Автогенератор с r-c фильтром в цепи обратной связи
В рассматриваемом случае автогенератор колебаний строится на основе операционного интегрального полупроводникового усилителя, охваченного положительной обратной связью. Положительная обратная связь образуется в том случае, когда сигнал с выхода усилителя подается на его вход в фазе одинаковой с фазой сигнала на входе. В операционном усилителе это достигается подачей выходного сигнала на неинвертирующий вход усилителя.
В цепь положительной обратной связи при этом включается частотно-избирательный элемент, построенный из последовательно и параллельно включенных R1, C1, R2, C2 –элементов. Коэффициент передачи R–C фильтра, равен:
Ко.с.(jω)=1/[(1+R1/R2+C1/C2)+j(ωR1C2 --1/ω C1, R2)] . (10.7.)
На квазирезонансной частоте (ω0) фазовый сдвиг равен нулю, следовательно
ωR1 C2 --1/ω C1, R2. (10.8)
Откуда следует, что
ω02=1/R1, C1, R2, C2. (10.9)
Модуль коэффициента передачи на квазирезонансной частоте
|Ко.с.(jω)|=1/1+R1/R2+C1/C2. (10.10.)
Условия баланса фаз и баланса амплитуд выполняются только на квазирезонансной частоте. На этой частоте (fо) и возникают колебания амплитуды выходного напряжения.
Частота колебаний напряжения на выходе автогенератора определяется выражением:
fо=1/2 π √R1, C1, R2, C2 [Гц]. (10.11)
Обычно величины резисторов и конденсаторов в мостике Вина выбираются одинаковыми R1 = R2= R; C1 = C2=С. При этом
fорасч.=1/2πRC [Гц]. (10.12)
В работе исследуются характеристики автогенератора синусоидальных колебаний напряжения, построенного на основе интегрального операционного усилителя. Принципиальная электрическая схема автогенератора колебаний приведена на рис.10.1.
Основное преимущество исследуемого автогенератора – возможность изменения частоты колебаний напряжения в широком диапазоне частот путем выбора величин резисторов и конденсаторов, включенных в цепи положительной обратной связи.
Интегральный операционный усилитель (ОУ) характеризуется большим коэффициентом усиления по напряжению (Кu), большим входным сопротивлением (сотни МОм) и малым выходным сопротивлением(50 Ом). Усилитель имеет два входа и один выход. Один из входов усилителя называется инвертирующим. Знак сигнала, поданного на инвертирующий вход усилителя, на выходе изменяется на противоположный. Другой вход называется неинвертирующим. Знак сигнала, поданного на этот вход сохраняется на выходе неизменным. Питание операционного усилителя осуществляется от двухполюсного источника питания, создающего напряжения +Еп и -Еп.
Операционные усилители выпускаются для широкого предела изменения выходной мощности (100Вт) и характеризуются малым уровнем собственных шумов и высокой стабильностью выходного напряжения. Все это позволяет строить на их основе автогенераторы низкочастотных колебаний напряжения переменной частоты. Такие автогенераторы необходимы для решения широкого круга задач при автоматизации технологических процессов в пищевых отраслях промышленности.
Так как коэффициент усиления О.У. оказывается слишком большим, в схему усилителя вводится отрицательная обратная связь по напряжению. Для этого напряжение с выхода усилителя через резистор (Rо.с.) подается на инвертирующий вход усилителя. При этом коэффициент усиления по напряжению приближенно определяется выражением:
Кu.ос.=Rо.с./R г, ( 10.13 )
где Rо.с.- сопротивление в цепи отрицательной обратной связи,
Rг- внутреннее сопротивление источника сигнала.
.
10.3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МОДЕЛИ СТЕНДА.Структурная схема модели лабораторного стенда приведена на рис .10.1.
Рис.10.1.Структурная схема модели стенда для исследования автогенератора колебаний напряжения, собранного по схеме Вина.
На структурной схеме модели стенда приведены:
-Осциллограф, используемый для наблюдения осциллограмм колебаний напряжения непосредственно на контуре Вина (красная линия) и на выходе операционного усилителя (зеленая линия). Осциллограф также используется для измерения параметров колебаний напряжения.
-Операционный усилитель, инвертирующий вход которого обозначен знаком минус, неинвертирующий вход – знаком плюс.
-Мост Вина, состоящий из двух резисторов (R3=20кОhm и R4=20кОhm) и двух конденсаторов (С1=10 nF и С2=10 nF),
-Источник питания, создающий напряжение +15В и –15В.
-Нагрузка из трех последовательно включенных резисторов R1 (20 кОhm), резистора 30 к Оhm и резистора R2 (20 кОhm)
Положительная обратная связь, необходимая для самовозбуждения колебаний напряжения, создается путем подачи выходного напряжения с резисторов нагрузки через мост Вина на неинвертирующий вход О.У.
Напряжение отрицательной обратной связи подается на инвертирующий вход О.У. с резистора R2(20 кОhm). Выходное напряжение снимается с резистора R1(20 кОhm). Параллельно резистору R1 включены два стабилитрона, ограничивающие амплитуду колебаний выходного напряжения.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1.Ознакомиться с моделью стенда и порядком проведения измерений.
2.Подготовить исходные материалы для составления отчета по работе. Для чего на отдельных листках бумаги заполнить титульный лист с фамилией, именем и отчеством студента, выполняющего лабораторную работу. Затем написать название дисциплины, название и цель выполнения работы.
3. Включить компьютер, запустить на выполнение программу «Eleсtronics Workbench» и открыть файл «Lab.10.ewb», размещенный в папке «Электротехника и электроника», вложенной в папку «Лабораторные работы».
4. Вычертить модель стенда и электрическую схему автогенератора (с экрана монитора).
5. Включить осциллограф и питание стенда. Зарисовать осциллограммы напряжений на входе и выходе операционного усилителя. Измерить, пользуясь калибровкой осциллографа, амплитуды (Uвх , Uвых) и период колебаний напряжений (То.изм.) на входе и выходе операционного усилителя и занести их значения в табл. 10.1.
6.Рассчитать частоту колебаний напряжения на выходе автогенератора.
fo.изм. = 1/To.изм. и занести полученное значение в табл.10.1.
6. Определить для приведенных на электрической схеме автогенератора величин R3 =R4=R и С1,=С2 =C расчетные значения периода колебаний То.расч. и частоты колебаний напряжения fo.расч. = 1/To.расч. на выходе автогенератора.
7. Изменяя параметры R3=R4 и С1=С2 определить пределы реализуемого в данной схеме изменения частоты колебаний напряжения на выходе автогенератора. Измерения провести для шести различных значений R3,R4,.С1,С2. Результаты измерений частоты и амплитуды колебаний на выходе автогенератора занести в табл.10.1.
Табл.10.1.
| Величины | Uвх | Uвых | То.изм. | fо.изм. | То.расч. | fо.расч. |
| Ед. измер. | В | В | С | Гц | С | Гц |
| R3=R4=R= С1=С2=C= | ||||||
| R3=R4= R= С1=С2=C= | ||||||
| R3=R4=R= С1=С2=C= | ||||||
| R3=R4=R= С1=С2=C= | ||||||
| R3=R4=R= С1=С2=C= |
10.5. СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ. Отчет должен содержать:
1. Титульный лист с названием университета, факультета, кафедры, курса, специальности, дисциплины, работы и фамилии, имени и отчества студента.
2. Цель работы.
3. Схему модели стенда, вычерченную с помощью линейки.
4.Таблицу 10.1., содержащую результаты измерений и расчетов.
5. Осциллограммы напряжений на входе и выходе операционного усилителя. На осциллограммах должны быть нанесены ось времени и ось измеряемой величины. На осях должны быть обозначения измеряемых величин и масштабные метки. Масштабные метки должны быть нанесены также на оси времени.
6. Выводы.
Для заметок
Для заметок
Для заметок
Иноземцев Игорь Матвеевич