LABORATORIUM UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH

GENERATORY RC

Program ćwiczenia:

1. Układ z mostkiem Wiena

1. Badanie czwórnika selektywnego typu połowa mostka Wiena:

a) zdejmowanie charakterystyki częstotliwościowej czwórnika U_wy=F(f) przy U_we=const.

b) zdejmowanie charakterystyki częstotliwościowej Ψ=F(f) czwórnika.

2. Badanie selektywnego wzmacniacza napięcia z mostkiem Wiena:

a) zdejmowanie charakterystyki częstotliwościowej U_wy=F(f) przy U_we=const.

3. Badanie generatora z mostkiem Wiena:

a) pomiar wartości współczynnika wzmocnienia napięciowego wzmacniacza k_u,

koniecznej do generacji drgań niegasnących

b) obserwacja wpływu zmian wartości współczynnika wzmocnienia

napięciowego k_u na generowane drgania.

4. Badanie układu selektywnego ze wzmacniaczem operacyjnym:

1. zdejmowanie charakterystyki częstotliwościowej czwórnika U_wy=F(f) i Ψ=F(f) przy U_we=const dla różnych wartości ujemnego sprzężenia zwrotnego w danej jego konfiguracji.

2. porównanie dobroci równoważnej układu dla różnych wartości C₁ =C₂ mostka i stałego sprzężenia zwrotnego w danej konfiguracji

5. Badanie generatora ze wzmacniaczem operacyjnym:

1. określenie krytycznej dla generacji drgań wartości sprzężenia zwrotnego w danej konfiguracji.

2. zdejmowanie charakterystyki obciążenia generatora U_wy=F(R_obc) dla wszystkich konfiguracji ujemnego sprzężenia zwrotnego.

3. Regulacja amplitudy napięcia wyjściowego.

4. pomiar zakresu i współczynnika przestrajania.

5. pomiar stałości amplitudy w zakresie przestrajania.

2. Układ z czwórnikiem typu przesuwnik fazowy:

1. Badanie czwórnika typu przesuwnik fazowy:

1. zdejmowanie charakterystyki częstotliwościowej czwórnika U_wy=F(f) przy U_we=const.

2. zdejmowanie charakterystyki częstotliwościowej Ψ=F(f).

2. Badanie z generatora z przesuwnikiem fazowym:

1. obserwacja wpływu zmian wartości współczynnika wzmocnienia k_u na generowane drgania

2. pomiar wartości współczynnika wzmocnienia napięciowego k_u wzmacniacza koniecznej do generacji drgań niegasnących

3. Układ z czwórnikiem typu podwójne T.

1.Badanie czwórnika selektywnego typu podwójne T:

1. zdejmowanie charakterystyki częstotliwościowej czwórnika U_wy=F(f) przy U_we=const

2. określenie przesunięcia fazowego Ψ dla częstotliwości quasirezonansowej f₀.

2.Badanie generatora z czwórnikiem typu podwójne T.

1. obserwacja wpływu zmian wartości współczynnika k_u na generowane drgania.

2. pomiar wartości współczynnika wzmocnienia napięciowego k_u wzmacniacza koniecznej do generacji drgań niegasnących.

Ad I. Układ z mostkiem Wiena

1. Badanie czwórnika selektywnego typu połowa mostka Wiena

Ogólny schemat czwórnika selektywnego typu połowa mostka Wiena przedstawia rys. 1a. Ba­da­ny czwórnik przedstawiono na rys. 1b.

Rys. 1

W czasie badania czwórnika zaciski a i b są zwarte. W badanym czwórniku

C₁ = C₂ = C R₁ = R₂ = R R₂ = R_G1 || R_G2

Połączyć układ według rysunku 2.

Rys. 2

Na wejście układu podać z generatora napięcie sinusoidalnie zmienne. Wartość między­szczy­towa napięcia wejściowego U_we ≈ 1V.

Zdjąć charakterystykę częstotliwościową czwórnika U_wy = f (f ) przy U_we = const.

Na podstawie pomiarów wykreślić półlogarytmiczną charakterystykę β = f (log (f ) ), gdzie

. (1)

Częstotliwość quasirezonansowa wyraża się wzorem

. (2)

Dla częstotliwości f₀ współczynnik β ma wartość

, (3)

a przesunięcie fazowe między u_wy i u_we ψ = 0.

Dla elementów czwórnika R₁ = R₂, C₁ = C₂

(4)

(5)

, (6)

gdzie f₂, f₁ - częstotliwości przy których β maleje
razy,

B - szerokość pasma przenoszenia.

Charakterystyki β = f (f ) i ψ = f (f ) przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3

Porównać wartość współczynnika β₀, częstotliwości f₀ i pasma przenoszenia B, obliczone na podstawie wzorów (4), (5), (6) z wynikami pomiarów.

2. Badanie selektywnego wzmacniacza napięcia z mostkiem Wiena

Schemat układu z mostkiem Wiena przedstawia rys. 4.

Rys. 4

Schemat blokowy selektywnego wzmacniacza napięcia z mostkiem Wiena przedstawiono na rys. 5.

Rys. 5

Połączyć układ według rysunku 6. W układzie wg rysunku 4 zewrzeć zaciski e-f.

Rys. 6

Potencjometrem P ustawić takie wzmocnienie k_u wzmacniacza, aby nie wywołać generacji drgań w układzie.

Na wejście układu między zaciski h i d oznaczone na rys. 4 podać z generatora napięcie sinusoidalnie zmienne. Międzyszczytowa wartość napięcia wejściowego u_we musi być tak dobrana, by przebieg u_wy nie był zniekształcony.

Zdjąć charakterystykę częstotliwościową U_wy = f (f ) przy U_we = const.

Na podstawie pomiarów wykreślić półlogarytmiczną charakterystykę k_u­ = f (log f ), gdzie

. (7)

Charakterystykę selektywnego wzmacniacza napięcia przedstawiono na rys. 7.

Rys. 7

f₀ - częstotliwość przy której k_u = k_umax,

f₁, f₂ - częstotliwości, przy których k_u maleje
razy

(8)

B - szerokość pasma przenoszenia

Na podstawie wzoru (8) obliczyć szerokość pasma przenoszenia wzmacniacza selektywnego.

3. Badanie generatora z mostkiem Wiena

Schemat blokowy układu generatora z mostkiem Wiena przedstawiono na rys. 8.

Rys. 8

W układzie przedstawionym na rys. 4 zewrzeć zaciski e-f oraz d-h. Połączyć układ według rys. 9.

Rys. 9

Przy pomocy potencjometru P zwiększać wzmocnienie wzmacniacza aż do wystąpienia niezniekształconych drgań niegasnących. Zmierzyć częstotliwość drgań generatora.

Porównać fazę napięcia na wejściu wzmacniacza u₁ z fazą napięcia na jego wyjściu u_wy.

Obliczyć wzmocnienie wzmacniacza

. (9)

Sprawdzić warunek powstawania drgań

, (10)

gdzie: k_u - wzmocnienie wzmacniacza obliczone na podstawie wzoru (9),

β - współczynnik obliczony na podstawie wzoru (4).

Zaobserwować przebiegi napięć w generatorze przy dalszym zwiększaniu wzmocnienia wzmacniacza k_u. Wyjaśnić przyczynę obserwowanych zniekształceń.

4. Badanie układu selektywnego ze wzmacniaczem operacyjnym

Schemat układu przedstawiono na rys. 10.

Rys. 10

Schemat blokowy układu pracującego jako wzmacniacz selektywny przedstawiono na rys. 11.

Rys. 11

Połączyć układ według schematu na rys. 12.

Rys. 12

Potencjometrem P₁ ustawić taką wartość tłumienia β ujemnego sprzężenia zwrotnego, aby nie wywołać generacji drgań przez układ. Na wejście układu między zaciski a i b podać napięcie sinusoidalnie zmienne. Międzyszczytowa wartość tego napięcia musi być tak dobra­na, aby nie wywołać zniekształceń napięcia wyjściowego u_wy. Wartość tłumienia β dla każdej rodziny charakterystyk ustawiać potencjometrem P₁. W przypadku sprzężenia z tranzystorem unipolarnym wartość tę można także zmieniać potencjometrem P₂.

Na podst. pomiarów wykreślić rodziny charakterystyk półlogarytmicznych: k_u = f (log (f ) ) oraz ψ = f (log (f ) ) odpowiadających różnym wartościom β. Współczynnik wzmocnienia obli­czać według zależności (7). Określić częstotliwości graniczne i szerokość pasma przenoszenia według wzoru (8). Przykład charakterystyk przedstawiono na rys. 13.

Rys. 13

Dobroć równoważną oblicza się na podstawie poniższej zależności:

, (11)

gdzie: f₀ - częstotliwość quasirezonansowa,

B - szerokość pasma przenoszenia obliczona według zależności (8).

Dla danej wartości współczynnika tłumienia β ujemnego sprzężenia zwrotnego o przyjętej konfiguracji porównać dobroci równoważne dla różnych pojemności mostka Wiena.

5. Badanie generatora ze wzmacniaczem operacyjnym

Schemat układu pomiarowego do badania generatora przedstawiono na rys. 14.

Rys. 14

W układzie z rys. 10 zewrzeć zaciski a-b. Przy pomocy potencjometru P₁ zmieniać tłu­mienie β danego układu sprzężenia zwrotnego, aż wystąpią drgania niegasnące. Dla sprzę­żenia na rezystorach zmierzyć krytyczną wartość β_kr jako stosunek R₃ / R₄. Dla pozostałych rodzajów sprzę­żeń oszacować wartość β_kr.

Zbadać zdolność stabilizacji amplitudy drgań przez poszczególne układy sprzężenia zwrot­nego w funkcji oporności obciążenia R_obc. Pomiar U_wy = f (R_obc) prowadzić dopóki napięcie wyjściowe nie spadnie poniżej wartości
, gdzie U_∞ odpowiada napięciu dla R_obc = ∞. Wyniki pomiarów przedstawić na wspólnym wykresie. Przykładowe charakterystyki przed­sta­wiono na rys. 15.

Rys. 15

Zbadać możliwość regulacji amplitudy napięcia wyjściowego dla poszczególnych konfigura­cji sprzężenia zwrotnego. Objaśnić wyniki.

W układzie bez oporności obciążenia, według schematu z rys. 14 zmierzyć zakres i współ­czynnik przestrajania generatora dla danej konfiguracji ujemnego sprzężenia zwrotnego. Częstotliwość generowanych drgań regulować potencjometrem P₃ (równoczesna zmiana opo­rów R₁ = R₂ z rys. 10). Górna granicę zakresu przestrajania określa pojawienie się znie­kształceń generowanego napięcia.

Współczynnik przestrajania obliczyć według zależności

. (12)

Równocześnie z pomiarami przestrajania generatora zdjąć zależność napięcia wyjściowego U_wy od częstotliwości. Przykładową zależność generowanego napięcia od częstotliwości pokazano na rys. 16

Rys. 16

Ad II. Układ z czwórnikiem typu przesuwnik fazowy

1. Schemat czwórnika typu przesuwnik fazowy przedstawiono na rys. 17.

Rys. 17

Połączyć według rys. 2.

Na wejście układu podać z generatora napięcie sinusoidalnie zmienne. Wartość między­szczytowa napięcia wejściowego U_we = 1V. Zdjąć charakterystyki czwórnika U_wy = f (f ) przy U_we = const i ψ = f (f ).

Na podstawie pomiarów wykreślić półlogarytmiczną charakterystykę β = f (log (f ) ), gdzie β jak we wzorze (1), oraz charakterystykę ψ = f ( log(f ) ).

Charakterystyki β = f (f ) oraz ψ = f (f ) przedstawia rys. 18.

Rys. 18

f₀ - częstotliwość przy której przesunięcie fazowe ψ (między napięciem u_wy i u_we) wynosi π, a współczynnik β = 1/29

Częstotliwość f₀ wyraża się wzorem

, (13)

a współczynnik β:

. (14)

2. Badanie generatora z przesuwnikiem fazowym

Schemat układu generatora z przesuwnikiem fazowym przedstawiono na rys. 19.

Rys. 19

Schemat blokowy do badania generatora z przesuwnikiem fazowym przedstawia rys. 8.

W układzie na rys. 19 zewrzeć zaciski d-h i e-f. Połączyć układ według rys. 9. Przy pomocy potencjometru P zwiększać wzmocnienie aż do momentu wystąpienia niezniekształconych drgań niegasnących. Zmierzyć częstotliwość drgań generatora - napięcie u_wy.

Porównać fazę napięcia na wejściu wzmacniacza u₁ z fazą napięcia na jego wejściu u_wy.

Obliczyć wzmocnienie wzmacniacza k_u według zależności (9), sprawdzić warunek powsta­wa­nia drgań według relacji (10).

Zaobserwować przebiegi napięć w generatorze przy dalszym zwiększaniu wzmocnienia wzmacniacza k_u. Wyjaśnić przyczynę obserwowanych zniekształceń.

Ad III. Układ z czwórnikiem typu podwójne T

3. Schemat czwórnika typu podwójne T przedstawiono na rys. 20.

Rys. 20

Połączyć układ według rysunku 2.

Na wejście układu podać z generatora napięcie sinusoidalnie zmienne. Wartość między­szczytowa napięcia wejściowego U_we = 1V. Zdjąć charakterystykę czwórnika U_wy = f (f ) przy U_we = const. Na podstawie pomiarów wykreślić półlogarytmiczną charakterystykę β = f (f ), gdzie β jak we wzorze (1). Charakterystykę β = f (f ) przedstawiono na rys. 21.

Rys. 21

f₀ - częstotliwość quasirezonansowa, przy której współczynnik β osiąga minimum równe β₀

Częstotliwość f₀ wyraża się poniższą zależnością

. (15)

Współczynnik β₀ można obliczyć według zależności

, (16)

gdzie:

,
.

Jeżeli współczynnik b spełnia nierówność
, wówczas dla częstotliwości f₀ przesunięcie fazowe u_wy i u_we wynosi ψ = π [2]. W modelu
(ze względu na roz­rzut wartości elementów), co daje wg wzoru (16)
.

Schemat blokowy do badania generatora z czwórnikiem typu podwójne T przedstawiono na rys. 8.

W układzie według rys. 22 zewrzeć zaciski d-h i e-f. Połączyć układ według rysunku 9. Przy pomocy potencjometru P zwiększyć wzmocnienie wzmacniacza aż do momentu wystąpienia niezniekształconych drgań niegasnących.

Rys. 22

Zmierzyć częstotliwość drgań generatora (napięcie u_wy). Obliczyć wzmocnienie k_u wzmac­niacza według wzoru (9), sprawdzić warunek powstawania drgań przy pomocy relacji (10). Zaobserwować przebiegi napięć w generatorze przy dalszym zwiększaniu wzmocnienia wzmacniacza k_u. Wyjaśnić przyczynę obserwowanych zniekształceń.

Literatura

1. Golde W. Układy elektroniczne cz. II

2. Pawłowski J. Podstawowe układy elektroniczne. Wzmacniacze i generatory

3. Tietze U., Schenk Ch. Układy półprzewodnikowe

4. Zagajewski T. Układy elektroniki przemysłowej

10

---