VCO - Website by Prof. Clovis Antonio Petry

INSTITUTO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Departamento de Engenharia Elétrica
Centro Tecnológico
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
RELATÓRIO EXPERIÊNCIA 3
OSCILADOR CONTROLADO POR TENSÃO - VCO
Responsável pelos ensaios:
Anderson Alves (INEP/EEL – UFSC)
Claudenei Simão (INEP/EEL – UFSC)
Clóvis Antônio Petry (INEP/EEL – UFSC)
Professores Participantes:
Prof. Arnaldo José Perin (INEP/EEL – UFSC)
Abril/2000
Caixa Postal 5119, CEP: 88.040-970 - Florianópolis - SC
Tel. : (048) 331.9204 - Fax: (048) 234.5422 – Internet: www.inep.ufsc.br
2
ÍNDICE
1- Objetivo _____________________________________________________________________ 3
2- Introdução ___________________________________________________________________ 3
3- Circuito _____________________________________________________________________ 3
4- Princípio de Funcionamento ____________________________________________________ 4
6- Diagrama em Blocos___________________________________________________________ 4
7- Função de Transferência _______________________________________________________ 4
8- Equipamentos Utilizados: _______________________________________________________ 5
9- Lista de Componentes Utilizados: ________________________________________________ 5
10- Resultados __________________________________________________________________ 6
10.1 – Comparação entre Resultado Teórico e Prático ______________________________________ 6
10.2 – Formas de Ondas nas saídas dos estágios que compoem o VCO ________________________ 8
10.3 – Formas de Ondas na saída do VCO mostrando a não linearidade do sistema para Vcont
maior que 10VDC ___________________________________________________________________ 10
11- Conclusão _________________________________________________________________ 12
12- Bibliografia ________________________________________________________________ 13
3
1- OBJETIVO
O objetivo deste trabalho é a montagem e verificação do funcionamento do oscilador
controlado por tensão (VCO). Observando a linearidade da freqüência do sinal de saída (fout) com a
tensão de entrada (Vcont).
2- INTRODUÇÃO
Os osciladores controlados por tensão, são circuitos utilizados como geradores de
freqüência em inversores. Estes circuitos tem a vantagem de ter uma relação linear entre tensão de
controle (Vcont) e freqüência de saída (fout). Esta característica facilita o uso deste circuito para
conversão tensão freqüência em controle de circuitos usados em eletrônica de potência.
Neste trabalho apresentar-se-á os resultados teórico e prático da análise de um circuito
VCO discreto.
3- CIRCUITO
47
Vout
Figura 1 – Circuito VCO.
4
4- PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
O circuito oscilador controlado por tensão é formado por um amplificador de ganho 1 que
promove um sinal quadrado em sua saída a partir do sinal de entrada constante (Vcont) e de um
circuito de controle formado por um interruptor (JFET). O sinal de saída do amplificador de ganho
1 é aplicado a entrada de um circuito integrador, de forma a se obter na saída deste um sinal em
rampa (onda triângular). O sinal de saída do integrador é aplicado a um comparador com histerese
fornecendo o sinal de saída Vout que é limitado pela tensão dos diodos zener dispostos na saída da
estrutura. O circuito VCO analisado é um circuito discreto que utiliza amplificadores operacionais
para montagem dos blocos citados. O diagrama em blocos é visto na Fig. 2.
6- DIAGRAMA EM BLOCOS
Figura 2 – Diagrama em Blocos do Circuito VCO.
7- FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA
A função de tranferência deste circuito é dada pela seguinte equação:
f OUT 
R8  Vcont
4  R5  R7  C  Vout
onde:

VCONT  Tensão de controle de entrada

Vout  Tensão de saída limitada pelos diodos zener

fout  freqüência de saída
Vout = VDZ+VD ; VDZ  tensão no diodo zener e VD  tensão direta no diodo zener
VD arbitrado = 0,7V
Substituindo os valores dos componentes usados na equação da freqüência de saída tem-se:
f ou  97,5633  Vcont
5
8- EQUIPAMENTOS UTILIZADOS:

Osciloscópio – TEKTRONIX TDS520B (500 MHz);

Fonte CC simétrica +/- 18V – 1A;

Proto Board.
9- LISTA DE COMPONENTES UTILIZADOS:
Tabela 1-Lista de Componentes

Descrição
Referencia
Quantidade
Resistor 120k - 5% -1/8W
R1
1
Resistor 100k - 5% -1/8W
R2, R8
2
Resistor 15k - 5% -1/8W
R3, R4
2
Resistor 20k - 5% -1/8W
R5, R6
2
Resistor 47k - 5% -1/8W
R7
1
Resistor 33k - 5% -1/8W
R9
1
Resistor 220 - 5% -1/8W
R10
1
Capacitor Poliester Metalizado 47nF
C
1
Diodo de Sinal 1n4148
D
1
Diodo Zener 5,1V – ½ W
DZ1 , DZ2
2
Amplificador Operacional LF351
U1, U2, U3
3
Transistor JFET BF245
Q1
1
6
10- RESULTADOS
10.1 – COMPARAÇÃO ENTRE RESULTADO TEÓRICO E PRÁTICO
Tabela 2-Resultados Teóricos, Práticos e Erro %.
Freqüência do Sinal de Saída
Tensão de Entrada
fout [Hz]
Erro %
Vin [V]
Teórico
Prático
0,0
0,00
0,00
0
0,375
36,6
33,00
9,8021
1,0
97,6
87,90
9,9046
1,5
146,3
133,30
8,9138
2,0
195,1
176,68
9,4536
2,5
243,9
222,60
8,7361
3,0
292,7
264,96
9,4741
3,5
341,5
309,02
9,5034
4,0
390,3
348,94
10,5862
4,5
439,0
394,84
10,0663
5,0
487,8
434,00
11,0321
5,5
536,6
476,62
11,1774
6,0
585,4
526,12
10,1233
6,5
634,2
567,36
10,5338
7,0
682,9
608,96
10,8329
7,5
731,7
651,52
10,9610
8,0
780,5
695,12
10,9398
8,5
829,3
737,21
11,1032
9,0
878,1
776,76
11,5377
9,5
926,9
823,20
11,1831
10,0
975,6
841,00
13,7995
10,5
1024,4
867,32
15,3350
11,0
1073,2
869,36
18,9934
11,5
1122,0
863,24
23,0608
12,0
1170,8
855,48
26,9295
7
Resposta do Circuito VCO:Freqüência x Tensão de Entrada
1200
1000
Teórico
800
f[Hz]
Prático
600
400
200
0
0
2
4
6
Vin [V]
8
10
12
Figura 3 – Curva de freqüência de saída (fout) x Tensão de entrada (Vcont).
Resposta do Circuito VCO:Erro% x Tensão de Entrada
28
26
24
22
Erro[%]
20
18
16
14
12
10
8
0
2
4
6
Vin [V]
8
10
12
Figura 4 – Curva do Erro em % entre a freqüência teórica e prática.
8
10.2 – FORMAS DE ONDAS NAS SAÍDAS DOS ESTÁGIOS QUE COMPOEM O VCO
Nas figuras 5 e 6 tem-se as formas de onda na saída do amplificador de ganho 1, na saída
do integrador e na saída do comparador com histerese para uma tensão de controle de 5VDC.
Vcont
V1
Figura 5 – Sinal de entrada (Vcont) e Sinal de saída do amplificador de ganho 1 (V1).
V2
Vout
Figura 6 – Sinal de saída do integrador (V2) e Sinal de saída do comparador com histerese (Vout),
para Vcont igual a 5V.
9
Nas figuras 7 e 8 tem-se as formas de onda na saída do amplificador de ganho 1, na saída
do integrador e na saída do comparador com histerese para uma tensão de controle de 13VDC. Para
este valor de tensão de controle já se tem a não linearidade da resposta do sistema. Pode-se observar
que o tempo em nível baixo é diferente do tempo em nível alto (Razão cíclica).
Vcont
V1
Figura 7 – Sinal de entrada (Vcont) e Sinal de saída do amplificador de ganho 1 (V1).
V2
Vout
Figura 8 – Sinal de saída do integrador (V2) e Sinal de saída (Vout),
para Vcont = 13V.
10
10.3 – FORMAS DE ONDAS NA SAÍDA DO VCO MOSTRANDO A NÃO LINEARIDADE DO
SISTEMA PARA VCONT MAIOR QUE 10VDC
Vcont
Vout
Figura 9 – Sinal de Entrada em 10V (Vcont = 10V) e Sinal de Saída freqüência de 843Hz. Com
tempos em nível Alto e Baixo iguais.
Vcont
Vout
Figura 10 – Sinal de Entrada em 11V (Vin) e Sinal de Saída com freqüência de 869,7Hz. Com
tempos em nível Alto e Baixo diferentes (início do problema de não linearidade).
11
Vcont
Vout
Figura 11 – Sinal de Entrada em 14,04V (Vcont = 14,04V) e Sinal de Saída com freqüência de
770,28Hz. Com tempos em nível Alto e Baixo muito diferentes (visualização da não linearidade
do circuito).
12
11- CONCLUSÃO
Esta experiência teve como objetivo observar a linearidade da freqüência do sinal de saída
(fout) com a tensão de entrada (Vcont) do oscilador controlado por tensão (VCO).
Para tensões de controle (Vcont) menores que 10VDC o circuito apresentou uma resposta
linear, porém houve uma pequena diferênça entre os valores medidos e calculados. Esta diferença se
justifica devido a não se ter considerado a precisão dos componentes e as não idealidades dos
mesmos nos valores calculados. Como se pode verificar na figura 6 a tensão de saída é limitada em
6Vpico, nos cálculos teóricos foi considerada uma tensão de saída de 5,8Vpico. Caso seja usado o
valor medido de 6Vpico no cálculo teórico a diferença entre os valores medidos e calculados ficam
bem menores, caindo de 10% para 2% .
Para tensões maiores que 10V a resposta não obedece mais a linearidade. Isto é devido as
não idealidades do amplificador operacional, pois para tensões acima de 10V já está-se trabalhando
com uma freqüência de cerca de 800Hz , sendo a resposta do sistema influenciada pelo slew rate
dos três amplificadores operacionais e devido a realimentação tem-se um maior efeito desta
característica (ver figuras 10 e 11).
Para minimizar os efeitos de não linearidade na resposta do circuito deve-se usar
amplificadores operacionais com alto slew rate, nesta experiência usou-se o amplificador
operacional LF351 que possui um slew rate de 13V/us.
13
12- BIBLIOGRAFIA
[1] ABREU, Eulógio Chagas – Orientador:Ivo Barbi – Inversores Trifásicos a Transistor de
Potência – Dissertação de Mestrado – INEP/UFSC – cap. 4 págs 54 a 65.
[2] PERTENCE, Antonio Júnior – Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos – 3ª ed – McGrawHill – 1988.
[3] LF 351 – National Semiconductor – www.national.com/