Weinův mostový oscilátor

V tomto tutoriálu se dozvíme o Wein Bridge Oscillator, který vyvinul německý fyzik Max Wien. Původně byl vyvinut pro výpočet kapacity, kde jsou známy odpor a frekvence. Než se pustíme do další hloubkové diskuse o tom, co vlastně Wein Bridge Oscillator a jak se používá, podívejme se, co je Oscillator a co je Wein Bridge Oscillator.

Wein Bridge Oscilátor:

Stejně jako v předchozím výukovém programu RC oscilátoru je k vytvoření fázového posuvu zapotřebí rezistor a kondenzátor. Pokud připojíme zesilovač v invertující specifikaci a propojíme zesilovač a RC sítě se zpětnovazebním spojením, výstup zesilovače začne produkovat sinusový průběh kmitáním.

Ve wienském mostním oscilátoru se používají dvě RC sítě přes zesilovač a vytvářejí obvod oscilátoru.

Proč bychom si ale měli vybrat Wien bridge oscilátor ?

Díky následujícím bodům je wienský mostový oscilátor moudřejší volbou pro výrobu sinusových vln.

1. Je stabilní.
2. Zkreslení nebo THD (celkové harmonické zkreslení) je pod kontrolovatelným limitem.
3. Můžeme velmi efektivně změnit frekvenci.

Jak již bylo řečeno, oscilátor Wein Bridge má dvoustupňové RC sítě. To znamená, že se skládá ze dvou nepolárních kondenzátorů a dvou rezistorů ve formaci High Pass a Low Pass Filter. Jeden rezistor a jeden kondenzátor v sérii na druhé straně jeden kondenzátor a jeden rezistor paralelně. Pokud zkonstruujeme obvod, schéma bude vypadat jen takto: -

Jak je jasně vidět, používají se dva kondenzátory a dva odpory. Oba RC stupně, které fungují jako High Pass a Low Pass filtr, jsou vzájemně propojeny, což je produkt Band Pass filtru, který akumuluje frekvenční závislost dvou stupňů řádu. Odpor R1 a R2 je stejný a také kapacita C1 a C2 je stejná.

Zisk výstupu Wein Bridge oscilátoru a fázový posun:

To, co se děje uvnitř obvodu RC sítě na výše uvedeném obrázku, je velmi zajímavé.

Když je použita nízká frekvence, je první reaktance kondenzátoru (C1) dostatečně vysoká a blokuje vstupní signál a odolává obvodu, aby produkoval výstup 0, na druhou stranu, Totéž se stane jiným způsobem pro druhý kondenzátor (C2), který je připojeno v paralelním stavu. Reaktance C2 je příliš nízká a obchází signál a znovu produkuje 0 výstupů.

Ale v případě střední frekvence, kdy reaktance C1 není vysoká a C2 je reaktance není nízká, bude dávat výstup přes bod C2. Tato frekvence se označuje jako rezonanční frekvence.

Pokud uvidíme hloubku uvnitř obvodů, uvidíme, že reaktance obvodu a odpor obvodu jsou stejné, pokud je dosaženo rezonanční frekvence.

V takovém případě platí dvě pravidla, když je obvod poskytován rezonanční frekvencí na vstupu.

A. Fázový rozdíl vstupu a výstupu je roven 0 stupni.

B. Jelikož je v 0 stupních, bude výstup maximální. Ale kolik? Je úzce nebo přesně 1/3 ^rd o síle vstupního signálu.

Pokud uvidíme výstup obvodů, porozumíme těmto bodům.

Výstup je přesně stejná křivka jako zobrazený obrázek. Při nízké frekvenci od 1 Hz je výstup menší nebo téměř 0 a zvyšuje se s frekvencí na vstupu až po rezonanční frekvenci, a když je dosaženo rezonanční frekvence, je výstup na svém maximálním špičkovém bodě a neustále klesá s rostoucí frekvencí a znovu produkuje 0 výstup při vysoké frekvenci. Je tedy zřejmé, že prochází určitým frekvenčním rozsahem a produkuje výstup. Proto byl dříve popsán jako propustný filtr s frekvenčně závislým proměnným pásmem (Frequency Band). Podíváme-li se pozorně na fázový posun výstupu, jasně uvidíme fázový okraj 0 stupně napříč výstupem při správné rezonanční frekvenci.

V této fázové výstupní křivce je fáze přesně 0 stupňů na rezonanční frekvenci a začíná od 90 stupňů do poklesu na 0 stupňů, když se vstupní frekvence zvyšuje, dokud není dosažena rezonanční frekvence, a poté fáze dále klesá v koncovém bodě - 90 stupňů. V obou případech se používají dva pojmy. Pokud je fáze pozitivní, nazývá se to jako Phase Advance a v případě záporného se to nazývá Phase Delay.

Uvidíme výstup fáze filtru v tomto simulačním videu:

V tomto videu se používá 4,7 kB jako R v R1 R2 i v kondenzátoru 10nF pro C1 i C2. Aplikovali jsme sinusovou vlnu napříč fázemi a v osciloskopu Žlutý kanál ukazuje vstup obvodů a modrá čára ukazuje výstup obvodů. Podíváme-li se pozorně, výstupní amplituda je 1/3 vstupního signálu a výstupní fáze je téměř identická s fázovým posunem 0 stupňů rezonanční frekvence, jak bylo diskutováno výše.

Rezonanční kmitočet a napěťový výstup:

Pokud vezmeme v úvahu, že se použije R1 = R2 = R nebo stejný odpor, a pro výběr kondenzátoru C1 = C2 = C se použije stejná hodnota kapacity, bude rezonanční frekvence

Fhz = 1 / 2πRC

R znamená rezistor a C znamená kondenzátor nebo kapacitu a Fhz, pokud je rezonanční frekvence.

Pokud chceme vypočítat Vout RC sítě, měli bychom vidět obvod jiným způsobem.

Tato RC síť pracuje se vstupem AC signálů. Výpočet odporu obvodu v případě střídavého proudu namísto výpočtu odporu obvodu v případě stejnosměrného proudu je trochu složitější.

RC síť vytváří impedanci, která působí jako odpor aplikovaného střídavého signálu. Dělič napětí má dva odpory, v těchto RC stupních jsou dva odpory impedance prvního filtru (C1 R1) a impedance druhého filtru (R2 C2).

Protože existují kondenzátory připojené buď sériově, nebo paralelně, pak bude impedanční vzorec: -

Z je symbol impedance, R je odpor a Xc znamená kapacitní reaktanci kondenzátoru.

Pomocí stejného vzorce můžeme vypočítat impedanci prvního stupně.

V případě druhého stupně je vzorec stejný jako výpočet paralelního ekvivalentního odporu,

Z je impedance, R je odpor, X je kondenzátor

Konečnou impedanci obvodů lze vypočítat pomocí tohoto vzorce: -

Můžeme vypočítat praktický příklad a vidět výstup v takovém případě.

Pokud vypočítáme hodnotu a uvidíme výsledek, uvidíme, že výstupní napětí bude 1/3 vstupního napětí.

Pokud zapojíme výstup dvoustupňového RC filtru do vstupního pinu neinvertujícího zesilovače nebo pinu + Vin a nastavíme zesílení tak, aby se obnovila ztráta, bude výstup produkovat sinusovou vlnu. To je Wienova můstková oscilace a obvody jsou Wein Bridge oscilátorový obvod.

Práce a konstrukce oscilátoru Wein Bridge:

Na výše uvedeném obrázku je RC filtr připojen přes operační zesilovač, který je v neinvertující konfiguraci. R1 a R2 jsou rezistory s pevnou hodnotou, zatímco C1 a C2 jsou kondenzátory s variabilním trimem. Změnou hodnoty těchto dvou kondenzátorů současně bychom mohli dosáhnout správné oscilace od dolního rozsahu k hornímu rozsahu. Je to velmi užitečné, pokud chceme použít Weinův můstkový oscilátor k produkci sinusových vln s různou frekvencí od dolního po horní rozsah. A R3 a R4 se používají pro zisk zpětné vazby op-amp. Zisk výstupu nebo zesílení je vysoce spolehlivý na těchto dvou kombinacích hodnot. Vzhledem k tomu, že dva RC stupně snižují výstupní napětí na 1/3, je nezbytné toto zpět obnovit. Moudřejší volbou je také získat alespoň 3x nebo více než 3x (4x preferovaný) zisk.

Zisk můžeme vypočítat pomocí vztahu 1+ (R4 / R3).

Pokud znovu vidíme obraz, vidíme, že zpětnovazební cesta operačního zesilovače z výstupu je přímo připojena ke vstupnímu stupni RC filtru. Protože dvoustupňový RC filtr má vlastnost 0stupňového fázového posunu v oblasti rezonanční frekvence a je přímo připojen k pozitivní zpětné vazbě op-zesilovače, předpokládejme, že je to xV + a v záporné zpětné vazbě je aplikováno stejné napětí, které je xV- se stejnou fází 0 stupňů operační zesilovač rozlišuje dva vstupy a vylučuje záporný zpětnovazební signál a díky tomu pokračuje, když výstup připojený přes RC stupně začne operační zesilovač oscilovat.

Pokud použijeme vyšší rychlost přeběhu, vyšší frekvenci operační zesilovač, lze výstupní frekvenci maximalizovat o velkou částku.

Několik vysokofrekvenčních operačních zesilovačů je v tomto segmentu

Také si musíme pamatovat, jako v předchozím tutoriálu RC oscilátoru, o kterém jsme diskutovali o efektu načítání, měli bychom zvolit operační zesilovač s vysokou vstupní impedancí více než RC filtr, abychom snížili efekt načítání a zajistili správná stabilní oscilace.

• LM318A
• LT1192
• MAX 477
• LT1226
• OPA838
• THS3491, což je 900 mHz, vysoce výkonný operační zesilovač!
• LTC6409, což je 10 Ghz GBW diferenciální operační zesilovač. Nemluvě o tom, že k dosažení tohoto vysokofrekvenčního výstupu je také zapotřebí zvláštní doplnění obvodů a mimořádně dobrá taktika návrhu RF.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 Průmyslový operační zesilovač.

Praktický příklad Wein Bridge oscilátoru:

Pojďme vypočítat praktickou příkladnou hodnotu výběrem hodnoty odporu a kondenzátoru.

Na tomto obrázku je pro RC oscilátor použit odpor 4,7 k pro R1 i R2. A použitý trimovací kondenzátor, který má dva póly, obsahuje 1-100nF pro ořezávací kapacitu C1 a C2. Umožňuje vypočítat frekvenci kmitání pro 1nF, 50nF a 100nF. Také vypočítáme zisk operačního zesilovače jako R3 zvoleného jako 100k a R4 zvoleného jako 300k.

Výpočet frekvence je snadný podle vzorce

Fhz = 1 / 2πRC

Pro hodnotu C je 1nF a pro rezistor je 4,7k bude frekvence

Fhz = 33 849 Hz nebo 33,85 KHz

Pro hodnotu C je 50nF a pro rezistor je 4,7k bude frekvence

Fhz = 677 Hz

Pro hodnotu C je 100nF a pro rezistor je 4,7k bude frekvence

Fhz = 339 Hz

Takže nejvyšší frekvence, které můžeme dosáhnout pomocí 1nF, což je 33,85 Khz, a nejnižší frekvence, kterou můžeme dosáhnout pomocí 100nF, je 339Hz.

Zisk operačního zesilovače je 1+ (R 4 / R 3)

R4 = 300 tis

R3 = 100 tis

Takže zisk = 1+ (300k + 100k) = 4x

Operační zesilovač bude produkovat 4x zisk vstupu přes neinvertovaný „kladný“ kolík.

Tímto způsobem tedy můžeme vyrobit Wein Bridge Oscillator s proměnnou frekvencí pásma.

Aplikace:

Wein Bridge Oscilátor používaný v široké škále aplikací v oblasti elektroniky, od zjištění přesné hodnoty kondenzátoru, Pro generování 0 ° fázově stabilních obvodů souvisejících s oscilátorem, kvůli nízké úrovni šumu je to také moudřejší volba pro různé úrovně zvuku aplikace, kde je vyžadována nepřetržitá oscilace.