INGENIERÍA ELECTRÓNICA. AMPLIFICADORES OPERACIONALES OPERACIONALES Oscilador de puente de Wien
PRACTICA PRACTICA 6 PROFESOR: GÓMEZ SÁNCHEZ FÉLIX INTEGRANTES: No. Control.
CONT CONTRER RERAS AS CH CHÁ ÁVEZ VEZ ALFO ALFONS NSO O EDÉN. EDÉN.
1156 115600 0035 35
RUEDA ZINZUN FRANCISCO AVIER AVIER
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C". # P$%. L&'()% C&)"*+(, M-/%(&+ ( N%-*2)* "* !014.
C%+$*+-"% INTRODUCCIÓN...................................................................................................1 MARCO TEÓRICO................................................................................................. 1 1. P)-+--%, 2&,-%, "* %,-("%)*, ,*+%-"(*,.............................................1 !. E %,-("%) *+$* "* 7-*+......................................................................5 3. C%()("%) %+ /-,$8)*,-, -+*),%)9.........................................................6 O:ETIVOS9.......................................................................................................... ; MATERIAL............................................................................................................ ; PROCEDIMIENTO.................................................................................................; CONCLUSIÓN..................................................................................................... 16
PRACTICA 6 OSCILADOR PUENTE WIEN. INTRODUCCIÓN Los osciladores son circuitos inestables que sirven como generadores de ondas eléctricas. Hay dos grandes clases de osciladores:
• •
Osciladores senoidales, que producen ondas senoidales Osciladores de relajación, que producen ondas triangulares o rectangulares
Además, se puede dierenciar entre osciladores basados en ampliicadores operacionales y redes !", y los que utili#an circuitos L". $inalmente se verán los osciladores de cristal.
MARCO TEÓRICO 1. Principios básicos de osciladores senoidales
%n oscilador senoidal tiene tres partes uncionales:
• • •
&espla#ador de ase, que establece la recuencia de oscilación "ircuito de ganancia, que compensa las pérdidas de energ'a en el despla#ador de ase Limitador, que controla la amplitud de la oscilación
A pesar del nombre de oscilador lineal, se emplea alg(n tipo de no linealidad para producir el control de la amplitud de la onda senoidal.
1
).).
La#o de realimentación del oscilador
La estructura básica de un oscilador senoidal consiste en un ampliicador y en una red de recuencia selectiva conectada en un la#o de realimentación positiva.
X
S
A M P L I F IC A D O R Σ
X
O
A
X
f
R E D D E F R E C U E N C IA S E L E C T IV A
β
A f ( s ) =
A( s ) 1 − A( s ) β ( s )
*n realidad un oscilador no tiene se+al de entrada, pero aqu' se a incluido para acilitar el siguiente desarrollo. La ganancia en la#o, L-s, de este circuito la deinimos como:
LS ≡ A( s ) ⋅ β ( s ) 1 − L( s ) = 0 La ecuación caracter'stica será por tanto:
)./.
*l criterio de oscilación
0e deine como circuito oscilador a aquel que a una recuencia o tiene una ganancia en la#o A β igual a la unidad, de orma que la ganancia con realimentación dada por:
!
A f ( s ) =
A( s ) 1 − A( s ) β ( s )
tendrá un valor ininito, y la salida será inita para una entrada igual a 1.
2or lo tanto, la condición para que en el la#o de realimentación de la igura anterior se produ#can oscilaciones a recuencia 3 o es:
L( jwo ) ≡ A( jwo ) ⋅ β ( jwo ) = 1
*sto da lugar al criterio de Barkhausen , que dice: A wo la fase de la ganancia en lazo debe ser 0 y la magnitud debe ser la unidad .
La recuencia de oscilación 3 o viene determinada sólo por la caracter'stica de ase del la#o de realimentación: el la#o oscila a la recuencia a la cual la ase se aga igual a cero.
%na orma alternativa de estudiar circuitos osciladores consiste en e4aminar sus polos, que son las ra'ces de la ecuación caracter'stica. 2ara que el circuito produ#ca oscilaciones a recuencia 3 o, la ecuación caracter'stica debe tener ra'ces en s5± j3o. 2or lo tanto, )6A-s β-s debe tener un actor de la orma s /73o/. ).8.
"ontrol no lineal de la amplitud.
La unción del mecanismo de control de la ganancia es como sigue:
•
2rimero, se asegura que las oscilaciones comien#an, y se dise+a el circuito de orma que Aβ sea ligeramente mayor que la unidad, lo cual se corresponde con dise+ar el circuito de orma que los polos estén en la mitad dereca del plano s. 2or lo tanto, al conectarle la uente de tensión, la magnitud de las oscilaciones comen#ará a aumentar.
3
•
"uando la magnitud a alcan#ado el valor deseado, la red no lineal comien#a a uncionar y ace que la ganancia en la#o se redu#ca a e4actamente la unidad. *sto ace que el circuito mantenga oscilaciones a la recuencia deseada.
•
0i por alguna ra#ón la ganancia en la#o se reduce por debajo de la unidad, la amplitud de la onda senoidal disminuirá. *ste eco será detectado por la red no lineal, que ará que la ganancia en la#o aumente a e4actamente la unidad.
/.9. "ircuito limitador de amplitud
V +
R 2
D 1
R
f
R 3
V
in
R 1
V
!"
R 4
D 2
R 5
V -
*ste circuito limita la amplitud de las ondas senoidales a los valores representados por las siguientes e4presiones y e4presados en la siguiente gráica:
4
R3 V − D 1 + m− = − R2 R 2 ( R f ## R3 ) L+ = V R4 + V 1 + R4 m+ = − D R5 R1 R5 R f ## R4 L − R1
= −V
R3
V!" $ + L +
$
V in
L -
2. El oscilador puente de Wien
5
$ -
2ara este tipo de circuito, la recuencia de oscilación viene dada por:
ω o
=
1 RC
ientras que la condición para que a estas recuencias se mantengan las oscilaciones es: R 2 R1
≥
2
. !omparador con "ist#resis in$ersor%
*l circuito de este comparador y su uncionamiento se describen a continuación. $uncionamiento: "omo sabemos, un comparador coteja las tensiones que ingresan en las entradas inversora -6 y no inversora -7 del ampliicador operacional. La tensión que ingresa en la entrada inversora del O2A2 es la se+al de entrada vi-t. La tensión que ingresa en la entrada no inversora del O2A2 es la tensión en el punto 2, o sea en la resistencia !/. *sta tensión resulta de la realimentación de la tensión de salida ;o a la entrada del ampliicador, la cual se aten(a mediante un divisor de tensión ormado por !) y !/. La tensión en el punto 2 está dada por:
*n la e4presión anterior, ;sat es la tensión de salida del O2A2 cuando este está saturado. <;sat = <;cc <),>-;. 0i consideramos que la tensión de salida del O2A2 es ;157;0at, entonces la tensión de reerencia en el punto 2 será ;257?.;0at, por lo tanto la tensión de entrada vi-t debe incrementarse un valor ligeramente mayor que @7?.;0at para conmutar la tensión de salida ;1 del O2A2 de @7;0at a @6;0at. %na ve# que la salida está en el estado negativo, permanecerá en ese estado asta que la tensión de entrada vi-t sea más negativa que el valor de tensión ;256?.;0at. *n este caso, la tensión de salida del O2A2 conmuta de @6;0at a @7;0at. La curva caracter'stica para este comparador se muestra a continuación:
6
La dierencia entre los puntos de conmutación es lo que se denomina @Bensión de Histéresis ; H.
La realimentación positiva ocasiona la istéresis. 0i no ubiese realimentación, ?51 -lo que ocurre cuando !/51 ó !)CD la istéresis desaparecerá ya que los puntos de conmutación ser'an ambos similares e iguales a cero, quedando el circuito como un circuito comparador detector de cruce por cero inversor. 2ara evitar que la tensión de ruido ocasione alsos disparos debe cumplirse que:
*n esta coniguración, si se elige correctamente el valor de la tensión de istéresis, se evita conmutaciones m(ltiples a la salida del comparador de tensión. La desventaja de este circuito es que se produce el despla#amiento del punto de comparación, lo que puede solucionarse seleccionando adecuadamente el valor del punto de conmutación.
=
OBJETIVOS: "omprobación del uncionamiento del oscilador de onda senoidal. ontaje y análisis de un generador de se+ales elemental.
MATERIAL / diodos )EF)9 o equivalente ) resistor de ) G 9 resistores de )1 G ) resistor de 9I G ) resistor de )11 G ) resistor de 9I1 G ) resistor de )
) potenciómetro de ) G ) potenciómetro 9.I G ) potenciómetro de )1 G ) capacitor de /./ n$ -no electrol'tico / capacitores de 1.1) J$ -no electrol'tico 8 O2A2s LI9) o equivalente
PROCEDIMIENTO
• •
*l circuito de la igura -a proporciona una se+al de salida senoidal. 0i aplicamos esta se+al a un circuito disparador 0cmitt obtendremos un generador de las se+ales básicas -senoidal y cuadrada.
;
• Aplicando la onda cuadrada, proporcionada por el disparador 0cmitt, al •
integrador se obtendrá una onda triangular en la salida. &e ese modo, es posible construir un generador elemental de se+ales -senoidal, cuadrada y triangular
). ontar y conectar el circuito de la igura.
/. Ajustar !) en su valor má4imo -)1 G. 8. Ajustar !8 para conseguir la má4ima se+al de salida en 0 ) -sin que presente distorsión. *n caso de producir intererencias acer uso de capacitores de 1.) J$ en las terminales de cada una de las uentes de polari#ación de cd del opamp y tierra.
>
9. edir la recuencia de la se+al de salida en 0 ) comparándola con el valor teórico calculado. "omprobar cuál es la recuencia de 0 /. f
=
f =
1 2 πRc
1
(
3
2 π 10
10
Ω ) ( .01 F ) −6
=1.59 kHz.
>. Ajustar la salida de 0 8 variando su tensión -"" por medio del potenciómetro de ) G colocado en la entrada no inversora del opamp -8, de manera que sea simétrica respecto al eje adoptado para las salidas 0 ) y 0/.
K. edir los valores de pico de la tensión de las se+ales de salida en 0 ) y 0/. "omparar los resultados.
0)5I.K;p 0/5)).9;p
I. ;ariar lentamente el potenciómetro ! ) y observar que sucede con la se+al de salida en 0 ). ustiicar las observaciones.
11
M. 2rovocar los eectos indicados y llenar la tabla que se muestra.
!omponente
!) !/ !8 !8
1!
A$er&a obser$ada Abierto "ortocircuitad o "ortocircuitad o Abierto
Efecto obser$ado en la salida ' 1
$igura ). $igura /. $igura 8. $igura 9.
$igura ).
$igura /.
$igura 8.
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$igura 9. (.) *+e ,u# manera es posible $ariar la frecuencia de operaci-n del circuito /ustificar la respuesta. ediante la variación de los capacitores que se encuentran en serie y paralelo de !) y !/
10.) *Para ,u# sir$en los diodos + 1 y +2
E -)-$% %+,$)-"% *, ? ,*+,-2* ( (%) "* %, %%+*+$*, ? ( ( $**)($)(. I(@-+*%, * ( @(+(+-( *+ ('% *))("% *, + %% ,*)-%) ( ( +-"("9 ("( *' ( ( -) (*+$(+"% &, ( ,*B( "* ,(-"( V% ? ((2()& ,($)(+"% ( (-("%). A, ( ,*B( "* ,(-"( "*()& "* ,*) +( ,-+,%-"* ()( %+*)$-),* *+ +( ,*B( (")("(. P()( )*,%*) *,$* )%2*( "*2*%, "-,*B() +( *$(( (-("%)( %+ --$(-+ "* @(+(+-( "* %"% * (,$*%, , (%) /(,$( ((+'() ( ,(-"( "*,*("(.
14
*n el dise+o de la igura, *l potenciómetro ! 9 permite ajustar la ganancia para que la oscilación comience. !ecuerde que, si la ganancia en la#o cerrado es inerior a la unidad, la oscilación no es capa# de mantenerse aunque aya comen#ado en un momento por un pico de ruido. "uando empie#an a crecer las oscilaciones, los diodos & ) y & / comien#an a conducir -uno en cada semiciclo de la oscilación. 0e alcan#ará el equilibrio cuando la ganancia del circuito realimentado sea e4actamente igual a ).
11.) *u# suceder&a en caso de ,ue se pusieran en corto el diodo + 1 o +2 !omprobarlo en la práctica.
"uando empie#an las oscilaciones, los diodos &) y &/ comien#an a conducir -uno en cada semiciclo de la oscilación. 0e alcan#ará el equilibrio cuando la ganancia del circuito realimentado sea e4actamente igual a ). *ntonces si uno de los diodos se encuentra en cortocircuito ya no ay conducción en uno de los semiciclos por lo tanto ya no cumple con la unción de limitador y tiende a saturarse.
15
0e+al de
salida al cortocircuitar uno de los dos diodos
12.) E3plicar el funcionamiento de la figura a% *n el puente de 3ien los resistores !) y !/ y los capacitores ") y "/ conorman los elementos de ajuste de recuencia, mientras que los resistores !8 y !9 orman parte de la trayectoria de retroalimentación.
Los diodos &) y &/ llevan a cabo el control automático de ganancia -"AN, si la tensión de salida aumenta la resistencia "A -rca del diodo que este conduciendo disminuye por incrementarse la corriente instantánea -& que circula por él y el actor de retro negativa aumenta.
CONCLUSIÓN *n esta práctica comprend' la unción que desempe+a cada elemento del oscilador puente Pien, ya que si requiero variar la recuencia o ganancia de dico circuito sé que elementos debo modiicar.
E *+$* "* 7-*+ +% $-*+* *+$)("( "* ,*B( * /(@( * %-*+* ( %,-(-+. P%) % $(+$% * -+--% "* ( %,-(-+ *,$& *+ * )-"% (2-*+$*. E+ * -$* (+"% ( ,($)(-+ *, ? **("( ( ,*B( * ,* %2$-*+* *, +( ,*B( (")("(.
16
1=
