Порядок выполнения работы

1. Исследование инвертирующего усилителя.

   1. Собрать схему инвертирующего усилителя (5.7).

   2. Включить на входе источник VPULSE. Установить атрибуты источника: DC = 0,  AC = 1V, V1 = 0, V2 = 1V, TD = 1us, TR = 1ns, TF = 1ns, PW = 100us, PER = 200us.

Рис. 5.7

3. В режиме AC Sweep построить и скопировать в отчет амплитудно-частотную характеристику усилителя. По графику АЧХ определить частоту среза.

4. В режиме Transient получить и скопировать в отчет графики входного и выходного напряжений. Определить скорость нарастания выходного напряжения.

 

2. Исследование неинвертирующего усилителя на основе ОУ.

   1. Собрать схему неинвертирующего усилителя (рис. 5.8).

   2. Включить на входе источник VPULSE. Установить атрибуты источника: DC = 0,  AC = 1V, V1 = 0, V2 = 1V, PW = 100us, PER = 200us.

   3. Повторить п. 1.3 – 1.4. Результаты моделирования записать в отчет.

Рис. 5.8

3. Сравнить характеристики исследованных схем. Выводы записать в отчет.

Контрольные вопросы и задания

• Почему в качестве измерительных используют усилители с дифференциальным входом?

• Какие недостатки имеет схема измерительного усилителя на рис. 5.6?

• Как определяются дифференциальный и синфазный сигналы.

• Какие элементы схемы определяют входное сопротивление инвертирующего усилителя?

• Каково входное сопротивление неинвертирующего усилителя?

• По результатам проведенных экспериментов сравните полосу пропускания инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Лабораторная работа №6

Тема работы: RC-генератор с мостом Вина

Цель работы: Исследование условий возникновения незатухающих колебаний в RC-генераторе; изучение влияния параметров пассивной цепи на частоту колебаний.

Теоретические сведения и методические указания.

В радиоэлектронике, вычислительной технике, системах автоматического управления используют генераторы сигналов – устройства, которые служат для получения периодических незатухающих колебаний заданной формы.

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

Структурная схема генератора сигналов показана на рис. 6.1. Она состоит из двух частей – усилителя (активного элемента) и частотно-селективной цепи положительной обратной связи с передаточной функцией по которой колебания с выхода усилителя поступают на его вход.

Рис. 6.1. Структурная схема генератора сигналов.

Причиной возникновения колебаний служат флуктуации – слабые колебания, происходящие случайным образом. Флуктуации наблюдаются в любой реальной цепи. Колебания, возникающие на входе активного элемента, усиливаются и через цепь обратной связи вновь поступают на вход. Поскольку обратная связь положительна, сигналы на входе складываются, а выходной сигнал лавинообразно растет. Такой процесс называют самовозбуждением генератора.

Самовозбуждение имеет место, если коэффициент передачи в замкнутой петле обратной связи больше единицы:

(6.1)

Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока активный элемент не перейдет в нелинейный режим. При этом коэффициент усиления уменьшается до значения, при котором коэффициент передачи в замкнутой петле обратной связи становится равным единице:

(6.2)

При выполнении такого условия в генераторе устанавливается стационарный режим. В этом режиме колебания имеют постоянную амплитуду и частоту.

Представим коэффициент передачи цепи обратной связи в комплексной форме:

Тогда условие (6.1.2) можно записать в виде

(6.3)

(6.4)

Равенство (6.3) называют условием баланса амплитуд, а равенство (6.4) – условием баланса фаз. Одновременное выполнение условий (6.3) и (6.4) соответствует установившемуся режиму работы генератора.

Для получения гармонических колебаний низкой частоты (менее 10 кГц) используют RC-генераторы. В качестве цепей обратной связи применяют многозвенные RC-цепи, мост Вина – Робинсона, двойные Т-образные мосты. Наибольшее распространение получили генераторы с мостом Вина – Робинсона, а также генераторы с фазосдвигающей RC-цепью.

6.2. RC-генератор с мостом Вина – Робинсона

Схема генератора показана на рис. 6.2. Операционный усилитель и резисторы R1, R2 реализуют усилитель с коэффициентом передачи

Рис. 6.2. Схема генератора.

Цепью обратной связи служит мост Вина – Робинсона (мост Вина), показанный на рис. 6.3. Для упрощения выводимых соотношений сопротивления резисторов и емкости конденсаторов в продольной и поперечной ветвях моста выбраны одинаковыми. Передаточная функция моста Вина

Рис. 6.3. Мост Вина – Робинсона.

Амплитудно-частотная характеристика принимает максимальное значение, равное 1/3, на частоте Значение фазочастотной характеристики на этой частоте равно нулю. Условие баланса амплитуд на частоте выполняется, если коэффициент передачи усилителя Такое усиление обеспечивается при .

На этапе самовозбуждения для нарастания амплитуды колебаний должно выполняться условие В установившемся режиме коэффициент передачи усилителя должен уменьшиться до 3. Для стабилизации коэффициента усиления в цепь обратной связи ОУ включают нелинейные элементы.

Один из вариантов RC-генератора с нелинейной цепью обратной связи показан на рис. 6.4. Нелинейной цепью является двухполюсник, образованный параллельным соединением резистора R₀ и двух встречно включенных диодов.

Напряжение на зажимах нелинейного двухполюсника не превышает 0.7 В (в случае кремниевых диодов). Поэтому по мере нарастания выходного напряжения коэффициент усиления уменьшается до 3.

Рис. 6.4. RC-генератор с нелинейной цепью обратной связи.

RC-генераторы с мостом Вина используют для получения гармонических колебаний частотой от 1 Гц до 200 кГц. Перестройку частоты осуществляют путем одновременного изменения сопротивлений резисторов в мосте.

Пример 6.1. Определить минимальное значение сопротивления R₁ в RC-генераторе на рис. 6.4, при котором на выходе будут наблюдаться нарастающие колебания. Сопротивление

Решение. Колебания на выходе генератора будут нарастать, если Учитывая, что находим минимальное значение сопротивления , обеспечивающее самовозбуждение генератора:

Рекомендации по сборке схем

При сборке схемы генератора использовать модели операционных усилителей LM324 или uA741 из библиотеки EVAL.slb.

Предварительный расчет

1. Для RC-генератора, показанного на рис. 6.4, рассчитать сопротивления резисторов, обеспечивающих требуемую частоту колебаний Исходные данные для расчета приведены в табл. 6.1.

2. Определить минимальное значение сопротивления при котором в генераторе возникают незатухающие колебания.

3. Результаты расчетов записать в отчет.

Таблица 6.1.

Вариант	Гц	С, нФ	кОм	кОм
1	500	100	50	5.1
2	600	100	50	6.7
3	750	50	40	6.7
4	800	50	50	10
5	1250	16	40	10

Порядок выполнения работы

1. Исследование частотных характеристик пассивной цепи.

1. Собрать схему для исследования частотных характеристик моста Вина (рис. 6.1.2). Установить значения элементов, полученные в предварительном расчете.

2. Включить на входе схемы источник синусоидального напряжения VSIN из библиотеки SOURCE.slb. Установить атрибуты источника: DC = 0, АC = 1V, VOFF = 0, FREQ = 1k.

3. Скопировать моделируемую цепь в отчет.

4. В режиме AC Sweep построить амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики моста в диапазоне 10 Гц – 2000 Гц. Графики АЧХ и ФЧХ скопировать в отчет.

5. По графику ФЧХ определить значение частоты, при которой фазовый сдвиг составляет 1800. Значение этой частоты записать в отчет.

6. По графику АЧХ определить частоту, на которой она имеет максимальное значение. Определить и записать в отчет величину максимума АЧХ.

2. Исследование RC-генератора с мостом Вина

1. Собрать схему RC-генератора (рис. 6.5) и установить значения элементов, полученные в ходе предварительного расчета.

2. В режиме Transient получить и скопировать в отчет временную диаграмму выходного напряжения.

3. Определить и записать в отчет период и частоту колебаний на выходе генератора.

4. Определить амплитуду колебаний.

Рис. 6.5.

Контрольные вопросы и задания

1. Сформулируйте условия баланса амплитуд и фаз, необходимые для возникновения незатухающих колебаний в генераторе.

2. Записать в отчет формулу передаточной функции моста Вина (рис. 6.3).

3. Как обеспечить синусоидальную форму выходных колебаний в генераторе с мостом Вина?

4. Как изменится частота колебаний генератора, если емкости конденсаторов увеличить в два раза?