Исследование RC–автогенераторов для операционных усилителей с мостом Вина
СОДЕРЖАНИЕ: Принципиальная схема RC–автогенератора. Создание модели операционного усилителя и его АЧХ. Генерация гармонических колебаний. Влияние температур на форму и спектральный состав генерируемых колебаний. Влияние обратной связи на генерацию колебаний.Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«воронежский государственный техническийУниверситет»
(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) -430 С до (+30+N) +480 С.
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 -430 С
Рис. 8 Спектр колебаний при температуре 480 С
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.