Автогенератор на операционном усилителе

1. Электрическая схема RC-автогенератора, выполненного на операционном усилителе (ОУ), приведена на рис. 1. Операционный усилитель охвачен цепью положительной обратной связи (ПОС), составленной из резисторов R и конденсаторов С, а также цепью отрицательной обратной связи (ООС), образованной диодами Dl, D2 и резистором R1. Нелинейная ООС предназначена для ограничения амплитуды возникающих автоколебаний.

Частота колебаний автогенератора равна 30N Гц для группы 1 и N кГц для группы 2. Сопротивления резисторов и емкости конденсаторов в цепи ПОС рассчитываются с использованием формулы для частоты колебаний RC-автогенератора: . При этом сопротивление R взять из диапазона 1...10 кОм. Операционный усилитель выбрать из библиотеки 1m7xx, например, LM741. Сопротивление R₁ = 10 кОм. Диоды схемы можно взять из библиотеки default, модель ideal.

2. Получить установившийся (основной) режим работы автогенератора. Определить основные показатели автогенератора: частоту и амплитуду автоколебаний. Сравнить частоту автоколебаний с заданной частотой w₀.

Увеличить (или уменьшить) сопротивления (или емкости) в цепи ПОС в два раза. Определить новую частоту автоколебаний. Во сколько раз изменилась частота колебаний?

3. Анализируя начало осциллограммы, определить длительность переходного процесса установления автоколебаний. За нулевой момент времени берется момент начала анализа. Как правило, колебание считается установившимся, если его амплитуда отличается от стационарной не более чем на 10%.

4. Исследование условий самовозбуждения автогенератора.

4.1. Включить параллельно диодам переменный резистор с сопротивлением 40 кОм. Уменьшая и увеличивая его сопротивление, наблюдать процесс возникновения и срыва автоколебаний. Определить сопротивление резистора, при котором происходит самовозбуждение, и рассчитать по формуле коэффициент усиления неинвертирующего усилителя (сопротивления закрытых диодов D1 и D2 при самовозбуждении можно не учитывать, так как напряжения в схеме еще очень малы). Проверить выполнение условия самовозбуждения RC-автогенератора.

4.2*. Заменить тип ОУ — вместо LM741 включить идеальный ОУ из библиотеки default. Объяснить причину отсутствия самовозбуждения автогенератора. Отключая резистор R1 от корпуса, подключить последовательно с резистором R1 функциональный генератор. С генератора подать возбуждающий короткий прямоугольный импульс с малой амплитудой (Duty cycle равно 0,1, частота следования импульсов 0,1 Гц, амплитуда 1 мВ). Получить самовозбуждение автогенератора. Объяснить полученный эффект. Вернуться к реальному ОУ (LM741) и отключить функциональный генератор. Объяснить причину самовозбуждения схемы с этим ОУ без дополнительного возбуждающего импульса.

5. Исследование установившегося режима работы автогенератора.

5.1. Отключить цепь ПОС от автогенератора. Подавая гармонический сигнал на неинвертирующий вход усилителя получить на частоте автоколебаний на выходе такую же амплитуду выходного напряжения, как и в случае автоколебаний. Рассчитать коэффициент усиления усилителя, соответствующий стационарному состоянию автогенератора.

5.2*. Подключить к цепи ПОС измеритель АЧХ. При этом обратить внимание на то, что вход цепи ПОС располагается у выходных зажимов усилителя. Дополнительно к входным зажимам цепи ПОС подключить источник гармонического напряжения, который необходим для правильной работы измерителя АЧХ. С помощью измерителя АЧХ найти частоту квазирезонанса и коэффициент передачи цепи ПОС на частоте квазирезонанса.

5.3*. По измеренным данным проверить баланс амплитуд и фаз в установившемся состоянии автогенератора.