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| A causa di incompatibilità potreste non vedere alcune immagini importanti ai fini della comprensione dell'argomento in questione. Per scaricare la documentazione in formato ZIP premi il link qui a fianco: Generatori di forme d'onda.zip Relazione Tecnica GENERATORI DI FORME D'ONDA
Premessa Si è voluto realizzare un generatore di forme d'onda. Una definizione molto generalizzata di "generatori di forma d'onda", o anche "di funzioni", può essere: generatori caratterizzati dalla capacità di produrre forme d'onda di tipo diverso. Comunemente essi generano segnali sinusoidali, onde quadre e triangolari. L'impiego di questi dispositivi si estende ad una grossa parte nel campo dell'elettronica: viene utilizzato durante le fasi sperimentali di test nei laboratori, nel campo della telecomunicazione, all'interno di apparecchiature di rilevamento segnali ecc… Nel caso del nostro generatore è importante notare che non sono stati utilizzati integrati come "8038" in grado di generare in modo molto veloce e semplice buona parte delle forme d'onda utilizzate in elettronica ed elettrotecnica. Il generatore di forme d'onda proposto è stato progettato utilizzando semplici componenti elettronici. Tra i quali: amplificatori operazionali, transistor, e semplici resistenze, trimmer, condensatori e diodi. ELENCO COMPONENTI:
Se pur di semplice realizzazione con questo circuito sarà possibile effettuare numerose regolazioni associate alle forme d'onda, alla frequenza, al duty-cycle e all'off-set. Può essre visto come un dispositivo composto principalmente in 3 blocchi principali: uno per ogni generatore di forma d'onda. Infatti, avremo un primo stadio riguardante il generatore d'onda quadra, connesso in cascata ad uno stadio riguardante il generatore d'onda triangolare ed infine un ultimo stadio responsabile dell'onda sinusoidale.
Descrizione del funzionamento generale Come precedentemente descritto, con questo circuito potremo prelevare tre forme d'onda differenti: onda quadra, triangolare e sinusoidale. Sarà possibile inoltre attuare numerose variazioni come: duty-cycle, tensione picco-picco dell'onda quadra differente dalla tensione di alimentazione, traslamento del valore medio. Il primo dei tre amplificatori operazionali utilizzati è in configurazioni di comparatore, o più precisamente trigger di schmitt a ciclo diretto. Collegato in cascata a quest'ultimo troviamo il secondo amplificatore operazionale connesso in configurazione di integratore invertente. Soffermiamoci momentaneamente su questi due primi operazionali descrivendo passo-passo il funzionamento: Supponiamo il caso che il trigger sia a livello alto: per prima cosa l'integratore, essendo invertente, innesca la rampa regativa. Questo segnale è riportato all'ingresso del comparatore il quale, opportunamente dimensionato, possiede dei valori di soglia di scatto (tensioni di soglia). Quando la rampa negativa, generata dall'integratore invertente, raggiunge la tensione di riferimento inferiore del comparatore, l'uscita di quest'ultimo scatta a -Vcc. L'integratore, a questo punto genera una rampa però positiva riportata a sua volta all'ingresso del trigger. Quando questa raggiungerà la soglia di scatto superiore, il comparatore passerà a +Vcc e il ciclo si ripeterà all'infinito. Prelevando l'uscita del primo amplificatore operazionale avremo un onda quadra, mentre prelevando l'uscita dal secondo operazionale troveremo una forma d'onda triangolare. Il circuito è stato alimentato con una tensione duale (+/- 12V) per adempiere le necessità di funzionamento degli operazionali. Regolazione del duty-cycle Trà il primo operazionale (trigger) e il secondo (integratore) si sono posti i due diodi come in figura 1:
Questi sono necessari per effettuare la regolazione del duty-cycle. Quando l'uscita del trigger è scattata a livello alto, la corrente scorre nella direzione verso l'integratore e il diodo "Da" non lascia passare corrente. Quindi l'unica resistenza attraversata da corrente è quella in serie al diodo "Db".L'integratore genera una rampa negativa (essendo invertente) riportata all'ingresso non invertente del trigger. Quando il valore della tensione della rampa raggiunge la tensione di soglia inferiore del trigger scatta a livello basso. In questa situazione la corrente scorre in modo inverso al precedente, cioè dall'integratore verso il trigger. Il diodo "Db" può quindi essere considerato un interruttore aperto. La resistenza attraversata da corrente è in questo caso il secondo trimmer (in serie al diodo "Da") il quale conduce corrente.
Considerazioni Per compensare la caduta di tensione (circa 0,7 Volt per ogni diodo in conduzione) sui diodi "Da" e "Db" si sono introdotti i 2 diodi "Dc" e "Dd".(vedi figura)
Ommettendo questi 2 diodi potremmo avere una squilibratura delle tensioni di soglia e un conseguente malfunzionamento generalizzato.
Traslamento verticale del segnale d'uscita Nel caso in cui avessimo connesso a potenziale nullo l'ingresso invertente del primo amplificatore operazionale, il segnale d'uscita avrebbe sempre mantenuto il valore medio a 0V, rispecchiando un andamento simile a quello del grafico riportato a pagina precedente. Con le opportune modifiche apportate al circuito è stato possibile traslatare il valore medio verso +Vcc oppure verso -Vcc (vedi grafici).
Il modo più veloce e semplice per traslatare l'onda è di porre un trimmer tra +Vcc e -Vcc collegando il morsetto variabile del trimmer all'ingresso invertente dell'operazionale. Saranno inoltre necessarie due resistenze tra trimmer e alimentazione. Una sull'alimentazione positiva e una su quella negativa (vedi schema sotto). Le due resistenze perfettamente uguali, non contribuiranno a sfalsare la simmetria del partitore.
Considerazioni Durante la fase di collaudo in laboratorio, utilizzando questo modo per traslatare la forma d’onda in uscita, si sono riscontrati numerosi problemi di stabilità. Si è quindi preferito lasciare il morsetto invertente connesso a potenziale nullo.
Modifica della tensione picco-picco d'uscita Volendo ottenere una tensione picco-picco d'uscita differente dalla tensione di alimentazione si è introdotto un piccolo ponte a diodi (evidenziato in figura)
Supponendo di essere nel caso in cui l'uscita del trigger è a livello alto. La corrente scorrerà dall'operazionale verso massa. I diodi "D1" e "D3", polarizzati direttamente, lasciano scorrere corrente sul diodo zener che essendo attraversato da corrente dal catodo verso l'anodo stabilizza la tensione ad un valore di riferimento costante stabilito dallo stesso diodo.(vedi verso di direzione correnti)
Quando il trigger passa a livello basso, la corrente scorre da massa verso l'operazionale. In questo caso i diodi che conducono sono "D2" e "D4". La corrente scorre ancora sul diodo zener dal catodo verso l'anodo che si comporterà nuovamente come stabilizzatore.
La tensione d'uscita sarà prelevata ai capi del ponte e risulterà uguale alla somma delle due cadute di tensione sui diodi più la tensione di riferimento del diodo zener.
V0= Vγdiodo 1/2 + Vγdiodo 3/4 + Vzener
Dimensionamento e criteri di progetto Per la fase di dimensionamento dovranno essere rispettati i dati di progetto. DATI DI PROGETTO: Frequenza: 10 Khz La frequenza dovrà poter essere regolata a piacere: la posizione intermedia del cursore di regolazione dovrà rispecchiare il valore di 10Khz.
Tensione picco-picco dell’onda quadra inferiore alla tensione di alimentazione: circa 6,5V
Duty-cycle variabile
Ampiezza dell’onda sinusoidale variabile
Si sono calcolati il tempo totale del periodo e quindi il tempo dei singoli semiperiodi considerati convenzionalmente in posizione di partenza simmetrici. Si procede con il calcolo delle resistenze e del condensatore. Per una più veloce comprensione dei calcoli si procede con l'esame del circuito non ancora dimensionato.
Conoscendo la formula generale per il calcolo dei tempi abbiamo che: T1= E quindi il tempo totale dell'onda sarà: T= Osservando lo schema elettrico sopra riportato notiamo che la R1 si compone di due resistenze differenti. La R1" è una protezione del ponte a correnti troppo elevate che potrebbero danneggiare il diodo stabilizzatore. In realtà il valore di questa resistenza va sempre sommato al valore della R1' perché sia durante la semionda positiva che durante la semionda negativa si possono vedere come due resistenze in serie, trascurando l'impedenza offerta dal diodo conduttore (Dc nel caso della semionda positiva e Dd del casi di quella negativa). La R3 e la R4 sono i due trimmer per la regolazione del duty-cycle, vengono considerati in posizione intermedia durante la fase di progetto. Per il calcolo della resistenza sul morsetto invertente dell'integratore, dovranno essere prese in considerazione anche la R5 e uno dei due trimmer R3 o R4 (poiché la corrente scorre alternativamente solo su uno di questi due trimmer: durante la semionda positiva scorre su R4, mentre durante la semionda positiva scorre su R3). Inoltre il dimensionamento verrà effettuato per una frequenza di partenza di 10 Khz, quindi la resistenza R5, responsabile della variazione della frequenza, sarà nella posizione intermedia. Per posizione intermedia dei trimmer s'intende la posizione più centrata possibile del cursore: ad esempio se il trimmer è da 10K, trà un terminale e il morsetto variabile dovrà essere presente un'impedenza pari a 5K.
Procediamo col calcolo del tempo 1:
Poniamo il condensatore pari a 47nF Siccome il T1 è pari a 50
Poniamo un valore alla R2=100 Poniamo R1'+R2"=1820 ohm Quindi R1' =820 ohm R1"=1000ohm Sostituendo nuovamente i valori e svolgendo i prodotti avremo che:
Ponendo i due trimmer R5 e R3 pari a 10K e considerandoli nella posizione intermedia, avremo che:
Il valore commerciale più prossimo è18K FORMATORE D'ONDA Il secondo stadio si occupa di generare l'onda sinusoidale. Questo blocco esige in ingresso una forma d'onda triangolare. Per questo viene collegato in cascata all'uscita dell'integratore. Agendo sui due trimmer (segnati in figura) sarà possibile regolare la forma dell'onda sinusoidale e quindi ottimizzarla secondo le esigenze.
Il terzo trimmer collegato tra il morsetto d'uscita e il morsetto invertente dell'amplificatore operazionale TL081 occorre per aumentare e diminuire l'ampiezza dell'onda. (vedi figura sotto)
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10-6
secondi, sostituendo questi valori nella formula, avremo che:
