OSCILADOR DE RELAJACIÓN

Transcripción

1 Electrónica II. Guía 7 1 Facultad: Ingeniería. Escuela: Electrónica. Asignatura: Electrónica II. Lugar de ejecución: Fundamentos Generales (Edificio 3, 2da planta). OSCILADOR DE RELAJACIÓN Objetivos específicos Examinar el efecto de la retroalimentación positiva en el circuito disparador regenerativo. Observar las forma de onda de un generador de onda cuadrada controlado por voltaje (VCO) basado en un oscilador de relajación Medir la frecuencia de oscilación del circuito VCO Observar como se modifica la frecuencia al aplicar un voltaje externo al VCO basado en un oscilador de relajación. Introducción Teórica Comparadores Los amplificadores operacionales utilizados en circuitos comparadores operan en lazo abierto, lo que significa que tensiones de señal de entrada muy pequeñas llevaran al amplificador a la saturación positiva o negativa. La desventaja es que el ruido presente en las señales comunes puede producir tensiones de salida falsas. Estos saltos indeseados a la saturación positiva y negativa pueden ser evitados utilizando REALIMENTACIÓN POSITIVA en el circuito, como se muestra en la figura 7.1(a). La tensión de realimentación es la tensión a través del resistor R2, y su valor es determinado por la división de tensión: vfb=± R 2 R 1 R 2 V SAT Esta tensión es aplicada a la entrada no inversora del amplificador operacional y mantiene la salida en saturación positiva. Si la tensión de entrada del amplificador operacional es una forma de onda de tensión triangular, como se muestra en la figura 7.1 (b) Al comienzo la tensión de realimentación es mayor que la tensión de entrada, y la salida es mantenida en saturación positiva. Cuando la forma de onda triangular de entrada se

2 2 Electrónica II. Guía 7 hace mayor que Vfb, la cual esta dibujada con línea punteada y marcada VHL, la salida salta a la saturación negativa, como se muestra en la figura 7.1(c) La salida permanecerá en saturación negativa mientras la onda triangular disminuye hasta cero, y luego pasa a la región negativa. No puede causar que la salida salte a la saturación positiva hasta que la forma de onda triangular de entrada se haga mas negativa que las tensiones de realimentación en la línea punteada que esta marcada VLH. La salida salta de alta a baja en VHL y de baja a alta en VLH, en lugar del punto de cruce por cero de la forma de onda de entrada (como seria el caso que no hubiese realimentación). Figura 7.1 Este retardo respecto a los cambios usuales es denominado HISTERESIS Si se grafica en X la entrada del circuito y en Y la salida se obtiene la curva de histéresis (ver figura 7.2), la tensión de histéresis (VH) es la diferencia entre VHL y VLH Oscilador de Relajación Figura 7.2 Un Oscilador Controlado por Voltaje (VCO) es un tipo de oscilador en el cual la frecuencia de oscilación es proporcional a un voltaje que se le aplica al circuito de manera externa.

3 Electrónica II. Guía 7 3 Hay diferentes formas de lograr este efecto, en esta práctica se estudiará un circuito basado en el OSCILADOR DE RELAJACIÓN que se muestra en la figura 7.3(a). El sistema cuenta con dos retroalimentaciones, el voltaje no inversor (V+) se obtiene a través del divisor de tensión que se establece entre R1 y R2, el voltaje inversor (V-) se genera en un capacitor que es parte del circuito RC. Figura 7.3 Si se parte de una situación en que el amplificador está en saturación positiva, se puede afirmar que V+ estará dada por el valor del divisor, mientras V- estará dado por la curva de carga del capacitor afectada por la constante RC del mismo. En algún momento V- superará a V+ con lo que hará que la salida se vuelva negativa y por ende también V+, lo que produce la descarga del capacitor. El proceso continuará hasta que V+ sea mayor que V-, reiniciando la carga del capacitor, entrando en un ciclo y generando una onda cuadrada a la salida (ver figuras 7.3(b) y 7.3(c)). Si se aplica un voltaje externo entre los resistores R1 y R2 se puede cambiar la frecuencia de oscilación y esto es precisamente lo que se hará en esta práctica de laboratorio. Para el circuito de la figura 7.3 (a) la frecuencia se obtiene de la siguiente fórmula: f = 1 2R F C ln R 1 2 R 2 R 1 En el caso del circuito que se implementará en la práctica (figura 7.8) la fórmula queda de la siguiente forma: f = 1 2R 12 C 4 ln R 13 2 R 9 R 10 R 13

4 4 Electrónica II. Guía 7 Si se elige R13 = (0.86) (R9 // R10), la frecuencia será: Valores de los elementos: f = 1 2R 12 C 4 R9 = R10 = R12 = 22KΩ, R13 = 47KΩ y C4=10nF Materiales y equipo 1 Unidad PU-2000 con Unidad PU Tarjeta EB Multímetro 1 Osciloscopio de doble trazo 2 Cables conectores para el multímetro. 2 Cables conectores para el osciloscopio. 2 Cables conectores para la tarjeta EB. 3 Puentes para la tarjeta EB. Procedimiento COMPARADOR SCHMITT O REGENERATIVO 1. Verifique que la fuente PS-1 está ajustada al valor mínimo 2. En la placa EB 122 ubique el circuito que contiene al circuito integrado U3. Cuál es el código que identifica a U3? 3. Observe el diagrama impreso en la placa y ubique el resistor R15. Cuál es su valor ohmico? Qué función cumple en el circuito? 4. Ensamble el circuito que se muestra en la figura 7.4. (recuerde que PS-1 debe estar al mínimo). 5. En estas condiciones mida el voltaje en la terminal no inversora del amplificador operacional (esta será la señal de entrada): V(+) = V 6. Mida el voltaje en la salida y en el terminal inversor: Vsal = V V(-) = V

5 Electrónica II. Guía 7 5 Figura 7.4 Circuito comparador regenerativo 7. Aumente lentamente el voltaje de entrada (PS-1) mientras observe el voltaje de salida. Deténgase en el momento en que se de un cambio brusco en la salida. Cuáles son los nuevos valores del voltaje de salida y del terminal inversor? Vsal = V V(-) = V Cuál es el valor de entrada (PS-1) que causó el cambio? V(+)= V 8. Continue incrementando el valor de la entrada hasta llegar aproximadamente a 5.0 V. Observó algún nuevo cambio en el voltaje de salida? 9. Ahora reduzca lentamente la tensión de entrada con el potenciómetro del PS-1, teniendo especial cuidad de observar si se dan cambios en la salida cuando el voltaje de entrada cruza el valor V(+) medido en el paso 7. En el momento del cruce se dio algún cambio brusco en la salida? 10.Continúe reduciendo el voltaje de entrada hasta que se de un cambio brusco en la salida y anote el nuevo valor V sal (+) = V 11. También anote los valores del terminal inversor y de la entrada que causó el cambio en la salida. V(-) = V V(+) = V 12. Con esta información trace un borrador del gráfico de histéresis.

6 6 Electrónica II. Guía Desconecte el puente que conecta a PS-1 con el circuito. 14.Ajuste el generador de señales a 5Vp-p de onda triangular con frecuencia de 1kHz. Ajuste el offset del generador a +2.5V 15.Modifique el circuito como el que se muestra en la figura 7.5 Figura 7.5 Circuito comparador regenerativo modificado 16.Conecte el canal 2 del osciloscopio para ver la señal de entrada (Generador de funciones) y el canal 1 a la salida del circuito (Vsal). 17.Dibuje la forma de onda de Ven y Vsal en la figura 7.6, tomando nota de los siguientes datos: Valores de voltaje máximos y mínimos de las señales. Valores de la señal de entrada que causal los cambios en la salida. Tiempo que la señal de salida se mantiene un nivel bajo y alto. Volt/Div: Volt/Div: mseg/div: Figura 7.6. Voltajes de entrada y salida de Schmitt trigger.

7 Electrónica II. Guía Coloque al osciloscopio en el modo X-Y para observar la Característica de Transferencia de Voltaje (VTC). 19.Ajuste adecuadamente la imagen en el osciloscopio (como lo hizo en la práctica #3) y dibuje la imagen en la figura 7.7 Volt/Div: Volt/Div: Figura 7.7 VTC del Schmitt trigger. 20. Desconecte el resistor R13 y conecte en su lugar el resistor R14 (que es mayor que R13). Describa los cambios que observa en la imagen 21. Apague el PU EL OSCILADOR CONTROLADO POR VOLTAJE. 22. Desensamble el circuito anterior. 23.Ajuste la fuente PS-1 a 0 Voltios y ensamble el circuito de la figura Utilizando el osciloscopio observe las señales en la salida y en el capacitor C4 NOTA: UTILICE EL ACOPLE DE DC. 25.Dibuje las señales en la figura Determine el valor de la frecuencia de oscilación: (F)osc =

8 8 Electrónica II. Guía 7 Figura 7.8. Oscilador de relajación con Disparador Schmitt Figura 7.9. Señales observadas en el oscilador. 27.Comience a aumentar PS-1, observando las variaciones de frecuencia presentes en el oscilador hasta que la forma de onda en el osciloscopio ya no oscile. Reduzca un poco el valor de PS-1 para que se reinicien las oscilaciones y anote ese valor critico de frecuencia y el voltaje que lo causa (F)osc = (critica) V PS-1 = v

9 Electrónica II. Guía A partir de este último valor y en decrementos de 0.5V tome nota de la frecuencia de oscilación y el voltaje de PS-1 hasta llegar a cero. Escriba sus resultados en la Tabla 8.1 V(PS-1) Frecuencia Tabla Apague y desconecte el equipo. Análisis de Resultados 1. Qué ocurriría se por error no se conecta R15 en el circuito? 2. Determine el valor de VHL, VLH y VH. Nota en la clase estos parámetros se identifican como VTH, VTL y V 3. Tomando como base el paso 20 del procedimiento cómo afecta el valor de los resistores de retroalimentación al funcionamiento del circuito? 4. Grafique los resultados que obtuvo en la tabla Determine una relación lineal entre la frecuencia de salida del oscilador y el voltaje en PS Concuerda el valor de la frecuencia (con PS-1 =0) con el obtenido con la formula de la introducción teórica? Bibliografía Boylestad, Robert, Electrónica : Teoría de Circuitos y dispositivos electrónicos PRENTICE HALL, 2003 Edición: 8a. Clasificación: B Horenstein, Mark, Microelectrónica : Circuitos y Dispositivos PRENTICE HALL, 1997 Edición: 1a. Clasificación: H Millman, J, Microelectrónica MCGRAW HILL, Edición: 1a Biblioteca UDB M658 s.f Hoja de cotejo: 7

10 10 Electrónica II. Guía 7 Guía 7: Oscilador de Relajación Alumno: Puesto No: Docente: GL: Fecha: CONOCIMIENTO APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO ACTITUD EVALUACION % Nota TOTAL 100 Conocimiento deficiente de los siguientes fundamentos teóricos: -Histéresis. -Funcionamiento del oscilador controlado por voltaje (VCO). -funcionamiento del comparador Schmitt o regenerativo. Cumple sólo con uno de los siguientes criterios: -Obtiene la frecuencia de oscilación del VCO. -Identifica el efecto del valor de los resistores de retroalimentación en las características de transferencia en el comparador regenerativo. -Determina la relación lineal entre la frecuencia de oscilación y el voltaje aplicado al VCO. Es un observador pasivo. Es ordenado pero no hace un uso adecuado de los Recursos Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos Cumple con dos de los criterios. Participa ocasionalmente o lo hace constantemente pero sin coordinarse con su compañero. Hace un uso adecuado de los recursos respetando las pautas de seguridad, pero es desordenado Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos Cumple con los tres criterios. Participa propositiva e integralmente en toda la práctica. Hace un manejo responsable y adecuado de los recursos de acuerdo a pautas de seguridad e Higiene