Oscillatori

Materie:Altro
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Testo

Oscillatori
Un circuito elettronico in grado di generare un segnale sinusoidale di frequenza predeterminata, senza l’intervento di alcuna eccitazione esterna che non sia la consueta alimentazione in continua, prende il nome di oscillatore sinusoidale.
Il modo classico di generare un segnale sinusoidale consiste nel portare un amplificatore, sottoposto a reazione positiva, in oscillazione spontanea. Glio oscillatori trovano impiego in vari campi sia in bassa frequenza (testing di apparecchi audio, pilotaggio di trasduttori) che in alta frequenza (generazione di portanti radio TV, conversioni di frequenza ecc).
Principio di funzionamento
In fig. è rappresentato lo schema generale di un amplificatore reazionato (positivamente).
Mantenendo aperto S2 e chiudendo S1, si applichi il segnale sinusoidale xs all’ingresso del blocco G (che nella pratica è un amplificatore); otteniamo che:
xi=xs e xf=GHxi
Nell’ipotesi che esista un’unica frequenza Fo per la quale la fase di GH sia uguale a 0, ovvero che xf e xi siano in fase, possono aversi i seguenti tre casi:
1. |GH|=1, risulta allora |xf|=|xs|; chiudendo S2 e aprendo simultaneamente S1 l’amplificatore si autoeccita, mantenendo in uscita l’oscillazione a frequenza Fo, di ampiezza costante.
2. |GH||xs|; chiudendo S2 e aprendo simultaneamente S1 l’oscillazione a frequenza Fo cresce in ampiezza col passare del tempo, sino a quando non intervengono fenomeni di non linearità nell’amplificatore.
Nell’ultimo caso l’oscillazione ha carettere “autoinnescante” e nasce spontaneamente nell’anello di reazione al momento della chiusura del circuito di alimentazione , rendendo superflua la funzione di eccitazione della sorgente xs.
In pratica l’autoinnesco è reso possibile dall’inevitabile presenza di una componente del rumore a frequenza Fo; tale componente, di valore infinitesimo, viene esaltata in modo esclusivo dall’anello di reazione (nel caso 3 ), mutandosi rapidamente in un’oscillazione di grande ampiezza.
Le condizioni di innesco sono pertanto:
|GH|>1 e fase di GH = 0
Le condizioni necessarie per ottenere in uscita un’oscillazione di ampiezza costante sono invece:
|GH|=1 e fase di GH = 0
queste sono note come condizioni di Barkhausen.
La necessità di soddisfare tali condizioni per un’unico valore di frequenza rende indispensabile la presenza nell’anello di reazione di componenti selettivi (elementi induttivi e capacitivi).
Al fine di ottenere l’autoinnesco dell’oscillazione, si deve prevedere nel funzionamento lineare iniziale un guadagno |GH| leggermente maggiore di 1. Successivamente, col crescere dell’ampiezza della sinusoide, la diminuzione del guadagno A dell’amplificatore dovuta a fenomeni di non linearità, riporta gradualmente il valore di |GH| a 1, con la conseguente stabilizzazione dell’ampiezza, anche se con una certa distorsione.
Stabilità in frequenza
La frequenza di innesco Fo di un oscillatore coincide, come si è già detto, con la frequenza per la quale lo sfasamento lungo l’anello di reazione risulta nullo. Ne consegue che la stabilità della frequenza di oscillazione è essenzialmente legata alla stabilità della curva di fase di GH.
Per valutare il grado di stabilità in frequenza di un oscillatore si fa riferimento al seguente coefficiente:
Oscillatore a ponte di Wien
Il ponte di Wien è il circuito raffigurato in figura presenta una rete RC serie in un ramo e una rete RC parallela in un ramo adiacente. Nei due rami rimanenti vi sono due resistori.
quindi:
In conclusione il guadagno di anello è:
Bisogna ora verificare l’esistenza di una frequenza Fo alla quale siano verificate le condizioni di Barkhausen per l’automantenimento dell’oscillazione.
Poniamo per semplicità:
R1=R2=R
C1=C2=C
Si ottiene quindi:
sostituiamo s=js:
Imponendo la condizione di Barkhausen sulla fase abbiamo che dev’essere GH=0°, cioè:
Imponendo la condizione di Barkhausen sul modulo abbiamo che dev’essere |GH|=1, cioè
Nel caso più generale invece avremo queste condizioni:

dividiamo numeratore e denominatore per sC1R2:
e quindi:
Per avere l’innesco dell’oscillazione si regola il trimmer per avere un guadagno >3, poi il guadagno viene ridotto a 3.
Il circuito visto non può essere utilizzato in pratica in quanto, non essendo presente la rete per il controllo automatico dell’ampiezza, il sistema satura o non oscilla.
Un semplice metodo per controllare automaticamente il guadagno consiste nel sostituire i resistori Ra e Rb con dei resistori sensibili alla temperatura. In particolare:
Ra ntc, Rb ptc
La prima diminuisce il proprio valore di resistenza all’aumentare della temperatura, la seconda aumenta il proprio valore di resistenza all’aumentare della temperatura. Inizialmente il guadagno dell’amplificatore è tale per cui si ha |GH|>1; in seguito, la corrente crescente che percorre Ra e Rb provoca un aumento di temperatura, quindi i valori delle resitenze si modificano come indicato sopra. In conseguenza di tali cambiamento, il guadagno di anello raggiunge il valore unitario.
E’ necessario che i tempi di risposta non siano troppo lunghi (2-3 periodi della sinusoide).
Oscillatore a sfasamento
Se si usa un amplificatore invertente, per avere un oscillatore la rete di reazione deve introdurre, alla frequenza di oscillazione, uno sfasamento di 180°.
Per avere uno sfasamento di 180° la rete di reazione deve avere almeno 3 celle RC e RL (infatti ognuna ha sfasamento

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