Библиографический список

1. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл; Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – Т.1. – 413 с.

2. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника: справ. руководство / У. Титце, К. Шенк; Пер. с нем. – М.: Мир, 1982. – 512 с.

3. Опадчий, Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под. ред. О.П. Глудкина. – М.: Радио и связь, 1996. – 768 с.

Лабораторная работа № 4

Исследование схемы генератора синусоидальных колебаний на оу

Цель работы

Изучение работы и исследование схемы генератора синусоидальных колебаний с мостом Вина-Робинсона, выполненного на базе ОУ.

Пояснения к работе

Для получения синусоидальных колебаний в низкочастотном диапазоне преимущественно используются генераторы, частота генерации которых определяется параметрами RC-фильтров.

Структурная схема генератора синусоидальных колебаний представлена на рис.1. Она включает в себя усилитель, имеющий комплексный коэффициент усиления Ќус, и цепь обратной связи ОС с комплексным коэффициентом передачи Ќос.

Рис. 1. Структурная схема генератора синусоидальных колебаний

Для возникновения в схеме незатухающих синусоидальных колебаний необходимо выполнение следующего условия [2]:

Ќп = Ќус∙Ќос = 1, (1)

где Ќп – коэффициент петлевого усиления.

Из формулы (1) следуют два условия:

|Ќп| = |Ќус|∙|Ќос| = 1, (2)

ф_ус + φ_ос = 0, 2π, 4π, …, (3)

где ф_ус – фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями усилителя, φ_ос – фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями цепи обратной связи.

Соотношение (2) называется условием баланса амплитуд. Оно заключается в том, что схема генератора может возбуждаться только тогда, когда усилитель компенсирует потери в цепи обратной связи.

Соотношение (3) называется условием баланса фаз. Оно означает, что колебания в схеме могут возбуждаться только тогда, когда фаза выходного напряжения схемы обратной связи и фаза входного напряжения усилителя совпадают.

В исследуемой схеме в качестве цепи ОС используется пассивный полосовой RC-фильтр, схема которого приведена на рис. 2, АЧХ и ФЧХ фильтра представлены на рис. 3 [2].

Рис. 2. Схема пассивного полосового RC-фильтра

K

Рис. 3. АЧХ и ФЧХ пассивного полосового RC-фильтра

Как следует из рис. 3, на частоте f₀, которая рассчитывается по фор- муле [1, 2]

f₀ = 1 / (2∙π∙R∙C), (4)

коэффициент передачи RC-фильтра составляет ровно 1/3, а сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями равен нулю. Поэтому для получения генератора синусоидальных колебаний с частотой, равной f₀, согласно условиям (2) и (3), необходим усилитель с коэффициентом усиления |Ќус| = 3 и нулевым сдвигом фаз между входным и выходным напряжениями.

В качестве усилителя, удовлетворяющего этим условиям, можно использовать схему неинвертирующего усилителя на базе ОУ. Схема такого генератора синусоидальных колебаний представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема генератора синусоидальных колебаний

В данной схеме для обеспечения заданного значения коэффициента усиления |Ќус| = 3 должно точно выполняться следующее условие:

R2 = 2∙R1. (5)

На практике выполнить условие (5) невозможно, поскольку точность подбора сопротивлений R1 и R2 ограничена. Из-за этого при практическом изготовлении схемы, представленной на рис. 4, возможно получение синусоидальных колебаний, амплитуда которых со временем либо увеличивается (если R2 > 2∙R1), либо уменьшается (если R2 < 2∙R1). Поэтому на практике схему генератора дополняют системой автоматической регулировки усиления, которая поддерживает стабильной амплитуду выходного напряжения [1, 2].

Следует отметить, что элементы схемы пассивного полосового RC-фильтра R и С совместно с сопротивлениями R1 и R2 образуют схему, называемую мостом Вина-Робинсона [2], поэтому схема, представленная на рис. 4, носит название мостового генератора Вина.

Порядок проведения лабораторной работы

1. По заданной преподавателем частоте колебаний генератора f₀, используя формулы (4) и (5), рассчитать номиналы элементов схемы. При расчёте номиналов полосового фильтра R и С следует сначала задать величину ёмкости (рекомендуемое значение в интервале 10…100 нФ), а затем определить величину сопротивления R. При расчёте значений R1 и R2 следует сначала задать величину R2 (рекомендуемое значение в интервале 10…100 кОм), а затем определить величину R1 таким образом, чтобы соотношение (5) выполнялось точно. Номиналы сопротивлений следует выбрать из ряда Е24, номиналы ёмкостей – из ряда Е12.

2. Нарисовать схему генератора синусоидальных колебаний с мостом Вина (рис. 4) в Microcap. Тип ОУ (LM741, аналог К140УД7) выбирается из меню: