Моделирование электрических цепей

Генератор с мостом Вина

Теоретические сведения

Ранее вы узнали о схемах, в которых используются операционные усилители и положительная обратная связь для получения периодических сигналов. В этом разделе вы создадите еще одну схему генератора синусоидальных колебаний: генератор с мостом Вина.

RC-часть схемы задает частоту генерируемой синусоидальной волны: . Эта часть схемы действует как фильтр нижних частот, соединенный последовательно с фильтром верхних частот, что делает ее высокочувствительной к частоте . Эта часть схемы включается в цикл положительной обратной связи.

Однако выходной сигнал фильтра при составляет 1/3 от входного напряжения. Это означает, что схема не будет генерировать колебания, поскольку сигнал, поступающий на положительный вход операционного усилителя, постепенно уменьшается. Выходной сигнал необходимо усилить в 3 раза, чтобы он представлял собой синусоидальные колебания. Неинвертирующая схема операционного усилителя имеет выходное напряжение .
Другая часть генератора с мостом Вина – это неинвертирующий усилитель.

Выбрав , вы можете добиться усиления, равного 3, и схема будет генерировать синусоидальные колебания.

В этом разделе вы создадите генератор с мостом Вина в соответствии со схемой, приведенной выше. После того как вы соберете схему и зададите начальные значения, вы увидите, что выходное напряжение является синусоидальным — без использования какого-либо внешнего источника напряжения.

Практическая часть

✏️Задание 1

Начните с создания фильтрующей части схемы:

1. Создайте новую модель. Добавьте в модель два блока Резистор. Для обоих резисторов задайте значения параметра Сопротивление равными 100e3 Ом.
2. Добавьте в модель два блока Конденсатор. Для обоих конденсаторов задайте значения параметра Ёмкость равными 3e-9 Ф.
3. Физический осциллятор начнет колебаться сам по себе из-за шума окружающей среды, вызывающего колебания напряжения в компонентах схемы. Однако при моделировании необходимо специально задать ненулевое начальное состояние. В окне настроек одного из конденсаторов в разделе Целевые значения -> Напряжение конденсатора задайте значение параметра Значение равным 1 В.

Пока не соединяйте блоки.

Решение

Схема фильтра состоит из параллельной RC-цепи, последовательно соединенной с другой последовательной RC-цепью.

✏️Задание 2

1. Соедините блоки, как показано на схеме ниже. Конденсатор с начальным напряжением 1 В должен быть включен в параллельную RC-цепь.

2. Добавьте в модель блоки Solver Configuration (настройки решателя) и Электрическое заземление. Подключите эти блоки к любым точкам цепи.

Решение

✏️Задание 3

Соберите часть схемы, соответствующую неинвертирующему усилителю:

1. Добавьте в модель блок Операционный усилитель.
2. Добавьте в модель два блока Резистор. Задайте значение параметра Сопротивление одного резистора равным 100e3 Ом, а другого - 50e3 Ом.
3. Добавьте в модель блок Электрическое заземление.
4. Соедините новые блоки резисторов (100e3 Ом) и (50e3 Ом) с операционным усилителем и заземлением, как показано на рисунке:

Решение

Когда вы подключите фильтрующую часть схемы к операционному усилителю по контуру положительной обратной связи, схема начнет генерировать синусоидальные колебания с частотой Гц.

✏️Задание 4

Завершите построение модели:

1. Подключите RC-часть схемы к операционному усилителю по контуру положительной обратной связи, как показано на рисунке ниже:

2. Добавьте в модель блоки Датчик напряжения и Электрическое заземление. Подключите порт (+) датчика к точке цепи (см. схему выше), а порт (–) к блоку заземления. К порту V датчика подключите блок Заглушка и залогируйте выходной сигнал.
3. В окне настроек модели задайте размер шага равным 1e-6 с, а время моделирования – 0.0075 с.
4. Запустите модель и постройте график зависимости напряжения операционного усилителя от времени.

Решение

Модель:

График решения:

Тест для получения сертификата

Пройти тест по разделу >>