1 - Oscillatori: Generalità Verranno illustrati in questo capitolo due tipi di oscillatori: a) Oscillatore con Trigger di Schmitt b) Oscillatore con NE555 1.1 Trigger di schmitt L’amp-op viene reazionato positivamente tramite le resistenze Rf e Rr, il segnale vs viene applicato al morsetto invertente tramite una resistenza Ri mentre un eventuale tensione di riferimento viene applicata alla resistenza Rr. Ri vs Rr Vr v1 v2 - v0 + Rf Fig.1.1 - Schema di principio del Trigger di Schmitt vout VOH Vti Vr Vts VOL Fig.1.2 - Caratteristica ingresso-uscita del Trigger di Schmitt 1 Vs 1.1.1 Multivibratore astabile con Trigger di Schmitt Il multivibratore astabile, o ad oscillazione libera, è un circuito che presenta una uscita che commuta tra due stati quasi stabili in maniera ripetitiva e con una frequenza che dipende dai paramentri del circuito. La realizzazione circuitale mediante un trigger di Schmitt invertente comporta una reazione positiva tramite il partitore Rf, Rr che fornisce la tensione di soglia al morsetto non invertente v1 = Vt = Rr V 0 = βV 0 R f + Rr R C v2 Rr v1 - v0 + Rf vc Fig.1.3 VOH Vts t 1 2 3 Vti vo VOH t T1 VOL T2 T0 Fig.1.4 2 1.1.2 Realizzazione dell’oscillatore Si vuole realizzare un oscillatore che generi un’onda quadra alternata che abbia le seguenti caratteristiche: • • VMAX=5V f=5kHz sfruttando lo schema proposto in figura 1.3 Dalle formule si ricavano, per le resistenze e il condensatore, i seguenti valori: • • • • • Rr=10Ω Rf=10Ω R=10Ω C=10µF Operazionale TL082 Il TL082 è un amplificatore operazionale che, per il suo corretto funzionamento, richiede un’alimentazione duale. Questa può essere ottenuta sfruttando la doppia uscita di un alimentatore da laboratorio. In figura 1.5 viene mostrato schematicamente come collegare i morsetti di uscita dell’alimentatore Tektronix PS280: TastoA: Deve essere premuto per collegare in serie gli alimentatori interni -V GND +V Fig.1.5 3 1.2 NE555 Lo schema a blocchi di un NE555 è il seguente: Vcc R 5K Output Vc 2/3Vcc + Vth R 5K Vt FF-RS Discharge 1/3Vcc R + 5K GND Reset Fig.1.6 Analizzando lo schema a blocchi dell’integrato si può notare un partitore di tensione costituito da tre resistenze eguali di valore 5k ( da cui la sigla 555 ) che fornisce le tensioni di riferimento a due comparatori, quello di soglia non invertente ( Vr = 2/3 Vcc ) e quello di trigger invertente ( V r = 1/3 Vcc ), le cui uscite agiscono in modo asincrono su un flip-flop RS che a sua volta controlla, tramite l’uscita Q negata, sia il circuito di potenza esterno che la base de transistor Td di scarica. Esiste inoltre un ingresso di reset per il flip-flop, prioritario in ogni momento. Il funzionamento interno del 555 è determinato dalle tensioni in uscita dei due comparatori: - se la tensione di trigger Vt scende al disotto del valore Vr=1/3Vcc l’uscita del comparatore diventa alta e di conseguenza bassa quella Q negata del flip-flop che così interdice il transistor Td di scarica e porta a livello alto l’uscita bufferizzata di potenza. - se la tensione di threshold Vth supera il valore Vr=2/3Vcc, l’uscita del comparatore di soglia diventa alta e così anche quella Q negata del flip-flop, che pertanto porta in conduzione il transistor Td di scarica ed a livello basso l’uscita bufferizzata di potenza. L’ingresso Vc del control Voltage può essere utilizzato per variare il livello della tensione di riferimento dei comparatori, ponendo una resistenza in parallelo a quelle interne oppure applcandovi direttamente una tensione; se questo ingresso non viene utilizzato è buona norma collegarlo a massa tramite un condensatore per evitare la possibilità di oscillazioni. 4 La configurazione astabile del 555 è mostrata in figura: Vcc R 5K Output Vc 2/3Vcc Vcc + Vth R R 5K FF-RS RA Q S Vt Discharge 1/3Vcc R RB + 5K vc C GND Reset Fig.1.7 1 8 2 RA 7 NE555 RB 3 6 4 5 C1 Fig.1.8 5 C2 Il grafico seguente mostra l’andamento dei segnali all’interno dell’integrato NE555 R S Q vc 2/3Vc 1/3Vc v0 Fig.1.9 6 1.1.1 Realizzazione dell’oscillatore con l’integrato NE555 Si vuole realizzare un circuito che generi un’onda quadra con duty-cycle del 50% e una frequenza di 300Hz. Si utilizza lo schema proposto nella figura seguente: T1 T2 T Fig.1.11 1 8 2 RA 7 NE555 RB 3 6 4 5 C1 C2 Fig.1.10 Dalle seguenti espressioni si trovano per i componenti i valori in tabella: 1 1,44 T2 = 0,693 × R2 × C1 = T1 = 0,693 × ( R1 + R2 ) × C1 T (R1 + 2 R2 )C2 Dalle formule si evince che l’uguaglianza T1=T2 si verifica solo se R2 〉〉 R1 R1=100Ω RB=1MΩ C1=10000pF C2=2200pF IC=NE555 Il montaggio del circuito viene suddiviso in due fasi: 1. Montaggio su scheda per prototipi e test di funzionamento 2. Montaggio su circuito stampato e test di funzionamento 7 2 - Integratore e comparatore 2.1 Circuito integratore Si consideri un amp-op nella configurazione invertente nella quale l’impedenza di reazione sia costituita da una capacità Cf mentre quella di ingresso da una resistenza Ri. Cf Ri vi if ii v1 v2 - v0 + Fig.2.1 Dato che l’ingresso invertente è virtualmente a massa, risulta: ii = vi Ri i f = −C f ed essendo ii=if dv 0 dt cioè vi dv = −C f 0 Ri dt si ottiene: v0 = − 1 ∫ vi dt Ri C f A causa delle correnti di polarizzazione e della tensione di fuori zero d’ingresso, la tensione in uscita cresce linearmente nel tempo sino a raggiungere il valore di saturazione anche in assenza di segnale.Si deve così minimizzare la tensione di offset dell’amp-op mediante una resistenza R 8 (=Ri//Rp) in serie al morsetto non invertente e ridurre il guadagno dell’integratore alle basse frequenze mediante una resistenza Rp (di valore elevato = 10Ri) in parallelo alla capacità Ci in modo che l’impedenza di reazione non potrà mai diventare infinita. Rp Cf vi ii Ri if v1 v2 - v0 + R Fig.2.2 La caratteristica linearizzata dell’integratore reale è la seguente : Gdb 0db fc fi Fig.2.3 dove: fc = 1 2πR p C f fi = 9 1 2πRi C f f 2.2 Comparatore Un circuito comparatore presenta due ingressi eccitati rispettivamente da una tensione di riferimento Vr costante e dal segnale vs ed una uscita che può assumere solo due valori nettamente distinti e quindi atti a rilevare se il segnale vs ha raggiunto oppure no il prefissato livello di riferimento. vo voH Vr v0 t Vr vs voL Fig.2.4 Utilizzando un amplificatore differenziale senza rete di reazione e quindi tale da presentare un guadagno A ad anello aperto molto elevato, si ottiene una grande risoluzione del confronto tra i due segnali d’ingresso, come si può notare ricordandone la caratteristica di trasferimento: infatti a temperatura ambiente è sufficiente uno scarto di circa 200mV per passare dall’interdizione alla saturazione e viceversa. vo voH Vr - v0 vs Vr vs + voL 200mV Fig.2.5 In commercio esistono amplificatori differenziali destinati allo scopo specifico di comparatore che presentano risoluzioni molto elevate, anche minori di 15µV, quali il µA 311. 10 vs - R + Z1 Vr 2 x Vz Z2 Fig.2.6 v0 Vz1 Vr vs Vz2 Fig.2.7 Caratteristica del Comparatore con due diodi Zener in uscita 11