterystyka wyjściowa tranzystora tzn. I_C = f ( U_CE). Wszystkie powyżej przedstawione zależności objawiają się tym, że charakterystyka dotycząca rezystora R=2 kΩ osiąga wolniej wartość maksymalną dla większych wartości napięcia sterującego U_ster niż charakterystyki odpowiadające mniejszym rezystancjom, jednak ta wartość maksymalna jest mniejsza niż w przypadku pozostałych charakterystyk.

b) Jeśli porównamy charakterystyki zmierzone na fizycznie istniejącym układzie z wykresami uzyskanymi na drodze analizy teoretycznej możemy wysnuć dwojakie wnioski tzn. stwierdzić, że zastosowany wzór teoretyczny opisujący badaną zależność jest właściwy lub, że uzyskane na drodze pomiarów charakterystyki są bardzo zbliżone do przewidywań teoretycznych.

c) Czym większa wartość rezystancji R, tym zmierzone charakterystyki są bardziej zbliżone do przebiegów teoretycznych, co prowadzi do wniosku, że jeśli zależy nam na jak najdokładniejszym odwzorowaniu teoretycznej zależności powinniśmy stosować możliwie duże rezystory R.

2. Wartości napięć progowych U_{p max} i U_{p min} , jakie zmierzono należy uznać za bardzo wiarygodne, ponieważ przy trzech kolejnych próbach uzyskano tylko jedną odchyłkę od średniej rzędu 0.4 %.

3. Wykres przedstawiający zależność częstotliwości generowanego sygnału f_gen od napięcia sterowania U_ster zamieszczony na str. 4 skłania do następujących wniosków:

a) Zmierzone przebiegi w dużym stopniu pokrywają się z wykresami uzyskanymi drogą analityczną a podobieństwo jest tym większe, czym większa jest stała czasowa τ = RC.

Wzór analityczny wyprowadzono wiedząc, że przez połowę okresu kondensator ładuje się z prędkością I/C, a w tym czasie następuje zmiana napięcia o U_h oraz czas ładowania i rozładowywania kondensatora jest równy, zatem częstotliwość przeładowań wynosi:

b) Nachylenie uzyskanych przebiegów jest odwrotnie proporcjonalne do stałej czasowej τ, dlatego też jeśli zależy nam na bardzo dokładnym sterowaniu częstotliwością generowanego sygnału za pomocą napięcia sterującego powinniśmy stosować duże stałe czasowe, jednak należy pamiętać, że takie rozwiązanie w zamian za precyzję zmniejsza nam zakres przestrajanych częstotliwości w stosunku do układów z mniejszą stałą czasową.

c) Rozbieżności na początku każdej z charakterystyk pomiędzy przebiegiem zmierzonym a wyliczonym są bardziej widoczne w tabeli niż na wykresie. Fakt, iż rzeczywiste częstotliwości przyjmują wartości mniejsze od naszych oczekiwań wynika z upływności i prądów zerowych rozładowujących kondensator.

d) Natomiast rozbieżności pomiędzy przebiegiem rzeczywistym a teoretycznym dla wyższych częstotliwości wynikają stąd, że w zakresie tym praca przebiega już przy znacznie większych prądach oraz pojawiają się opóźnienia, ponieważ elementy nie przełączają się wystarczająco szybko.

4. Na str. 5 przedstawiono wyniki badań generatora LC przestrajanego za pomocą diody pojemnościowej. Generator ten wykazał się następującymi cechami:

a) Charakterystyka f_gen = f (U_ster) nazywana charakterystyką przestrajania jest nieliniowa, zatem jeżeli chcielibyśmy zastosować ten generator do demodulacji musielibyśmy się ograniczyć do pracy w zakresie, w którym charakterystyka ta jest najbardziej zbliżona do liniowej, gdyż w demodulatorach liniowość przestrajania jest bardzo istotna dla działania całego układu.

b) Obserwując wyniki pomiarów zależności częstotliwości sygnału generowanego f_gen od napięcia sterowania U_ster przy dwóch różnych napięciach zasilających układ, przy czym jedna z wartości jest dwukrotnie mniejsza od drugiej zauważyć można bardzo pozytywną cechę generatora badanego. Funkcja przestrajania jest praktycznie nieczuła na zmianę zasilania, przynajmniej w zakresie 6÷12 V.

c) Jak widać z zamieszczonych wyników układ Colpittsa generował przebiegi o częstotliwościach rzędu kilku MHz.

5. Ostatnim z badanych generatorów był generator funkcyjny oparty na układzie scalonym XR 2206 firmy Exar, dla którego wyniki pomiarów przedstawiono na str. 6. Generator ten zaprezentował się z bardzo dobrej strony.

a) Jedną z najważniejszych cech tego generatora jest liniowość, prawie idealna, przestrajania, co sprawia, że generator ten może znaleźć bardzo wiele zastosowań.

b) Omawiany generator jest bardzo uniwersalny w zastosowaniu ponieważ istnieje w nim możliwość wybierania rodzaju generowanego przebiegu (pomiędzy prostokątnym, sinusoidalnym i trójkątnym) oraz dużej ingerencji w kształt tego przebiegu za pomocą regulatorów, co sprawia że bardzo łatwo dostosować sygnał wyjściowy do potrzeb układu, który będzie go odbierał.

9

---