Исследование RC – автогенераторов для операционных усилителей с мостом Вина

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ

ГОУ ВПО ТЮМЕНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

 

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине Общая электротехника и электроника

 

Тема: Исследование RC – автогенераторов для операционных усилителей с мостом Вина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тюмень 2012 г. 
Техническое задание на курсовую работу

 

1. Частота генерации f=1,5*N=1,5*18=27 Гц.

2. Структура RC–автогенератора – автогенератор с мостом Вина.

3. Тип усилителя – операционный усилитель К140УД8.

4. Создать модель операционного  усилителя К140УД8.

5. Провести анализ  АЧХ операционного усилителя  К140УД8.

6. Исследовать режим  генерации автоколебаний с мостом  Вина.

7. Провести спектральный  анализ генерируемых колебаний.

8. Диапазон рабочих  температур от (-25-N) -43⁰С до (+30+N) +48⁰С.

9. Провести анализ  влияния температуры на форму  и спектральный состав генерируемых  колебаний.

10. Исследовать влияние  обратной связи на генерацию  колебаний

 

Введение

 

Генератором гармонических  колебаний называют устройство, которое без постоянного возбуждения преобразует энергию источника питания в энергию гармонических колебаний.

Операционный усилитель  – это аналоговая интегральная схема, снабженная, как минимумом, пятью  выводами. Два вывода ОУ используются в качестве входных, один вывод является выходным, два оставшихся вывода используются для подключения источника питания ОУ. С учетом фазовых соотношений входного и выходного сигналов один из входных выводов называются неинвертирующим, а другой – инвертирующим [1].

Автогенератор – это  узкополосный усилитель с положительной  обратной связью.

Автогенератор представляет собой  устройство, в котором осуществляется преобразование энергии источника  постоянного тока в энергию переменных электрических колебаний без  подведения к нему внешнего переменного напряжения.

Для возбуждения колебаний  в автогенераторах используется положительная обратная связь или  активный прибор, имеющий участок  характеристики с отрицательным  наклоном [2].

 

1. Принципиальная схема RC – автогенератора с мостом Вина

 

Рис.1 RC-генератор с мостом Вина

2. Создание модели операционного усилителя

 

Для создания модели операционного  усилителя К140УД8 мы использовали программу PARTS.

Вводили тип операционного  усилителя, выбирали тип транзистора  во входном каскаде ОУ и тип его проводимости. [2]

 

Тип транзистора	2 (полевой с каналом n-типа)
Тип коррекции	0 (внутренняя коррекция)
+Vpwr	15
-Vpwr	–15
+Vout	13
-Vout	–13
+Sr	0.5e6
-Sr	0.5e6
Pd	0.21
Cc	30e–12
Ib	500e–9
Av-dc	50e3
f-OdB	1e6
CMRR	31.62e3
Phi	60
Ro-dc	100
Ro-ac	50
Ios	43e–3

3. АЧХ операционного усилителя

 

Коэффициент усиления (К) равен отношению приращения выходного  напряжения (тока) к вызвавшему это  приращение входному напряжению (току) при отсутствии обратной связи. [2]

Вход (+) (т.е. прямой или неинвертирующий вход) операционного усилителя соединяется с узлом 0 цепи). [2]

Коэффициент усиления операционного  усилителя, для данной схемы измерения  определяется выражением

 

K=V(2)/V(1) (1)

 

Задание на моделирование имеет  вид:

 

*A4H

.lib C:\PSpice\k140ud8.mod

V1 1 0 ac .1v sin(0 1 1000)

V2 6 0 dc 15v

V3 0 7 dc 15v

X1 0 1 6 7 2 k157ud2

.ac dec 10 1 10meg

.probe

.end

 

Получается следующий график

 

Рис.2. АЧХ операционного  усилителя К140УД8

4. Генерация гармонических колебаний

 

Для исследования режима генерирования колебаний RC- автогенератора с мостом Вина используется среда Pspice.

С₁, С₂ выбираем равными 16*10^-6, из формулы:

 

. (2)

 

выводим R:

 

 (3)

 

Подставляем значения f, с в уравнение (3):

 

 

Задание на моделирование  имеет вид:

 

*Generator

.lib С:\PSpice\k140ud8.mod

x1 3 1 6 5 4 k157ud2

c1 0 3 16u

c2 3 2 16u

r1 1 0 3.1k

r2 1 4 8k

r3 3 0 348

r4 2 4 348

v1 6 0 dc 15v

v2 0 5 dc 15v

.tran 100m 2s 0 uic

.probe

.end

 

Получается следующая осциллограмма:

 

 

5. Получение спектра  генерируемых колебаний

 

Вывод спектра колебания  на экран осуществляется по следующему алгоритму:

1. Запустить задание  на моделирование.

2. Войти в меню X_axis.

3. Выбрать пункт Fourier. [2]

График спектра генерируемых колебаний будет выглядеть следующим образом:

 

Рис.4 Спектр колебаний для ОУ К140УД8

 

Из спектра видно, что  кроме первой гармоники, имеется  еще две, на других частотах.

 

6. Влияние температур на форму и спектральный состав генерируемых колебаний

 

Для исследования влияния температур на частоту генерации колебаний, необходимо в заданию на моделирование добавить строку, учитывающую диапазон рабочих температур, в частности: .temp -43 48 и запустить задание на моделирование. [2]

 

*Generator

.lib C:\PSpice\k140ud8.mod

x1 3 1 6 5 4 k140ud8

c1 0 3 16u

c2 3 2 16u

r1 1 0 3.1k

r2 1 4 8k

r3 3 0 348

r4 2 4 348

v1 6 0 dc 15v

v2 0 5 dc 15v

.tran 100m 2s 0 uic

.temp -43 48

.probe

.end

 

Графики выходных сигналов, с учетом влияния температур:

 

Спектры колебаний для операционного усилителя К140УД8 с учетом температур выглядят следующим образом:

 

Рис. 7 Спектр колебаний при температуре -43⁰С

 

Рис. 8 Спектр колебаний при температуре 48⁰С

7. Влияние обратной связи на генерацию колебаний

 

Для исследования влияния  величины отрицательной обратной связи на генерацию колебаний необходимо в схеме изменить величину сопротивления, например R1, таким образом, чтобы баланс амплитуд не выполнялся:

 

*Generator

.lib D:\PSpice\k157ud2.mod

x1 3 1 6 5 4 k157ud2

c1 0 3 20u

c2 3 2 20u

r1 1 0 6.1k

r2 1 4 12k

r3 3 0 0.25k

r4 2 4 0.25k

v1 6 0 dc 15v

v2 0 5 dc 15v

.tran 100m 2s 0 uic

.probe

.end

 

Рис.9 Влияние обратной связи на генерацию колебаний

 

Из полученного графика  видно, что при уменьшении коэффициента обратной связи, генерация становится хуже.

 

Заключение

 

В проделанной контрольной  работе смоделировали RC – автогенератор с мостом вина, используя операционный усилитель К140УД8.

Для обеспечения незатухающих колебаний, усилитель должен быть охвачен  достаточной положительной обратной связью, т.е. должен быть выполнен баланс амплитуд и баланс фаз.

Сняв АЧХ операционного  усилителя, с помощью программы PSpice, удалось увидеть, что коэффициент усиления ОУ имеет максимальное значение равное 72*10³ на частоте 1герц.

Спектральный анализ показал, что наличие гармони в выходном сигнале относительно невелико, чему способствует наличие отрицательной обратной связи.

Затухающее колебание  происходят в результате того, что  условие баланса амплитуд не выполняется. При уменьшение коэффициента обратной связи, генерация становится хуже.

 

Библиографический список

 

1. Каяцкас А.А. Основы  радиоэлектроники: Учеб. Пособие для  студентов вузов по спец. «Констр.  и производство радиоаппаратуры».- М.: Высш. шк., 1988.-464 с.: ил.

2. Мушта А.И., Балашов  Ю.С., Новожилов О.П. Схемотехническое моделирование аналоговых устройств.: Учебное пособие. 2003. -144с.

3. Степаненко И. П.  Основы микроэлектроники: Учебное  пособие для вузов. – 2-е  изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория  Базовых Знаний, 2001. – 488 с.: ил.