Jednoduchý filtr se spínanými kapacitory

(laboratorní cvičení z předmětu LOS)


Obsah:

Princip úlohy
Postup měření
Poznámky k postupu měření
Zapojení vývodů a vlastnosti použitých IO
Zapojení nepájivého kontaktního pole
Oscilátor pro řízení spínačů

Princip úlohy:

Principem této úlohy je dolní propust prvního řádu, v níž je rezistor nahrazen spínaným kapacitorem. Detailní rozbor funkce spínaných kapacitorů lze nalézt v přednáškových skriptech, pro osvěžení (snad) postačí následující obrázek.

Uvádět zde zapojení dolní propusti prvního řádu je, doufám, zbytečné. Skutečné zapojení měřicího obvodu je na následujícím obrázku.

Prvky Rt, Ct a IO1 tvoří oscilátor pro vytvoření řídicího signálu spínačů. Díky výborným vlastnostem tohoto zapojení zcela postačuje toto jednoduché řešení, blíže viz popis řídicího oscilátoru.

Obvod IO2 je trojnásobný dvoupolohový analogový přepínač. V našem případě je použita jen jedna jeho sekce, neboť v obvodu je pouze jeden SC rezistor. U tohoto integrovaného obvodu je nutné přivést úroveň L na vstup INH, jinak je funkce spínačů blokována. Zároveň je nutné propojit analogovou a digitální zem obvodu (vývody 7 a 8).

Rezistory Rp a kapacitor Cv tvoří obvod, posouvající stejnosměrnou složku vstupního signálu na cca polovinu napájecího napětí. Toto posunutí je nutné pro zajištění správné funkce analogových spínačů. Kapacita Cv je volena jako vazební, t.j. dostatečně velká, aby se její vliv neprojevoval v pracovním pásmu kmitočtů.

Vlastní propust je tvořena kapacitory C1 (spínaný kapacitor, tvořící rezistor dolní propusti 1. řádu) a C2 (skutečný kapacitor dolní propusti 1. řádu).

Skutečné hodnoty součástek:
Rt50k
Ct1n8
Rp330k
Cv47µF
C11n5
C210n


Postup měření:

Vzhledem k tomu, že se jedná o úlohu spíše demonstrační, je vlastní měření velmi jednoduché. Sestává z následujících bodů:

  1. Zapojte samostatný oscilátor řídicího signálu a ověřte jeho přeladitelnost. Oscilátor by běl pracovat na středním kmitočtu cca 50kHz s přeladitelností minimálně 1:3. Osciloskopem zkontrolujte i střídu výstupního signálu a její změnu při přelaďování.
  2. Zapojte vstupní obvod (rezistory Rp a kapacitor Cv) a zkontrolujte hodnotu posunuté ss složky (cca 6V). Nastavte rozkmit vstupního napětí cca 300mV (víc nelze kvůli vlastnostem použitého milivoltmetru).
  3. Zapojte zbytek měřicího zapojení (IO2 a kondenzátory C1 a C2).
  4. Nastavte kmitočet řídicího oscilátoru na cca 30kHz, kmitočet vstupního signálu na cca 30Hz. Regulátorem výstupní úrovně generátoru nastavte 0dB na milivoltmetru.
  5. Zvyšováním kmitočtu generátoru zjistěte polohu zlomového kmitočtu kmitočtové charakteristiky přenosu obvodu (pokles o 3dB).
  6. Přelaďte kmitočet řídicího oscilátoru na cca 60kHz (dvojnásobek).
  7. Snižte kmitočet vstupního signálu opět na 30Hz, zkontrolujte 0dB na milivoltmetru a zopakujte bod 5. (vyhledání zlomového kmitočtu - měl by vyjít dvojnásobný).
  8. Porovnejte změřené hodnoty s teoretickým výpočtem.


Poznámky k úloze:

Při pečlivé práci funguje zapojení na první pokus. Nezdaří-li se Vám, postupujte podle následující nápovědy:


Zapojení vývodů a vlastnosti použitých IO:

4093 - katalogový list
Obvod 4093 je čtveřice dvouvstupových NAND hradel (tedy jakási obdoba 7400). Základní rozdíl ale spočívá v tom, že tento obvod má na vstupech vestavěn Schmittův klopný obvod, zajišťující poměrně velkou hysterezi přechodu 0>1 a 1>0. Navíc mají vstupy prakticky nekonečnou impedanci. Tyto vlastnosti nejen zásadně zvyšují šuovou imunitu obvodu, ale dovolují i jeho zajímavá nestandardní využití, jako je např. v našem případě konstrukce velmi robustního oscilátoru.

4053 - katalogový list
Obvod 4053 je trojice dvoupolohových NAND analogových přepínačů. Každý přepínač má individuální řízení dvoustavovým signálem. Celý obvod je navíc vybaven jedním blokovacím vstupem (INH), umožňujícím převedení všech spínačů najednou do stavu "rozpojeno", nezávisle nan jejich řídicích signálech. V tomto stavu pak není žádný vstup spojen se žádným výstupem. Oddělená "analogová" a "digitální" zem obvodu dovoluje i zpracování bipolárních signálů, ovšem za cenu dvojího napájení.


Zapojení nepájivého propojovacího pole:

Takhle je zapojené nepájivé propojovací pole při správné orientaci (svorky ZEM a -15V) směrem dolů.


Použité zapojení řídicího oscilátoru (aneb opravdový oscilátor s CMOS hradly):

Již od dob prvních pokusů s číslicovými obvody TTL první generace se táhne naší (a bohužel nejen naší) odbornou literaturou jedna zvrácenost, týkající se konstrukce nenáročného RC oscilátoru. Mám na mysli zapojení, jejichž typickým představitelem je následující ukázka:

Nejenže toto zapojení "spotřebuje" tři hradla (t.j. prakticky celé jedno pouzdro při použití NAND hradel, popř. půl pouzdra při použití invertorů), ale je i citlivé na konkrétní kombinaci hodnot součástek a jejich nastavení.

Použití CMOS obvodů se Schmittovým klopným obvodem na vstupu dovoluje konstrukci podstatně jednoduššího typu oscilátoru, jak ukazuje následující obrázek:

Toto zapojení má řadu předností, za nejdůležitější považuji:

Pravděpodobně jedniným důvodem pro další používání "klasických" TTL a CMOS oscilátorů tak nakonec zbývá fakt, že se pohodlně opisují z ostatních publikací ....


©KJ 1997 (last rev. 970525)
Katalogové listy ©SGS-THOMSON, 1996