NásobiÄ frekvencie - Žilinská univerzita
NásobiÄ frekvencie - Žilinská univerzita
NásobiÄ frekvencie - Žilinská univerzita
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />
Elektrotechnická fakulta<br />
Katedra telekomunikácií a multimédií<br />
Násobič <strong>frekvencie</strong><br />
Eduard Maťašovský<br />
2008
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 1 -<br />
Násobič <strong>frekvencie</strong><br />
DIPLOMOVÁ PRÁCA<br />
EDUARD MAŤAŠOVSKÝ<br />
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE<br />
Elektrotechnická fakulta<br />
Katedra telekomunikácií a multimédií<br />
Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE<br />
Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Vladimír Hottmar, PhD.<br />
Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.)<br />
Dátum odovzdania diplomovej práce: 16. 05. 2008<br />
ŽILINA 2008
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 2 -
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 3 -<br />
Abstrakt<br />
Cieľom diplomovej práce je navrhnúť a prakticky zrealizovať rezonančný násobič<br />
<strong>frekvencie</strong> zo základnej harmonickej 12 MHz, s celočíselným násobkom 5. Požadované<br />
výstupné parametre násobiča <strong>frekvencie</strong> sú:<br />
Výstupná frekvencia:<br />
Výstupné napätie:<br />
f = 60 MHz<br />
U > 300 mV<br />
Násobič <strong>frekvencie</strong> je navrhnutý pomocou simulačného programu PSpice verzia 8 od<br />
spoločnosti Microsim, ktrorý umožňuje výpočet a optimalizáciu jednotlivých obvodových<br />
prvkov, podľa čoho bol násobič následne prakticky zrealizovaný.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 4 -<br />
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline, Elektrotechnická fakulta,<br />
Katedra telekomunikácií a multimédií<br />
__________________________________________________________________________________<br />
ANOTAČNÝ ZÁZNAM - DIPLOMOVÁ PRÁCA<br />
Priezvisko, meno: Maťašovský Eduard školský rok: 2008<br />
Názov práce: Násobič <strong>frekvencie</strong><br />
Počet strán: 57 Počet obrázkov: 22 Počet tabuliek: 1<br />
Počet grafov: 16 Počet príloh: 7 Použitá lit.: 23<br />
Anotácia (slovenský jazyk):<br />
Táto diplomová práca sa zaoberá návrhom a realizáciou rezonančného násobiča<br />
<strong>frekvencie</strong> zo základnej harmonickej 12 MHz, s celočíselným násobkom 5.<br />
Anotácia (anglický jazyk):<br />
This diploma work deals the proposal and realisation resonant frequency multiplier from<br />
the base 12 MHz harmonic frequence, with integral multiple of number 5.<br />
Kľúčové slová: násobič <strong>frekvencie</strong>, oscilátor, uhol otvorenia, pracovný bod tranzistora,<br />
Vedúci práce: doc. Ing. Vladimír Hottmar, PhD.<br />
Recenzent práce : doc. Ing. Rudolf Hronec, PhD.<br />
Dátum odovzdania práce: 16. 05. 2008
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 5 -<br />
Obsah<br />
1. Úvod.......................................................................................................................12<br />
2. Teória násobiča <strong>frekvencie</strong>..................................................................................13<br />
2.1 Násobiče <strong>frekvencie</strong>...............................................................................................13<br />
2.2 Princíp činnosti násobičov......................................................................................15<br />
2.3 Účel a klasifikácia násobičov <strong>frekvencie</strong>...............................................................18<br />
2.4 Násobiče <strong>frekvencie</strong> s nezotrvačnou nelineárnou dvojbránou...............................19<br />
2.5 Násobiče <strong>frekvencie</strong> so zotrvačnou nelineárnou dvojbránou.................................20<br />
3. Generátory a oscilátory........................................................................................23<br />
3.1 Vznik kmitania v oscilačnej sústave.......................................................................24<br />
3.2 Rozdelenie a základné vlastnosti oscilátorov.........................................................27<br />
3.2.1 Delenie podľa tvaru výstupného signálu ...............................................................28<br />
3.2.2 Delenie podľa <strong>frekvencie</strong> vytváraných kmitov......................................................28<br />
3.2.3 Delenie podľa druhu prvku určujúceho frekvenciu vytváraných kmitov...............29<br />
3.2.4 Delenie podľa spôsobu pripojenia aktívneho obvodu k obvodu určujúcemu<br />
frekvenciu...............................................................................................................34<br />
3.2.5 Delenie podľa účelu a použitia...............................................................................35<br />
4. Návrh násobiča <strong>frekvencie</strong>...................................................................................37<br />
4.1 Použité prostriedky pre návrh násobiča <strong>frekvencie</strong>................................................37<br />
4.2 Popis obvodu násobiča <strong>frekvencie</strong>.........................................................................37<br />
4.3 Popis návrhu pomocou simulácie...........................................................................39<br />
4.4 Grafické výsledky zo simulácie..............................................................................39<br />
5. Konštrukcia násobiča <strong>frekvencie</strong>........................................................................41<br />
5.1 Technológia výroby plošného spoja násobiča........................................................41<br />
5.2 Tieniaca krabička....................................................................................................43<br />
5.3 Meranie násobiča <strong>frekvencie</strong>..................................................................................43<br />
5.3.1 Použité meracie prístroje........................................................................................43<br />
5.3.2 Meranie priebehu výstupného signálu a emitorového napätia...............................43<br />
5.3.3 Meranie výstupného spektra násobiča...................................................................49<br />
5.3.4 Meranie výstupnej <strong>frekvencie</strong> násobiča.................................................................51<br />
5.3.5 Meranie časovej stálosti <strong>frekvencie</strong>.......................................................................51
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 6 -<br />
6. Záver......................................................................................................................53<br />
Zoznam použitej literatúry..............................................................................................54<br />
Prílohová časť...................................................................................................................57
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 7 -<br />
Zoznam obrázkov, grafov a tabuliek:<br />
Obrázok 2.1: Schultzov diagram<br />
Obrázok 2.2: Príklad zdvojovača <strong>frekvencie</strong><br />
Obrázok 2.3: Umiestnenie pracovného bodu P o v triede A<br />
Obrázok 2.4: Umiestnenie pracovného bodu P o v triede B<br />
Obrázok 2.5: Umiestnenie pracovného bodu P o v triede C<br />
Obrázok 2.6: Príklad nízkofrekvenčného násobiča<br />
Obrázok 2.7: Časové priebehy napätí na vstupe (u vst ), na emitorovom priechode (u pr )<br />
a prúdov kolektora (I K ), bázy (I B ) a emitora (I E ) pri budení napäťovým<br />
generátorom<br />
Obrázok 2.8: Príklad zapojenia tranzistorového násobiča <strong>frekvencie</strong><br />
Obrázok 3.1: Priebehy napätia a prúdu na ideálnej cievke a ideálnom<br />
kondenzátore<br />
Obrázok 3.2: Priebehy napätia a prúdu na stratovej cievke a stratovom<br />
kondenzátore<br />
Obrázok 3.3: Maissnerov oscilátor<br />
Obrázok 3.4: Hartleyov oscilátor<br />
Obrázok 3.5: Colpittsov oscilátor<br />
Obrázok 3.6: Clappov oscilátor<br />
Obrázok 3.7: Kryštálový výbrus<br />
Obrázok 3.8: VA – charakteristiky polovodičových prvkov<br />
Obrázok 3.9: Bloková schéma spätnoväzobného oscilátora<br />
Obrázok 4.1: Schéma zapojenia násobiča <strong>frekvencie</strong><br />
Obrázok 5.1: Schéma merania násobiča <strong>frekvencie</strong><br />
Obrázok 5.2: Schéma merania spektra násobiča <strong>frekvencie</strong><br />
Obrázok 5.3: Schéma merania výstupnej <strong>frekvencie</strong> násobiča<br />
Obrázok 5.4: Schéma merania časovej stálosti <strong>frekvencie</strong> násobiča<br />
Graf 4.1: Časový priebeh vstupného a výstupného signálu<br />
Graf 4.2: Frekvenčné spektrum výstupného signálu<br />
Graf 5.1: 1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. priebeh napätia na emitore<br />
Graf 5.2:<br />
tranzistora T 1<br />
1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. priebeh napätia na emitore
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 8 -<br />
Graf 5.3:<br />
Graf 5.4:<br />
Graf 5.5:<br />
Graf 5.6:<br />
Graf 5.7:<br />
Graf 5.8:<br />
Graf 5.9:<br />
Graf 5.10:<br />
Graf 5.11:<br />
Graf 5.12:<br />
Graf 5.13:<br />
Graf 5.14:<br />
tranzistora T 1 pri napätí U B =0,812V<br />
1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. priebeh napätia na emitore<br />
tranzistora T 1 pri napätí U B =0,952V<br />
1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. priebeh napätia na emitore<br />
tranzistora T 1 pri napätí U B =1,4V<br />
1. priebeh výstupného signálu násobiča pri napätí U B =0,812V<br />
1. priebeh výstupného signálu násobiča pri napätí U B =0,88V<br />
1. priebeh výstupného signálu násobiča pri napätí U B =1,02V<br />
1. priebeh výstupného signálu násobiča pri napätí U B =1,13V<br />
1. priebeh výstupného signálu násobiča pri napätí U B =1,3V<br />
1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. výstupné spektrum pri<br />
U B =1,13V<br />
1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. výstupné spektrum pri<br />
U B =1,02V<br />
1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. výstupné spektrum pri<br />
U B =0,88V<br />
1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. výstupné spektrum pri<br />
U B =0,812V<br />
Priebeh závislosti výstupnej <strong>frekvencie</strong> od času<br />
Tabuľka 5.1: Namerané hodnoty časovej stálosti <strong>frekvencie</strong> násobiča
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 9 -<br />
Zoznam skratiek a symbolov<br />
FET (Field Effect Transistor) -unipolárny tranzistor<br />
JFET (Junction Field Effect Transistor) -unipolárny tranzistor<br />
NP<br />
-nelineárny prvok<br />
nf<br />
-nízkofrekvenčný<br />
OZ<br />
-operačný zosilňovač<br />
PKJ<br />
-piezokryštalická jednotka<br />
Pr<br />
-prepínač<br />
SB<br />
-spoločná báza<br />
SC<br />
-spoločný kolektor<br />
SE<br />
-spoločný emitor<br />
SRD (Step recovery diode)<br />
-dióda so skokovým zotavením<br />
VA<br />
-voltampérová charakteristika<br />
vf<br />
-vysokofrekvenčný<br />
VVF<br />
-veľmi vysoká frekvencia<br />
C<br />
Cv<br />
gn<br />
h<br />
i vst<br />
I K<br />
I B<br />
I E<br />
f o<br />
F<br />
K PN<br />
L<br />
N<br />
Ρ<br />
P N<br />
Po<br />
-kondenzátor<br />
-kapacitná väzba<br />
-činiteľ tvaru<br />
-výška<br />
-striedavý vstupný prúd<br />
-jednosmerný kolektorový prúd<br />
-jednosmerný bázový prúd<br />
-jednosmerný emitorový prúd<br />
-rezonančná frekvencia<br />
-filter<br />
-činiteľ prenosu<br />
-cievka<br />
-činiteľ násobenia<br />
-odpor rezonančného obvodu<br />
-výstupný výkon<br />
-pracovný bod
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 10 -<br />
P vstN<br />
R<br />
R B<br />
R E<br />
Rp<br />
s<br />
ST 1<br />
t<br />
T<br />
T 1 , 2<br />
u vst<br />
U B<br />
U BE<br />
U C<br />
U CB<br />
U CE<br />
U PR<br />
Uo<br />
W C<br />
W L<br />
Q<br />
X<br />
λ<br />
β<br />
∆<br />
η eN<br />
-vstupný výkon<br />
-odpor<br />
-bázový odpor<br />
-emitorový odpor<br />
-zaťažovací odpor<br />
-činiteľ stability<br />
-stabilizátor napätia<br />
-čas<br />
-perióda<br />
-tranzistor<br />
-striedavé vstupné napätie<br />
-napätie medzi bázou a zemou<br />
-napätie medzi bázou a emitorom<br />
-jednosmerné napätie na kondenzátore<br />
-napätie medzi kolektorom a bázou<br />
-napätie medzi kolektorom a emitorom<br />
-napätie na emitorovom priechode<br />
-jednosmerné napájacie napätie<br />
-energia magnetického poľa kondenzátora<br />
-energia magnetického poľa cievky<br />
-kvalita<br />
-kryštál<br />
-dĺžka vedenia<br />
-spätná väzba<br />
-činiteľ tlmenia<br />
-účinnosť kolektorového obvodu<br />
ω´ -frekvencia tlmených kmitov<br />
ωo -frekvencia kmitov<br />
ω VST<br />
Θ n<br />
Θ N<br />
Θ opt<br />
2Θ<br />
-vstupná frekvencia<br />
-nízkofrekvenčný uhol otvorenia<br />
-vysokofrekvenčný uhol otvorenia<br />
-optimálny uhol otvorenia<br />
-uhol otvorenia
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 11 -<br />
Slovník termínov:<br />
Bipolárny tranzistor<br />
Násobič <strong>frekvencie</strong><br />
Oscilátor<br />
Polovodičová dióda<br />
Step recovery diode<br />
Unipolárny tranzistor<br />
Varaktor<br />
Zmiešavač<br />
- je základná polovodičová súčiastka, ktorá využíva PN<br />
priechod<br />
- elektrický obvod, ktorý je schopný vytvárať na svojom<br />
výstupe n-tý násobok vstupnej <strong>frekvencie</strong><br />
- nespracováva žiadny vstupný signál, ale je sám zdrojom<br />
striedavého signálu<br />
- dvojpólová súčiastka, ktorá pri svojej činnosti využíva<br />
priechd PN<br />
- dióda so skokovým zotavením<br />
- jeho výstupný výkon možno ovládať elektrickým nábojom<br />
- kapacitná dióda<br />
- zariadenie slúžiace k premene signálu o danej frekvencii<br />
na signál s inou frekvenciou
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 12 -<br />
1. Úvod<br />
Násobiče <strong>frekvencie</strong> sú elektrické obvody, ktoré sú schopné vytvárať na svojom výstupe<br />
n-tý násobok vstupnej <strong>frekvencie</strong>. Výstupná frekvencia je teda n-násobne vyššia oproti<br />
vstupnej. Násobiče kmitočtu sa používajú v pamätiach, integrovaných obvodoch,<br />
mikroprocesoroch, taktiež sa využívajú v audio a video zariadeniach a satelitných<br />
komunikačných systémoch. Možu byť riešené rôznymi obvodovými prvkami a to<br />
pomocou tranzistorov v spínacom režime, varaktorov alebo pomocou diódy so skokovým<br />
zotavením.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 13 -<br />
2. Teória násobiča <strong>frekvencie</strong><br />
2.1 Násobiče <strong>frekvencie</strong><br />
Násobiče <strong>frekvencie</strong> sa používajú k získaniu vyšších frekvencií tam, kde je zložité<br />
vytvoriť oscilátor, ktorý by kmital na potrebnej frekvencii alebo v zariadeniach<br />
používajúcich signály viacerých frekvencií. Výstupná frekvencia násobiča je<br />
celočíselným násobkom vstupnej <strong>frekvencie</strong>. V praxi sa najčastejšie používajú<br />
zdvojovače a ztrojovače <strong>frekvencie</strong>, prípadne násobiče štvrtého a piateho rádu, ktoré je<br />
relatívne jednoduché navrhnúť a realizovať.<br />
Násobenie <strong>frekvencie</strong> je zámerné vytváranie vyšších harmonických základnej <strong>frekvencie</strong>.<br />
Vyššie harmonické vznikajú na každom nelineárnom prvku, budenom harmonickým<br />
napätím alebo prúdom. Obsah vyšších harmonických závisí na tvare nelineárnej<br />
charakteristiky a na amplitúde budiaceho signálu. Koeficienty Fourierovho rozvoja<br />
priebehu výstupného signálu udávajú amplitúdy jednotlivých harmonických. Sínusový<br />
signál je charakterizovaný tzv. uhlom otvorenia 2Θ a je bežne známy z elektrónkových<br />
násobičov pracujúcich v triede C alebo v triede B.<br />
Pomer vyšších harmonických amplitúd k vrcholovej hodnote signálu (napríklad<br />
kolektorového prúdu tranzistora) v závislosti na polovičnom uhle otvorenia Θ je na<br />
obrázku 2.1.<br />
Pre nízke a stredné <strong>frekvencie</strong> sa používajú tranzistorové násobiče pracujúce ako<br />
zosilňovače v triede C alebo B. Vstup je budený harmonickým signálom základnej<br />
<strong>frekvencie</strong>. Prevláda zapojenie so spoločným emitorom, ktoré vyžaduje menší budiaci<br />
výkon ako zapojenie so spoločnou bázou. Zapojenie so spoločnou bázou sa používa na<br />
vyšších frekvenciách. Zapojenie so spoločným kolektorom potrebuje vysoké budiace<br />
napätie a v praxi sa nepoužíva.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 14 -<br />
Obrázok 2.1: Schultzov diagram<br />
Na obrázku 2.2 je ako príklad uvedený násobič <strong>frekvencie</strong> ako zdvojovač <strong>frekvencie</strong>. Na<br />
jeho vstupe je frekvencia 1 MHz a na výstupe frekvencia 2 MHz.<br />
Obrázok 2.2: Príklad zdvojovača <strong>frekvencie</strong><br />
Násobiče vyšších rádov ako rádu piateho je už problém navrhnúť a ich vlastnosti sú už<br />
nie mnohokrát dostačujúce vzhľadom k získaniu dosiahnuteľného konverzného zisku<br />
a nízkej účinnosti. Pre docielenie žiadaných vyšších rádov násobenia <strong>frekvencie</strong> je možné
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 15 -<br />
použiť kaskádu násobičov nižších rádov alebo násobičov SRD využívajúcich Step<br />
Recovery Diody a filtra, ktorý vyberie jednu z generovaných harmonických frekvencí.<br />
2.2 Princíp činnosti násobičov<br />
V princípe násobiče fungujú tak, že relatívne veľké vstupné harmonické napätie vytvára<br />
na nelineárnom prvku vyššie harmonické <strong>frekvencie</strong> prúdu. Prúd na záťaži vytvára<br />
výstupné spektrum signálov.<br />
Ako aktívny prvok sa v minulosti používali najmä polovodičové diódy. V súčasnej dobe<br />
sa neustále vylepšujú vlastnosti tranzistorov smerom k vyšším frekvenciám a preto je<br />
výhodné používať tranzistory. Často sa používajú unipolárne tranzistory typu FET (Field<br />
Effect Transistor). Niektoré vlastnosti závisia od toho, v ktorom mieste prevodovej<br />
charakteristiky zosilňovacieho prvku je umiestnený kľudový pracovný bod P o . Podľa toho<br />
rozlišujeme 3 triedy zosilňovačov:<br />
<br />
Trieda A je definovaná umiestnením kľudového pracovného bodu P o v strede<br />
lineárnej časti prevodovej charakteristiky a uhol otvorenia 2Θ = 360°, takže prúd<br />
tečie tranzistorom počas celej periódy vstupného signálu.<br />
Vlastnosti :<br />
Uhol otvorenia: 2 Θ = 360°<br />
Použitie: nízkofrekvenčné zosilňovače<br />
a vysokofrekvenčné predzosilňovacie stupne<br />
Obrázok 2.3: Umiestnenie pracovného bodu P o v triede A
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 16 -<br />
<br />
Trieda B je definovaná umiestnením kľudového pracovného bodu P o do miesta<br />
zániku kolektorového prúdu, takže uhol otvorenia 2Θ ≤ 180° a tranzistorom tečie<br />
prúd počas celej polperiódy vstupného signálu.<br />
Vlastnosti :<br />
Uhol otvorenia: 2Θ ≤ 180°<br />
Použitie: v koncových stupňoch NF zosilňovačov<br />
Obrázok 2.4: Umiestnenie pracovného bodu P o v triede B<br />
<br />
Trieda C je definovaná umiestnením kľudového pracovného bodu P o za miesto<br />
zániku kolektorového prúdu, takže tranzistorom tečie prúd v kratšom čase ako je<br />
polperióda vstupného signálu.<br />
Vlastnosti :<br />
Uhol otvorenia: 2Θ < 180°<br />
Použitie: vysokofrekvenčné zmiešavače<br />
a nasobiče <strong>frekvencie</strong>
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 17 -<br />
Obrázok 2.5: Umiestnenie pracovného bodu P o v triede C<br />
Na nízkych frekvenciách do rádov stoviek MHz sa násobiče realizujú pomocou<br />
tranzistora, sériových a paralelných rezonančných obvodov na vstupe a na výstupe. Na<br />
vstupe je rezonančný obvod naladený na vstupnú frekvenciu a na výstupe je rezonančný<br />
obvod naladený na požadovaný násobok vstupnej <strong>frekvencie</strong> a výkon sa odoberá<br />
najčastejšie induktívnou alebo kapacitnou väzbou, viď. obrázok 2.6.<br />
Obrázok 2.6: Príklad nízkofrekvenčného násobiča<br />
Na vyšších frekvenciách je situácia zložitejšia vzhľadom k prejavu parazitných reaktancií,<br />
ktoré začínajú zásadným spôsobom ovplyvňovať činnosť obvodu. Pri návrhu je nutné<br />
zahrnúť ich vplyv a rozšíriť tak modely, pomocou ktorých návrh prebieha. Vplyv<br />
parazitných reaktancií sa prejavuje najmä na zmenách fáz napätí a prúdov v častiach<br />
obvodu a ďalej tiež môžu pôsobiť ako deliče napätí alebo spätné väzby. Obvody na<br />
vyšších frekvenciách sú tiež viac stratovejšie vplyvom vedenia, resp. substrátu s<br />
dielektrickými a vodivostnými stratami a vyžarovaním. Prevodovú charakteristiku<br />
tranzistora možno aproximovať ako lineárnu alebo kvadratickú. Použitím lineárnej
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 18 -<br />
prevodnej charakteristiky je nutné tranzistor k nastaveniu nelinearít potrebných pre<br />
vybudenie vyšších frekvencí nastaviť do tried A, B alebo C. Použitím kvadratickej<br />
prevodnej charakteristiky z princípu vzniká druhá harmonická zložka už v triede A.<br />
Reálny tranzistor sa približuje k stavu, kedy prevodová charakteristika je lineárna a iba v<br />
okolí prahového napätia je kvadratická.<br />
2.3 Účel a klasifikácia násobičov <strong>frekvencie</strong><br />
V spektre vstupného signálu násobiča <strong>frekvencie</strong> je intenzívna zložka s frekvenciou ω vst<br />
a v spektre výstupného signálu zložka s frekvenciou Nω vst . Ostatné spektrálne zložky sú<br />
najmenej o rád menšie.<br />
Násobiče <strong>frekvencie</strong> možno použiť pre rad technických úloh, napríklad:<br />
1. Oscilátory riadené piezokryštalickými jednotkami majú vysokú stabilitu<br />
<strong>frekvencie</strong>. Piezokryštalické rezonátory sa však zhotovujú pre <strong>frekvencie</strong><br />
neprevyšujúce 50 až 100 MHz. Násobiče <strong>frekvencie</strong> pomocou piezokryštalických<br />
jednotiek stabilizujú kmity aj v oblasti VVF, t.j. v oblasti stoviek a tisícov MHz.<br />
2. Vo frekvenčných syntezátoroch sa zložitou transformáciou kmitov oscilátora<br />
s PKJ vytvára sieť veľkého počtu stabilných frekvencií (používaju sa pritom<br />
násobiče <strong>frekvencie</strong>).<br />
Stabilitu <strong>frekvencie</strong> ľubovoľného oscilátora môžeme merať porovnávaním jeho<br />
<strong>frekvencie</strong> s etalónom (oveľa menšia alebo väčšia), nie je možné priame porovnávanie.<br />
Násobenie <strong>frekvencie</strong> však umožňuje vyriešiť túto úlohu.<br />
V rádiovysielacích zariadeniach možno pomocou násobičov <strong>frekvencie</strong>:<br />
- znížiť frekvenciu základného generátora, čím sa uľahčuje stabilizácia <strong>frekvencie</strong><br />
výstupného signálu vysielača,
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 19 -<br />
- rozšíriť rozsah pracovných frekvencií vysielača pri menšom prelaďovaní<br />
základného generátora,<br />
- zvýšiť stabilitu vysielača oslabením parazitných spätných väzieb, pretože<br />
v násobičoch <strong>frekvencie</strong> sú vstupné a výstupné obvody naladené na rozdielové<br />
<strong>frekvencie</strong>,<br />
- zväčšiť absolútny frekvenčný alebo fázový zdvih pri frekvenčnej modulácii<br />
(fázovej modulácii).<br />
Najdôležitejšie parametre násobiča <strong>frekvencie</strong> sú: činiteľ násobenia N, výstupný výkon<br />
P N , výkonový činiteľ prenosu K PN = P N /P vstN (P vstN je vstupný výkon), obsahujúci aj<br />
veľkosť postranných spektrálnych zložiek na výstupe, účinnosť výstupného obvodu<br />
(zavádza sa vtedy, keď násobič <strong>frekvencie</strong> odoberá výkon od jednosmerného zdroja).<br />
V rade iných parametrov sú dôležité aj ďalšie parametre: amplitúdová a frekvenčná<br />
charakteristika násobiča, stabilita fázy výstupného napätia, zmena výstupného výkonu pri<br />
meniacej sa teplote a pod. Tieto parametre sa určujú technickými požiadavkami na<br />
zariadenie, v ktorom pracuje násobič.<br />
2.4 Násobiče <strong>frekvencie</strong> s nezotrvačnou nelineárnou<br />
dvojbránou<br />
Ak uvažujeme o návrhu vysielača, v ktorom sa používajú násobiče <strong>frekvencie</strong>, treba<br />
rozhodnúť, ako realizovať požadované násobenie (v jednom stupni alebo v niekoľkých<br />
stupňoch), kde umiestniť násobič, aké typy násobičov zvoliť atď. Rozhodovanie závisí od<br />
pomeru energetických ukazovateľov výkonového zosilňovača a násobiča. Pri rovnakých<br />
ukazovateľoch môžeme násobiť na ľubovoľných výkonových hladinách, pri horších<br />
ukazovateľoch na nižších a pri lepších ukazovateľoch na vyšších hladinách.<br />
Porovnáme výkonový zosilňovač a násobič s rovnakým nelineárnym prvkom z hľadiska<br />
nasledujúcich energetických ukazovateľov: výstupný výkon, účinnosť výstupného
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 20 -<br />
obvodu, výkonový činiteľ prenosu. Na konkretizáciu<br />
predpokladáme, že nelineárny<br />
prvok je tranzistor v zapojení so spoločným emitorom, pracujúci na nízkej frekvencii.<br />
Výsledky porovnania pracovných režimov výkonového zosilňovača a násobiča závisia od<br />
toho, aké maximálne dovolené parametre nelineárneho prvku ohraničujú jeho užitočný<br />
výkon. Z výsledkov vyplýva, že energetické ukazovatele násobiča sú nižšie ako<br />
zosilňovača a podstatne sa zhoršujú s narastajúcim činiteľom násobenia . Okrem toho pri<br />
veľkých hodnotách činiteľa násobenia nemožno dodržať optimálny uhol otvorenia,<br />
pretože spätné bázové napätie presahuje dovolené napätie.<br />
Energetické ukazovatele násobiča sa zhoršujú ešte viac, ak sa prejavuje vplyv<br />
kolektorového napätia na prúdy. Vplyvom výstupného napätia násobiča <strong>frekvencie</strong> môžu<br />
v impulze kolektorového prúdu vzniknúť deformácie, dokonca aj v podkritickom<br />
pracovnom režime. Takéto skreslenia môžu spôsobiť zmenšenie amplitúdy N-tej<br />
harmonickej zložky výstupného prúdu. Z porovnania energetických pomerov vyplýva:<br />
1. Tranzistorové násobiče <strong>frekvencie</strong> je vhodné použiť vo vysielačoch nízkej<br />
výkonovej hladiny s malým činiteľom násobenia (N = 2,3), pretože pre<br />
N>4 sa energetické ukazovatele podstatne zhoršujú.<br />
2. Pri obmedzenej výške impulzu výstupného prúdu treba zvoliť optimálny<br />
uhol otvorenia Θ = 120۫/ N = Θ opt .<br />
3. V násobičoch je vhodné použiť nelineárny prvok s čo najmenšou reakciou<br />
výstupného napätia na výstupný prúd.<br />
2.5 Násobiče <strong>frekvencie</strong> so zotrvačnou nelineárnou<br />
dvojbránou<br />
Vplyv zotrvačnosti nelineárneho prvku na energetické ukazovatele násobiča <strong>frekvencie</strong> sa<br />
prejavuje tvarovým skreslením impulzov kolektorového a bázového prúdu v porovnaní<br />
s tvarom týchto impulzov pri nízkych frekvenciách (ω vst
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 21 -<br />
Obrázok 2.7: Časové priebehy napätí na vstupe (u vst ), na emitorovom priechode (u pr )<br />
a prúdov kolektora (I K ), bázy (I B ) a emitora (I E ) pri budení napäťovým generátorom<br />
Výška impulzu kolektorového prúdu sa zmenšuje a impulz sa rozširuje. Aby sa zachoval<br />
,,vysokofrekvenčný“ uhol otvorenia Θ N blízky k optimálnemu uhlu 120۫/N, zmenšuje sa<br />
,,nízkofrekvenčný“ uhol otvorenia Θ n zväčšovaním amplitúdy budenia a predpätia.<br />
Bázový prúd počas časti periódy mení znamienko a jeho najväčšia hodnota v priamom<br />
(priepustnom) smere narastá so zvyšujúcou sa frekvenciou.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 22 -<br />
Obrázok 2.8: Príklad zapojenia tranzistorového násobiča <strong>frekvencie</strong><br />
Na obrázku 2.8 je príklad schémy zapojenia tranzistorového násobiča <strong>frekvencie</strong>. Filtre F 1<br />
a F 2 vytvárajú harmonické napätie na báze a kolektore tranzistora. Preto sa požaduje, aby<br />
impedancie filtrov zo strany tranzistorov mali pre všetky <strong>frekvencie</strong> okrem ω vst pre F 1<br />
a N ωvst pre F 2 . Na vstupe a výstupe stupňa sú okrem filtrov typu π (C 1 , L 1 , C 2 , C 3 a C 7 ,<br />
L 4 , C 8 , C 9 ) zapojené prídavné prvky L 2 , C 4 a C 5 , C 6, L 3 . Ich parametre sa volia tak, aby<br />
rezonančná frekvencia obvodov L 2 C 4 a L 3 C 6 sa rovnala N ωvst a reaktancia kondenzátora<br />
C5 sa pre ω vst rovnala induktívnej reaktancii obvodu L 3 C 6 . Tým je pre frekvenciu N ωvst<br />
skratovaná báza s emitorom a pre ω vst zasa kolektor s emitorom. Pomocou vstupného<br />
filtra π sa pre ω vst v bode a zabezpečuje optimálna impedancia pre predchádzajúci stupeň.<br />
Výstupný filter π vytvára pri frekvencii N ωvst optimálnu záťaž tranzistora.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 23 -<br />
3. Generátory a oscilátory<br />
Generátory signálov sú zdrojom premenlivého, najčastejšie striedavého signálu.<br />
Používajú sa najčastejšie v každom technicky využiteľnom frekvenčnom pásme.<br />
Najdôležitejšími tvarmi signálov sú harmonické (sínusové), pravouhlé, trojuholníkové a<br />
pílovité, ako aj jednotlivé impulzy a skupiny viacnásobných impulzov. Používajú sa<br />
v generátoroch synchronizačných impulzov, na prenos údajov, analýzu systémov<br />
a funkčných jednotiek, pre tvorbu časovej základne, ako modulátory, v skúšobných<br />
prístrojoch a pre mnohé ďalšie úlohy. Rozlišujeme stacionárne a modulované signály.<br />
Hlavnými princípmi sú:<br />
− zosilňovač s kladnou spätnou väzbou (napr. oscilátory LC a RC, preklápacie<br />
obvody),<br />
− syntetické vytváranie signálov (napr. transformácia trojuholníkového napätia<br />
na harmonické).<br />
Podľa frekvenčného pásma signálov sa na realizáciu generátorov používajú:<br />
− pri nízkych a stredných frekvenciách: OZ a komparátory,<br />
− pri vysokých frekvenciách: bipolárne tranzistory a tranzistory FET,<br />
− pri veľmi vysokých frekvenciách: bipolárne tranzistory, tranzistory FET<br />
a špeciálne prvky (tunelové diódy, Gunnove diódy atď.)<br />
Pri použití OZ a komparátorov sa môže vynechať frekvenčná kompenzácia, ktorá by<br />
spôsobila zúženie frekvenčného pásma a zníženie hraničnej rýchlosti nábehu.<br />
V generátoroch pravouhlého signálu tranzistory pracujú ako spínače. Frekvencia<br />
jednoduchých preklápacích obvodov je určená členmi RC a prahovými hodnotami<br />
zapojenia. Frekvenciu oscilátorov harmonického napätia určujú obyčajne rezonančné<br />
obvody (obvody LC, RC a mechanické obvody); závisia veľmi málo od prahového<br />
napätia a parametrov aktívnych súčiastok. Sínusové generátory majú preto obyčajne<br />
lepšiu frekvenčnú stabilitu ako generátory pravouhlého signálu.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 24 -<br />
Pre pásmo nf sú vhodnejšie oscilátory RC ako LC, pretože indukčnosti a kapacity<br />
vychádzajú veľmi malé a akosť rezonančných obvodov je malá. Pri veľmi nízkych<br />
frekvenciách je optimálnym riešením obyčajne syntéza signálu. Charakteristickými<br />
veličinami generátorov sú: frekvencia, tvar a veľkosť signálu, frekvenčná stabilita, výkon<br />
výstupného signálu, stabilita amplitúdy, vplyv odporu záťaže, napájací príkon, príp. aj<br />
účinnosť.<br />
3.1 Vznik kmitania v oscilačnej sústave<br />
Obrázok 3.1: Priebehy napätia a prúdu na ideálnej cievke a ideálnom<br />
kondenzátore<br />
Ak je prepínač Pr. prepnutý do polohy 1, kondenzátor C je pripojený ku zdroju napätia<br />
U o . Z tohoto zdroja sa kondenzátor C nabije tiež na napätie u C = U o . Energia náboja<br />
nahromadená v kondenzátore je daná vzťahom :<br />
Po prepnutí prepínača Pr. do polohy 2 sa ku kondenzátoru C pripojí cievka L, cez ktorú sa<br />
kondenzátor začne vybíjať a obvodom začne tiecť prúd i. Tento prúd vytvára v okolí<br />
cievky magnetické pole. Napätie na kondenzátore u C sa bude zmenšovať a prúd i<br />
v obvode sa bude zväčšovať. To znamená, že energia elektrického poľa kondenzátora W C<br />
sa bude zmenšovať a energia magnetického poľa cievky W L sa bude zväčšovať.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 25 -<br />
V okamihu, keď napätie u C na kondenzátore sa bude rovnať nule ( u C = 0 V ), obvodom<br />
bude tiecť maximálny prúd i, t.j. i = I o . V tomto okamihu bude aj energia magnetického<br />
poľa cievky W L maximálna a bude rovná :<br />
Tým došlo k premene energie elektrického poľa kondenzátora W C na energiu<br />
magnetického poľa cievky W L . Ďalej sa bude prúd v obvode zmenšovať a tým aj energia<br />
magnetického poľa. Pritom sa bude v cievke indukovať podľa Lenzovho zákona napätie<br />
takej polarity, že bude spomaľovať zmenšovanie prúdu. Toto napätie, ako z Lenzovho<br />
zákona vyplýva, má opačnú polaritu ako napätie U o , ktoré prúd i v obvode vyvolalo.<br />
Kondenzátor C sa začne nabíjať na toto napätie až sa nabije na maximálnu hodnotu<br />
tohoto záporného napätia, t.j. u C = – U o . V okamihu, keď je u C = – U o, je prúd i<br />
v obvode nulový ( i = 0 A ). Tým došlo k premene energie magnetického poľa cievky W L<br />
na energiu elektrického poľa kondenzátora W C . Táto vzájomná zmena energií sa<br />
periodicky opakuje. Charakter zmien napätia u C a prúdu i v obvode je znázornený<br />
na obrázku 3.1. Časový priebeh takto vytváraných kmitov predstavuje striedavé napätie<br />
a prúd, ktoré sú popísané rovnicami :<br />
u C = U o .cos ωt a i = I o .sin ωt<br />
Tento jav však nastáva len vtedy, keď sa celá energie W C premení na energiu W L<br />
a naopak, teda ak rezonančný obvod LC nemá odpor, na ktorom by sa časť energie<br />
premieňala na teplo. Len za tohto predpokladu môžu vzniknúť periodicky sa opakujúce<br />
netlmené harmonické kmity napätia a prúdu s konštantnou amplitúdou. Súčasne vidieť, že<br />
prúd v obvode sa oneskoruje za napätím o 90°. Frekvenciu kmitov určíme z rovnosti<br />
energií W C = W L , teda :<br />
( 1 )<br />
Pre napätie U o platí :
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 26 -<br />
takže po dosadení do rovnice ( 1 ) dostávame :<br />
po vykrátení a úprave dostávame známy Thomsonov vzťah :<br />
alebo<br />
Z rovnosti energií tiež vyplýva, po úprave rovnice ( 1 ), že :<br />
kde<br />
je vlnový odpor rezonančného obvodu pre rezonančnú frekvenciu f o .<br />
V praxi však ideálne prvky neexistujú a kondenzátor alebo cievka majú určité reálne<br />
stratové odpory. Pretože stratový odpor cievky je omnoho väčší ako stratový odpor<br />
kondenzátora, pri sledovaní vlastností reálneho rezonančného obvodu RLC stratový odpor<br />
kondenzátora zanedbáme.<br />
Obrázok 3.2: Priebehy napätia a prúdu na stratovej cievke a stratovom<br />
kondenzátore<br />
Ako z obrázka 3.2 vidno, stratový rezistor R je zapojený v sérii s cievkou L. Podobne aj<br />
tu dochádza k premene energie elektrického poľa kondenzátora W C na energiu<br />
magnetického poľa cievky W L , ale aj na tepelnú energiu W R na stratovom rezistore R,
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 27 -<br />
ktorá sa vyžiari do okolitého prostredia. Tým amplitúda vzniknutých kmitov postupne<br />
klesá, až kmity úplne zaniknú. Hovoríme o aperiodicky doznievajúcich kmitoch.<br />
Charakter zmien napätia u C a prúdu i v obvode je znázornený na obrázku 3.2.<br />
Všeobecne sa môžu pomery v tomto obvode opísať diferenciálnou rovnicou, z ktorej sa<br />
môže vyjadriť frekvencia kmitania podľa výrazu :<br />
( 2 )<br />
pričom δ predstavuje činiteľ tlmenia a udáva rýchlosť poklesu amplitúdy kmitov:<br />
Činiteľ tlmenia úzko súvisí s kvalitou Q rezonančného obvodu. Kvalita obvodu je určená<br />
vzťahom :<br />
Čím je väčšie tlmenie obvodu, tým je menšia jeho kvalita a naopak.<br />
Pre malé hodnoty odporu stratového rezistora R môžeme v rovnici ( 2 ) člen δ zanedbať<br />
a tým sa frekvencia tlmených kmitov ω´ sústavy so stratovým rezistorom R bude rovnať<br />
frekvencii kmitov ω o sústavy bez stratového rezistora R. Aby rezonančný obvod kmital<br />
s konštantnou amplitúdou, treba sústavne v každom časovom okamihu kompenzovať<br />
účinky strát na rezistore R. Vhodným prepojením rezonančného obvodu a aktívneho<br />
prvku, najčastejšie zosilňovača, môžeme zostrojiť oscilátor, ktorý vytvára netlmené<br />
kmity. Zosilňovač, ako aktívny štvorpól kompenzuje straty v rezonančnom obvode.<br />
3.2 Rozdelenie a základné vlastnosti oscilátorov<br />
Oscilátory sa delia podľa rôznych hľadísk a na rôzne druhy.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 28 -<br />
3.2.1 Delenie podľa tvaru výstupného signálu<br />
a) oscilátory, ktorých tvar výstupného napätia sa dá popísať jednoduchou funkciou<br />
sínus alebo kosínus. Takéto oscilátory sa nazývajú harmonické oscilátory, alebo<br />
v technickej praxi oscilátory.<br />
b) oscilátory, ktorých výstupné napätie má ľubovoľne iný tvar ako sínusový, napr.<br />
obdĺžníkový, trojuholníkový, pílovitý, impulzný a podobne, t.j. tvar výstupného<br />
napätia sa nedá popísať jednoduchou funkciou sínus alebo kosínus, ale na jeho<br />
popis sa musí použiť sústava súčtov sínusových a kosínusových funkcií, t.j.<br />
Fourierov rozvoj. Takéto oscilátory sa nazývajú neharmonické oscilátory, alebo<br />
relaxačné generátory (relaxačný je odvodené z latinského slova relaxátió =<br />
zotavenie a generátor z latinského slova generó = plodiť, tvoriť, vytvárať.)<br />
V technickej praxi sa označujú ako generátory tvarových signálov, alebo<br />
generátory.<br />
3.2.2 Delenie podľa <strong>frekvencie</strong> vytváraných kmitov<br />
a) nízkofrekvenčné oscilátory. Frekvenčný rozsah vytváraných kmitov je od 10 -2 Hz<br />
po 10 6 Hz. Významné miesto v tomto frekvenčnom pásme majú signály akustické,<br />
t.j. počuteľné, ktorých <strong>frekvencie</strong> ležia od 16 Hz do 20 kHz. Je samozrejmé, že by<br />
sa dali spomenúť aj ďalšie podpásma hlavného nízkofrekvenčného pásma, ako<br />
napr. infrazvuk a ultrazvuk, ležiace hneď pod a nad podpásmom akustických<br />
frekvencií.<br />
b) vysokofrekvenčné oscilátory. Frekvenčný rozsah vytváraných kmitov je od 10 6<br />
Hz. Zhora hranica nie je daná. Aj toto frekvenčné pásmo by sa dalo rozdeliť na<br />
viacero frekvenčných podpásiem, napríklad na pásmo metrových až<br />
kilometrových vĺn, kde sa v oscilátoroch používajú klasické rezonančné obvody,<br />
na pásmo metrových a decimetrových vĺn, kde sa v oscilátoroch používajú
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 29 -<br />
rezonančné vedenia alebo dutinové rezonátory, alebo na pásmo centimetrových<br />
a milimetrových vĺn, kde sa v oscilátoroch používajú vlnovodové alebo dutinové<br />
rezonátory.<br />
3.2.3 Delenie podľa druhu prvku určujúceho frekvenciu vytváraných<br />
kmitov<br />
a) oscilátory LC, v ktorých frekvenciu kmitov určuje rezonančný obvod LC, či<br />
už sériový alebo paralelný. Tento druh oscilátorov sa v elektronických<br />
prístrojoch vyskytuje najčastejšie. Oscilátory LC sa používajú ako laditeľné<br />
oscilátory v prijímačoch, vysielačoch, meracích prístrojoch a pod. Stabilita<br />
<strong>frekvencie</strong> vytváraných kmitov sa pohybuje od 10 -3 po 10 -5 . Oscilátory<br />
s rezonančným obvodom LC sa používajú ako zdroje striedavého napätia<br />
alebo prúdu s priebehom blízkym sínusovému. Rezonančný obvod (pre svoje<br />
selektívne vlastnosti) potláča vyššie harmonické <strong>frekvencie</strong> a preto s veľmi<br />
dobrou presnosťou určuje frekvenciu oscilátora aj vtedy, keď aktívny prvok<br />
oscilátora vykazuje výraznú nelinearitu. Prakticky všetky zapojenia LC<br />
oscilátorov sú odvodené z troch základných zapojení vytvorených na začiatku<br />
20-tych rokov 20-teho storočia a pomenovaných podľa autorov zapojení<br />
Colpittsa, Hartleya a Meissnera.<br />
− Maissnerov oscilátor: základom je vysokofrekvenčný ladený zosilovač v<br />
zapojení SE. Ten obracia fázu výstupného napätia a preto sa fáza<br />
spätnoväzobného napätia musí pootočiť o 180°, aby bola splnená fázová<br />
podmienka pre vznik oscilácií. Otočenie fázy sa vykoná spätnoväzobnou<br />
cievkou L ZV tým, že sa prehodia jej vývody. Zapojenie je na obr. 3.3 a kladná<br />
spätná väzba, zavedená z výstupu zosilňovača späť na vstup, je nakreslená<br />
hrubou čiarou. Amplitúdová podmienka sa splní vhodným prevodom medzi<br />
cievkami L a L ZV . Výstupný signál sa odoberá kapacitnou väzbou pomocou<br />
C V2 alebo induktívnou väzbou pomocou ďalšej väzobnej cievky. Kondenzátor<br />
C f predstavuje skrat zdroja pre vysokofrekvenčný signál.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 30 -<br />
Obrázok 3.3: Maissnerov oscilátor<br />
− Hartleyov oscilátor: jeho zapojenie je na obr. 3.4 Patrí medzi tzv. trojbodové<br />
zapojenia, pretože rezonačný obvod LC je pripojený k zosilňovaču v troch<br />
bodoch. Kolektor tranzistora je napájaný do odbočky na cievke a tým na jej<br />
hornom konci je napätie fázovo pootočené o 180° vzhľadom k napätiu na<br />
kolektore. Toto spätnoväzobné napätie je privedené späť na vstup zosilňovača<br />
(hrubá čiara na schéme). Výstupné napätie oscilátora sa odoberá kapacitnou<br />
alebo induktívnou väzbou.<br />
Obrázok 3.4: Hartleyov oscilátor
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 31 -<br />
− Colpittsov oscilátor: patrí medzi trojbodové zapojenia oscilátorov. Jeho<br />
zapojenie je na obr. 3.5. Neinvertujúci zosilňovač je v zapojení SB. Kladná<br />
spätná väzba je zavedená z výstupu späť na vstup cez C 1 . Veľkosť kladnej<br />
spätnej väzby je určená deliacim pomerom kapacitného deliča C 1 , C 2 . Toto<br />
zapojenie oscilátora sa používa vo vstupných obvodoch rozhlasových<br />
prijímačov FM a televíznych prijímačov, pretože tranzistor v SB zosilňuje do<br />
vyšších frekvencií ako v SE.<br />
Obrázok 3.5: Colpittsov oscilátor<br />
− Clappov oscilátor: je na obr. 3.6 a používa neinvertujúce zapojenie SC. Kladná<br />
spätná väzba je zavedená z emitora do kapacitného deliča C 1 , C 2 , ktorý je<br />
súčasťou ladeného obvodu vo vstupe zosilňovača. Výsledná ladiaca kapacita<br />
je daná sériovým zapojením kondenzátorov C 1 , C 2 , C 3 . Kapacita<br />
kondenzátorov C 1 , C 2 je rádovo tisíckrát väčšia než C 3 . Tým sa zmeny<br />
medzielektródových kapacít na výslednú ladiacu kapacitu nebudú prakticky<br />
uplatňovať a stabilita tohoto oscilátora dosahuje hodnoty 10 5 , zatiaľ čo<br />
stabilita predchádzajúcich zapojení LC oscilátorov je 10 3 . Jeho preladitelnosť<br />
je malá, iba v pomere frekvencií 1:1,2 a preto sa dá použiť iba vo vysielačoch,<br />
ktoré sa prelaďujú v úzkom frekvenčnom pásme.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 32 -<br />
Obrázok 3.6: Clappov oscilátor<br />
b) oscilátory riadené piezoelektrickým rezonančným prvkom, tzv. kryštálovým<br />
výbrusom (kryštálom). Kryštálový výbrus (obrázok 3.7) má funkciu<br />
riadiaceho prvku, určujúceho frekvenciu kmitov oscilátora. Výbrus je<br />
mechanická sústava so svojou mechanickou rezonančnou frekvenciou. Prevod<br />
mechanických kmitov na elektrické umožňuje piezoelektrický jav. Z kryštálu<br />
sa režú tenké platničky, ktoré sa vybrúsia na potrebné rozmery. Od spôsobu<br />
a smeru rezu závisia elektrické a mechanické vlastnosti kryštálu. Označujú sa<br />
dvojpísmovým kódom, napr. AT, BT, MT atď. Na ich bočné steny sa naparia<br />
kontaktové plôšky zo striebra (niekedy aj zlata), ktorými sa prichytávajú do<br />
držiakov. Takto vyhotovený kryštálový rezonátor sa umiestňuje do skleneného<br />
alebo kovového puzdra, v ktorom je vákuum. Tieto oscilátory majú<br />
vynikajúcu frekvenčnú stabilitu vytváraných kmitov a to 10 -6 až 10 -8 .<br />
Používajú sa preto tam, kde sú prísne požiadavky na stabilitu <strong>frekvencie</strong><br />
kmitov, napr. vo frekvenčných normáloch. Oscilátory riadené kryštálom je<br />
možné prelaďovať len v úzkom rozsahu frekvencií (niekoľko sto Hz až<br />
niekoľko jednotiek kHz).
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 33 -<br />
Obrázok 3.7: Kryštálový výbrus<br />
c) oscilátory s elektromechanickým rezonančným prvkom (rezonátory<br />
magnetostrikčné, prstencové, ladičkové a pod.). Podobne ako oscilátory riadené<br />
kryštálovým výbrusom aj tieto oscilátory sa vyznačujú za optimálnych<br />
podmienok dobrou frekvenčnou stabilitou vytváraných kmitov a to 10 -5 až 10 -6 .<br />
Mechanické chvenie rezonančného prvku spôsobené vonkajšími vplyvmi však<br />
zhoršuje frekvenčnú, ale aj amplitúdovú stabilitu výstupného signálu. Tento jav<br />
sa nazýva mikrofoničnosť obvodu. Na rozdiel od kryštálového výbrusu sú<br />
elektromechanické rezonančné prvky rozmernejšie a potrebujú viacej<br />
doplňujúcich elektronických obvodov. Preto sa už v súčasnosti skoro<br />
nepoužívajú.<br />
d) oscilátory s rezonančným vedením, v ktorých rezonančný obvod tvorí úsek<br />
súosého alebo súmerného vedenia dĺžky λ/4 alebo λ/2, ktorý sa vyznačuje<br />
vysokým činiteľom kvality Q. Preto tieto oscilátory majú za optimálnych
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 34 -<br />
podmienok dobrú frekvenčnú stabilitu, asi 10 -6 až 10 -7 . Podobne ako<br />
elektromechanické rezonančné prvky sú citlivé na mechanické vplyvy.<br />
Oscilátory s rezonančným vedením je však možné prelaďovať v rozsahu<br />
niekoľko jednotiek až desiatok kHz.<br />
e) oscilátory RC, v ktorých je v obvode spätnej väzby zapojený frekvenčne<br />
selektívny obvod RC ( T–článok, Wienov článok a pod.) Tieto oscilátory sú<br />
vhodné len pre oblasť nízkych frekvencií. Stabilita vytváraných kmitov je<br />
rôzna, záleží od použitého RC článku a je maximálne 10 -4 . Oproti doposiaľ<br />
spomínaným oscilátorom majú výhodu v tom, že sú preladiteľné vo veľkom<br />
rozsahu, cez niekoľko dekád, bez výraznejšej zmeny svojich vlastností.<br />
Používajú sa hlavne v tónových oscilátoroch určených pre meracie účely.<br />
3.2.4 Delenie podľa spôsobu pripojenia aktívneho obvodu k obvodu<br />
určujúcemu frekvenciu<br />
a) dvojpólové oscilátory. Tieto oscilátory využívajú vhodnú VA – charakteristiku<br />
niektorých polovodičových prvkov ako napr. tunelovej diódy (charakteristika typu<br />
“N”), obrázok 3.8 a), viacvrstvovej alebo lavínovej diódy (charakteristika typu<br />
“S”), obrázok 3.8 b). U týchto prvkov majú ich VA – charakteristiky oblasť tzv.<br />
záporného dynamického odporu, teda podiel zmeny napätia ku zodpovedajúcej<br />
zmene prúdu du/di dáva zápornú hodnotu. V týchto oscilátoroch ide o spojenie<br />
aktívneho prvku s obvodom určujúcim frekvenciu kmitov, najčastejšie<br />
s rezonančným obvodom. V súčasnosti sa tieto oscilátory používajú už len<br />
zriedka.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 35 -<br />
Obrázok 3.8: VA – charakteristiky polovodičových prvkov<br />
b) štvorpólové oscilátory (spätnoväzobné). Sú zložené vždy z dvoch základných<br />
častí, a to z bloku spätnej väzby, ktorý určuje frekvenciu vytváraných kmitov<br />
(časť pasívna, označovaná ß) a z bloku zosilňovača, ktorý nahrádza straty energie<br />
v pasívnej časti (časť aktívna, označovaná A), obrázok 3.9.<br />
Tento typ oscilátorov sa v súčasnosti používa tak pre harmonické oscilátory ako aj<br />
pre generátory tvarových signálov. Tieto oscilátory sú dnes najpoužívanejšie.<br />
Obrázok 3.9: Bloková schéma spätnoväzobného oscilátora<br />
3.2.5 Delenie podľa účelu a použitia<br />
a) oscilátory pre frekvenčné normály, t.j. zdroje kmitov s vysokou stálosťou<br />
<strong>frekvencie</strong> a to od 10 -7 až po 10 -9 . Najčastejšie sú riešené ako oscilátory riadené<br />
kryštálovým výbrusom.<br />
b) nf oscilátory pre meracie účely. Vyžaduje sa od nich stálosť nastavenej amplitúdy<br />
a malý obsah vyšších harmonických kmitočtov, skreslenie pod 1 %.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 36 -<br />
c) vf oscilátory pre meracie účely. Vyžaduje sa od nich stálosť nastavenej amplitúdy,<br />
malý obsah vyšších harmonických kmitočtov a možnosť amplitúdovej alebo<br />
frekvenčnej modulácie.<br />
d) oscilátory výkonové, pre účely vysokofrekvenčného ohrevu indukčného alebo<br />
dielektrického, napr. pre mikrovlné rúry a pod.<br />
e) oscilátory pre zmiešavače, ktoré musia byť preladiteľné v širokom rozsahu<br />
frekvencií so stabilnou amplitúdou.<br />
f) oscilátory pre budiče vysielačov, s vysokou stabilitou <strong>frekvencie</strong> 10 -5 až 10 -7 .
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 37 -<br />
4. Návrh násobiča <strong>frekvencie</strong><br />
4.1 Použité prostriedky pre návrh násobiča <strong>frekvencie</strong><br />
Násobič bol navrhnutý pomocou simulačného programu PSpice verzia 8 od spoločnosti<br />
Microsim. Program umožňuje výpočet a optimalizáciu jednotlivých obvodových prvkov.<br />
Poskytuje tiež základné analýzy, ktorými sú časová analýza, frekvenčná striedavá<br />
analýza, jednosmerná analýza, Fourierová analýza. Plošný spoj násobiča bol vytvorený zo<br />
schémy zapojenia pomocou programu Eagle Layout Editor 4.13. Tento program<br />
umožňuje pohľad na rozmiestnenie súčiastok používaných v schéme zapojenia a tiež<br />
pohľad na vrchnú a spodnú stranu vytvoreného vodivého obrazca.<br />
Podklady pre vyhotovenie krabičky násobiča vo forme výrobného výkresu boli navrhnuté<br />
v programe Solid works.<br />
K realizácii násobiča <strong>frekvencie</strong> je použitý bipolárny NPN tranzistor od<br />
spoločnosti Philips 2N3904 (viď príloha 1, str. 1 a 2). Jedná sa o NPN spínací tranzistor s<br />
vysokou účinnosťou v plastovom púzdre.<br />
4.2 Popis obvodu násobiča <strong>frekvencie</strong><br />
Zapojenie celého obvodu je na obrázku 4.1. Tranzistor T 1 pracuje ako násobič v triede C,<br />
podľa čoho je aj nastavený pracovný bod pomocou odporového deliča R 1 a R 2 . Tranzistor<br />
T 1 je zaťažený paralelným rezonančným obvodom tvoreným cievkou L 1 a kondenzátorom<br />
C 1 naladeným na 60 MHz. Cievka L 1 je navinutá na jadre, ktoré umožňuje jej ladenie<br />
a nastavenie požadovanej <strong>frekvencie</strong> 60 MHz. Budiaca frekvencia sa vytvára kryštálom<br />
naladeným na 12 MHz, ktorý je zapojený ako v obvode najpoužívanejšieho generátora<br />
s paralelným rezonančným obvodom v kolektore tranzistora T 1 . Kryštál oscilátora je na<br />
bázu tranzistora T 1 pripojený oddeľovacím kondenzátorom C 10 . Kondenzátor C 2 je<br />
blokovací. Kondenzátor C 5 je väzobný. Tranzistor T 2 tvorí zapojenie so spoločným<br />
kolektorom a vyznačuje sa predovšetkým veľmi veľkým vstupným odporom. Toto<br />
zapojenie sa nazýva emitorový sledovač alebo tiež impedančný transformátor.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 38 -<br />
Kondenzátor C 7 je blokovací kondenzátor. Cievka L 2 vytvára induktívnu záťaž<br />
emitorového sledovača. Rezistory R 5 a R 6 slúžia na nastavenie jednosmerného<br />
pracovného bodu tranzistora T 2 . Kondenzátor C 8 je väzobný. R 7 je zaťažovací rezistor. C 9<br />
je filtračný kondenzátor jednosmerného napájacieho zdroja 12 V. Jednosmerné napájacie<br />
napätie 12 V je stabilizované pomocou stabilizátora napätia ST 1 na 9 V. Kondenzátory<br />
C 3 , C 4 a C 6 filtrujú striedavú zložku signálu na výstupe jednosmerného stabilizátora<br />
napätia. Kondenzátor C 3 je filtračný kondenzátor pre nízkofrekvenčnú zložku<br />
a kondenzátory C 4 a C 6 pre vysokofrekvenčnú zložku. Kondenzátor C 11 vytvára spätnú<br />
väzbu zavedenú na kryštál.<br />
Obrázok 4.1: Schéma zapojenia násobiča <strong>frekvencie</strong>
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 39 -<br />
4.3 Popis návrhu pomocou simulácie<br />
Pri analýze obvodu počítačom bolo nutné najprv vytvoriť súbor, ktorý je vstupom pre<br />
počítačový program určený na simuláciu elektronických obvodov. Vo vstupnom súbore<br />
sú špecifikované jednotlivé prvky analyzovaného obvodu a príkazy, ktoré majú byť<br />
počítačom vykonané. Vstupný súbor bol vytvorený v schematickom editore.<br />
Pri analýze obvodu násobiča <strong>frekvencie</strong> bolo nutné korektne nakresliť schému celého<br />
obvodu. Vzhľadom na to, že pri tvorbe bol použitý grafický editor, ktorý generuje<br />
vstupný súbor bol tento postup zjednodušený oproti použitiu textového editoru. Pre<br />
jednotlivé obvodové prvky bolo treba správne určiť ich modely.<br />
Schéma obvodu bola vytorená v programe Microsim-Schematics a výsledky spracované<br />
pomocou programu Microsim-Probe.<br />
4.4 Grafické výsledky zo simulácie<br />
Na grafe 4.1 je možné vidieť časový priebeh vstupného 12 MHz signálu označeného ako<br />
Vstup a priebeh výstupného 60 MHz signálu násobiča <strong>frekvencie</strong> označeného ako<br />
Vystup.<br />
Graf 4.1: Časový priebeh vstupného a výstupného signálu
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 40 -<br />
Graf 4.2: Frekvenčné spektrum výstupného signálu<br />
Na grafe 4:2 je znázornené frekvenčné spektrum výstupného signálu. Možno pozorovať<br />
jednotlivé harmonické zložky signálu, pričom hodnota 5. harmonickej zložky dosahuje<br />
najvyššiu hodnotu.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 41 -<br />
5. Konštrukcia násobiča <strong>frekvencie</strong><br />
Celá konštrukcia násobiča <strong>frekvencie</strong> sa skladá z návrhu plošného spoja, jeho realizácie a<br />
z návrhu tieniacej krabičky, do ktorej má byť plošný spoj umiestnený. Násobič <strong>frekvencie</strong><br />
sa skladá z jednej časti a jedného obojstranného plošného spoja. Materiál je cuprextit,<br />
ktorého výška je h = 1,5 mm. Návrh plošného spoja je vytvorený pomocou programu<br />
Eagle Layout Editor 4.13. Plošný spoj je zhotovený fotocestou.<br />
5.1 Technológia výroby plošného spoja násobiča<br />
Program Eagle Layout Editor 4.13 umožňuje pohľad na rozmiestnenie súčiastok<br />
používaných v schéme zapojenia. Pre aktívne a pasívne súčiastky (rezistor, kondenzátor,<br />
cievka a tranzistor) je nutné vytvoriť návrh púzdra, vývodov a referenčných rovín<br />
určujúcích pripojenie súčiastky do schémy a plošného spoja. V režime pohľadu na<br />
rozmiestnenie je možné robiť zmeny a úpravy polôh vedení a ďalších obvodov. Pre<br />
výrobu je nutné, aby boli označené rohy plošného spoja orezovými krížikmi, ktorého<br />
rozmery zodpovedajú výslednej veľkosti dosky s obvodom. V miestach priechodok, kde<br />
se bude vŕtať, sa vytvorí kruh bez medi o priemere asi 0,2 mm, kam bude umiestnený<br />
vrták.<br />
Výsledná úprava plošného spoja sa exportuje do samostatného súboru. V programe<br />
EAGLE je výstup riešený špeciálnym programom CAM Processorom, ktorý umožňuje<br />
tlačenie schémy zapojenia, jednotlivých vrstiev dosky spojov (TOP, BOTTOM,<br />
rozloženie súčiastok) a pod.<br />
K výrobe dostičky s obvodmi je použitá leptacia technológia, medzi ktorej výhody patrí<br />
jednoduchosť, lacné technologické vybavenie a medzi nevýhody obmedzená presnosť<br />
niekoľko stotín milimetrov a riziko podleptávania okrajov vodivých motívov. Plošný spoj<br />
obojstranne pokovovaný meďou je nutné vyčistiť tak, aby na ňom neboli nečistoty a<br />
mastnoty. Následne je jedna strana nastriekaná fotorezistom pozitívneho typu (POZITIV).<br />
Fotorezist se nechá v temnom priestore vytvrdiť po dobu 20 hodín v izbovej teplote alebo<br />
niekoľko desiatok minút pri zvýšenej teplote okolo 70 °C. Po vytvrdení je k plošnému
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 42 -<br />
spoju pripevnená maska (vytlačenou stranou smerom k plošnému spoju), napríklad<br />
použitím priesvitnej lepiacej pásky. Sú možné dva prípady:<br />
- dostička je už orezaná na konečný rozmer, potom je kladená opatrnosť na správne<br />
umiestnenie masky<br />
- maska je umiestnená na doštičku väčších rozmerov, ktorá bude orezaná po<br />
vyleptaní. Plošný spoj s maskou se nechá po dobu asi troch až štyroch minút<br />
osvetľovať ultrafialovou lampou.<br />
Ďalším krokom je vyvolanie fotorezistu v 7 % roztoku NaOH. Po niekoľkých minútach<br />
sa v roztoku rozpustí exponovaná oblasť fotorezistu. Pod mikroskopom sa plošný spoj<br />
skontroluje a prípadné chyby, miesta s tenkým fotorezistom sa opravia korekčnou<br />
(liehovou) fixkou, prípadne leptuvzdorným lakom naneseným trubičkovým perom. To<br />
isté sa spraví aj s druhou stranou plošného spoja.<br />
Plošný spoj sa potom vloží do roztoku chloridu železitého, kde je niekoľko desiatok<br />
minút leptaný. Výhodou pritom je, ak je roztok ohriaty a cirkuluje, leptanie je rýchlejšie.<br />
Po vyleptaní stačí plošný spoj umyť pod tečúcou vodou. Fotorezist, ktorý je na plošnom<br />
spoji, je možné zmyť pomocou acetónu. Je však lepšie ho ponechať, lebo tvorí dočasnú<br />
ochranu pred oxidáciou medi.<br />
Nasleduje vytvorenie dier pre umiestnenie jednotlivých súčiastok. Pomocou vŕtačky boli<br />
vyvŕtané diery pre súčiastky vrtákmi o priemere 0,8 mm a 1,0 mm a pre prichytenie<br />
dostičky ku krabičke boli vyvŕtané otvory o priemere 2 mm.<br />
Ostáva osadenie motívu diskrétnymi súčiastkami a izolovanými vodičmi pre napájanie.<br />
Najprv sa začína s pasívnymi súčiastkami, ktoré sú relatívne odolné proti prehriatiu a<br />
statickým výbojom. Miesto, kam sa súčiastka bude pájkovať, je možno pocínovať tenkou<br />
vrstvou. Súčiastka sa umiestni na svoje miesto, vycentruje a pridrží. Hrana súčiastky sa<br />
posype práškovou kolofóniou a malým množstvom cínu sa priletuje. Prebytočnú<br />
kolofóniu je možné ľahko odstrániť vatou namočenou v acetóne.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 43 -<br />
5.2 Tieniaca krabička<br />
Doska plošného spoja násobiča <strong>frekvencie</strong> je osadená do tieniacej krabičky vyrobenej<br />
z kuprextitových častí. Jednotlivé kuprextitové časti sú zapájkované pomocou cínu.<br />
V spodnej časti krabičky sú pripájkované skrutky, ktoré slúžia na prichytenie dosky<br />
plošného spoja. Na krabičku bude pripevneý konektor typu BNC. Vo vrchnej časti<br />
krabičky sú vyvŕtané otvory o priemere 3 mm umožňujúce jemné doladenie násobiča<br />
<strong>frekvencie</strong>. Rozmery a rozmiestnenie jednotlivých otvorov sú uvedené vo výrobnom<br />
výkrese krabičky v prílohe 6.<br />
5.3 Meranie násobiča <strong>frekvencie</strong><br />
5.3.1 Použité meracie prístroje:<br />
ČF<br />
DO<br />
NZ<br />
M<br />
NF<br />
-čítač <strong>frekvencie</strong> – Metex MGX 9810A<br />
-digitálny pamäťový osciloskop – Agilent technologies D303202A<br />
-regulovateľný napájací zdroj - Statron<br />
-multimeter – Hayoue M8906<br />
-násobič <strong>frekvencie</strong><br />
5.3.2 Meranie priebehu výstupného signálu a emitorového napätia<br />
Pre meranie priebehu výstupného signálu násobiča <strong>frekvencie</strong> sa pripojí výstup násobiča<br />
na digitálny pamäťový osciloskop pomocou kábla, ktorý je zakončený BNC konektorom.<br />
Druhý kanál digitálneho osciloskopu sa pripojí pomocou meracej sondy na emitor<br />
tranzistora T 1 . Takéto zapojenie umožňuje na osciloskope súčastne sledovať priebeh<br />
výstupného signálu násobiča spolu s emitorovým napätím. Násobič je pritom napájaný<br />
pomocou regulovateľného napájacieho zdroja jednosmerným napätím 12 V. Multimeter,<br />
pomocou ktorého sa meria bázové napätie, sa pripojí na bázu tranzistora T 1 . Schéma<br />
merania je na obrázku 5.1.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 44 -<br />
Obrázok 5.1: Schéma merania násobiča <strong>frekvencie</strong><br />
Kvôli meraniu sa v obvode násobiča <strong>frekvencie</strong> zapojeného podľa schémy zapojenia<br />
obrázok 4.1 nahradí rezistor R 2 odporovým trimrom, ktorým možno nastavovať pracovný<br />
bod tranzistora T 1 . Pri meraní sa postupne zväčšovala hodnota odporu na odporovom<br />
trimri a tým sa zväčšovalo napätie U BE a zároveň viac otváral tranzistor T 1 . Napätie U B<br />
na báze tranzistora T 1 rástlo v závislosti od rastu hodnoty odporu odporového trimra.<br />
Tým, že sa menilo napätie U B , menil sa aj pracovný bod a uhol otvorenia tranzistora T 1 .<br />
V grafoch 5.1 až 5.4 je možné vidieť jednotlivé priebehy napätia na emitore tranzistora<br />
T 1 a priebehy výstupného signálu násobiča pri postupnom raste hodnoty odporu<br />
odporového trimra.<br />
Graf 5.1: 1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. priebeh napätia na emitore<br />
tranzistora T 1
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 45 -<br />
Graf 5.2: 1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. priebeh napätia na emitore<br />
tranzistora T 1 pri napätí U B =0,812V<br />
Graf 5.3: 1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. priebeh napätia na emitore<br />
tranzistora T 1 pri napätí U B =0,952V
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 46 -<br />
Graf 5.4: 1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. priebeh napätia na emitore<br />
tranzistora T 1 pri napätí U B =1,4V<br />
Graf 5.5: 1. priebeh výstupného signálu násobiča pri napätí U B =0,812V
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 47 -<br />
Graf 5.6: 1. priebeh výstupného signálu násobiča pri napätí U B =0,88V<br />
Graf 5.7: 1. priebeh výstupného signálu násobiča pri napätí U B =1,02V
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 48 -<br />
Graf 5.8: 1. priebeh výstupného signálu násobiča pri napätí U B =1,13V<br />
Graf 5.9: 1. priebeh výstupného signálu násobiča pri napätí U B =1,3V<br />
V grafoch 5.5 až 5.9 je možné vidieť jednotlivé priebehy výstupného signálu násobiča pri<br />
postupnom zväčšovaní hodnoty odporu odporového trimra. Možno tiež vidieť postupné<br />
otváranie tranzistoru T 1 až po jeho prebudenie.<br />
Z merania vychádza optimálna hodnota bázového napätia U B =1,13V, kedy je amplitúda<br />
výstupného signálu najväčšia.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 49 -<br />
5.3.3 Meranie výstupného spektra násobiča<br />
Pre meranie výstupného spektra násobiča <strong>frekvencie</strong> sa pripojí digitálny pamäťový<br />
osciloskop na výstup násobiča pomocou kábla, ktorý je zakončený BNC konektorom. Na<br />
obrázku 5.2 je schéma merania spektra násobiča.<br />
Obrázok 5.2: Schéma merania spektra násobiča <strong>frekvencie</strong><br />
Graf 5.10: 1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. výstupné spektrum pri U B =1,13V<br />
Graf 5.11: 1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. výstupné spektrum pri U B =1,02V
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 50 -<br />
Graf 5.12: 1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. výstupné spektrum pri U B =0,88V<br />
Graf 5.13: 1. priebeh výstupného signálu násobiča, 2. výstupné spektrum pri U B =0,812V<br />
Z merania vidieť spektrum výstupného signálu násobiča pri rôznych hodnotách bázového<br />
napätia, ktoré sa menilo v závislosti od hodnoty odporu odporového trimra. Možno<br />
pozorovať jednotlivé harmonické zložky signálu, pričom 5. harmonická zložka je<br />
najvýraznejšia pri nastavení bázového napätia na hodnotu 1,13 V (Graf 5.10).
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 51 -<br />
5.3.4 Meranie výstupnej <strong>frekvencie</strong> násobiča<br />
Pre meranie výstupnej <strong>frekvencie</strong> násobiča sa pripojí digitálny pamäťový osciloskop na<br />
výstup násobiča pomocou kábla, ktorý je zakončený BNC konektorom. Násobič je pritom<br />
napájaný jednosmerným napätím 12 V z regulovateľného napájacieho zdroja. Na<br />
obrázku 5.3 je schéma merania výstupnej <strong>frekvencie</strong> násobiča.<br />
Obrázok 5.3: Schéma merania výstupnej <strong>frekvencie</strong> násobiča<br />
Nameraná výstupná frekvencia násobiča <strong>frekvencie</strong> bola 60,00031 MHz.<br />
5.3.5 Meranie časovej stálosti <strong>frekvencie</strong><br />
Pre meranie časovej stálosti <strong>frekvencie</strong> sa pripojí čítač <strong>frekvencie</strong> na výstup násobiča<br />
pomocou kábla, ktorý je zakončený BNC konektorom, pričom je násobič napájaný<br />
jednosmerným napätím 12 V z regulovateľného napájacieho zdroja. Na obrázku 5.4 je<br />
schéma merania časovej stálosti <strong>frekvencie</strong> násobiča.<br />
Obrázok 5.4: Schéma merania časovej stálosti <strong>frekvencie</strong> násobiča
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 52 -<br />
Tabuľka 5.1: Namerané hodnoty časovej stálosti <strong>frekvencie</strong> násobiča<br />
Graf 5.14: Priebeh závislosti výstupnej <strong>frekvencie</strong> od času<br />
Meranie časovej stálosti <strong>frekvencie</strong> násobiča sa uskutočňovalo počas doby merania 180<br />
minút s presnosťou výstupnej <strong>frekvencie</strong> na tri desatinné miesta. Pri meraní sa sledovala<br />
výstupná frekvencia násobiča. Z nameraných hodnôt vidno že počas doby merania sa<br />
výstupná frekvencia nemenila, z čoho možno konštantovať dobrú frekvenčnú stabilitu<br />
násobiča <strong>frekvencie</strong>.V grafe 5.14 je možné vidieť závislosť výstupnej <strong>frekvencie</strong> násobiča<br />
od času.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 53 -<br />
6. Záver<br />
Cieľom diplomovej práce bolo navrhnúť a prakticky zrealizovať rezonančný násobič<br />
<strong>frekvencie</strong> zo základnej harmonickej 12 MHz, s celočíselným násobkom 5, ktorého<br />
požadované výstupné parametre boli výstupná frekvencia f = 60 MHz a požadované<br />
výstupné napätie U > 300 mV.<br />
Násobič <strong>frekvencie</strong> bol navrhnutý pomocou simulačného programu PSpice verzia 8 od<br />
spoločnosti Microsim, ktorý umožňoval výpočet, optimalizáciu jednotlivých obvodových<br />
prvkov a vytvorenie základných analýz.<br />
Pri konštrukcii násobiča <strong>frekvencie</strong> bol ako prvý navrhnutý plošný spoj pomoc programu<br />
Eagle Layout Editor 4.13, ktorý bol následne zhotovený pomocou fotocesty a umiestnený<br />
do tieniacej krabičky.<br />
Zrealizovaný násobič <strong>frekvencie</strong> sa zhoduje s návrhom v programe Pspice, z čoho<br />
vyplýva, že boli použité správne modely jednotlivých obvodových prvkov.<br />
Z merania priebehu výstupného signálu vychádza optimálna hodnota bázového napätia<br />
U B = 1,13 V, kedy je amplitúda výstupného signálu najväčšia. Nameraná hodnota<br />
výstupnej <strong>frekvencie</strong> bola f = 60,00031 MHz a nameraná hodnota výstupného napätia<br />
bola U = 540 mV, pričom požadované výstupné napätie bolo U > 300 mV. Z merania<br />
časovej stálosti <strong>frekvencie</strong> násobiča vyplýva, že násobič má dobrú frekvenčnú stabilitu<br />
v závislosti od času, kedže sa jeho výstupná frekvencia počas merania nemenila.<br />
Zásluhou tejto diplomovej práce som sa zoznámil s postupmi pri návrhu a realizácii<br />
násobičov <strong>frekvencie</strong> a ich meraní.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 54 -<br />
Zoznam použitej literatúry<br />
[1] HOTTMAR, V.: Analógové obvodové systémy.Vybrané kapitoly. Žilinská<br />
<strong>univerzita</strong> v Žiline: EDIS, 2004 ISBN 80-8070-245-4<br />
[2] HOTTMAR, V.: Analógové obvodové systémy I. Prednášky. Žilinská <strong>univerzita</strong> v<br />
Žiline: EDIS, 2005 ISBN 80-8070-449-X<br />
[3] HOTTMAR, V.: Analógové obvodové systémy II.Prednášky a príklady. Žilinská<br />
<strong>univerzita</strong> v Žiline: EDIS, 2006 ISBN 80-8070-611-5<br />
[4] ARENDÁŠ, M., RUČKA, M.: Zaujímavé elektronické konštrukcie. Bratislava:<br />
Alfa, 1987<br />
[5] LÁNÍČEK, R.: Elektronika, obvody-součastky-děje. Praha: BEN-technická<br />
literatura, 1998 ISBN 80-86056-25-2<br />
[6] HOLKA, J., BOTLÍK, J., NOBILIS, J.: Rádioelektronická zařízení I. Praha:<br />
SNTL, 1990 ISBN 80-03-00216-8<br />
[7] SEIFART, M.: Polovodičové prvky a obvody na spracovanie spojitých signálov.<br />
Bratislava: Alfa, 1987<br />
[8] BLAGOVEŠČENSKIJ, M., UTKIN, G. a kol.: Rádioelektronické vysielacie<br />
zariadenia. Bratislava: Alfa, 1982 ISBN 80-05-00130-4<br />
[9] VACHALA, V., KŘIŠŤAN, L.: Oscilátory a generátory. Praha: SNTL, 1974<br />
[10] Internetová stránka: http://www.alzat.szm.sk/<br />
[11] Internetová stránka: http://www.f5ad.free.fr/<br />
[12] Internetová stránka: http://www.cq.sk/<br />
[13] Internetová stránka: http://www.dnp.fmph.uniba.sk/<br />
[14] Internetová stránka: http://www.volny.cz/amaproexpro/tp2/<br />
[15] Internetová stránka: http://www.paja-trb.unas.cz/<br />
[16] Internetová stránka: http://www.elcad.cz/<br />
[17] Internetová stránka: http://www.jirky.webz.cz/<br />
[18] Internetová stránka: http://www.electronics-manufacturers.com/<br />
[19] Internetová stránka: http://www.proficad.cz/<br />
[20] Internetová stránka: http://www.rfintc.com/<br />
[21] Internetová stránka: http://www.national.com/<br />
[22] Internetová stránka: http://www.elektronika.yweb.sk/<br />
[23] Internetová stránka: http://www.onsemi.com/
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 55 -<br />
Čestné vyhlásenie<br />
Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným<br />
vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Vladimíra Hottmara, PhD. a používal som<br />
len literatúru uvedenú v práci.<br />
Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.<br />
V Žiline dňa ...............................<br />
..................................<br />
podpis
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 56 -<br />
Poďakovanie<br />
Touto cestou sa chcem poďakovať vedúcemu diplomovej práce doc. Ing. Vladimírovi<br />
Hottmarovi, PhD. a všetkým ostatným za poskytnuté materiály, cenné rady, odborné<br />
vedenie a cenné pripomienky pri vypracovaní mojej diplomovej práce.
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 57 -<br />
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />
Elektrotechnická fakulta<br />
Katedra telekomunikací a multimédií<br />
Násobič <strong>frekvencie</strong><br />
Prílohová časť<br />
2008
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 58 -<br />
Zoznam príloh<br />
Príloha 1: KATALÓGOVÉ LISTY TRANZISTORA 2N3904<br />
Príloha 2: KATALÓGOVÉ LISTY TRANZISTORA BF245B<br />
Príloha 3: KATALÓGOVÉ LISTY STABILIZÁTORA L78L09<br />
Príloha 4: ZOZNAM SÚČIASTOK<br />
Príloha 5: PLOŠNÝ SPOJ<br />
Príloha 6: VÝROBNÝ VÝKRES TIENIACEJ KRABIČKY<br />
Príloha 7: FOTOGRAFIA NÁSOBIČA FREKVENCIE
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 59 -<br />
Príloha 1: KATALÓGOVÉ LISTY TRANZISTORA 2N3904
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 60 -
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 61 -<br />
Príloha 2: KATALÓGOVÉ LISTY TRANZISTORA BF245B
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 62 -
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 63 -<br />
Príloha 3: KATALÓGOVÉ LISTY STABILIZÁTORA L78L09
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 64 -<br />
Príloha 4: ZOZNAM SÚČIASTOK<br />
Kondenzátory:<br />
C 1 , 2 15 pF<br />
C 3 1µF<br />
C 4 1nF<br />
C 5 8,2pF<br />
C 6 , 7 , 9 10nF<br />
C 8 100pF<br />
C 10 4,7pF<br />
33pF<br />
C 11<br />
Cievky:<br />
L 1<br />
L 2<br />
8 závitov, drôt ø 0,5 mm CuL, jadro N01, kostrička ø 5 mm<br />
20 závitov, drôt ø 0,2 mm CuL, toroidné jadro N01 ø 6 mm<br />
Krištály:<br />
X 1<br />
12 MHz<br />
Rezistory:<br />
R 1<br />
R 2<br />
R 3<br />
R 4<br />
R 5<br />
R 6<br />
R 7<br />
22kΩ<br />
6,8kΩ<br />
330Ω<br />
82kΩ<br />
100Ω<br />
120Ω<br />
50Ω<br />
Konektory:<br />
OUT<br />
BNC panelový<br />
Tranzistory:<br />
T 1<br />
T 2<br />
2N3904 NPN<br />
BF245B JFET<br />
Stabilitátory:<br />
ST 1<br />
L78L09
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 65 -<br />
Príloha 5: PLOŠNÝ SPOJ<br />
(TOP 1:1)<br />
(BOTTOM 1:1)<br />
(ROZMIESTNENIE SÚČIASTOK)
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 66 -<br />
Príloha 6: VÝROBNÝ VÝKRES TIENIACEJ KRABIČKY
Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline - 67 -<br />
Príloha 7: FOTOGRAFIA NÁSOBIČA FREKVENCIE