Weinov mostíkový oscilátor

V tomto výučbe sa dozvieme o Wein Bridge Oscilátor, ktorý vyvinul nemecký fyzik Max Wien. Je pôvodne vyvinutý na výpočet kapacity, kde je známy odpor a frekvencia. Predtým, ako prejdeme k podrobnejšej diskusii o tom, čo vlastne Wein Bridge Oscillator a ako sa používa, pozrime sa, čo je Oscillator a čo je Wein Bridge Oscillator.

Oscilátor Wein Bridge:

Rovnako ako v predchádzajúcom návode na RC oscilátor, na vytvorenie fázového posuvu je potrebný rezistor a kondenzátor. Ak pripojíme zosilňovač v inverznej špecifikácii a pripojíme zosilňovač a RC siete spätnoväzbovým pripojením, výstup zosilňovača začne produkovať sínusový priebeh vlny kmitaním.

Vo wienskom mostnom oscilátore sa používajú dve RC siete cez zosilňovač, ktoré vytvárajú obvod oscilátora.

Prečo by sme si ale mali zvoliť mostný oscilátor Wien ?

Vďaka nasledujúcim bodom je Wienov mostíkový oscilátor múdrejšou voľbou na výrobu sínusovej vlny.

Je stabilný.
Skreslenie alebo THD (celkové harmonické skreslenie) je pod kontrolovateľným limitom.
Môžeme veľmi efektívne meniť frekvenciu.

Ako už bolo povedané, Wein Bridge oscilátor má dvojstupňové RC siete. To znamená, že sa skladá z dvoch nepolárnych kondenzátorov a dvoch rezistorov vo formácii horného a dolného priechodu. Jeden rezistor a jeden kondenzátor v sérii na druhej strane jeden kondenzátor a jeden rezistor paralelne. Ak zostrojíme obvod, bude schéma vyzerať iba takto: -

Ako je jasne vidieť, sú použité dva kondenzátory a dva odpory. Obidva RC stupne, ktoré fungujú ako hornopriepustný a dolnopriepustný filter, sú navzájom spojené, čo je výsledkom pásmového priepustného filtra, ktorý akumuluje frekvenčnú závislosť dvoch stupňov rádu. Odpor R1 a R2 je rovnaký a rovnaká je aj kapacita C1 a C2.

Zisk výstupu Wein Bridge oscilátora a fázový posun:

Čo sa deje vo vnútri obvodu RC siete na vyššie uvedenom obrázku, je veľmi zaujímavé.

Keď je použitá nízka frekvencia, prvá reaktancia kondenzátora (C1) je dostatočne vysoká a blokuje vstupný signál a odoláva obvodu, aby produkoval výstup 0, na druhej strane, to isté sa stane iným spôsobom pre druhý kondenzátor (C2), ktorý je pripojený v paralelnom stave. Reaktancia C2 je príliš nízka a premosťuje signál a znova produkuje 0 výstupov.

Ale v prípade strednej frekvencie, keď reaktancia C1 nie je vysoká a C2 je reaktancia nie je nízka, bude poskytovať výstup cez bod C2. Táto frekvencia sa označuje ako rezonančná frekvencia.

Ak uvidíme do hĺbky vnútri obvodov, uvidíme, že reaktancia obvodu a odpor obvodu sú rovnaké, ak sa dosiahne rezonančná frekvencia.

Takže v takom prípade, keď je obvod poskytovaný rezonančnou frekvenciou cez vstup, platia dve pravidlá.

A. Fázový rozdiel vstupu a výstupu sa rovná 0 stupňom.

B. Pretože je v 0 stupňoch, výstup bude maximálny. Ale koľko? Je úzko alebo presne 1/3 ^rd o sile vstupného signálu.

Ak uvidíme výstup z obvodov, týmto bodom porozumieme.

Výstup je presne rovnaká krivka ako pri zobrazenom obrázku. Pri nízkej frekvencii od 1 Hz je výstup menší alebo takmer 0 a zvyšuje sa s frekvenciou na vstupe až po rezonančnú frekvenciu, a keď sa dosiahne rezonančná frekvencia, výstup je na svojom maximálnom vrcholovom bode a neustále klesá so zvyšovaním frekvencie a znova. produkuje 0 výstup pri vysokej frekvencii. Je zrejmé, že prechádza určitým frekvenčným rozsahom a produkuje výstup. Preto sa predtým popisoval ako priepustný filter s frekvenčne závislým premenným pásmom (Frequency Band). Ak sa pozorne pozrieme na fázový posun výstupu, zreteľne uvidíme fázový okraj 0 stupňa naprieč výstupom pri správnej rezonančnej frekvencii.

V tejto výstupnej krivke fázy je fáza presne 0 stupňov pri rezonančnej frekvencii a začína sa od 90 stupňov k znižovaniu pri 0 stupňoch, keď sa vstupná frekvencia zvyšuje, až kým sa nedosiahne rezonančná frekvencia, a potom sa fáza bude naďalej znižovať v koncovom bode - 90 stupňov. V obidvoch prípadoch sa používajú dva pojmy. Ak je fáza pozitívna, nazýva sa to Phase Advance a v prípade zápornej fázy sa to nazýva Phase Delay.

Uvidíme výstup fázy filtra v tomto simulačnom videu:

V tomto videu sa používa 4,7k ako R v R1 R2 aj v kondenzátore 10nF pre C1 aj C2. Aplikovali sme sínusovú vlnu na jednotlivé fázy a v osciloskope zobrazuje žltý kanál vstup do obvodov a modrá čiara zobrazuje výstup z obvodov. Ak sa pozrieme pozorne, výstupná amplitúda je 1/3 vstupného signálu a výstupná fáza je takmer rovnaká ako fázový posun 0 stupňov rezonančnej frekvencie, ako bolo uvedené vyššie.

Rezonančný kmitočet a výstup napätia:

Ak vezmeme do úvahy, že sa použije R1 = R2 = R alebo ten istý rezistor, a pre výber kondenzátora C1 = C2 = C sa použije rovnaká hodnota kapacity, potom bude rezonančná frekvencia

Fhz = 1 / 2πRC

R znamená rezistor a C znamená kondenzátor alebo kapacitu a Fhz, ak je rezonančná frekvencia.

Ak chceme vypočítať Vout RC siete, mali by sme obvod vidieť iným spôsobom.

Táto RC sieť pracuje s AC signálmi na vstupe. Výpočet odporu obvodu v prípade striedavého prúdu namiesto výpočtu odporu obvodu v prípade jednosmerného prúdu je trochu zložitý.

RC sieť vytvára impedanciu, ktorá pôsobí ako odpor na aplikovaný striedavý signál. Delič napätia má dva odpory, v týchto stupňoch RC sú dva odpory impedancia prvého filtra (C1 R1) a impedancia druhého filtra (R2 C2).

Pretože sú kondenzátory zapojené do série alebo do paralelnej konfigurácie, potom bude vzorec impedancie: -

Z je symbol impedancie, R je odpor a Xc predstavuje kapacitnú reaktanciu kondenzátora.

Použitím rovnakého vzorca môžeme vypočítať impedanciu prvého stupňa.

V prípade druhého stupňa je vzorec rovnaký ako pri výpočte paralelného ekvivalentného odporu,

Z je impedancia, R je odpor, X je kondenzátor

Konečná impedancia obvodov sa dá vypočítať pomocou tohto vzorca: -

Môžeme vypočítať praktický príklad a pozrieť sa na výstup v takom prípade.

Ak vypočítame hodnotu a uvidíme výsledok, uvidíme, že výstupné napätie bude 1/3 vstupného napätia.

Ak pripojíme výstup dvojstupňového RC filtra k neinvertujúcemu vstupnému kolíku zosilňovača alebo k kolíku + Vin a upravíme zosilnenie tak, aby sa obnovila strata, bude výstup produkovať sínusovú vlnu. To je Wienova mostná oscilácia a obvodom je Wein Bridge oscilátorový obvod.

Práce a konštrukcia oscilátora Wein Bridge:

Na vyššie uvedenom obrázku je RC filter pripojený cez operačný zosilňovač, ktorý je v neinvertujúcej konfigurácii. R1 a R2 sú rezistory s pevnou hodnotou, zatiaľ čo C1 a C2 sú kondenzátory s variabilným trimom. Zmenou hodnoty týchto dvoch kondenzátorov súčasne by sme mohli dosiahnuť správnu osciláciu z dolného rozsahu do horného rozsahu. Je to veľmi užitočné, ak chceme pomocou Weinovho mostného oscilátora produkovať sínusové vlny s rôznou frekvenciou od dolného po horný rozsah. A R3 a R4 sa používajú na zisk spätnej väzby operačného zosilňovača. Výstupný zisk alebo zosilnenie je vysoko závislé od týchto dvoch kombinácií hodnôt. Pretože dva RC stupne znižujú výstupné napätie na 1/3, je nevyhnutné ich spätne získať. Múdrejšou voľbou je tiež získať aspoň 3x alebo viac ako 3x (4x preferovaný) zisk.

Zisk môžeme vypočítať pomocou vzťahu 1+ (R4 / R3).

Ak opäť vidíme obraz, vidíme, že spätnoväzbová cesta operačného zosilňovača z výstupu je priamo spojená so vstupným stupňom RC filtra. Pretože dvojstupňový RC filter má vlastnosť 0 stupňového fázového posuvu v oblasti rezonančnej frekvencie a je priamo spojený s pozitívnou spätnou väzbou op-amp, predpokladajme, že je to xV + a v negatívnej spätnej väzbe je použité rovnaké napätie, ktoré je xV- s rovnakou fázou 0 stupňov operačný zosilňovač rozlišuje dva vstupy a vylučuje signál negatívnej spätnej väzby, a preto pokračuje, keď výstup pripojený cez stupne RC začne operačný zosilňovač oscilovať.

Ak použijeme vyššiu rýchlosť zabitia, vyššiu frekvenciu operačného zosilňovača, výstupnú frekvenciu je možné maximalizovať o veľa.

V tomto segmente je niekoľko vysokofrekvenčných operačných zosilňovačov.

Musíme si tiež uvedomiť, ako v predchádzajúcom tutoriáli RC oscilátora, o ktorom sme hovorili o efekte načítania. Mali by sme zvoliť operačný zosilňovač s vysokou vstupnou impedanciou viac ako RC filter, aby sme znížili efekt načítania a zaistili správna stabilná oscilácia.

LM318A
LT1192
MAX477
LT1226
OPA838
THS3491, čo je 900 mHz, vysoko výkonný operačný zosilňovač!
LTC6409, čo je 10 Ghz GBW diferenciálny operačný zosilňovač. Nehovoriac o tom, že na dosiahnutie tohto vysokofrekvenčného výstupu je potrebné špeciálne rozšírenie obvodov a mimoriadne dobrá taktika návrhu RF.
LTC160
OPA365
TSH22 priemyselný operačný zosilňovač

Praktický príklad oscilátora Wein Bridge:

Vypočítajme praktickú ukážkovú hodnotu výberom hodnoty odporu a kondenzátora.

Na tomto obrázku je pre RC oscilátor použitý odpor 4,7 k pre R1 aj R2. Použitý trimmerový kondenzátor, ktorý má dva póly, obsahuje 1 - 100 nF pre kapacitu trimovania C1 a C2. Poďme vypočítať frekvenciu oscilácií pre 1nF, 50nF a 100nF. Tiež vypočítame zisk operačného zosilňovača ako R3 zvoleného ako 100k a R4 zvoleného ako 300k.

Výpočet frekvencie je jednoduchý podľa vzorca

Fhz = 1 / 2πRC

Pre hodnotu C je 1nF a pre rezistor je 4,7k bude frekvencia

Fhz = 33 849 Hz alebo 33,85 KHz

Pre hodnotu C je 50nF a pre rezistor je 4,7k bude frekvencia

Fhz = 677 Hz

Pre hodnotu C je 100nF a pre rezistor je 4,7k bude frekvencia

Fhz = 339 Hz

Takže najvyššia frekvencia, ktorú môžeme dosiahnuť pomocou 1nF, čo je 33,85 Khz, a najnižšia frekvencia, ktorú môžeme dosiahnuť pomocou 100nF, je 339Hz.

Zisk operačného zosilňovača je 1+ (R 4 / R 3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Takže Zisk = 1+ (300k + 100k) = 4x

Operačný zosilňovač bude produkovať štvornásobné zosilnenie vstupu cez neinvertovaný „kladný“ kolík.

Takže týmto spôsobom môžeme vyrobiť Wein Bridge Oscillator s variabilnou šírkou pásma.

Aplikácie:

Wein Bridge Oscilátor používaný v širokej škále aplikácií v oblasti elektroniky, od zistenia presnej hodnoty kondenzátora. Na generovanie 0 stupňov fázovo stabilných obvodov súvisiacich s oscilátorom je vďaka nízkej hladine hluku tiež múdrejšou voľbou pre rôzne úrovne zvukového stupňa. aplikácie, kde sa vyžaduje nepretržitá oscilácia.