Исследование RC–автогенераторов для операционных усилителей с мостом Вина

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«воронежский государственный технический Университет»

(ГОУВПО «ВГТУ»)

Радиотехнический факультет

Курсовая работа

по дисциплине Схемотехника электронных средств

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

Разработал

студент ФВЗО группы РК-082(У)

А.Ю. Белялов

Руководитель

А.И. Мушта

Воронеж 2011

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 проделанном курсовом проекте 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.