UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRÓNICA LABORATORIO DE CIRCUITOS II PRÁCTICA N 5 "GENERADORES DE SEÑAL"

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1 UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRÓNICA LABORATORIO DE CIRCUITOS II PRÁCTICA N 5 "GENERADORES DE SEÑAL" OBJETIVOS: Conocer el funcionamiento de circuitos no lineales. Manejar la hoja de características de integrados, comúnmente usados en electrónica. Implementar generadores de señales imprescindibles en el diseño electrónico. Determinar la importancia del generadores para el análisis en frecuencia de los circuitos eléctricos. MARCO TEORICO: GENERADORES DE ONDAS Uno de los equipos imprescindibles en un laboratorio para analizar el comportamiento de circuitos, tanto analógicos como digitales, es el generador de ondas. Las características que debe cumplir un generador de ondas están determinadas por una serie de condiciones que limitan, en gran medida, su modo de funcionamiento. Debido a la gran cantidad de posibles aplicaciones en las que resulta interesante el uso de estos equipos, éstos deben ser muy versátiles, con varias formas de onda y amplitud variable a la salida. Además, la frecuencia y amplitud de salida deben ser lo más estable posible, especialmente en lo referente a la temperatura que alcance el equipo. Las ondas de salida típicas que ofrece un generador de funciones son: Senoidal. Imprescindible, por ejemplo, en el análisis del ancho de banda de amplificadores y para verificar el comportamiento de filtros. Para ello, la salida que genere el instrumento debe tener una baja distorsión en todo el rango de funcionamiento del equipo. Cuadrada. Interesante para el análisis de circuitos digitales o para determinar los tiempos de subida y bajada de un determinado sistema. En estos casos, puede resultar útil disponer de un generador de onda cuadrada en el que se pueda variar el duty cycle o la simetría entre los pulsos de encendido y apagado de la onda. Triangular. Util para generar señales linealmente variables con el tiempo.

2 El rango de funcionamiento del generador no suele superar los pocos MHz. Un rango más elevado implicaría un coste excesivo del equipo (aparecen, entonces, los denominados generadores de RF). El generador de ondas puede considerarse como un sistema formado por tres bloques independientes: 1. Fuente de alimentación. Consta de un transformador reductor (que a partir de los 110v de la red extrae una tensión menor y más fácilmente manejable en el secundario), un rectificador (que convierte la tensión AC en DC pulsante), un filtro paso bajo (que limita la componente de AC que llega a la entrada del siguiente elemento) y un regulador serie (elemento que fija una tensión DC a su salida, independientemente de las variaciones de la tensión a su entrada y de la carga que suministra el circuito). 2. Oscilador. Circuito capaz de mantener una señal periódica a la salida mediante la conversión de potencia continua en alterna debido al empleo de un amplificador de alta ganancia cuya salida es realimentada a la entrada. Cuando se realimenta la entrada de un amplificador con una parte (b) de la salida, se consigue una nueva ganancia entre la salida y entrada del circuito (Anew) que se relaciona con la ganancia antigua (en bucle abierto, A) por la expresión: Anew = A/(1-A*b). Si (1-A*b) = 0, la ganancia del sistema realimentado es infinita (comportamiento oscilante con saturación). El oscilador es un sistema realimentado con ganancia infinita que tiene que cumplir las condiciones conocidas como criterios de oscilación de Barkhausen (es necesaria la existencia de una perturbación inicial a la entrada, que dará lugar a una oscilación que se mantiene indefinidamente de una amplitud que depende de la de la perturbación, siendo la frecuencia de la señal la que hace que el módulo de la expresión (1-A*b) sea cero y el desfase 0º ó 360º). Este funcionamiento se denomina oscilador ideal y, en la práctica, no es posible. En la práctica, en el oscilador real, la frecuencia de oscilación es la que produce desfase nulo con realimentación positiva, condiciones en las que la perturbación genera oscilaciones crecientes hasta que satura el amplificador y la ganancia A*b disminuye hasta acercarse a la unidad. La frecuencia de oscilación no se corresponde, exactamente, con el ángulo de desfase cero del amplificador no saturado aunque se acerca mucho a ese valor y, además, la amplitud no depende de la perturbación inicial sino que depende de la saturación del amplificador. Los osciladores senoidales son, fundamentalmente, de dos tipos:

3 Osciladores de redes desfasadas. Constan de una red que genera el desfase requerido (0º ó 360º) mediante resistencias y condensadores. Dentro de este tipo, los más comunes son los osciladores R-C, los de puente de Wien y los de T puenteada. Osciladores de circuitos resonantes. Se conocen como osciladores L-C por estar constituídos por un circuito tanque de condensador e inductancia. La frecuencia de oscilación es la que genera un desfase nulo, muy parecida a la de resonancia del conjunto. Dentro de este tipo se distinguen otros dos, unos denominados osciladores de acoplo inductivo (sintonizados en drenador o puerta para transistores FET y en colector o base en transistores bipolares) y los que no tienen acoplo inductivo (Colpitts, Harley, Clapp y los de cristal de cuarzo). 3. Amplificador. Consigue la ganancia necesaria, tanto en corriente como en tensión, como para obtener la salida del generador. Normalmente, esta salida se encuentra protegida frente a cortocircuitos (para evitar su destrucción si es mal manipulado) y, además, debe tener un ancho de banda suficiente como para amplificar y mantener constante, sin distorsionar, la salida en todo el rango de frecuencia del instrumento. Debe tener una elevada impedancia de entrada (para no cargar al oscilador) y una baja impedancia de salida. Oscilador Astable Simétrico El astable simétrico es un generador de señal cuadrada. Cuando es circuito se acciona, el offset natural del dispositivo sirve como arranque automático de tensión. La tensión de salida va a ser positiva o negativa, y la realimentación también lo será a través de R2 y R1, llevando la salida a saturarse. Si el nivel de salida Vo es alto, entonces el condensador se cargará a través de R3 hasta que el nivel de tensión en la entrada (-) exceda el de la entrada no inversora. En ese preciso instante, la salida se conmutará a la polaridad contraria, y el condensador entonces se

4 descargará y cargará hasta que de nuevo alcance el nivel de la entrada no inversora, continuando la oscilación. Como los niveles de salida positivos y negativos son de la misma duración, resultarán semiciclos del 50% del tiempo completo: el periodo T será: T R2 = 2xCxR3x ln 1 + R1 Oscilador Puente De Wien El esquema de la figura 1 describe el oscilador de Wien, el cual es un generador de onda senoidal, y en donde se debe cumplir que : R2 = 2 R1 RaCa = RbCb La primera condición asegura la forma senoidal de la señal de salida, mientras la segunda hace que el voltaje de entrada este en fase con el voltaje de salida. (Condiciones de Barkhausen) Figura 1. La frecuencia de oscilación esta dada por: 1 f = 2πRC

5 PRACTICA: Grupo: Día: Hora: Profesor: NOMBRES: Los resultados de la práctica deberán ser consignados en las hojas siguientes, y en el correspondiente espacio dejado para tal fin. Estas hojas se entregarán en el mismo momento en que se finaliza la práctica. COMPONENTES CANTIDAD DESCRIPCIÓN 1 Board (pequeño) 4 Caimanes 2 Condensadores de 10uF 2 Condensadores de 1uF 2 Condensadores de 100nF 2 Resistencias de 330 Ohm 2 Resistencias de 636 Ohm 2 Resistencias de 11.78k Ohm 2 Resistencias de 47k Ohm 2 Resistencias de 100k Ohm 1 Potenciómetro [50k Ohm] 1 Potenciómetro [10k] 1 Potenciómetro [1k] 2 Díodo 2 LED (1 Verde y 1 Rojo) 1 CI LM555 (Las hojas de especificaciones se encuentran en la página) 1 CI LM353 Alambre telefónico. (para conexión de componentes) 1 Software simulación 555 (Descargar de la página) Los circuitos que se presentan a continuación, deberán ser implementados, por parte del estudiante, con anterioridad a la práctica.

6 1. Generador de Onda Cuadrada. (Astable Simétrico) Figura 2. La frecuencia de la señal de salida esta dada por: f 1.44 = ( R1 + 2R2)C en donde R1: Tendrá valor de 330 Ohm R2: Será el valor del potenciómetro. a. Cual es el voltaje máximo de polarización, con que se puede operar el LM555? Vcc=. b. Determine el valor de R2 para obtener una frecuencia f = 3 Hz. R2= c. Cual es la frecuencia de oscilación real medida? f = d. Bosqueje la señal de salida, y marque las características importantes (Valores de voltaje y frecuencias).

7 e. Cambie el valor del capacitor, y responda : C =. R2 Frecuencia Realice un tabla R2 vs f con 5 valores de R2 diferentes. f. Haga R1 = 100k Ohm y comente los resultados: g. Conclusiones: 2. Generador de Onda Senoidal Figura 3.

8 a. Cual es el valor máximo de voltaje diferencial en la polarización que permite el LF353? V =. b. Cual es la frecuencia de oscilación de la señal de salida? f = c. Cual es el rango del potenciómetro que genera una señal senoidal?? Valor Potenciómetro Frecuencia Valor mínimo Valor máximo d. Bosqueje la señal de salida, y marque las características importantes (Valores de voltaje y frecuencias) para un valor dentro del rango determinado en el punto anterior. e. Cambie la relación R2/R1 de tal manera que R2/R1>>2. Que observa?? f. Conclusiones: