5.9.3.Автогенератор с мостом вина в цепи обратной связи.

В рассматриваемом случае автогенератор колебаний строится на основе операционного интегрального полупроводникового усилителя, охваченного положительной обратной связью. Положительная обратная связь образуется в том случае, когда сигнал с выхода усилителя подается на его вход в фазе одинаковой с фазой сигнала на входе. В операционном усилителе это достигается подачей выходного сигнала на неинвертирующий вход усилителя.В цепь положительной обратной связи при этом включается частотно-избирательный элемент, построенный из последовательно и параллельно включенных R₁, C₁, R₂, C₂ –элементов. Комплексный коэффициент передачи R–C фильтра, равен:

Ко.с.(jω) =1/[(1+R1/R2+C1/C2)+j(ωR₁C₂ --1/ω C₁, R₂)] . (5.7.)

На квазирезонансной частоте (ω₀) фазовый сдвиг равен нулю, следовательно

ωR₁C₂ --1/ω C₁, R₂. (5.8)

Откуда следует, что

ω₀²=1/R₁, C₁, R₂, C₂. (5.9)

Модуль коэффициента передачи на квазирезонансной частоте

|Ко.с.(jω)|=1/1+R₁/R₂+C₁/C₂ (5.10.)

Условия баланса фаз и баланса амплитуд выполняются только на квазирезонансной частоте. На этой частоте (f_о) и возникают колебания амплитуды выходного напряжения.

Частота колебаний напряжения на выходе автогенератора определяется выражением:f_о=1/2 π √R₁, C₁, R₂, C₂ [Гц]. (5.11)

Обычно величины резисторов и конденсаторов в мостике Вина выбираются одинаковыми R₁=R₂=R; C₁=C₂=С. При этом

f_орасч.=1/2πRC [Гц]. (5.12)

Принципиальная электрическая схема автогенератора колебаний приведена на рис.5.16. Основным преимуществом, исследуемого автогенератора, является возможность получения стабильных колебаний напряжения в широком диапазоне низких частот. Это осуществляется изменением величин резисторов и конденсаторов, включенных в цепь положительной обратной связи.

Интегральный операционный усилитель (ОУ) характеризуется большим коэффициентом усиления по напряжению (Кu), большим входным сопротивлением (сотни МОм) и малым выходным сопротивлением(50 Ом). Усилитель имеет два входа и один выход. Один из входов усилителя называется инвертирующим. Полярность сигнала, поданного на инвертирующий вход усилителя, на выходе изменяется на противоположный. Другой вход называется неинвертирующим. Полярность сигнала, поданного на этот вход на выходе неизменяется. Питание операционного усилителя осуществляется от двухполюсного источника питания, создающего напряжения +Еп и -Еп.

Операционные усилители выпускаются для широкого предела изменения выходной мощности (100Вт) и характеризуются малым уровнем собственных шумов и высокой стабильностью выходного напряжения. Все это позволяет строить на их основе автогенераторы низкочастотных колебаний напряжения переменной частоты. Такие автогенераторы необходимы для решения широкого круга задач при автоматизации технологических процессов в пищевых отраслях промышленности.

Так как обычно коэффициент усиления О.У. оказывается слишком большим для данной системы, в схему усилителя вводится отрицательная обратная связь по напряжению. Для этого напряжение с выхода усилителя через резистор (Rо.с.) подается на инвертирующий вход усилителя. При этом коэффициент усиления по напряжению приближенно определяется выражением:

Кu.ос.=Rо.с./R г, (5.13)

где Rо.с.- сопротивление в цепи отрицательной обратной связи,

Rг- внутреннее сопротивление источника сигнала.

.

.

Рис.5.16..Принципиальная схема автогенератора колебаний напряжения, собранного по схеме Вина.

На принципиальной схеме автогенератора обозначены:

-осциллограф, используемый для наблюдения осциллограмм колебаний напряжения непосредственно на контуре Вина (красная линия) и на выходе операционного усилителя (зеленая линия). Осциллограф также используется для измерения параметров колебаний напряжения.

-операционный усилитель, инвертирующий вход которого обозначен знаком минус, неинвертирующий вход – знаком плюс.

-Мост Вина, состоящий из двух резисторов (R3= R4=20кОhm) и двух конденсаторов (С₁=С₂=10 nF=10·10^-9F),

-источник питания, создающий напряжение +15В и –15В.

-сопротивление нагрузки из трех последовательно включенных резисторов R1 (20 кОhm), резистора величиной 30 кОhm и резистора R2 (20 кОhm)

Положительная обратная связь, необходимая для самовозбуждения колебаний напряжения, создается путем подачи выходного напряжения с резисторов нагрузки через мост Вина на неинвертирующий вход О.У. Напряжение отрицательной обратной связи подается на инвертирующий вход ОУ с резистора R2(20 кОhm). Выходное напряжение снимается с резистора R1(20 кОhm). Параллельно резистору R1 включены два стабилитрона, приближающие форму колебаний на выходе автогшенератора ближе с синусоидальной..