
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра САПР
отчет
по лабораторной работе №1
по дисциплине «Схемотехника»
Тема: «rc-генераторы синусоидальных колебаний
»
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Студентка гр. 9091 |
|
Боброва Н.Ю |
|
|
|
Преподаватель |
|
Соколов Ю.М. |
Санкт-Петербург
2022
Цель работы заключается в ознакомлении с принципами построения RC- генераторов на операционных усилителях (ОУ) и простейшими способами стабилизации амплитуды генерируемых сигналов на базе учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS.
2.1.Общие сведения
Под генератором понимается электронная цепь, формирующая переменное напряжение требуемой формы. В генераторах происходит преобразование энергии постоянного тока, потребляемой от источника постоянного напряжения, в энергию колебаний. Основное отличие генератора от усилителя состоит в том, что генератор – это автоколебательная, т.е. неустойчивая система, а усилитель должен быть всегда устойчив. Генератор может работать при отсутствии внешнего входного воздействия, для усилителя оно совершенно необходимо.
Рассмотрим
условия существования незатухающих
колебаний в электронных цепях. На рис.
2.1 приведена широко распространённая
структурная схема генератора с
параллельно-параллельной обратной
связью, где У - усилитель, ОС – цепь
обратной связи,
-
цепь нагрузки. Эти подсхемы характеризуются
следующими параметрами:
|
|
|
(2.1) |
где
– комплексный коэффициент передачи
усилителя по напряжению,
,
–
соответственно его модуль и фаза;
-
комплексный коэффициент передачи цепи
обратной связи по напряжению,
,
- соответственно его модуль и фаза.
Рис. 2.1
Предположим,
что на частоте
в
генераторе (рис. 2.1) существуют незатухающие
гармонические колебания. Тогда на этой
частоте
|
|
(2.2) |
Следовательно
|
|
|
(2.3) |
где
- петлевое усиление на частоте генерации.
Условие (2.3) разделяется на 2 условия:
|
|
|
(2.4) |
|
|
|
|
|
|
|
(2.5) |
Соотношение
(2.4) характеризует условие баланса
амплитуд: на частоте генерации
модуль
петлевого усиления системы равен 1. Это
условие можно сформировать следующим
образом: на частоте генерации
модуль
коэффициента усиления усилителя равен
ослаблению, вносимому цепью обратной
связи. Выражение (2.5) характеризует
условие баланса фаз: на частоте
генерации
фазовый
сдвиг по контуру обратной связи составляет
.
Следует подчеркнуть, что условия (2.4) и (2.5) должны выполняться абсолютно точно, т.к. если петлевое усиление на частоте генерации меньше 1, то уже возникшие колебания будут затухающими, больше 1 – расходящимися.
2.2. RC-генераторы с мостом Вина
При
построении RC-генераторов
широко используется избирательная
цепь, схема которой представлена на
рис. 5.2, а (мост Вина).
Если выполняется
условие:
и
,
то
коэффициент
передачи напряжения моста Вина может
быть определен по формуле:
|
|
|
(2.6) |
б
б
б
а
Рис. 2.2
На рис. 2.2, б представлены амплитудно-частотная характеристика и фазо-частотная характеристика , соответствующие выражению (2.6). Из этих характеристик и соотношения (2.6) очевидно, что на частоте коэффициент передачи моста Вина имеет максимальное значение, а его фазовый сдвиг равен 0.
|
|
|
(2.7) |
На
рис. 2.3 представлена принципиальная
схема генератора с мостом Вина (
R1;
C1;
R2;
C2),
реализованная на базе неинвертирующего
РУ (DA1;
R3;
R4);
ОСЦ – осциллограф. Для выполнения в
этом генераторе условия баланса амплитуд
необходимо, чтобы выполнялось соотношение:
|
|
|
(2.8)
|
Из
соотношения (2.8)
получаем:
=
2
.
Рис. 2.3
Почему в генераторе с мостом Вина используется неинвертирующий РУ? При этом удается выполнить условие баланса фаз:
|
|
|
(2.9) |
На
практике приходится несколько изменить
соотношение (2.8) с тем, чтобы коэффициент
усиления
был
больше 3, при этом
>
2
(см. рис. 2.4, кривая 1).
Это необходимо для самовозбуждения
генератора. Причём, как было отмечено
ранее, колебания будут расходящимися,
и ограничение амплитуды сигнала
произойдёт при достижении максимального
выходного напряжения ОУ
.
В этом случае благодаря нелинейности
проходной характеристики ОУ будет
автоматически устанавливаться эффективное
значение
=
3 (см. рис. 2.4, кривая 2, рабочая точка А).
Однако такой естественный способ
стабилизации амплитуды сигнала из-за
резких изломов проходной характеристики
ОУ связан с существенными нелинейными
искажениями.
Рис. 2.4
2.3. RC-генераторы с цепью нелинейной обратной связи
Одним
из простейших способов стабилизации
амплитуды выходного напряжения RC-
генератора при минимальных нелинейных
искажениях является введение в него
цепи нелинейной обратной связи (НОС).
Схема такого генератора представлена
на рис. 2.5, (DA1,
R1,
C1,
R2,
C2,
R4,
R3
– генератор с мостом Вина; R5,
R6,
VD1,
VD2
– цепь НОС на диодах). Рассмотрим работу
этого генератора. При малых уровнях
выходного напряжения диоды VD1,
VD2
практически полностью обесточены,
поскольку их рабочие точки находятся
в зоне нечувствительности вольтамперной
характеристики диода. Сопротивления
резисторов
,
,
выбираются
таким образом, чтобы выполнялось
неравенство
|
|
|
(2.10) |
При выполнении условия (2.10) в генераторе возникают колебания с увеличивающейся амплитудой (расходящийся процесс). Когда она достигнет значений 0,5…1 В, диоды VD1, VD2 открываются и включается цепь НОС, которая с ростом амплитуды выходного напряжения генератора уменьшает эффективный коэффициент усиления усилителя до значения = 3, что обеспечивает выполнение условия баланса амплитуд (2.8).
Рис. 2.5
При выборе сопротивлений резисторов R3, R4, R5, R6 следует руководствоваться соотношениями:
|
|
|
(2.11) |
при
этом можно показать, что амплитуда
и частота
установившихся
колебаний для генератора (см. рис.2.5)
определяются соотношениями:
|
|
|
(2.12) |
где
-
напряжение на прямосмещенном диоде.
Следует подчеркнуть, что условие баланса амплитуд выполняется только для выходного сигнала с амплитудой , поскольку ее дальнейшее увеличение приводит к уменьшению эффективного коэффициента усиления усилителя ( < 3). Генератор с цепью НОС (см. рис.2.5) имеет значительно меньшие нелинейные искажения выходного напряжения по сравнению с генератором (см. рис.2.3), поскольку в нем ОУ работает в линейном режиме.