OSCILADOR DE RELAJACIÓN

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=±
R2
×V SAT
R1R 2
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
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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
Figura 7.2
Oscilador de Relajación
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.
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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 Vsuperará 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
R 2× R2 
2R F C×ln  1

R1
En el caso del circuito que se implementará en la práctica (figura 7.8) la fórmula queda
de la siguiente forma:
f=
1
R 2× R9∥R10 
2R 12 C 4×ln  13

R13
4
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Si se elige R13 = (0.86) (R9 // R10), la frecuencia será:
f=
1
2R 12 C 4
Valores de los elementos:
R9 = R10 = R12 = 22KΩ, R13 = 47KΩ y C4=10nF
Materiales y equipo
•
•
•
•
•
•
•
•
1
1
1
1
2
2
2
3
Unidad PU-2000 con Unidad PU-2200
Tarjeta EB-122
Multímetro
Osciloscopio de doble trazo
Cables conectores para el multímetro .
Cables conectores para el osciloscopio.
Cables conectores para la tarjeta EB.
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
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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.
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13. 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.
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18.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-2000.
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 8.8.
24.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 8.9.
26.Determine el valor de la frecuencia de oscilación: (F)osc = ______________
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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)
VPS-1 =_____________v
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28. 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 7.1.
29.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 8.1.
5. Determine una relación lineal entre la frecuencia de salida del oscilador y el voltaje en
PS-1.
6. ¿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: 537.534 B792 2003
•
Horenstein, Mark, “Microelectrónica : Circuitos y Dispositivos”
PRENTICE HALL, 1997 Edición: 1a.
Clasificación: 621.381 H811 1997
•
Millman, J, “Microelectrónica”
MCGRAW HILL, 1988. Edición: 1a
Biblioteca UDB 621.381 M658 s.f
Hoja de cotejo: 7
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Guía 7: Oscilador de Relajación
Alumno:
Puesto No:
Docente:
GL:
Fecha:
EVALUACION
%
CONOCIMIENTO
25
APLICACIÓN
DEL
CONOCIMIENTO
70
1-4
5-7
8-10
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.
Conocimiento y
explicación
incompleta de
los fundamentos
teóricos
Conocimiento
completo y
explicación clara
de los
fundamentos
teóricos
Cumple con dos
de los criterios.
Cumple con los
tres 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
Participa
propositiva e
integralmente
en toda la
práctica.
2.5
ACTITUD
Es ordenado pero no
hace un uso adecuado
de los Recursos
2.5
TOTAL
100
Hace un manejo
responsable y
adecuado de los
recursos de
acuerdo a
pautas de
seguridad e
Higiene
Nota