Microsoft Word - Pract4

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA DE TELECOMUNICACIÓN

ELECTRÓNICA ANALÓGICA I Práctica 4 “Circuitos de pulsos con Amplificadores Operacionales”

Curso 2002/2003

Departamento de Sistemas Electrónicos y de Control

Introducción En esta práctica se trata de experimentar con aplicaciones de los amplificadores operacionales dentro del campo de la Electrónica de Impulsos. Se aprovechan las posibilidades de estos dispositivos como ‘conmutadores’ trabajando fuera de las regiones lineales propias de las aplicaciones estrictamente ‘analógicas’. Como es sabido, la gran ganancia del AO facilita su utilización como comparadordetector de nivel. Si, adicionalmente, se aprovecha el concepto de Realimentación Positiva, puede entenderse la gran velocidad potencial de conmutación, limitada únicamente por los polos de su curva de respuesta. El alumno ya conoce la importancia que tiene el verificar con SPICE lar previsiones realizadas mediante un cálculo manual previo. Por ello tras llevar a cabo un diseño manual aproximado deberá proceder a la simulación en cada uno de los desarrollos

Objetivos: 1. Aprender el manejo de los AOs para otras aplicaciones en el ámbito de la generación de formas de onda, no necesariamente sinusoidales. 2. Comprobación experimental del funcionamiento de este tipo de aplicaciones. 3. Diseño, simulación, montaje y medida de circuitos de pulsos con AOs.

Duración de la práctica La duración de esta práctica será de tres semanas.

Informe previo En esta práctica no es necesario entregar estudio previo con antelación a la realización de las experiencias. No obstante, previamente al comienzo de las clases de laboratorio los alumnos irán provistos de los cálculos y simulaciones necesarias para llevar a cabo los montajes que vayan a caracterizarse.

Material necesario El alumno, para la realización de esta práctica, necesitará, además del material habitual, el siguiente (que tendrá que llevarlo desde el primer día): Componentes Pasivos: •

1 Resistor de 1,1 KΩ, 5%, ¼ W.

•

1 Resistor de 2,2 KΩ, 5%, ¼ W.

•

1 Resistor de 24 KΩ, 5%, ¼ W.

•

1 Condensador de 1 nF y otro de 10 nF.

•

2 Condensadores de plástico del orden de 100 nF.

Componentes Activos: •

CIs tipo µA 741, LM301 o similar,

•

Un transistor BC 547B, 2N2222 o similar,

Además de los componentes que considere oportunos, para la realización de los diseños, de acuerdo con los cálculos realizados

PRIMERA PARTE: Circuitos básicos 4.1. Multivibrador aestable. Se trata de realizar un circuito generador de ondas cuadradas de frecuencia variable. Para su implementación se va a proceder por partes. Comparador regenerativo. Monte el circuito de la figura 1, utilizando el A.O µA741 alimentado con ± 5V. R2 2K2Ω VCC

7 1

R1 1K1Ω Vi

3

+

2

-

U1 6

Vo

UA741 4 5

VEE

Figura 1

Conecte a la entrada Vi una señal sinusoidal de 3V de pico y de frecuencia 1 KHz. Visualice en el osciloscopio las señales de entrada y salida. Varíe la amplitud de la señal de entrada, verificando si existe un valor de crítico por debajo del cual la salida deja de conmutar. Anótelo a continuación y sobre las hojas de resultados.

Justifique las variaciones en la forma de onda de salida.

3

Circuito integrador. Monte el circuito de la figura 2 y aplique en Vi una señal cuadrada de frecuencia 1Khz y amplitud 1V. Visualice la señal que se obtiene en VO. ¿Que relación existe entre la salida y la entrada del circuito?. Varíe el offset del generador e indique las variaciones que aparecen en la salida.

C1

VEE 10nF

4 5

R1 24K Ω Vi

2 3

U1 UA741

+

6

Vo

7 1

VCC

Figura 2

Generador de ondas cuadradas. A continuación interconecte en un solo montaje las figuras 1 y 2, de manera que la salida de la figura 1 constituya la entrada de la figura 2, y la salida de la 2 se conecte a la entrada de la 1; conforme se indica en la figura 3. Lógicamente, ya no es necesario aplicar generador de señal alguno. Calcule la frecuencia de oscilación analíticamente y mediante la simulación con SPICE.

4

Figura 3

Represente gráficamente la señal que se obtiene en la salida de los amplificadores operacionales, verificando si se cumplen las previsiones.

V

t Defina los nuevos valores de los componentes necesarios para reducir la frecuencia de oscilación a la mitad, respecto al caso anterior. Anótelos a continuación y en las hojas de resultados. 5

Generador de ondas triangulares. Verifique con la simulación y con la experimentación que el multivibrador en estudio se comporta como un generador de ondas cuadradas y, también, como un generador de ondas triangulares. 4.2. Comparador Shmitt (Schmitt-trigger).

Monte el circuito básico explicado en la clase de teoría (figura 4). Determine los valores de las tensiones umbrales, VTL, VTH, que definen la curva de transferencia.

V

Figura 4.

Compárelos con los teóricos deducidos a partir de la figura 4. Dibuje a continuación y en las hojas de resultados la característica obtenida a partir de las medidas realizadas.

6

4.3. Oscilador Controlado por Tensión (VCO). Con un integrador y un comparador Schmitt puede construirse un dispositivo que genera una señal periódica cuya frecuencia depende de una señal de tensión, considerada como entrada al sistema. Se trata del Oscilador Controlado por Tensión, VCO, de amplias y muy importantes aplicaciones en la tecnología de transmisión, lazos enganchados en fase (PLLs), etc. El fundamento físico de su funcionamiento se basa en la variación del ritmo de carga y descarga de un condensador, en función de la tensión de entrada, estando definidos los umbrales alcanzables, máximo y mínimo, de tensión mediante un comparador, que fuerza la recarga en sentido contrario en el momento que se alcanzan. La onda de salida es, lógicamente, un tren de impulsos cuya frecuencia depende de la tensión de entrada. Enunciado: De acuerdo con el esquema de la figura 5, disponiendo de dos AOs (ej. tipo µA741 , LM301 o similar), un transistor bipolar (ej. BC547, 2N2222, o similar), un condensador C=1nF y los valores óhmicos necesarios, diseñe un VCO que con valores de VE entre 0,1 V y 10V genere un rango de ondas cuya frecuencia esté comprendida desde 100Hz a 10k Hz. Se dispone de alimentaciones de ± 15V.

Figura 5

7

NOTAS: Al generar la tensión de entrada variable, VE , se requiere minimizar los efectos de reflejo de la resistencia equivalente al divisor de tensión necesario (potenciómetro) sobre la red de entrada al sistema. Consecuentemente puede ser necesario intercalar un seguidor de tensión que haga aparecer la fuente de tensión variable como un generador ideal de tensión; esto significa la necesidad de un nuevo AO. Como divisor de tensión para disponer de tensiones variables utilice un potenciómetro en torno a unos 10kΩ. Para valores de la tensión de histéresis del Schmitt-Trigger tome |VH| = |VL| en el entorno de unos 6V, por ejemplo. Si se utiliza como transistor el 2N2222, u otro cuya VCESAT no sea lo suficientemente pequeña puede ocurrir que el sistema no arranque. En vez de un transistor bipolar puede utilizar un conmutador MOS, lo cual puede mejorar el arranque del sistema. Realización: A partir de los cálculos realizados previamente y la simulación SPICE en torno al esquema propuesto, monte el circuito. Caracterización del montaje realizado: Trace la curva de transferencia del VCO, esto es: f = F(VE) de acuerdo con lo solicitado en las hojas de resultados. Compare las medidas con las previsiones. Observe y cuantifique la linealidad de la característica de transferencia de acuerdo con lo solicitado en las hojas de resultados.

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HOJAS DE RESULTADOS Electrónica Analógica – curso 2002/2003 Práctica 4 – Circuitos de pulsos con Amplificadores Operacionales Alumno A:

Grupo: Fecha:

Alumno B:

Puesto:

Profesor de laboratorio:

PRIMERA PARTE: Circuitos básicos 4.1. Multivibrador Aestable. 4.1.1. ¿Cuál es el umbral de comparación del comparador regenerativo de la figura 1?

4.1.2. A partir de las formas de onda observadas, ¿qué función se realiza en la salida del circuito de la figura 2 con respecto a la tensión de entrada?

4.1.3. Indique la repercusión sobre la salida cuando se varía la componente ‘off-set’ de la señal de entrada.

4.1.4. Una vez montado el circuito multivibrador de la figura 3, represente gráficamente las señales observadas mediante el osciloscopio en la salidas de los AOs del circuito. Compare con los valores teóricos esperados y comente las posibles diferencias.

9

V

t

4.2. Comparador Schmitt. Represente la característica de transferencia obtenida a partir del montaje de la figura 4 anotando especialmente las tensiones de umbral, así como la región de histéresis del circuito.

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4.3. Oscilador controlado por tensión. Complete los valores de las dos primeras columnas vacías de la tabla siguiente.

Tensión (V) 0,1 0,2 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 7,5 10,0

Frec. Medida(Hz)

Frec. Teórica (Hz) Pendiente (Hz/V)

Represente la característica de transferencia del sistema fS = F(VE).

Calcule el parámetro linealidad de la respuesta, definido como la pendiente de la curva de transferencia. Anote sus valores sobre la columna 4ª de la tabla anterior. 11

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