FACULTATEA DE ELECTRONICA, TELECOMUNICATII SI TEHNOLOGIA INFORMATIEI

GENERATOR SINUSOIDAL RC CU CIRCUIT WIEN SI LIMITARE DE AMPLITUDINE CU DIODE

Tema proiectului

Acest proiect realizeaza un generator sinusoidal cu retea Wien.

Semnalul sinusoidal este generat cu un oscilator cu retea Wien. Reglarea amplitudinii semnalului sinusoidal se realizeaza cu ajutorul unor potentiometre.

Datele initiale de proiectare sunt:

amplitudinea tensiunii de iesire:

frecventa de iesire:

rezistenta de sarcina:

tipul cuplajului cu sarcina : cuplaj capacitiv.

Cuvinte cheie

Oscilator

Retea Wien

Diode de comutatie

Frecventa de iesire

Amplitudinea tensiunii de iesire

Sinteza proiectului

Oscilatoare armonice - circuite capabile sa genereze semnale aproape sinusoidale pe o frecventa bine determinata cu amplitudine controlata, preluind energia de la sursele de alimentare de tensiune continua.

Schema bloc simplificata cuprinde cel putin doua blocuri functionale: un amplificator de semnal si un circuit selectiv care determina (fixeaza) frecventa de oscilatie.

Aceasta schema bloc corespunde modelului liniar de oscilator pentru care amplificatorul functioneaza aproape liniar, iar conditia de oscilatie este data de Barkhausen:

Acest tip de generator se utilizeaza in aplicatii care nu pretind un factor de distorsiuni neliniare al tensiunii de iesire mai mic decat 5%.

Schema de principiu a generatorului este data in figura de mai jos.

Doua diode in antiparalel avand rezistenta dinamica la varful curentului alternative ce le parcurge dependenta de amplitudinea tensiunii de iesire vor face ca rezistenta echivalenta a ramurii ce asigura reactia negativa sa depinda de aceasta amplitudine. La cresterea amplitudinii tensiunii de iesire peste cea stabilita diodele (in alternante diferite) se deschid mai mult si rezistenta lor dinamica scade. Rezistenta se reduce, amplificarea data de relatia se reduce si in acest fel amplitudinea este redusa spre valoarea necesara. In mod asemanator se poate explica mentinerea amplitudinii tensiunii de iesire cand aceasta prezinta o tendinta de scadere. In timpul unui sfert de perioada a tensiunii alternative, punctual de functionare a unei diode parcurge caracteristica curent-tensiune intre punctele O-V. In punctul de varf V atins se defineste rezistenta dinamica a diodei. Acesta trebuie sa ramana in jurul valorii de 1kΩ pentru ca intre eficienta limitarii si factorul de distorsiuni neliniare sa se realizeze un comprimis satisfacator.

Dreapta de sarcina trasata in figura are panta:

si taie axa orizontala la tensiunea echivalenta

,

unde este amplitudinea tensiunii de iesire a amplificatorului.

Este posibila realizarea generatorului si cu o singura tensiune de alimentare. In acest caz la iesirea amplificatorului se stabileste o componenta de ordinul E/2 si sunt necesare condensatoare de separare in circuitul de reactie negativa, precum si polarizari potrivite ale intrarilor. Pentru regim static, amplificatorul operational este un repetor. Practic, generatorul poate fi folosit numai pentru frecventa fixa, iar calculele ce urmeaza trebuie adaptate corespunzator.

Introducere

Generatoarele de semnale sunt aparate electronice care, in laboratoarele de masurari electronice, sunt utilizate ca surse de tensiune variabile in timp, cu o anumita forma de unda si cu nivel si frecventa reglabile. In esenta lor, generatoarele de semnal contin circuite electronice care transforma energia furnizata de sursa de curent continuu (de alimentare, E_a in energie de curent alternativ furnizata la iesirea aparatului, intr-un singur punct (la borne), cu semnalul e_g(t + k T reglabil intr-un anumit domeniu de frecvente f 1/T .

Sunt denumite generatoare de semnale datorita faptului ca, in cazul acestor aparate, accentul nu se pune pe randamentul conversiei energiei electrice, ci pe calitatile formei de unda a semnalului de curent alternativ.

Un prim criteriu de clasificare a generatoarelor de semnal se refera la forma de unda a semnalului de la bornele de iesire; in functie de acest criteriu exista urmatoarele generatoare:

sinusoidale sau armonice, cand forma de unda a semnalului produs este sinusoidala;

de semnale liniar variabile , cand forma de unda este liniar crescatoare in timpul cursei active (crescatoare) si cu panta mare de cadere in timpul cursei inverse (descrescatoare);

de semnale dreptunghiulare;

de semnale triunghiulare;

de semnale trapezoidale;

de semnale cu forme de unda specifice unei anume aplicatii (spre exemplu, de semnale dreptunghiulare defazate in timp - in cazul circuitelor de sincronizare a functionarii calculatoarelor electronice).

De notat este ca nu exista un criteriu unic de calitate pentru toate formele de unda generate, fiecare avand definite marimi specifice care, in fond, exprima cat de bine aproximeaza forma de unda de la iesirea generatorului modelul matematic al oscilatiei impuse de proces.

Pe langa calitatea formei de unda, alt criteriu de calitate se refera la sta - bilitatea oscilatiei, in conditiile in care asupra sistemului actioneaza perturbatii

(cele mai importante perturbatii constau in modificarea valorii tensiunii de alimentare a sursei de curent continuu si/sau in modificarea temperaturii la care functioneaza circuitul).

Un al doilea criteriu de clasificare al generatoarelor ia in consideratie principiul de functionare. Din acest punct de vedere generatoarele de semnal pot fi:

parametrice atunci cand generatorul contine un dispozitiv neliniar a carui caracteristica statica are o zona cu panta negativa (spre exemplu dioda tunel);

cu amplificator in cazul in care generatorul contine unul sau mai multe circuite de amplificare prevazute cu reactii pozitive si negative (selective sau nu).

Se pot evidentia si alte criterii de clasificare care sa exprime limitarile in functionare (spre exemplu domeniul de frecventa) impuse de circuitele cu care au fost implementate sau de circuitul pe care il deservesc.

Circuitele prezentate, in cadrul lucrarii, au fost ordonate in functie de forma de unda generata si, cand a fost cazul, s-a recurs si la alt criteriu de clasificare - fara a avea in obiectiv enumerarea tuturor circuitelor.

In primul rand, generatorul de semnal trebuie sa indeplineasca conditiile impuse de sistemele cu care este interconectat in scopul realizarii masurarii, conditii care se refera, de cele mai multe ori, la urmatoarele aspecte:

precizia formei de unda;

amplitudinea semnalului generat;

stabilitatea oscilatiei;

necesitatea modificarii amplitudinii semnalului, a frecventei de oscilatie sau a formei de unda;

functionarea in conditii de exploatare si de mediu impuse.

In scopul indeplinirii tuturor conditiilor cerute de sistemul de masurat, uneori se impune "cuplarea" mai multor oscilatoare, comutarea unuia sau altuia realizandu-se prin multiplexarea iesirilor sau activarea in functie de aplicatie.

In cadrul acestui capitol vor fi analizate numai aparatele care produc tensiuni electrice de forma si cu durate determinate (deci nu se vor trata generatoarele de zgomot). La forma de unda a tensiunii generate s-au facut referiri anterior; in ceea ce priveste repartitia in timp, tensiunile pot fi: periodice (in cazul cel mai frecvent), impulsuri singulare sau trenuri de impulsuri.

In functie de tipul generatorului, durata unui impuls poate fi cuprinsa intre cateva ore si cateva nanosecunde, iar frecventa de repetitie a tensiunilor periodice poate lua valori de la cateva zeci de µHz pana la cateva sute de MHz. Durata si frecventa de repetitie ale tensiunilor generate sunt reglabile intre anumite limite, raportul intre valoarea maxima si cea minima fiind de la

la 1

In continuare vor fi analizate: generatoarele de semnal sinusoidal adica cele mai importante si mai des utilizate generatoare de semnale in activitatea de masurari electronice.

Generatoare sinusoidale

Generatoarele de tensiune sinusoidala, denumite si oscilatoare sinusoidale se utilizeaza frecvent in aparatura electronica de masura, in radiocomunicatii, in telefonie si in electronica industriala. Aceste generatoare se obtin prin aplicarea unei reactii potrivite in amplificatoare. Amplificarea cu reactie este in general :

,

unde : este amplificarea fara reactie, iar - factorul de reactie (raportul dintre marimea de reactie si marimea de la iesirea amplificatorului). Daca , amplificarea devine infinita. In acest caz un semnal foarte mic existent la intrarea amplificatorului (zgomot produs de rezistente sau tranzistoare) face sa apara la iesire un semnal puternic, eventual cu amplitudinea limitata.

Relatia : sau reprezinta "conditia de oscilatie". Deoarece marimile si sunt in general complexe, conditia de oscilatie se mai poate scrie :

.

Produsul fiind o marime reala, rezulta de aici doua conditii de oscilatie separate :

sau ,

numita "conditie de faza" si

sau

numita "conditie de amplitudine" (sau de amplificare).

Prima conditie indica un defazaj total in bucla deschisa egal cu 0 sau 360⁰. Cand circuitul de reactie nu introduce defazaj, aceasta conditie impune folosirea unei intrari neinversoare a amplificatorului. De aceea se vorbeste despre o reactie pozitiva la generatoare.

Conditia a doua impune o amplificare in bucla deschisa unitara sau o amplificare egala cu atenuarea circuitului de reactie. In general pentru ca amplificatorul sa prezinte o marime stabila el are prevazuta si o reactie negativa.

Pentru ca oscilatiile sa fie sinusoidale trebuie ca cel putin una din cele doua conditii de oscilatie sa fie indeplinita la o singura frecventa - la frecventa dorita. De obicei aceasta sarcina revine circuitului de reactie la care sau depinde de frecventa (uneori ambele), dar exista si oscilatoare la care selectivitatea in frecventa este asigurata de catre circuitul de reactie negativa al amplificatorului (deci de sau ).

Prin ajustarea fina a amplificarii se poate ajusta amplitudinea tensiunii de iesire sinusoidala la valoarea necesara. De obicei aceasta este mult mai mica decat excursia maxima de tensiune in regim armonic a etajului de iesire al amplificatorului pentru reducerea distorsiunilor neliniare ale tensiunii aproximativ sinusoidale de iesire.

Cand se impune o amplitudine stabila si distorsiuni neliniare reduse se utilizeaza la circuitul de reactie negativa al amplificatorului unul sau doua dispozitive de limitare sau reglare a amplitudinii. In ultimul caz, dispozitivul este comandat printr-o tensiune continua proportionala cu amplitudinea tensiunii de iesire, realizandu-se o reglare automata. Limitarea sau reglarea amplitudinii va provoca in general cresterea distorsiunilor neliniare fata de cazul cand se realizeaza aceeasi amplitudine fara interventie.

Ca amplificatoare pentru generatoarele sinusoidale se utilizeaza in prezent, in special, amplificatoare integrate (operationale) care indeplinesc o serie de conditii:

au o intrare neinversoare permitand realizarea reactiei pozitive (care produce oscilatia);

au o intrare inversoare permitand realizarea reactiei negative si a unei amplificari stabile;

rezistenta de intrare foarte mare la intrarea neinversoare unde se conecteaza de obicei circuitul selective (se impune frecventa de oscilatie si care pretinde in numeroase cazuri rezistenta mare de intrare);

banda de frecventa larga care poate acoperi la cele mai multe cazuri gama de frecventa a generatorului;

posibilitatea de a lucra pe o rezistenta de sarcina de valoare redusa ;

rezistenta de iesire redusa (la generatoare, din cauza compensarii efectelor celor doua reactii asupra rezistentei de iesire, rezulta o rezistenta de iesire de ordinul celei prezentata de etajul final fara reactie - 100..150Ω); aceasta permite totusi sa se reduca variatia amplitudinii tensiunii de iesire la variatii ale rezistentei de sarcina ;

lipsa componentei continue de tensiune la iesire, ceea ce duce la simplificarea schemei generatorului;

stabilitate termica buna etc.

In functie de componenta circuitului de reactie ce impune frecventa de oscilatie se deosebesc generatoare de tip RC si generatoare de tip LC. Generatoarele de tip RC cu amplificatoare integrate pot asigura mai usor frecvente joase si modificarea continua a frecventei intr-o gama larga, in timp ce generatoarele de tip LC cu amplificatoare integrate pot asigura mai usor frecvente inalte si modificarea continua a acestora intr-o gama relativ restransa plasata peste 100kHz. Generatoarele de tip LC asigura o stabilitate mai buna a frecventei, amplitudinii si distorsiuni neliniare mai reduse.

Relatii de dimensionare

Pentru dimensionarea generatorului cu doua surse de alimentare sunt necesare urmatoarele date initiale:

-amplitudinea tensiunii de iesire:

-frecventa de iesire: sau frecventele de la capetele gamei

-rezistenta de sarcina:

-tipul cuplajului cu sarcina.

Pentru a reusi deschiderea diodelor de limitare, amplitudinea tensiunii de iesire trebuie sa depaseasca 1V. Totusi, amplitudinea este limitata superior, in special la frecventele de valori peste 5..10 kHz, din cauza vitezei maxime de crestere a tensiunii de iesire. Aceeasi limitare este cauzata si de valorile reduse ale rezistentei de sarcina .

Poate, de asemenea, sa apara cazul particular cand generatorul trebuie sa realizeze doua sau mai multe game de frecventa, una in continuarea celeilalte. Nu toate extremele gamelor pot fi impuse. De exemplu. Pentru doua game consecutive este posibila impunerea limitelor primei game si rezulta din calcul limita superioara a gamei urmatoare. De asemenea, este posibila impunerea limitei inferioare a primei game si superioare a celei de a doua game, rezultand din din calcul limita comuna celor doua game.

Etapele ce trebuie parcurse pentru dimensonare sunt:

a) Se stabileste daca se utilizeaza circuit Wien cu rezistente si condensatoare egale sau inegale. In cazul necesitatii realizarii unei frecvente variabile adoptarea unor rezistente egale este practic obligatorie pentru ca raportul rezistentelor sa se mentina cat mai aproape de o valoare constanta. Identitatea condensatoarelor nu este obligatorie dar, in general, raportul valorilor capacitatilor acestora trebuie sa fie

.

In cazul adoptarii solutiei cu componente inegale ( rezistente si condensatoare sau numai condensatoare) se va admite valoarea atenuarii a circuitului Wien (egala cu amplificarea ) mai mare decat 3. In cazul adoptarii solutiei cu componente egale, atenuarea si amplificarea de tensiune vor fi egale cu 3.

Pentru cazul particular al generatorului cu mai multe game de frecvente este obligatorie solutia cu componente egale.

b) Se determina amplitudinea tensiunii de intrare a generatorului

Se adopta rezistenta de valoare 5..10kΩ si se determina aplitudinea curentului prin ea:

.

Folosirea unor rezistente mici duce la un curent prin diode de valoare mare, la care diodele produc distorsiuni neliniare importante ale tensiunii de iesire.

c) Se aleg diodele de limitare, de obicei din siliciu, de comutatie. Dispunand de caracteristica tipica tensiune-curent a acestor diode de admite,in prima aproximatie un punct la un curent de 10..30μA, obligatoriu mai mic decat si se citeste valoarea corespunzatoare.

d) Se calculeaza rezistentele:

e) Se calculeaza si cu relatiile

si se construieste drerapta d sarcina pentru dioda. Rezulta un punct care ar trebui sa coincida cu punctul adoptat. In caz contrar se reiau calculele de la punctul c, stabilind un punct intre punctele si .Astefel, prin aproximari successive se ajunge la definitivarea pozitiei punctului V si a valorilor rezistentelor (cand rezultatele nu mai difere sensibil de la o aproximare la alta). Se normalizeaza rezistentele dar este indicat sa se realizeze cu posibilitate de ajustare in limitele a ±25%.

f) Pentru a dimensiona componentele din circuitul Wien se dispune de relatiile

in cazul unor componente inegale in circuitul Wien si a unei frecvente fixe . Daca » (atenuare adoptata mare si capacitati apropiate sau egale) se poate utiliza la dimensionare si relatia

cand se va asigura o stabilitate mai buna a frecventei de oscilatie.

Daca s-au acceptat componente egale in circuitul Wien, atunci la dimensionarea acestora se dispune numai de relatia frecventei

si se poate utiliza una din conditiile de mai sus.

g) Se alege tipul amplificatorului integrat. Pentru amplificarea admisa anterior, amplificatorul trebuie sa prezinte o viteza maxima de crestere a tensiunii de iesire

Relatia trebuie considerata fara semnul egal atunci cand sarcina totala a amplificatorului este mai mica decat cea penru care este data viteza in catalog.

Sarcina rezistiva se poate calcula cu relatia

unde |Z| reprezinta modului impedantei circuitului Wien intre iesirea amplificatorului si masa

iar φ reprezinta    defazajul dintre curentul ce intra in circuitul Wien si tensiunea de la iesirea amplificatorului.

h) Tensiunea de alimentare se alege sensibil mai mare decat tensiunea data al iesire pentru asigurarea unui factor de distorsiuni neliniare cat mai redu si a unei viteze maxime de crestere de valoarea data in catalog.

i) Se dimensioneaza condensatorul de cuplaj cu sarcina folosind relatia

Breviar de calcul

-pentru circuitul Wien s-a ales varianta cu componente egale, caz in care .

-amplitudinea tensiunii de intrare a generatorului este :

.

-se adopta iar curentul prin ea este :

-admitem un punct de varf pe caracteristica diodei.

si

-determinam rezistentele din circuit.

Alegem pentru o valoare standardizata

Alegem o valoare standardizata

-punctul este suficient de apropape de admis initial.

- se realizeaza cu posibilitatea de ajustare pentru a se putea stabili exact amplitudinea tensiunii de iesire la 5V.

este ajustabila si se normalizeaza la valoarea :

si se normalizeaza la

-dimensionarea componentelor RC din circuitul Wien.

-se adopta (in prima aproximatie).

-se normalizeaza C la valoarea :

;;.

-se adopta

Optimizare

-pentru circuitul Wien s-a ales varianta cu componente egale, caz in care .

-amplitudinea tensiunii de intrare a generatorului este :

.

-se adopta iar curentul prin ea este :

Se aleg diode de comutatie cu siliciu BA592.

-admitem un punct de varf pe caracteristica diodei.

si

-determinam rezistentele din circuit.

Alegem pentru o valoare standardizata

Alegem o valoare standardizata

-punctul este suficient de apropape de admis initial.

- se realizeaza cu posibilitatea de ajustare pentru a se putea stabili exact amplitudinea tensiunii de iesire la 5V.

este ajustabila si se normalizeaza la valoarea :

si se normalizeaza la

-dimensionarea componentelor RC din circuitul Wien.

-se adopta (in prima aproximatie).

-se normalizeaza C la valoarea :

;;.

-se adopta

Anexe

Cablaj

2) Amplasarea componentelor

3) Lista de materiale pentru R₄ =10kW

4) Lista de materiale pentru R₄ =27kW

5) Schema finala si formele de unda pentru R₄ =10kW

6) Schema finala si formele de unda pentru R₄ =27kW

7) Caracteristica tensiune-curent a diodelor folosite BA592

BIBLIOGRAFIE

1.Dragulescu M. - "Agenda radioelectronistului"

Editura de Vest Timisoara

2.Ciugudean M. - "Electronica aplicata cu circuite

integrate "

Editura de Vest Timisoara 1991

3.Ciugudean M. - " Proiectarea unor circui-

te electronice "

Editura Facla 1983