OSCILATOARE SINUSOIDALE

I. OBIECTIVE

a) Ajustarea valorilor transmitanţei a pentru îndeplinirea condiţiei Barkhausen la oscilatoare cu punte Wien.

b) Înţelegerea mecanismului de limitare a amplitudinii oscilaţiilor prin circuite limitatoare cu diode pentru limitarea a sau TEC folosit ca rezistenţă liniară comandată în tensiune.

II. COMPONENTE ŞI APARATURĂ

Pentru experimentare, se foloseşte montajul experimental echipat cu: un amplificator operaţional 741, două diode 1N4148, un TEC BF961, rezistenţe şi condensatoare. Pentru alimentarea montajului se foloseşte o sursă de tensiune dublă stabilizată. Ca şi generator de semnal alternativ folosim un generator de semnale. Vizualizarea tensiunilor alternative se realizează cu osciloscopul cu două canale.

III. EXERCIŢII PREGĂTITOARE

P1. Oscilator sinusoidal RC cu AO şi punte Wien Schema oscilatorului este dată în Fig. 1.

Care este frecvenţa semnalului sinusoidal pe care îl va genera oscilatorul? Cât este valoarea lui r la frecvenţa de oscilaţie? Dar faza lui r?

Cât trebuie să fie amplificarea circuitului fără reacţie pozitivă, a, pentru a asigura oscilaţia? Ce se întâmplă cu semnalul de ieşire vo dacă a scade sub această valoare? Dar dacă a creşte peste această valoare?

După cum puteţi vedea din schema din Fig.1, nu există nici un semnal de intrare alternativ în circuit, şi totuşi, la ieşirea sa vom obţine un semnal sinusoidal. Prin ce mecanism se asigură apariţia semnalului sinusoidal vo la ieşirea oscilatorului?

Pentru ca la ieşirea oscilatorului să apară un semnal alternativ în absenţa unui semnal de intrare alternativ exterior, este suficientă fixarea a la valoarea specificată prin condiţia Barkhausen, a0? Cum trebuie să fie după pornirea alimentării valoarea a relativ la a0? De ce? Cum arată cronograma vo(t) dacă a rămâne la această valoare diferită de a0? Cum trebuie modificată

după apariţia oscilaţiilor valoarea a pentru a obţine la ieşire o undă sinusoidală?

Condiţia de apariţie şi menţinere a oscilaţiilor sinusoidale presupune realizarea unei:

amplificări constante şi infinite în circuit; amplificări constante şi finite, dată de condiţia lui

Barkhausen; amplificări mai mari decât cea stabilită de condiţia lui

Barkhausen în momentul iniţial (al cuplării alimentării), urmată de scăderea amplificării la valoarea stabilită de condiţia lui Barkhausen.

P2. Limitarea amplitudinii oscilaţiilor în oscilatoarele RC cu AO

Să revenim la schema oscilatorului cu punte Wien din Fig. 1, pe care vom studia limitarea amplitudinii oscilaţiilor. Într-un oscilator sinusoidal cu AO nu există semnal alternativ de intrare; apariţia semnalului sinusoidal la ieşire se datorează cuplării circuitului la sursa de alimentare.

Pentru circuitul din Fig.1, după alimentarea sa, cum arată cronograma semnalului diferenţial de intrare dintre bornele IN WIEN şi masă? Dar semnalul de ieşire, dacă amplificarea fără reacţie pozitivă este a>a0 calculat pentru respectarea condiţiei Barkhausen?

Să analizăm două scheme practice de oscilatoare cu AO şi punte Wien, în care circuitul de limitare a amplitudinii oscilaţiilor este realizat:

1. cu diode 2. cu TEC

P2.1. Limitarea amplitudinii cu diodeSchema electrică a oscilatorului cu AO şi punte Wien la care limitarea

amplitudinii oscilaţiilor se face cu două diode în antiparalel este cea din Fig. 2.

În ce stare (conducţie sau blocare) sunt D1 şi D2 în regim tranzitoriu, imediat după cuplarea alimentării? Cât este amplificarea a a circuitului în acest caz? Cum arată vo(t) şi vOUT WIEN(t)?

În regim permanent, când avem deja la ieşire semnal sinusoidal vo(t), apare intrarea diodelor D1 şi D2 în conducţie? Care este condiţia pentru intrarea D1 şi D2 în această stare? Cât este amplificarea a a circuitului în acest caz?

Pentru ce este necesară prezenţa a două diode în antiparalel în schema din Fig.2?

Ce rol are rezistenţa R5 în paralel cu D1 şi D2 din schemă?

P2.2. Circuit de limitare a amplitudinii oscilaţiilor cu TECSchema aceluiaşi oscilator cu punte Wien, în care limitarea amplitudinii

oscilaţiilor se face cu TEC, este cea din Fig. 3. Tranzistorul TEC folosit este cu canal iniţial şi este polarizat astfel încât în regim permanent la semnal mic el lucrează în regim de rezistenţă comandată în tensiune, rds comandat de vGS.

Cât trebuie să fie rezistenţa rds a TEC pentru ca oscilaţiile din circuit să aibă amplitudine constantă? Ce elemente din circuit asigură comanda TEC în grilă astfel încât să se obţină rds constantă la valoarea calculată de voi?

Cum trebuie să fie, ca mărime, condensatorul C3 din circuit şi potenţiometrul POT din stânga montajului? De ce?

Ce rol are dioda D3 şi rezistenţa R7 din circuitul din Fig.3? Cum s-ar modifica funcţionarea circuitului în absenţa diodei D3?

Ce avantaje şi dezavantaje are circuitul de limitare a amplitudinii oscilaţiilor cu TEC faţă de cel cu diode în antiparalel?

IV. EXPERIMENTARE ŞI REZULTATE

1. Oscilator sinusoidal RC cu AO şi punte Wien

Experimentare Ca şi montaj experimental veţi folosi circuitul din Fig. 1, alimentat

diferenţial în punctele J1 şi J2 cu 15V. Conectaţi J3 cu J4, J9 cu J10, J19 cu J20

şi aplicaţi în punctul IN WIEN un semnal sinusoidal vI(t)=9sin20t [V], unde 0 = 1.6kHz, pentru care modulul funcţiei de transfer a punţii Wien este maxim (1/3).

Vizualizaţi cu osciloscopul semnalele vI(t) şi vO(t). Din potenţiometrul POT (din dreapta plăcuţei) reglaţi valoarea

amplificării a până când amplitudinea semnalului vO(t), VO

, devine egală cu

amplitudinea semnalului vI(t), VI

.

Deconectaţi semnalul sinusoidal din punctul IN WIEN şi închideţi bucla de reacţie prin conectarea J7 cu J8. Modificaţi valoarea potenţiometrului POT până obţineţi un semnal sinusoidal la ieşire. Nu se mai aplică semnal de la generatorul de semnale la intrarea în puntea Wien.

Vizualizaţi simultan şi desenaţi semnalul de la ieşirea punţii Wien (OUT WIEN) vOUT WIEN(t) şi vO(t).

Rezultate Determinaţi valoarea lui r din graficele semnalelor vOUT WIEN(t) şi vO(t)

desenate de voi. Cât este defazajul între vOUT WIEN(t) şi vO(t)? Verificaţi îndeplinirea

condiţiei lui Barkhausen numai pe baza măsurătorilor făcute.

2. Limitarea amplitudinii oscilaţiilor în oscilatoarele RC cu AO2.1. Limitarea amplitudinii cu diode

Experimentare Pentru experimentare, folosim montajul din Fig. 2. Pentru realizarea

circuitului conectaţi în plus faţă de circuitul anterior J11 cu J12 şi J13 cu J14. Cu ajutorul osciloscopului, vizualizaţi semnalul vO(t) la ieşirea

oscilatorului. Dacă este nevoie modificaţi poziţia cursorului lui POT până când pe ecran obţineţi o undă sinusoidală. Desenaţi semnalul vO(t) măsurând:

- amplitudinea- frecvenţa semnalului.

Vizualizaţi semnalul vOUT WIEN(t) şi desenaţi forma sa. Măsuraţi amplitudinea şi frecvenţa semnalului.

Cu sonda osciloscopului pe ieşirea vO(t), micşoraţi valoarea potenţiometrului POT. Desenaţi modificarea semnalului vO(t).

Măriţi acum valoarea potenţiometrului POT şi reprezentaţi din nou semnalul vO(t).

Rezultate Comparaţi frecvenţa 0 a semnalului vo(t) de la ieşirea oscilatorului cu

circuit de limitare a amplitudinii oscilaţiilor cu diode şi punte Wien cu valoarea 0 dată iniţial.

Cum se poate modifica amplitudinea semnalului sinusoidal vO(t), VO

de la ieşirea oscilatorului? Stabiliţi o expresie aproximativă pentru VO

. Este

vO(t) o sinusoidă perfectă? Justificaţi răspunsul vostru. Care este valoarea defazajului între semnalele vOUT WIEN(t) şi vO(t)? Cum aţi putea determina indirect, pe baza formei de undă a vO(t) şi

vOUT WIEN(t), valoarea amplificării a a circuitului fără reacţie pozitivă? Calculaţi-o.

Ce fenomen are loc în circuit dacă scade valoarea lui POT, şi cum se manifestă el la ieşirea vo(t) a circuitului? Dar în cazul creşterii lui POT?

2.2. Circuit de limitare a amplitudinii oscilaţiilor cu TEC

Experimentare Montajul experimental pentru oscilatorul cu AO şi circuit de limitare a

amplitudinii oscilaţiilor cu TEC este cel din Fig. 3. Deconectaţi J3 - J4, J11 - J12, J13 - J14 si J19 - J20 şi conectaţi J15 cu J16, J18 cu J19 iar J20 cu J21.

Conectaţi în plus J16 cu J17, vizualizaţi pe osciloscop şi desenaţi semnalele vO(t) şi vOUT WIEN(t).

Opriţi sursa de alimentare şi deconectaţi J16 cu J17. Reporniţi alimentarea şi vizualizaţi pe osciloscop semnalul vO(t). Dacă este nevoie reglaţi POT până când obţineţi o undă sinusoidală. Desenaţi vO(t). Citiţi de pe osciloscop amplitudinea şi frecvenţa semnalului vO(t).

Vizualizaţi cu osciloscopul semnalul vOUT WIEN(t) şi măsuraţi frecvenţa şi amplitudinea semnalului. Desenaţi semnalul vOUT WIEN(t).

Măsuraţi cu osciloscopul tensiunea între punctul G şi masă (GND). Vizualizaţi cu osciloscopul semnalul vO(t), şi micşoraţi valoarea

potenţiometrului POT. Desenaţi noua formă a lui vO(t). Faceţi acelaşi lucru pentru mărirea valorii potenţiometrului POT.

Rezultate Pentru legătura dintre J16 si J17 întreruptă, cât este amplificarea a a

circuitului? În ce regim funcţionează AO? Daţi acest răspuns pe baza formei de undă a vO(t).

Există vreo diferenţă calitativă sesizabilă între funcţionarea oscilatorului cu punte Wien cu circuit de amorsare cu diode faţă de cel cu TEC?

Determinaţi, ca şi la punctul 2.1, amplificarea a a circuitului fără reacţie pozitivă. Comparaţi-o cu valoarea obţinută la punctul 2.1.

Cum se modifică forma semnalului vO(t) dacă POT creşte? Dar dacă POT scade?

Pe baza tensiunii VGS a TEC măsurate, verificaţi din catalog starea de conducţie a TEC, şi estimaţi valoarea rezistenţei sale rDS.

BIBLIOGRAFIE1. Oltean, G., Circuite Electronice, UT Pres, Cluj-Napoca, 2007, ISBN 978-973-662-300-42. Feştilă Lelia, Simion E., Miron C., Amplificatoare audio şi sisteme muzicale, Editura Dacia, Cluj-Napoca, 1990.3. http://www.bel.utcluj.ro/dce/didactic/cef/cef.htm

Fig. 4. Montaj experimental