X
تبلیغات
هر چی بخوای - گزارشکار اسیلاتوری
مخابرات

 

 


۱.1 اهداف این آزمایش :

1.      تفهیم عملکرد و مشخصّات مربوط به اسیلاتورهای RF

2.      طراحی و پیاده سازی اسیلاتورهای RF

۱.2 چکیده آزمایش :

در طراحي سيستم هاي الكترونيكي نياز به سيگنال هايي با شكل موجهايي از قبل تعيين شده و استاندارد مانند موج سينوسي با فركانس دلخواه داريم. سيستم هايي كه نيازمند سيگنال هاي استاندارد هستند شامل : كامپيوتر و سيستم هاي كنترلي كه در آنها از پالس ساعت براي زمان بندي مورد نياز است و همچنبن سيستم هاي ارتباطي كه در آنها مجموعه اي از سيگنال ها با شكل موج هاي گوناگون به عنوان حامل هاي اطلاعات به كار مي رود.

براي توليد شكل موج هاي سينوسي روش معمول استفاده از حلقه فيدبك مثبت به همراه يك تقويت كننده و يك شبكه انتخاب فركانس RC يا LC است.

دامنه موج سينوسي توليد شده توسط مكانيزمي غيرخطي يا با استفاده از يك مدار مجزا يا با استفاده از خواص غيرخطي تقويت كننده تعيين يا محدود مي شود.

در حقيقت همه نوسان كننده ها اساسا مدارات غيرخطي هستند كه اين مورد مراحل تحليل و طراحي نوسان كننده ها را به حدي دشوار مي سازد كه ديگر كسي قادر به كاربرد مستقيم روش هاي تبديل ( فضاي s ) نمي باشد.روش هاي پيشنهاد شده براي طراحي نوسان كننده هاي سينوسي مي تواند در دو مرحله انجام شود. اولين مرحله خطي است و از روش هاي تحليل مدارهاي فيدبك در حوزه فركانس مي توان استفاده كرد. سپس يك مكانيزم غيرخطي براي كنترل دامنه به كار برد.

در ابتدای این آزمایش تعریف و جزییات مربوط به یک اسیلاتور شرح داده می شود. با توجه به خاصيت غيرخطي بودن ترانزيستور و محدود كردن دامنه توسط آن، ما در اين آزمايش از ترانزيستور به عنوان تقويت كننده استفاده مي كنيم. پس از این مراحل در آخر، مدارات مربوط به اسیلاتورهای کولپیتس و هارتلی را مورد بررسی قرار داده و روابط مربوطه شرح داده خواهند شد.

۳.۱ مقدمّه آزمایش :

قبل از انجام آزمایش مطالبی به عنوان یادآوری، در این قسمت ذکر می شود. در ابتدا لازم است بدانیم که اسیلاتور چیست؟ به طور ساده اسیلاتور یک Signal Generator یا در اصطلاح یک تولید کننده سیگنال است که ولتاژ dc تغذیه اش را به سیگنال ac متناوب و تکرار شونده تبدیل می کند بدون اینکه در ورودی اش سیگنالی وجود داشته باشد.

 اسیلاتورها در سیتم های مخابراتی نقش بسیار مهمی را بازی می کنند چون تقریبا در هر سیستم مخابراتی نیاز به یک تولید کننده کاریر یا سیگنال نوسانی محلی داریم.

شکل ۱.۱ که در زیر ارائه شده است، ساختار یک اسیلاتور را به صورت بلوک دیاگرامی نمایش می دهد که از یک Amplifier یا تقویت کننده و یک شبکه فیدبک که توسط تشدید کننده ایجاد شده، تشکیل شده است. هنگامی که ولتاژ اولیه dc به مدار اعمال می گردد، نویز در مدار ظاهر خواهد شد که این نویز توسط تقویت کننده ، تقویت شده و سپس به ورودی شبکه فیدبک که یک مدار تشدید کننده با توابع فیلتر است، می رسد.

شکل ۱.۱ – ساختار یک اسیلاتور به صورت بلوک دیاگرامی

 

این شبکه فیدبک به فرکانس سیگنال هایی که برابر با فرکانس تشدید کننده باشند اجازه عبور داده و بقیه فرکانس ها را برمی گرداند. سیگنال فیدبک تقویت خواهد شد و دوباره در ورودی فیدبک قرار می گیرد. اگر سیگنال فیدبک با سیگنال ورودی هم فاز بوده و گین ولتاژ هم به حد کافی رسیده باشد، اسیلاتور عمل خواهد کرد.

برای اینکه یک اسیلاتور عملکردی مطلوب داشته باشد، باید بر اساس ضابطه Barkhausen باشد. این ضابطه در اصل رابطه ای است که بین A یعنی بهره ی تقویت کننده و 12β(s)'> یا همان شاخص فیدبک بیان می شود، به این صورت که باید داشته باشیم :

رابطه (1-1)          12Aβs≥1'>          

که در این رابطه :

A برابر با بهره ی تقویت کننده و 12β(s)'> هم برابر با شاخص فیدبک می باشد.

ما در این آزمایش از اسیلاتورهای ترانزیستوری استفاده خواهیم کرد. یک تقویت کننده ی ترانزیستوری با مشخصه ی ic – vbe به صورت غیرخطی به عنوان یک محدود کننده دامنه استفاده می شود. یک اسیلاتور با عامل محدود کننده زمانی که بهره حلقه اش برابر با یک باشد به نام اسیلاتور Self-Limiting هم نامیده می شود.

اسیلاتور کولپیتس (Colpitts Oscilator)

مدار معادل ac این اسيلاتور در شكل ۲.۱ نشان داده شده است :

شكل ۲.۱- مدار معادل ac یک اسیلاتور کولپیتس

 

همانطور كه در بالا مشاهده مي شود يك مدار رزونانس LC موازي بين بيس و كلكنور ترانزيستور قرار گرفته است كه با تقسيم ولتاژ بين C1 و C2 بخشي از ولتاژ فيدبك به اميتر مي رسد. در اين مدار R مقاومت خروجي ترانزيستور و هم چنین  بار( Load ) و مقاومت معادل سلف و خازن را مدل مي كند.                 

در فركانس هاي نه چندان بالا مي توان از خازن هاي داخلي ترانزيستور صرفه نظر كرد . فركانس نوسان اسيلاتور كولپيتس را مي توان با فرمول  (1-2)به صورت زير محاسبه كرد :

رابطه (1-2)        

در مدار اسيلاتور كولپيتس شاخص فيدبك  برابربوده با C1 / C2 و گين ولتاژ A هم برابر  مي باشد. بنابراين داريم :

12Aβs=1'>

پس می توان روابطی به صورت زیر را نتیجه گرفت :

gmR ( C2 / C1 ) = 1

C1 / C2     = gmR

براي شروع نوسان گين حلقه بايد حداقل برابر يك باشد. بنابراين شرط نوسان را مي توان به شكل زير بيان كرد:

رابطه (1-3)         C1 / C2   ≤   gmR

شكل  ۳.۱ مدار عملي اسيلاتور كولپيتس را نشان مي دهد كه در آن مقاومت هاي R1 تا R4 براي تعيين باياس به كار مي روند. C1 خازن كوپلاژ و C2 خازن باي پس مي باشد و فركانس نوسان اسيلاتور توسط C3 و C4 و L تعيين مي شود :

شكل ۳.۱ -  مدار عملي اسيلاتور كولپيتس

 

اسيلاتور هارتلي (Hartley Oscilator) :

مدار معادل ac اسيلاتور هارتلي به صورت شكل ۴.۱ مي باشد. اين مدار شبيه اسلاتور كولپيتس مي باشد با اين تفاوت كه جاي خازن ها و سلف ها با هم عوض شده اند . تحليل هايي كه در مورد اسيلاتور كولپيتس در قسمت قبل  صورت گرفت در اين قسمت نيز صادق مي باشد.

شكل ۴.۱ - مدار معادل ac اسيلاتور هارتلي

 

فركانس نوسان در اسيلاتور هارتلي به صورت زير تعيين مي شود :

رابطه (1-4)        12fo=12Ï€L1+L2C'>

در مدار اسيلاتور كولپيتس شاخص فيدبك  برابربوده با L1 / L 2 و گين ولتاژ A هم برابر  مي باشد. بنابراين داريم :

12Aβs=1'>

پس می توان روابطی به صورت زیر را نتیجه گرفت :

gmR ( L2 / L1 ) = 1

L1 / L2     = gmR

براي شروع نوسان گين حلقه بايد حداقل برابر يك باشد. بنابراين شرط نوسان را مي توان به شكل زير بيان كرد:

رابطه (1-5)            L1 / L2   ≤   gmR

 

شكل (1-5) زير مدار عملي اسيلاتور هارتلي را نشان مي دهد كه در آن مقاومت هاي R1 تا R3 براي تعيين باياس به كار مي روند. C1 خازن كوپلاژ و C2 خازن باي پس مي باشد و فركانس نوسان اسيلاتور توسط C3 و L1 و L2 تعيين مي شود.

شكل ۵.۱ - مدار عملی اسيلاتور هارتلي

 

۴.۱ قطعات مورد نیاز آزمایش :

1.      Module KL-92001

2.      Module KL-93001

3.      Oscilloscope

4.      LCR Meter

 

۵.۱ شرح آزمایش :

در قسمت اوّل از این آزمایش، روی مدار مربوط به اسیلاتور کولپیتس به این صورت عمل می کنیم که برای بار اوّل خازن های C3 , C4 و سلف L1 را وارد مدار می کنیم. مقادیر مربوطه به صورت زیر هستند :

12C3=0.001 μF , C4=0.015 μF , L1=27 μH '>

سپس برای بار دوّم خازن های C6 , C5 و سلف L2 را وارد مدار می کنیم. مقادیر مربوطه به صورت زیر هستند :

12C5=100 pF , C6=1000 pF , L2=2.7 μH '>

حال اسیلوسکوپ را به خروجی مدار وصل کرده و با توجه به مشاهدات، جدول ۱-۱ را به صورت زیر کامل می کنیم :

 

12fo'>

12L1'>

12 C2'>

12C1'>

 

1 MHz

1227 '>

12μH'>

120.015 '>

12μF'>

120.001 '>

12μF'>

Nominal Value

1 MHz

1227 '>

12μH'>

120.015 '>

12μF'>

120.001'>

12 μF'>

Measured Value

10.15 MHz

122.7 '>

12μH'>

121000 '>

12pF'>

12100'>

12 pF'>

Nominal Value

6.25 MHz

122.7 '>

12μH'>

121000'>

12 pF'>

12100 '>

12pF'>

Measured Value

 

جدول 1.1 – مقادیر مربوط به آزمایش اسیلاتور کولپیتس

 

مقادیر تئوری در جدول بالا با استفاده از رابطه (1-2) و به صورت زیر به دست آمده اند :

 

شکل موج ها به تریب برای حالت الف و ب در آزمایش کولپیتس به این شکل خواهند بود :

شکل ۶.۱ - شکل موج خروجی در حالت الف از آزمایش کولپیتس

در این شکل = 2  محور عمودی و μs = 2 محور افقی

 

شکل ۷.۱ - شکل موج خروجی در حالت ب از آزمایش کولپیتس

در این شکل = 2  محور عمودی و μs = 0.5 محور افقی

 

در حالت الف خطا صفر می باشد ولی در حالت ب خطا این چنین محاسبه می شود :

12e= 6.25-10.156.25=-0.624'>

در قسمت دوّم از این آزمایش، روی مدار مربوط به اسیلاتور هارتلی به این صورت عمل می کنیم که برای بار اوّل سلف های L1 , L2 و خازن C3 را وارد مدار می کنیم. مقادیر مربوطه به صورت زیر هستند :

12L1=68 μH , L2=2.7 μH , C3=100 pF '>

سپس برای بار دوّم خازن های C6 , C5 و سلف L2 را وارد مدار می کنیم. مقادیر مربوطه به صورت زیر هستند :

12L3=47 μH , L4=470 μH , C4=150 pF '>

حال اسیلوسکوپ را به خروجی مدار وصل کرده و با توجه به مشاهدات، جدول ۲-۱ را به صورت زیر کامل می کنیم :

12fo'>

12 C3'>

12 L2'>

12L1'>

 

1.89 MHz

12100 '>

12pF'>

122.7 '>

12μH'>

1268 '>

12μH'>

Nominal Value

1.66 MHz

12100 '>

12pF'>

122.7 '>

12μH'>

1268 '>

12μH'>

Measured Value

571 KHz

12150 '>

12pF'>

12470 '>

12μH'>

1247 '>

12μH'>

Nominal Value

500 KHz

12150 '>

12pF'>

12470 '>

12μH'>

1247 '>

12μH'>

Measured Value

 

جدول 1.2 – مقادیر مربوط به آزمایش اسیلاتور هارتلی

مقادیر تئوری در جدول بالا با استفاده از رابطه (1-4) که در بخش قبلی آورده شده بود محاسبه گردیده اند. این محاسبات به شرح زیر می باشد :

12fo=12π68μH+2.7μH100pF=571 KHz'>

12fo=12π470μH+47μH150pF=1.89 MHz'>

 

شکل موج ها نیز به تریب برای حالت الف و ب در آزمایش هارتلی به این شکل خواهند بود :

 

شکل ۸.۱ - شکل موج خروجی در حالت الف از آزمایش هارتلی

در این شکل = 5  محور عمودی و μs = 10 محور افقی

 

شکل ۹.۱ - شکل موج خروجی در حالت الف از آزمایش هارتلی

در این شکل = 5  محور عمودی و μs = 10 محور افقی

 

در حالت های الف و ب مقداری خطا بین مقدار اندازه گیری شده و مقدار محاسبه شده از طریق تئوری وجود دارد که این میزان خطا این چنین محاسبه می شود :

خطا برای حالت الف     12e= 500-571500=-0.142'>

خطا برای حالت ب      12e= 1.66-1.891.66=-0.138'>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ نوشته شده در  چهارشنبه هجدهم آبان 1390ساعت 0:19  توسط maryam  |