Oscilátor fázového posunu Rc

Co je oscilátor?

Oscilátor je mechanická nebo elektronická konstrukce, která produkuje oscilaci v závislosti na několika proměnných. Všichni máme zařízení, která potřebují oscilátory, tradiční hodiny, které všichni doma máme jako nástěnné hodiny nebo náramkové hodinky, různé typy detektorů kovů, počítače, kde jsou zapojeny mikrokontroléry a mikroprocesory, používají oscilátory, zejména elektronický oscilátor, který produkuje periodické signály.

RC oscilátor a fáze:

Když diskutujeme o RC oscilátoru a protože se také označuje jako oscilátor fázového posunu, potřebujeme spravedlivé pochopení toho, co je fáze. Podívejte se na tento obrázek: -

Pokud uvidíme výše uvedenou sinusovou vlnu, jako je tato, jasně uvidíme, že počáteční bod signálu je ve fázi 0 stupňů a poté každý vrcholový bod signálu od kladného po 0, pak znovu záporný bod, pak znovu 0 je příslušně označeno jako 90 stupně, 180 stupňů, 270 stupňů a 360 stupňů ve fázové poloze.

Fáze je období celého cyklu sinusové vlny v 360stupňové referenci.

Nyní se bez dalšího zpoždění podívejme, co je to fázový posun?

Posuneme-li počáteční bod sinusových vln jiný než 0 stupňů, fáze se posune. Fázový posun pochopíme na dalším obrázku.

Na tomto obrázku jsou prezentovány dvě sinusové vlny střídavého signálu, první zelená sinusová vlna má fázi 360 stupňů, ale červená, která je replikou prvního čteného signálu, je 90 stupňů od fáze zeleného signálu.

Pomocí RC oscilátoru můžeme posunout fázi sinusového signálu.

Fázový posun pomocí RC oscilátoru Circuit:

RC znamená Resistor a Capacitor. Můžeme jednoduše vytvořit rezistor-kondenzátorovou síť s fázovým posunem pomocí pouze jednoho rezistoru a jednoho kondenzátoru.

Jak je vidět v tutoriálu High pass filter, platí zde stejný obvod. Typický RC fázový posun oscilátor může být produkce kondenzátorem v sérii spolu s rezistorem paralelně.

Jedná se o jednopólovou síť s fázovým posunem; obvod je stejný jako pasivní High Pass Filter. Teoreticky, pokud použijeme signál ve fázi přes tuto RC síť, výstupní fáze se posune přesně o 90 stupňů. Pokud to ale zkusíme ve skutečnosti a zkontrolujeme fázový posun, dosáhneme fázového posunu 60 až méně než 90 stupňů. Závisí to na frekvenci a tolerancích komponent, které ve skutečnosti vytvářejí nepříznivý účinek. Jak všichni víme, že nic není dokonalé, měl by existovat nějaký rozdíl než skutečné takzvané nebo očekávané hodnoty než realita. Teplota a další vnější závislosti vytvářejí potíže s dosažením přesného fázového posunu o 90 stupňů, 45 stupňů je obecně, 60 stupňů je běžných v závislosti na frekvencích a dosažení 90 stupňů je v mnoha případech velmi obtížná práce.

Jak je popsáno v High pass tutoriálu, zkonstruujeme stejný obvod a budeme zkoumat fázový posun stejného obvodu.

Obvod tohoto filtru High Pass spolu s hodnotami komponent je na následujícím obrázku: -

Toto je příklad, který jsme použili v předchozích výukových programech pasivního horního filtru. Bude produkovat 4,9 KHz šířky pásma. Pokud zkontrolujeme rohovou frekvenci, identifikujeme fázový úhel na výstupu oscilátoru.

Nyní vidíme, že fázový posun je spuštěn od 90 stupňů, což je maximální fázový posun sítí RC oscilátoru, ale v místě rohové frekvence je fázový posun 45 stupňů.

Nyní s ohledem na skutečnost, že fázový posun je 90 stupňů, nebo pokud zvolíme konstrukci obvodů oscilátoru jako speciální způsob, který bude produkovat 90 stupňový fázový posun, pak obvod ztratí imunitu v hraničním rozsahu kvůli špatnému faktoru stabilizace frekvence. Jak si dokážeme představit v bodě 90 stupňů, kde křivka právě začala jako z 10 Hz nebo nižší na 100 Hz, je téměř plochá. To znamená, že pokud se frekvence oscilátoru mírně změnila v důsledku tolerance komponent, teploty a dalších nevyhnutelných okolností, fázový posun se nezmění. To není dobrá volba. Takže považujeme 60 ° nebo 45 stupňů za přijatelný fázový posun pro jednopólový RC síťový oscilátor. Stabilita frekvence se zlepší.

Kaskádové více RC filtrů:

Kaskádové tři RC filtry:

Když vezmeme v úvahu tuto skutečnost, že nemůžeme dosáhnout pouze 60stupňového fázového posunu místo 90stupňového, můžeme kaskádovat tři RC filtry (Pokud je fázový posun 60 stupňů pomocí RC oscilátorů) nebo kaskádovat čtyři filtry v sérii (Pokud je fázový posun 45 stupňů každým RC oscilátorem) a získejte 180 stupňů.

Na tomto obrázku se kaskádovaly tři RC oscilátory a pokaždé se přidal 60 stupňový fázový posun a nakonec po třetí fázi získáme fázový posun 180 stupňů.

Budeme konstruovat tyto obvody v simulačním softwaru a uvidíme tvar vstupních a výstupních vln obvodů.

Než se pustíme do videa, podívejme se na obraz obvodů a uvidíme také připojení osciloskopu.

V horním obrázku jsme použili kondenzátor 100pF a hodnotu rezistoru 330k. Osciloskop je připojen přes vstup VSIN (A / žlutý kanál), přes první pólový výstup (B / modrý kanál), ^2. pólový výstup

(C / červený kanál) a konečný výstup přes třetí pól (D / zelený kanál).

Uvidíme simulaci ve videu a uvidíme fázovou změnu 60 stupňů přes první pól, 120 stupňů přes druhý pól a 180 stupňů přes třetí pól. Také amplituda signálu bude krok za krokem minimalizována.

1 ^st pól amplituda> druhý pól amplituda> třetí pól amplituda. Čím více jdeme k poslednímu pólu, zmenšuje se amplituda signálu.

Nyní uvidíme simulační video: -

Je jasně ukázáno, že každý pól aktivně mění fázové posuny a na konečném výstupu je posunut o 180 stupňů.

Kaskádové čtyři RC filtry:

Na dalším obrázku jsou použity čtyři RC oscilátory fázového posuvu, každý s 45stupňovým fázovým posunem, které produkují 180stupňový fázový posun na konci RC sítě.

RC fázový posunový oscilátor s tranzistorem:

To vše jsou pasivní prvky nebo komponenty v RC oscilátoru. Dostaneme fázový posun o 180 stupňů. Pokud chceme provést 360stupňový fázový posun, je zapotřebí aktivní složka, která produkuje další 180stupňový fázový posun. To se provádí pomocí tranzistoru nebo zesilovače a vyžaduje to další napájecí napětí.

Na tomto obrázku je NPN tranzistor použit k výrobě fázového posunu o 180 stupňů, zatímco C1R1 C2R2 C3R3 bude produkovat 60 stupňů fázového zpoždění. Takže akumulace těchto tří fázových posunů 60 + 60 + 60 = 180 stupňů se provádí na druhé straně a přidáním dalších 180 stupňů tranzistorem se vytvoří celkový fázový posun 360 stupňů. Dostaneme 360 stupňů fázového posunu napříč elektrolytickým kondenzátorem C5. Pokud chceme změnit frekvenci tohoto jednoho způsobu, jak změnit hodnotu kondenzátorů, nebo použít variabilní přednastavený kondenzátor přes tyto tři póly jednotlivě vyloučením jednotlivých pevných kondenzátorů.

Je vytvořeno zpětnovazební připojení k načtení energií zpět do zesilovače pomocí této třípólové RC sítě. Je to nezbytné pro stabilní kladnou oscilaci a pro vytvoření sinusového napětí. Díky

zpětnovazebnímu připojení nebo konfiguraci je RC oscilátor oscilátorem typu zpětné vazby.

V roce 1921 zavedl německý fyzik Heinrich Georg Barkhausen „Barkhausenovo kritérium“ pro určení vztahu mezi fázovými posuny napříč zpětnou vazbou. Podle kritéria bude obvod oscilovat pouze tehdy, pokud je fázový posun kolem zpětnovazební smyčky stejný nebo násobek 360 stupňů a zisk smyčky je roven jedné. Pokud je fázový posun přesný na požadované frekvenci a zpětnovazební smyčka vytváří 360stupňovou oscilaci, bude výstupem sinusová vlna. K dosažení tohoto cíle slouží RC filtr.

Frekvence RC oscilátoru:

Můžeme snadno určit frekvenci oscilace pomocí této rovnice: -

Kde

R = odpor (ohmy)

C = kapacita

N = počet RC sítí je / bude použit

Tento vzorec se používá pro design související s horní propustí, můžeme také použít dolní propust a fázový posun bude záporný. V takovém případě horní vzorec nebude fungovat pro výpočet frekvence oscilátoru, použije se jiný vzorec.

Kde

R = odpor (ohmy)

C = kapacita

N = počet RC sítí je / bude použit

Oscilátor RC fázového posuvu s operačním zesilovačem:

Protože můžeme konstruovat RC oscilátor fázového posunu pomocí tranzistoru, tj. BJT, existují i další omezení s tranzistorem.

Je stabilní pro nízké frekvence.
Jen s použitím pouze jednoho BJT není amplituda výstupní vlny dokonalá, je zapotřebí další obvody ke stabilizované amplitudě tvaru vlny.
Přesnost frekvence není dokonalá a není imunní vůči rušivému rušení.
Efekt nepříznivého načítání. V důsledku tvorby kaskády mění vstupní impedance druhého pólu odporové vlastnosti rezistoru filtru prvního pólu. Čím více filtrů kaskádovalo, tím více se situace zhoršuje, protože to ovlivní přesnost vypočítané frekvence oscilátoru fázového posuvu.

Vzhledem k útlumu přes odpor a kondenzátor, ztráta na každém stupni se zvýší a celková ztráta je cca celková ztráta 1/29 ^th vstupního signálu.

Vzhledem k tomu, plošných zeslabuje na 1/29 ^th musíme obnovit ztráty.

Nastal čas změnit BJT pomocí operačního zesilovače. Můžeme také obnovit tyto čtyři nevýhody a získat více prostoru nad kontrolou, pokud místo BJT použijeme operační zesilovač. Díky vysoké vstupní impedanci je efekt načítání také účinně řízen, protože vstupní impedance operačního zesilovače podporuje celkový efekt načítání.

Nyní bez další úpravy změňme BJT s Op-Amp a podívejme se, jaké budou obvody nebo schémata RC oscilátoru pomocí Op-amp.

Jak vidíme, Just BJT nahrazen obráceným operačním zesilovačem. Smyčka zpětné vazby je připojena přes první pólový RC oscilátor a napájena invertovaným vstupním kolíkem op-amp. Díky tomuto invertovanému zpětnovazebnímu spojení bude operační zesilovač produkovat fázový posun o 180 stupňů. Další 180stupňový fázový posun zajistí tři RC stupně. Získáme požadovaný výstup 360stupňového fázově posunutého vlnění přes první pin operačního zesilovače pojmenovaný jako OSC out. R4 se používá pro kompenzaci zisku operačního zesilovače. Můžeme vyladit obvody, abychom získali vysokofrekvenční oscilovaný výstup, ale v závislosti na šířce pásma frekvenčního pásma operačního zesilovače.

Také pro získání požadovaného výsledku musíme počítat zisk rezistoru R4, aby se dosáhlo 29 ^th časy větší amplitudu přes op-amp, jak musíme vyrovnat se ztrátou 1/29 ^th přes RC etapách.

Podívejme se, uděláme obvod se skutečnou hodnotou komponent a uvidíme, jaký bude simulovaný výstup oscilátoru fázového posuvu RC.

Použijeme 10k ohmový rezistor a 500pF kondenzátor a určíme frekvenci oscilace. Rovněž vypočítáme hodnotu zesilovacího rezistoru.

N = 3, protože budou použity 3 stupně.

R = 10 000, protože 10 kOhmů převedených na ohmy

C = 500 x 10 - ^12, protože hodnota kondenzátoru je 500pF

Výstup je 12 995 Hz nebo relativně blízká hodnota je 13 KHz.

Vzhledem k tomu, gain op-amp je potřeba 29 ^th časy hodnota zesílení odporu se vypočte podle tohoto vzorce: -

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

Takto je konstruován oscilátor fázového posuvu s použitím RC komponent a Op-amp.

Aplikace oscilátoru fázového posuvu RC zahrnují zesilovače, kde se používá zvukový transformátor a je potřeba diferenciální zvukový signál, ale invertovaný signál není k dispozici, nebo pokud je pro jakoukoli aplikaci zapotřebí zdroj střídavého signálu, použije se RC filtr. Generátor signálu nebo generátor funkcí také používá RC oscilátor fázového posuvu.