oszillatoren - mywww zhaw · rc ladeglied (17,18) oder konstantstromquelle (19) lädt c e-funktion...
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Methode 1:
Mitkopplung
Aus Gegenkopplung wird Mitkopplung Instabil
• Echte Oszillatoren
• Lösung einer DGL
3
Methode 1: Mitkopplung
The Players
Gain / 1800
Gain / 00
Loss / 00 - 900
Loss / 00 -1800
Bode Feedback Network
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Methode 2: Kippschaltung
Labiles System
VOL = L- VOH = L+0
Vd= 0 gilt nicht mehr !
• Bistabile Lösung
• Hysterese
The Players
I Schmitt TriggerNI Schmitt Trigger
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Methode 2: Kippschaltung
OpAmp mit Sättigungsspannung ± L
The Game
−+ −==
=−
+⋅⋅=
LLLfür
f
1
VL
VLlnRC2T
0TH
THperiod
21
1TH
RR
RLv
+⋅= +
A: Astabiler Multivibrator
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B: Rechteck/Dreieck
Methode 2: Kippschaltung
The Game
R2
R3
R1
C1
Bsp. Für 1 kHz: C = 100n, R2 = 10k, R3 = 5k, R1 = 5k, L+ = 4 V Dreieck 2 Vpeak
2
3TLTH
R
RLV- V ⋅== +
−+ −==
⋅⋅⋅=
LLLfür
RCR4
Rf
311
2
OpAmp mit Sättigungsspannung ± L
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Einige Oszillatorschaltungen
•Oszillatoren mit Schmitt Trigger
•Oszillatoren mit digitalen Gatter im Analogbetrieb
•Quarzoszillatoren Takt
•Wien Oszillatoren Sinus
•Phase Shift Oszillator Sinus
Logic Gates
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Rechteck/Dreieck
Variabler DC-Anteil Dreiecksignal, +U muss nicht mehr gleich –U sein
Integratorzeitkonstante
Dreiecksymmetrie
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LogikbausteineSchmitt Trigger
Verbesserung:
Unabhängiger von Speisespannung
Verbesserung:
Künstliche Erhöhung Eingangswiderstand
v.a. bei TTL notwendig
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TINA: Oszillator
Simulation: Problem wie merkt Tina dass Schaltung schwingfähig ist?
TINA Sim Bsp.: Schmitt Trigger Oszillator für 800 Hz
Inv. Schmitt Trigger aus Leiste Gatter
- nicht Inverter benutzen !
- nicht logische IC‘s benutzen !
C1 1
n
R1 1M
VF1
+ VG1
U3 100k
U1 1 U2 0
R2 100k
VG1: 5 V 10 us Impuls
Simulationszeitauflösung stimulieren
Transientenanalyse: auf "Anfangsw erte verw enden" setzen
Simulationszeit 10 ms
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Logikbausteine - Linear
• Vor allem CMOS Logik Inverter sind recht ansprechende Analogverstärker
• Der Arbeitspunkt liegt in der Mitte der Versorgungsspannung
• Er wird mit hochohmigen Widerstand vom Ausgang zum Eingang (R1) eingestellt
• Die Verstärkung beträgt zwischen 20 und 1000 je nach Logikfamilie
• Die Stromaufnahme ist aber nicht mehr wie bei den Logikanwendungen tief
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Oszillator mit Invertern
Labiler Gleichgewichtszustand nach Power on V1 = VCC/2
Abhilfe : Mehr Phasenverschiebung zwischen Eingang und Ausgang
durch mehr Tore d.h. Verzögerung
Anschwingen als klassischer Oszillator leitet den Kippvorgang ein
Mindestens 3 Inverter:
Mehr als 360 Grad Phasendrehung möglich
Analoge Schaltung!
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TINA: Oszillator
Simulation: Problem wie merkt Tina dass Schaltung schwingfähig ist?
TINA Sim Bsp.: Oszillator mit 3 Invertern für 500 Hz
Inverter aus Leiste Gatter
- nicht logische IC‘s benutzen !
R1 1M
VF
1
+ VG1
1
U1 4069
1
U2 4069
1
U3 4069
VF2
C1 1
n
R3 1
M
VF
3
VF
4
VF5
U4 100k
R4 100k
Simulationszeitauflösung stimulieren
>= erw artete Frequenz
Transientenanalyse: auf "Anfangsw erte verw enden" setzen
Simulationszeit 5..10 ms
VG1: min. VS1 Volt, 10 us Impuls
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TINA: Oszillator
Andere Speisespannungen (v.a. für CMOS)
TINA Sim Bsp.: 9 Volt Oszillator mit 3 Invertern für 500 Hz
J1
J2
R1 1M
VF
1
+ VG1
1
U1 4069
Erde J2
Vcc J1
1
U2 4069
Erde J2
Vcc J1
1
U3 4069
Erde J2
Vcc J1
VF2
C1 1
n
R3 1
M
VF
3
VF
4
VF5
U4 100k
R4 100k
+
VS1 9
R2 100k
Simulationszeitauflösung stimulieren
>= erw artete Frequenz
Transientenanalyse: auf "Anfangsw erte verw enden" setzen
Simulationszeit 5..10 ms
VG1: min. VS1 Volt, 10 us Impuls
Referenzspannungen für Logikbaustein: Jumpers J1 und J2
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VCO
Ein Oszillator dessen Frequenz elektrisch veränderbar ist,
bezeichnet man als Voltage Controlled Oscillator
Eigenbau Schaltungsblock in CMOS IC 4046
Abb. 15:
• Aufladen von ext. Spannung via D2 mit R2 in der Zeitkonstante
• Entladen durch Gatter via D1 mit R1 in der Zeitkonstante
vin
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Sägezahn
RC Ladeglied (17,18) oder Konstantstromquelle (19) lädt C
e-Funktion (17,18) oder lineare Rampe (19) am Gate-Eingang
Gate entlädt (17,19) oder lädt (18) C lediglich
Applikation: Wobbelspannungen, VCO Sweep, Ablenkspannungen
Fig (17,18,19)
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Praktikum Oszillator
Stecken und überprüfen der Formel aus AN-118 von Fairchild
Messen im
(DC mode):
vout
v2
v1
Vcc = +5 V
Design z.B.
f = 100 kHz
C = 100 pF
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Quarzoszillatoren
Bsp 10 MHz:
L = 25 mH
C = 0.01 pF
R = 65 ΩC0 = 5 pF
Ersatzbild Quarz: Serie- und Parallelschwingkreis
2 Resonanzfrequenzen nahe beieinander
Quarze vertragen keine grosse Verlustleistung ! max. 100 µW - 1 mW
q
ba
ba0 C
CC
CCC +
+=
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Quarzoszillatoren
Betriebsarten:
• in Serieresonanz als Kurzschluss bei Frequenz fser
• in Parallelresonanz f0 zwischen fser und fpar als L- Ersatz in LC-Oszillatoren
• bei fpar des Quarzes praktisch nie benutzt!
Aufgabe: Bestimme fser und fpar: L = 25 mH
C = 0.01 pF
R = 65 ΩC0 = 5 pF
Lösung: fser = 10‘065‘842 Hzfpar = 10‘075‘903 Hz
fpar
fser
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Quarzoszillatoren
-
inverting
Gatter arbeitet linear
R-C:
Phasenshift < 900
und
Strombegrenzung
L-C: Phasenshift < 1800
Inverter: Phasenshift 1800
Design: klassischer Oszillator mit Verstärker und Mitkopplung
Phasendrehung > 180 Grad durch R-C-L-C Netzwerk
Quarz „emuliert“ das L
Häufigste Schaltung
LC-Oszillator
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Quarzoszillatoren
Formeln für diesen Oszillator
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21L
CC
CCC
+=
q
ba
ba0 C
CC
CCC +
+=
Lastkapazität:
Quarz
CC
CCL2
1
C
C1ff
LC2
1f
CCC
tot
tottot
serosc
ser
L0tot
+π
=+=
π=
+=
Belastung des Quarzes in der Schaltung mit CL
CL setzt sich aus C1 und C2 in Serie zusammen
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Quarzoszillatoren
Aufgabe: Wo schwingt ein bei Distrelec bestellter
Quarz mit Serieresonanz 10 MHz, wenn man in mit
CL = 30 pF belastet?
Daten Quarz: fser = 10 MHz
C = 0.025 pF
R = 65 Ω
C0 = 5.5 pF
CL = 30 pF
Lösung: L = 10.132 mH f0 = 10‘003‘520.5 Hz
Formeln:
CC
CCL2
1
C
C1ff
LC2
1f
CCC
tot
tottot
serosc
ser
L0tot
+π
=+=
π=
+=
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Quarzoszillatoren
Design mit Quarz in Serieresonanz: nur mit TTL empfohlen
2 Gatter haben 3600 Drehung: Rückführung also nur 1 Drahtstück
Quarz spielt bei fser diesen frequenzselektiven Draht
Viel Empirie drin
fosc = fser
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QuarzoszillatorenTakterzeugung
Bis etwa 40 MHz Grundton, darüber Oberton Betrieb
Ausgangssignal bis etwa 40 MHz Logikpegel, darüber meist Sinus < 1V
Oszillatoren an Mikrokontrollern
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Praktikum: Beginner
Design: 2 MHz Quarz-Oszillator
2 MHz Quarz: RXTAL = 80 Ω
C0 = 4 pF
Designvorschlag:
R1 = 470 Ω (typ.)
CL2 = 47 pF (typ.)
CL1 = 22 pF (typ.)
RF = 1MΩ
kompakt aufbauen!
100nF Vcc Block Cap!
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Praktikum: Advanced
Design: Safe working Test
Safety Factor:L
maxPOT
R
RSF =
SF > 3 ist safe, > 5 very safe
2
L
0XtalL
C
C1RR
+=
layout
L21L
2L1LL C
CC
CCC +
+=
Resonanz-Lastwiderstand RL:
Last Kapazität CL:
Beim Design:
Messen bis zu welchem Wert von RPOT Oszillator noch anschwingt RPOTmax
Test immer mit Power OFF beginnen!
Im definitiven Betrieb:
RPOT natürlich entfernen
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Klassische Sinus Oszillatoren
0=(s)A(s)-1 β⋅
Lösung suchen:
1=(s)A(s) β•
Schwingbedingung:
1))()((
0))()((
=⋅
=⋅
ssARE
ssAIM
β
β
A(s)·β(s) nennt man Schleifenverstärkung
s= jω
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Wien Oszillatoren
Verstärker mit
Av = 1+R2/R1 …also 00 Shift
Mitkopplungsnetzwerk
muss somit auch 00 Shift haben
• Erreichbar mit CR-RC Bandpass
• T(s) berechnen
• Mittenfrequenz fr berechnen
• Dämpfung in Bandmitte bestimmen
(Resultat Faktor 3)
• Av etwas grösser wählen als
Dämpfung (z.B. 3.3)
• Ausgang Va benutzen (gefiltert Sinus)
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Wien Oszillatoren
Praktisch: Abgleich R4: ist Av zu knapp: Risiko Abbruch der Schwingung
ist Av zu gross: Verzerrungen nehmen zu
Bei Av > min steigt Schwingung exponentiell an bis OpAmp in Sättigung geht
Da OpAmp dann auch unerwünschte Phasenshift erzeugt
ist es besser die Begrenzung mit Dioden selber extern vorzunehmen
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Wien Oszillatoren
pCR
1+pCR+3
R
R+1
=Z+Z
Z]
R
R+[1=V
1
2
sp
p
1
2s •Schleifenverstärkung Vs:
CR
1=CR
o
o
ωω
1|=)(V| os ω
Phase wird 0 bei:
Amplitude bei ω0 wird 1 bei:
Normalform: 222
1
2s
pRC+CRp3+1
pCR]
R
R+[1=V ⋅
CR
1=oω
3=R
R1
1
2+
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Phase Shift Oszillatoren
RC6=o
⋅
6ω
RF/RG = 29
Alternative: RC Hochpässe: 6 mal tiefere Frequenz, gleiche Vst.
RF/RG = 29
RC6=o
⋅
1ω
zugleich Filterwirkung gegen Oberwellen !
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Phase Shift Oszillatoren
RC6=o
⋅
6ω
RF/RG = 29
Verbesserung (teurer): OpAmp Spannungsfolger nach jedem RC-Glied:
RC
3=oω RF/RG = 2*2*2 = 8
Einfache Berechnung: Jedes RC-Glied macht 600 Shift
Aufgabe: T(p) RC-Glied ? ω0 = ? Gain = ?
Lösung:RCj1
1)j(T
ω+=ω
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Praktikum TINA
Design: Wien-Oszillator für 1 kHz Sinus 2 Vpeak
CR
1=oω 3
R
RR1
5
34 ≥+
+
R5 = 10 k
R1 = R2=R
C1 = C2 = C
C = 100 n
„Starterquelle“
500 µs Pulsverwenden
FrequenzAmplitudePhaseOberwellen
FrequenzAmplitudePhaseOberwellen
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Zusammenfassung
2 Arten von Oszillatoren: Kippschaltungen und Klassisch
Kippschaltungen mit Schnitt Trigger realisieren (OpAmp oder Logik)
Inverter Logik mit mindestens 3 Invertern bauen (geeignet für höhere Frequenzen)
Bei Quarzoszillatoren arbeiten die Logik-Inverter im linearem Betrieb
Quarz: Serie- oder nahe Parallelresonanzbetrieb (L-Ersatz) möglich
Frequenz nur genau, wenn Lastkapazität = Spezifikation CL im Datenblatt
Reservefaktor ermitteln mit Seriewiderstand zum Quarz schützt vor Ausfall
Klassische Oszillatoren sind der Wien- und der Phasenschieberoszillator
Verstärker Implementation mit Transistoren oder OpAmp