OSCILATOARE SINUSOIDALE

I. OBIECTIVE

a) Ajustarea valorilor transmitantei a pentru indeplinirea conditiei Barkhausen la oscilatoare cu punte Wien.

b) Intelegerea mecanismului de limitare a amplitudinii oscilatiilor prin circuite limitatoare cu diode pentru limitarea a sau TEC folosit ca rezistenta liniara comandata in tensiune.

II. COMPONENTE SI APARATURA

Pentru experimentare, se foloseste montajul experimental echipat cu: un amplificator operational 741, doua diode 1N4148, un TEC BF961, rezistente si condensatoare. Pentru alimentarea montajului se foloseste o sursa de tensiune dubla stabilizata. Ca si generator de semnal alternativ folosim un generator de semnale. Vizualizarea tensiunilor alternative se realizeaza cu osciloscopul cu doua canale.

III. EXERCITII PREGATITOARE

P1. Oscilator sinusoidal RC cu AO si punte Wien

Schema oscilatorului este data in Fig. 1.

Care este frecventa semnalului sinusoidal pe care il va genera oscilatorul? Cat este valoarea lui r la frecventa de oscilatie? Dar faza lui r?

Cat trebuie sa fie amplificarea circuitului fara reactie pozitiva, a, pentru a asigura oscilatia? Ce se intampla cu semnalul de iesire v_o daca a scade sub aceasta valoare? Dar daca a creste peste aceasta valoare?

Dupa cum puteti vedea din schema din Fig.1, nu exista nici un semnal de intrare alternativ in circuit, si totusi, la iesirea sa vom obtine un semnal sinusoidal. Prin ce mecanism se asigura aparitia semnalului sinusoidal v_o la iesirea oscilatorului?

Pentru ca la iesirea oscilatorului sa apara un semnal alternativ in absenta unui semnal de intrare alternativ exterior, este suficienta fixarea a la valoarea specificata prin conditia Barkhausen, a₀? Cum trebuie sa fie dupa pornirea alimentarii valoarea a relativ la a₀? De ce? Cum arata cronograma v_o(t) daca a ramane la aceasta valoare diferita de a₀? Cum trebuie modificata dupa aparitia oscilatiilor valoarea a pentru a obtine la iesire o unda sinusoidala?

Conditia de aparitie si mentinere a oscilatiilor sinusoidale presupune realizarea unei:

amplificari constante si infinite in circuit;

amplificari constante si finite, data de conditia lui Barkhausen;

amplificari mai mari decat cea stabilita de conditia lui Barkhausen in momentul initial (al cuplarii alimentarii), urmata de scaderea amplificarii la valoarea stabilita de conditia lui Barkhausen.

P2. Limitarea amplitudinii oscilatiilor in oscilatoarele RC cu AO

Sa revenim la schema oscilatorului cu punte Wien din Fig. 1, pe care vom studia limitarea amplitudinii oscilatiilor. Intr-un oscilator sinusoidal cu AO nu exista semnal alternativ de intrare; aparitia semnalului sinusoidal la iesire se datoreaza cuplarii circuitului la sursa de alimentare.

Pentru circuitul din Fig.1, dupa alimentarea sa, cum arata cronograma semnalului diferential de intrare dintre bornele IN WIEN si masa? Dar semnalul de iesire, daca amplificarea fara reactie pozitiva este a>a₀ calculat pentru respectarea conditiei Barkhausen?

Sa analizam doua scheme practice de oscilatoare cu AO si punte Wien, in care circuitul de limitare a amplitudinii oscilatiilor este realizat:

1. cu diode 2. cu TEC

P2.1. Limitarea amplitudinii cu diode

Schema electrica a oscilatorului cu AO si punte Wien la care limitarea amplitudinii oscilatiilor se face cu doua diode in antiparalel este cea din Fig. 2.

In ce stare (conductie sau blocare) sunt D₁ si D₂ in regim tranzitoriu, imediat dupa cuplarea alimentarii? Cat este amplificarea a a circuitului in acest caz? Cum arata v_o(t) si v_{OUT WIEN}(t)?

In regim permanent, cand avem deja la iesire semnal sinusoidal v_o(t), apare intrarea diodelor D₁ si D₂ in conductie? Care este conditia pentru intrarea D₁ si D₂ in aceasta stare? Cat este amplificarea a a circuitului in acest caz?

Pentru ce este necesara prezenta a doua diode in antiparalel in schema din Fig.2?

Ce rol are rezistenta R₅ in paralel cu D₁ si D₂ din schema?

P2.2. Circuit de limitare a amplitudinii oscilatiilor cu TEC

Schema aceluiasi oscilator cu punte Wien, in care limitarea amplitudinii oscilatiilor se face cu TEC, este cea din Fig. 3. Tranzistorul TEC folosit este cu canal initial si este polarizat astfel incat in regim permanent la semnal mic el lucreaza in regim de rezistenta comandata in tensiune, r_ds comandat de v_GS.

Cat trebuie sa fie rezistenta r_ds a TEC pentru ca oscilatiile din circuit sa aiba amplitudine constanta? Ce elemente din circuit asigura comanda TEC in grila astfel incat sa se obtina r_ds constanta la valoarea calculata de voi?

Cum trebuie sa fie, ca marime, condensatorul C₃ din circuit si potentiometrul POT din stanga montajului? De ce?

Ce rol are dioda D₃ si rezistenta R₇ din circuitul din Fig.3? Cum s-ar modifica functionarea circuitului in absenta diodei D₃?

Ce avantaje si dezavantaje are circuitul de limitare a amplitudinii oscilatiilor cu TEC fata de cel cu diode in antiparalel?

IV. EXPERIMENTARE SI REZULTATE

1. Oscilator sinusoidal RC cu AO si punte Wien

Experimentare

Ca si montaj experimental veti folosi circuitul din Fig. 1, alimentat diferential in punctele J₁ si J₂ cu V. Conectati J₃ cu J₄, J₉ cu J₁₀, J₁₉ cu J₂₀ si aplicati in punctul IN WIEN un semnal sinusoidal v_I(t)=9sin2pn t [V], unde n kHz, pentru care modulul functiei de transfer a puntii Wien este maxim (1/3).

Vizualizati cu osciloscopul semnalele v_I(t) si v_O(t).

Din potentiometrul POT (din dreapta placutei) reglati valoarea amplificarii a pana cand amplitudinea semnalului v_O(t), , devine egala cu amplitudinea semnalului v_I(t), .

Deconectati semnalul sinusoidal din punctul IN WIEN si inchideti bucla de reactie prin conectarea J₇ cu J₈. Modificati valoarea potentiometrului POT pana obtineti un semnal sinusoidal la iesire. Nu se mai aplica semnal de la generatorul de semnale la intrarea in puntea wien.

Vizualizati simultan si desenati semnalul de la iesirea puntii Wien (OUT WIEN)    v_{OUT WIEN}(t) si v_O(t).

Rezultate

Determinati valoarea lui r din graficele semnalelor v_{OUT WIEN}(t) si v_O(t) desenate de voi la punctul E1.

Cat este defazajul intre v_{OUT WIEN}(t) si v_O(t)? Verificati indeplinirea conditiei lui Barkhausen numai pe baza masuratorilor facute.

2. Limitarea amplitudinii oscilatiilor in oscilatoarele RC cu AO

2.1. Limitarea amplitudinii cu diode

Experimentare

Pentru experimentare, folosim montajul din Fig. 2. Pentru realizarea circuitului conectati in plus fata de circuitul anterior J₁₁ cu J₁₂ si J₁₃ cu J₁₄.

Cu ajutorul osciloscopului, vizualizati semnalul v_O(t) la iesirea oscilatorului. Daca este nevoie modificati pozitia cursorului lui POT pana cand pe ecran obtineti o unda sinusoidala. Desenati semnalul v_O(t) masurand:

- amplitudinea

- frecventa semnalului.

Vizualizati semnalul v_{OUT WIEN}(t) si desenati forma sa. Masurati amplitudinea si frecventa semnalului.

Cu sonda osciloscopului pe iesirea v_O(t), micsorati valoarea potentiometrului POT. Desenati modificarea semnalului v_O(t).

Mariti acum valoarea potentiometrului POT si reprezentati din nou semnalul v_O(t).

Rezultate

Comparati frecventa n a semnalului v_o(t) de la iesirea oscilatorului cu circuit de limitare a amplitudinii oscilatiilor cu diode si punte Wien cu valoarea n data initial.

Cum se poate modifica amplitudinea semnalului sinusoidal v_O(t), de la iesirea oscilatorului? Stabiliti o expresie aproximativa pentru . Este v_O(t) o sinusoida perfecta? Justificati raspunsul vostru.

Care este valoarea defazajului intre semnalele v_{OUT WIEN}(t) si v_O(t)?

Cum ati putea determina indirect, pe baza formei de unda a v_O(t) si v_{OUT WIEN}(t), valoarea amplificarii a a circuitului fara reactie pozitiva? Calculati-o.

Ce fenomen are loc in circuit daca scade valoarea lui POT, si cum se manifesta el la iesirea v_o(t) a circuitului? Dar in cazul cresterii lui POT?

2.2. Circuit de limitare a amplitudinii oscilatiilor cu TEC

Experimentare

Montajul experimental pentru oscilatorul cu AO si circuit de limitare a amplitudinii oscilatiilor cu TEC este cel din Fig. 3. Deconectati J₃ - J₄, J₁₁ - J₁₂, J₁₃ - J₁₄ si J₁₉ - J₂₀ si conectati J₁₅ cu J₁₆, J₁₈ cu J₁₉ iar J₂₀ cu J₂₁.

Conectati in plus J₁₆ cu J₁₇, vizualizati pe osciloscop si desenati semnalele v_O(t) si v_{OUT WIEN}(t).

Opriti sursa de alimentare si deconectati J₁₆ cu J₁₇. Reporniti alimentarea si vizualizati pe osciloscop semnalul v_O(t). Daca este nevoie reglati POT pana cand obtineti o unda sinusoidala. Desenati v_O(t). Cititi de pe osciloscop amplitudinea si frecventa semnalului v_O(t).

Vizualizati cu osciloscopul semnalul v_{OUT WIEN}(t) si masurati frecventa si amplitudinea semnalului. Desenati semnalul v_{OUT WIEN}(t).

Masurati cu osciloscopul tensiunea intre punctul G si masa (GND).

Vizualizati cu osciloscopul semnalul v_O(t), si micsorati valoarea potentiometrului POT. Desenati noua forma a lui v_O(t). Faceti acelasi lucru pentru marirea valorii potentiometrului    POT.

Rezultate

Pentru legatura dintre J₁₆ si J₁₇ intrerupta, cat este amplificarea a a circuitului? In ce regim functioneaza AO? Dati acest raspuns pe baza formei de unda a v_O(t).

Exista vreo diferenta calitativa sesizabila intre functionarea oscilatorului cu punte Wien cu circuit de amorsare cu diode fata de cel cu TEC?

Determinati, ca si la punctul 2.1, amplificarea a a circuitului fara reactie pozitiva. Comparati-o cu valoarea obtinuta la punctul 2.1.

Cum se modifica forma semnalului v_O(t) daca POT creste? Dar daca POT scade?

Pe baza tensiunii V_GS a TEC masurate, verificati din catalog starea de conductie a TEC, si estimati valoarea rezistentei sale    r_DS.