10. Исследование генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе Общие сведения

Простейшая схема RCгенератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе приведена на рис. 3.10.1а. 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.:

,

где K_U– коэффициент усиления усилителя.

Отсюда следует, что для возникновения стационарных колебаний должно выполняться условие

.

При выполнении этого условия в схеме с идеальным операционным усилителем будут существовать незатухающие колебания с частотой f= 1/2RC. Однако амплитуда этих колебаний будет неопределённой. Самое незначительное уменьшениеR₂приведёт к нарастанию амплитуды до уровня ограничения выходного напряжения усилителя по питанию, а незначительное увеличение – к затуханию колебаний.

Рис. 3.10.1

Эти обстоятельства требуют применения в составе генератора системы автоматического регулирования амплитуды. Один из возможных вариантов схемы с автоматическим регулированием амплитуды изображён на рис. 3.10.1.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 цепиR_2ЭКВ 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. Надо иметь в виду, что такая простая цепь автоматического регулирования амплитуды несколько искажает форму выходного генератора.

Задание

В цепи без автоматического регулирования амплитуды определить экспериментально соотношение сопротивлений R₁иR₂, при котором возникают колебания. Определить частоту этих колебаний. В цепи с автоматическим регулированием амплитуды экспериментально определить эквивалентное сопротивление цепиR_2ЭКВс параллельно включенной цепью полевого транзистора. В обоих случаях снять кривую выходного напряжения генератора.

Порядок выполнения эксперимента

• Соберите цепь мостового генератора Вина с автоматическим регулированием амплитуды согласно монтажной схеме (рис.3.10.2). Рассчитайте предполагаемую частоту выходного напряжения:

f_расч= 1/2RC= …………………..Гц

.

• Включите блок генераторов напряжений, осциллограф и, регулируя сопротивление потенциометра, включённого последовательно с R₂, добейтесь устойчивых колебаний выходного напряжения без ограничения амплитуды напряжением питания.

• Перерисуйте осциллограмму на рис. 3.10.3, укажите масштабы по осям и определите частоту колебаний по формуле

f_{эксперим}= 1/Т= …………………Гц,

где Т– период синусоиды.

• Выключите блок генераторов напряжений, и измерьте омметром сопротивления R₁иR_2ЭКВ:

R₁ = …………….кОм;R_2ЭКВ= ………………..кОм.

• Разомкните цепь автоматического регулирования напряжения, убрав с наборного поля полевой транзистор. Снова включите блок генераторов напряжения, и, регулируя сопротивление потенциометра, добейтесь колебаний с минимальным «обрезанием» вершины синусоиды.

• Перерисуйте осциллограмму на рис.3.10.3 в том же масштабе.

• Выключите блок генераторов напряжений, измерьте омметром сопротивление R₂и определите отношениеR₁/R₂:

R₂ = ………….кОм;R₁/R₂ = …………..

Рис. 3.10.2

Рис. 3.10.3