Function Generator

(1)

VYSOK ´

E U ˇ

CEN´I TECHNICK ´

E V BRN ˇ

E

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA INFORMA ˇ

CN´ICH TECHNOLOGI´I

´

USTAV INTELIGENTN´ICH SYST ´

EM ˚

U

FACULTY OF INFORMATION TECHNOLOGY DEPARTMENT OF INTELLIGENT SYSTEMS

FUNK ˇ

CN´I GENER ´

ATOR

BAKAL ´

A ˇ

RSK ´

A PR ´

ACE

BACHELOR’S THESIS

AUTOR PR ´

ACE

JI ˇ

R´I SU ˇ

SKA

AUTHOR

(2)

VYSOK ´

E U ˇ

CEN´I TECHNICK ´

E V BRN ˇ

E

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA INFORMA ˇ

CN´ICH TECHNOLOGI´I

´

USTAV INTELIGENTN´ICH SYST ´

EM ˚

U

FACULTY OF INFORMATION TECHNOLOGY DEPARTMENT OF INTELLIGENT SYSTEMS

FUNK ˇ

CN´I GENER ´

ATOR

FUNCTION GENERATOR

BAKAL ´

A ˇ

RSK ´

A PR ´

ACE

BACHELOR’S THESIS

AUTOR PR ´

ACE

JI ˇ

R´I SU ˇ

SKA

AUTHOR

VEDOUC´I PR ´

ACE

Doc. Ing. JI ˇ

R´I KUNOVSK ´

Y, CSc.

SUPERVISOR

(3)

Abstrakt

Tato bakaláˇrská práce se zabývá oscilátory. Je zde popsána funkce oscilátor˚u, jaké druhy existuj´ı a k ˇcemu se pouˇz´ıvaj´ı. Dále je v práci porovnáno nˇekolik druh˚u oscilátor˚u a je navrhnuto moˇzné ˇreˇsen´ı funkˇcn´ıho generátoru pro laboratoˇre IPR.

Kl´ıˇ

cov´

a slova

IPR, funkˇcn´ı generátor, oscilátor, výuka

Abstract

This bachelor’s thesis dissert on different types of oscillators, their functions and usage in everyday life. This thesis also contains comparing several types of oscillators and possible concepts for function generator whitch will be used in course IPR.

Keywords

IPR, function generator, oscillator, education

Citace

(4)

Funkˇ

cn´ı gener´

ator

Prohl´

aˇ

sen´ı

Prohlaˇsuji, ˇze jsem tuto bakaláˇrskou práci vypracoval samostatnˇe pod veden´ım pana doc. Ing. Jiˇr´ıho Kunovského CSc.

. . . . Jiˇr´ı Suˇska 12. kvˇetna 2008

c

Jiˇr´ı Suˇska, 2008.

Tato práce vznikla jako ˇskoln´ı d´ılo na Vysokém uˇcen´ı technickém v Brnˇe, Fakultˇe in-formaˇcn´ıch technologi´ı. Práce je chránˇena autorským zákonem a jej´ı uˇzit´ı bez udˇelen´ı oprávnˇen´ı autorem je nezákonné, s výjimkou zákonem definovaných pˇr´ıpad˚u.

(5)

Obsah

1 Uvod´ 2

2 Generátory periodických signál˚u 3

2.1 Oscil´ator sinusov´eho pr˚ubˇehu . . . 5

2.1.1 RC oscil´ator. . . 5

2.1.2 LC oscil´ator . . . 6

2.1.3 Oscil´atory ˇr´ızen´e krystalem . . . 9

2.2 Gener´ator pilov´eho pr˚ubˇehu . . . 10

2.3 Astabiln´ı klopn´y obvod (multivibr´ator). . . 11

3 Porovnán´ı moˇzných ˇreˇsen´ı generátor˚u 13 3.1 Generátor z klasických souˇcástek . . . 13

3.2 Obvod s mikropoˇc´ıtaˇcem a D/A pˇrevodn´ıkem . . . 14

3.3 Obvod realizovaný monolitickým integrovaným generátorem . . . 14

4 Návrh generátoru signál˚u pro laboratorn´ı cviˇcen´ı IPR 16 4.1 Modul stabilizovaného zdroje napˇet´ı . . . 16

4.2 Modul gener´atoru. . . 17

4.3 Modul line´arn´ıho zesilovaˇce . . . 18

4.4 Pˇrevodn´ık sign´alu na ´uroveˇn TTL . . . 19

4.5 Mikropoˇc´ıtaˇcov´y modul . . . 19

4.6 Zobrazovac´ı modul . . . 20

4.7 Mechanick´a konstrukce. . . 21

5 Mˇeˇr´ıc´ı zpr´ava 22

6 Z´avˇer 25

A Schématický návrh generátoru harmonických signál˚u 26

(6)

Kapitola 1

´

Uvod

Na FIT VUT jsou informaˇcn´ı technologie vyuˇcovány zp˚usobem, který zajiˇst’uje, ˇze stu-dent pozná jak základy výstavby program˚u, i jakým zp˚usobem funguje samotný poˇc´ıtaˇc z hlediska elektroniky. Výuka funkˇcnosti poˇc´ıtaˇc˚u je prob´ırána od základn´ıch poznatk˚u z elektroniky a elektrotechniky, aˇz po jednotlivé ˇcásti poˇc´ıtaˇc˚u. Základn´ı ˇcásti poˇc´ıtaˇc˚u jsou prob´ırány v pˇredmˇetu IPR1. Aby studenti z´ıskali nejen teoretický ale i základn´ı praktický pˇrehled o funkci jednotlivých prvk˚u poˇc´ıtaˇc˚u, jsou ve výuce pˇredmˇetu IPR vyuˇz´ıvány labo-ratoˇre, ve kterých si studenti zkouˇs´ı experimentáln´ı projekty, které se týkaj´ı zapojen´ı jedno-duchých elektrických obvod˚u. Protoˇze je snaha výuku v laboratoˇr´ıch uˇcinit jeˇstˇe praktiˇctˇejˇs´ı pro pochopen´ı nˇekterých elektrotechnických jev˚u, bylo zadáno nˇekolik bakaláˇrských prac´ı, které maj´ı za úkol tuto výuku rozˇs´ıˇrit. Jednou z bakaláˇrských prac´ı, které se snaˇz´ı o zvýˇsen´ı moˇznost´ı praktických ukázek, je i tato práce, zabývaj´ıc´ı se principy oscilátor˚u a návrhem generátoru periodických signál˚u.

V 2. kapitole je zm´ınˇeno, co je to generátor, podle ˇceho jsou generátory rozdˇeleny a k ˇcemu se vyuˇz´ıvaj´ı. V jednotlivých podkapitolách jsou rozvedeny r˚uzné druhy generátor˚u periodických signál˚u r˚uzných tvar˚u a na jakém principu dané generátory funguj´ı. U jed-notlivých generátoru jsou znázornˇena zapojen´ı a u nˇekterých z nich jsou uvedeny pˇribliˇzné ukázky výstup˚u.

V následuj´ıc´ı 3. kapitole se zabýváme konkrétn´ımi poˇzadavky na vlastnosti labora-torn´ıho generátoru a porovnáme tˇri moˇzná ˇreˇsen´ı s ohledem na potˇreby laboratoˇr´ı IPR. U jednotlivých popisovaných generátor˚u jsou uvedeny nˇekteré jejich výhody a nevýhody.

Kapitola ˇc´ıslo4popisuje návrh konkrétn´ıho ˇreˇsen´ı generátoru, jeho rozdˇelen´ı do modul˚u, zapojen´ı jednotlivých modul˚u a popis funkce.

V 5. kapitole jsou uvedeny, hodnoty namˇeˇrených frekvenˇcn´ıch a napˇet’ových rozsah˚u a fotografické ukázky mˇeˇrených signál˚u.

Posledn´ı6. kapitola obsahuje krátké shrnut´ı práce, popis moˇzných rozˇs´ıˇren´ı a vylepˇsen´ı.

1

zkratka pˇredmˇetu Prvky poˇc´ıtaˇc˚u vyuˇcovaného v roce 2008 na Fakultˇe informaˇcn´ıch technologi´ı vysokého uˇcen´ı technického v Brnˇe

(7)

Kapitola 2

Gener´

atory periodick´

ych sign´

al˚

u

Pojem generátor ve vztahu k elektronice je elektronkové nebo polovodiˇcové zaˇr´ızen´ı, které vyráb´ı kmity daného tvaru a amplitudy [2]. Tedy generátor periodických signál˚u je zaˇr´ızen´ı, které vyráb´ı ze stejnosmˇerného napˇet´ı napˇet´ı stˇr´ıdavé, pˇr´ıpadnˇe stˇr´ıdavé napˇet´ı se stej-nosmˇernou sloˇzkou a periodickým pr˚ubˇehem. Generovaný signál m˚uˇze být harmonický i neharmonický. Harmonický signál, je signál, který je moˇzné vyjádˇrit pomoc´ı funkce f(t) = A sin (ωt + ϕ0) [4] to znamená, ˇze má tvar funkce sinus. Neharmonický signál, je takový signál, který nelze vyjádˇrit pomoc´ı funkce f_(t) = A sin (ωt + ϕ0), takˇze neharmonickými signály jsou napˇr´ıklad signály tvaru obdéln´ıku nebo trojúheln´ıku (pˇr´ıpadnˇe pily) a dalˇs´ıch tvar˚u. Generátory periodických signál˚u s konstantn´ı amplitudou napˇet´ı a proudu se také nazývaj´ı oscilátory.

Oscilátory generuj´ıc´ı harmonický signál se pouˇz´ıvaj´ı v komunikaˇcn´ı a spojovac´ı tech-nice. Pˇr´ıkladem m˚uˇze být pouˇzit´ı jako souˇcást radiopˇrij´ımaˇc˚u, televizor˚u a vys´ılaˇcek. Ne-harmonický signál tvaru trojúheln´ıku se pouˇz´ıvá napˇr´ıklad v mˇeˇr´ıc´ı technice, jako tvar vzorkovac´ıho signálu generovaného ˇcasovou základnou osciloskopu. Signál tvaru obdéln´ıku se pouˇz´ıvá v digitáln´ı technice, jako napˇr´ıklad v logických nebo klopných obvodech.

Kaˇzdý oscilátor obsahuje obvod, který urˇcuje kmitoˇcet oscilac´ı a aktivn´ı prvek (zesi-lovaˇc) nebo prvek se záporným odporem, který zp˚usobuje rozkmitán´ı oscilátoru a v ustáleném stavu hrad´ı ztráty energie zp˚usobené oscilac´ı ze zdroje stejnosmˇerného napˇet´ı. Zm´ınˇený ak-tivn´ı prvek by nebyl v obvodu nutný v pˇr´ıpadˇe pouˇzit´ı ideáln´ıch souˇcástek1. Pokud bychom pˇrivedli do paraleln´ıho rezonanˇcn´ıho obvodu (paraleln´ı rezonanˇcn´ı obvod je na obrázku2.1

a sériový rezonanˇcn´ı obvod je na obrázku 2.2) sloˇzeného z ideáln´ıch souˇcástek elektrický impuls tak, ˇze indukujeme v c´ıvce proud nebo nabijeme kondenzátor, vzniknou v obvodu elektrické kmity s konstantn´ı amplitudou a frekvenc´ı. Tento obvod by kmital tak dlouho dokud bychom jeho kmity netlumili. Rezonanˇcn´ı frekvence paraleln´ıho (na obrázku 2.1) i sériového (na obrázku 2.2) rezonanˇcn´ıho obvodu lze vypoˇc´ıtat podle Thomsonova vztahu

f = 1

2π√L0C0, ale protoˇze tyto souˇcástky neexistuj´ı je nutné pouˇz´ıt skuteˇcných souˇcástek.

Kdyby nebyl v obvodu tvoˇreném skuteˇcnými souˇcástkami pˇr´ıtomen aktivn´ı prvek (nebo pr-vek se záporným odporem), jiˇz rozkmitaný signál by sniˇzoval svou amplitudu aˇz by oscilátor pˇrestal kmitat úplnˇe (ukázka tlumen´ı je na obrázku 2.3). Dodáme-li do obvodu tvoˇreného reálnou c´ıvkou a reálným kondenzátorem energii z vnˇejˇs´ıho zdroje, dojde v obvodu k perio-dické výmˇenˇe energie mezi kondenzátorem a c´ıvkou. D´ıky této výmˇenˇe v obvodu protéká pe-riodicky ˇcasovˇe promˇenný proud a na svorkách odvodu vzniká periodicky promˇenné napˇet´ı.

1

souˇcástky, které nemaj´ı ˇzádnou parazitn´ı vlastnost, kondenzátor má pouze kapacitu, c´ıvka pouze in-dukˇcnost

(8)

Obrázek 2.1: Paraleln´ı rezonanˇcn´ı obvod Obrázek 2.2: Sériový rezonanˇcn´ı obvod

Obrázek 2.3: Ukázka úˇcinku tlumen´ı

Pˇri kaˇzdém cyklu docház´ı ke ztrátám energie a d´ıky tomu i k útlumu signál˚u. Útlum je t´ım rychlejˇs´ı, ˇc´ım menˇs´ı je ztrátový odpor Rp a ˇcinitel jakosti2 Q0 = R_ωLp. Aby byl tento obvod oscilátorem, musel by být zdrojem netlumených kmit˚u, napˇet´ı a proud by museli m´ıt konstantn´ı amplitudu. Toho dosáhneme právˇe jiˇz dˇr´ıve zm´ınˇeným pˇridán´ım aktivn´ıho prvku.

Jinými slovy oscilátorem je takový obvod, který splˇnuje amplitudovou a fázovou oscilaˇcn´ı podm´ınku. Amplitudová podm´ınka Auβu= 1 ˇr´ıká, ˇze pokud jsou ztráty v obvodu kompen-zovány zes´ılen´ım zesilovaˇce obvod kmitá se stabiln´ı amplitudou. Kdyby doˇslo k tomu, ˇze Auβu < 1 zesilovaˇc by nekompenzoval ztráty a signál by byl postupnˇe utlumen. Pokud by doˇslo k Auβu > 1 zesilovaˇc by zesiloval amplitudu v´ıce neˇz je nutné a to aˇz do doby, kdy by zaˇcal limitovat (doˇslo by k pˇrebuzen´ı zesilovaˇce). Fázová podm´ınka ϕAu+ βu = 0 ˇr´ıká, ˇze kmitán´ı se udrˇz´ı pouze tehdy, je-li vstupn´ı napˇet´ı ve stejné fázi jako výstupn´ı. Frekvenˇcn´ı závislosti amplitudové a fázové oscilaˇcn´ı podm´ınky jsou dány amplitudovými a fázovými charakteristikami oscilátor˚u, pˇriˇcemˇz fáze pˇrenesená zpˇetnovazebn´ı smyˇckou se zmˇen´ı rych-leji neˇz amplituda, proto o stabilitˇe kmitoˇctu rozhoduje pr˚ubˇeh fázové charakteristiky.

2_ˇ

(9)

Oscilátory se dˇel´ı podle frekvence generovaných kmit˚u na n´ızkofrekvenˇcn´ı3 _a vysoko-frekvenˇcn´ı4. Dále je moˇzné oscilátory dˇelit podle pouˇzitých souˇcástek na LC, RC nebo krys-talové. Oscilátory, jak jiˇz bylo dˇr´ıve zm´ınˇeno, mohou generovat signál sinusového (harmo-nického) i nesinusového (neharmonického) napˇr´ıklad trojúheln´ıkového nebo obdéln´ıkového tvaru. Generátory, které generuj´ı signál, který má body nespojitosti ve svém pr˚ubˇehu, napˇr´ıklad obdéln´ık, jsou nˇekdy nazývány taky relaxaˇcn´ımi generátory[11].

2.1 Oscil´

ator sinusov´

eho pr˚

ubˇ

ehu

2.1.1 RC oscil´ator

Oscilátor je tvoˇren RC ˇclánkem zapojeným do zpˇetné vazby zesilovaˇce. Frekvence je dána RC ˇclánkem podle vztahu τ = RC. Výhodou nˇekterých zapojen´ı tohoto druh˚u oscilátoru je, ˇze je moˇzné je jednoduchým zp˚usobem pˇreladit. RC oscilátory mohou být nastaveny i na velmi n´ızké kmitoˇcty. Nevýhodou tohoto druhu oscilátor˚u je, ˇze stejnˇe jako vˇsechny oscilátory tvoˇrené pasivn´ımi souˇcástkami5 stárnou a je tedy s nar˚ustaj´ıc´ım vˇekem sloˇzitˇejˇs´ı zajistit stabilitu obvodu, protoˇze pasivn´ı souˇcástky mˇen´ı svou hodnotu. V dneˇsn´ı dobˇe se RC oscilátory pouˇz´ıvaj´ı velmi ˇcasto jako generátory ˇcasové základy integrovaných obvodu (napˇr´ıklad mikropoˇc´ıtaˇc˚u), nebo jako souˇcást zapojen´ı s operaˇcn´ımi zesilovaˇci. Dˇel´ı se na oscilátory s posuvnou fáz´ı a m˚ustkové.

Základem oscilátoru s posuvnou fáz´ı (pˇr´ıklad na obrázku 2.4) je operaˇcn´ı zesilovaˇc. Pro splnˇen´ı fázové podm´ınky je nutné fázi zpˇetnovazebn´ıho napˇet´ı otoˇcit o 180o k tomu slouˇz´ı minimálnˇe tˇri derivaˇcn´ı nebo integraˇcn´ı ˇclánky o stejné ˇcasové konstantˇe τ zapo-jené do kaskády. Tato kaskáda je zapojená v kladné zpˇetné vazbˇe operaˇcn´ıho zesilovaˇce. Amplitudová podm´ınka je splnˇena d´ıky dostateˇcnˇe velkému zes´ılen´ı zesilovaˇce. Oscilátor se rozkmitá na frekvenci dané prvky R a C ve zpˇetné vazbˇe. Pˇreladován´ı tohoto druhu oscilátor˚u je sloˇzité, z d˚uvodu vˇetˇs´ıho poˇctu derivaˇcn´ıch (integraˇcn´ıch) ˇclánk˚u, které urˇcuj´ı kmitoˇcet (proto nen´ı moˇzné pˇreladit frekvenci zmˇenou velikosti jednoho prvku v obvodu), z toho d˚uvodu se pouˇz´ıvaj´ı jako zdroje signálu o konstantn´ı frekvenci.

M˚ustkové RC oscilátory (pˇr´ıkladem m˚ustkového oscilátoru je oscilátor s Wienovým ˇ

clánkem na obrázku2.6) maj´ı zapojenou v obvodu zpˇetné vazby kombinaci ˇclen˚u RC. Tyto ˇ

cleny vytváˇr´ı m˚ustkové zapojen´ı. M˚ustek zavád´ı mezi vstupem a výstupem operaˇcn´ıho zesilovaˇce zápornou a kladnou zpˇetnou vazbu. T´ımto zapojen´ım se dosáhne lepˇs´ı kmitoˇctové stability a menˇs´ıho harmonického zkreslen´ı výstupn´ıho signálu. Pˇrelad’ován´ı je snadnˇejˇs´ı neˇz u výˇse zm´ınˇeného oscilátoru s posuvnou fáz´ı. Oscilaˇcn´ı kmitoˇcet je urˇcen selektivn´ı zpˇetnou vazbou, pomoc´ı takzvaných nulových ˇclánk˚u, které maj´ı na jednom kmitoˇctu nulový fázový posuv. Mezi m˚ustkové RC oscilátory patˇr´ı zapojen´ı s Wienovým ˇclánkem a zapojen´ı s T ˇ

cl´ankem.

Wien˚uv ˇclánek (na obrázku 2.5) je pásmová propust, tvoˇrená serio-paralen´ı kombinac´ı dvou stejných rezistor˚u a kondenzátor˚u. Toto zapojen´ı má na kmitoˇctu f0 = _2πRC1 nejvˇetˇs´ı pˇrenos, rovný jedné tˇretinˇe. Dalˇs´ı vlastnost´ı je, ˇze na kmitoˇctu f0 neposouvá fázi. ˇClánek se zapojuje do kladné zpˇetné vazby, ˇc´ımˇz je splnˇena podm´ınka pro vznik oscilac´ı. Amplitudová podm´ınka se spln´ı zapojen´ım nelineárn´ıho ˇclenu do záporné zpˇetné vazby. Zapojen´ı s Wi-enovým ˇclánkem je na obrázku 2.6. Nevýhodou tohoto zapojen´ı je, ˇze má relativnˇe velké

3

oscil´atory, kter´e generuj´ı kmity o frekvenc´ıch od nuly hertz do nˇekolika des´ıtek kilohertz 4_oscil´_{atory, kter´}_{e kmitaj´ı na frekvenci vyˇ}_sˇ_{s´ı neˇ}_{z sto kilohertz}

5

souˇcástky, které ke své funkci nepotˇrebuj´ı zdroj energie, jde o souˇcástky R (rezistor), L (c´ıvka) a C (kondenzátor)

(10)

Obrázek 2.4: Pˇr´ıklad oscilátoru s posuvnou fáz´ı a

zkreslen´ı pˇri stabilizaci amplitudy (termistorem nebo ˇzárovkou). Je to zp˚usobeno t´ım, ˇze stabilizaˇcn´ı prvek je závislý na teplotˇe, na kterou má vliv i teplota okol´ı[5].

Obr´azek 2.5: Wien˚uv ˇcl´anek

Obrázek 2.6: Pˇr´ıklad oscilátoru s Wienovým ˇ

cl´ankem

T ˇclánek (na obrázku 2.7) je elektrický ˇclánek, v nˇemˇz jsou jednotlivé impedance za-pojeny ve tvaru velkého T[2]. Z hlediska zapojen´ı se jedná o pásmovou zádrˇz, to znamená, ˇ

ze na frekvenci f0 má nejmenˇs´ı pˇrenos. Stejnˇe jako Wien˚uv ˇclánek na frekvenci f0 nepo-souvá fázi. Zapojuje se do kladné zpˇetné vazby. Amplitudová podm´ınka se spln´ı nastaven´ım zes´ılen´ı kladné zpˇetné vazby. Pˇr´ıklad zapojen´ı s T ˇclánkem je na obrázku 2.8.

2.1.2 LC oscil´ator

Kmitoˇcet, na kterém oscilátor kmitá, stejnˇe jako stabilitu obvodu, urˇcuje rezonanˇcn´ı LC obvod.

V obvodu na obrázku 2.9 se ze zdroje stejnosmˇerného napˇet´ı nabije kondenzátor C na napˇet´ı o velikosti zdrojového napˇet´ı U. Po odpojen´ı zdroje se zaˇcne kondenzátor vyb´ıjet do

(11)

Obrázek 2.7: T ˇclánek Obrázek 2.8: Pˇr´ıklad oscilátoru s T ˇclánkem c´ıvky L, která je v˚uˇci nˇemu zapojená paralelnˇe. C´ıvkou zaˇcne protékat proud a c´ıvka zaˇcne indukovat magnetické pole. Po vybit´ı kondenzátoru pˇrestane protékat c´ıvkou proud a na ni se zaˇcne indukovat napˇet´ı opaˇcného smˇeru, které zaˇcne znovu nab´ıjet kondenzátor. Po nabit´ı kondenzátoru dojde k opakován´ı celého dˇeje. Kmity, které obvod generuje exponenciálnˇe klesaj´ı vlivem ztrát v obvodu. Pro odstranˇen´ı tlumen´ı kmit˚u je nutné dodávat obvodu energii, coˇz provád´ıme stejnˇe jako u RC oscilátoru zesilovaˇcem. Obvody tohoto typu maj´ı nejménˇe zkreslený pr˚ubˇeh výstupn´ıho napˇet´ı, protoˇze rezonanˇcn´ı obvod potlaˇcuje vyˇsˇs´ı harmonické sloˇzky, a to i kdyˇz je aktivn´ı prvek nelineárn´ı. LC oscilátory je moˇzné rozdˇelit podle zapojen´ı rezonanˇcn´ıho obvodu na oscilátory s indukˇcn´ı vazbou a oscilátory tˇr´ıbodové.

Obrázek 2.9: LC oscilátor Obrázek 2.10: Indukˇcnˇe vázaný oscilátor Pˇr´ıklad oscilátoru s indukˇcn´ı vazbou je na obrázku 2.10. Tyto oscilátory maj´ı kladnou zpˇetnou vazbu, která je tvoˇrena indukˇcn´ı vazbou mezi vstupn´ımi a výstupn´ımi elektrodami tranzistoru. Paraleln´ı rezonanˇcn´ı obvod je zapojen v kolektoru tranzistoru. Proudovým nárazem se rezonanˇcn´ı obvod L1C1 rozkmitá rezonanˇcn´ım kmitoˇctem. Napˇet´ı rezonanˇcn´ıho obvodu se indukuje na zpˇetnovazebn´ı c´ıvce L2, která otáˇc´ı fázi o 180o. Naindukované napˇet´ı z c´ıvky L2 je pˇrivedeno na bázi tranzistoru. Kladné zpˇetné vazby je dosaˇzeno t´ım, ˇze c´ıvky

(12)

L1 a L2 maj´ı opaˇcný smˇer vinut´ı. Protoˇze je tranzistor zapojen se spoleˇcným emitorem docház´ı k otoˇcen´ı signálu o 180o, ˇc´ımˇz je splnˇena fázová podm´ınka. Amplitudová podm´ınka je zajiˇstˇena t´ım, ˇze zes´ılen´ı tranzistoru je vˇetˇs´ı neˇz útlum v obvodu zapojeném ve zpˇetné vazbˇe. Frekvence, na které obvod kmitá je dána rezonanˇcn´ım obvodem ve zpˇetné vazbˇe.

Tˇr´ıbodové oscilátory jsou druhem LC oscilátor˚u, u kterých je rezonanˇcn´ı obvod pˇripojen k zesilovaˇci ve tˇrech bodech. Oscilátory jsou pojmenovány podle konstruktér˚u, kteˇr´ı toto zapojen´ı jako prvn´ı realizovali, jsou to Hartley˚uv oscilátor (odboˇcka je realizována na c´ıvce s indukˇcnost´ı L1 a L2 a paralelnˇe k nim je zapojen kondenzátor C), Colpitts˚uv oscilátor (odboˇcka je realizována na kondenzátoru s kapacitou C1 a C2a paralelnˇe k nim je zapojena c´ıvka L), Clapp˚uv oscilátor a Meissner˚uv oscilátor.

Hartley˚uv oscilátor (na obrázku 2.11) je tvoˇren zapojen´ım tranzistoru se spoleˇcným emitorem. C´ıvka je rozdˇelena na dvˇe ˇcásti, mezi kterými existuje vzájemná indukˇcnost. Oscilátor pouˇz´ıvá jednu c´ıvku rezonanˇcn´ıho obvodu s odboˇckou, uspoˇrádanou jako auto-transformátor6. Spodn´ı konec c´ıvky má opaˇcnou fázi signálu a pˇres oddˇelovac´ı kondenzátor C2 bud´ı bázi tranzistoru. Velikost kmitoˇctu obvodu je moˇzné mˇenit pomoc´ı kondenzátoru C1.

Obrázek 2.11: Hartleyovo zapojen´ı Obrázek 2.12: Colpittsovo zapojen´ı Colpitts˚uv oscilátor (na obrázku 2.12) vyuˇz´ıvá zapojen´ı tranzistoru se spoleˇcným emi-torem. Oscilaˇcn´ı obvod má jedinou c´ıvku L, ale dva kondenzátory C1 a C2. Kladná zpˇetná vazba je vyvedena z odboˇcky mezi kondenzátory C1 a C2 pˇres C3 do báze tranzistoru. Souˇcet kapacit kondenzátor˚u C1 a C2 je kapacitou rezonanˇcn´ıho obvodu. Zmˇena kmitoˇctu se realizuje zmˇenou impedance c´ıvky L. Clapp˚uv oscilátor (na obrázku2.13) se od Colpitt-sova zapojen´ı oscilátoru liˇs´ı v zapojen´ı kondenzátoru C0, který je pˇridán do rezonanˇcn´ıho obvodu.

Meissner˚uv oscilátor (na obrázku2.14) má zpˇetnou vazbu realizovánu transformátorem. Vstupn´ı (primárn´ı) vinut´ı tranzistoru tvoˇr´ı spolu s kondenzátorem, pˇripojeným v˚uˇci c´ıvce paralelnˇe, paraleln´ı rezonanˇcn´ı obvod. Zes´ılené vstupn´ı napˇet´ı je pˇrivedeno na kolektor tranzistoru, pˇri rezonanˇcn´ım kmitoˇctu je amplituda tohoto napˇet´ı nejvˇetˇs´ı. Fázový posun mezi vstupn´ım a výstupn´ım napˇet´ım je 180o. Aby byla splnˇena fázová podm´ınka je proto tranzistor zapojen se spoleˇcným kolektorem, které otáˇc´ı fázi signálu o 180o[12].

6

(13)

Obr´azek 2.13: Clappovo zapojen´ı Obr´azek 2.14: Meissnerovo zapojen´ı

2.1.3 Oscil´atory ˇr´ızen´e krystalem

V tˇechto oscilátorech se pouˇz´ıvá jako ˇr´ıd´ıc´ı prvek piezoelektrický krystal. Piezoelektrický krystal je kˇremenný výbrus, který vykazuje piezoelektrický jev7. V zapojen´ıch oscilátor˚u ˇr´ızených krystalem kromˇe jevu piezoelektrického vyuˇz´ıváme i jevu k nˇemu opaˇcného tedy piezoelektrické piezostrikce. Rezonanˇcn´ı kmitoˇcet, na kterém krystal kmitá je dán vlast-nostmi krystalu, tedy zp˚usobem jakým byla destiˇcka z krystalu vyˇr´ıznuta.

Pro popis elektrického chován´ı krystalu slouˇz´ı náhradn´ı schema (na obrázku2.15). Toto schema v sobˇe zahrnuje jak RLC rezonanˇcn´ı obvod tak kapacitu pˇr´ıvodu C0. Hodnoty jednotlivých prvk˚u náhradn´ıho schematu jsou dány vlastnostmi výbrusu a to odpor R pˇredstavuje ztráty v krystalu, indukˇcnost L krystalovou hmotu a kapacita C pruˇznost krys-talu. Z náhradn´ıho schematu a charakteristiky vyplývá, ˇze rezonátor má dvˇe rezonanˇcn´ı frekvence. Pˇri sériové rezonanci je impedance nejniˇzˇs´ı fs= _2π√1_LC. Pˇri paraleln´ı rezonanci je impedance nejvˇetˇs´ı fp = 1

2π q

CC0 C+C0L

.

Oba kmitoˇcty leˇz´ı bl´ızko u sebe. Paraleln´ı rezonance je pouˇz´ıvána pˇri zapojen´ı krystalu jako jako souˇcásti rezonanˇcn´ıho obvodu. Sériová rezonance se pouˇz´ıvá pˇri zapojen´ı krystalu do zpˇetné vazby.

Protoˇze je rezonanˇcn´ı kmitoˇcet krystalu dán jeho fyzickými vlastnostmi je jasné, ˇze nen´ı moˇzné frekvenci oscilátoru mˇenit. Z tohoto d˚uvodu se krystaly pouˇz´ıvaj´ı na jedné frekvenci v rozsahu 100Hz aˇz 10MHz. Protoˇze jsou, ale také krystaly velmi stabiln´ı pouˇz´ıvaj´ı se jako kalibraˇcn´ı zdroje mˇeˇr´ıc´ıch pˇr´ıstroj˚u. Pˇr´ıkladem krystalového oscilátoru je oscilátor na obrázku2.16[10].

Tento oscilátor je vlastnˇe Clappovo zapojen´ı oscilátoru, ve kterém je rezonanˇcn´ı LC ob-vod nahrazen krystalem. Frekvence, na které oscilátor kmitá fo je mezi sériovou a paraleln´ı rezonanˇcn´ı frekvenci fs < fo < fp. ˇC´ım vˇetˇs´ı jsou kapacity C1 a C2, t´ım je frekvence fo bl´ıˇze fsa t´ım je i frekvenˇcn´ı stabilita lepˇs´ı. Stˇr´ıdavý proud nesm´ı v krystalových oscilátorech pˇrekroˇcit urˇcitou mez, jinak by doˇslo k mechanickému poˇskozen´ı krystalu, nebo k naruˇsen´ı stability obvodu. Z tohoto d˚uvodu je obvod stabilizován zápornou zpˇetnou vazbou.

(14)

Obrázek 2.15: Náhradn´ı schema krystalu Obrázek 2.16: Krystalový oscilátor

2.2 Gener´

ator pilov´

eho pr˚

ubˇ

ehu

Pilový pr˚ubˇeh je moˇzné vyrobit za pomoci jednoduchého integraˇcn´ıho ˇclánku, bud’ z dout-navkou nebo s tyristorem. Základn´ı princi je stejný a t´ım je pomalé nab´ıjen´ı a rychlé vyb´ıjen´ı kondenzátoru.

V zapojen´ı s doutnavkou se kondenzátor nab´ıj´ı pˇres odpor tak dlouho aˇz napˇet´ı dosáhne zápalného napˇet´ı doutnavky. Potom se doutnavka výbojem rychle vybije aˇz na hodnotu zháˇsec´ıho napˇet´ı. Odpor zapojený s doutnavkou v sérii omezuje vyb´ıjec´ı proud. Po tom co doutnavka zhasne zaˇcne se znovu kondenzátor zab´ıjet a celý pr˚ubˇeh se opakuje. Vytvoˇrené relaxaˇcn´ı napˇet´ı je dáno rozd´ılem mezi zápalným a zháˇsec´ım napˇet´ım doutnavky, který je pomˇernˇe malý a z toho d˚uvodu má i vygenerovaný signál pomˇernˇe malou periodu.

Obr´azek 2.17: Gener´ator pily s doutnavkou

Obrázek 2.18: Výstup generátoru s doutnav-kou

V zapojen´ı s tyristorem (na obrázku 2.19) se kondenzátor C nab´ıj´ı stejnosmˇerným napˇet´ım pˇres odpor R. Napˇet´ı na kondenzátoru exponenciálnˇe stoupá aˇz do okamˇziku, kdy sepne tyristor Ty. Kondenzátor se pˇres sepnutý tyristor vybije. A celý proces se opakuje. Výstup generátor je na obrázku 2.20.

(15)

Obr´azek 2.19: Gener´ator pily s tyristorem

Obrázek 2.20: Výstup generátoru s tyristo-rem

2.3 Astabiln´ı klopn´

y obvod (multivibr´

ator)

Je oscilátor, který generuje signál obdéln´ıkového tvaru. Jde o klopný obvod, který nemá ani jeden stabiln´ı stav a neustále se pˇrep´ıná mezi dvˇema nestabiln´ımi stavy.

Multivibrátor (na obrázku 2.21) je moˇzné realizovat i pomoc´ı zapojen´ım s tranzistory, operaˇcn´ım zesilovaˇcem, ˇc´ıslicovými obvody a ˇcasovaˇci. V bˇeˇzném zapojen´ı jde o dvoustup-nový zesilovaˇc s kapacitn´ı vazbou mezi stupni, ve kterém je vˇzdy jeden otevˇren a druhý zavˇrený, stavy se pr˚ubˇeˇznˇe pˇrep´ınaj´ı.

Po pˇr´ıpojen´ı obvodu k napájen´ı se zaˇcnou oba tranzistory otev´ırat, ale protoˇze ˇzádné dva polovodiˇcové prvky nejsou stejné dojde k otevˇren´ı jednoho z tranzistor˚u dˇr´ıve neˇz druhého, a druhý tranzistor se uzavˇre. Pokud budeme povaˇzovat za otevˇrený tranzistor T1 zaˇcne se nab´ıjet kondenzátor C2. Potom se zaˇcne otev´ırat i tranzistor v T2 jeho kolektorové napˇet´ı poklesne a tento pokles se pˇres kondenzátor C1 pˇrenese na bázi tranzistoru T1 jako záporný impulz, ˇc´ımˇz ho zaˇcne uzav´ırat. Kolektorové napˇet´ı tranzistoru T1 vzroste, coˇz se pˇrenese pˇres kondenzátor C2na bázi T2, který se otv´ırá, t´ımto kladným impulzem se urychl´ı otev´ıran´ı T2. T´ım se T1 plnˇe uzavˇre a T2 plnˇe otevˇre, t´ım doˇslo k pˇreklopen´ı obvodu do druhého nestabiln´ıho stavu. Kondenzátor C1 se uzemn´ı pˇres otevˇrený tranzistor T2, ˇc´ımˇz vznikne na bázi tranzistoru T1záporný impulz, který ho bude udrˇzovat uzavˇrený, aˇz do doby neˇz se C1 plnˇe vybije. ˇCasová konstanta τ1, která urˇcuje dobu uzavˇren´ı T1 je dána vzorcem τ1 = R1C1. Mezit´ım se nabil kondenzátor C2. Po vybit´ı C1se tranzistor T2zaˇcne otv´ırat, coˇz se pˇrenese jako záporný impulz pˇres kondenzátor C2 na bázi otevˇreného tranzistoru T2, coˇz zp˚usob´ı jeho uzav´ırán´ı. Celý dˇej se periodický opakuje. Doba uzavˇren´ı T2 τ2 = R2C2. Pomˇer ˇ

casové konstanty urˇcuj´ıc´ı dobu otevˇren´ı tranzistoru T1 tedy τ1 ku délce trván´ı uzavˇren´ı tranzistoru T2 τ2 udává pomˇer stˇr´ıdy v generovaném signálu. Z toho vyplývá, ˇze pokud τ1 = τ2 potom je stˇr´ıda rovna 1:1. Délka periody signálu je dána souˇctem τ1+ τ2, je tedy moˇzné frekvenci daného signálu upravit zmˇenou pˇr´ısluˇsných pasivn´ıch souˇcástek v obvodu. Výstupn´ı signál nemá pˇresný tvar obdéln´ıku, nab´ıjen´ım vazebn´ıho kondenzátoru pˇres kolektorový obvod dojde ke zkreslen´ı. Tvar výstupn´ıho signálu potom odpov´ıdá výstupn´ımu signálu z integraˇcn´ıho ˇclánku. Zkreslen´ı se dá zmenˇsit zapojen´ım nab´ıjec´ıho obvodu. Pˇ ri-pojen´ım kondenzátoru paralelnˇe k výstupu m˚uˇzeme z´ıskat signál tvaru pily.

(16)

(17)

Kapitola 3

Porovn´

an´ı moˇ

zn´

ych ˇ

reˇ

sen´ı

gener´

ator˚

u

V této kapitole je uvedeno porovnán´ı tˇrech moˇzných ˇreˇsen´ı generátor˚u signál˚u s ohledem na potˇreby laboratoˇr´ı IPR, je zde také popsáno nˇekolik výhod a nevýhod kaˇzdého ˇreˇsen´ı a letmé zhodnocen´ı na závˇer kaˇzdé ˇcásti.

3.1 Gener´

ator z klasick´

ych souˇ

c´

astek

Základem tohoto ˇreˇsen´ı je oscilaˇcn´ı obvod tvoˇrený klasickými resp. pasivn´ımi souˇcástkami. Jde o generátory popsané v kapitole 2. Vypust´ıme-li generátory, které neumoˇzˇnuj´ı mˇenit frekvenci (nebo ji umoˇzˇnuj´ı mˇenit pouze v omezeném rozsahu), at’ uˇz z d˚uvodu, ˇze pˇ rela-ditelnost vyluˇcuj´ı/omezuj´ı pouˇzité souˇcástky, jako v pˇr´ıpadˇe krystalového oscilátoru (po-psaný v kapitole 2.1.3), nebo z d˚uvod˚u pouˇzitého zapojen´ı, jako v pˇr´ıpadˇe zapojen´ı s RC oscilátorem s posuvnou fáz´ı (popsaný v kapitole 2.1.1), z˚ustanou generátory, které by bylo moˇzné pouˇz´ıt pro výukové úˇcely laboratorn´ıch cviˇcen´ı. Pokud bychom chtˇeli generovat signály r˚uzných tvar˚u (sinus, trojúheln´ık a obdéln´ık), bylo by moˇzné bud’ pouˇz´ıt nˇekolik samostatných zapojen´ı generátor˚u, z nichˇz kaˇzdé by realizovalo jednu výstupn´ı funkci, nebo by bylo moˇzné za pouˇzit´ı speciáln´ıch zapojen´ı z jednoho tvaru signálu vyrobit signál jiného tvaru. Rozhodneme-li se realizovat obvod prvn´ım popsaným zp˚usobem z´ıskáme frekvenˇcn´ı nezávislost jednotlivých generovaných signál˚u, ale obvod bude tˇrikrát sloˇzitˇejˇs´ı, protoˇze zde budou zapojeny tˇri zcela oddˇelené generátory (tˇri samostatné obvody). Pokud bychom pouˇzili druhý zp˚usob, bylo by nutné generovat velmi pˇresný signál jednoho tvaru (sinus nebo trojúheln´ık) a z nˇej potom vyrobit zbývaj´ıc´ı dva. Tento druh zapojen´ı, ale generuje signály o stejné frekvenci, zmˇena frekvence jednoho z tˇechto signál˚u má vliv i na zbývaj´ıc´ı dva. Výhodou je, ˇze napˇr´ıklad ze signálu tvaru obdéln´ıku lze za pomoc´ı jednoduchého integraˇcn´ıho ˇclánku vyrobit signál tvaru trojúheln´ıku. Zapojen´ı integraˇcn´ıho ˇclánku je jednoduˇsˇs´ı, neˇz zapojen´ı samostatného generátoru trojúheln´ıkového signálu. Jako pˇr´ıklad ˇreˇsen´ı generátoru z klasických souˇcástek je moˇzné uvést generátor publikovaný v ˇcasopise Amatérské rádio [1].

Toto ˇreˇsen´ı je výhodné svou cenou, protoˇze pouˇz´ıvá v základn´ım zapojen´ı pˇredevˇs´ım relativnˇe levné pasivn´ı souˇcástky.

Nevýhodou je pomˇernˇe velké mnoˇzstv´ı souˇcástek a z toho d˚uvodu i sloˇzitˇejˇs´ı DPS1 _neˇ_z

1

deska ploˇsných spoj˚u se v elektronice pouˇz´ıvá pro mechanické pˇripevnˇen´ı a souˇcasnˇe pro elektrické propojen´ı elektronických souˇcástek[4]

(18)

v ostatn´ıch pˇr´ıpadech. Dále pokud bychom chtˇeli zobrazovat generovanou frekvenci, bylo by nutné pˇripojit k tomuto druhu generátoru vhodný pˇrevodn´ık, napˇr´ıklad mikropoˇc´ıtaˇc se zobrazovac´ım prvkem.

3.2 Obvod s mikropoˇ

c´ıtaˇ

cem a D/A pˇ

revodn´ıkem

Tento obvod jako základn´ı prvek pro svou funkci pouˇz´ıvá libovolný vhodný mikropoˇc´ıtaˇc a k nˇemu pˇripojený (pˇr´ıpadnˇe integrovaný) D/A2pˇrevodn´ık. Mikropoˇc´ıtaˇc obsahuje program, ve kterém je zadán algoritmus pro výpoˇcet funkce daného výstupn´ıho signálu (pˇr´ıpadnˇe pˇredem vypoˇc´ıtané hodnoty) a hodnoty výsledku této funkce postupnˇe vkládá na vstup D/A pˇrevodn´ıku na jehoˇz výstupu je moˇzno zaznamenat analogový signál poˇzadovaného tvaru. Pro zmˇenu frekvence dojde akorát ke zmˇenˇe konstanty kroku v matematické funkci poˇzadovaného signálu. Pro zmˇenu signálu by musel být pˇr´ıtomen pˇrep´ınaˇc na vstupn´ım portu mikropoˇc´ıtaˇce.

Výhodou tohoto ˇreˇsen´ı je moˇznost generovat vhodnˇe vkládanými hodnotami do D/A pˇrevodn´ıku libovolný periodický signál a pokud by bylo poˇzadováno, aby byl generován signál jiného tvaru, pˇr´ıpadnˇe pokud by do budoucna tento poˇzadavek vznikl, bylo by rela-tivnˇe jednoduché úpravou a pˇreprogramován´ım mikropoˇc´ıtaˇce poskytnout jiný tvar signálu. Za dalˇs´ı výhodu lze povaˇzovat, ˇze tento obvod mus´ı uˇz pro svou základn´ı ˇcinnost obsahovat mikropoˇc´ıtaˇc a nen´ı ho tedy tˇreba pˇripojovat pro obsluhu prvku zobrazuj´ıc´ıho frekvenci generovaného signálu.

Ovˇsem jako velkou nevýhodu lze uvést, ˇze tento generovaný signál bude dosahovat pouze relativnˇe n´ızkých frekvenc´ı (záleˇz´ı na rychlosti pouˇzitého mikropoˇc´ıtaˇce a na maximáln´ı rychlosti jakou je schopen D/A pˇrevodn´ık pˇrevádˇet hotnoty) pˇri zachován´ı malého zkreslen´ı. Dalˇs´ı nevýhodou je, ˇze pˇri dostateˇcnˇe velkém rozsahu osciloskopu vˇzdy uvid´ıme zkreslen´ı zp˚usobené skokovou zmˇenou hodnoty, kterou provád´ı mikropoˇc´ıtaˇc. Za dalˇs´ı nevýhodu m˚uˇze být povaˇzována cena, protoˇze základn´ı souˇcástka tedy mikropoˇc´ıtaˇc schopna obsluhovat zobrazovac´ı prvek a vkládat hodnoty na vstup D/A pˇrevodn´ıku je draˇzˇs´ı neˇz mikropoˇc´ıtaˇc pouˇzitý pouze pro obsluhu zobrazovac´ıho prvku u dalˇs´ıch dvou navrˇzených ˇreˇsen´ı.

Tento obvod je velice variabiln´ı a veˇskeré vlastnosti vˇcetnˇe ceny se odv´ıjej´ı od pouˇzitých souˇcástek. Pokud pouˇzijeme levnˇejˇs´ı mikropoˇc´ıtaˇc s dostatkem vstupnˇe výstupn´ıch portu dosáhneme sn´ıˇzen´ı ceny, na úkor parametr˚u mikropoˇc´ıtaˇce (integrovaný D/A pˇrevodn´ık, rychlost jakou mikropoˇc´ıtaˇc vykonává instrukce, . . . ), nav´ıc nám cena naroste d´ıky nutnosti pouˇz´ıt extern´ı D/A pˇrevodn´ık. Pokud pouˇzijeme modernˇejˇs´ı mikropoˇc´ıtaˇc náklady vzrostou pˇr´ımo úmˇernˇe s vlastnostmi mikropoˇc´ıtaˇce.

V praxi se tento druh obvodu témˇeˇr nepouˇz´ıvá pro své nevýhody.

3.3 Obvod realizovan´

y monolitick´

ym integrovan´

ym gener´

atorem

Monolitický generátor je IO3, který sporu s malým mnoˇzstv´ım extern´ıch pasivn´ıch souˇcástek realizuje celý generátor. Na trhu se pohybuje nˇekolik druh˚u monolitických generátor˚u s r˚uznými vlastnostni. Jako pˇr´ıklad vybrán generátor XR8038 a vˇsechny zde podané in-formace se vztahuj´ı k nˇemu.

2_{je elektronick´}_{a souˇ}_c´_{astka urˇ}_cen´_{a pro pˇ}_{revod diskr´}_{etn´ıho (neboli digit´}_{aln´ıho) sign´}_{alu na sign´}_{al spojit´}_y (neboli analogov´y) sign´al

3_integrovan´_{y obvod je spojen´ı mnoha jednoduch´}_{ych souˇ}_c´_{astek, kter´}_{e tvoˇ}_{r´ı obvod realizuj´ıc´ı nˇ}_ejakou sloˇzitˇejˇs´ı funkci

(19)

Za nevýhodu tohoto generátoru by bylo moˇzné povaˇzovat, ˇze k mˇeˇren´ı a zobrazen´ı namˇeˇrené frekvence je nutné pˇripojit nˇejaký mˇeˇr´ıc´ı prvek napˇr´ıklad mikropoˇc´ıtaˇc, tento prvek zvyˇsuje cenu generátoru a nav´ıc je nutné pˇrizp˚usobit generovaný signál na napˇet’ovou ´

uroveˇn dan´e mˇeˇr´ıc´ı technologie.

Výhodou tohoto obvodu je, ˇze byl pro tento úˇcel jiˇz navrhnut a t´ım pádem se vyznaˇcuje velkou stabilitou a relativnˇe velkou frekvenˇcn´ı pˇreladitelnosti. Nav´ıc je schopen generovat signál, který je symetrický kolem nuly. Dalˇs´ı výhodou je, ˇze generuje signály vˇsech tˇr´ı tvar˚u v jednom ˇcase na samostatné výstupy. Protoˇze je vˇetˇsina souˇcástek integrována vyznaˇcuje se i pomˇernˇe jednoduchou DPS pˇredevˇs´ım v porovnán´ı s pˇreladitelným generátorem reali-zovaným pomoc´ı pasivn´ıch souˇcástek zm´ınˇeným v kapitole3.1.

(20)

Kapitola 4

N´

avrh gener´

atoru sign´

al˚

u pro

laboratorn´ı cviˇ

cen´ı IPR

Mezi jeden z úkol˚u této bakaláˇrské práce patˇr´ı i navrhnout generátor vhodný pro potˇreby IPR. Tento generátor by mˇel generovat tˇri r˚uzné pr˚ubˇehy a to sinus, obdéln´ık a trojúheln´ık. Generátor by mˇel být schopen mˇenit frekvenci a amplitudu generovaných signál˚u. Dalˇs´ım poˇzadavkem bylo, aby mˇel generátor vestavˇený prvek, který bude zobrazovat frekvenci generovaného signálu.

Jedno z moˇzných ˇreˇsen´ı popsaných výˇse v kapitole3byl popsán i generátor signál˚u reali-zovaný za pomoci monolitického integrovaného generátoru. Z d˚uvod˚u popsaných v kapitole

3.3 byl vybrán právˇe tento generátor, jako moˇzné vhodné ˇreˇsen´ı výukového generátoru signál˚u pro laboratorn´ı cviˇcen´ı IPR.

Z d˚uvodu snazˇs´ı realizace byl celý generátor rozdˇelen na samostatné moduly z nichˇz kaˇzdý realizuje nˇejakou logicky oddˇelenou ˇcinnost, kterou vyuˇz´ıvaj´ı nˇekteré dalˇs´ı moduly. Rozdˇelen´ı generátoru do modul˚u a jejich vzájemnou návaznost je moˇzné vidˇet v pˇr´ılozeAna stranˇe 1. Rozdˇelen´ı na moduly má jeˇstˇe tu výhodu, ˇze v pˇr´ıpadˇe vylepˇsen´ı jednoho modulu se nahrad´ı DPS pouze vylepˇseného modulu a ostatn´ı z˚ustávaj´ı v p˚uvosn´ım zapojen´ı. Tato vlastnost zapojen´ı v modulech je velmi uˇziteˇcná pro zapojován´ı zaˇr´ızen´ı jehoˇz konstrukce nen´ı pˇresnˇe pˇredem dána a m˚uˇze se ˇcasem vyv´ıjet. N´ıˇze jsou bl´ıˇze popsané specifické ˇcinnosti jednotlivých modul˚u.

4.1 Modul stabilizovan´

eho zdroje napˇ

et´ı

Tento modul slouˇz´ı k napájen´ı celého zaˇr´ızen´ı. Schéma zapojen´ı je pˇriloˇzeno v pˇr´ıloze A

strana 2. Transformátor typu EI pˇrevád´ı vstupn´ı s´ıt’ové napˇet´ı 230V, 50Hz podle poˇctu závit˚u vinut´ı c´ıvek transformátoru na napˇet´ı 2 ∗ 20V 50Hz na výstupu transformátoru. Na výstupu transformátoru je tedy stˇr´ıdavé výstupn´ı napˇet´ı 2 ∗ 20V, 50Hz, 0, 6A. Napˇet´ı 20V, 50Hz je Grätzovým diodovým m˚ustkem, tvoˇreným ˇctveˇric´ı kˇrem´ıkových diod KY132/80V D1-D4resp. D5-D8, usmˇernˇeno na napˇet´ı 20V∗koeficient

√

2 −1, 4V (2∗0, 7V , pˇri pr˚uchodu dvˇemi diodami docház´ı k úbytku napˇet´ı 0, 7V na kaˇzdém polovodiˇcovém1 _pˇ_{rechodu), v´} y-sledkem tedy je stejnosmˇerné napˇet´ı 26, 6V. Usmˇernˇené nevyhlazené napˇet´ı je pˇrivedeno na kondenzátor 2G2/40V (C1 resp. C2), který zajist´ı vyhlazen´ı napˇet´ı. Poté je napˇet´ı pˇrivedeno na monolitický integrovaný stabilizátor. V pˇr´ıpadˇe stabilizace na kladné napˇet´ı (+12V) typ 7812 (IO1) v pˇr´ıpadˇe záporného napˇet´ı (−12V) typ 7912 (IO2). Pro zapojen´ı

(21)

monolitických integrovaných stabilizátor˚u bylo pouˇzito doporuˇceného katalogového zapo-jen´ı stabilizátoru 7812 [13, s. 107], s blokovac´ımi kondenzátory M1 vstupn´ı kontakt v˚uˇci zemi (C3) a výstupn´ı kontakt v˚uˇci zemi (C4). Tyto kondenzátory zabraˇnuj´ı rozkmitán´ı monolitického integrovaného stabilizátoru 7812 a zajiˇst’uj´ı stabilitu celého zdroje napˇet´ı aˇz do proudu 1, 5A. V pˇr´ıpadˇe záporného napˇet´ı výstupn´ıho napˇet´ı byl pouˇzit integro-vaný stabilizátor typu 7912 pro jehoˇz zapojen´ı jsou doporuˇceny kapacity vstupn´ıho (C5) resp. výstupn´ıho (C6) blokovac´ıho kondenzátoru 2M2/30V. Rovnˇeˇz zabraˇnuj´ı rozkmitán´ı stabilizátoru a t´ım zajiˇst’uj´ı stabilitu celého zaˇr´ızen´ı. Stabilizátory 7812 a 7912 zajiˇst’uj´ı napájec´ı napˇet´ı +12V/1, 5A a −12V/1, 5A pro napájen´ı analogové ˇcásti generátoru funkc´ı a oddˇelovac´ıch a pˇrizp˚usobovac´ıch obvod˚u. Na výstup vˇetve stabilizuj´ıc´ı napˇet´ı na +12V navazuje jeˇstˇe integrovaný monolitický stabilizátor typu 7805 (IO3), který zajiˇst’uje napˇet´ı +5V aˇz do odbˇeru 1, 5A. Rovnˇeˇz tento stabilizátor je zapojen v katalogovém zapojen´ı s blo-kovac´ım kondenzátorem vstupu (C7) a výstupu (C8) s kapacitou M1. Napˇet´ı +5V vyrobené stabilizátorem 7805 slouˇz´ı k napájen´ı digitáln´ı logiky technologie TTL2.

4.2 Modul gener´

atoru

Generátor je modul, který pln´ı hlavn´ı funkci zaˇr´ızen´ı, tedy generuje harmonický signál (tvar sinus) a neharmonické signály tvaru trojúheln´ıku a obdéln´ıku. K zapojen´ı tohoto moudulu bylo pouˇzito upravené zapojen´ı podle Richarda Vaculy a Michala Jahelky [7]. Schéma zapojen´ı je pˇriloˇzeno v pˇr´ıloze Astrana 3.

Modul je tvoˇren monolitickým integrovaným funkˇcn´ım generátorem XR8038 [8], který je napájen napˇet´ım +12V z modulu zdroje popsaného v katitole4.1. Tento generátor generuje signály tvaru sinus, trojúheln´ık a obdéln´ık, které mohou být souˇcasnˇe odeb´ırány na výstupu. Obvod XR8038 je schopen pomˇernˇe variabilnˇe mˇenit tvar výstupn´ıch signál˚u, jako napˇr´ıklad pomˇer stˇr´ıdy u obdéln´ıku. Tato jeho vlastnost, ale bohuˇzel má i nevýhodu a to, ˇze pˇri zmˇenˇe stˇr´ıdy na jiný pomˇer neˇz 1:1 dojde k deformaci ostatn´ıch výstupn´ıch signál˚u, konkrétnˇe sinus a trojúheln´ık. Tato vlastnost je dána t´ım, ˇze vˇsechny signály jsou mezi sebou provázané a tedy zmˇena tvaru jednoho z nich zmˇen´ı tvar i zbývaj´ıc´ıch dvou. Z tohoto d˚uvodu byly nˇekteré nastavitelné vlastnosti generátoru potlaˇceny, vloˇzen´ım rezistor˚u do zapojen´ı m´ısto potenciometr˚u. Zapojen´ı umoˇzˇnuj´ıc´ı nastaven´ı mnoha parametr˚u výstupn´ıch signál˚u za pomoci promˇenných prvk˚u je moˇzné nastudovat v katalogovém listu [8] a nebo v publikaci monolit [6].

Navrˇzené zapojen´ı vyuˇz´ıvá pˇet nastavitelných prvk˚u. Trimr R10 sloˇz´ı pro minimali-zaci zkreslen´ı tvaru generovaného signálu. Minimalizace se provád´ı pˇriveden´ım korekˇcn´ıho napˇet´ı na vstup 12 (SA2) generátoru. Trimr R5 v zapojen´ı umoˇzˇnuje doladit pomˇer stˇr´ıdy u signálu tvaru obdéln´ıku na ideáln´ı hodnotu 1:1 (a t´ım i minimalizaci deformace signál˚u tvaru trojúheln´ıku a sinus). Tento trimr totiˇz upravuje velikost vstupn´ıho napˇet´ı (pomˇeru vstupn´ıho napˇet´ı), mezi vstupy generátoru na vývodech 4 a 5 a to realizuje za pomoci rezistor˚u R1, R2, R3, R4, resp. zmˇenou velikosti odporu na jedné z vˇetv´ı vstupu. Tyto souˇcástky ovlivˇnuj´ı kromˇe tvaru i frekvenci generovanou generátorem, pˇredevˇs´ım pˇri vyˇsˇs´ıch frekvenc´ıch. Dalˇs´ım nastavuj´ıc´ım prvkem je trimr R7, který slouˇz´ı k hrubému nastaven´ı frekvence, resp. k nastaven´ı lad´ıc´ıho rozsahu. Zbývaj´ıc´ı nastavovac´ı prvky jsou potenciome-try R8 a R9, které slouˇz´ı k hrubému (R9) a jemnému (R8) nastaven´ı frekvence, tyto dva potenciometry jsou jedinými lad´ıc´ımi prvky generátoru, které by mˇel uˇzivatel generátoru nastavovat. Dalˇs´ımi prvky které maj´ı vliv na velikost frekvence generované generátorem jsou

2

(22)

kondenzátory C1, C2 a C3, tyto kondenzátory jsou pˇripojeny na pˇrep´ınaˇc, coˇz znamená ˇze je v obvodu pˇripojen vˇzdy pouze jeden z nich. K jednomu z tˇechto tˇr´ı kondenzátor˚u je pˇripojen paralelnˇe kondenzátor C4 tyto dva kondenzátory jsou prvky, které urˇcuj´ı základn´ı velikost frekvence, generované generátorem. Dalˇs´ı prvky, které ovlivˇnuj´ı frekvenci jsou di-oda D1, jiˇz dˇr´ıve zm´ınˇené rezistory R1, R2, R3, R4 a trimr R5. Zapojen´ı diody D1 do série má za následek moˇznost rozm´ıtán´ı v daleko vyˇsˇs´ım rozsahu.

´

Uprava zapojen´ı Richarda Vaculy a Michala Jahelky spoˇc´ıvá ve zmˇenˇe kapacity kon-denzátor˚u C1, C2 a C3, protoˇze nebyly poˇzadovány tak vysoké maximáln´ı frekvence jakých p˚uvodn´ı zapojen´ı dosahovalo, zmˇenou kapacit byla z´ıskána moˇznost pˇresnˇeji regulovat generované frekvence. Dalˇs´ı zmˇenou oproti p˚uvodn´ımu zapojen´ı je pˇripojen´ı výstupu 3 generátoru (výstup signálu tvaru obdéln´ıku) pˇres rezistor R6 na napájec´ı napˇet´ı +12V, tato zmˇena byla provedena podle publikace [6], a jej´ı aplikac´ı doˇslo ke zlepˇsen´ı parametr˚u výstupn´ıho signálu tvaru obdéln´ıku.

Modul generátoru je dále pˇripojen na modul pˇrizp˚usoben´ı výstupu, který je popsán v kapitole4.3 a modul tvarovaˇce popsaný v kapitole4.4.

4.3 Modul line´

arn´ıho zesilovaˇ

ce

Signál, který generuje modul generátoru nedosahuje optimáln´ıch vlastnost´ı (poˇzadované napˇet’ové úrovnˇe a neumoˇzˇnuje zmˇenu napˇet’ové úrovnˇe). Proto je generátor pˇripojen na mo-dul lineárn´ıho zesilovaˇce, který zajiˇst’uje poˇzadované parametry. Lineárn´ı zesilovaˇc zajiˇst’uje impedanˇcn´ı pˇrizp˚usoben´ı vstupu, zes´ılen´ı vstupn´ıho signálu na maximáln´ı moˇznou úroveˇn a moˇznost zmˇeny výstupn´ı napˇet’ové úrovnˇe signálu generovaného modulem generátoru. Modul se skládá ze tˇr´ı ˇcást´ı (A, B a C). Schéma zapojen´ı je pˇriloˇzeno v pˇr´ılozeA strana 4.

ˇ

Cásti A a B jsou totoˇzné, liˇs´ı se pouze tvarem vstupn´ıho signálu, který je do kaˇzdého z nich pˇrivádˇen (do ˇcásti A signál tvaru sinus a do ˇcásti B signál tvaru trojúheln´ıku).

ˇ

Cásti se skládaj´ı z tranzistoru KF508 (T1 v ˇcásti A a T2 v ˇcásti B) v zapojen´ı emitorový sledovaˇc3, který zajiˇst’uje impedanˇcn´ı pˇrizp˚usoben´ı. Toto zapojen´ı se vyznaˇcuje vysokou vstupn´ı a n´ızkou výstupn´ı impedanc´ı. Dalˇs´ım integrovaným obvodem zapojeným v této ˇcásti je lineárn´ı integrovaný obvod, operaˇcn´ı zesilovaˇc 741 (OZ1v ˇcásti A a OZ2 v ˇcásti B). Tento obvod zajiˇst’uje zes´ılen´ı signálu funkˇcn´ıho generátoru na maximáln´ı poˇzadovanou výstupn´ı ´

uroveˇn. Mezi dalˇs´ı pozitivn´ı vlastnosti operaˇcn´ıho zesilovaˇce 741 patˇr´ı, ˇze nevyˇzaduje kmi-toˇctovou kompenzaci, je chránˇen proti úˇcink˚um náhodného i trvalého zkratu a t´ım zajiˇst’uje ochranu daného výstupu celého zaˇr´ızen´ı. Obvod také má n´ızký pˇr´ıkon, nedocház´ı k jeho zablokován´ı [13, s. 351]. Zes´ılený signál je výstupn´ım potenciometrem (P5 v ˇcásti A a P10 v ˇcásti B) upraveno na mez, která je poˇzadována uˇzivatelem. Dále je obvod doplnˇen o sadu trimr˚u pro nastaven´ı optimáln´ıch hodnot. Pro ˇcást A to je pro potlaˇcen´ı driftu OZ1 trimr R3 (v ˇcásti B R8), pro nastaven´ı optimáln´ıho zes´ılen´ı bez limitace a zkreslen´ı signálu OZ1. Trimr R4 (v ˇcásti B R9) pro nastaven´ı pracovn´ıho bodu tranzistoru T1 trimr R1 (trimr R6 pro ˇcást B).

ˇ

Cást C slouˇz´ı pouze pro sn´ıˇzen´ı napˇet’ové úrovnˇe signálu tvaru obdéln´ıku na úroveˇn poˇzadovanou na výstupu. Toto sn´ıˇzen´ı zajiˇst’uje potenciometr R11.

3_{zapojen´ı tranzistoru se spoleˇ}_cn´_{ym emitorem se zes´ılen´ım 1, kter´}_{e slouˇ}_{z´ı k impedanˇ}_{cn´ımu oddˇ}_{elen´ı vstupu} od v´ystupu

(23)

4.4 Pˇ

revodn´ık sign´

alu na ´

uroveˇ

n TTL

Kv˚uli nekompatibilitˇe napˇet’ových úrovn´ı signálu generovaného modulem generátoru funkc´ı popsaném v kapitole4.2 a mikropoˇc´ıtaˇcového modulu z kapitoly4.5, bylo nutné mezi tyto dva moduly vloˇzit meziˇclánek, který signál pˇrizp˚usob´ı. T´ımto meziˇclánkem je pˇrevodn´ık signálu na úroveˇn TTL. Tento pˇrevodn´ık s jednoduchým zapojen´ım tranzistoru KF508 (T1) je napájen napájec´ım napˇet´ım +5V. Toto napˇet´ı je jedn´ım z výstup˚u stabilizovaného zdroje napˇet´ı z kapitoly 4.1. Tranzistor je zapojen jako emitorový sledovaˇc, protoˇze emito-rový sledovaˇc neinvertuje vstupn´ı signál a nedocház´ı u nˇeho k fázovému posuvu. Pˇrevodn´ık upravuje obdéln´ıkový signál variabiln´ı úrovnˇe na signál logických úrovn´ı TTL4. Schéma zapojen´ı je pˇriloˇzeno v pˇr´ıloze A strana 5.

4.5 Mikropoˇ

c´ıtaˇ

cov´

y modul

Tento modul je sloˇzen pouze z mikropoˇc´ıtaˇce firmy Freescale semiconductor konkrétnˇe mc908qy4cpe[9] v základn´ım zapojen´ı, schéma zapojen´ı mikropoˇc´ıtaˇce m˚uˇzete nalézt v pˇ r´ı-loze A strana 6. Mikropoˇc´ıtaˇc je napájen napˇet´ım +5V, které vyráb´ı modul zdroje z kapi-toly4.1. Modul zajiˇst’uje mˇeˇren´ı frekvence signál˚u generovaných modulem generátoru. Aby bylo moˇzné mikropoˇc´ıtaˇcem frekvenci tohoto signálu mˇeˇrit je nutné, aby byl signál tvaru obdéln´ıku a aby napˇet’ové úrovnˇe tohoto signálu odpov´ıdaly napˇet’ovým úrovn´ım logické 0 a 1 logiky TTL coˇz zajiˇst’uje modul tvarovaˇce který je popsán v kapitole 4.4. Výstup tvarovaˇce je pˇripojen na porty dvou kanál˚u ˇc´ıtaˇce mikropoˇc´ıtaˇce, tˇemito porty jsou porty PTA0 (kanál 0 ˇc´ıtaˇce) a PTA1 (kanál 1 ˇc´ıtaˇce). Signál je pˇripojen na dva kanály ˇc´ıtaˇce z d˚uvodu rozd´ılného zp˚usobu mˇeˇren´ı pomalých a rychlých signálu.

Signály o vysokých frekvenc´ıch jsou mˇeˇreny zp˚usobem, pˇri kterém je po vhodnˇe velkou ˇ

casovou konstantu zachytáván poˇcet nábˇeˇzných hran a hodnota poˇctu nábˇeˇzných hran za tuto dobu je pˇrepoˇctena na frekvenci. Tento zp˚usob má výhodu v tom, ˇze je zobrazen rychleji a docház´ı k ˇcastˇejˇs´ı aktualizaci zobrazené hodnoty, jeho nevýhodou je niˇzˇs´ı pˇresnost.

Niˇzˇs´ı pˇresnost prvn´ıho zp˚usobu by zp˚usobila pˇri signálech o niˇzˇs´ıch kmitoˇctech zcela nepˇresné a zavádˇej´ıc´ı hodnoty, proto jsou niˇzˇs´ı kmitoˇcty mˇeˇreny za pomoc´ı mˇeˇren´ı ˇcasu mezi dvˇema hranami. To znamená pˇri zachycen´ı prvn´ı hrany signálu mikropoˇc´ıtaˇc zaˇcne ˇ

c´ıtán´ı hodnoty, dokud nen´ı zachycena druhá hrana signálu, naˇc´ıtaná hodnota odpov´ıdá ˇ

casu, který uplynul mezi signály. Tento ˇcas je pomoc´ı vztahu na pˇrevod ˇcasu na frekvenci pˇreveden a zobrazen. Tato metoda je nevýhodná v tom, ˇze signál o frekvenci f = 0, 5Hz je ˇ

c´ıtán po dobu ˇcasu t = 2s, coˇz zp˚usob´ı neaktuálnost zobrazené frekvence po dobu t = 2s. Mikropoˇc´ıtaˇc rozhoduje zda je signál o n´ızké nebo o vysoké frekvenci podle toho, zda bylo za mˇeˇr´ıc´ı ˇcas mˇeˇren´ı rychlých signál˚u naˇc´ıtáno dostatek hodnot pro výpoˇcet s pˇrijatelnou chybou, pokud bylo je frekvence mˇeˇrena prvn´ım zm´ınˇeným zp˚usobem, pokud ne je frekvence zobrazena druhým zp˚usobem.

Mikropoˇc´ıtaˇc také ovládá zobrazovac´ı modul pomoc´ı adresn´ı a datové sbˇernice. Zp˚usob ovládán´ı je popsán v kapitole 4.6.

Pˇri výbˇeru mikropoˇc´ıtaˇce byl porovnán mikropoˇc´ıtaˇc mc908qy4cpe firmy Freescale se-miconductor a 89c2051 firmy Atmel. Výhodou mikropoˇc´ıtaˇce 89c2051 je jeho cena (pˇribliˇznˇe poloviˇcn´ı oproti mc908qy4cpe [3]), jeho nevýhodou je nutnost pouˇzit´ı extern´ıho oscilátoru

4

napˇet’ová úroveˇn odpov´ıdaj´ıc´ı v TTL logice napˇet´ı 0 − 0, 8V je nazývána logickou 0, napˇet’ová úroveˇn odpov´ıdaj´ıc´ı v TTL logice napˇet´ı 2 − 5V je nazývána logickou 1 a oblast mezi horn´ı úrovn´ı logické 0 a spodn´ı ´

urovn´ı logické 1 tzn. 0, 8 − 2 je takzvanou zakázanou oblast´ı, ve které nen´ı garantováno chován´ı logických obvod˚u

(24)

v základn´ım zapojen´ı. Výhodou mc908qy4cpe je, ˇze v základn´ım zapojen´ı nevyˇzaduje ˇzádné extern´ı souˇcástky, takˇze staˇc´ı pouze pˇripojit dalˇs´ı moduly bez nutnosti dalˇs´ıch úprav, nevýhodou vyˇsˇs´ı cena. Z tˇechto hledisek by tedy bylo vhodnˇejˇs´ı pouˇz´ıt mikropoˇc´ıtaˇc typu 89c2051, ale k tomuto mikropoˇc´ıtaˇci by bylo nutné postavit programátor, protoˇze tento druh mikropoˇc´ıtaˇce se na FIT VUT nepouˇz´ıvá, z tohoto d˚uvodu byl ve výsledku pouˇzit mi-kropoˇc´ıtaˇc firmy Freescale semiconductor mc908qy4cpe, protoˇze jinak jsou mikropoˇc´ıtaˇce pro úˇcel mˇeˇren´ı frekvence daného signálu na srovnatelné úrovni.

4.6 Zobrazovac´ı modul

Zobrazovac´ı modul slouˇz´ı k zobrazen´ı frekvence zmˇeˇrené mikropoˇc´ıtaˇcem. Jako zobrazovaˇc je pouˇzit ˇsestim´ıstný sedmisegmentový LED display. K mikropoˇc´ıtaˇci se pˇripojuje pomoc´ı adresn´ı a datové sbˇernice. Celý modul se skládá kromˇe zobrazovaˇce jeˇstˇe z obvod˚u 74154 [14, s. 213] a 7405 [14, s. 301]. Schéma zapojen´ı je pˇriloˇzeno v pˇr´ılozeA strana 7.

Výhodou pouˇzitého sedmisegmentového ˇsestim´ıstmého LED displaye oproti alfanume-rickému displayi z tekutých krystal˚u (LCD) je pˇredevˇs´ım cena, která je pˇribliˇznˇe tˇretinová [3]. Dalˇs´ı výhodou je jednoduˇsˇs´ı adresován´ı jednotlivých znak˚u (ˇc´ısel). Nevýhodou je nut-nost pouˇzit´ı extern´ıch souˇcástek v pˇr´ıpadˇe, ˇze chceme sn´ıˇzit poˇcet vyuˇzitých vývod˚u port˚u mikropoˇc´ıtaˇce, jde o adresn´ı dekodér, pˇr´ıpadnˇe dekodér BCD5 na sedmisegment, displaye LCD maj´ı vˇetˇsinou dekodéry integrované. LED display má i vˇetˇs´ı odbˇer neˇz LCD display coˇz je v nˇekterých aplikac´ıch zásadn´ı, v pˇr´ıpadˇe tohoto zaˇr´ızen´ı ovˇsem nen´ı situaci nutné ˇreˇsit, protoˇze celé zaˇr´ızen´ı je napájeno z elektrické s´ıtˇe. Tuto vlastnost LED displaye by bylo nutné m´ıt na zˇreteli, pokud bychom uvaˇzovali o pˇrenosmé verzi napájené z bateri´ı.

Obvod 74154 (IO1) je adresn´ı dekodér, coˇz znamená, ˇze ˇc´ıslo pˇrivedené na adresn´ı sbˇernici v binárn´ım kódu pˇrevede na jeden z 16ti výstup˚u, napˇr. jestliˇze pˇrivedeme na adresn´ı sbˇernici logické hodnoty A = 1, B = 1, C = 0 a D = 0 výsledkem bude logická 0 na výstupu 3, zbývaj´ıc´ıch 15 výstup˚u bude v logické 1. My potˇrebujeme adresovat pouze 6 r˚uzných adres, proto je na adresn´ı vstup D trvale pˇrivedena logická 1, d´ıky ˇcemuˇz lze pomoc´ı A B a C adresovat výstupy 8-15.

LED display (IO3) má 14 vývod˚u, z nichˇz je 8 urˇceno pro adresován´ı jednotlivých segment˚u a zbývaj´ıc´ıch 6 pro adresován´ı daného ˇc´ısla (m´ısta na displayi). Jednotlivé sed-misegmenty jsou vnitˇrnˇe (v displayi) zapojeny se spoleˇcnou anodou. Z toho vyplývá, ˇze pro vybrán´ı daného m´ısta je nutné na pˇr´ısluˇsnou anodou (výbˇer prob´ıhá pomoc´ı adresn´ı sbˇernice) pˇrivést logickou 1. Na datovou sbˇernici se potom pomoc´ı pˇr´ısluˇsného výbˇeru lo-gických 0 nastav´ı jaká ˇc´ıslice má být na pˇr´ısluˇsném segmentu zobrazena. LED diody v jed-notlivých display´ıch sv´ıt´ı pˇri optimáln´ım napˇet´ı 2, 1V s odbˇerem 5mA [3], z tohoto d˚uvodu bylo nutné pˇred kaˇzdou katodu LED zaˇradit pracovn´ı rezistor (R1-R8) 1k8Ω, který zajist´ı ´

ubytek napˇet´ı.

Invertor 7405 (IO2) je v zapojen´ı pouˇzit pro negaci výstupu adresn´ıho dekodéru 74154, který provád´ı výbˇer pomoc´ı logické 0, ale sedmisegmentový LED display pro výbˇer daného m´ısta vyˇzaduje logickou 1.

Zobrazen´ı namˇeˇrené hodnoty frekvence prob´ıhá v nˇekolika kroc´ıch. Poˇcáteˇcn´ım stavem je stav pˇri kterém, na adresn´ı sbˇernici je pˇrivedena binárn´ı kombinace hodnot A = 1, B = 1, C = 1 a D = 1 (D = 1 vˇzdy, protoˇze je trvale pˇrivedeno na +5V, d˚uvody jsou popsány výˇse), která zp˚usob´ı, ˇze nen´ı vybráno ˇzádné m´ısto (ˇc´ıslice) na displayi na datové sbˇernici je neznámy stav. Prvn´ım krokem je nastaven´ı platné hotnoty na datovou sbˇernici

5

(25)

pro prvn´ı m´ısto displaye. Druhým krokem je nastaven´ı adresy daného m´ısta na displayi pomoc´ı adresn´ı sbˇernice. Tˇret´ım krokem je znovunastaven´ı hodnot A = 1, B = 1, C = 1, tedy nen´ı zaadresováno ˇzádné m´ısto. V ˇctvrtém kroku je nastavená platná hodnota na datovou sbˇernici, pro následuj´ıc´ı m´ısto. Pˇri pátém kroku je nastavena adresa následuj´ıc´ıho m´ısta na displayi. Tato sekvence krok˚u se neustále opakuje a kv˚uli nedokonalosti lidského oka ˇclovˇek nepotˇrehne, ˇze jsou jednotlivá m´ısta na displayi pˇrep´ınána. Pro uˇzivatele je tedy ˇ

citeln´y cel´y display.

4.7 Mechanick´

a konstrukce

Celé zaˇr´ızen´ı bylo realizováno. Realizace prob´ıhala v domác´ıch podm´ınkách, DPS byly na-vrhnuty, vyleptány a osazeny. Nakonec byl celý generátor um´ıstˇen do pˇr´ıstrojové skˇr´ınˇe. Na ˇ

celn´ı panel této skˇr´ınˇe byly vyvedeny vˇsechny pro uˇzivatele d˚uleˇzité ovládac´ı prvky, vyp´ınaˇc zaˇr´ızen´ı, indikátor zapnut´ı (LED6_{), ˇ}_{sestim´ıstn´}_{y sedmisegmentov´}_{y display pro mˇ}_eˇ_ren´ı frek-vence, trojpozicový pˇrep´ınaˇc rozsah˚u, potenciometry pro jemnou a hrubou regulaci frek-vence, potenciometry pro regulaci amplitudy, pro kaˇzdý výstupn´ı signál konektor BNC7 a zd´ıˇrka pro banánek a zd´ıˇrka pro banánek uzemnˇen´ı. Grafická podoba ˇceln´ıho panelu je pˇriloˇzena v pˇr´ıloze B. Zaˇr´ızen´ı je vyfoceno na obrázku4.1

Obr´azek 4.1: Gener´ator

6_{Light Emiting Diode - svˇ}_{etlo vyzaˇ}_{ruj´ıc´ı dioda[}₄_] 7

bayonet Neill-Concelman je bajonetový konektor pojmenovaný podle svých konstruktér˚u Paula Neilla a Carla Concelmana[4]

(26)

Kapitola 5

Mˇ

eˇ

r´ıc´ı zpr´

ava

K mˇeˇren´ı byl pouˇzit osciloskop C1-118 (pro mˇeˇren´ı amplitudy signálu) a multimetr Range RE330F (pouˇzitý jako mˇeˇriˇc frekvence). Namˇeˇrené hodnoty jsou v tabulce5.1 a5.2.

Rozsah na pˇrep´ınaˇci Rozsah namˇeˇren´ych f [Hz]

1 0-115

2 0-1658

3 0-20000

Tabulka 5.1: Namˇeˇren´e frekvenˇcn´ı rozsahy Tvar Rozsah namˇeˇren´ych U [V]

Sinus 0-10

Obd´eln´ık 0-5,8

Troj´uheln´ık 0-10

Tabulka 5.2: Namˇeˇren´e rozsahy amplitudy

Ukázky mˇeˇrených signál˚u jsou na obrázc´ıch 5.1, 5.2 a 5.3, na obrázku 5.4 je ukázáno pˇripojen´ı osciloskopu ke generátoru.

(27)

Obrázek 5.2: Obdéln´ıkový výstup z generátoru

(28)

(29)

Kapitola 6

Z´

avˇ

er

´

Ukolem této bakaláˇrské práce bylo navrhnout funkˇcn´ı generátor, který bude rozˇsiˇrovat praktické ukázky v laboratoˇr´ıch IPR.

Navrˇzený generátor generuje harmonické trojúheln´ıkové a obdéln´ıkové signály, je moˇzné mˇenit napˇet’ovou úroveˇn a frekvenci generovaného signálu. Dalˇs´ı vlastnost´ı generátoru je odolnost v˚uˇci doˇcasnému i trvalému zkratu na harmonickém a obdéln´ıkovém výstupu. Frek-venci je generátor schopen pˇri nynˇejˇs´ım nastaven´ı (za pomoci trimru R7) regulovat v rozmez´ı 0-20kHz (pˇri zmˇenˇe nastaven´ı trimru R7 aˇz 0-200kHz, ale pˇri vyˇsˇs´ıch frekvenc´ıch docház´ı k pomˇernˇe znaˇcnému utlumen´ı, pro které nebyl modul lineárn´ıho zesilovaˇce konstruován).

Pˇri koneˇcné realizaci a promˇeˇren´ı celého zaˇr´ızen´ı bylo zjiˇstˇeno, ˇze nˇekteré ˇcásti by bylo vhodné realizovat jinak. Jde pˇredevˇs´ım o zmˇenu modulu lineárn´ıho zesilovaˇce (popsaný v kapitole 4.3), který je pˇr´ıliˇs teplotnˇe závislý. Teplotn´ı závislost zp˚usobuje, ˇze po zapnut´ı zaˇr´ızen´ı docház´ı ke znaˇcnému oˇr´ıznut´ı výstupn´ıch signál˚u harmonického a obdéln´ıkového tvaru. Dojde totiˇz rozladˇen´ı napˇet’ové kompenzace driftu operaˇcn´ıho zesilovaˇce. Dalˇs´ım nedostatkem, který generátor má je jeho vlastnost generovat signál od 0Hz, coˇz zp˚usob´ı ˇ

ze na výstupu je stejnosmˇerné napˇet´ı. Tento problém by bylo moˇzné odstranit zapojen´ım rezistoru mezi napájen´ı a potenciometr R9 do modulu generátoru (popsaný v kapitole4.2). Tento rezistor bude spolu se souˇctem rezistor˚u R7, R8, a ˇcásti R9 (konkrétnˇe v problémovém nastaven´ı se nejedná o ˇcást R9, ale jeho plnou hodnotu) zapojen jako napˇet’ový dˇeliˇc. Pˇripojený rezistor zamez´ı pˇriveden´ı napájec´ıho napˇet´ı na vstup generátoru, který urˇcuje generovanou frekvenci.

Mezi rozˇs´ıˇren´ı, které by bylo moˇzné (vhodné) v dalˇs´ı práci realizovat patˇr´ı j´ıˇz zm´ınˇené zapojen´ı rezistoru pro zamezen´ı nastaven´ı generátoru na hodnotu frekvence 0Hz. Dalˇs´ı ´

upravou pro dosaˇzen´ı lepˇs´ıch výsledk˚u generátoru je nahrazen´ı zapojen´ı modulu lineárn´ıho zesilovaˇce za jiné vhodnˇejˇs´ı zapojen´ı. Rozˇs´ıˇren´ım, které by usnadnilo práci s generátorem by také bylo zapojen´ı voltmetru, který by mˇeˇril napˇet´ı, které generátor generuje. Tento voltmetr by ale pravdˇepodobnˇe musel být zapojen spolu s pˇrep´ınaˇcem, který by urˇcoval zda má být mˇeˇreno napˇet´ı na harmonickém, trojúheln´ıkovém nebo obdéln´ıkovém výstupu, nebo frekvence generovaného signálu.

(30)

Dodatek A

Sch´

ematick´

y n´

avrh gener´

atoru

harmonick´

ych sign´

al˚

u

(31)

Zdroj

Generátor

MLZ

Tvarova

MLZ

µPo íta

Zobrazova

A

B

MLZ

C

Název: Blokové schema generátoru harmonických signál

(32)

D1 1N4007 D2 1N4007 D3 1N4007 D4 1N4007 C3 10k C4 10k 1 2 3 IO1 7812 D5 1N4007 D6 1N4007 D7 1N4007 D8 1N4007 C1 10k C2 10k C5 10k C6 10k 1 2 3 IO2 7912 Transformátor

230V 50Hz

+12V

-12V

1 2 3 IO3 7815 C7 10k C8 10k

+5V

Název: Modul stabilizovaného zdroje nap tí

Index: Datum: 2.4.2008 List: 2/7

(33)

SA1 SWO TWO DCA1 DCA2 Vcc FMBI NC NC SA2 Vee TC SQO FMSI IO1 XR8038 R1 5K11 R2 5K11 R3 2K2 R4 2K2 R5 5k D1 1N4007 R6 130K

MLZ

Zm na úrovn

+12V

C1 10k C2 10k C3 10k C4 220p R7 150k R8 5k R9 10k C5 100n R10 100k

Název: Modul generátoru

(34)

T1 KF507 C1 2M R1 10k R2 2k2 OZ2 741 R3 10k R4 2M2 R5 M1

+12V

-12V

T2 KF507 C2 2M R6 10k R7 2k2 OZ2 742 R8 10k R9 2M2 R10 M1

+12V

-12V

R11 M1

ást A

ást B

ást C

Modul generátoru

Název: Modul lineárního zesilova e (MLZ)

(35)

R1 M22 R2 10K T1 BC337

+5V

Zm na úrovn

Úrov TTL

Název: Modul tvarova e

(36)

Ucc PTB7 PTB6 PTA5/OSC1/AD3/KBI5 PTA4/OSC2/AD2/KBI4 PTB5 PTB4 PTA3/RST/KBI3 GND PTB0 PTB1 PTA0/AD0/TCH0/KBI0 PTA1/AD1/TCH1/KBI1 PTB2 PTB3 PTA2/IRQ/KBI2/TCLK IO1 mc908qy4cpe

Úrove TTL

Datová sb rnice

Adresní sb rnice

+5V

Název: Mikropo íta ový modul

(37)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 GND Ucc A B C D G2 G1 15 14 13 12 11 IO1 MH74154

+5V

Adresní sb rnice

S1 S2 S3 E F G H D A B C S4 S5 S6 IO3 LED display

Datová sb rnice

A0 Y0 A1 Y1 A2 Y2 GND Ucc A5 Y5 A4 Y4 A3 Y3 IO4 MH7405 R1-R8 330

Název: Zobrazovací modul

(38)

Dodatek B

ˇ

(39)

S

ít

´

R

o

z

s

a

h

F

re

k

v

e

n

c

e

J

e

m

n

ì

H

ru

b

ì

Ú

ro

v

e

ò

Z

e

m

(40)

Literatura

[1] Jednoduchý n´ızkofrekvenˇcn´ı generátor. Amatérské rádio, roˇcn´ık 5, ˇc. 2, 1990: str. 80. [2] Encyklopedie Co je co. [online], Naposledy navˇst´ıveno 15. 4. 2008.

URLhttp://www.cojeco.cz/

[3] GM Electronic. [online], Naposledy navˇst´ıveno 30. 4. 2008. URLhttp://www.gme.cz/

[4] Wikipedie Otevˇren´a encyklopedie. [online], Naposledy navˇst´ıveno 15. 4. 2008. URLhttp://www.cs.wikipedia.org/

[5] Vyukov´e materi´aly SPˇSE a VOˇS Pardubice. [online], Naposledy navˇst´ıveno 15. 4. 2008. URLhttp://www.b324.com/ek/oscilatory.pdf

[6] R´adio plus KTE. [online], Naposledy navˇst´ıveno 10. 11. 2007. URLhttp://www.radioplus.cz/clanky/pdf/monolit.pdf

[7] 30. Mistrovstv´ı ˇCR dˇet´ı a ml´adeˇze v radioelektronice, Opava 2007. [online], Naposledy navˇst´ıveno 2. 5. 2008.

URLhttp://www.postreh.com/phprs/download/mcrele/vyrobekz2.pdf

[8] Katalogov´y list gener´atoru XR8038 spoleˇcnosti EXAR. [online], Naposledy navˇst´ıveno 2. 5. 2008.

URL http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/82328/EXAR/XR8038. html

[9] Katalogov´y list mikropoˇc´ıtaˇce mc908qy4cpe spoleˇcnosti Freescale semiconductor. [online], Naposledy navˇst´ıveno 2. 5. 2008.

URL http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/ MC68HC908QY4A.pdf

[10] Bezdˇek, M.: Elektronika 1. ˇCeské Budˇejovice: Kopp, 2002, ISBN 80-7232-171-4. [11] Funke, R.; Liebscher, S.: Základn´ı elektronikcá zapojen´ı. Praha: SNTL, 1972.

[12] Kˇriˇst’án, K.; Vachala, V.: Pˇr´ıruˇcka pro navrhován´ı elektronických obvod˚u. Praha: SNTL, 1982.

[13] Tesla elektronické souˇcástky koncern, Roˇznov pod Radhoˇstˇem: Konstrukˇcn´ı katalog lineárn´ıch integrovaných obvod˚u. Konstrukˇcn´ı katalog polovodiˇcových souˇcástek tesla, sv. d vydán´ı, 1980.

(41)

[14] Tesla elektronické souˇcástky koncern, Roˇznov pod Radhoˇstˇem: Konstrukˇcn´ı kata-log bipolárn´ıch logických integrovaných obvod˚u. Konstrukˇcn´ı katalog polovodiˇcových souˇcástek tesla vydán´ı, 1983, 2. vydán´ı.