Избирательный усилитель и RC-автогенератор на основе операционного усилителя

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Кафедра Радиофизики

Отчёт по лабораторной работе №27:

«Избирательный усилитель и RC-автогенератор на основе операционного усилителя».

                                                                                    Группа 2097/1

                                                                                                        Студенты: Тишковец А.

                   Темурзода Е.

Преподаватель: Зайцев Э.Ф.

1. Исследование полосового фильтра.

1.1.  Сборка полосового фильтра и подбор RC-параметров.

Используется схема полосового фильтра:

Подберём сопротивления и ёмкости таким образом, чтобы резонансная частота f₀= 1/( 2π*RC ) находилась внутри диапазона: 500 Гц ÷ 2 кГц .

R = 10 кОм

C = 17 нФ

f₀ = 1/( 2*3,14*10 кОм*17 нФ ) = 936 Гц

1.2.Снятие АЧХ и ФЧХ, определение квазирезонансной частоты фильтра, коэффициента передачи на квазирезонансной частоте и полосы пропускания, сравнение результатов измерений и расчёта.

АЧХ ( график 1 ) и ФЧХ ( график 2 ):

f, Гц	U1, мВ	U2, мВ	β = U2 / U1	А, кл.	В, кл.	|sin φβ| = А/В	φβ, град.
920	27	82	0,329	0	10	0	0
760	27	83	0,325	1	10	0,1	5,7
600	26	83	0,313	3	10	0,3	17,5
450	23	82	0,280	5	10	0,5	30
350	22	82	0,268	5,5	10	0,55	33,4
260	21	80	0,263	6	10	0,6	36,9
1090	27	85	0,318	4,5	10	0,45	-26,7
1400	24	85	0,282	6,5	10	0,65	-40,5
1450	23	85	0,271	7	10	0,7	-44,4
1590	22	85	0,259	8	10	0,8	-53,1
1700	21	83	0,253	8,5	10	0,85	-58,2

∆f = 3* f₀ = 3*920 Гц = 2760 Гц

Сравним результаты измерений и расчёта:

	Эксперимент	Теория
f0, Гц	920	936
β	0,329	1/3 = 0,33
∆f, Гц	3000	2760

Видно, что все полученные экспериментальные данные сошлись с теоретическими.

2. Исследование избирательного усилителя.

2.1.  Сборка избирательного усилителя и определение основных параметров усилителя.

Используется схема избирательного усилителя:

R_β = 390 Ом

Подберём R_α так, чтобы коэффициент усиления по неинвертирующему входу (K = 1+ R_β / R_α ) имел значение в пределах 2,7 – 2,9.

R_α = 205 Ом

K = 1+ R_β / R_α = 1+390 Ом/205 Ом = 2,9

Вычислим коэффициент усиления на резонансной частоте и полосу пропускания фильтра:

K₀ = √2*K/ (3-K) = √2*2,9/ (3-2,9) = 40,6

∆f = f₀*(3-K) = 920 Гц*(3-2,9) = 92 Гц

2.2. Измерение коэффициента усиления на резонансной частоте и полосы пропускания, снятие АЧХ усилителя. Сравнение результатов расчёта и измерений.

АЧХ ( график 3 ):

f, Гц	U1, мВ	U2, В	K = U2 / U1
920	30	1,2	40,0
1030	31	0,76	24,5
1090	31	0,61	19,7
1230	31	0,4	12,9
1650	31	0,2	6,5
750	31	0,8	25,8
650	31	0,6	19,4
520	31	0,4	12,9
100	31	0,2	6,5

2.3. Повторение опыта при другом значении сопротивления резистора R_α. Сравнение результатов исследований.

R_α = 234 Ом

K = 1+ R_β / R_α = 1+390 Ом/234 Ом = 2,7

K₀ = √2*K/ (3-K) = √2*2,7/ (3-2,7) = 12,7

∆f = f₀*(3-K) = 920 Гц*(3-2,7) = 276 Гц

АЧХ ( график 3 ):

f, Гц	U1, мВ	U2, В	K = U2 / U1
900	64	0,78	12,2
1040	64	0,6	9,4
1170	64	0,4	6,3
1550	64	0,2	3,1
750	64	0,6	9,4
610	62	0,4	6,5
200	6	0,2	3,3

Сравним результаты расчёта, измерений и двух исследований:

	Эксперимент	Теория
Rα = 205 Ом
K0	40	40,6
∆f, Гц	180	92
Rα = 234 Ом
K0	12,2	12,7
∆f, Гц	290	276

Полученные экспериментальные данные имеют расхождение с рассчитанными по теории, которое можно объяснить либо неправильностью выполнения задания (неправильностью снятия данных), либо с неправильностью их обработки. Полученная в данном пункте АЧХ шире АЧХ, полученной в п.2.2.(полоса пропускания усилителя с R_α = 234 Ом получилась шире полосы пропускания усилителя с R_α = 205 Ом), что соответствует теории, т.к. полоса пропускания усилителя пропорциональна K, а он в свою очередь обратно пропорционален R_α.

3. Исследование автогенератора гармонических колебаний.

3.1.  Сборка автогенератора гармонических колебаний.

Используется схема автогенератора гармонических колебаний:

Убедимся, что условие самовозбуждения выполняется:

R_β = 390 Ом

R_ν(0) = 135 Ом

K = 1+ R_β/ R_ν(0) = 1+ 390 Ом/135 Ом = 3,9 > 3 

3.2.  Исследование режима установившихся колебаний.

Осциллограмма напряжения на выходе генератора:

V/дел. = 0,2 * 10                                            мс/дел. = 0,5 *1

A = 1,7 * 2 В = 3,4 В                                     f = 1/( 3,2*0,5 мс) = 625 Гц

3.3. Нахождение амплитуды установившихся колебаний графическим методом.

Разорвав обратную связь по следующей схеме, снимем характеристику K_c(U₁) :

f = 900 Гц

Характеристика  K_c= K_c(U₁) (график 4):

U1, В	U2, В	Kc = U2 / U1
0,2	0,8	4
0,3	1,2	4
0,4	1,6	4
0,5	1,9	3,8
0,6	2,4	4
0,7	2,7	3,9
0,8	3,2	4
0,9	3,6	4
1	3,9	3,9
2	8	4
3	10	3,3
4,5	10	2,2

Сравним вычисленное по графику значение амплитуды с измеренным:

	По осциллограмме	По графику
А, В	3,4	3,45

3.4. Изучение процесса развития колебаний в автогенераторе при замыкании обратной связи.

Осциллограммы переходных процессов:

R_ν

 

 

 

R_α = 205 Ом

При использовании R_ν амплитуда колебаний убывает с ростом t и состояние покоя устойчиво. При использовании R_α в результате начального толчка колебания растут с ростом t. Состояние покоя в этом случае неустойчиво. Амплитуда возникших колебаний растёт по экспоненциальному закону. Этот закон сохраняется до тех пор, пока напряжение остаётся в пределах линейного участка передаточной характеристики усилителя, далее рост амплитуды замедляется из-за нелинейности усилителя (т.е. установившаяся амплитуда в автогенераторе определяется видом нелинейной характеристики электронного прибора, входящего в автогенератор). После окончания переходного процесса устанавливается режим периодических колебаний.