Převodníky f/U, obvod NE555

Na tomto cvičení byste se měli seznámit s funkcí jednoduchého převodníku kmitočet/napětí sestaveného z dvojice operačních zesilovačů. Dále byste se měli seznámit s obvodem NE555. Rozmístění vývodů v pouzdru dvojitého operačního zesilovače a obvodu NE555 je následující:

Převodník f/U:

Trocha teorie:

Převodník kmitočet/napětí je obvod, který převádí vstupní veličinu - kmitočet na veličinu výstupní - napětí, je to vlastně kmitočtem řízený zdroj napětí. Jednou z možností realizace převodníku f/U je obvod nazývaný nábojová pumpa (viz. Schéma). První operační zesilovač slouží jako tvarovač vstupního průběhu. Je zapojený jako komparátor bez hystereze, tj. z libovolného (střídavého) vstupního průběhu vyrábí obdélníkový průběh. Na jeho výstupu je tedy po dobu části periody vstupního signálu +U_SAT a po zbytek periody -U_SAT. Objeví-li se na výstupu +U_SAT, začne procházet proud i₁ z výstupu OZA přes R₁, C₁ a D₁ do země.

C₁ se tedy postupně nabíjí až na na hodnotu +U_SAT (viz. v obrázku vyznačená polarita), kdy proud i₁ zanikne.

V okamžiku, kdy se výstup OZA změní na -U_SAT, začne procházet proud i₂ z výstupu OZB přes C_A, D₂, C₁, R₁ do záporného výstupu OZA.

C₁ se postupně přebíjí na opačnou polaritu až napětí na něm dosáhne -U_SAT, kdy proud i₂ zanikne. Tento děj se každou periodu vstupního signálu opakuje. Každou periodu se tedy do kondenzátoru C₁ načerpá náboj:

(nabíjení z -U_SAT na +U_SAT proudem i₁) a následně se tento náboj přečerpá do kondenzátoru C_A (přebíjení C₁ z +U_SAT na -U_SAT proudem i₂). Zároveň je po celou dobu periody kondenzátor C_A vybíjen rezistorem R_A. Je-li doba periody dostatečně krátká vzhledem k rychlosti vybíjení kondenzátoru, lze uvažovat vybíjecí proud za konstantní, daný vztahem:

Za dobu periody se tedy na rezistoru R_A změní na teplo náboj:

V rovnovážném stavu, tj. když se vstupní kmitočet nemění a u_o se ustálí, musí platit rovnost nábojů Q₁ a Q₂:

Z této rovnosti lze odvodit vztah mezi vstupním kmitočtem a velikostí výstupního napětí:

Schéma:

Postup měření:

1. Obvod zapojte na pracovní destičce podle schématu. Uvedené hodnoty C₁, R_A a C_A jsou pouze orientační, zvolte si své vlastní hodnoty součástek. C_A volte minimálně 100-krát větší než C₁. Z výše uvedených vztahů vypočítejte převodní konstantu mezi f a u_o.
2. Jeden kanál osciloskopu připojte na výstup komparátoru OZA, druhý kanál na výstupní napětí u_o.
3. Na vstup převodníku přiveďte z generátoru střídavé napětí (libovolného průběhu) o takovém kmitočtu, aby nebyl výstup OZB v saturaci (závisí na Vámi zvolených hodnotách součástek).
4. Průběh napětí na výstupu OZA by měl být čistě obdélníkový, výstupní napětí u_o jen nepatrně zvlněné a jeho velikost by měla být závislá na kmitočtu vstupního napětí (zvlnění u_o závisí na velikostech R_A a C_A).
5. Změřte převodní charakteristiku převodníku změřením výstupního napětí pro alespoň 10 hodnot vstupního kmitočtu. Hodnoty vyneste do grafu.

Obvod NE555:

Trocha teorie:

Obvod NE555 uvedla na trh v roce 1972 firma Signetics. Jedná se o poměrně jednoduchý, ale velice účelně navržený časovací obvod s analogovou i číslicovou částí integrovanou na jednom čipu. O zdařilosti této konstrukce svědčí celá řada aplikací, ve kterých obvod nalezl uplatnění, od řízení stěračů a směrových světel v automobilu, přes plašidlo na myši a jiné "hudební nástroje" až po automatické zalévání květin.

Na následujícím obrázku je zjednodušené blokové schéma vnitřní struktury obvodu NE555:

Vstupní analogovou část obvodu tvoří dvojice komparátorů K1, K2 a dále odporový dělič tvořený trojicí stejných rezistorů R. Dělič rozděluje napájecí napětí na třetiny. ¹/₃ napájecího napětí je přivedena na neinvertující vstup komparátoru K2. Na výstupu K2 je tedy kladné napětí, pokud je na jeho invertujícím vstupu (vývod 2 - Trigger) napětí menší než ¹/₃ Vcc. V opačném případě je výstup K2 v nule. Na invertující vstup komparátoru K1 jsou přivedeny ²/₃ napájecího napětí. Na výstupu K1 je tedy kladné napětí, pokud je na jeho neinvertujícím vstupu (vývod 6 - Threshold) napětí větší než ²/₃ Vcc. V opačném případě je výstup K1 v nule. Rozhodovací úrovně komparátorů lze modifikovat pomocí vývodu 5 - Control Voltage. Výstupy komparátorů jsou přes trojici hradel H1, H2 a H3 přivedeny na vstupy R-S klopného obvodu. Nevíte-li jak fungují logické členy je zde pro Vás nápověda o log. členech AND, OR a klopném obvodu R-S.

Výstup klopného obvodu ovládá vybíjecí tranzistor T₁, který je zapojen emitorem na zem a kolektorem na výstupu 7 - Discharge. Dále je výstup klopného obvodu přiveden na výstupní výkonový stupeň, schopný dodat (source) do zátěže nebo odebrat (sink) ze zátěže až 200mA. Výstup koncového stupně je na vývodu 3 - Output. Dále ještě obvod obsahuje pomocný tranzistor T₂, jehož báze je na vývodu 4 - Reset a který slouží k vnějšímu resetování klopného obvodu. Obvod pracuje při napájecím napětí Vcc v rozsahu od +4,5V do +15V. Při napájení +5V je výstup obvodu kompatibilní s logikou TTL. Funkce obvodu je blíže vysvětlena v následující části věnované astabilnímu multivibrátoru s NE555.

Astabilní multivibrátor s NE555:

Trocha teorie:

Astabilní multivibrátor (astabilní klopný obvod) je vlastně jiný název pro relaxační generátor, blíže proto viz. Relaxační generátory a převodníky U/f

Jedním ze základních zapojení obvodu NE555 je astabilní multivibrátor. Zapojení viz. Schéma. Kromě samotného obvodu NE555 potřebujeme k realizaci pouze čtyři pasivní součástky, kondenzátor C₁ sloužící jako akumulační prvek, dvojici rezistorů R₁ a R₂, které určují rychlost nabíjení resp. vybíjení C₁ a kondenzátor C₅₁ jehož funkcí je blokování interního odporového děliče obvodu NE555. Jak je ze schématu zřejmé, vstupy 6 - Threshold a 2 - Trigger jsou spojené a komparátory K1 a K2 tak tvoří okénkový komparátor. Okénko je nastaveno interním děličem mezi ¹/₃ a ²/₃ napájecího napětí. Vstupním napětím komparátoru je napětí na akumulačním kondenzátoru C₁. Stav výstupů komparátorů, hradel H1 až H3, R-S klopného obvodu a tranzistoru T₁ v závislosti na velikosti napětí na C₁ je přehledně zachycen v následující tabulce:

Napětí na C1	Výstupy							Tranzistor T1
	KO1	KO2	H1	H2	H3	Q R-S	Q R-S
uC1 < 1/3Vcc	L	H	L	L	H	H	L	rozepnutý
1/3Vcc < uC1 < 2/3Vcc	L	L	L	L	L	nemění stav	nemění stav	nemění stav
2/3Vcc < uC1	H	L	H	H	L	L	H	sepnutý

Pozn.: Úroveň H (high) je vysoká úroveň - kladné napětí, úroveň L (low) je nízká úroveň - nulové napětí

Graf průběhu napětí na kondenzátoru C₁ je následující:

Pozn.: Údaje na časové ose grafu odpovídají hodnotám C₁ = 50nF, R₁ = 100kΩ, R₂ = 100kΩ

Činnost obvodu lze rozdělit do dvou fází, které se periodicky opakují:

První fáze - nabíjení kondenzátoru C₁. Po zapnutí napájecího napětí je napětí na kondenzátoru C₁ nulové. Výstup Q R-S klopného obvodu je ve stavu H, negovaný výstup ve stavu L (viz. první řádek tabulky). Tranzistor T₁ je tedy rozepnutý a kondenzátor C₁ se začne nabíjet přes rezistory R₁ a R₂.
Obvod lze překreslit asi takto:

Napětí na kondenzátoru C₁ exponenciálně narůstá (nabíjení C přes R z konstantního U) až překročí hodnotu ¹/₃Vcc, stav komparátoru K2 se změní, ale výstup R-S KO a tudíž i stav tranzistoru T₁ se nemění (viz. druhý řádek tabulky) a kondenzátor C₁ se tedy dále nabíjí. Jakmile napětí na C₁ dosáhne hodnoty ²/₃Vcc, dojde ke změně stavu komparátoru K1 a zároveň i R-S KO (viz. třetí řádek tabulky). Tranzistor T₁ se sepne a obvod přejde do druhé fáze.

Druhá fáze - vybíjení kondenzátoru C₁. V této fázi lze obvod překreslit následovně:

Proud z napájecího zdroje, který v první fázi nabíjel kondenzátor C₁ je nyní sveden přes tranzistor T₁ do země, taktéž kondenzátor C₁ je přes rezistor R₂ a tranzistor T₁ uzemněn. C₁ se tedy začne vybíjet. Průběh vybíjení je stejně jako u nabíjení exponenciální (vybíjení C přes R). Napětí na C₁ začne klesat, téměř okamžitě klesne pod hodnotu ²/₃Vcc, stav komparátoru K1 se změní, ale výstup R-S KO a tudíž i stav tranzistoru T₁ se nezmění (viz. druhý řádek tabulky), kondenzátor C₁ se tedy dále vybíjí. Jakmile napětí na C₁ klesne pod hodnotu ¹/₃Vcc, dojde ke změně stavu komparátoru K2 a zároveň i R-S KO (viz. první řádek tabulky). Tranzistor T₁ se rozepne a obvod přejde opět do první fáze.

V první fázi dochází k nabíjení kondenzátoru C₁ z hodnoty ¹/₃Vcc na hodnotu ²/₃Vcc (s výjimkou prvního cyklu po zapnutí napájení), ve výše uvedeném grafu této fázi odpovídá doba T₁. Chování obvodu lze popsat diferenciální rovnicí:

Řešení této diferenciální rovnice má následující tvar:

Za čas t dosadíme dobu T₁, za kterou napětí u_C1 dosáhne hodnoty ²/₃Vcc:

Nyní již můžeme dobu T₁ vyjádřit ve tvaru:

Podobně lze postupovat i při vyjadřování doby T₂, za kterou se kondenzátor C₁ vybije z hodnoty ²/₃Vcc na hodnotu ¹/₃Vcc. Obvod lze v tomto případě popsat diferenciální rovnicí:

Její řešení má tvar:

Dosazením T₂ za čas t získáme rovnici:

z níž lze již vyjádřit dobu T₂ ve tvaru:

Celková doba periody je rovna součtu dob T₁ a T₂:

Kmitočet oscilací multivibrátoru je tedy:

Schéma:

Postup měření:

1. Obvod zapojte na pracovní destičce podle schématu. Uvedené hodnoty C₁, R₁ a R₂ jsou pouze orientační, zvolte si své vlastní hodnoty součástek. Pro zvolené součástky vypočítejte doby T₁ a T₂ a kmitočet f.
2. Jeden kanál osciloskopu připojte na výstup obvodu (vývod 3), druhým kanálem sledujte napětí na kondenzátoru C₁.
3. Průběh napětí na C₁by se měl shodovat s průběhem uvedeným v teoretickém úvodu, doby T₁ a T₂ a kmitočet f by měly odpovídat vypočítaným hodnotám. Výstupní napětí by mělo být obdélníkové, s vysokou úrovní odpovídající nabíjení kondenzátoru C₁ a nízkou úrovní odpovídající jeho vybíjení.