Техническое задание

Выполнить электрический проект генератора гармонических колебаний на операционном усилителе, удовлетворяющего следующим условиям:

1. Частота генерируемых колебаний f_г = 8 кГц;

2. Амплитуда выходного напряжения: Uм.вых. 5 В;

3. Сопротивление нагрузки Rн = 75 Ом (кабель);

4. Сформулировать требования к источнику питания;

§2. Теоретические соображения

Генератором гармонических колебаний называют устройство, без постороннего возбуждения преобразующее энергию источника питания в энергию гармонических колебаний. Схемотехнически генератор – это усилитель с глубокой положительной обратной связью. Глубина ПОС подбирается такой, при которой усилитель самовозбуждается и генерирует незатухающие колебания.

Различают генераторы с внешней и внутренней ПОС. Однако, исходя из условий технического задания к курсовому проекту, генераторы с внутренней ПОС не рассматриваются.

Генераторы с внешней ПОС реализуются на усилителе, с выхода которого часть энергии колебания возвращается на вход. Такой генератор представим структурной схемой, показанной на рис. 1. Он состоит из усилителя К и цепи ПОС g. Частотная избирательность, цепи ПОС может обеспечиваться при помощи LC-контуров, пьезоэлектрических и электромеханических резонаторов, а также RC-цепей. Наиболее распространены LC- и RC-генераторы.

Частота колебаний в LC-генераторе f_г близка к резонансной частоте контура: f₀.

Отсюда видно, что для генерирования колебаний с низкими частотами требуются большие индуктивности и емкости, применение которых ни технологически, ни конструктивно не оправдано.

Частота колебаний RC-генераторов пропорциональна частоте среза RC-цепочек

f_г

Малогабаритные резисторы и конденсаторы могут иметь большие номинальные значения параметров, поэтому RC-генераторы предпочтительны в низкочастотной части диапазона. Верхний частотный предел RC-генераторов ограничивается значениями паразитных емкостей и минимальными сопротивлениями R, при которых допустимые силы токов усилителей еще обеспечивают напряжение требуемой амплитуды. Практически такие генераторы используются для генерирования колебаний, частоты которых достигают сотен килогерц.

Учитывая все выше написанное и то, что необходимо выполнить генератор гармонических колебаний с частотой f_г = 8 кГц. в качестве частотно избирательной цепочки ПОС выбираю RC-цепь, а усилительным элементом по заданию является операционный усилитель (ОУ).

§3. Выбор RC-цепочки

RC-цепочка может быть подключена как к инвертирующему, так и к неинвертирующему входу ОУ. При подключении RC-цепочки к инвертирующему входу ОУ она должна вносить фазовый сдвиг, равный . Пример такого генератора показан на рис. 2. Недостаток RC-генератора на инвертирующем усилителе – большое число (не менее 6) элементов в цепи отрицательной обратной связи (ООС), поэтому чаще применяются RC-генераторы с неинвертирующим усилителем. Т.е. RC-цепочка подключается к неинвертирующему входу ОУ.

На низких и средних частотах хорошим источником синусоидальных колебаний с малым уровнем искажений служит генератор с мостом Вина (рис. 2). Идея его состоит в том, чтобы создать усилитель с обратной связью, имеющий сдвиг фазы 0° на нужной частоте, а затем отрегулировать петлевое усиление таким образом, чтобы возникли автоколебания. Для гарантированного возбуждения автогенератора при любых колебаниях параметров усилителя и цепи ПОС петлевое усиление должно быть несколько большим, чем единица. После возникновения автоколебаний их амплитуда стабилизируется, в конечном счете, на таком уровне, при котором за счет нелинейного элемента в петле коэффициент усиления снижается до единицы. Упомянутая нелинейность проявляется в амплитудной характеристике ОУ.

Рис. 2

Коэффициент передачи моста Вина

g=Z2/(Z1+Z2) где Z1=R1+1/(j×w×C1), Z2=R2/(1+j×w×C2×R2)

Если R1=R2=R и C1=C2=C то

g=1/(3+j(w×C×R-1/( w×C×R)))

Коэффициент будет вещественным на частоте w0, определяемой из уравнения

w0×C×R-1/(w0×C×R)=0

откуда частота автоколебаний

w0=1/(R×C)

Так как на этой частоте g = 1/3, то для выполнения условия Кg = 1 усилитель при замкнутой цепи ООС должен иметь коэффициент усиления немного больше трех. При меньшем усилении колебания затухают.