Elettronica Applicata a.a. 2013/2014 Esercitazione N 5 OSCILLATORE A SFASAMENTO Fabio Cioria Andrea Giombetti Giulio Pelosi (fabio.cioria@insono.com) (giombetti@unifi.it) (giulio.pelosi@insono.it) www.echommunity.com/courses.htm Elettronica applicata Esercitazione N 5 1
Scopo dell esperienza Realizzazione di un oscillatore a sfasamento, con amplificatore operazionale μa741, per generare un onda sinusoidale L oscillatore a sfasamento è un oscillatore solitamente per generare oscillazini a basse frequenza inferiori al MHz. Lo schema generale è costituito da un amplificatore invertente (realizzabile con BJT, FET o un amplificatore operazionale) e tre celle RC identiche che costituiscono la reazione (l assenza di induttori fa si che questo tipo di oscillatore sia adatto per le basse frequenze, alle queli le dimensioni degli induttori sono elevate con conseguenti perdite). Dato che l amplificatore risulta invertente, le tre celle RC dovranno essere tali da garantire uno sfasamento complessivo di 180, in modo che nell anello lo sfasamento totale sia nullo, così com è richiesto. Essendo che ogni cella RC può produrre uno sfasamento < 90, si può comprendere la necessità di utilizzare almeno tre celle RC identiche. Di contro non vengono utilizzate più di tre celle per evitare ulteriori attenuazioni. Elettronica applicata Esercitazione N 5 2
Oscillatore a sfasamento Schema elettrico 1 Quale funzione hanno i 2 condensatori da 100nF posti tra le alimentazione (+12V e -12V) e massa? Elettronica applicata Esercitazione N 5 3
Oscillatore a sfasamento Schema elettrico 2 Elettronica applicata Esercitazione N 5 4
Oscillatore a sfasamento Schema elettrico 3 Elettronica applicata Esercitazione N 5 5
Oscillatore a sfasamento Lista dei componenti C 1 : 22nF (poliestere metallizzato) C 2 : 22nF (poliestere metallizzato) C 3 : 22nF (poliestere metallizzato) C 4 : 100nF (ceramico) C 5 : 100nF (ceramico) Potenziometro: trimmer da 10kΩ R 1 : 1kΩ (0.25W) R 2 : 27kΩ (0.25W) R 3 : 1kΩ (0.25W) R 4 : 1kΩ (0.25W) R 5 : 1kΩ (0.25W) U 1 : amplificatore operazionale μa741, package DIP8 D 1 : diodo zener 4.7V D 2 : diodo zener 4.7V NOTA: montare C 4 e C 5 solo se l uscita presenta rumore eccessivo Elettronica applicata Esercitazione N 5 6
Oscillatore a sfasamento Codice colori delle resistenze Elettronica applicata Esercitazione N 5 7
Oscillatore a sfasamento Analisi del circuito (parte 1) Dalle equazioni alle maglie della rete di reazione, indicata dal tratteggio in slide 2, si ricava che la funzione di trasferimento della rete RC è: Vf 1 2 3 V 1 5α j 6α α o dove α = 1/ωRC. La differenza di fase tra V 0 e V f vale 180 se α 2 =6, quindi per la frequenza 1 2πRC Vf 1 alla quale si ottiene. V 29 f o Elettronica applicata Esercitazione N 5 8 6
Oscillatore a sfasamento Analisi del circuito (parte 2) La sezione di amplificazione dell oscillatore, composta dall operazionale in configurazione invertente, deve quindi avere un guadagno di 29 per rispettare la condizione di Barkhausen Aβ 1 Per regolare il guadagno agiremo sul potenziometro. Elettronica applicata Esercitazione N 5 9
Esercitazione 1. Regolazione del guadagno Montare inizialmente il circuito rappresentato nello schema elettrico 2, con la rete di reazione RC aperta e la resistenza R 5 in più. Impostare il generatore di segnale con una sinusoide di frequenza 3KHz e ampiezza 200mV picco-picco (N.B. Ricordate che sul display leggerete 100mV perché?). Regolare il potenziometro fino ad ottenere.. Questo valore è di un 5% maggiore del valore teorico di guadagno (ovvero 29) ed è necessario per garantire l innesco ed il mantenimento dell oscillazione. La relazione diventa quindi : perché nella pratica questo risulta necessario? Elettronica applicata Esercitazione N 5 10
Esercitazione 2. Frequenza di centro banda del circuito RC Sempre con riferimento allo schema elettrico 2 e mantenendo un ampiezza del segnale di ingresso di 200mV picco-picco, prelevare con la sonda il segnale V f e variare la frequenza con passi di 100Hz o meno, intorno alla frequenza di 3KHz fino a quando non otterrete la relazione. Annotare la frequenza f 1 =... Elettronica applicata Esercitazione N 5 11
Esercitazione 3. Verifica dei parametri dell oscillatore Spengere e disconnettere il generatore di segnale e chiudere la catena di retroazione RC come mostrato nello schema elettrico 1. Verificare ampiezza e frequenza di oscillazione sull uscita del circuito. Annotare la frequenza f 2 =... Annotare l ampiezza V o =... Verificare la sfasamento prodotto da ogni singola cella RC. Prima cella RC φ RC1 =... Seconda cella RC φ RC2 =... Terza cella RC φ RC3 =... Le tre celle identiche RC producono ognuna uno sfasamento di 60? Perché? Elettronica applicata Esercitazione N 5 12
Esercitazione 4. Modifica del circuito con diodi zener Modificare il circuito come mostrato nello schema elettrico 3 inserendo la resistenza R 5 ed i due diodi zener sull uscita. Verificare l ampiezza e la frequenza di oscillazione in uscita. N.B. L uscita adesso si trova tra R 5 e gli zener! Annotare la frequenza f 3 =... Annotare l ampiezza V o =... Cosa cambia con questa configurazione? Come è determinato il valore picco-picco della tensione di uscita? Elettronica applicata Esercitazione N 5 13
Alla fine? Siete pregati di smontare i componenti dalla protoboard, rimetterli nella scatoletta e riporre tutto come all inizio dell esercitazione Così da facilitare i gruppi successivi GRAZIE! Elettronica applicata Esercitazione N 5 14