ELECTRÓNICA ANALÓGICA “
Práctica de Laboratorio Nº8 OSCILADORES Y FILTROS ACTIVOS
”
INFORME Alumno:
MONTES ILLACONZA, Danny Anderson
Grupo: C4 - 03 - B
Profesor:
Pacheco Effio, Alfredo Salvador
2013– II
INTRODUCCION Otra de las aplicaciones de un OPAM se da en los circuitos osciladores. Los circuitos osciladores nos permiten obtener diversas formas de ondas que son utilizadas en el funcionamiento de diversos circuitos electrónicos, así como también su uso como patrones de tiempo. En el estudio de los circuitos osciladores se observa la aplicación de la realimentación positiva. En el presente Laboratorio, “Osciladores y Filtros Activos”, se implementará un circuito osciladore de onda cuadrada y otro de onda triangular. Se verán os métodos para variar su amplitud, frecuencia y su relación de trabajo o duty cycle. En el tratamiento de las señales eléctricas es necesario que éstas tengan un determinado ancho de banda, para poder diferenciarlas de otras señales como ocurre por ejemplo en el área de las telecomunicaciones, es aquí cuando la función de los filtros revela su importancia. Otra de las funciones de los filtros, es por así decirlo; la limpieza de las señales de perturbaciones no deseadas como el ruido. El presente laboratorio trata de los filtros activos que además tiene la capacidad de amplificar/atenuar la señal filtrada.
OBJETIVOS
Obtener un oscilador de onda cuadrada y de onda triangular.
Identificar las principales configuraciones de un oscilador.
Restringir las componentes de frecuencias de una señal dada.
Analizar la respuesta en frecuencia de un filtro.
FUNDAMENTOS TEORICOS Osciladores
Un oscilador es un dispositivo capaz de convertir la e nergía de corriente continua en corriente alterna a una determinada frecuencia. Tienen numerosas aplicaciones: generadores de frecuencias de radio y de televisión, osciladores locales en los receptores, generadores de barrido en los tubos de rayos catódicos, etc. La mayoría de los equipos electrónicos utiliza para su funcionamiento señales eléctricas de uno de estos tres tipos: ondas sinusoidales, ondas cuadradas y ondas tipo diente de sierra. Los osciladores son circuitos electrónicos generalmente alimentados con corriente continua capaces de producir ondas sinusoidales con una determinada frecuencia. Existe una gran variedad de tipos de osciladores que, por lo general, se conocen por el nombre de su creador. Igualmente, los multivibradores son circuitos electrónicos que producen ondas cuadradas. Este tipo de dispositivos, es utilizado ampliamente en conmutación. Los osciladores son generadores que suministran ondas sinusoidales y existen multitud de ellos. Generalmente, un circuito oscilador está compuesto por: un "circuito oscilante", "un amplificador" y una "red de realimentación".
Esquema de un circuito oscilante
El circuito oscilante suele estar compuesto por una bobina (o inductancia) y por un condensador. El funcionamiento de los circuitos osciladores (osciladores de ahora en adelante) suele ser muy similar en todos ellos; el circuito oscilante produce una
oscilación, el amplificador la aumenta y la red de realimentación toma una parte de la energía del circuito oscilante y la introduce de nuevo en la entrada produciendo una realimentación positiva.
Esquema general de un oscilador
Hay que tener cuidado y no confundir "circuito oscilante" con "oscilador". El circuito oscilante es el encargado de producir las oscilaciones deseadas; sin embargo, no es capaz de mantenerlas por sí solo. El oscilador es el conjunto que forman el circuito oscilante, el amplificador y la red de realimentación juntos.
Filtros activos
Puede definirse un filtro como cualquier dispositivo que modifica de un modo determinado una señal que pasa a través de él. Algunos autores reservan la denominación de filtros para los dispositivos selectores de frecuencia, es decir, aquellos que “dejan pasar” las señales presentes en ciertas bandas de frecuencia y “bloquean” las señales de otras bandas. Aunque existen muchos filtros de interés
práctico que no cumplen esa función, por lo que preferimos la definición más amplia, la mayoría de los filtros que trataremos son selectores de frecuencia. La excepción la constituyen los filtros pasatodo que, sin alterar la amplitud, modifican la fase. Hay diversas clasificaciones de los filtros. Cuando la señal es una magnitud eléctrica (corriente o tensión), es un filtro eléctrico. Existen también filtros mecánicos, filtros acústicos, filtros ópticos, etc.
Otra clasificación es en filtros lineales y filtros no lineales según que su comportamiento pueda o no modelizarse matemáticamente con ecuaciones lineales. Un ejemplo de filtro no lineal es un comparador de tensión. Otro, un rectificador. Otra clasificación es en filtros analógicos y filtros digitales. Los filtros analógicos son aquéllos en los cuales la señal puede tomar cualquier valor dentro de un intervalo, y los digitales corresponden al caso en que la señal toma sólo valores discretos. También pueden clasificarse en filtros continuos y filtros discretos o muestreados, según que la señal se considere en todo instante o en instantes discretos. Dado que los filtros digitales en la práctica son siempre muestreados, el nombre “filtro digital”
se refiere habitualmente a filtros discretos digitales. Sin embargo, existen filtros discretos no digitales, como los filtros de capacidades conmutadas. Finalmente, los filtros también pueden clasificarse en filtros activos o filtros pasivos según empleen o no fuentes controladas (elementos activos, tales como amplificadores y sus derivados). Los filtros eléctricos pasivos se implementan en general con inductores y capacitores. Dado que los inductores son elementos, voluminosos, pesados y costosos, el empleo de filtros pasivos es poco conveniente excepto en frecuencias bastante altas. Los inductores pueden eliminarse mediante el uso de amplificadores y técnicas de realimentación. En lo que sigue nos ocuparemos de los filtros eléctricos, analógicos, lineales y activos. Comenzaremos por los filtros continuos y luego daremos nociones de aplicación de un tipo particular de filtros discretos: los de capacidades conmutadas.
PREPARACIÓN Para la realización de este Laboratorio se requiere la lectura previa del capítulo 6, 7 y 8 del Libro Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales de Robert F. Coughlin. También se recomienda la lectura del capítulo 5 del Libro Amplificadores Operacionales y Filtros Activos de Antonio Pertence.
MATERIALES Y EQUIPOS NOTA: Para realiza el laboratorio, el alumno debe revisar los apuntes de clase, leer el texto base de clase y/o consultar a bibliografía del curso. Asimismo el alumno deberá realizar su diseño usando el software de diseño de laboratorio.
EQUIPO/MATERIAL
CANTIDAD
Osciloscopio
01
Fuente de alimentación Dual 12-012 v
01
Generador de Funciones
01
Multímetro Digital
01
Protoboard
01
Pelacables
01
OPAMP
02
Resistor 10 K
02
Resistor 20 k
01
Potenciómetro 10 K
01
Potenciómetro 100 K
01
Condensador
01
Cables de Conexión
varios
PROCESO Y RESULTADOS OBTENIDOS Oscilador de Onda Cuadrada 1. En el circuito de la figura N° 1, suponga que R7 = 5 k, calculñe y anote en a tabla N°1 la frecuencia de la señal de salida para los valores de los condensadores listados.
1/Fo = 2(R7)C * Ln(1 + 2R3/R1)
C (uF) 0.047 uF 0.1 uF
Fsal (calculada) 1.936 KHz 910 Hz
Fsal (medida) 2 KHz 1 KHz
2. Para el circuito de la figura N°1 con C = 0.047 uF y R7 = 5 K. Observe en el osciloscopio las formas de onda en la entrada inversora y en la salida del operacional. Grafíquelas.
3. Mida la frecuencia y complete la taba N° 1, varíe la resistencia R7 y observe la salida del circuito. ¿qué sucede? La frecuencia varía: tal como se explica a continuación:
Cuando el potenciómetro está a máximo, a frecuencia aumenta.
Cuando el potenciómetro está al mínimo, la frecuencia se reduce.
Oscilador de Onda Triangular
4. Arme el circuito de la figura N°2. Observe y grafique las formas de onda en la salida de U1A y V3 con la resistencia R3 aproximadamente en su valor medio. 5. Varíe la resistencia R16 ¿qué sucede en la salida U1A y V3? Los picos (pulsos) se hacen más pequeños cuando el potenciómetro trabaja a su máxima capacidad, y cuando este disminuye su capacidad, los pulsos son mas grandes
Onda de Entrada
Filtro Pasa Bajos
6. Montar el circuito de la figura 3 y conectar la fuente de alimentación. 7. Ajustar el generador de señal para tener una tensión sinodal de 1 V (de pico) y 1 KHz de frecuencia. 8. Conectar e canal 1 del osciloscopio a la entrada del circuito y el 2 de la salida.
Ondas Formadas por el Circuito
9. Aplicar la señal senoidal de circuito. mida con el osciloscopio la amplitud de la señal y determine la ganancia del filtro. Vo 1 = 4 V Av = 2 V Av (dB)= 27.725 dB 10. Compare las señales de entrada y salida. Existe alguna distorsión en la señal Si, ya que se puede observar un desfase entre ambas señales. Además el voltaje de salida es menor que el voltaje de entrada. 11. Existe desfase entre las. Anote el valor: 45° aproximadamente. 12. Varíe la frecuencia del generador incrementándolo hasta que la amplitud de la señal de salida disminuya a un valor igual al 70.7 % del valor obtenido en el paso. V salida (1 k Hz) = 2 V 70.7 % V salida (1 kHz) = 1.414 V ¿A qué frecuencia se obtiene este valor de amplitud? F corte = aproximadamente 10 K Hz Calcule teóricamente este valor mediante la expresión: F corte = 1/(2*3.14*R1*C) F corte = 10.6 K HZ 13. Las 2 frecuencias de corte son iguales’ Son aproximadamente iguales, la diferencia de ambas es causa de factores como la temperatura y errores de fábrica. 14. Siga incrementando la frecuencia de generador hasta que la amplitud sea menor al 10 % de la amplitud de la señal de salida a la frecuencia de 1 K Hz. En este instante mida la frecuencia. F = aproximadamente 20 a 30 K Hz 15. Determine la pendiente de caída del filtro en dB/Dec.
Pendiente =
dB/Dec.
Pendiente = 25 ° aproximadamente.
Filtro Pasa Altos
16. Montar el circuito de la figura 4 y conectar la fuente de alimentación. 17. Ajustar el generador de señal para tener una tensión sinusoidal de 1V (de pico) y 100 K Hz de frecuencia. 18. Conectar el canal 1 de osciloscopio a la entrada del circuito y el 2 a la salida.
19. Aplicar la señal sinusoidal al circuito. Mida con el osciloscopio la amplitud de la señla de salida y determine la ganancia del filtro. Vo 2 = -13 V Av = 0.86 % = 2 V A v (dB) = 2. 86 dB 20. Compare las señales de entrada y salida. ¿Existe alguna distorsión en la señal? La entrada de salida es negativa y continua, mientras que la señal de entrda es sinusoidal. 21. ¿Existe desfase entre las señales? No
= 0°
grados
22. Varíe la frecuencia del generador decrementandolo hasta que la amplitud de la señal de salida disminuya a un valor igual a 70.7 % del valor obtenido en el paso 4. V salida (100 KHz) = 2 u S. 70.7 % V salida (100 K Hz) = 5 u S.
A qué frecuencia se obtiene este valor mediante la expresión: F corte 1/ (2*3.14*R1*C) = 10. 610 K Hz 23. ¿Las 2 frecuencias de corte son iguales?
Son similares, ya que la diferencia es consecuencia de factores inoportunos como la temperatura y errores de fábrica. 24. Siga decrementando el valor del generador hasta que la amplitud sea menor al 10% de la amplitud de la señal de salida a la frecuencia de 100 K Hz. En este instante mida la frecuencia. F = 80 k Hz 25. Determine la pendiente de caída del filtro en dB/Dec. Pendiente = -3 dB/Dec.
Filtro Pasa Bajos
26. Montar el circuito de la Figura 5 y conectar la fuente de alimentación. 27. Ajustar el generador de seña para tener una tensión sinusoidal de 1V (de pico) y 10 K Hz de frecuencia. 28. Conectar el canal 1 de osciloscopio a la entrada del circuito y el 2 a la salida.
29. Aplicar la señal sinusoidal al circuito. Ajuste la frecuencia del generador hasta sintonizar la máxima amplitud de salida. Mida y anote la frecuencia y la amplitud, determine la ganancia del fitro. F central = 10 K Hz Vo 3 = 5 V Av = 0.33 % igual a 10 voltios de diferencia. Av (dB) = 0.3 dB
30. Compare las señales de entrada y salida. ¿Existe alguna distorsión en la señal? La seña de salida es más pequeña que la d entrada, sin embargo la frecuencia en ambas señales es la misma. 31. Existe desfase entre las señales. Anote el va lor: 0 °, no existe desfase.
OBERVACIONES Generales:
- Se pudo observar que en el circuito del oscilador de relajación operacional al aumentar el potenciómetro del circuito el periodo de la onda de salida disminuye o aumenta proporcionalmente a la variación del potenciómetro. - También se pudo observar que a medida que se aumentaba la resistencia en el potenciómetro del circuito de oscilador de onda triangular, se disminuía el periodo de las 2 ondas de salida, pero si se disminuye la resistencia del potenciómetro, el periodo de las 2 ondas de salida aumenta.
CONCLUSIONES Generales: Podemos concluir que la frecuencia de corte medida y la frecuencia de
corte calculada en el circuito pasabajos, tienen una pequeña diferencia, con lo que podemos decir que la frecuencia de corte concuerda con la teórica. Concluimos que en circuito de filtro pasa banda, obtenemos una banda
de frecuencia limitada por una frecuencia de corte inferior y otra superior.
BIBLIOGRAFIA http://www.ifent.org/temas/amplificadores_operacionales.asp Guias de Laboratorio.