Projektowanie generatorów sinusoidalnych z użyciem wzmacniaczy operacyjnych

Transkrypt

1 Instytut Autmatyki Prjektwanie generatrów sinusidalnych z użyciem wzmacniaczy peracyjnych. Generatr z mstkiem Wiena. ysunek przedstawia układ generatra sinusidalneg z mstkiem Wiena. Jeżeli przerwiemy sprzężenie zwrtne przy ddatnim wejściu wzmacniacza peracyjneg wtedy napięcie w punkcie V POW (s) mżna wyrazić wzrem: VPOW VWy s s s s s j ω ω dla s jω Dla ω πf / sygnał sprzężenia zwrtneg jest w fazie (uwaga: jest t ddatnie sprzężenie zwrtne) i wzmcnienie tej części układu jest równe /. Warunek stabilnych scylacji wymaga aby wzmacniacz peracyjny wykazywał działanie wzmacniające współczynniku wzmcnienia. Dla wzmcnienie wzmacniacza wynsi i układ scyluje z częsttliwścią f / π. V UA V V V LM Vpw ys. Generatr sinusidalny z mstkiem Wiena Labratrium Symulacji Kmputerwej Układów Autmatyki

2 Instytut Autmatyki. Generatr z mstkiem Wiena i nieliniwą rezystancją ysunek przedstawia układ generatra sinusidalneg z mstkiem Wiena z nieliniwą rezystancją. Jak elementu nieliniwej rezystancji używa się częst żarówki. Wartść rezystancji żarówki dbiera jak płwę rezystancji ujemneg sprzężenia zwrtneg. Nieliniwa zależnść między prądem żarówki i jej rezystancją utrzymuje małe wahania amplitudy sygnału sinusidalneg. V UA V V V LM ys.. Generatr z mstkiem Wiena i nieliniwą rezystancją Układy, które używają didy zamiast nieliniwej rezystancji charakteryzują się mniejszym pzimem zniekształceń i tzw. miękkim graniczeniem dla sygnału wyjściweg. Jeżeli ptrzebne są jeszcze dkładniejsze układy, stsuje się tzw. autmatyczną regulację wzmcnienia. Typwym przykładem układu z autmatyczną regulacją wzmcnienia jest układ przedstawiny na rysunku. Ujemna półfala przebiegu sinusidalneg z wyjścia układu jest przepuszczana przez didę i dfiltrwana na. ezystry i dbran tak aby ustalić punkt pracy zależnść: J w zależnści d żądaneg napięcia wyjściweg spełniając ( J ) /. Wzrst amplitudy sygnału wyjściweg pwduje wzrst rezystancji drenźródł J c z klei skutkuje spadkiem wzmcnienia i stabilizuje amplitudę fali sinusidalnej. Labratrium Symulacji Kmputerwej Układów Autmatyki

3 Instytut Autmatyki D DN8 J BF5A V V V UA V LM ys.. Generatr sinusidalny z autmatyczną regulacją wzmcnienia. Generatry sinusidalne z przesuwnikami fazwymi Generatr sinusidalny wykrzystujący układ przesuwnika fazweg raz jeden wzmacniacz peracyjny przedstawia rysunek. V UA V V V LM ys.. Generatr sinusidalny z przesuwnikiem fazwym Przy załżeniu, że przesunięcie fazwe każdej sekcji jest niezależne d pzstałych transmitancję pętli twartej układu z rysunku mżna zapisać wzrem: Labratrium Symulacji Kmputerwej Układów Autmatyki

4 Instytut Autmatyki Aβ A s Przesunięcie fazwe pętli twartej wynsi 8 w sytuacji gdy przesunięcie fazwe każdej sekcji równe jest Mduł β wynsi ( / 6 ) mduł pętli twartej równał się., c ma miejsce gdy ω πf / pnieważ tg ( 6 )., w związku z czym wzmcnienie wzmacniacza musi wynsić 8 aby W praktyce kazuje się, że pszczególne sekcje przesuwnika fazweg bciążają się wzajemnie i trudn jest dbrać działający układ generatra stsując przedstawine załżenia prjektwe.. Bufrwany generatr z przesuwnikiem fazwym Układ generatra sinusidalneg w którym p każdej sekcji przesuwnika fazweg występuje wtórnik napięciwy przedstawia rysunek 5. V UA V V V LM UA V V V V LM UA V V V V LM ys. 5. Bufrwany generatr sinusidalny z przesuwnikiem fazwym Wtórniki napięciwe dizlwują pszczególne sekcje przesuwnika d siebie c skutkuje tym że nie bciążają się ne wzajemnie. W związku z tym wyniki prjektwania teg typu Labratrium Symulacji Kmputerwej Układów Autmatyki

5 Instytut Autmatyki generatrów są praktycznie zgdne z załżeniami teretycznymi. Fale sinusidalne małych zniekształceniach uzyskać mżna z każdeg z wyjść wzmacniaczy peracyjnych znajdujących się p każdej z sekcji przesuwnika, jednak najczystszą falę sinusidalną uzyskuje się z wyjścia statniej sekcji przerzutnika. Jest t węzeł dużej impedancji dlateg wymaga wejścia również dużej impedancji w celu uniknięcia bciążenia i zmian częsttliwści spwdwaneg zmianami bciążenia. 5. Generatr kwadraturwy Innym typem generatrów sinusidalnych z przesuwnikami fazwymi są generatry kwadraturwe. Układ przedstawiny na rysunku 6 zstał tak sknfigurwany, że trzy sekcje przesuwnika dstarczają przesunięć fazwych równych każda. Wyjścia układu dstarczają dpwiedni sygnałów sinusidalneg i csinusidalneg pnieważ występuje 9 9 przesuniecie fazy między wyjściami wzmacniaczy peracyjnych. Transmitancję pętli twartej takieg układu mżna zapisać wzrem: Aβ s s s s ( ) W przypadku gdy pwyższe równanie upraszcza się d pstaci: A β ( s) W związku z czym w układzie pwstają drgania sinusidalne częsttliwści ω πf / Labratrium Symulacji Kmputerwej Układów Autmatyki

6 Instytut Autmatyki V UA V V V LM UA LM V V V _SIN _OS V ys. 6. Generatr kwadraturwy 6. Generatr Bubba ysunek 7 przedstawia inny typ generatra sinusidalneg party na przesuwnikach fazwych tzw. generatr Bubba. Układ ten jest zalecany szczególnie tam gdzie wykrzystuje się cztery wzmacniacze peracyjne zawarte w jednej budwie. ztery sekcje dstarczają przesunięcia fazweg wartści każda. Gdy sygnały wyjściwe generatra brane są z wyjścia każdeg wzmacniacza peracyjneg układ dstarcza cztery sygnały sinusidalne przesunięte miedzy sbą 5. 5 Labratrium Symulacji Kmputerwej Układów Autmatyki

7 Instytut Autmatyki V LM UA V V V LM UA V V V V LM V V V V UA LM V V V V UA _SIN _OS ys. 7. Generatr Bubba Transmitancja pętli twartej takieg układu wyraża się wzrem: Aβ A s Wynika z nieg, że dla ω πf / β j raz: ϕ β () * ar ctg 8 Wyprwadzne wzry na mduł i przesunięcie fazwe pkazują, że scylacje pwstaną w układzie gdy wzmcnienie wzmacniacza A będzie równe. Gdy wymaganym jest aby trzymać bardz małe zniekształcenia sygnałów na wszystkich wyjściach wzmacniaczy Labratrium Symulacji Kmputerwej Układów Autmatyki

8 Instytut Autmatyki peracyjnych wtedy wypadkwe wzmcnienie A pdzielić należy równmiernie na wszystkie wzmacniacze peracyjne. Plecenia:. Dknać syntezy wszystkich układów generatrów sinusidalnych w śrdwisku symulacyjnym OrAD/PSPIE.. Wartści elementów biernych prjektwanych układów wyznaczyć z pdanych zależnści teretycznych na pdstawie wymagań pdanych przez prwadząceg zajęcia (częsttliwść i amplituda generwanej fali sinusidalnej, raz napięcia zasilania i typ wzmacniaczy peracyjnych).. Przeprwadzić badania symulacyjne przedstawinych układów i w miarę ptrzeb dknać krekty elementów biernych tak aby z jednej strny spełnić warunki wynikające z załżeń prjektwych a z drugiej trzymać stabilne, niegasnące drgania harmniczne. Zwrócić uwagę na ptrzebę uwzględnienia niezerwych warunków pczątkwych (napięcie na pjemnściach w chwili t ), będące niejednkrtnie pdstawą wzbudzenia się drgań w symulwanym układzie.. Przeprwadzić analizę zniekształceń generwanych przebiegów harmnicznych (np. metdą transfrmaty Furiera) i wybrać układ najlepszym stsunku ksztów (ilść elementów i skmplikwanie układu) d zniekształceń generwanej fali. Przy analizie uwzględnić wszystkie wyjścia generujące falę sinusidalną. 5. Przeprwadzić analizę wrażliwści wyjściwych sygnałów sinusidalnych na nieidentycznść elementów biernych użytych d prjektu (zmiana rezystancji ± 5%, zmiana pjemnści ± % ), szczególnie w tych układach gdzie przyjęt załżenie identycznści elementów biernych w celu wyprwadzenia prstych zależnści analitycznych pisujących działanie układu. 6. Wyniki badań zamieścić w sprawzdaniu zawierającym schemat badaneg układu, załżenia prjektwe i przebiegi czaswe raz częsttliwściwe. Literatura.. Analg Applicatins Jurnal TI, Analg and MixedSignal Prducts, August Labratrium Symulacji Kmputerwej Układów Autmatyki