Исследование генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе
advertisement
МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра электроакустики и ультразвуковой техники ОТЧЕТ по лабораторной работе №5 по дисциплине «Электроника и Микропроцессорная техника» ТЕМА: Исследование генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе Студенты гр. 7583 Ахременко Н.А. Колеганов Д.А. Корчагин М.Н. Нургалиева А.Р. Оттыч Д.А. Преподаватель Дурукан Я. Санкт-Петербург 2020 Цель работы – исследование принципов построения и работы генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе. Основные теоретические положения Генераторы Генератор гармонических колебаний - устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение при отсутствии входных сигналов. Генератор преобразует энергию источника постоянного напряжения в энергию переменного выходного сигнала. Главная особенность колебаний, наблюдаемых в генераторе, состоит в том, что они обусловлены не внешними воздействиями, а свойствами устройства. Такие колебания, возникающие самостоятельно, в отсутствие внешних воздействий, называют автоколебаниями. Принцип работы генераторов синусоидальных колебаний основан на использовании в схемах колебательных контуров или фазосдвигающих звеньев: моста Вина, двойного T-образного моста, сдвигающих RC-цепей и др. Для всех автогенераторов условием возникновения автоколебаний является наличие положительной обратной связи при коэффициенте усиления КU ≥1. При подаче напряжения питания на RC-генератор автоколебания в первый момент отсутствуют. Сами по себе колебания возникнуть не могут, для запуска процесса генерации нужен начальный «толчок» или возмущающий фактор. В практических схемах генераторов роль такого «толчка» выполняют собственные, существующие в электронных устройствах и присутствующие на входе усилителя, колебания. RC-генератор с мостом Вина – Робинсона Простейшая схема RC-генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе приведена на рисунке 1. В ней операционный усилитель включён по неинвертирующей схеме, а в качестве звена положительной обратной связи используется полосовой фильтр со средней частотой 0 = 1/RC. Такая схема называется мостовым генератором Вина. Фазовый сдвиг фильтра на средней частоте равен нулю, а коэффициент передачи (0) = 1/3. Известно, что условием возникновения стационарных колебаний в замкнутой системе является равенство выходного напряжения обратной связи и входного напряжения усилителя, т.е.: U ВЫХ U ВХ U ВЫХ , KU где KU – коэффициент усиления усилителя. Отсюда следует, что для возникновения стационарных колебаний должно выполняться условие KU 1 3, и, следовательно, R1 2 R2 . При выполнении этого условия в схеме с идеальным операционным усилителем будут существовать незатухающие колебания с частотой f = 1/2RC. Однако амплитуда этих колебаний будет неопределённой. Самое незначительное уменьшение R2 приведёт к нарастанию амплитуды до уровня ограничения выходного напряжения усилителя по питанию, а незначительное увеличение – к затуханию колебаний. С R С С R С R R R2 R1 а UВЫХ R2 R1 UВЫХ б Рисунок 1. схема RC-генератора синусоидальных колебаний Эти обстоятельства требуют применения в составе генератора системы автоматического регулирования амплитуды. Один из возможных вариантов схемы с автоматическим регулированием амплитуды изображён на рисунке 1, б. В ней резистор R2 зашунтирован полевым транзистором с последовательно включённым сопротивлением. Параметры цепи выбираются так, чтобы при малой амплитуде выходного сигнала транзистор бы открыт и эквивалентное сопротивление цепи R2ЭКВ с параллельно включённой цепочкой было заведомо меньше, чем 0,5R1. Это обеспечивает возникновение колебаний и нарастание амплитуды. Когда амплитуда достигнет напряжения пробоя стабилитрона с последовательно включённым диодом, на затвор подаётся отрицательное напряжение, транзистор увеличивает своё сопротивление и дальнейший рост амплитуды прекращается. В этой схеме амплитудный детектор, состоящий из диодов и RС-цепи, регулирует усиление по переменному току, меняя сопротивление полевого транзистора, который при малых напряжениях ведет себя как нелинейное сопротивление. Следует отметить, что необходимо использовать большую постоянную времени. Это обстоятельство существенно для исключения искажений, поскольку быстродействующая обратная связь исказила бы генерируемую синусоидальную волну, пытаясь регулировать ее амплитуду в пределах одного периода. Надо иметь в виду, что такая простая цепь автоматического регулирования амплитуды несколько искажает форму выходного генератора. Обработка результатов лабораторной работы С, мкФ 0,1 0,1 0,47 0,47 R, кОм 1 10 10 1 fр, Гц 1,6*103 160 34 359 fэ, Гц 1,56*103 156 33 357 Расчет теоретических частот fр1= 1 2∗𝜋∗103 ∗0,1∗10−6 = 1,6 ∗ 103 Гц 1 fр2=2∗𝜋∗104 ∗0,1∗10−6 =160 Гц 1 fр3=2∗𝜋∗104 ∗0,47∗10−6 = 34 Гц fр4= 1 2∗𝜋∗103 ∗0,47∗10−6 = 339 Гц Рисунок 2. Осциллограмма генератора с мостом Вина Масштаб: 1 клетка- 0,1 мкс Вывод В ходе лабораторной работы проведено исследование принципов построения и работы генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе. Собран генератор с мостом Вина с различными номиналами компонентов цепи. Рассчитаны теоретические значения частот генерирования сигналов и сравнены с экспериментально полученными. Отклонения от друг друга оказались несущественными. Исследование показало, что при увеличении номинала сопротивления, частота генерирования уменьшается, а при уменьшении номинала емкости частота увеличивается. При автоматической регулировке амплитуды, части осциллограмм превышающие определенный показатель напряжения по модулю уменьшаются, и эти части частично «срезаются».
