ÖN BİLGİ: 5.1 Faz Kaymalı RC Osilatör

Transkript

1 DENEY 7 : OSİLATÖR UYGULAMASI AMAÇ: Faz Kaymalı RC Osilatör ve Schmitt Tetikleyicili Karedalga Osilatörün temel çalışma prensipleri MALZEMELER: Güç Kaynağı: 12VDC, 5VDC Transistör: BC108C veya Muadili Direnç: 1x3.3K, 2x5.6K, 1x6.8K, 4x10K, 1x10K POT. Kondansatör: 3x10n, 1x1µF, 1x10µF, 1x47µF. Entegre: 74HC14 ÖN ÇALIŞMA 1. BC108C transistörünün katalog bilgilerini inceleyip bacak bağlantılarını ve transistörün DC şartlardaki önemli parametrelerini öğreniniz HC14 Schmitt Tetikleyici entegresinin katalog bilgilerini inceleyerek max çıkış gerilimi + - (VOH), min çıkış gerilimi (VOL), yüksek eşik gerilimi (VT ) ve düşük eşik gerilimi (VT ) değerlerini kaydedin. 3. Şekil 5.3 teki devrenin spice simülasyonunu yaparak devrenin çıkışında osilasyon oluştuğunu gösterin. İzlenecek Yol: Devre başlangıçta osilasyona girmeyip pozitif feedback etkisiyle bir süre sonra osilasyona girecektir. Bütün bu aşamaları gösterecek şekilde çıkış işaretini gösterin. ÖN BİLGİ: 5.1 Faz Kaymalı RC Osilatör DC gerilimi istenilen frekansta işaretlere dönüştüren devrelere osilatör denir. Osilatörler DC gerilim kaynakları ile beslenirler. Bir osilatör devresi; osilasyonu başlatan rezonans devresi, yükselteç ve geribesleme katlarından oluşmaktadır. Temel osilatör devrelerinden sinüsoidal çıkış alınır. Fakat çıkışlarında kare, üçgen v.b dalga biçimleri elde edilebilen osilatör tasarımı da yapılabilir. Osilatörler; kullanım amaçları ve özelliklerine bağlı olarak çeşitli şekillerde tasarlanabilirler. Osilasyonun başlamasını sağlayan rezonans devreleri genellikle; R-C veya R-L pasif devre elemanlarından oluşur. Aşağıda popüler ve yaygın kullanım alanları bulunan bazı osilatör tipleri sıralanmıştır. Bu osilatör devreleri sırayla incelenecektir. RC Faz kaymalı osilatör Wien Köprü osilatörü Kolpits osilatörü Hartley osilatörü, kristal osilatör v.b Bir osilatör devresinin oluşturulabilmesi için önce tank devresi (rezonans devresi) ve yükselteç devresine gereksinim vardır. Ayrıca osilasyonun sürekliliğini saglamak için yükselteç devresinde pozitif geribesleme yapılmalıdır. Şekil 5.1 de ortak emetörlü bir yükselteç devresi görülmektedir. Bu yükselteç devresini geliştirerek bir osilatör devresine dönüştürebiliriz. Ortak emetörlü yükselteç devresinde; yükselteç girişine uygulanan işaret ile çıkışından alınan işaret arasında 180 O faz farkı olduğunu biliyoruz. Ortak emetörlü yükselteç devresini bir osilatör haline dönüştürmek için; yükselteç çıkışından alınacak işaretin bir kısmı, pozitif geribesleme ile yükselteç girişine uygulanmalıdır. Bu osilasyonun sürekliliği için gereklidir. Osilasyonun başlaması ile R-C devreleri ile gerçekleştirilir. Osilasyon işlemi için bir kondansatörün şarj ve deşarj süresinden faydalanılır.

2 Şekil 5.1 Ortak Emetörlü Yükselteç Devresi Yükselteç çıkış gerilimini; girişe geri besleyerek osilasyon elde edebilmek için, çıkış işaretini 180 o faz kaydırmak gerekmektedir. RC faz kaydırmalı osilatör devresinin temel prensibi bu koşula dayanmaktadır. Şekil 5.1 de RC faz kaydırmalı osilatör devresi verilmiştir. Devre dikkatlice incelendiğinde çıkış işaretinin bir kısmı RC geri besleme elemanları ile girişe geri beslenmiştir. Her bir RC hücresi; çıkış işaretinin bir kısmını 60 0 faz kaydırmaktadır. Çıkış ile giriş arasında 3 adet faz kaydırma devresi kullanılmıştır. Dolayısıyla çıkış işaretinin fazı kaydırılarak girişe pozitif geribesleme yapılmıştır. Şekil-5.2 RC faz kaydırmalı osilatör devresi Her bir RC devresinin 60 0 faz kaydırması istenirse R1=R2=Rg ve C1=C2=C3 olarak seçilmelidir. Rg, ortak emetörlü yükseltecin giriş empedansıdır. Giriş empedansının R1 ve R2'ye eşit olması gerekmektedir. Bu koşullar sağlandığı zaman, çıkış işaretinin frekansı aşağıdaki formül yardımı ile bulunur. f = 2πC 6R R1R C 38

3 Osilasyonların genliği, geri besleme oranına ve yükseltecin kazancına bağlıdır. Geri besleme oranı seri RC devrelerinin toplam empedansına bağlıdır. Bu empedans arttıkça geri besleme oranı düşecek ve çıkış işaretinin (osilasyonun) genliği azalacaktır. Şekil-5.3 RC Faz Kaydırmalı Osilatör Devresi 5.2 Schmitt Tetikleyicili Karedalga Osilatör Dijital devrelerde, dijital devre elemanlarının hepsinin belirlenmiş bir düzen dahilinde çalışması istenir. Çünkü her devre elemanı görevini zamanın belli bir bölgesinde yapar. Birkaç entegreden oluşan bir sistemi çalıştırdığımızda sistemin düzgün çalışması ancak bu entegrelerin senkron çalışmasıyla mümkündür. Bu senkronizasyon osilatör yardımıyla sağlanır. Osilatör ürettiği karedalga işareti düm dijital devre elemanlarına göndererek senktonizasyonu sağlar. Bir karedalga işareti üretmenin pek çok yolu vardır. Bunlardan bir tanesi evirici (Schmitt Tetikleyici) ile yapılan osilatördür. Burdada Schmitt Tetikleyici çok önemlidir çünkü onun yerine normal bir evirici kullanırsak devre osilasyon yapmayacaktır. Bunun sebebi Schmitt Tetikleyicinin histerizis özelliğidir. 74HC14, içerisinde 6 tane Schmitt özellikli evirici buffer bulunduran Si-gate CMOS entegredir. Schmitt özelliğinden kasdedilen aslında Şekil 5.4 de görülen histerizis özelliğidir. Şekil 5.4 Schmitt Tetikleyici Histerizis Karakteristiği 39

4 Bir schmitt tetikleyicinin sabit yüksek (High) ve düşük (Low) gerilim seviyeleri ve bunların yanısıra yüksek ve düşük eşik seviyeleri vardır. Şekil 5.4 te V T - ile düşük eşik seviyesi, V T + ile yüksek eşik seviyesi gösterilmiştir. Giriş işareti Low iken çıkış High seviyededir. Giriş arttırılıp yüksek eşik seviyesini geçtiği anda çıkış Low a düşer. Bu anda giriş işareti seviyesi tekrar düşmeye başlarsa çıkış ancak düşük eşik seviyesinin altında tekrar High seviyeye geçecektir. İşte bu özellik, Schmitt tetikleyiciyi normal bir eviriciden ayıran histerizis özelliğidir. Osilatör Devresi Şekil 5.5 de Schmitt Tetikleyici ile yapılan karedalga osilatör devresi görülmektedir. Devrenin çalışması kısaca şöyledir: Başlangıçta yani devreye enerji verildiğinde kondansatörün boş olduğunu varsayalım. A noktası yani tetikleyicinin girişi 0 V olduğundan çıkış yani B noktası 5 V seviyesindedir. Çıkış High seviyede olduğundan buradan kondansatöre doğru akan akım kondansatörü direnç üzerinden şarj etmeye başlar. Kondansatör gerilimi yüksek eşik seviyesi V T + ye ulaştığında çıkış konum değiştirir ve Low seviyeye düşer. Çıkış gerilimi 0 V olduğundan bu kez kondansatörden çıkışa doğru bir akım akar ve kondansatör direnç üzerinden deşarj olmaya başlar. A noktasındaki gerilim V T - düşük eşik seviyesine ulaştığında çıkış tekrar konum değiştirir ve High seviyeye çıkar. Bu noktadan sonra kondansatörün V T + ile V T - arasında sürekli şarj ve deşarj olmasıyla çıkışta karedalga işaret oluşması sağlanır. Osilasyon frekansı : 1 1 f = = formulüyle hesaplanabilir. T R *C*0.8 Şekil 5.5. Schmitt Tetikleyicili Osilatör Devresi 40

5 DENEYİN YAPILIŞI: 1. RC Osilatör Deneyi 1.1 Şekil-5.3'deki faz kaymalı osilatör devresini deney seti üzerine kurunuz. Osilatörün çıkış işaretini gözlemlemek için gerekli osiloskop bağlantısını yapınız. 1.2 Osilatör çıkış işaretinin (Vç) ve Q1 transistörünün bazındaki işaretin dalga biçimlerini Şekil-5.6'daki diyagrama orantılı olarak çiziniz. Şekil-5.6 RC osilatörün çıkış ve baz işaretlerinin dalga biçimleri 1.3 İşaretin tepeden tepeye değerini ve frekansını ölçerek elde ettiğiniz sonucu ilgili yere kaydediniz. f = Vç p-p = Osilatör çıkış işareti ile transistörün beyzindeki işareti aynı anda osiloskop ta gözleyiniz. Bu iki işaret arasında faz farkı var mı? Varsa açıklayınız. 1.5 Şekil-5.3'deki deney devresinde RE direnç değerini Tablo-5.1'de verilen değerlere sıra ile değiştiriniz. Her değer için çıkış işaretinin tepeden tepeye değerini ve frekansını ölçerek Tablo 5.1'deki ilgili yerlere kaydediniz. 1.6 Osilatör devresini Şekil-5.3'deki ilk haline getiriniz. Devredeki R1 direnci yerine 22KΩ' luk bir direnç bağlayınız. Bu durumda çıkış işaretinin genliği ve frekansındaki değişimi gözleyerek sonucu ilgili yere not ediniz. RE (Ω) Vç p-p (volt) F (hertz) 3.3K Ω 5.6K Ω 6.8K Ω Tablo-5.1 Osilatör Kazancının Etkileri 41

6 2. Schmitt Tetikleyicili Karedalga Osilatör Deneyi 1. Şekil 5.7 deki devreyi board üzerinde kurup, 74HC14 entegresinin 5V luk besleme gerilimini verdikten sonra A noktasındaki giriş işareti ile B noktasındaki çıkış işaretini C=1µF ve R nin 0, 1kΩ,2kΩ ve 5kΩ değerler için devrenin nasıl bir osilasyon yaptığını inceleyiniz. Şekil Devreye bağladığınız R ve C elemanları için devrenin hesapladığınız ve ölçtüğünüz çıkış frekans değerlerini tabloya kaydedin, hesap ile ölçüm arasında farklar varsa sonuç kısmında nedenlerini belirtiniz. 3. Potansiyometreden ayarladığınız R=1kΩ ve 2kΩ için A noktasındaki giriş işareti ile B noktasındaki çıkış işaretini sonuçlar kısmına kaydediniz. Sonuçlar : 1. 74HC14 Schmitt Tetikleyici entegresinin Max çıkış gerilimi (V OH ) = Min çıkış gerilimi (V OL ) = Yüksek eşik gerilimi (V T + ) = Düşük eşik gerilimi (V T - ) = Devrenin Osilasyon Frekansı Eleman Değerleri Hesap Ölçüm R=5kΩ, C=1µF R=2kΩ, C=1µF R=1kΩ, C=1µF R=0Ω, C=1µF 42

7 C=1uf, R=2kΩ Şekil 5.8 C=1uf, R=1kΩ Şekil 5.9 SORULAR: 1. RC Osilatör devresinin osilasyona başlaması için çıkış ve geri beslenen giriş işaretleri arasındaki faz farkı nasıl sağlanmıştır? Açıklayınız. 2. RC Osilatörün çalışmasına RE direncinin etkisini belirtiniz? RE direncinin değişimi osilatör çıkış işaretinde ne gibi değişimler sağlar? Açıklayınız. 3. Schmitt Tetikleyicili Karedalga Osilatörü devresinin çıkış işaretinde duty cycle ın % 50 olamamasının nedenlerini açıklayınız. 4. Schmitt Tetikleyicili Karedalga Osilatörü devresini gerçeklerken Schmitt Tetikleyici yerine normal bir evirici kullanıldığında osilasyon yapmamasının sebebini açıklayınız. 43