- Co to jest oscylator?
- Oscylator RC i faza:
- Przesunięcie fazy za pomocą obwodu oscylatora RC:
- Kaskadowe wiele filtrów RC:
- Oscylator zmiany fazy RC z tranzystorem:
- Częstotliwość oscylatora RC:
- Oscylator zmiany fazy RC ze wzmacniaczem operacyjnym:
Co to jest oscylator?
Oscylator to konstrukcja mechaniczna lub elektroniczna, która wytwarza oscylacje w zależności od kilku zmiennych. Wszyscy mamy urządzenia, które potrzebują oscylatorów, tradycyjny zegar, który wszyscy mamy w domu jako zegar ścienny lub zegarek na rękę, różnego rodzaju wykrywacze metali, komputery z mikrokontrolerem i mikroprocesorami, wszystkie używają oscylatorów, zwłaszcza oscylatora elektronicznego, który wytwarza okresowe sygnały.
Oscylator RC i faza:
Kiedy omawiamy oscylator RC, a ponieważ jest on również określany jako oscylator z przesunięciem fazowym, potrzebujemy rzetelnego zrozumienia, czym jest faza. Zobacz ten obraz: -
Jeśli zobaczymy powyższą falę sinusoidalną, taką jak ta, wyraźnie zobaczymy, że punkt początkowy sygnału ma 0 stopni w fazie, a następnie każdy punkt szczytowy sygnału od dodatniego do 0, a następnie ponownie punkt ujemny, a następnie ponownie 0 oznacza odpowiednio 90 stopień, 180 stopni, 270 stopni i 360 stopni w pozycji fazowej.
Faza jest pełnym okresem fali sinusoidalnej w odniesieniu do 360 stopni.
Teraz bez dalszej zwłoki zobaczmy, czym jest przesunięcie fazowe?
Jeśli przesuniemy punkt początkowy fali sinusoidalnej o inny niż 0 stopień, faza zostanie przesunięta. Zrozumiemy przesunięcie fazowe na następnym obrazie.
Na tym obrazie przedstawiono dwie fale sygnału sinusoidalnego prądu przemiennego, pierwsza zielona fala sinusoidalna ma fazę 360 stopni, ale czerwona, będąca repliką pierwszego odczytanego sygnału, znajduje się pod kątem 90 stopni poza fazą sygnału zielonego.
Za pomocą oscylatora RC możemy przesunąć fazę sygnału sinusoidalnego.
Przesunięcie fazy za pomocą obwodu oscylatora RC:
RC oznacza rezystor i kondensator. Możemy po prostu utworzyć sieć rezystor-kondensator z przesunięciem fazowym, używając tylko jednego rezystora i jednej formacji kondensatorów.
Jak widać w samouczku dotyczącym filtra górnoprzepustowego, ten sam obwód ma tutaj zastosowanie. Typowy RC przesunięcie fazy oscylatora można wytwarzać przez kondensator szeregowo wraz z rezystorem równoległym.
Jest to jednobiegunowa sieć z przesunięciem fazowym; obwód jest taki sam jak pasywny filtr górnoprzepustowy. Teoretycznie, jeśli zastosujemy sygnał w fazie w tej sieci RC, faza wyjściowa zostanie przesunięta o dokładnie 90 stopni. Ale jeśli spróbujemy tego w rzeczywistości i sprawdzimy przesunięcie fazowe, uzyskamy przesunięcie fazowe o 60 stopni do mniej niż 90 stopni. Zależy to od częstotliwości i tolerancji komponentów, które w rzeczywistości powodują niekorzystny wpływ. Ponieważ wszyscy wiemy, że nic nie jest doskonałe, powinna istnieć jakaś różnica niż rzeczywiste tzw. Wartości oczekiwane lub rzeczywiste. Temperatura i inne zewnętrzne zależności stwarzają trudności w osiągnięciu dokładnego przesunięcia fazowego o 90 stopni, ogólnie 45 stopni to ogólnie, 60 stopni jest powszechne w zależności od częstotliwości, a osiągnięcie 90 stopni jest w wielu przypadkach bardzo trudnym zadaniem.
Jak omówiono w samouczku górnoprzepustowym, skonstruujemy ten sam obwód i zbadamy przesunięcie fazowe tego samego obwodu.
Obwód tego filtra górnoprzepustowego wraz z wartościami składowymi pokazano na poniższym obrazku: -
To jest przykład, którego używaliśmy w poprzednich samouczkach z pasywnym filtrem górnoprzepustowym. Zapewni 4,9 kHz przepustowości. Jeśli sprawdzimy częstotliwość narożną, zidentyfikujemy kąt fazowy na wyjściu oscylatora.
Teraz widzimy, że przesunięcie fazowe zaczyna się od 90 stopni, co jest maksymalnym przesunięciem fazowym sieci oscylatora RC, ale w punkcie częstotliwości narożnej przesunięcie fazowe wynosi 45 stopni.
Biorąc pod uwagę fakt, że przesunięcie fazowe wynosi 90 stopni lub jeśli wybierzemy konstrukcję obwodów oscylatora jako specjalny sposób, który spowoduje przesunięcie fazowe o 90 stopni, wówczas obwód straci swoją odporność w zakresie granicznym z powodu słabego współczynnika stabilizacji częstotliwości. Jak możemy sobie wyobrazić w punkcie 90 stopni, gdzie krzywa właśnie zaczęła się, jak od 10 Hz lub poniżej do 100 Hz, jest prawie płaska. Oznacza to, że jeśli częstotliwość oscylatora nieznacznie się zmieniła z powodu tolerancji komponentów, temperatury, innych nieuniknionych okoliczności, przesunięcie fazowe nie ulegnie zmianie. To nie jest dobry wybór. Więc uważamy, że 60 stopni lub 45 stopni to dopuszczalne przesunięcie fazowe dla jednobiegunowego oscylatora sieciowego RC. Poprawi się stabilność częstotliwości.
Kaskadowe wiele filtrów RC:
Kaskada trzy filtry RC:
Biorąc pod uwagę fakt, że nie możemy osiągnąć tylko 60 stopniowego przesunięcia fazowego zamiast 90 stopni, możemy kaskadować trzy filtry RC (jeśli przesunięcie fazowe wynosi 60 stopni przez oscylatory RC) lub przez kaskadowanie czterech filtrów szeregowo (jeśli przesunięcie fazowe wynosi 45 stopni na każdy oscylator RC) i uzyskaj 180 stopni.
Na tym obrazku trzy oscylatory RC zostały połączone kaskadowo i za każdym razem dodawane jest przesunięcie fazowe o 60 stopni, a ostatecznie po trzecim etapie otrzymujemy przesunięcie fazowe o 180 stopni.
Skonstruujemy ten obwód w oprogramowaniu symulacyjnym i zobaczymy przebieg wejściowy i wyjściowy obwodów.
Zanim przejdziemy do wideo, zobaczmy obraz obwodów, a także zobaczymy połączenie oscyloskopu.
Na górnym obrazku zastosowaliśmy kondensator 100pF i wartość rezystora 330k. Oscyloskop jest podłączony do wejścia VSIN (kanał A / żółty), do wyjścia pierwszego bieguna (kanał B / niebieski), wyjścia drugiego bieguna
(kanał C / czerwony) i wyjścia końcowego do trzeciego bieguna (kanał D / zielony).
Symulację zobaczymy na wideo i zobaczymy zmianę fazy o 60 stopni na pierwszym biegunie, 120 stopni na drugim biegunie i 180 stopni na trzecim biegunie. Również amplituda sygnału będzie stopniowo minimalizowana.
1 st biegun amplituda> 2. słup amplituda> 3-ty biegun amplituda. Im dalej idziemy w kierunku ostatniego bieguna, tym zmniejsza się amplituda sygnału.
Teraz zobaczymy film symulacyjny: -
Wyraźnie widać, że każdy biegun aktywnie zmienia przesunięcia fazowe i na końcowym wyjściu jest przesunięty o 180 stopni.
Kaskadowe cztery filtry RC:
Na następnym obrazie zastosowano cztery oscylatory przesunięcia fazowego RC , każdy z 45-stopniowym przesunięciem fazowym, które generują przesunięcie fazowe o 180 stopni na końcu sieci RC.
Oscylator zmiany fazy RC z tranzystorem:
To wszystko są pasywne elementy lub komponenty w oscylatorze RC. Otrzymujemy przesunięcie fazowe o 180 stopni. Jeśli chcemy dokonać przesunięcia fazowego o 360 stopni, wymagany jest aktywny komponent, który wytwarza dodatkowe przesunięcie fazowe o 180 stopni. Odbywa się to za pomocą tranzystora lub wzmacniacza i wymaga dodatkowego napięcia zasilania.
Na tym obrazie tranzystor NPN jest używany do wytworzenia przesunięcia fazy o 180 stopni, podczas gdy C1R1 C2R2 C3R3 wytworzy opóźnienie fazy o 60 stopni. Zatem sumowanie tych trzech przesunięć fazowych o 60 + 60 + 60 = 180 stopni odbywa się z drugiej strony, dodając kolejne 180 stopni przez całkowite przesunięcie fazowe tranzystora o 360 stopni. Otrzymamy 360 stopni przesunięcia fazowego na kondensatorze elektrolitycznym C5. Jeśli chcemy zmienić częstotliwość w ten jeden sposób, aby zmienić wartość kondensatorów lub użyć indywidualnie ustawionego kondensatora na tych trzech biegunach, eliminując indywidualne kondensatory stałe.
Połączenie zwrotne jest wykonany pobierać energie z powrotem do wzmacniacza z użyciem że trzy sieci słup RC. Jest to konieczne do stabilnej dodatniej oscylacji i do wytwarzania napięcia sinusoidalnego. Ze względu na
połączenie sprzężenia zwrotnego lub konfigurację, oscylator RC jest oscylatorem typu sprzężenia zwrotnego.
W 1921 roku niemiecki fizyk Heinrich Georg Barkhausen wprowadził „kryterium Barkhausena” do określania zależności między przesunięciami fazowymi w pętli sprzężenia zwrotnego. Zgodnie z kryterium obwód będzie oscylował tylko wtedy, gdy przesunięcie fazowe wokół pętli sprzężenia zwrotnego jest równe lub wielokrotność 360 stopni, a wzmocnienie pętli jest równe jeden. Jeśli przesunięcie fazowe jest dokładne przy żądanej częstotliwości, a pętla sprzężenia zwrotnego tworzy oscylację o 360 stopni, wówczas na wyjściu będzie przebieg sinusoidalny. Służy do tego filtr RC.
Częstotliwość oscylatora RC:
Możemy łatwo określić częstotliwość oscylacji za pomocą następującego równania:
Gdzie,
R = rezystancja (omy)
C = pojemność
N = liczba sieci RC jest / będzie używana
Ta formuła jest używana do projektowania związanego z filtrem górnoprzepustowym, możemy również użyć filtra dolnoprzepustowego, a przesunięcie fazowe będzie ujemne. W takim przypadku górny wzór nie będzie działał do obliczenia częstotliwości oscylatora, będzie obowiązywał inny wzór.
Gdzie,
R = rezystancja (omy)
C = pojemność
N = liczba sieci RC jest / będzie używana
Oscylator zmiany fazy RC ze wzmacniaczem operacyjnym:
Ponieważ możemy zbudować oscylator przesunięcia fazowego RC przy użyciu tranzystora, tj. BJT, istnieją również inne ograniczenia związane z tranzystorem.
- Jest stabilny dla niskich częstotliwości.
- Tylko przy użyciu tylko jednego BJT amplituda fali wyjściowej nie jest idealna, wymagane są dodatkowe obwody do stabilizacji amplitudy przebiegu.
- Dokładność częstotliwości nie jest doskonała i nie jest odporna na zakłócenia.
- Efekt niekorzystnego ładowania. W wyniku tworzenia kaskady impedancja wejściowa drugiego bieguna zmienia właściwości rezystancyjne rezystorów filtru pierwszego bieguna. Im więcej filtrów ułożonych kaskadowo, tym sytuacja się pogorszy, ponieważ wpłynie to na dokładność obliczonej częstotliwości oscylatora z przesunięciem fazowym.
Ze względu na osłabienie całej rezystora i kondensatora, strata na każdej scenie jest zwiększona, a łączna strata wynosi ok całkowita utrata 1/29 th sygnału wejściowego.
Jak tłumi obwód przy 1/29 th musimy odzyskać stratę.
Nadszedł czas, aby zmienić BJT na wzmacniacz operacyjny. Możemy również naprawić te cztery wady i uzyskać większy zapas kontroli, jeśli użyjemy wzmacniacza operacyjnego zamiast BJT. Ze względu na wysoką impedancję wejściową efekt obciążenia jest również skutecznie kontrolowany, ponieważ impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego wpływa na ogólny efekt obciążenia.
Teraz bez dalszych modyfikacji zmieńmy BJT na wzmacniacz operacyjny i zobaczmy, jaki będzie obwód lub schemat oscylatora RC za pomocą wzmacniacza operacyjnego.
Jak widać, po prostu BJT zastąpiono odwróconym wzmacniaczem operacyjnym. Pętla sprzężenia zwrotnego jest podłączona do pierwszego bieguna oscylatora RC i podawana do odwróconego styku wejściowego wzmacniacza operacyjnego. Dzięki temu odwróconemu połączeniu sprzężenia zwrotnego wzmacniacz operacyjny będzie wytwarzał przesunięcie fazowe o 180 stopni. Dodatkowe przesunięcie fazowe o 180 stopni zapewnią trzy stopnie RC. Otrzymamy pożądane wyjście fali przesuniętej w fazie o 360 stopni na pierwszym pinie wzmacniacza operacyjnego, nazwanym wyjściem OSC. R4 służy do kompensacji wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego. Możemy dostosować obwody, aby uzyskać oscylowane wyjście o wysokiej częstotliwości, ale w zależności od szerokości pasma częstotliwości wzmacniacza operacyjnego.
Ponadto, dla uzyskania pożądanego rezultatu musimy obliczyć rezystor R4, aby osiągnąć zysk 29 th razy większą amplitudę całej op-amp jak musimy zrekompensować utratę 1/29 th drugiej fazie RC.
Zobaczmy, utworzymy obwód z rzeczywistą wartością komponentów i zobaczymy, jakie będzie symulowane wyjście oscylatora przesunięcia fazowego RC.
Użyjemy rezystora 10k omów i kondensatora 500pF i określimy częstotliwość oscylacji. Obliczymy również wartość rezystora wzmacniającego.
N = 3, ponieważ zostaną zastosowane 3 stopnie.
R = 10000, jako 10k omów przeliczone na omy
C = 500 x 10-12, gdy wartość kondensatora wynosi 500 pF
Wyjście to 12995 Hz lub względnie bliska wartość 13 kHz.
Jako zysk op-amp jest potrzebne 29 th razy wartość rezystora zysk jest obliczana za pomocą następującego wzoru: -
Wzmocnienie = R f / R 29 = R f / 10k R f = 290k
W ten sposób zbudowany jest oscylator z przesunięciem fazowym przy użyciu komponentów RC i wzmacniacza operacyjnego.
Zastosowania oscylatora z przesunięciem fazowym RC obejmują wzmacniacze, w których używany jest transformator audio i potrzebny jest różnicowy sygnał audio, ale sygnał odwrócony nie jest dostępny, lub jeśli źródło sygnału AC jest potrzebne do dowolnej aplikacji, używany jest filtr RC. Ponadto generator sygnału lub generator funkcji wykorzystuje oscylator przesunięcia fazowego RC.