Исследование RC генератора синусоидальных сигналов с мостом Вина в цепи обратной связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное АВТОНОМНОЕ образовательное учреждение Высшего профессионального образования

"Южный федеральный университет"

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: Исследование RC генератора синусоидальных сигналов с мостом Вина в цепи обратной связи

Руководитель д.т.н.,

доцент Земляков В. Л.

Автор студентка 2 курса

Руденко Е. А.

Ростов-на-Дону

2013

Аннотация

Курсовая работа содержит 16 страниц машинописного текста, 9 рисунков.

Разрабатываемый в данной курсовой работе прибор предназначен выполнять функцию генерации синусоидальных колебаний. В работе произведено моделирование и исследование RC генератора с мостом Вина , и проведена обработка данных, поступающих с выхода RC генератора в зависимости от параметров схемы.

Введение

генератор синусоидальный мост электрический

Генератором электрических сигналов называют устройство, создающее переменное электрическое напряжение при отсутствии входных сигналов. Генератор преобразует энергию источника постоянного напряжения в энергию переменного выходного сигнала.

По принципу работы и схемному построению различают генераторы с самовозбуждение (автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением, которые по существу являются усилителями мощности генерируемых колебаний заданной частоты .

Электронные автогенераторы подразделяются на автогенераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и автогенераторы колебаний несинусоидальной формы, которые принято называть релаксационными (импульсными) автогенераторами.

Являясь первоисточником электрических колебаний, генераторы с самовозбуждением широко используются в радиопередающих и радиоприемных (супергетеродинных) устройствах, в измерительной аппаратуре, в ЭВМ, в устройствах телеметрии и т. д.

1. Основные теоретические сведения

Общеизвестны несколько конфигураций генераторов синусоидальных колебаний. Первая называется генератор с мостом Вина. В этой схеме используются параллельное и последовательное включения RC элементов. Мост Вина часто используется в генераторах звуковых сигналов, так как он может легко настраиваться двух-секционным переменным конденсатором или двух секционным переменным потенциометром (который для генерации на низких частотах более доступен, чем соответствующий переменный конденсатор).

Вторая общеизвестная конструкция называется генератор с двойным Т-мостом, так как в ней используются две "Т" образные RC цепи включенные параллельно. Одна цепь является Т-образной R-C-R цепью, которая действует как фильтр пропускающий низкие частоты. Вторая цепь является Т-образной C-R-C цепью, которая действует как фильтр пропускающий высокие частоты. Вместе, эти цепи образуют мост, который настраивается на генерацию требуемой частоты.

Третьей общеизвестной разработкой является фазосдвигающий генератор. Если нам необходимо получить неискаженный синусоидальный сигнал, то обычно требуется устройство некоторого вида для управления амплитудой. Многие разработки просто используют лампочку накаливания или термистор в цепи обратной связи. Эти генераторы используют тот факт, что сопротивление вольфрамовой нити накаливания увеличивается пропорционально её температуре, термистор работает похожим образом. Хорошо действующее ниже точки при которой нить накала действительно светится, увеличение амплитуды сигнала обратной связи увеличивает ток протекающий в нити накаливания тем самым увеличивая сопротивление нити накаливания. Увеличенное сопротивление нити накаливания уменьшает сигнал обратной связи, ограничивая сигнал генератора к линейной области.

Так же существуют генераторы, которые измеряют выходной уровень и используют это как обратную связь для управления усилением управляемого напряжением внутри генератора.

Генераторы электрических сигналов составляют довольно многочисленную группу устройств, входящих в состав медицинских приборов и аппаратов. Прежде всего, это генераторы стимулирующих сигналов для различных типов электрофизиологической аппаратуры, воздействующей на биологические объекты колебаниями различной формы и интенсивности. Кроме того, генераторы используются для обеспечения работы и создания требуемых режимов функционирования различных электронных схем медицинской аппаратуры.

В генераторах синусоидальных колебаний должны выполняться условия баланса фаз и амплитуд только на одной частоте. Данная группа генераторов предназначена для получения колебаний синусоидальной формы требуемой частоты. Их работа основана на принципе самовозбуждения усилителя ,охваченного положительной обратной связью .

Рис.1 Классификация генераторов

Генераторы не требуют никакого внешнего сигнала для своей работы, вместо этого они используют некоторую часть выходного сигнала, подаваемого обратно на вход через цепь обратной связи.

Колебания в генераторах возникают от того, что системе обратной связи не удаётся найти стабильное состояние, потому что условие передаточной функции не может быть выполнено.

В RC-генераторах в качестве избирательной цепи используются RC-фильтры.

Наиболее часто для построения RC -генераторов используется мост Вина, который не имеет фазового сдвига на частоте квазирезонанса, а коэффициент передачи на этой частоте равен 1/3.

Наличие глубокой отрицательной связи в схеме обеспечивает высокую стабильность усилительного звена в RC -генераторе. Поэтому температурная нестабильность частоты генераторов определяется, в основном, зависимостью от температуры параметров элементов RC -звена обратной связи. Поэтому в практических схемах данного вида можно получить значение коэффициента нестабильности на уровне.

Во многих случаях при практическом применении RC - генераторов синусоидальных колебаний возникает задача регулировки частоты. При построении генераторов с регулируемой частотой следует учитывать тот факт, что изменение хотя бы одного из частотозадающих элементов изменяет условие возникновения генерации, что может привести к срыву колебаний.

В генераторе на основе моста Вина условие устойчивой генерации заключается в том, чтобы коэффициент усиления сигнала по цепям положительной и отрицательной обратной связи был равен единице на любой частоте. Поэтому при изменении частоты колебаний выходного напряжения в генераторах необходимо использовать сдвоенный потенциометр (или конденсатор). Однако использование сдвоенных регулирующих элементов имеет определенные неудобства.

Рис. 2 Режим работы генератора.

Во время работы генератора выделяют два режима работы: переходной и стационарный. Переходной режим работы генератора длится с момента включения генератора и до момента стабилизации параметров колебаний. Стационарный режим работы длится с момента стабилизации параметров колебаний и до выключения генератора (рисунок 2). В зависимости от значений постоянных питающих напряжений подводимых к электродам усилительного элемента, и от коэффициента Кос возможны два режима самовозбуждения: мягкий и жесткий. При мягком режиме самовозбуждения положение рабочей точки (А) задается на линейном участке вольт-амперной характеристики усилительного элемента (рисунок 2). В этом случае обеспечивается начальный режим работы усилительного элемента без отсечки выходного тока. При этом режиме самовозбуждение возникает даже при незначительных изменениях входного напряжения, которые всегда наблюдаются из-за флуктуаций носителей зарядов.

Рис. 3 Диаграммы, поясняющие мягкий режим самовозбуждения

При жестком режиме самовозбуждения положение рабочей точки задается за пределами вольт-амперной характеристики усилительного элемента (рисунок 3). Это приводит к тому, что усилительный элемент постоянно работает в режиме отсечки выходного тока, вследствие этого колебания на выходе элемента появляются лишь при превышении амплитудой входного напряжения u(t) определенного значения Uн.

Рис. 4 Диаграммы, поясняющие жёсткий режим самовозбуждения

2. Практическая часть

Цель работы: исследовать RC генератор синусоидальных сигналов с мостом Вина, используя программу Micro-Cap.

Ход выполнения работы: Проведем моделирование схемы RC генератора с мостом Вина в программе Micro-Cap (рис. 5).

Рис. 6. Схема RC генератора на мосте Вина

Как известно, частота автоколебаний в таком генераторе определяется формулой f = 1/(2рRC), подставляя данные, получим: f = 1/(6,28•1,592 кОм•0,001мкФ)=100кГц.

Для стабилизации амплитуды выходного сигнала используется встречно-параллельная диодная пара. Если по каким либо-либо причинам амплитуда напряжения на выходе увеличится, то увеличится и амплитуда полуволн тока, протекающих через диоды. Это приведет в свою очередь к тому, что для каждого диода уменьшиться его дифференциальное сопротивление. Это эквивалентно уменьшению сопротивления в цепи положительной обратной связи и к уменьшению усиления ОУ.

На рис.6 мы видим, что выходной сигнал постепенно возрастает и обрезается на уровне напряжения насыщения операционного усилителя.

Рис.6. график сгенерированного сигнала

Чтобы сигнал на выходе имел синусоидальную форму, необходимо подобрать величину резистора R₄ по наименьшим искажениям. В результате получим величину R₄ = 38 кОм.

На рис. 7 приведен график сгенерированного сигнала до времени выхода генератора на устойчивый режим генерации.

Рис.7. график сгенерированного сигнала до времени выхода генератора на устойчивый режим генерации.

Рис.8. график сгенерированного сигнала после выхода генератора на устойчивый режим генерации

Рис. 9. График сгенерированного сигнала после выхода генератора на устойчивый режим генерации в масштабе

По данным с графика выходного сигнала снятого с осциллографа определим время выхода генератора на устойчивый режим генерации t, частоту f и амплитуду U: t?236,2мс, f₂?97,1 кГц, U?12,492В.

Заключение

В данной работе была собрана и исследована схема RC генератора синусоидальных сигналов на мосте Вина. Исследование показало насколько важны параметры схемы, особенно параметры RC контура и элементов обратной связи. От этих параметров зависит время выхода генератора на устойчивый режим генерации, частота, и форма выходного сигнала. Так же мною было зарегистрировано то, что в действительности схема генерирует на частоте 97,1кГц, а не 100кГц из-за разброса параметров компонент, и с коэффициентом искажений, равным 2.8%. Изменяя эти параметры можно сделать необходимый RC генератор, так как моделируя схему, я сделала вывод, что искажения растут с увеличением насыщения, которое растёт с увеличением сопротивления R₄, и генерация прекращается при уменьшении сопротивления R₄ .

Список использованной литературы

1. Земляков В.Л. Электротехника и электроника: учебник. Ростов-на-Дону: изд-во ЮФУ, 2008. - 201 с.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. - Москва: Высш. шк., 1999.

3. Основы промышленной электроники / Под. ред. В.Г. Герасимова. - Москва: Высш. шк., 1986.

Размещено на Allbest.ru