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Text File  |  1993-04-14  |  13KB  |  225 lines

  1. This course centres around three simple op-amp circuits: a sine wave 
  2. oscillator (Oscil8 and OscilDiag4), a summing amplifier (SumAmp5 and 
  3. SumDiag3), and a speed controller.  All are crude designs in the extreme, 
  4. designed principally to show that simplistic approaches to electronics do 
  5. work: to encourage participants to take that first step.  It is hoped that 
  6. they can be helped to understand the deficiencies in these circuits, and to 
  7. see that an iterative approach to design is effective.
  8.  
  9. The first circuit to tackle practically is the oscillator, as unlike the 
  10. summing amplifier it stands alone.  Use the diagram of the breadboard layout 
  11. to help with construction.  A discussion of its operation, using the circuit 
  12. schematic, is best left until after a discussion of the operation of the 
  13. summing amplifier.
  14.  
  15. When participants have succesfully constructed an oscillator, there is an 
  16. opportunity for them to become acquainted with the oscilloscope.  They should 
  17. look at waveforms at both the subsidiary outputs as well as the main output, 
  18. all at various settings of VR1.
  19.  
  20. This is the point to introduce the circuit schematic, but only to discuss the 
  21. filter stages, not the main oscillator.
  22.  
  23. R5 and C3 form a low pass filter, as do R6 and C4.  Each filter reduces the 
  24. size of the output signal, but reduces the higher frequencies in the signal 
  25. more than the lower frequencies.  The oscillator itself produces more or less 
  26. a triangular waveform, with a considerable amplitude of third harmonic in 
  27. addition to the fundamental.  After two low pass filters1 the amplitude of the 
  28. third harmonic is much reduced, and the wave looks and sounds like a true sine 
  29. wave.
  30.  
  31. 1Each produces a 3 dB per octave rolloff.  3 decibels (0.3 bels) means a 
  32. reduction by a factor of 2 in amplitude (the logarithm of 2 is 0.3).  An 
  33. octave is a factor of 2 in frequency.  So a 3 dB per octave rolloff means an 
  34. amplitude reduction by a factor of 2 for each factor of 2 in frequency.  
  35. Similarly, each filter reduces the third harmonic by a factor of 3 relative to 
  36. the fundamental; two filters reduce the harmonic by a factor of 9.  The 
  37. harmonic only had about one third the amplitude to begin with.
  38.  
  39. Remember that an important part of the learning experience is the translation 
  40. between schematic and breadboard.  Draw attention to the relationship.  Later 
  41. in the course participants will be expected to produce their own layout on a 
  42. blank breadboard drawing.
  43.  
  44. The summing amplifier activity can begin with a discussion of the operation of 
  45. the circuit using the schematic OHP.  Feedback is the important idea to get 
  46. across, and the fact that the amplification is the ratio of the feedback 
  47. resistor to the input resistor.  The amplification may of course be different 
  48. for different inputs, and there is no restriction to two inputs.
  49.  
  50. Once the summing amplifier is built, the outputs of oscillators can be added.  
  51. Both inputs and the output should be simultaneously displayed on 
  52. oscilloscopes.  It should be possible to show waveform A added to waveform B 
  53. producing waveform C.  Getting your oscilloscope to display waveforms like C 
  54. can be tricky: the trigger level has to be set to catch the largest peaks 
  55. while ignoring the smaller ones.
  56.  
  57. This is the point to reintroduce the oscillator circuit schematic, and look at 
  58. how the oscillator works.
  59.  
  60. Consider the effect of a small offset on the op-amp inputs, with the inverting 
  61. input slightly below the non-inverting.  The output will therefore swing all 
  62. the way to the positive supply rail (or as close to it as the op-amp can 
  63. manage).  C1 will charge up slowly through R2; once the voltage on C1 is 
  64. appreciably above zero, it will start to charge C2 through R1.  The inverting 
  65. input of the op-amp will be pulled up, changing the output of the op-amp to a 
  66. large negative value.  This does not simply settle down to some central, 
  67. balanced value like an ordinary amplifier, because of the delay involved in 
  68. charging C1 and C2: C2 doesn't react to wide swings of the output until a 
  69. little while after they happen.
  70.  
  71. There are important subsidiary activities in altering resistors and capacitors 
  72. in the oscillator and filters to change the oscillator frequency range, and 
  73. altering the feedback or input resistors in the amplifier to change the 
  74. amplification.  It should then be possible to show D plus E making F.  G, H 
  75. and J can be produced as beats between signals of nearly equal frequenies but 
  76. differing amplitudes.
  77.  
  78. We are now ready for a discussion of the equivalence of C, G, H or J to the 
  79. product of a low (modulating) signal and a high (carrier) signal.  The 
  80. construction of a multiplier circuit is beyond the aspirations of this course.
  81.  
  82. In G, H, and J, the modulating signal is displaced - that is, it has a d.c. 
  83. component.  This is necessary if we want to retrieve the modulating signal 
  84. easily, as shown in the right hand diagram in each case.  G is still 
  85. overmodulated, and without special arrangements we would be liable to recover 
  86. a distorted signal.  H is critically modulated; any increase in the signal 
  87. would result in overmodulation.
  88.  
  89. Conversely, when a carrier is modulated by a sine wave, a signal is produced 
  90. which is identical to the sum of two nearby frequencies, one each side of the 
  91. carrier frequency.  If the modulating signal is more complicated, containing a 
  92. variety of frequencies, there will be a whole band of frequencies produced.
  93.  
  94. This leads to frequency/amplitude diagrams (frequency domain) rather than 
  95. time/voltage (time domain), and the concept of bandwidth.  The bandwidth (the 
  96. range from minimum frequency to maximum) of the modulated signal is in fact 
  97. the same as the bandwidth of the modulating signal (the highest frequency 
  98. present in the signal).
  99.  
  100. It is now possible to see that the explanation given earlier of how the 
  101. oscillator works is a time domain view of things.  A frequency domain view 
  102. goes like this:
  103.  
  104. An op-amp with negative feedback adjusts its output so that its inputs are at 
  105. the same voltage; an op-amp with positive feedback produces a saturated 
  106. output.
  107.  
  108. If the feedback (as in our circuit) contains inductive or capacitive elements, 
  109. the amount of feedback will vary with frequency - and in particular, there 
  110. will be a phase difference which will vary with frequency.  The effective 
  111. feedback around the op-amp is dependant on the in-phase component of the 
  112. impedance of the feedback network.  If the phase difference is greater than 
  113. 90█, then the feedback is effectively inverted, and becomes positive feedback 
  114. when applied to the inverting input of the op-amp.  Hence at some frequencies 
  115. the circuit has negative feedback, but at others it has positive feedback.
  116.  
  117. Our circuit has negative feedback at low frequencies, but at some frequency 
  118. determined by R1, R2, C1, C2 and the setting of VR1, the feedback becomes 
  119. positive.  The switch-on transients will contain some (possibly minute) 
  120. component at this frequency.  This will be amplified each time around the 
  121. circuit, until the circuit saturates at each extreme.
  122.  
  123. We need two R/C pairs in the feedback network as each produces somewhat less 
  124. than 90█ phase lag.
  125.  
  126. It is highly desirable that participants should understand both ways of 
  127. looking at the operation of oscillators, and how the two viewpoints reinforce 
  128. each other.
  129.  
  130. Now that we can produce oscillators with significantly differing frequencies, 
  131. we can also attempt to add the second or third harmonic to a wave.  There is 
  132. an OHP showing the expected results.  Note that the appearance (but not the 
  133. sound) of the summed waveform is dramatically affected by the relative phase 
  134. of the harmonic.  Unless the frequency of the harmonic is exactly the 
  135. appropriate multiple of the frequency of the fundamental, the phase 
  136. relationship will change continuously.  If this change is slow enough, you can 
  137. watch the changing waveform on the scope; otherwise it just makes a blur on 
  138. the screen.
  139.  
  140. This brings us to considering how oscillators can lock into step.  We want 
  141. this to happen if we want a stable phase relationship.  To achieve this, all 
  142. we have to do is arrange that a little of the output from one oscillator (the 
  143. master) is allowed to get to an input of the other (the slave).  A very small 
  144. amount is all that is required if the master's frequency is very close to the 
  145. frequency the slave would oscillate at without forcing.  In fact, if the two 
  146. are close enough, stray capacitances, inductances, and leakages via power 
  147. supply lines and/or the summing amplifier connections can be sufficient, 
  148. without any deliberate forcing circuit at all.
  149.  
  150. In general, this crosstalk makes it difficult to avoid oscillators locking 
  151. into step.  Usually neither is particularly master or slave; the output of 
  152. each leaks slightly to the input of the other, and the two form a complicated 
  153. compound oscillator circuit.  It should be possible to see this effect: set up 
  154. two oscillators running at nearby frequencies, and adjust one slowly nearer to 
  155. the other.  At some point, with a slight jump in the frequency of each, they 
  156. will suddenly lock into step.  It may well take a larger movement of the 
  157. control to get them out of step again, and then they will show a larger jump 
  158. in frequency.
  159.  
  160. We can now look at ways to reduce the crosstalk, which is necessary if we want 
  161. to have our oscillators working at nearly the same frequency without locking 
  162. into step.  The first thing to do is to prevent stray signals passing via the 
  163. power rails.  What is needed is either separate supplies, or at least a simple 
  164. filter in the line - a series resistor followed by a parallel capacitor to 
  165. ground, in the positive and negative rail to each oscillator.
  166.  
  167. Next we increase the input resistors in our summing amplifier - and of course, 
  168. the feedback resistor in the summing amplifier, in proportion.  This reduces 
  169. crosstalk between the outputs of the two oscillators - and of course, the 
  170. outputs of each oscillator are connected back to the inputs via the 
  171. oscillators' feedback network.
  172.  
  173. By providing adjustable crosstalk, we can study the summing of harmonics 
  174. locked into phase, or slowly changing phase.  These circuits do not give us 
  175. control of the relative phase when they are locked in step.  They may prove 
  176. difficult to lock on even harmonics (for sawtooth shapes), but should lock on 
  177. odd harmonics (for squares and symmetrical triangles) easily.  Participants 
  178. probably shouldn't attempt to add more than two signals; but discussion and 
  179. possibly demonstration of series such as those shown on the OHP is desirable, 
  180. perhaps with some discussion of fourier transforms.
  181.  
  182. Detailed mathematical description of the operation of the oscillator circuit 
  183. is beyond our aspirations - but the basic ideas to undertake it are all here 
  184. for anyone who is interested.  It is important to realise that the detailed 
  185. mathematical description is not essential to the design process for simple 
  186. circuits like these, or even considerably more complicated ones.  Once one has 
  187. an qualitative understanding, one can build circuits which do something, and 
  188. then modify them until they perform as required.  A feel for the approximate 
  189. values of components needed comes with experience.  One can also do rough 
  190. order-of-magnitude calculations once one has a feel for the dominant features 
  191. of the arithmetic, and what one can neglect.
  192.  
  193. The final circuit is the speed controller.  Here the feedback comes from a 
  194. motor used as a tachogenerator.  It is vital that this has a large number of 
  195. commutator segments (at least about 9) so that the ripple on the voltage 
  196. generated is relatively small.  The best way to ensure that the feedback is 
  197. negative is trial and error!  When the feedback is negative, the speed should 
  198. be proportional to the potentiometer setting, and it shouldn't vary 
  199. significantly under variations of load.  This is subject to a maximum load, of 
  200. course: when the op-amp saturates, or the current drawn reaches the limit of 
  201. the supply, the system will no longer be able to control the speed!
  202.  
  203. By this stage it is hoped that a circuit schematic will be sufficient; but 
  204. participants should be encouraged to draw their own layout on a blank 
  205. breadboard drawing, before constructing the circuit.  They will eventually not 
  206. need to do this, but at this stage it is a useful excercise, and it is 
  207. certainly something they will need to do for their pupils on occasions.
  208.  
  209. Again, the effects of altering the feedback resistor can be investigated.  
  210. Over a wide range no effect should be observable, but the effects outside that 
  211. range are instructive.
  212.  
  213. Note the use of a separate supply for the motor: this may not be important in 
  214. this application, but is good practice and should be the subject of 
  215. discussion.  The issues are isolation of the electronics from the generation 
  216. of electrical noise in the motor circuit, and the difference in 
  217. characteristics of the required supply - electronics generally need little 
  218. current, but a noise-free supply; motors need a relatively large current, but 
  219. noise is largely irrelevant.
  220.  
  221. This is only a speed controller: a position controller requires a 
  222. bidirectional output amplifier instead of the simple transistor output.
  223.  
  224.  
  225.