Oscilátor fázového posuvu Rc

Čo je oscilátor?

Oscilátor je mechanická alebo elektronická konštrukcia, ktorá produkuje osciláciu v závislosti od niekoľkých premenných. Všetci máme zariadenia, ktoré potrebujú oscilátory, tradičné hodiny, ktoré všetci doma máme ako nástenné hodiny alebo náramkové hodinky, rôzne typy detektorov kovov, počítače, kde sú zapojené mikrokontroléry a mikroprocesory, používajú oscilátory, najmä elektronický oscilátor, ktorý produkuje periodické signály.

RC oscilátor a fáza:

Keď diskutujeme o RC oscilátore a tiež sa označuje ako oscilátor s fázovým posunom, potrebujeme spravodlivé pochopenie toho, čo je fáza. Pozri tento obrázok: -

Ak uvidíme vyššie uvedenú sínusovú vlnu, ako je táto, zreteľne uvidíme, že počiatočný bod signálu je vo fáze 0 stupňov a potom každý vrcholový bod signálu od kladného po 0, potom opäť záporný bod a potom opäť 0 znamená 90 stupňa, 180 stupňov, 270 stupňov a 360 stupňov vo fázovej polohe.

Fáza je perióda celého cyklu sínusovej vlny v 360 stupňovej referencii.

Teraz sa bez ďalšieho oneskorenia pozrime, čo je to fázový posun?

Ak posunieme iný začiatočný bod sínusovej vlny ako je 0 stupňov, dôjde k posunu fázy. Fázový posun pochopíme na ďalšom obrázku.

Na tomto obrázku sú prezentované dve sínusové vlny s striedavým prúdom, prvá zelená sínusová vlna má fázu 360 stupňov, ale červená, ktorá je replikou prvého prečítaného signálu, je 90 stupňov od fázy zeleného signálu.

Pomocou RC oscilátora môžeme posunúť fázu sínusového signálu.

Fázový posun pomocou obvodu RC oscilátora:

RC je skratka pre rezistor a kondenzátor. Môžeme jednoducho vytvoriť rezistor-kondenzátorovú sieť s fázovým posunom pomocou iba jedného rezistora a jedného kondenzátora.

Ako je vidieť v tutoriále High pass filter, tu platí rovnaký obvod. Typický RC fázový posun oscilátor môže byť produkcia kondenzátorom v sérii spolu s rezistorom paralelne.

Toto je jednopólová sieť s fázovým posunom; obvod je rovnaký ako pasívny vysokopriepustný filter. Teoreticky, ak použijeme signál vo fáze cez túto RC sieť, výstupná fáza sa posunie presne o 90 stupňov. Ale ak to skúsime v realite a skontrolujeme fázový posun, dosiahneme fázový posun 60 až menej ako 90 stupňov. Závisí to od frekvencie a tolerancií komponentov, ktoré v skutočnosti pôsobia nepriaznivo. Ako všetci vieme, že nič nie je dokonalé, mal by existovať určitý rozdiel od skutočných takzvaných alebo očakávaných hodnôt od reality. Teplota a iné vonkajšie závislosti spôsobujú ťažkosti s dosiahnutím presného 90-stupňového fázového posuvu, 45 stupňov je všeobecne, 60 stupňov je bežných v závislosti od frekvencií a dosiahnutie 90 stupňov je v mnohých prípadoch veľmi náročná práca.

Ako je uvedené v High pass tutoriále, zostrojíme rovnaký obvod a budeme skúmať fázový posun toho istého obvodu.

Obvod tohto vysokopriepustného filtra spolu s hodnotami komponentov je na nasledujúcom obrázku: -

Toto je príklad, ktorý sme použili v predchádzajúcich kurzoch pasívneho vysokopriepustného filtra. Bude produkovať 4,9 KHz šírky pásma. Ak skontrolujeme rohovú frekvenciu, identifikujeme fázový uhol na výstupe oscilátora.

Teraz vidíme, že fázový posun je spustený od 90 stupňov, čo je maximálny fázový posun sieťou RC oscilátorov, ale v mieste rohovej frekvencie je fázový posun 45 stupňov.

Teraz, keď vezmeme do úvahy skutočnosť, že fázový posun je 90 stupňov, alebo ak zvolíme konštrukciu obvodov oscilátora ako špeciálny spôsob, ktorý vytvorí 90-stupňový fázový posun, potom obvod stratí imunitu v hraničnom rozmedzí kvôli zlému faktoru stabilizácie frekvencie. Ako si vieme predstaviť v bode 90 stupňov, kde krivka práve začínala od 10 Hz alebo od dolnej do 100 Hz, je takmer plochá. To znamená, že ak sa frekvencia oscilátora mierne zmenila v dôsledku tolerancie komponentov, teploty alebo iných nevyhnutných okolností, fázový posun sa nezmení. To nie je dobrá voľba. Takže považujeme za prijateľný fázový posun pre jednopólový RC sieťový oscilátor 60 stupňov alebo 45 stupňov. Zlepší sa stabilita frekvencie.

Kaskádové viacnásobné RC filtre:

Kaskádové tri RC filtre:

Ak vezmeme do úvahy túto skutočnosť, že nemôžeme dosiahnuť iba 60 stupňový fázový posun namiesto 90 stupňov, môžeme kaskádovať tri RC filtre (Ak je fázový posun 60 stupňov pomocou RC oscilátorov) alebo kaskádovať štyri filtre do série (Ak je fázový posun 45 stupňov od každého RC oscilátora) a získate 180 stupňov.

Na tomto obrázku sú kaskádované tri RC oscilátory a zakaždým je pridaný 60-stupňový fázový posun a nakoniec po treťom stupni dostaneme 180-stupňový fázový posun.

Zostrojíme tieto obvody v simulačnom softvéri a pozrieme tvar vstupných a výstupných vĺn obvodov.

Pred vstupom do videa si pozrime obraz obvodov a uvidíme tiež pripojenie osciloskopu.

V hornom obrázku sme použili kondenzátor 100pF a hodnotu rezistora 330k. Osciloskop je pripojený cez vstup VSIN (A / žltý kanál), cez prvý pólový výstup (B / modrý kanál), ^2. pólový výstup

(C / červený kanál) a konečný výstup cez tretí pól (D / zelený kanál).

Uvidíme simuláciu vo videu a uvidíme fázovú zmenu o 60 stupňov cez prvý pól, 120 stupňov cez druhý pól a 180 stupňov cez tretí pól. Krok za krokom sa tiež minimalizuje amplitúda signálu.

1 ^st pól amplitúda> druhý pól amplitúda> tretej pól amplitúda. Čím viac ideme k poslednému pólu, zmenšuje sa amplitúda signálu.

Teraz uvidíme simulačné video: -

Je zrejmé, že každý pól aktívne mení fázové posuny a na konečnom výstupe je posunutý o 180 stupňov.

Kaskádové štyri RC filtre:

Na nasledujúcom obrázku sú použité štyri RC oscilátory fázového posuvu, každý s 45-stupňovým fázovým posunom, ktoré na konci RC siete vytvárajú fázový posun o 180 stupňov.

Oscilátor RC s fázovým posunom a tranzistorom:

Toto sú všetko pasívne prvky alebo komponenty v RC oscilátore. Získame fázový posun o 180 stupňov. Ak chceme urobiť 360-stupňový fázový posun, potom je potrebný aktívny komponent, ktorý produkuje ďalších 180-stupňový fázový posun. To sa deje pomocou tranzistora alebo zosilňovača a vyžaduje sa to ďalšie napájacie napätie.

Na tomto obrázku sa NPN tranzistor používa na výrobu fázového posuvu o 180 stupňov, zatiaľ čo C1R1 C2R2 C3R3 spôsobí 60 stupňové fázové oneskorenie. Takže akumulácia týchto troch 60 + 60 + 60 = 180 stupňových fázových posunov sa vykonáva na druhej strane a pridaním ďalších 180 stupňov tranzistorom sa vytvorí celkový 360 stupňový fázový posun. Dostaneme 360 stupňov fázového posunu cez elektrolytický kondenzátor C5. Ak chceme zmeniť frekvenciu týmto jedným spôsobom, zmeniť hodnotu kondenzátorov alebo použiť variabilný prednastavený kondenzátor cez tieto tri póly jednotlivo vylúčením jednotlivých pevných kondenzátorov.

Vytvorí sa spätnoväzbové spojenie na získanie energií späť do zosilňovača pomocou tejto trojpólovej RC siete. Je to nevyhnutné pre stabilnú kladnú osciláciu a pre vytvorenie sínusového napätia. Vzhľadom na

spätnoväzbové pripojenie alebo konfiguráciu je RC oscilátor oscilátorom typu spätnej väzby.

V roku 1921 nemecký fyzik Heinrich Georg Barkhausen predstavil „Barkhausenove kritérium“ na určenie vzťahu medzi fázovými posunmi naprieč spätnoväzobnou slučkou. Podľa kritéria bude obvod oscilovať iba vtedy, ak bude fázový posun okolo spätnoväzbovej slučky rovnaký alebo násobok 360 stupňov a zisk slučky bude rovný jednej. Ak je fázový posun presný na požadovanú frekvenciu a spätnoväzbová slučka vytvára 360-stupňovú osciláciu, potom bude výstupom sínusová vlna. Na dosiahnutie tohto účelu slúži RC filter.

Frekvencia RC oscilátora:

Frekvenciu kmitania môžeme ľahko určiť pomocou tejto rovnice: -

Kde

R = odpor (ohmy)

C = kapacita

N = počet RC sietí sa bude / bude používať

Tento vzorec sa používa pre dizajn súvisiaci s vysokopásmovým filtrom, môžeme tiež použiť dolnopriepustný filter a fázový posun bude záporný. V takom prípade horný vzorec nebude fungovať na výpočet frekvencie oscilátora, použije sa iný vzorec.

Kde

R = odpor (ohmy)

C = kapacita

N = počet RC sietí sa bude / bude používať

Oscilátor RC fázového posuvu s operačným zosilňovačom:

Pretože môžeme zostaviť RC fázový posunový oscilátor pomocou tranzistora, tj. BJT, existujú aj ďalšie obmedzenia týkajúce sa tranzistora.

Je stabilný pre nízke frekvencie.
Len s použitím iba jedného BJT nie je amplitúda výstupnej vlny dokonalá, na stabilizáciu amplitúdy tvaru vlny sú potrebné ďalšie obvody.
Frekvenčná presnosť nie je dokonalá a nie je imúnna voči hlučnému rušeniu.
Efekt nepriaznivého načítania. V dôsledku vytvárania kaskády vstupná impedancia druhého pólu mení odporové vlastnosti rezistorov filtra prvého pólu. Čím viac kaskádových filtrov kaskádovalo, tým sa situácia zhoršovala, pretože to ovplyvnilo presnosť vypočítanej frekvencie oscilátora fázového posunu.

Vzhľadom k útlmu cez odpor a kondenzátor, strata na každom stupni sa zvýši a celková strata je cca celková strata 1/29 ^th vstupného signálu.

Vzhľadom k tomu, plošných zoslabuje na 1/29 ^th musíme obnoviť straty.

Je čas zmeniť BJT pomocou operačného zosilňovača. Môžeme tiež zotaviť tieto štyri nevýhody a získať viac priestoru nad kontrolou, ak namiesto BJT použijeme operačný zosilňovač. Vďaka vysokej vstupnej impedancii je efektívne riadený aj efekt načítania, pretože vstupná impedancia operačného zosilňovača podporuje celkový efekt načítania.

Teraz bez ďalšej úpravy zmeňme BJT s Op-Amp a pozrime sa, aké budú obvody alebo schémy RC oscilátora pomocou Op-amp.

Ako vidíme, Just BJT nahradený invertovaným operačným zosilňovačom. Spätná väzba je pripojená cez prvý pól RC oscilátora a napájaná na invertovaný vstupný kolík operačného zosilňovača. Vďaka tomuto inverznému spätnoväzbovému spojeniu bude operačný zosilňovač produkovať 180-stupňový fázový posun. Ďalšie 180-stupňové fázové posuny zabezpečia tri RC stupne. Dostaneme požadovaný výstup 360-stupňovej fázy posunutej vlny cez prvý pin operačného zosilňovača pomenovaný ako OSC out. R4 sa používa na kompenzáciu zisku operačného zosilňovača. Môžeme doladiť obvody, aby sme dosiahli vysokofrekvenčný oscilovaný výstup, ale v závislosti od šírky pásma frekvenčného pásma operačného zosilňovača.

Aj pre získanie požadovaného výsledku musíme počítať zisk rezistora R4, aby sa dosiahlo 29 ^th časy väčšiu amplitúdu cez op-amp, ako musíme vyrovnať so stratou 1/29 ^th cez RC etapách.

Pozrime sa, urobíme obvod s hodnotou reálnych komponentov a uvidíme, aký bude simulovaný výstup oscilátora fázového posuvu RC.

Použijeme rezistor 10k ohmov a 500pF kondenzátor a určíme frekvenciu kmitania. Vypočítame tiež hodnotu zosilňovacieho odporu.

N = 3, pretože sa použijú 3 stupne.

R = 10 000, ako 10 kOhmov prevedených na ohmy

C = 500 x 10 ^-12, pretože hodnota kondenzátora je 500pF

Výstup je 12 995 Hz alebo relatívne blízka hodnota je 13 KHz.

Vzhľadom k tomu, gain op-amp je potreba 29 ^th časy hodnota zosilnenie odporu sa vypočíta podľa tohto vzorca: -

Zisk = R f / R 29 = R f / 10 k R f = 290 k

Takto je skonštruovaný oscilátor fázového posuvu pomocou RC komponentov a operačného zosilňovača.

Aplikácie oscilátora fázového posuvu RC zahŕňajú zosilňovače, pri ktorých sa používa zvukový transformátor a je potrebný diferenciálny zvukový signál, ale invertovaný signál nie je k dispozícii, alebo ak je pre každú aplikáciu potrebný zdroj striedavého signálu, použije sa RC filter. Generátor signálu alebo generátor funkcií tiež používa RC oscilátor fázového posuvu.