10.2.3.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 совподающей с фазой сигнала на входе. В операционном усилителе это достигается подачей части 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. Комплексный 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
ωR1C2 --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.
Ч
астота
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 равными R1=R2=R; C1=C2=С. При этом
fорасч.=1/2πR∙C [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. Основным преимуществом исследуемого автогенератора является возможность получения стабильных колебаний напряжения в широком диапазоне низких частот. Это осуществляется изменением величин резисторов и конденсаторов, включенных в цепь 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. При подаче сигналов на инвертирующий вход их полярность на выходе изменяется на противоположную. Другой вход называется неинвертирующим. При подаче сигналов на этот вход их полярность на выходе не изменяется. В том случае,если коэффициент усиления О.У. оказывается слишком большим для данной системы, в схему усилителя вводится отрицательная обратная связь по напряжению. Для этого часть напряжения 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);
-операционный усилитель, инвертирующий вход которого обозначен знаком минус, а неинвертирующий вход – знаком плюс;
-мост Вина, состоящий из двух резисторов (R1= R2=66кОhm) и двух конденсаторов (С1=С2=40 nF=40·10-9F);
-источник питания, создающий напряжение +15В и –15В;
-нагрузка из трех последовательно включенных резисторов R3 (20 кОhm), R4 (30 кОhm) и R5 (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 ОУ с делителя напряжения, образованного резисторами R1, R2, R3. Выходное напряжение подается на осциллограф с резисторов R1,R2, R3. Параллельно резистору R3 включены два стабилитрона, приближающие форму колебаний на выходе автогенератора ближе с синусоидальной и ограничивающие амплитуду колебаний выходного напряжения.