indicadores de logros materiales y equipos

Universidad Don Bosco Facultad de Ingeniería Escuela de Electrónica

Instituto de Investigación e Innovación en Electrónica

Asignatura: Diseño Electrónico Analógico Guía 9: Osciladores con Realimentación y de Relajación

Lugar de Ejecución: Laboratorio de Fundamentos Generales (3.21)

Indicadores de Logros

Obtiene de manera práctica la frecuencia de oscilación de los osciladores y la compara con los valores teóricos.

Comprende el efecto que produce la modificación de la red de realimentación en un oscilador. Determina la relación lineal entre la frecuencia de salida y el voltaje de control en un oscilador

controlado por voltaje.

Materiales y Equipos

1 Unidad PU-2000 con PU-2200 1 Multímetro 2 Puntas para multímetro 1 Osciloscopio digital PicoScope 2204A. 1 Computadora con el software PicoScope 6 1 Cable USB tipo A/B 2 Puntas para osciloscopio 4 Cables conectores de 2mm 1 Tarjeta EB-216 1 Tarjeta EB-122 1 Breadboard 1 Temporizador 555 1 Resistencia de 8.2 kΩ 1 Resistencia de 10 kΩ 1 Potenciómetro de 10 kΩ 1 Resistencia de 27 kΩ 1 Capacitor de 0.01 μF (10 nF) 1 Capacitor de 0.1 μF (100 nF) 1 Pinza 1 Cortadora de alambre Alambre de telefonía

Introducción Teórica

Un oscilador es un circuito que produce una forma de onda periódica en su salida con sólo el voltaje de alimentación de cd como entrada. No se requiere una señal de entrada repetitiva excepto para sincronizar oscilaciones en algunas aplicaciones.

El voltaje de salida puede ser senoidal o no senoidal, según el tipo de oscilador. Dos clasificaciones importantes de los osciladores son osciladores con realimentación y osciladores de relajación.

Diseño Electrónico Analógico Guía 9 Página 2 de 12

Osciladores con Realimentación

La operación del oscilador con realimentación está basada en el principio de realimentación positiva, la cual ocurre cuando una porción de la salida de un amplificador se regresa a su entrada de tal forma que la porción retroalimentada está en fase con la entrada. Si la ganancia de voltaje de la señal de retroalimentación positiva, yendo desde la entrada hasta la salida y de regreso a la entrada, es de uno o mayor, entonces se inducirán y se sostendrán las oscilaciones. Los osciladores se diseñan conectando componentes sensitivos a la frecuencia seleccionada (condensadores y/o inductores) en la trayectoria de retroalimentación, de tal manera que ahí existirá una señal de la frecuencia deseada que cumplirá con el criterio de oscilación.

El amplificador operacional se utiliza ampliamente como el dispositivo activo en un oscilador, debido a que tiene muchas características deseables que simplifican el diseño del oscilador. Su alta ganancia hace relativamente fácil de obtener la mínima ganancia (unitaria) en la trayectoria de entrada a salida y de regreso a la entrada que se requiere para la oscilación. Su alta impedancia de entrada asegura que la red utilizada en la retroalimentación no cambiará sus características de ganancia contra frecuencia cuando se conecte al amplificador. También el amplificador operacional tiene una entrada no inversora, la cual se utiliza en muchos diseños para asegurar una retroalimentación positiva, es decir, para mantener un cambio de fase de cero grados entre entrada y salida.

En esta práctica experimentaremos con dos osciladores con realimentación RC, el primero es el oscilador de Puente de Wien que puede verse en la Figura 1, su frecuencia de oscilación ya que R10=R11=R y C4=C5=C se puede calcular con (1).

𝑓 =1

2𝜋𝑅𝐶 (1)

El otro es el oscilador por desplazamiento de fase (Figura 5), como R1=R2=R3=R y C1=C2=C3=C la frecuencia de oscilación puede calcularse con (2).

𝑓 =1

2𝜋√6𝑅𝐶 (2)

Osciladores de Relajación

Los osciladores de relajación utilizan un circuito temporizador RC y un dispositivo que cambia de estado para generar una forma de onda periódica. En esta práctica experimentaremos con el VCO (oscilador controlado por voltaje), en este la frecuencia de oscilación es proporcional a un voltaje que se le aplica al circuito de manera externa.

Se implementarán dos VCO, el primero con un amplificador operacional y que puede verse en la Figura x, el cual varía su frecuencia según el voltaje externo que se le aplique entre las resistencias R9 y R10. La frecuencia de oscilación se calcula con (3)

𝑓 =1

2𝑅12𝐶4 𝑙𝑛(𝑅13+2(𝑅9||𝑅10)

𝑅13)

(3)

Si se elige R13 = (0.86) (R9||R10), la frecuencia se obtiene con (4)


𝑓 =1

2𝑅12𝐶4 (4)

Valores de los elementos: R9 = R10 = R12 = 22 KΩ, R13 = 47 KΩ y C4=10 nF El otro VCO con el que se trabajará utiliza un temporizador 555 (Ver Figura 13), este puede ser configurado para que opere como VCO utilizando las mismas conexiones externas que se utilizan para la operación astable, con la excepción de que se aplica un voltaje de control variable a la entrada CONT (terminal de conexión 5 La frecuencia de oscilación del multivibrador astable con 555 se calcula con (5), el tiempo en que la señal estará en alto se calcula con (6) y el tiempo en bajo con (7).

𝑓 =1.44

(𝑅1+2𝑅2)𝐶𝑒𝑥𝑡 (5) 𝑡𝐻 = 0.694(𝑅1 + 𝑅2)𝐶𝑒𝑥𝑡 (6) 𝑡𝐿 = 0.694𝑅2𝐶𝑒𝑥𝑡 (7)

Procedimiento

Parte I: Osciladores con Realimentación RC

Oscilador en Puente de Wien

1. Conecte la tarjeta EB-216 en el PU2000 por las guías hasta el conector.

2. Arme el circuito de la Figura 1. Gire el potenciómetro (P1) totalmente a la derecha.

Figura 1. Oscilador en puente de Wien.

3. Observe en el osciloscopio la forma de la onda de salida, y dibuje el resultado obtenido en la

Figura 2. Mida la frecuencia de oscilación y anote este valor: ______________________________.


Canal A: _________V s/div: _______

Figura 2. Salida del oscilador de puente de Wien con el potenciómetro P1 al máximo.

4. Gire el mando del potenciómetro (P1) de un extremo a otro y anote cómo afecta a la forma de la onda de salida. ¿Puede obtenerse una onda estable, senoidal sin distorsión? ________________ ______________________________________________________________________________

5. Gire el potenciómetro (P1) totalmente a la derecha. Conecte y desconecte de forma alternada el puente J3. Dibuje la forma de onda de la señal de salida en los dos casos en la Figura 3 y 4 respectivamente.

Canal A: _________V s/div: _______

Figura 3. Salida del oscilador de puente de Wien con el puente J3 conectado.


Canal A: _________V s/div: _______

Figura 4. Salida del oscilador de puente de Wien sin el puente J3.

6. Desconecte J3, luego intente obtener una onda senoidal estable, sin distorsión girando el potenciómetro P1, ¿Existe alguna dificultad en obtenerla? _______________________________

7. Desconecte J5. En los pasos siguientes hay que medir la fracción de la señal de salida que alcanza la entrada no inversora del amplificador.

8. Conecte el generador de señales a la entrada IN2, y ajústelo para obtener una onda senoidal de 10 Vp-p, a la frecuencia medida en el paso 3.

9. Mida la tensión en la entrada no inversora del amplificador A3, y anote el resultado.___________.

10. Apague y desconecte el circuito.

Oscilador por desplazamiento de fase

11. Arme el circuito que se muestra en la Figura 5.


Figura 5. Oscilador por desplazamiento de fase.

12. Observe en el osciloscopio la forma de la onda de salida, y dibuje el resultado obtenido en la Figura 6. Mida la frecuencia de oscilación y anote este valor: ______________________________.

Canal A: _________V s/div: _______

Figura 6. Salida del oscilador de corrimiento de fase.

13. Ponga en corto a R7 con un cable, observe en el osciloscopio como cambia la señal de salida y dibújela en la Figura 7.


Canal A: _________V s/div: _______

Figura 7. Salida del oscilador de corrimiento de fase sin R7.

14. Desconecte el puente J2 y observe la señal de salida. ¿Existe distorsión en la señal?, dibújela en la Figura 8.

Canal A: _________V s/div: _______

Figura 8. Salida del oscilador de corrimiento de fase sin R7 y sin J2.

15. Desconecte el puente J1. En los pasos siguientes hay que medir la atenuación de la red de realimentación positiva.

16. Conecte el generador de señales a la entrada IN1(entrada de la red de realimentación), y ajústelo para obtener una onda senoidal de 10 Vp-p, a la frecuencia medida en el paso 12.

17. Mida la tensión en la entrada no inversora del amplificador A1, y anote el resultado. ___________.


18. Apague el PU, desconecte el circuito y retire la tarjeta.

Parte II: Osciladores controlados por voltaje (VCO)

VCO implementado con amplificador operacional

19. Conecte la tarjeta EB-122 en el PU2000 por las guías hasta el conector.

20. Ajuste la fuente PS-1 a 0 Voltios y arme el circuito de la Figura 9.

Figura 9. VCO con amplificador operacional.

21. Encienda la fuente de alimentación y mida la frecuencia de salida del circuito, puede hacerlo

usando el osciloscopio o con el medidor de frecuencia con que cuenta el PU2200 de la siguiente forma: ajuste el control FUNCTION en la opción FREQ y el control DISPLAY INDICATION en la opción EXTERNAL COUNTER INPUT, ubique el conector BNC que tiene la indicación EXTERNAL INPUT y conecte allí la punta de prueba y ubique el otro extremo a la salida del circuito de la Figura 9.

22. Anote el valor medido de la frecuencia: F(PS-1=0) = __________Hz

23. Observe en el osciloscopio el voltaje de salida y el del capacitor y dibújelos en la Figura 10.


Canal A: _____V s/div:_______

Canal B: _____V s/div:_______

Figura 10. Señales observadas en el VCO con amplificador operacional.

24. Comience a aumentar PS-1, observando las variaciones de frecuencia presentes en el oscilador hasta que la forma de onda en el osciloscopio ya no oscile. Reduzca un poco el valor de PS-1 para que se reinicien las oscilaciones y anote ese valor. F(PS-1=0) = __________Hz

25. Mida el valor presente en PS-1 en este momento: VPS-1 =_____________v

26. A partir de este último valor y en decrementos de 0.5 V tome nota de la frecuencia de oscilación y el voltaje de PS-1 hasta llegar a cero. Escriba sus resultados en la Tabla 1.

VPS-1 (V)

Frecuencia

(Hz)

Tabla 1. Datos del oscilador controlado por voltaje con amplificador operacional.

27. Apague la fuente de alimentación, desconecte el circuito y retire la tarjeta EB-122.

Oscilador controlado por voltaje implementado con temporizador 555

28. Un temporizador 555 configurado para que funcione en modo astable (oscilador) se muestra en la Figura 11, implemente este circuito en breadboard.


Figura 11. Oscilador con 555.

29. Conecte el canal A del osciloscopio a la salida (pin 3), encienda la fuente de alimentación y dibuje

la señal obtenida en la Figura 12.

30. Mida y anote los valores de frecuencia, tiempo en alto y tiempo en bajo de la señal de salida. F = __________Hz tH = __________s tL = __________s

Canal A: _________V s/div: _______ Figura 12. Señal observada en el oscilador con 555.

31. Apague la fuente de alimentación. A continuación, se convertirá el circuito anterior en un

oscilador controlado por voltaje, para ello es necesario conectar a la entrada CONT (pin 5) la parte central de un potenciómetro, cuyos extremos deben conectarse a +5V y tierra para que al girarlo genere un voltaje entre estos valores aproximadamente; este voltaje en la entrada CONT controlará la frecuencia de oscilación. El VCO con 555 se muestra en la Figura 13.


Figura 13. Oscilador controlado por voltaje con 555.

32. Coloque el canal A del PicoScope a la salida (pin 3), encienda la fuente de alimentación y observe

la señal de salida, gire el potenciómetro de un extremo a otro, deberá ver como se modifica la frecuencia.

33. Mida con el voltímetro el voltaje que está llegando a la entrada CONT (pin 5) y gire el potenciómetro para obtener el valor máximo de voltaje posible. Anote este valor y el valor de frecuencia que se obtiene: VCONTmin =_____________v F(VCONTmin) = __________Hz

34. A partir de este último valor y en decrementos de 0.5 V tome nota de la frecuencia de oscilación y el voltaje en VCONT hasta llegar al mínimo posible. Escriba sus resultados en la Tabla 2.

VCONT (V)

Frecuencia

(Hz)

Tabla 2. Datos del oscilador controlado por voltaje con 555.

35. Apague y desconecte los equipos dejando limpio y ordenado su puesto de trabajo.

Discusión de Resultados

1. Compare las frecuencias medidas de los osciladores con las obtenidas con las fórmulas teóricas. Obtenga el porcentaje de desviación.

2. Explique por qué afecta a la forma de la señal de salida el giro del potenciómetro en el oscilador de puente de Wien.

3. ¿Qué función realizan los diodos en la red de realimentación en el oscilador de puente de Wien y en el oscilador por desplazamiento de fase?


4. ¿Cómo afectó la puesta en corto de R7 a salida del oscilador por desplazamiento de fase?

Explique. 5. Grafique los datos de la Tabla 1 y Tabla 2 y determine una relación lineal entre la frecuencia de

salida del oscilador y el voltaje para ambos VCO.

Tarea Práctica

1. Diseñe e implemente en breadboard un oscilador de onda triangular como el mostrado en la Figura 14, con una frecuencia de oscilación de 2.5Khz y una salida de 9Vp-p.

Figura 14. Oscilador de onda triangular

Bibliografía

[1] Degem Systems, (1992). Curso EB-216 Osciladores, Filtros y Amplificadores Sintonizados. I.T.S Inter Training Systems Ltd. [2] Val3n, (s.f). Osciladores, consultado en julio de 2019 en: http://val3n.es.tl/%5BInfo%5D-Osciladores.htm [3] Floyd, T., (2008). Dispositivos Electrónicos. Estado de México, México. Pearson. [4] Degem Systems, (1994). Curso EB-122 Amplificadores Operativos II. I.T.S Inter Training Systems Ltd.

http://val3n.es.tl/%5BInfo%5D-Osciladores.htm

http://val3n.es.tl/%5BInfo%5D-Osciladores.htm

indicadores de logros materiales y equipos

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