OSCILATORUL ARMONIC RC

OSCILATORUL ARMONIC RC

1.INTRODUCERE

Circuitul care fara sa primeasca un semnal de intrare, furnizeaza la iesire un semnal sinusoidal cu frecventa si amplitudine strict controlate poarta numele de oscilator armonic.

Frecventa si amplitudinea trebuie sa aiba o buna stabilitate in timp, sa nu depinda de factori externi,ca temperatura mediului sau tensiunea de alimentare,ci sa depinda numai de 'valorile' componentelor din circuit.

Termenul oscilator armonic este sinonim cu generator de semnal sinusoial sau sursa de semnal sinusoidal. In fig.1 se prezinta schema bloc a oscilatorului armonic.

Sursa de energie este bateria de alimentare E. Dispozitivele electronice active transforma puterea de c.c. absorbita de la sursa de alimentare in putere de semnal. Astfel de dispozitive sint tranzistoarele bipolare sau cu efect de cimp.

Parametrii oscilatoarelor caracterizeaza performantele unui oscilator. Cei mai importanti sint:

frecventa de oscilatie;

amplitudinea de oscilatie;

impedanta de iesire a sursei echivalente;

stabilitatea frecventei de oscilatie;

stabilitatea amplitudinii de oscilatie;

distorsiunile neliniare ale semnalului generat;

posibilitatea reglarii frecventei;

randamentul de transformare a puterii de curent continuu in putere de curent alternativ.

Asigurarea unor performante ridicate la mai multi parametri conduce la cerinte contradictorii, rezolvabile prin impartirea functiunilor pe mai multe etaje functionale.

CLASIFICAREA OSCILATOARELOR ELECTRONICE

a) Dupa elementele active folosite :

‑oscilatoare cu rezistenta dinamica negativa;

‑oscilatoare cu reactie( cu surse comandate).

b) Dupa natura elementelor care compun circuitul de rectie :

‑oscilatoare LC;

‑oscilatoare RC sau RL.

Oscilatoarele LC asigura o buna stabilitate a frecventei de oscilatie si a amplitudinii. Se folosesc cu precadere pentru frecvente mai mari de 1MHz.

Oscilatoarele RC au o stabilitate mai redusa a frecventei de oscilatie dar, in schimb, elementele pasive de circuit RC sint mai adecvate lucrului la frecvente joase.

2.FUNCTIONAREA DUPA SCHEMA BLOC

Fie un amplificator de curent alternativ, cu reactie. Semnalele notate cu X pot fi curenti sau tensiuni.

Circuitul de reactie este construit cu componente pasive si este un circuit selectiv, adica are caracteristici de atenuare si de faza care variaza continuu cu frecventa.

Amplificatorul si reteaua de reactie sint circuite liniare descrise de ecuatiile:    X2=A(X1); Xr=b(X2)

A‑amplificarea amplificatorului ideal;

B‑factorul de transfer al retelei de reactie.

La iesirea sumatorului : X1=Xg+Xr

Amplificarea cu reactie : Ar=X2/Xg=A/(1‑bA)    (1)

Circuitul este un oscilator daca indepartind semnalul de intrare (Xg=0) obtinem semnalul de iesire X2=finit>0; rezulta din relatia (1) Ar=X2/Xg ‑‑‑> infinit ceea ce este achivalent cu relatia:

b*A =1 ,

cunoscuta sub numele de relatia lui BARKHAUSEN.

In general, amplificarea si factorul de reactie sint marimi dependente de frecventa, deoarece ele contin elemente reactive.

Expresiile amplificarii si factorului de reactie pun in evidenta amplitudinea si faza acestor numere complexe ,1 si ,astfel incit relatia lui Barkhausen este echivalenta cu doua conditii reale:

‑conditia de amplitudine :3

‑conditia de faza :4 , k=intreg si pozitiv.

Forma semnalului la iesirea retelei de reactie este sinusoidala intrucit semnalul sinusoidal este unicul semnal care isi reproduce forma forma dupa ce parcurge un circuit liniar cu elemente reactive.

Frecventa semnalului la iesirea buclei de reactie este aceeasi cu frecventa semnalului X1.

Frecventa de oscilatie este determinata de reteaua de reactie si rezulta din conditia de faza(3).

Nu numai valoarea acestei frecvente dar si posibilitatea reglajului frecventei intr‑o anumita banda, precum si stabilitatea acestei frecvente sint influentate de tipul de reactie.

Amplitudinea de oscilatie se determina din conditia de amplitudine.

Produsul !A! !B! se numeste amplificare in bucla deschisa.

Regimul de lucru al oscilatorului este caracterizat de valoarea amplificarii in bucla deschisa, calculata pentru 5 , astfel:

cind A(w₀)B(w₀) > 1, conditia de oscilatie este satisfacuta si la iesirea amplificatorului avem semnal sinusoidal cu amplitudine crescatoare. Amplitudinea semnalului la iesire creste pina la saturatia amplificatorului, ceea ce conduce la distorsionarea sinusoidei.

cind A(w₀)B(w₀) = 1, conditia de oscilatie este satisfacuta la limita si conform teoriei trebuie sa avem un semnal de iesire cu amplitudine constanta si nedistorsionat. Se constata ca o mica variatie a amplificarii in bucla deschisa, conduce la stingerea sau distorsionarea oscilatiilor.

cind A(w₀)B(w₀)< 1, conditia de amplitudine nu mai este satisfacuta si oscilatiile nu exista.

3.OSCILATOARE RC CU REACTIE

Aceste oscilatoare au cea mai larga raspindire si sint specifice benzilor de joasa frecventa,sub 10MHz.

Schema bloc a oscilatorului RC cu reactie este identica cu cea din figura 2.1, cu mentiunea ca reteaua de reactie B se realizeaza cu elemente pasive( rezistoare si condensatoare).

Pentru indeplinirea conditiei de faza oscilatoarele RC sint prevazute cu retele de defazare. Se intilnesc :

oscilatoare cu retea de defazare de +/‑180 grd.;

oscilatoare cu retea Wien(cu defazaj nul);

oscilatoare cu retea dublu T(cu defazaj nul).

Ultimele doua tipuri de retele prezinta o caracteristica de atenuare dependenta de frecventa , iar oscilatoarele respective se numesc selective. Oscilatoarele cu retea de defazare de +/- 180 grade se numesc neselective.

La frecvente medii, defazajul intern al amplificatorului este neglijabil, iar frecventele de rezonanta fo si de oscilatie a oscilatorului sint egale. Controlul automat al amplitudinii oscilatiilor in oscilatoare RC de frecventa variabila se realizeaza cu amplificatoare liniare cu control automat al amplificarii.

4.TEORIA CVASILINIARA A OSCILATORULUI ARMONIC

Se observa ca oscilatorul liniar analizat in paragraful precedent genereaza un semnal sinusoidal care nu este stabil in amplitudine, adica ori avem oscilatii distorsionate, ori oscilatiile se sting.

Pentru a obtine un oscilator cu amplitudinea stabila, la frecventa o amplificarea in circuit deschis trebuie sa varieze in functie de tensiunea de iesire in modul prezentat in fig.4.1.

Aceasta caracteristica , pentru tensiuni mici de iesire, are amplificarea in circuit deschis supraunitara, ceea ce produce intrarea in oscilatie si cresterea oscilatiilor, iar pentru tensiuni mari de iesire amplificarea in circuit deschis este subunitara, ceea ce produce atenuarea oscilatiilor.

In final tensiunea de iesire se va stabiliza la valoarea corespunzatoare limitei dintre cele doua zone.

Ca elemente cvasiliniare se folosesc becuri cu incandescenta, termistori si tranzistoare cu efect de cimp folosite ca rezistoare comandate in tensiune.

Inertia termica a becului cu incandescenta si a termistorului trebuie sa fie mare in raport cu perioada semnalelor generate, pentru a asigura comportarea lor liniara. Blocul de reglare automata a amplificarii 'RAA' se compune dintr‑ un detector de virf si un tranzistor J‑FET cu rolul de rezistenta comandata in tensiune, care este elementul de reglaj al amplificarii.

Distorsiunile de neliniaritate datorate variatiilor de amplificare sint mici pentru ca amplificarea variaza foarte lent in raport cu viteza de variatie a semnalului, deci putem spune ca circuitul 'RAA' este cvasiliniar.

5. OSCILATORUL IN PUNTE WIEN

Numele de oscilator in punte Wien vine de la similitudinea care exista intre schema acestui oscilator si puntea Wien cunoscuta din electrotehnica.

Daca rearanjam componentele schemei din fig.5.1‑a in forma din fig.5.1‑b aceasta asemanare devine evidenta.

Functia de transfer a circuitului de reactie 'B' se calculeaza ca raportul dintre tensiunea de reactie Ur si tensiunea de iesire a oscilatorului Ue.

Din fig.5.2 se calculeaza expresia:

Ur (jw) R2 C1

H(jw) = ‑‑‑‑ = ‑‑-----------‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑

Ue 1 ‑ R1 R2 C1 C2 + jw(R1 C1 + R2 C2 + R2 C1)

In practica se folosesc circuite Wien pentru care: R1 = R2 = R si C1 = C2 = C si se face notatia T = R C. In acest caz expresia functiei de transfer devine:

(jw)RC (jw)T

H(jw) = ‑‑‑‑‑‑‑‑‑----------‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑ = ‑--------‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑

1 ‑ (wRC)² + 3(jw)R C 1 ‑ (wT)² + 3(jw)T

notam frecventa normata cu 'x':

1

x = ---‑‑‑‑‑‑‑‑ ‑ wRC si se obtine functia de transfer H(jx)

wRC

1 3 ‑ j x

H(j x) = ‑‑-------‑‑‑‑‑‑‑ = ‑‑‑‑‑‑‑‑‑-----

3 + j x (9 + x²)^1/2

Pentru circuitul Wien, caracteristicile de amplificare si de faza reprezentate in functie de frecventa normata au forma din fig.5.2 Se observa ca cele doua semnale sint in faza si au un raport al amplitudinilor de 1/3.

6. RETELE DE DEFAZARE

O celula de defazare poate fi folosita pentru defazarea tensiunii(atunci se ataca in tensiune si lucreaza cu iesirea in gol) cit si pentru defazarea curentului(cind se ataca in curent si lucreaza cu iesirea in scurtcircuit).

Celula trece‑sus reproduce corect semnalul numai pentru wRC >>1. Variatiile modulului si ale fazei sint reprezentate in figura 6.2 in functie de freccventa normata.

7. OSCILATOARE RC CU RETEA DE DEFAZARE

Factorul de transfer al retelei de reactie este :

Pentru celula trece‑jos Z1=R si Z2=1/jwC astfel incit scriind factorul de transfer se obtine:

Wosc=(6)^1/2/RC si Au=1/B(jWosc)=‑29 .

Amplificarea necesara pentru mentinerea oscilatiilor:

Au=1/B(jw)=‑29.

Reteaua defazeaza cu 180 grade. Fiecare celula lucreaza insa in conditii de incarcare(sarcina) diferite si introduc un defazaj diferit. Amplificarea negativa este realizabila cu un singur etaj.

Schemele cu retea de defazare se folosesc pentru oscilatoare de frecventa fixa intrucit este practic imposibila reglarea simultana a elementelor a trei sau mai multor celule.

8.APARATE NECESARE PENTRU EXPERIMENTARI

‑ Panou experimental pentru lucrarea oscilatoare RC;

‑ Sursa dubla de tensiune tip E4109;

‑ Osciloscop cu doua canale, banda 10MHz;

‑ Generator de semnal E502 (Versatester);

‑ Milivoltmetru electronic cu afisaj numeric E502 (Versatester);

9.DESCRIEREA MONTAJULUI EXPERIMENTAL

Panoul experimental contine :

‑reteua Wien;

‑circuitul pentru controlul automat al amplitudinii(varianta cu tranzistor cu efect de cimp);

-trei celule de defazare de tip trece‑sus ;

‑amplificatorul ideal de tensiune( amplificator operational).

10.DESFASURAREA LUCRARII

10.1 Se studiaza schema electrica si panoul experimental, identificindu‑se fiecare element din schema cu dispozitivul corespunzator de pe panou.

10.2 Se fac legaturile electrice conform figurii 10.2.

10.3 Se alimenteaza amplificatorul operational de la o sursa dubla E 4109, cu doua tensiuni de 15V simetrice fata de punctul de masa apoi, cu un osciloscop, se vizualizeaza semnalul de iesire al oscilatorului. Daca schema este corecta dar nu oscileaza se mareste amplificarea prin marirea rezistentei R3.

10.4 Se pune in evidenta conditia de faza, prin citirea cu osciloscopul a defazajului dintre semnalul de iesire si cel de reactie.

10.5 Se masoara, cu osciloscopul, valorile extreme maxima si minima ale gamei de frecventa acoperite de oscilator.

INTREBARE : Cum se poate obtine o gama mai mare de frecventa ?

10.6 Se pune in evidenta rolul circuitului de reglaj automat al amplificarii, prin desfacerea legaturii A‑B.

10.7 Cu circuitul 'RAA' decuplat ,reglind din R3 se reduce amplificarea pina cind oscilatorul ajunge la limita de oscilatie. Pentru cresteri mici ale amplificarii oscilatia se amorseaza si creste pina cind amplificatorul se satureaza, iar la scaderi mici ale amplificarii oscilatiile se sting.

Se observa ca pentru R3 nu se poate gasi un reglaj convenabil la care amplitudinea oscilatiilor sa fie stabila.

10.8 MASURARI ASUPRA CIRCUITULUI 'RAA'.

Pentru a ridica functia neliniara Ac(w₀ ) = f(Ue) care descrie functionarea circuitului 'RAA' se deschide bucla de reactie si se realizeaza montajul din fig.10.8

Se regleaza tensiunea generatorului pina cind defazajul dintre tesiunile Ui si Ue devine nul (figura Lissajoux devine un segment de dreata cu panta de 45 grade) gasindu-se astfel frecventa o la care este indeplinita conditia de faza. Frecventa generatorului trebuie sa fie in gama de oscilatie a retelei Wien.

Se regleaza tensiunea generatorului astfel incit tensiunea de iesire sa corespunda valorilor din prima linie a tabelui nr.1 si cu acelasi milivoltmetru electronic se masoara precis tensiunea de iesire si cea de intrare corespunzatoare.

Se reprezinta grafic functia Ac(w₀) = f(Ue) in functie de Ue punindu‑se in evidenta zona cu amplificare supraunitara pentru care este indeplinita conditia de amplificare si zona de amplificare subunitara pentru care aceasta conditie nu este indeplinita.

Tabelul 1.

Ue(V)(aprox.) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5

Ue(V)(precis) ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

Ui(V)    ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

Ac(w o)=f(Ue)! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

10.9 Se realizeaza circuitul electric din figura 10.9. Daca circuitul nu oscileaza, se modifica pozitia cursorului potentiometrului P pina la aparitia oscilatiilor.

10.10 Se determina frecventa de oscilatie cu relatia .

Se determina frecventa de oscilatie reala cu osciloscopul si se calculeaza eroarea relativa si eroarea absoluta.

9.BIBLIOGRAFIE

1.E.DAMACHI, s.a.‑Electronica‑E.D.P.,Bucuresti,1979.

2.CEANGA,E,s.a.‑Electronica industriala‑E.D.P.,Bucuresti,1981.

3.DASCALU.D,s.a.‑Circuite electronice‑E.D.P.,Bucuresti,1981.