การทดลองที่ 9 sawtooth (ramp-function) generator sawtooth

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 9 1

ภาควชาวศวกรรมไฟฟา มหาวทยาลยนเรศวร

การทดลองท 9 Sawtooth (Ramp-Function) Generator วตถประสงค

1. เพอทจะศกษาและสงเกตดรปทไดจากวงจรสรางสญญาณ ทท าการทดลอง 2. เพอทจะหาผลในทางความถ และคา time constant ทขนาดของสญญาณและความเปนเสนตรงของขนาดของ

สญญาณ

สญญาณ Sawtooth ทฤษฏ สญญาณ Sawtooth เปนสญญาณทมคาบเวลาทแนนอนและมประโยชนในการใชงานเปนอยางมากในวงจรอเลคทรอนคสตาง ๆ เชน ใชเปนสญญาณฐานเวลาใน Oscilloscope หรอ ในระบบแสดงผล Radar และการใชงานอนๆ อกมาก

รปท 1

จากรปท 1 เปนลกษณะของสญญาณ Sawtooth ซงจะเหนไดวาสญญาณ Sawtooth นเปนสญญาณทมการเปลยนแปลงอยางเปนเชงเสนกบเวลา กลาวคอระดบ Voltage จะเพมขนจาก 0 จนถงระดบ V อยางเปนเสนตรงดวยเวลา t1 และจะลดลงจากระดบ V เปน 0 อยางเปนเสนตรงดวยเวลา t2 และเกดขนซ าๆ กนไป ซงมองแลวจะเหมอนฟนของเลอยนนเอง ในชวงเวลา t1 เราเรยกวา rise time และในชวงเวลา t2 เราเรยกวา fall time ซงสญญาณ Sawtooth นกจะมคา t1>t2

1. การสรางสญญาณ Sawtooth

สญญาณ Sawtooth เราสรางไดจากการ Charge และ Discharge RC time constant ทเหมาะสม

รปท 2a. รปท 2b.

t2 t1t1V

Voltage

Time

+VCC

R1 R2

QVin

C1

C2



จากวงจรรปท 2a. เปนการขยายโดยใชทรานซสเตอร Q แบบ NPN ซงจะน ากระแส(ON) เมอทสญญาณเขามา เมอมสญญาณ Pulse สเหลยม (Vin ในรปท 2b.)เขามาทอนพท และคา R1C1 time constant มคามากเมอเทยบกบชวงเวลา t1+t2 ของสญญาณ Pulse ดงนนสญญาณสเหลยมกจะ Coupling ผาน R1C1 ไปยงขา BASE จะไดวาในชวงเวลาเรมตนของ t1 ขาBASE ของทรานซสเตอร Q จะเปนลบเมอเทยบกบขา EMITTER ซงจะท าใหทรานซสเตอร Cut off ดงนน Voltage ทขา COLLECTOR ซงเดมกอนหนานมคาเปน 0 กจะมคาเพมขนเรอยๆ เนองจากกระแสทผาน R2 ซงเดมนนไหลผานทรานซสเตอร เมอทรานซสเตอร Cut off ไปแลวจะไหลมา Charge C2 แทน ดงนนคา Voltage ทขา COLLECTOR กจะเพมขนอยางเปนสดสวนกบคา R2C2 time constant นนเอง ซงถาคา R2C2 time constant มคายาวนานกวาคาบเวลา t1 C2 กจะถก Charge ไดเพยงบางสวนเทานนเอง ในชวงเวลา t2 ซงคา Vin มคาเพมมากขนนนจะท าใหเกดกระแสไหลเขาส BASE ของทรานซสเตอร ซงท าใหทรานซสเตอร ON ดงนน RceC2 time constant จงมคานอย เปนผลใหระดบ Voltage ทขา COLLECTOR ของทรานซสเตอรลดลงอยางรวดเรวคอ

𝑖𝑜𝑢𝑡 = 𝑖𝑖𝑛 = 𝑣𝑖𝑛/ 𝑅 ...(1)

หรอจะกลาวไดวากระแสท Charge เขาตวเกบประจ มคาเทากบอนพท Voltage หารดวยคาความตานทาน R นนเอง เนองจากคาของความจ(C) ก าหนดโดย

𝐶 = 𝑄/𝑉 ...(2)

เขยนใหมไดเปน

𝑉 = 𝑄/𝐶 ...(3)

ดงนนเมอเราใหกระแสท Charge ตวเกบประจ มคาคงท คา Q กจะเพมขนอยางคงทดวย จากสมการท (3) กจะไดวาคาของ V กจะเพมขนอยางคงทสมพนธกบ Q

รปท 3

+VCC

R1

R2

Q

Vin

C1

C2

Vout



2. วงจร Op Amp Integrator รปท 4b.

รปท 4a. รปท 4c. เมอเราปอนสญญาณสเหลยมดงรปท 4b. เขาวงจร Op Amp Integrator เรากจะได เอาทพทรปสามเหลยมดงรป

4c และจากการวเคราะห วงจรเรากจะไดขนาดของสญญาณเอาทพทจากยอดถงยอด (Vout(p-p)) คอ

𝑣𝑜𝑢𝑡(𝑝−𝑝) =𝑣𝑖𝑛(𝑝−𝑝)

4𝐹𝑅𝐶 ...(4)

ตวอยางเชน เมอเราใหความถของสญญาณอนพท F=1 kHz, R = 10kΩ, C = 0.2 µF และขนาดของสญญาณอนพทจากยอดถงยอด = 12 V จะได

𝑣𝑜𝑢𝑡(𝑝−𝑝) =12𝑉

4∗103∗104∗0.2∗106 = 1.5 𝑉

แตทางปฏบตนนตวเกบประจเหมอนมความตานทานเปนอนนต เมอมความถเทากบ 0 ซงในกรณนกคอ เมอเราปอนอนพททมลกษณะเปนไฟตรงเขาไป ซงกจะท าให Op Amp Saturate เพอทจะแกไขปญหานเรากจะใสตวตานทาน R2 ครอมตวเกบประจ C เขาไปอกดงรปท 5

รปท 5

ซงคา R2 นกควรจะมคามากกวา R ประมาณ 5 -10 เทา ซงกจะไมมผลกบสญญาณเอาทพทเทาใดนก เมอความถ f ทใช

𝑓 = 1

2𝑅2𝐶 ...(5)

RVin C

Vout

+15

-15

+

-

Vin = 0 V

Vout = 0 V

RVin

C

Vout

+15

-15

R2

+

-



3. Relaxation Oscillator จากรปวงจรรปท 6a. เปนวงจรแบบหนงของ Relaxation Oscillator ซงคาความถของสญญาณเอาทพตทไดจะ

ขนอยกบการ Charge และ Discharge ของตวเกบประจจากวงจร จะเหนไดวา Op Amp ท าหนาทเปน Schmitt Trigger ซงมคา UTP = Vsat/2 และ LTP = -Vsat/2 และอนพทของวงจรกจะเกดจากวงจร RC ทตออยระหวางเอาทพทกบอนพทนนเอง

เราจะอธบายถงวงจรไดคอ เมอเรมจายไฟใหกบวงจรเราสมมตใหเอาทพทของ Op Amp Saturate ทางดานบวก ตวเกบประจ C ซงไมมประจอย (Voltage เปน 0) กจะถก Charge ผาน R ดงนน Voltage ทครอมตวเกบประจ C กคอยๆ เพมขนเรอยๆ อยาง Exponential จนเมอ Voltage ทครอมตวเกบประจ C มคาเพมขนถงคา UTP (ในทนคอ Vsat/2 ) เอาทพทของ Op Amp กจะ Saturate ทางดานลบทนท เปนแหตใหตวเกบประจ C ซงขณะนม Voltage เทากบ Vsat/2 ถก Discharge ผาน R คา Voltage ทครอม C กจะลดลงอยาง Exponential จนกระทง Voltage ทครอมตวเกบประจ C กจะถก Charge อกครงวนเวยนไป สญญาณเอาทพททได กจะเปนดงรปท 12b. และ Voltage ทครอมตวเกบประจกจะเปนดงรปท 6c.

จากการวเคราะหวงจรเราจะไดความถของสญญาณเอาทพท f คอ

𝑓 =0.455

𝑅𝐶

เชนถา R = 6.8 kΩ และ C = 0.02 µF

𝑓 =0.455

6.8∗103∗0.02∗10−6 = 3.35𝑘𝐻𝑧

Vout

C

R

R

R+-

+Vsat/2

-Vsat/2

-Vsat

+Vsat

รปท 6c.

รปท 6b.

รปท 6a.



การทดลองตอนท 1 Low–Level Sawtooth wave

1. ตอวงจรตามรปท 6 ปรบ Function Gen. ไปทความถ 250 HZ ปรบ Amplitude ของสญญาณเอาทพทจากFunction Gen. ใหมขนาดเลกทสด เลอกสญญาณคลนสเหลยม ปอนสญญาณทไดจาก Function Gen. เขาทจด vin ปรบ Amplitude ของสญญาณจนกระทงไดสญญาณรป Sawtooth ออกมาท TP3.

รปท 6

2. ใช Oscilloscope ท าการวดสญญาณทจด TP2, TP3 โดยเทยบกบจด TP1 บนทกลกษณะของสญญาณทวดไดเทยบกบ TP1 (ให time และ Phase ตรงกบทวดได Oscilloscope) บนทกคาของ Amplitude แบบ Peak – Peak และคาความถของสญญาณตาง ๆ ลงในตารางท 1.

3. เปลยนคา C2 ในวงจรรปท 6 เปนคา 0.22 µF (ไมตองปรบคา vin อก) แลวใช Oscilloscope ท าการวดสญญาณทจด TP3 (ให time และ Phase ตรงกบทวดไดจากขอ 1 และ 2) บนทกคาของ Amplitude แบบ Peak – Peak และคาความถของสญญาณตาง ๆ ลงในตารางท 1

4. เปลยนวงจรใหมเปนดงรปท 7. วดสญญาณทจด TP3 เทยบกบ TP1 ดวย Oscilloscope บนทกสงทเกดขนเมอเราท าการเปลยน R2 ใหมคาตามตารางท 2

รปท 7

+VCC = +6V

R1 = 1M

R2 = 15K

Q

vin

TP1

C1 = 100 µFC2 = 0.05 µF

TP3vout

BC 547 TP2

+VCC = +6V

R1 = 1M

R3 = 1K

Vin

TP1

C1 = 100 µFC2 = 0.05 µF

TP3Vout

BC 547 TP2

R2 = 20K

Q



ตารางท 1 C2 สญญาณ Waveform Amplitude (Vp-p) Frequency (HZ)

0.05µF

TP1

0.05µF

TP2

0.05µF

TP3

0.22µF

TP2

0.22µF

TP3

ตารางท 2 R2 Waveform Amplitude (Vp-p) Frequency (HZ)

5kΩ

10kΩ

15kΩ

20kΩ



การทดลองตอนท 2 Op-Amp Relaxation Oscillator

1. ค านวณคาความถของสญญาณเอาทพทของวงจรในรปท 8. ส าหรบคา C ตางๆ ดงตารางท 3 บนทกคาลงในชอง fcalc ของตาราง

2. ตอวงจรดงรปท 7. โดยใชคา C เทากบ 0.02 µF 3. สงเกตสญญาณเอาทพททไดโดยใช Oscilloscope สญญาณทไดควรมรปแบบคลายรปสญญาณสเหลยมท า

การวดคา Amplitude ของสญญาณเอาทพทในแบบ Peak – Peak แลวบนทกเปนคาของ vout ในตารางท 3 4. วดคาความถของสญญาณเอาทพททไดแลวบนทกคาลงในตารางท 3 ในชอง fmeas 5. ใช Oscilloscope วดสญญาณทขา 2 ของ Op Amp สญญาณทวดไดควรมลกษณะเปน Exponential วดคา

Amplitude ของสญญาณในแบบ Peak – Peak แลวบนทกคาลงในชอง vin ของตารางท 3 ตารางท 3

C(µF) fcalc vout (p-p) fmeas vin (p-p) 0.022 0.047 0.1 การทดลองตอนท 3 Op Amp Integrator 1. ตอวงจรดงรปท 9. โดยใชคา C เทากบ 0.022 µF

2. วดสญญาณทจด vout เทยบกบจด TP1 โดยใช Oscilloscope 3. ท าการทดลองซ าขอ 3. โดยเปลยนคา C ตามตารางท 3 บนทกลกษณะของสญญาณ (Peak – Peak) ทงหมด

ลงในตารางท 4

3

2 4 1 5

76

-15

vout

c

10 k

10 k

10 k

+15

+

-741

รปท 8



รปท 9 ตารางท 4 TP1 vout C Waveform Vpp Hz Waveform Vpp Hz 0.01 µF

0.022 µF

0.047 µF

ค าถามทายการทดลอง

1. อธบายการก าเนดสญญาณในการทดลองท 1 และ 2 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

3

24 1 5

7

6

C

12 K

1000 K

-15

+15

3

24 1 5

7

6

10 K

-15

+15

10 K

10 KC = 0.022 µF

TP 1

vout

+

-+

-741

741



2. อธบายความแตกตางของสญญาณทได ณ จด TP3 ในการทดลองขอ 3 และ 4 …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………

3. จากการทดลองตอนท 3 ความถปอนใหกบวงจร Integrator ทจด TP1 มคาประมาณเทาใด ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………………

4. อธบายวาท าไมเมอเพมคา C ในการทดลองท 3 ขนาดของ vout ทไดจงมคาลดลง ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………



2 วงจร SCHMITT TRIGGER วตถประสงค

1. เพอทจะศกษาการท างานและคณสมบตของวงจร Schmitt trigger 2. เพอทจะท าการทดลองหาจดเปลยน (Trip Point) ของวงจร Op Amp Schmitt Trigger) 3. เพอศกษาถงการสรางสญญาณสเหลยม จากสญญาณ Sine Wave โดยอาศยวงจร Schmitt trigger 4. ศกษาถงการออกแบบสรางวงจรก าหนดคลนสเหลยม โดยใช Op Amp

ทฤษฏ Schmitt trigger

จากวงจรในรปท 10a. ซงแสดงถงวงจร Schmitt trigger โดยใชทรานซสเตอร จากการท างานของวงจรซงจะมสถานะทเสถยรอยสองสถานะคอ Q1 ON และ Q2 OFF หรอ Q1 OFF และ Q2 ON ในการทวงจรจะเปลยนสถานะไดนนกจะอาศยอนพททขา Base ของ Q1 เราจะอธบายไดคอเมอไมมสญญาณอนพทเขาท Q1 วงจรแบงแรงดน R3, R2 และ R5 กจะท าให Voltage ทขา BASE ของ Q2 มคามากกวา Voltage ทขา EMITTER ของ Q2 เอง ซงกจะท าให Q2 ท างานอยในชวง Saturation เรากจะสามารถค านวณ Voltage ทขา BASE ของ Q2 (Vb2) ไดจากสมการการแบงแรงดน ไดคอ

𝑉𝑏2 =𝑉𝐶𝐶(𝑅3)

𝑅2+𝑅3+𝑅5 ...(1)

จากการท Q2 ท างาน (ON) กจะท าใหเกด Voltage ครอม R4 ซงเปนตวตานทานทตอกบขา EMITTER ของทรานซสเตอรทง 2 ตว ซงมคาเทากบ Vb2 – 0.7 ดงนน Q1 กจะตอง Cut off เพราะ BASE ของ Q1 นนม Voltage ทต ากวา กจะเปนสถานะทคงตวคอ Q1 OFF และ Q2 ON จากความรเกยวกบทรานซสเตอรเรากจะไดวา Q1 จะท างาน (ON) ไดกตอเมอ Voltage ทขา BASE ของทรานซสเตอรนนจะตองมากกวา Voltage ทขา EMITTER + 0.7 V จากวงจรขา EMITTER ของ Q1 ตออยกบ R4 ซง Voltage ทจด R4 เทากบ Voltage ทจด R4 เทากบ Vb2 – 0.7 V ดงนนเราจะไดวาการท Q1 จะท างานไดนน Voltage ทขา BASE ของ Q1 จะตองเทากบหรอมากกวา

𝑉𝑏1(𝑂𝑁) >= 𝑉𝑏2 − 0.7 + 0.7 ≥= 𝑉𝑏2 เมอ Q1 ท างานกจะท าให Voltage ทขา BASE ของ Q2 มคาลดลง Q2 กจะหยดท างาน Q1 จะยงคงท างานตอไปถา Vb1 ยงคงมคามากกวา Voltage ทขา EMITTER ของ Q1 เอง ซงขณะนมคาเปน

𝑉 =𝑉𝐶𝐶(𝑅4)

𝑅4+𝑅5 ...(2)

C2 0.02 µF

R2 1.2 kR5 1 k R6 1 k

Vout

VCC =+3.6 V

R7 820

R3 10 kR4 150R1 1 k

R8 820C1 100 µFVin

10 VP-P

1 kHZQ1 BC547 Q2 BC547

0

0

Vb2 VS

Vin

Vout

+VCC




ดงนนเราจะไดวา Q1 จะหยดท างานกตอเมอ Voltage ทขา BASE มคานอยกวา Ve1 + 0.7 V เราจะก าหนดคาน เปน VS ซงเมอคา Voltage ทขา BASE ของ Q1 มคานอยกวาคา VS Q1 กจะหยดท างาน และ Q2 กจะท างานตามเหตผลขางตน ดงนนเราจะเหนวา Q1 จะท างานและหยดท างานเมออนพทมคามากกวา Vb1 และนอยกวา VS ซงคา VS และ Vb1 อาจจะเทาหรอไมเทากนกได เมอเราน าสญญาณรป Sine Wave ปอนเขาทอนพทของวงจรกจะไดวา สญญาณอนพทจะเปนดงรปท 10b.

Op Amp Schmitt Trigger

จากรปท 11a. แสดงถงวงจร Schmitt Trigger โดยใช Op Amp เนองจากวงจรมการปอนกลบแบบบวกเขาทขาอนพท Non-inverting จะท าใหเอาทพทของ Op Amp นมไดเพยง 2 สถานะคอ Saturate ทางดานบวก และ Saturate ทางดานลบ การท างานของวงจรสามารถอธบายไดโดย ขนแรกเราสมมตใหเอาทพทของ Op Amp เปนบวก กจะเกดกระแสไหลจากเอาทพทผาน R2 ซงกจะเกด Voltage ครอม R1 ขน Voltage ทจดอนพทแบบ Non-inverting ของ Op Amp กจะมคาเปนบวก คา Voltage นกจะเรยกวาจดเปลยนขน (Upper Trip Point) นนกคอวาตราบใดท Voltage อนพทยงคงนอยกวาคา UTP เอาทพทของ Op Amp มคาเปนลบแลว กจะท าใหกระแสไหลจาก R1 ผาน R2 ไปยง เอาทพท ท าให Voltage ทจดอนพทแบบ Non-inverting ของ Op Amp มคาเปนลบ คา Voltage นกจะเรยกวาจดเปลยนลง (Lower Trip Point) นนกคอวา ตราบใดท Voltage อนพทของ Op Amp ลงจนมคานอยกวาคา LTP เอาทพทของ Op Amp กจะเปลยนเปน Saturate ทางดานบวกในทนท คาของจดเปลยนนสามารถค านวณไดดงน

𝑈𝑇𝑃 =(𝑅1)𝑉𝑆𝐴𝑇

𝑅1+𝑅2 𝐿𝑇𝑃 =

(−𝑅1)𝑉𝑆𝐴𝑇

𝑅1+𝑅2

การสรางสญญาณสเหลยม ในการสรางสญญาณสเหลยมนน เราอาจท าไดโดยปอนสญญาณรป Sine Wave ซงมคาสงสดมากกวา UTP และมคาต าสดนอยกวา LTP เขาไปทอนพทของวงจร Schmitt Trigger จะไดสญญาณรปทสเหลยมออกมา ดงเชนในรปท 12a. เปนวงจร Schmitt Trigger

VoutVin

R2

R1

+

- UTPLTP

+Vsat

-Vsat

Vout




เราจะไดวา

𝑈𝑇𝑃 =(𝑅)𝑉𝑆𝐴𝑇

2𝑅=

𝑉𝑆𝐴𝑇

2 𝐿𝑇𝑃 =

(−𝑅)𝑉𝑆𝐴𝑇

2𝑅=

−𝑉𝑆𝐴𝑇

2

ถา Vsat = 10 V เราจะได UTP = 5 V และ LTP = -5 V ดงนนถาปอนสญญาณรป Sine Wave เขาทจดอนพทของวงจร โดยทสญญาณ Sine Wave นนมคาสงสดมากกวา 5 V และมคาต าสดนอยกวา -5 V เรากจะไดสญญาณเอาทพทดงรปท 12b. จากการท างานของวงจรจะเหนไดวาสญญาณอนพททปอนเขาไปไมจ าเปนจะตองเปนรป Sine Wave เราอาจใชสญญาณรปแบบใดๆ กได แตตองมขนาดตรงตามทก าหนดขางตน

การทดลองตอนท 4 Schmitt Trigger 1. ตอวงจรตามรปท 10a. ปรบ Supply ใหได +3.6 V ปอนใหเปนไฟเลยงของวงจร ปรบ Function Gen. ไปทรปคลน Sine ความถ 1 kHZ Amplitude 10 VP-P

2. ใช Oscilloscope วดสญญาณทจด Vin 3. วดสญญาณเอาทพททขา Collector ของ Q2 บนทกลกษณะของสญญาณทไดเทยบกบ Vin และวดคาขนาด

ของสญญาณทได ( VP-P ) และบนทกคาความกวางของสญญาณ Pulse ในชวงทเปนบวกลงในตารางท 5 4. เปลยนขนาดของสญญาณอนพทตามตารางท 1แลวบนทกคาลงในตาราง ตารางท 5

Waveform VP-P Pulse Width Vin = 10 VP-P, 1 kHz

----

Vout (Vin = 10 VP-P, 1 kHz)

Vout (Vin = 4 VP-P, 1 kHz)

VoutVin

R

R

+-

-Vsat

+Vsat

รปท 12a รปท 12b



Vout(Vin = 10 VP-P, 2.5 kHz)

Vout(Vin = 4 VP-P, 2.5 kHz)

6. ตอวงจรตามรปท 13 โดยใชคาของ R เทากบ 10 kΩ 7. ท าการปรบคาอนพท Voltage โดยการปรบ VR 1k จนคาเอาทพททไดมคาเปนบวก 8. คอยๆ ปรบคาอนพต Voltage โดยการปรบ VR 1k จนกระทงถงจดทเอาทพททไดเปลยนจากบวกไปเปนลบ

วดคาของอนพท Voltage แลวบนทกลงในตารางท 2 เปนคาของ UTP 9. คอยๆ ปรบคาอนพท Voltage จนกระทงถงจดทเอาทพททไดเปลยนจากลบไปเปนบวก วดคาของอนพท

Voltage แลวบนทกในตารางท 6 เปนคาของ LTP 10. เปลยนคา R เปน 1 kΩ ท าการทดลองซ าขอ 7-9 แลวบนทกในตารางท 6 11. ตอวงจรตามรปท 14 โดยใชคาของ R เทากบ 10 kΩ ปรบ Function Gen. ไปทรปทคลน Sine ปรบความถ

ไปท 1 kHZ คอยๆ เพม Amplitude ของสญญาจนกระทงไดสญญาณรปทสเหลยมออกมาทเอาทพท (Vout)

4 1 5

7

6

+15

Vout

100k

R3.3 k

1 k

3.3 k

+15 V

-15 V

-15

+- 741

รปท 13

4 1 5

7

6

+15

Vout

Vin

R

100 k

-15

+

-741

รปท 14



12. คอยๆ ลด Amplitude ของสญญาณจาก Function Gen. จนกระทงไมมสญญาณออกมาทเอาทพท 13. ท าการวดคา Amplitude ของสญญาณจาก Function Gen. ในแบบ Peak – Peak บนทกลงในตารางท

เปนคาของ Vin 14. ท าซ าในขอ 11 ถง 13 แตใชคาของ R เทากบ 1 kΩ ตารางท 6

R (kΩ) UTP LTP Vin (Vpp)

10 1


1. ท าไมขนาดของสญญาณอนพทจงมผลตอความกวางของชวงทเปนบวก ของสญญาณทวดไดจากขา Collector ของ Q2 ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

2. ท าไมความถของสญญาณอนพทจงมผลตอความกวางของชวงทเปนบวก ของสญญาณทวดไดจากขา Collector ของ Q2 ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

3. ท าไม UTP จงอยใกลกบ LTP เมอใหคาของ R เทากบ 1 kΩ ในการทดลอง Op Amp Schmitt trigger ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................



ตอนท 3 The 555 Timer วตถประสงค

1. เพอศกษาถงการใช 555 Timer มาสรางเปนวงจร Astable ทมความถ Duty cycle ตางๆ 2. เพอศกษาถงการใช 555 Timer มาสรางเปนวงจร Monostable ใหได Pulse ความกวางตามทตองการ 3. เพอทจะพจารณาสญญาณเอาทพททไดจากวงจร Voltage Oscillator 4. เพอทจะสามารถออกแบบวงจรสราง Saw tooth Generator โดยใช 555 timer ได 5.

ทฤษฏ RS Flip – Flop

S Q

R Q

VCC

รปท 1.

จากรปท 1. ซงเปนสญลกษณของ RS Flip – Flop ถาเราปอน Logic 1(+VCC) เขาทขา S และ Logic 0 (0V) เขาทขา

R เอาทพท Q กจะไดเปน High (+VCC) และ Q กจ าไดเปน Low(0V) ซงเรานยามไดวาการปอน Logic 1 เขาท S และ 0 เขาทขา R เปนการ set RS – FF (เอาทพท Q เปน High) ในทางกลบกนถาเราปอน Logic 0 เขาทขา S และ Logic 1 เขาทขา R เอาทพท Q กจะไดเปน Low และ Q กจะไดเปน High กจะเหนไดวาเปนการ Reset RS - FF นนเอง ซงคาสถานะของเอาทพท Q และ Q นกจะยงคงคาเอาไว แมวาจะไมปอนอนพทเขาไปแลวกตามจนกวาจะมการ Set หรอ Reset ใหเปนสถานะทตรงกนขามกบสถานะทเปนอยในปจจบน คาสถานะของ Q และ Q จงจะมการเปลยนแปลง

Basic Timing Concept

รปท 2a. รปท 2b. จากรปท2a. แสดงถงแนวคดพนฐานทจะใชอธบายถงการท างานของ 555 TIMER โดยจากวงจรนจะอธบายการ

ท างานของวงจรไดคอ ในขนแรกเราสมมตใหเอาทพท Q มสถานะเปน High(+VCC) ซงกจะท าใหทรานซสเตอร Saturate

S Q

R Q

VCC

+

-

10 K

R

C

5 K

10 K

VCC

Vout

Threshold

Control

Vout = 0 V

Threshold = 0 V

+15 V

+10 V



ดงนนตวเกบประจ C กจะถก Short ลง Ground คาของ Voltage ทตวเกบประจกจะเปน 0V เนองจากตวเกบประจไมสามารถถก Charge ได เรานยามคา Voltage ทขา Non-inverting Input ของ Op Amp ในวงจรดงรปวา คา Threshold Voltage และในท านองเดยวกน คา Voltage ทขา Inverting Input เราจะนยามวา Control Voltage และกจะสามารถกลาวไดวาเมอ RS – FF ถก Set ทรานซสเตอรจะ Saturate ซงกจะท าใหคา Threshold Voltage มคา 0V คาของ Control Voltage ซงมคาเทากบ 10 V จากการแบงแรงดน กจะท าใหเอาทพทของ Op Amp มคาเปน 0V ถาเราปอน Logic High เขาทขา R ซงกจะเปนการ Reset RS – FF ซงเอาทพท Q กจะมสถานะเปน Low และทรานซสเตอรกจะ Cut off ตวเกบประจ C กจะถก Charge ผานตวตานทาน R คาของ Threshold Voltage กจะมคาเพมขน เมอคาของ Threshold Voltage มคาเพมมากขนจนมากกวาคาของ Control Voltage (+10 V) นดหนอย เอาทพทของ Op Amp กจะมสถานะเปน High (+15 V) ซงกจะท าให RS – FF ถก Set เอาทพท Q กจะเปน High ทรานซสเตอรกจะ Saturate ตวเกบประจ C กจะถก Discharge ผานทางทรานซสเตอร

จากรปท 2b. กจะเหนวาคา Threshold Voltage ซงจะเพมขนอยางเปน Exponential นนกเพราะการ Charge ตวเกบประจนนเอง ในขณะเดยวกนเรากจะได Pulse ออกมาหนงลกทเอาทพทของวงจร (ซงกคอทขา Q) ดวย

555 Block Diagram

IC 555 TIMER นเปน IC ทม 8 ขา ซงจะเอาไวตดตอกบอปกรณภายนอกเพอทจะให IC ท างานในแบบตาง ๆ กน เชน Astable หรอ Monostable จากรปท 3.

รปท 3

แสดงวงจรภายในของ IC 555 จะเหนไดวาในวงจรสวนของ Op Amp ตวบนนนจะเหมอนกบวงจรทไดอธบายไปแลวในหวขอกอน ๆ โดยสญญาณ Threshold จะเปนขา 6 IC และสญญาณ Control กจะเปนขา 5 ซงการใชงานโดยทวไปนนขาสญญาณ Control นมกจะไมไดใช ดงนนคาของ Control Voltage จงเทากบ +2 VCC / 3 ซงไดจากการแบงแรงดนของตวตานทาน 5Ω 3 ขา Collector ของทรานซสเตอรทใชส าหรบ Discharge ตวเกบประจ IC และมเพมขนมาคอ สญญาณ Reset ซงจะเปนขา 4 ของ IC ทขา Reset นเมอถกตอเขากบ Ground แลว IC 555 นกจะไมท างาน ซงกจะเหมอนกบ Switch ปดเปด การท างานนนเอง คณสมบตขอนกจะมประโยชนมากในการใชงานบางอยาง แตการใชงานโดยสวนใหญแลวเรามกไมไดใช ดงนนเมอเราไมตองการให IC หยดการท างานเราจะตอขา 4 ของ IC เขากบ VCC และในสวนของ Op

S Q

R Q

5 K

+

-

+

-

Reset 4

Control 5

Threshold 6

5 K

Trigger 2

+VCC 8

5 K

Ground 1

Output3

Discharge 7



Amp ตวลางนนขา Inverting Input ของ Op Amp เรยกวา Trigger (ขา 2 ของ IC) เพราะขา Noninverting Input ของ Op Amp มคา Voltage ทเกดจากตวตานทานเปลยนแรงดนจะท าใหคาคงทคอ VCC / 3

ดงนนเมอสญญาณ Trigger มคานอยกวา +VCC / 3 เอาทพทของ Op Amp กจะมคาเปน +VCC (high) Reset RS – FF ท าใหไดสญญาณเอาทพทออกมา และสดทายขา 1 กจะเปน Ground และขา 8 กจะเปน ไฟเลยง (+VCC) คาของ +VCC นกจะใชไดอยในชวง 4.5 ถง 16 V

Monostable Operation


จากวงจรในรปท 4a. จะเปนการตอ IC 555 TIMER เพอใหท างานในแบบของ Monostable (one – short ) เอาทพทของวงจรกจะไดเปน Pulse สเหลยมทมคาของความกวาง Pulse คงท ในแตละครงทเราปอนสญญาณ Trigger Pulse ใหกบวงจรทขา 2 ของ IC เมอคา Voltage ของสญญาณ Trigger มคาลดลงจนนอยกวา +VCC / 3 Op Amp ตวลางกจะมเอาทพทออกมาเปน High ซงกจะ Reset RS – FF ทรานซสเตอรกจะ Cutoff และตวเกบประจ C กจะถก Charge เมอคา Threshold Voltage มคาเพมขนจนมากกวา +2VCC / 3 แลว Op Amp ตวบนกจะมการเอาทพทออกมาเปน High ซงจะ Set RS – FF ในขณะทเอาทพท Q เปลยนสถานะจาก Low มาเปน High กจะท าใหทรานซสเตอรท างาน กจะท าใหตวเกบประจ C ซงจะถก Discharge อยางรวดเรวผานทรานซสเตอรนนเอง สญญาณ Trigger กจะเปนสญญาณ Pulse ทแคบ ๆ มลกษณะดงรปท 4b และสญญาณเอาทพทกจะไดดงรป ซงจะเปนสญญาณ Pulse สเหลยม ตวเกบประจ C ซงจะถก Charge ผานตวตานทาน R ถาคา RC time constant มคามาก กใชเวลามาก ในการทจะ Charge ตวเกบประจใหม Voltage ถงคา +2VCC / 3 หรออาจจะกลาวไดวา RC time constant นจะมผลตางการก าหนดความกวางของ Pulse สญญาณเอาทพทจากการแกสมการ Exponential เราจะสามารถหาความสมพนธของคาความกวาง Pulse (Pulse Width ) ไดคอ

𝑊 = 1.1(𝑅𝐶) ....( 1 )

ยกตวอยางเชน ถา R = 22 kΩ และ C = 0.068 µF ดงนนคาความกวาง Pulse ทไดจาก 555 คอ

𝑊 = 1.1 ∗ 22(103) ∗ 0.068(10−6) = 1.65𝑚𝑠

S Q

R Q

5 K

+

-

+

-

Reset 4

5 K

Trigger 2

8

5 K

Ground 1

Output3

7

R

6+VCC

C

0

0+2VCC/3

+VCC

0+VCC

Trigger

Threshold

Output



โดยทวไปแลวการเขยนวงจรเรามกจะไมแสดง Op Amp, Flip – Flop และอปกรณตางๆ ทอยในตว IC แตเราจะเขยนวงจรดงรปท 5. เปนวงจร Monostable ทใช 555 โดยเราจะเขยนเฉพาะตว IC และอปกรณทอยภายนอก เทานน (Control) ของ IC 555 เรามกจะตอ ตวเกบประจคานอยๆ ลง Ground เพอเปนการลด Noise ใหสญญาณ Control Voltage เพอความกวาง Pulse ทแนนอน

รปท 5. Astable Operation


จากรปท 6a. แสดงถงการตอ IC 555 TIMER ท างานในแบบ Astable หรอ free–running เอาทพททไดของวงจรจะเปนสญญาณคลนสเหลยมทตอเนองกนออกมา เราจะสามารถอธบายการท างานไดคอ เมอเอาทพท Q มสถานะเปน Low ทรานซสเตอรกจะ Cut off ตวเกบประจ C จะถก ผานตวตานทานรวมของ RA + RB ดงนนคา time constant จะเปน (RA + RB)C เมอตวเกบประจถก Charge คา Threshold Voltage กจะมคาเพมขน เมอคา Threshold Voltage มคาเพมขนจนมากกวาคา +2VCC/ 3 Op Amp ตวบนกจะมคาเอาทพทเปน High ทรานซสเตอรกจะ Saturate ซงกจะเหมอนกบการ Short ขา 7 ของ IC ลง Ground ขณะนตวเกบประจ C กจะถก Discharge โดยผาน ทาง RB ดงนนคา time constant ของการ Discharge คอ RBC เมอคา Voltage ครอมตวเกบประจ C มคาลดลงจนนอยกวา +VCC/ 3 Op Amp ตวลางกจะม

555

3

5

7

6

4 8

2 1

0.01 µF

R

+VCC

vout

0.01 µFTrigger

vcontrol

S Q

R Q

5 K

+

-

+

-

Reset 4

5 K

2

5 K

Ground 1

Output3

c

Rb

Ra

+VCC

7

8

6

0

+2VCC/3

+VCC/3

+VCC

W

T



เอาทพทเปน High ซงจะ Reset RS – FF จากรปท 6b จะแสดงถงลกษณะสญญาณทจดตาง ๆ จะเหนไดวาการ Charge และ Discharge ของตวเกบประจจะเปนแบบ Exponential และสญญาณเอาทพททไดจะเปนคลนสเหลยม แตเนองจากคา time constant ของการ Charge นนมคามากกวาคา time constant ของการ Discharge สญญาณเอาทพททไดจากจงไมสมมาตร ซงคาบเวลาของสญญาณในขณะทมสถานะ High จะยาวนานกวาในขณะทสถานะ Low ดงรป

ในการทจะก าหนดความไมสมมาตรของสญญาณเอาทพท เราจะนยามคาวา Duty cycle ซงจะก าหนดโดย

𝐷 =𝑊

𝑇∗ 100% ...(2)

ยกตวอยาง W = 2 ms และ T = 2.5 ms ดงนนคา duty cycle คอ

𝐷 = 2𝑚𝑠

2.5𝑚𝑠∗ 100% = 80%.

คา Duty cycle ของวงจรนกจะมคาอยระหวาง 50 – 100% ทงนกขนอยกบคาของ RA และ RB จากการ Charge และ Discharge เราจะสามารถค านวณหาคาของความถของสญญาณเอาทพทคอ

𝑓 = 1.44

(𝑅𝐴+2𝑅𝐵)𝐶 ...(3)

และคา Duty cycle จะค านวณไดจาก

𝐷 = 𝑅𝐴+𝑅𝐵

𝑅𝐴+2𝑅𝐵∗ 100% ...(4)

จากสตรจะเหนไดวาถาคา RA มคานอยกวา RB มาก ๆ แลวคาของ Duty cycle จะประมาณ 50% และจากรปท 7 จะเปนรปวงจรทนยมเขยน โดยทวไปของ Astable 555 TIMER โดยเราจะตองตอขา 4 ของ IC เขากบ +VCC และเชนเดยวกบ ขาสญญาณ control กควรตอตวเกบประจนอย (โดยมากใช 0.01 µF) เอาไวดงรป

รปท 7.

555

3

5

7

6

4 8

2 1

0.01 µF

Ra +VCC

Output

0.01 µF

Rb



Voltage Control Oscillator รปท 8a. รปท 8b.

จากรปท 8a. แสดงถงวงจร Voltage Control Oscillator (VCO) โดยใช 555 TIMER จากทผานมา ขา 5 ของ IC 555 ซงเปนสญญาณ Control แลวตออยกบอนพทแบบ Inverting ของ Op - Amp ตวบน โดยปกตแลว Control Voltage กจะมคาเทากบ +2VCC / 3 อนเนองจากมากจากตวตานทานแบงแรงดนทอยภายใน แตจากวงจรทอยในรป 8a. โดยอาศยตวตานทานปรบคาไดภายนอก เรากสามารถเปลยนคาของ Control Voltage ได โดยการปรบคาการแบงแรงดนของตวตานทานภายนอกนนเอง จากรปท 8a. จะแสดงถงคา Voltage ทตกครอมตวเกบประจ C จะสงเกตเหนไดวา Voltage นจะเปลยนแปลงอยในชวง +VCONTROL / 2 ถง +VCONTROL ถาเราเพมคาของ VCONTROL ตวเกบประจ C กจะใชเวลานานขนในการ Charge และ Discharge ดงนนคาความถของสญญาณเอาทพททไดกจะลดลง จากผลลพธขางตน เรากจะสามารถทจะเปลยนความถของสญญาณเอาทพทของวงจรได โดยการปรบคาของ Control Voltage นนเอง โดยปกตแลวคาของ Control Voltage น ไมจ าเปนตองไดจากการตอตวตานทานปรบคาไดเพยงอยางเดยว คาของ Control Voltage นอาจไดจากเอาทพทของวงจรทรานซสเตอร Op – Amp และอน ๆ Sawtooth Generator

555

3

5

7

6

4 8

2 1

Ra +VCC

Output

0.01 µF

Rb

vout

0.01 µF

+VCC

Trigger

T

0

0

รปท 9a รปท 9b

555

3

5

7

6

4 8

2 1

Ra +VCC

Output

0.01 µF

Rb

R = 1 K

VControl

+VControl

+Vcontrol/2



จากการทดลองทผานมาถาตวเกบประจดวยกระแสคงท คาของ Voltage ทตกครอมตวเกบประจนน กจะมลกษณะทเพมขนอยางเปนเสนตรง (Linear Ramp Function) ทรานซสเตอรแบบ PNP ในวงจรรปท 9a จะท าหนาทเปนแหลงจายกระแส (Current Source) โดยจายกระแสไป Charge ตวเกบประจเทากบ

𝐼𝐶 =𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐸

𝑅

เมอ

𝑉𝐸 = 𝑉𝐵𝐸 +𝑅2

𝑅1 + 𝑅2𝑉𝐶𝐶

ตวอยางเชน ถา Vcc = 15V, R = 20kΩ, R1 = 5kΩ, R2 = 10kΩ และ VBE = 0.7V ดงนน

𝑉𝐸 = 0.7 𝑉 + 10 𝑉 = 10.7 𝑉 และ

𝐼𝐶 =15𝑉 − 10.7𝑉

20𝑘Ω= 0.215 𝑚𝐴

เมอมสญญาณ Trigger เขามาท Monostable 555 Timer ในวงจรรป 9a กจะท าใหแหลงจายกระแสคงท (วงจรในสวนของ PNP transistor) ท าการ charge ตวเกบประจ C ดวยกระแสคงท ดงนนคา Voltage ทตกครอมตวเกบประจกจะเพมขนอยางคงทเปนเสนตรงดงรป 9b คาอตราการเพมขนของ Voltage (slope) กจะค านวณโดย

𝑆 =𝑉

𝑇

เมอ V คอคา Voltage ทมากทสดทเวลา T ยกตวอยางเชน ถา V = 10V และ T= 2 ms ดงนน คา Slope คอ

𝑆 =10𝑉

2𝑚𝑠= 5

𝑉

𝑚𝑠

จากสมการพนฐานของตวเกบประจคอ

𝑉 =𝑄

𝐶

เมอเราหารสมการทงสองขางดวย T เราจะได 𝑉

𝑇=

𝑄

𝑇𝐶

𝑆 =𝐼

𝐶

เราจงสามารถค านวณหาคา Slope ไดโดยใชคาของกระแสท Charge หารดวยคาความจ ยกตวอยางเชนถากระแสทใช Charge ตวเกบประจมคาเทากบ 0.215 mA และ ตวเกบประจมคาความจเทากบ 0.022 F ดงนน เราจะค านวณคา slope ของ Voltage ทครอมตวเกบประจไดคอ

𝑆 =0.215𝑚𝐴

0.022µ𝐹= 9.77

𝑉

𝑚𝑠



การทดลองตอนท 2 Astable 555 TIMER

555

3

5

7

6

4 8

2 1

0.01 µF

Ra +VCC

Output

0.01 µF

Rb

รปท 10

1. ค านวณหาคาความถและคา Duty cycle จากวงจรรปท 10 ส าหรบคาความตานทานแสดงดงตารางบนทกผลทดลองในชองของ fcalc และ Dcalc

2. ตอวงจรตามรปท 10 โดยใชคาความตานทาน RA = 10 kΩ. และ RB = 100 kΩ. VCC = 10 V 3. วดคา W และ T ค านวณหาความถและ duty factor บนทกผลจากทดลองในชอง fmeas และ Dmeas ในตาราง

ท 1 4. ใช scope วดสญญาณทขา 6 ซงเปนศกดาครอม C ควรจะเปนรป Exponential ขนลงระหวางคา 5 V ถง 10 V

บนทกลกษณะของสญญาณลงในตารางกราฟท 1 5. ท าซ าอกครงตงแตขอ 2 ถง 4 โดยใชคาความตานทานตามตารางท 1

ตารางท 1

RA(kΩ) RB(kΩ) fcalc Dcalc fmeas Dmeas

10 100 100 10 10 10



Time =…………….s/DIV CH1 =………………V/DIV CH2 = ……………..V/DIV

Voltage – Controlled Oscillator

6. ตอ VCO ตามรปท 11

555

3

5

7

6

4 8

2 1

10k +VCC 15V

Output

0.01 µF

100k

R = 1 K

R = 1 K

R = 1 K

รปท 11

7. วด Output โดยใช Oscilloscope Voutput = ………………… 8. ปรบคาความตานทาน 1kΩ และสงเกตวามอะไรเกดขน บนทกคา fmin และ fmax ทสามารถปรบได fmin =…………………… fmax=……………………

กราฟท 1



Monostable 555 TIMER

9. รปท 12 แสดงวงจรชมททรกเกอรซงใชขบวงจร Monostable 555 time

555

3

5

7

6

4 8

2 1

+VCC

Outp ut

0.01 µF

R

3

24 1 5

7

6

10 K

1 K

+

-741

Vin1 kHz

0.01 µF

รปท 12

10. ตอวงจรตามรปท 12 โดยใชคาความตานทาน R = 33 kΩ kΩ VCC = 10V 11. ใช Oscilloscope วดสญญาณ Output ของวงจรชมททรกเกอร (ขา 6 ของ 741C) ปรบคาความถของสญญาณ

Sine Wave Input ใหเทากบ 1 kHz ปรบคา Amplitude ของ Sine Wave จนกระทงได Output ของชมท-ทรกเกอรทมคา duty cycle ประมาณ 90%

12. วดคา Pulse Width ของ Output ของ 555 TIMER บนทกคาในชองของ Wmeas ในตารางท 2 13. ท าซ าตงแตขอ 10 ถง 12 โดยใชคาความตานทาน R ดงตารางท 2

ตารางท 2 RA Waveform Wcalc Wmeas

33kΩ

47kΩ

68kΩ



Sawtooth Generator

555

3

5

7

6

4 8

2 1

+VCC 15V

0.01 µF

R

3

24 1 5

7

6

10 K

1 K

+

-741

Vin

1 kHz

BC557

4.7k

10k

0.01 µF

Vout

รปท 13

14. ค านวณคา Charging Current จากวงจรรปท 13 โดยใชคาความตานทานตางๆ กนดงแสดงในตารางท 3 บนทกคาในชองของ Icharge

15. ค านวณคาความชนของ Capacitor Voltage ในหนวยของ Volts per millisecond บนทกคาในชอง Scale ในตารางท 3

16. ตอวงจรตามรปท 13 โดยใชคา R 10 kΩ ซงรปนเกอบจะเหมอนกบรปท 12 ตางกนเพยง PNP Current Source 17. ตงคา Function Gen. ใหมความถเทากบ 1 kHz และปรบคา Amplitude ใหไดคา Output ของชมททรกเกอรทม

คา Duty cycle ประมาณ 90 % 18. ใช Oscilloscope วดดสญญาณ Output ควรจะเปนสญญาณ Sawtooth วดคา Ramp Voltage และเวลา

ค านวณหาความชน (Volts/msec) บนทกในชอง Smeas ในตารางท 3 19. ท าซ าตงแตขอ 16 ถง 18 โดยใชคา R ตามตารางท 3



ตารางท 3

RA (kΩ) Waveform Icharge (mA)

Scalc (V/ms)

Smeas (V/ms)

10

22

33


1. คาอตราสวน RA/RB มผลตอคาของ duty cycle ของ Astable 555 TIMER อยางไร ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

2. ในการเพมคา timing capacitor จะมผลอยางไรบางตอคาความถท Output ของวงจร Astable 555 TIMER ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

3. ทขา 5 ในรปท 12 มคา AC Voltage และ DC Voltage เทาไร ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

4. อะไรจะเกดขนกบคาความกวางของสญญาณ Output ถาหากเราลดคา timing Resistor ในรปท 13 .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................



..................................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................

วเคราะหและสรปผลการทดลองทงหมด

การทดลองที่ 9 sawtooth (ramp-function) generator sawtooth

Documents