Generatori nesinusoidalnih talasnih oblika

Slika 1 - a) Astabilni multivibrator i b) talasni oblici

Generatori nesinusoidalnih talasnih oblika su elektronska kola koja proizvode periodične signale alternativnog oblika.

Za početak, neka je tranzistor Q₁ u stanju vođenja, a tranzistor Q₂ u stanju zakočenja. Ubrzo nakon t=0 naponi na bazi i kolektoru tranzistora Q₁ poprimaju vrijednosti zasićenja, na bazi oko 0,8 V, a na kolektoru oko 0,2 V.

Kako je tranzistor Q₂ u stanju zakočenja, napon na bazi istog ima visoku negativnu vrijednost (oko -U_CC uvećano još za napone zasićenja baze i kolektora). Stoga je napon na С₁ veliki i negativan na strani baze Q₂. Budući da je Q₂ u stanju zakočenja, vuče malo struje, to izvor puni kondenzator C₁ strujom koja nabija С₁ do nivoa izvora U_CC.

Punjeanjem kondenzatora С₁ preko R_B2 podiže se napon U_B2 dok ne dostigne napon praga tranzistora Q₂ koji iznosi oko 0,6 do 0,7 V. Kada se dostigne prag napona, Q₂ će početi da provodi pa se napon U_C2 smanji, a samim tim se smanjuje i napon U_B2 jer se pad napona na С₂ ne može naglo promijeniti. Ipak, promjene se vrlo brzo odvijaju, i dovode do brzog smanjenja napona U_B2 na veliku negativnu vrijednost (oko -U_CC uvećano još za napone zasićenja baze i kolektora), kao i do stanja zakočenja u tranzistoru Q₁, a tranzistor Q₂vodi. Promjene se događaju u vremenskom intervalu T₁ i prikazane su na slici 1 pod b).

Vremenski interval T₁ traje približno:

$T_{1}\approx R_{B2}C_{1}\ln 2$

uz uslov da je napon U_CC dovoljno veliki u odnosu na napone zasićenja kolektora i baze i u odnosu na napon praga baze. Pretpostavka je da su oba tranzistora jednakih karakteristika.

U vremenskom intervalu od T₁ do T₁+T₂ djelovanje astabilnog multivibratora je jednako prethodno opisanom, osim što u opisu treba zamijeniti tranzistore tako da je Q₂ u stanju vođenja, a Q₁ u stanju zakočenja. Vremenski interval nabijanja koji mijenja iznos napona U_B1 dat je izrazom:

$T_{2}\approx R_{B1}C_{2}\ln 2$

Perioda oscilacija T₀ iznosi T₁+T₂, pa je:

$T_{0}=T_{1}+T_{2}\approx (R_{B2}C_{1}+R_{B1}C_{2})\ln 2$

Da bi generisali uske impulse, uzimamo T₂<T₁, a napon U_C1 je izlazni napon. Za dobar rad sklopa uzimamo nisku vrijednost vremenske konstante R_C1C₁ koja određuje vrijeme porasta impulsa. Za impulse koji traju duže od T₀/2 uzimamo napon U_C2 kao izlaz i malu vremensku konstantu R_C2C₂.

Da bi generisali signal koji je pravougaonog talasnog oblika najbolje je uzeti R_C1=R_C2, R_B1=R_B2=R_B i C₁=C₂=C, pa će biti:

$T_{0}=T_{1}+T_{2}\approx 2R_{B}C\ln 2$

Slika 2 - Sklop za detekciju presjeka sa nulom i odgovarajući talasni oblici

Pravougaoni talasi iz sinusnih talasa i detekcija presjeka sa nulom

Signale pravougaonog oblika moguće je generisati iz signala sinusoidalnog talasnog oblika. Sinusoidu treba propustiti kroz sklop limitera ili sklop komparatora. Dodavanjem visokopropusnog filtra i ispravljača, dobijamo sklop - detektor presjeka sa nulom. Slika 2 pod a) prikazuje generator i odgovarajuće talasne oblike signala u slučaju upotrebe komparatora. Ako je ulazni signal U_ul talas sinusnog oblika, izlazni signal iz komparatora U_iz je pravougaonog oblika (slika 2 pod b)).

Ako je RC << T₀, izlaz iz visokopropusnog filtra je naizmjenična povorka pozitivno i negativno polarizovanih vrhova, što je i prikazano na slici 2 pod v). Ispravljanjem se zadržavaju samo pozitivni vrhovi (slika 2 pod g)). Vrhovi se javljaju kod presjeka pozitivnog polutalasa sinusoide sa nulom.

Zamjenom smjera diode u sklopu (slika 2 pod a)), dobija se detektor presjeka sa nulom negativnog polutalasa signala.

Relaksacioni oscilator

Slika 3 - a) Relaksacioni oscilator i b) talasni oblici

Sklop za generisanje signala pravougaonog talasnog oblika nižih frekvencija je dat na slici 3 pod a).

Sklop koristi operacioni pojačavač i naziva se relaksacioni oscilator. Operacioni pojačavač djeluje kao komparator. Za opis djelovanja, pretpostavlja se da je početni napon u_iz = U_iz, pri čemu je U₀ vrijednost napona zasićenja operacionog pojačavača. Napon u₁ ima visoku negativnu vrijednost, pa je:

u₂ = U_izR₁/(R₁+R₂) i u₁ < u₂

čime se održava izlazni nivo na U_iz. Međutim kondenzator С se teži nabiti preko otpornika R na napon U_iz. Kada napon u₁ pređe iznos napona u₂, napon u_iz operacionog pojačavača se naglo mijenja od U_iz do -U_iz.

Poslije vremena promjene, kondenzator se teži nabiti od napona U₁ na napon -U_iz. Međutim kada dostigne iznos -U₁, opada ispod u₂ i izlazni napon se ponovo mijenja na U_iz, kao što je prikazano na slici 3 pod b). Nakon toga se postupak periodično ponavlja.

Može se dokazati da je perioda pravougaonog talasnog oblika relaksacionog oscilatora određena izrazom:

Т₀ = 2RCln(1+2R₁/R₂)

Za frekvencije f₀ = 1/T₀ iznad kojih se operacioni pojačavač ponaša kao širokopojasni komparator koriste se drugi sklopovi.

Generator trougaonog talasnog oblika

Slika 4 - Generator trougaonih talasnih oblika sastavljen od: a) neinvertujućeg integratora; b) invertujućeg integratora

Talasni oblik signala u₁ sklopa na slici 4 pod a) približno odgovara trouglu, kao što je prikazano na slici 3 pod b). Međutim poluperiodni segmenti talasnog oblika su zakrivljeni i nisu potpuno linearni. Bolja linearnost se postiže nabijanjem kondenzatora S preko izvora stalne struje, a ne preko otpornika R. Bolje rečeno, pokušavamo zamijeniti povratnu granu sastavljenu od otpornika R i kondenzatora С sa idealnim integratorom.

Korišćenjem neinvertujućeg integratora dobija se sklop generatora trougaonog talasnog oblika prikazan na slici 4 pod a). Korišćenjem ivertujućeg integratora vraćanjem njegovog izlaza na pozitivni ulaz operacionog pojačavača relaksacionog oscilatora dobija se generator prikazan na slici 4 pod b).

Izraz za periodu oscilovanja generatora na slici 4 pod b) glasi:

Т₀ = 4RCR₁/R₂

Izlazni napon u_iz se mijenja u obliku trougla između krajnjih vrijednosti napona:

u_max = U_izR₁/R₂

u_min = -U_izR₁/R₂

pri čemu je U_iz stepen zasićenja operacionog pojačavača OP₁ i jednak je izlazu relaksacionog oscilatora.

Literatura

• Omerdić Jasmina, Agić Sejfudin (2010). „Elektronika III za stručna zvanja tehničar računarstva, elektronike i mehatronike“.