Oscylator mostka Weina

W tym samouczku dowiemy się o oscylatorze mostu Wein, który został opracowany przez niemieckiego fizyka Maxa Wien. Został pierwotnie opracowany do obliczania pojemności przy znanej rezystancji i częstotliwości. Zanim przejdziemy do bardziej szczegółowej dyskusji na temat tego, czym właściwie jest oscylator mostu Weina i jak jest używany, zobaczmy, czym jest oscylator i czym jest oscylator mostu Wein.

Oscylator Wein Bridge:

Podobnie jak w poprzednim samouczku oscylatora RC, rezystor i kondensator są wymagane do wytworzenia przesunięcia fazowego, a jeśli podłączymy wzmacniacz w odwróconej specyfikacji i połączymy wzmacniacz i sieci RC za pomocą połączenia sprzężenia zwrotnego, wyjście wzmacniacza zacznie wytwarzać przebieg sinusoidalny przez oscylację.

W oscylatorze mostkowym wiednia są używane dwie sieci RC na wzmacniaczu i wytwarzają obwód oscylatora.

Ale dlaczego powinniśmy wybrać oscylator mostkowy Wien ?

Ze względu na następujące punkty oscylator mostka wiednia jest mądrzejszym wyborem do wytwarzania fali sinusoidalnej.

1. Jest stabilny.
2. Zniekształcenie lub THD (całkowite zniekształcenie harmoniczne) jest poniżej kontrolowanego limitu.
3. Potrafimy bardzo efektywnie zmieniać częstotliwość.

Jak powiedziano wcześniej, oscylator Wein Bridge ma dwustopniowe sieci RC. Oznacza to, że składa się z dwóch niepolarnych kondensatorów i dwóch rezystorów w układzie filtra górnoprzepustowego i dolnoprzepustowego. Jeden rezystor i jeden kondensator połączone szeregowo, z drugiej strony jeden kondensator i jeden rezystor w układzie równoległym. Jeśli zbudujemy obwód, schemat będzie wyglądał jak ten: -

Jak widać, zastosowano dwa kondensatory i dwa oporniki. Oba stopnie RC, które działają jako filtr górnoprzepustowy i dolnoprzepustowy połączone razem, co jest produktem filtra pasmowo-przepustowego, który kumuluje zależność częstotliwości dwóch stopni rzędu. Rezystancja R1 i R2 jest taka sama, a także pojemność C1 i C2 jest taka sama.

Wzmocnienie wyjściowe oscylatora mostka Wein i przesunięcie fazy:

To, co dzieje się w obwodzie sieci RC na powyższym obrazku, jest bardzo interesujące.

Kiedy zastosowana jest niska częstotliwość, reaktancja pierwszego kondensatora (C1) jest wystarczająco wysoka i blokuje sygnał wejściowy oraz opiera się obwodowi, aby wytworzyć wyjście 0, z drugiej strony To samo dzieje się w inny sposób dla drugiego kondensatora (C2), który jest połączone równolegle. Reaktancja C2 jest zbyt niska i omija sygnał i ponownie wytwarza 0 wyjść.

Ale w przypadku średniej częstotliwości, gdy reaktancja C1 nie jest wysoka, a reaktancja C2 nie jest niska, da sygnał wyjściowy przez punkt C2. Ta częstotliwość nazywana jest częstotliwością rezonansową.

Jeśli spojrzymy w głąb obwodu, zobaczymy, że reaktancja obwodu i rezystancja obwodu są równe, jeśli zostanie osiągnięta częstotliwość rezonansowa.

Tak więc istnieją dwie zasady stosowane w takim przypadku, gdy obwód jest dostarczany przez częstotliwość rezonansową na wejściu.

A. Różnica faz wejścia i wyjścia jest równa 0 stopni.

B. Ponieważ jest to 0 stopni, wyjście będzie maksymalne. Ale ile? Jest ściśle lub dokładnie 1/3 ^rd wielkości sygnału wejściowego.

Jeśli zobaczymy dane wyjściowe obwodów, zrozumiemy te punkty.

Wynik jest dokładnie taki sam, jak na obrazie. Przy niskiej częstotliwości od 1 Hz sygnał wyjściowy jest mniejszy lub prawie 0 i rośnie wraz z częstotliwością na wejściu do częstotliwości rezonansowej, a gdy częstotliwość rezonansowa zostanie osiągnięta, wyjście osiąga maksymalny punkt szczytowy i stale maleje wraz ze wzrostem częstotliwości i ponownie generuje 0 na wyjściu przy wysokiej częstotliwości. Więc wyraźnie przechodzi przez pewien zakres częstotliwości i wytwarza sygnał wyjściowy. Dlatego wcześniej był opisywany jako zależny od częstotliwości filtr przepustowy o zmiennym paśmie (paśmie częstotliwości). Jeśli uważnie przyjrzymy się przesunięciu fazowemu wyjścia, wyraźnie zobaczymy zerowy margines fazowy na wyjściu przy odpowiedniej częstotliwości rezonansowej.

Na tej krzywej wyjściowej fazy faza ma dokładnie 0 stopni przy częstotliwości rezonansowej i zaczyna się od 90 stopni do zmniejszania się przy 0 stopniach, gdy częstotliwość wejściowa wzrasta, aż do osiągnięcia częstotliwości rezonansowej, a następnie faza nadal maleje w punkcie końcowym - 90 stopni. W obu przypadkach używane są dwa terminy. Jeśli faza jest dodatnia, nazywa się to wyprzedzeniem fazy, aw przypadku ujemnego - opóźnieniem fazy.

W tym filmie symulacyjnym zobaczymy wynik etapu filtra:

W tym filmie 4,7k używane jako R w R1 R2 i kondensatorze 10nF jest używane zarówno dla C1 i C2. Zastosowaliśmy falę sinusoidalną na stopniach i na oscyloskopie żółty kanał pokazuje wejście obwodów, a niebieska linia pokazuje wyjście obwodów. Jeśli przyjrzymy się uważnie, amplituda wyjściowa wynosi 1/3 sygnału wejściowego, a faza wyjściowa jest prawie identyczna z przesunięciem fazowym o 0 stopni w częstotliwości rezonansowej, jak omówiono wcześniej.

Częstotliwość rezonansu i napięcie wyjściowe:

Jeśli weźmiemy pod uwagę, że R1 = R2 = R lub ten sam rezystor jest używany, a do wyboru kondensatora C1 = C2 = C zostanie użyta ta sama wartość pojemności, wówczas częstotliwość rezonansowa będzie

Fhz = 1 / 2πRC

R oznacza rezystor, a C oznacza kondensator lub pojemność, a Fhz oznacza częstotliwość rezonansową.

Jeśli chcemy obliczyć Vout sieci RC, powinniśmy spojrzeć na obwód w inny sposób.

Ta sieć RC działa z wejściami sygnałów AC. Obliczanie rezystancji obwodów w przypadku prądu przemiennego zamiast obliczania rezystancji obwodów w przypadku prądu stałego jest nieco trudne.

Sieć RC tworzy impedancję, która działa jako rezystancja przyłożonego sygnału AC. Dzielnik napięcia ma dwie rezystancje, w tych stopniach RC dwie rezystancje to impedancja pierwszego filtra (C1 R1) i drugiego filtra (R2 C2).

Ponieważ kondensator jest połączony szeregowo lub równolegle, wzór impedancji będzie wyglądał następująco: -

Z to symbol impedancji, R to rezystancja, a Xc oznacza reaktancję pojemnościową kondensatora.

Korzystając z tego samego wzoru, możemy obliczyć impedancję pierwszego stopnia.

W przypadku drugiego etapu wzór jest taki sam, jak obliczenie równoległego rezystora zastępczego,

Z to impedancja, R to opór, X to kondensator

Końcową impedancję obwodu można obliczyć za pomocą następującego wzoru: -

Możemy obliczyć praktyczny przykład i zobaczyć wynik w takim przypadku.

Jeśli obliczymy wartość i zobaczymy wynik, zobaczymy, że napięcie wyjściowe będzie równe 1/3 napięcia wejściowego.

Jeśli podłączymy wyjście dwustopniowego filtra RC do nieodwracającego pinu wejściowego wzmacniacza lub pinu + Vin i dostosujemy wzmocnienie, aby odzyskać stratę, na wyjściu pojawi się fala sinusoidalna. To jest oscylacja mostka wiedeńskiego, a obwody to obwód oscylatora mostka Weina.

Działanie i budowa oscylatora mostu Wein:

Na powyższym obrazku filtr RC jest podłączony do wzmacniacza operacyjnego, który jest w konfiguracji nieodwracającej. R1 i R2 to rezystory o stałej wartości, podczas gdy C1 i C2 to kondensatory o zmiennej regulacji. Zmieniając jednocześnie wartość tych dwóch kondensatorów można było uzyskać odpowiednią oscylację od dolnego zakresu do górnego. Jest to bardzo przydatne, jeśli chcemy użyć oscylatora mostka Weina do wytworzenia fali sinusoidalnej o różnej częstotliwości od dolnego do górnego zakresu. R3 i R4 służą do wzmocnienia sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego. Wzmocnienie wyjściowe lub wzmocnienie jest wysoce zależne od tych dwóch kombinacji wartości. Ponieważ dwa stopnie RC obniżają napięcie wyjściowe do 1/3, konieczne jest przywrócenie go z powrotem. Mądrzejszym wyborem jest również uzyskanie co najmniej 3x lub więcej niż 3x (preferowane 4x).

Możemy obliczyć zysk za pomocą relacji 1+ (R4 / R3).

Jeśli ponownie zobaczymy obraz, zobaczymy, że ścieżka sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego z wyjścia jest bezpośrednio połączona ze stopniem wejściowym filtra RC. Ponieważ dwustopniowy filtr RC ma właściwość przesunięcia fazowego 0 stopni w obszarze częstotliwości rezonansowej i jest bezpośrednio połączony z dodatnim sprzężeniem zwrotnym wzmacniacza operacyjnego, załóżmy, że jest to xV +, a w ujemnym sprzężeniu zwrotnym przykładane jest to samo napięcie, które wynosi xV- z tą samą fazą 0 stopni wzmacniacz operacyjny rozróżnia dwa wejścia i wyklucza ujemny sygnał sprzężenia zwrotnego, a dzięki temu kontynuuje, gdy wyjście połączone między stopniami RC zaczyna oscylować.

Jeśli użyjemy wyższego tempa narastania, wzmacniacza operacyjnego o wyższej częstotliwości, częstotliwość wyjściowa może zostać zmaksymalizowana o dużą wartość.

Niewiele wzmacniaczy operacyjnych o wysokiej częstotliwości znajduje się w tym segmencie.Należy

również pamiętać, że tak jak w poprzednim samouczku dotyczącym oscylatora RC omówiliśmy efekt ładowania, powinniśmy wybrać wzmacniacz operacyjny o wysokiej impedancji wejściowej bardziej niż filtr RC, aby zmniejszyć efekt obciążenia i zapewnić właściwa stabilna oscylacja.

• LM318A
• LT1192
• MAX477
• LT1226
• OPA838
• THS3491, czyli wzmacniacz operacyjny 900 MHz High Seed!
• LTC6409 czyli 10 Ghz GBW różnicowy wzmacniacz operacyjny. Nie wspominając o tym, że wymaga to specjalnych dodatkowych obwodów i wyjątkowo dobrej taktyki projektowania RF, aby osiągnąć również to wyjście wysokiej częstotliwości.
• LTC160
• OPA365
• Wzmacniacz operacyjny TSH22 klasy przemysłowej.

Praktyczny przykład oscylatora Wein Bridge:

Obliczmy praktyczną wartość przykładową, wybierając wartość rezystora i kondensatora.

Na tym obrazie dla oscylatora RC zastosowano rezystor 4,7 k dla obu R1 i R2. Zastosowany kondensator trymera, który ma dwa bieguny, zawiera 1-100nF dla pojemności przycinania C1 i C2. Obliczmy częstotliwość oscylacji dla 1nF, 50nF i 100nF. Obliczymy również wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego jako R3 wybrane jako 100k i R4 wybrane jako 300k.

Ponieważ obliczenie częstotliwości jest łatwe dzięki formule

Fhz = 1 / 2πRC

Dla wartości C wynosi 1nF, a dla rezystora 4,7k częstotliwość będzie

Fhz = 33849 Hz lub 33,85 KHz

Dla wartości C wynosi 50nF, a dla rezystora 4,7k częstotliwość będzie

Fhz = 677 Hz

Dla wartości C wynosi 100nF, a dla rezystora 4,7k częstotliwość będzie

Fhz = 339 Hz

Tak więc najwyższą częstotliwość, jaką możemy osiągnąć przy użyciu 1nF, która wynosi 33,85 kHz, a najniższą częstotliwość, jaką możemy osiągnąć przy użyciu 100nF, to 339 Hz.

Zysk op-wzmacniacza jest 1+ (R4 / R3)

R4 = 300 tys

R3 = 100k

Więc zysk = 1+ (300k + 100k) = 4x

Wzmacniacz operacyjny zapewni 4x wzmocnienie wejścia na nieodwróconym „dodatnim” pinie.

Więc używając w ten sposób możemy wytworzyć oscylator Wein Bridge o zmiennej szerokości pasma.

Aplikacje:

Wein Bridge Oscylator używany w szerokim zakresie zastosowań w dziedzinie elektroniki, od znalezienia dokładnej wartości kondensatora, do generowania stabilnych fazowo obwodów związanych z oscylatorem 0 stopni, ze względu na niski poziom szumów jest również mądrzejszym wyborem dla różnych poziomów klasy audio aplikacje, w których wymagane są ciągłe oscylacje.