Skip navigation

SZIMULÁCIÓS ÉS MŰSZERES MÉRÉSEK

Elméleti tananyagok






 


AZ OSZCILLÁTOROK MÉRÉSÉNEK ALAPISMERETEI


Az oszcilláció magyarul rezgést jelent. Az oszcillátorok olyan váltakozófeszültségű ge­nerátorok, melyek az idő függvényében meghatározott jelalakú, amplitúdójú és frek­venciájú rezgést állítanak elő. Jelalak szempontjából megkülönböztetünk: szinuszos-, háromszög- és négyszögoszcillátorokat. Szinuszos oszcillátorokat alkalmazunk pl. az adás- és vételtechnikában, a távközlésben, a számítástechnikában és a méréstechniká­ban.

A szinuszos oszcillátorokat más néven harmonikus oszcillátoroknak is nevezzük. Min­den oszcillátornak szerves része a frekvenciameghatározó hálózat, mely általában LC-, RC-, kvarckristály. Ettől eltérő a felépítése az elosztott paraméterű rezgőkörös oszcillá­toroknak (jelen ismertetőnek ez nem része).

Mindezek tükrében két módszer adódik a csillapítatlan, szinuszos, villamos rezgések előállítására:
  • Negatív differenciális ellenállás-karakterisztikaszakasszal rendelkező elemet tartalmazó, úgynevezett belső visszacsatolású oszcillátorok;
  • Pozitív visszacsatolású oszcillátorok.
Ismeretek, pdf forátumban itt.



Negatív ellenállást tartalmazó oszcillátorok

Az oszcilláció feltételezi a csillapítatlan, állandó amplitúdójú rezgések keltését és an­nak fenntartását. Ezek előállítására az egyik lehetőség az, hogy a rezgőkör veszteségi ellenállásával megegyező nagyságú negatív ellenállást kapcsolunk a rezgőkörbe. Ily módon a rendszer veszteségmentes lesz, tehát a rezgés csillapítatlan. Negatív ellenál­lást valósít meg egy tartományban a tetróda és az alagútdióda. Az alagút dióda előnye a tetródával szemben, hogy kétpólus.



1. és 2. ábra Alagút diódás oszcillátor elvi rajza és a dióda karakterisztikája


Hasonlóan jó tulajdonságokkal rendelkező oszcillátorok realizálhatók negisztor, vala­mint UJT alkalmazása esetén. Ezeknek az oszcillátoroknak a különlegessége az, hogy jóval alacsonyabb frekvenciatartományban üzemeltethetők, mint az alagút-diódás osz­cillátor (akár kHz-es rezonanciájú).


3. és 4. ábra
a negisztoros, valamint az UJT-s (kétbázisú tranzisztoros) oszcillátor kapcsolási rajza, valamint a félvezetők karakterisztikái




Visszacsatolt oszcillátorok

Legyen az erősítőfokozat erősítése
, fázistolása , a visszacsatoló hálózaté pedig , illetve . Pozitív visszacsatolás csak szűk hurokerősítésű tartományban állhat fenn. Ha pozitív visszacsatolás esetén a hurokerősítés megközelíti az 1-et, az erősítés az


összefüggés alapján a megengedhető határon túl növekedne. Az
értéknél álla­potváltozás következik be: a visszacsatolt erősítő begerjed, oszcillátorrá alakul. Az osz­cillátor tehát olyan áramkör, amely vezérlőjelet nem kap és a következő szerkezeti alapelemeket tartalmazza:

  • frekvencia-meghatározó elem, hálózat;
  • erősítő fokozat(ok);
  • amplitúdóhatároló elemek, amelyek az erősítő szerves részei.



5. ábra
Az oszcillátorok tömbvázlata


Az oszcillátor rezgésének feltétele, hogy az erősítőfokozat kimeneti feszültsége egyen­lő legyen a a visszacsatoló hálózat bemeneti feszültségével:

=> tehát a hurokerősítés:

Minthogy pozitív visszacsatolásról van szó, a kimeneti és a bemeneti feszültség fázisá­nak is meg kell egyeznie. Ebből adódik a következő két feltétel:

és

ahol az
az erősítőfokozat fázistolása, a a visszacsatoló hálózat fázistolása és a egész szám.
Az oszcilláció kettős feltétel együttes teljesülése esetén jön létre:

  • fázisfeltételt maga a visszacsatoló hálózat biztosítja , természetesen a visszacsa­toló hálózat fázistolásához kell megtervezni az erősítőfokozatot, illetve annak fázis­tolását; az oszcillációs frekvencián 0, vagy 180 fokos a szelektív hálózat fá­zistolása, így a fázisfeltétel teljesüléséhez ekképpen kell igazítani az erősítőfokozat fázisforgatását;
  • amplitúdófeltétele pedig a hurokerősítés egységnyi , illetve az oszcill­áció beindulása érdekében vagy ennél nagyobb értéke :

6. ábra
Lissajous-ábrák két, azonos frekvenciájú jel fázishelyzetének megállapításához




7. ábra fázismérés oszcilloszkóppal


Kétsugaras oszcilloszkóppal lehetőségünk van két, azonos frekvenciájú jel közötti fáziseltérés mérésére. A felső ábrarészletek esetén a két függőleges csatornát (Y) használ­juk, az alsó ábrarészleteknél (Lissajous-ábrák) pedig az egyik jelet a függőleges (Y), a másikat pedig a vízszintes (X) eltérítőrendszerre kapcsoljuk. Mint ismeretes: az oszcil­lációs frekvencián – felépítéstől függően – 0 (azonos fázisú) és 180 fokos (ellenfázisú) lehet a fázisforgatása mind az erősítőnek, mind pedig a szelektív hálózatnak. Eme ábra­részleteket narancs színnel emeltük ki.
A szinuszos oszcillátorok visszacsatoló hálózata olyan, hogy csak egy frekvencián tel­jesíti a gerjedés feltételét, és a visszacsatolás folyamatosan fennáll, mert az erősítő ezen a frekvencián erősít annyit, mint amennyit a visszacsatoló hálózat csillapít.

Az erősítő mindig termel zajt. A zajban minden frekvenciájú jel egyforma valószínű­séggel előfordul, az a frekvencia is, ahol adott a berezgés feltétele. Ez a zajösszetevő az alapja az oszcilláció megindulásának. Az oszcillátorok tehát mindig zajból gerjednek be.

A szinuszos oszcillátorokban a frekvencia-meghatározó elem lehet:

  • LC-rezgőkör;
  • RC-hálózat (esetleg RL, de ezt ritkán alkalmaznak a tekercs nagy mérete, valamint az alacsony frekvencia-stabilitás miatt);
  • rezgőkvarc;
  • elosztott paraméterű rezgőkör.




Amplitúdóhatárolás

Matematikailag igazolható, hogy az oszcilláció esetén a hurokerősítés minden határon túl exponenciálisan növekedne az idő függvényében. Ezért a rendszerben szükség van az amplitúdóhatárolásra. Az amplitúdóhatárolás rendszerint automatikusan létrejön az erősítő telítés jellegű transzfer karakterisztikája következtében, vagy erről külön áram­köri elemek gondoskodnak a kapcsolásban. Eszerint megkülönböztetünk belső- és kül­ső amplitúdóhatárolást. Az LC-oszcillátorok többségében belső amplitúdóhatárolás jön létre (noha ez attól is függ, hogy mi az aktív elem: tranzisztor, FET vagy elektroncső). Többször van szükség az RC oszcillátorok esetében a külső amplitúdó-határolásra, pl. akkor, ha az erősítő elem egy műveleti erősítő.

A 6. ábrán egy Meißner-oszcillátor kapcsolási rajza látható. Itt az emitter-bázis dióda végzi a határolást. A bekapcsolást követően a hurokban a jelszint folyamatosan nő.


8. és 9. ábra
földelt emitteres, illetve földelt bázisú Meißner-oszcillátor


Amíg kicsi az erősítendő jel, addig a karakterisztikák lineárisnak tekinthetők, a tran­zisztor működése egy A osztályú erősítőfokozatnak felel meg. Ha a szint már elegendő­en nagy, akkor a karakterisztikák nemlinearitása érvényesül. Az emitteráram már nem lesz szinuszos: torzul. A torzítás miatt megváltozik a középértéke, tehát az emitter egyenáram is. A változás növekvő irányú; az emitterellenállásra eső feszültség nő. Mi­vel a bázis feszültségét nagyáramú feszültség-osztóval állítjuk be, a bázisfeszültség ál­landó. Az emitter-feszültség növekedése tehát a tranzisztor munkapontjának záróirányú változását eredményezi. A munkapont itt is annál a rezgési amplitúdónál áll be, ahol a feltétel teljesül.

A belső határolás másik módja a földelt bázisú Meißner-osz­cillátor kapcsolásán figyelhető meg. Ebben a megoldásban a kollektor­-bázis dióda fejti ki a határoló, amplitúdóstabilizáló működést. Emitterellenállás nincs; a bázisosztót itt úgy méretezzük, hogy az árama sokkal nagyobb legyen, mint a bázis­áram, mert ekkor a bázisáram változásai nem változtatják meg a bázisfeszültséget, még akkor sem, ha az emitteráram torzul. A bekapcsolást követően mindaddig nő a jelszint, amíg a nagy jelamplitúdó mellett a pozitív csúcsokban - a periódus kis részében - a kollektorfeszültség kisebb lesz a bázisfeszültségnél. Ekkor nyit a kollektor-bázis dióda és a bázisáram ugrásszerűen megnő. Tulajdonképpen a kollektor-bázis dióda határoló működésének eredménye azonos a másik fajta határolás eredményével.

Nagyobb amplitúdóstabilitási és szigorúbb jeltorzítási követelmények esetén nem az erősítő elemet használják egyenirányítóként, hanem külön diódával egyenirányítják az oszcillátor kimeneti feszültségét. Az egyenirányított feszültséggel vagy közvetlenül, vagy egyenáramú erősítőn keresztül állítjuk be az oszcillátor erősítő elemének mun­kapontját, s ezzel az erősítés nagyságát.

A határolás másik módszere: az oszcillátor erősítőjének szintfüggő negatív visszacsato­lása (külső határolás). Ezt akkor alkalmazzuk, ha nagyobb pontossági- és torzítási kö­vetelményeket támasztunk az oszcillátorral szemben. Ekkor a gerjedést létesítő po­zitív visszacsatolással együtt egy, az erősítés nagyságának beállítására szolgáló nega­tív visszacsatolást is alkalmaznak. A negatív visszacsatolást adó hálózat általában fe­szültségosztó, amelynek egyik eleme izzólámpa vagy termisztor (Wien-hidas oszcillá­tor). Ezek az úgynevezett kvázilineáris elemek; karakterisztikájuk a lineáristól keveset különbözik (6. ábra), nemlineáris torzítást alig okoznak, ellenállásuk szintfüggő, meg­változása a negatív visszacsatolás, és ezen keresztül az erősítés megváltozását okozza. Elsősorban RC-oszcillátorokban alkalmazzák ezeket a kvázi-lineáris hálózatokat. Emellett más kétpólussal, illetve négypólushálózattal is létrehozhatunk szintfüggő vis­szacsatolást. Korszerű eszközeinkben diódákat és diódás hálózatokat alkalmazunk.

Kis frekvencia-, valamint amplitúdó-stabilitású igény esetén elsősorban tehát RC-, és LC-oszcillátorokat alkalmazunk. Míg az RC-oszcillátorokat az alacsonyabb frekven­ciatartományban (például a hangfrekvenciás mérések esetén), addig az LC-oszcilláto­rokat nagyobb, akár több száz MHz-es frekvencián is eredményesen működtethetünk.
Nagy frekvencia-stabilitású igények esetén három lehetőségünk van:

  • kvarcoszcillátorok: akár több száz MHz-es rezonanciafrekvencián, alap- és fel­harmonikus oszcillátorokban, hátránya kis mértékben hangolható, vagyis kicsi a frekvenciaátfogás;
  • frekvenciaszintézeres, fáziszárt hurkos (PLL: Phase Locked Loop) LC-oszcil­látorok alkalmazása, ahol az előállítandó frekvencia egy időalap-generátor je­léhez szinkronizált;
  • DDS (Direct Digital Synthesis - Közvetlen Digitális Szintézis ) céláramköröket alkalmaznak, melyekkel könnyedén állítható elő szinte bármilyen jelalak.

Mikrohullámú eszközökben alagút-diódás, Gunn-diódás, illetve az elosztott paraméterű rezgőkörös megoldások jöhetnek szóba.

Típus Működési frekvenciatartomány

Hangolhatóság

(frekvenciaátfogás)

Frekvencia-pontosság

RC 1 Hz - 10 MHz
LC 10 kHz - 1GHz
Kvarc 10 kHz - 1GHz
***
Termosztált kvarc
10 kHz - 1GHz ***

*: az RC-oszcillátorok általános frekvencia-meghatározó képlete: . Amennyiben egy elemet hangolunk, akkor célszerű ennek megfelelően egy dekádos elemértékátfogást választani (1:10 esetén pl. 1 kohm - 10 kohm), a frekvenciaátfogás 1:10 értékű lesz.
**: LC oszcillátorok rezonancia-frekvencia képlete:
. Egy elem hangolása és 1:10-es értékátfogása esetén a körfrekvenciaátfogás értékűre adódik.
***: a kvarc-oszcillátorok (kör)frekvenciaátfogása 1:1 közeli értéket biztosít. Ennek az az oka, hogy a rezonancia-frekvenciát csak néhány milliomodnyi értékkel hangolhatjuk el (pl. egy 1 MHz kvarc esetén néhány Hertz).



AZ OSZCILLÁTOROK MÉRÉSE

Az oszcillátorok műszeres megismerése során a következő méréscsoportokat különböztethetjük meg:

1. Munkaponti mérések: melyek során az oszcillátor erősítőáramkörének egyenáramú munkaponti jellemzőit mérik.
  • munkaponti egyenfeszültségek oszcillációmentesen;
  • munkaponti áramok oszcillációmentesen;
  • munkaponti áramok oszcilláció mellett, üzemi terheléssel lezárt kimenet.

2. Az oszcilláció feltételeinek mérése, nyitott hurkú merések:
  • a hurokerősítés frekvenciafüggésének mérése (átviteli karakterisztika);
  • a frekvenciameghatározó hálózat amplitúdó- és fáziskarakterisztikája;
  • az erősítési- [A] és visszacsatolási tényező mérése;
  • a rezonanciafrekvencia megállapítása;
  • az amplitúdófeltétel igazolása és a fázisfeltétel igazolása;
  • a szintfüggő erősítés mérése (be- és kimeneti feszültség karakterisztika).

10. ábra a nyitott hurok jellemzőinek mérése ,


11. ábra a nyitott hurok jellemzőinek mérése ,



12. ábra a nyitott hurok jellemzőinek mérése ,


A visszacsatolási tényező frekvenciafüggése (átviteli karakterisztika) és a visszacsatoló hálózat fázistolásának mérése (fáziskarakterisztika) => 10. ábra

A visszacsatolási tényező:
.
A visszacsatoló hálózat fázistolása a rezonancián:
, mely hálózatfüggő, és ahol eleme egész szám.

Az erősítési tényező frekvenciafüggése (átviteli karakterisztika) és az erősítő hálózat fázistolásának mérése (fáziskarakterisztika) => 11. ábra
A visszacsatolási tényező:

A visszacsatoló hálózat fázistolása a rezonancián: , mely hálózatfüggő, és ahol eleme egész szám.

A hurokerősítés frekvenciafüggése (átviteli karakterisztika), az amplitúdófeltétel és az nyitott hurok fázistolásának mérése (fáziskarakterisztika) => 12. ábra
A hurokerősítés:

A teljes hurok fázistolása a rezonancián: , ahol eleme egész szám.

A szintfüggő hurokerősítés mérése => 12. ábra: A rezonancia-frekvencián a teljes nyitott hurok vizsgálata: a bemeneti feszültség függvényében mérjük a kimeneti feszültséget:
, majd felvesszük a karakterisztikát.

A 10-12. ábra szerinti mérési elrendezésben eredményesen lehet vizsgálni például a fázistolós, az áthidalt T-tagos, a kettős T-tagos, valamint alapkapcsolás függvényében a hárompont-kapcsolású oszcillátorokat. Ilyen konkrét példát mutat a 13. ábra.

13. ábra a fázistolós oszcillátor nyitott hurkú mérése


Más a helyzet az olyan oszcillátorok esetében, ahol a visszacsatoló hálózat (szelektív hálózat) az erősítőáramkör szerves, nehezen elkülöníthető része. Ilyen kapcsolás például az Armstrong-Meißner oszcillátor (hangolt kollektoros felépítés). Ebben az esetben a nyitott hurkú mérés lényegében a szelektív erősítő mérőkörével azonos. Ennek blokkvázlatát tekinthetik meg a 14. ábrán, a mérőkör konkrét kapcsolási rajzát pedig a 15. ábrán. Az aktuális mérőpontok variációja itt is a 10-12. ábra szerint alakul.

14. ábra nyitott hurkú mérőkör (szelektív erősítő: a szelektív hálózat az erősítő szerves része)


15. ábra
példa: az Armstrong-Meißner-oszcillátor és nyitott hurkú mérőkörének kapcsolási rajza



Az oszcillációs jellemzők mérése, zárt hurkú mérések

  • A frekvenciastabilitás mérése (elvárásunk: a rezgési frekvencia legyen állandó az idő függvényében): a kívánt rezonanciafrekvenciától való eltérés oka lehet:
    • az alkatrészek hőfokfüggése;
    • a terhelés megváltozásának visszahatása;
    • a tápfeszültség megváltozásának visszahatása;
    • a munkapont bármely ok miatti megváltozása.
  • Méréseink során ezeket a visszahatásokat vizsgáljuk. A frekvenciastabilitás jellemezhető a frekvenciapontossággal: , ahol a rezonanciafrekvencia környékén a frekvenciaváltozás tartományát vizsgáljuk.
  • Az amplitúdóstabilitás mérése (elvárásunk: a kimeneti jel amplitúdója ne változzék az idő függvényében): az amplitúdóstabilitás feltétele a stabil kimeneti feszültség, melyet külső-, vagy belső nemlineáris elemekkel, hálózatokkal biztosítjuk. A mérésünk tehát lényegében a szintfüggő erősítő kimeneti feszültség (esetleg hurokerősítés) változásának megfigyelése, terhelés-, munkapont-, hőmérséklet-, tápfeszültség változásának függvényében.
  • A torzításmérés (elvárásunk: tiszta szinuszos, egyéb melléktermékek és hamonikusok nélküli, vagyis egy időben egyetlen jel előállítása): a jelelak és melléktermékvizsgálat, oszcilloszkóppal, torzításmérővel, valamint spektrumanalizátorral.


16. ábra
torzításmentes és nagy torzítású szinuszos jel, valamint a jelek Fourier-analízise után kapott spektrumábrái


A 16. ábrán jól megfigyelhető, hogy a torzított szinuszos jelben az alapjelen kívül megjelennek a frekvenciatöbbszörösök (felharmonikusok) is.

  • A hangolhatóság mérése: [elvárásunk: lehetőségünk legyen több féle frekvenciájú jel előállítására (természetesen egy időben csak egy jel) a lehető legnagyobb frekvenciaátfogással]: a szelektív hálózat egy, vagy több elemének értékváltoztatása mellett mérjük meg a működési frekvenciatartományt, a kimeneti feszültséget is regisztrálva. A frekvenciaátfogás a legnagyobb és legkisebb előállítható frekvencia hányadosa: átfogás= .


Kapcsolódó elméleti áttekintés, valamint megelőző ismeretek
MIKE GÁBOR: SZINUSZOS OSZCILLÁTOROK - MUNKAANYAG