UFRJ / POLI / DEL - Laboratório de Eletrônica III AULA PRÁTICA #4 OSCILADORES SENOIDAIS EM PONTE DE WIEN

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1 AULA PRÁTICA #4 OSCILADORES SEOIDAIS EM POTE DE WIE Obs: Prnuncia-se pnte de in. O nme vem d pesquisadr alemã Max Karl Werner Wien ( ), que estudu a pnte RC que realimenta amplificadr, que leva seu nme, a redr de 900. I) Objetivs Estudar a realizaçã e estabilizaçã d funcinament de sciladres senidais d tip pnte de Wien. Estudar a utilizaçã da estrutura d sciladr cm amplificadr seletiv de Q ajustável. Prjetar um sciladr cm freqüência variável. II) Especificações Cmpnentes: ampp (TL07), did de sinal (448), JFET (BF45B) Tensã de alimentaçã: CC ± 0 Tensã de pic n JFET: GS 50m Frequência de scilaçã: esclher entre k e 5k Amplitude de saída: 6 de pic. JFET BF45B III)Teria e prjet a) Osciladr em pnte de Wien (Fig.): - Sem utilizar circuit de cntrle de distrçã e amplitude (R x, D e D ), mstrar, para circuit da Fig., que a frequência de scilaçã e a cndiçã (ganh necessári) para scilaçã senidal sã btidas, respectivamente, pelas expressões: f A RRCC ( +R /R ) [ +(C /C )+(R /R )] π Esclher R, R, C e C para a frequência desejada. - Esclher R 3 e R x de md a bter uma senóide puc distrcida. Uma estimativa de Rx pde ser btida fazend ( + R 3 R 4 ) puc mair que A (p.ex.: +3%), e ( + ( 3 // ) 4) (p.ex.: -0,3%). - ariar R x para ajuste da amplitude. R R R puc menr que A x b) Osciladr em pnte de Wien invertida (Fig.): - Sem utilizar circuit de cntrle de distrçã e amplitude (R5, R6, D e D), mstrar que circuit Fig. também é um sciladr. Determinar a frequência e a cndiçã de scilaçã. - Observar que este sciladr é btid a partir d sciladr em pnte de Wien trcand-se as ligações que vã para terra cm as que vã para terminal de saída d amp-p. Explicar prquê é necessári inverter as entradas d ampp. - Mantenha s mesms valres de R, R, C, C, R 3 e R 4, esclhids para sciladr em pnte de Wien. - Calcular R 5 e R 6 para bter a amplitude desejada. ACMQ /5/00 (v4) JBM 0/05/0

2 c) Amplificadr seletiv de Q ajustável (Fig.3): - Utilizar circuit d sciladr em pnte de Wien invertida cnfrme indicad na Fig.3 e calcular a funçã de transferência /a. OBS.: desligar circuit de cntrle de distrçã e amplitude. - Estabelecer expressões para ω e Q, cmparand denminadr da expressã encntrada cm denminadr da frma padrã para um sistema de a. rdem: s + ( ω Qs ) + ω. - Mantenha s mesms valres de R, R, C, C e R 4 esclhids para sciladr em pnte de Wien invertida. - Esclher R 3 para bter fatr de qualidade Q entre 8 e. d) Osciladr cm freqüência ajustável (Fig.4): - Mstrar que a freqüência e a cndiçã de scilaçã d circuit da Fig. 4 sã respectivamente: R 5 RR 4 5 C R A + + k + + f R3 RR 3 C R, RRCC π nde: k é ganh d circuit de cntrle de amplitude - Observar que R cntrla a frequência sem afetar a cndiçã de scilaçã. - Esclher R, C, C e a faixa de valres de R de frma a que a freqüência de scilaçã pssa ser ajustada entre 300 e 3 k. - Esclher R 3, R 4 e R 5 de md que A nã varie muit cm a variaçã de R. - Para cálcul d circuit de cntrle de amplitude, ver prcediment na Memória de Cálcul e instruçã para simulaçã auxiliar n item I-d R C C R R C R4 + - OUT R3 Rx D D R C R3 - + OUT R4 D D CC + R5 R6 R6 0 R5 CC - Fig.: Osciladr em pnte de Wien Fig.: Osciladr em pnte de Wien invertida ACMQ /5/00 (v4) JBM 0/05/0

3 C C R a R C R3 R - + OUT R4 C POT Ra R R4 U R3 R5 U R6 8k R7 39k R8a 39k U3 R6 8k R8b. Meg J POT 00k SET D C3 u Fig.3: Amplificadr seletiv de Q ajustável Fig. 4: Osciladr cm freqüência ajustável I) Simulações e Medidas - Para acelerar as simulações ds sciladres deve-se acrescentar uma fnte de crrente IPULSE entre terminal de terra e uma das entradas de um ampp. Esta fnte gera uma única perturbaçã inicial que acelera prcess de cnvergência d simuladr. - Sugestã de ajuste da fnte de crrente IPULSE : i0; ima ; TDus; TR3ns; TF3ns; PWu e PER0. O temp de simulaçã deve ser ajustad em pel mens 50ms e step size 0us. - O circuit de cntrle de distrçã e amplitude deve ser ligad smente após ter certeza de que circuit está sciland crretamente (cm distrçã). Opcinalmente pde-se utilizar uma chave para ligar circuit de cntrle depis de um temp de simulaçã. este cas, sciladr cmeça cm distrçã e, depis se ajusta para valr desejad. O cmpnente é Sw_tClse/AL_MISC e deve ter seus parâmetrs ajustads: ROPE0meg e TCLOSE0ms. a) Osciladr em pnte de Wien (Fig.): - Simular e medir a freqüência de scilaçã e amplitude d sinal de saída. b) Osciladr em pnte de Wien invertida (Fig.): - Simular e medir a freqüência de scilaçã e amplitude d sinal de saída. c) Amplificadr seletiv de Q ajustável (Fig.3): - Simular fazend a respsta em frequência (AC Sweep/ise) d circuit cm s valres de R 3 e R 4 esclhids para bter fatr de qualidade Q entre 8 e. Medir fatr de qualidade d circuit, definid cm : Q BW, nde ω é a freqüência de ressnância (máxim de amplitude) e BW é a largura ω de banda nde a amplitude cai db em relaçã a máxim btid em ω. - Simular fazend a respsta n temp (Time Dmain - Transient) d circuit cm s mesms valres de R 3 e R 4 esclhids. Aplicar um degrau de de amplitude e medir fatr de qualidade d circuit pel métd apresentad n anex. ACMQ /5/00 (v4) JBM 0/05/0 3

4 - ariar Q d circuit, alterand valr de R 3. Repetir as medidas pels dis métds. - Cmparar as medidas pels dis métds. Que métd é mais precis? d) Osciladr cm freqüência ajustável (Fig.4): - Simulaçã auxiliar para prjet d circuit de cntrle de amplitude e distrçã (Fig.5): - as definições de simulaçã, selecinar: análise d tip DC Sweep e as duas pções: pçã: Primary Sweep / variável de varredura: ltage surce (GS) / tip de varredura: linear indicand valr inicial (0)/ final (.) / increment (0.0). pçã: Parametric Sweep / variável de varredura: ltage surce (DS) / tip de varredura: alue list indicand s valres: (-50m +50m). - Pltar (DS:+) / I(J:d). BF45B J DS GS.5 0 Fig.5 - Pela estimativa de R DS necessári, é pssível estimar a tensã GS crrespndente e, cnsequentemente, estimar a tensã de saída (ver rientaçã na memória de cálcul). Simular e medir a freqüência de scilaçã e amplitude d sinal de saída para s valres, mínim e máxim, de R. ariar a tensã de gate ( GS ) de J e bservar que crre cm a tensã de saída. 50m ACMQ /5/00 (v4) JBM 0/05/0 4

5 Aula prática # 4 (Osciladres senidais) GRUPO: Data: MEMÓRIA DE CÁLCULO ) Especificações: Alimentaçã Frequência de scilaçã Excursã de sinal na saída CC Tensã de pic n JFET k f k pic m GS pic Osciladr em pnte de Wien (Fig.): ) Esclha R, R, C e C para a frequência desejada Calcular valr d prdut R R C C para bter a frequência desejada. f RRCC s Esclher valres cmerciais de capacitres de pliéster para C e C (verificar n labratóri s valres dispníveis). C nf C nf Esclher valres cmerciais para R e R. R kω Cálcul da freqüência cm s valres esclhids R kω f k ACMQ /5/00 (v4) JBM 0/05/0 5

6 3) Cálcul de R 3, R 4 e R x Calcular ganh necessári para scilar (cndiçã de scilaçã). A Calcular a relaçã entre R 3 e R 4 e esclher valr cmercial para R 4. R R 3 4 R4 kω Esclher R 3 e R x. Uma estimativa de Rx pde ser btida fazend ( + R 3 R 4 ) puc mair que A (p.ex.: +3%), e ( ( R // R ) R ) puc menr que A (p.ex.: -0,3%). + 3 x 4 R3 kω Rx kω Osciladr em pnte de Wien invertida (Fig.): 4) Cálcul de R 5 e R 6 Calcular R5 e R6 para bter a amplitude desejada. Esclher valres cmerciais. R5 kω R6 kω Estimar a amplitude d sinal de saída. pic Amplificadr seletiv de Q ajustável (Fig.3): 5) Cálcul de R 3 Esclher R3 para bter fatr de qualidade Q entre 8 e. Esclher valr cmercial. R3 kω ACMQ /5/00 (v4) JBM 0/05/0 6

7 Osciladr cm freqüência ajustável (Fig.4): Calcular valr d prdut R R C C para bter a frequência mínima desejada. fmin RRCC s Esclher valres cmerciais de capacitres de pliéster para C e C (verificar n labratóri s valres dispníveis). C nf C nf Esclher R max e R min. A freqüência deve variar pel mens uma década e R é únic respnsável pr esta variaçã. Prtant, sabe-se pela expressã da freqüência que R max >00R min. Esclher valr cmercial para R e determinar R max. R kω Rmax kω Esclher valr cmercial para R a < R max/00. Ra kω Cálcul das freqüências, máxima e mínima, cm s valres esclhids fmin fmax k ACMQ /5/00 (v4) JBM 0/05/0 7

8 6) Estimativa d ganh e amplitude de saída d circuit de cntrle de amplitude Escrever a expressã d ganh d circuit de cntrle de amplitude em funçã de R DS Estimar valr de R DS que limita a amplitude d sciladr RDS kω Estimar valr de GS que ajusta R DS n valr desejad (ver instruções para simulaçã auxiliar na seçã I-d) GS Estimar valr de que prduz valr de GS desejad. pic erificar se a tensã AC em DS atende a especificad DS pic ACMQ /5/00 (v4) JBM 0/05/0 8

9 Osciladres Senidais Parâmetrs d circuit Unid Prjetad Simulad Medid OBS Osciladr em pnte de Wien (Fig.) Freqüência de scilaçã Rx Amplitude na saída (p) kω Osciladr em pnte de Wien invertida (Fig.) Freqüência de scilaçã Amplitude na saída (p) Amplificadr seletiv cm Q ajustável (Fig.3) Freqüência central (f) Freq. de crte inferir (f L ) Freq. de crte superir (f H ) Fatr Q (métd ) Fatr Q (métd) Osciladr cm freqüência ajustável (Fig.4) Freqüência (R mínim) Amplitude (R mínim) Freqüência (R máxim) Amplitude (R máxim) ACMQ /5/00 (v4) JBM 0/05/0 9

10 Cmentáris / Cnclusã Se amplificadr seletiv da Fig.3 fr ajustad cm Q0, que se espera para a saída d amplificadr se fr aplicada uma nda quadrada de freqüência f/3? Descreva funcinament d circuit limitadr de amplitude d sciladr da Fig.4. ACMQ /5/00 (v4) JBM 0/05/0 0

11 Anex Métd para medida d fatr Q basead na respsta a degrau Cnsiderand as amplitudes e s temps d primeir e d enésim () pic (psitiv u negativ) da respsta a degrau, de um sistema de ª rdem, tems: ω t Q e t ω π 4Q e ω t Q t ω π 4Q Fazend a relaçã entre as amplitudes ds pics, vem: ω ( ) π ( ω Q ) ( t t ) ω Q Q Q e e e 4 4 π Explicitand para Q, btems: ( ) ( ) ( ) π π π ln 4Q Q + 4 ln ( ) Q ln ( ) Cnsiderand que a respsta a degrau só cmeça a apresentar pics visíveis para Q >, pdems cnsiderar 4Q e fazer a aprximaçã: ( ) π ( ) π ln Q Q ln ( ) Assim, para: ln π Q 5 π Q 3 adtad. nde é númer de pics psitivs e negativs cm amplitude mair u igual a valr de ACMQ /5/00 (v4) JBM 0/05/0

12 Prcediment de medida: - Medir a amplitude d primeir puls ( ) ; - Adtar um valr para. Pr exempl : ; 5 3- Cntar númer () de pics psitivs e negativs cm amplitudes maires d que ; 4- O fatr de qualidade Q d circuit será igual a númer de pics mens um, u seja, Q ( ). OBS.: se n item fr adtad, valr d fatr Q d circuit será igual à metade 3 ( ) d númer de pics cntads mens um, u seja, Q. ACMQ /5/00 (v4) JBM 0/05/0

13 Históric das revisões: ACMQ /5/00 JBM abr/005 JBM set/005 (v4) 0/05/0 Alterad nme d pesquisadr alemã de Wilhelm Carl Werner Ott Fritz Franz Wien (864-98) para Max Karl Werner Wien ( ). Fnte wikipedia Acrescentada a memória de cálcul e retirad rteir Acrescentada a numeraçã de página. Alteraçã na pergunta (cnclusã) Clcaçã de cabeçalh smente na ª página da memória de cálcul ACMQ /5/00 (v4) JBM 0/05/0 3