Rc fazės poslinkio osciliatorius

Kas yra osciliatorius?

Osciliatorius yra mechaninė arba elektroninė konstrukcija, sukelianti svyravimus priklausomai nuo kelių kintamųjų. Mes visi turime prietaisus, kuriems reikalingi osciliatoriai, tradicinį laikrodį, kurį visi turime savo namuose, kaip sieninį laikrodį ar rankinį laikrodį, įvairaus tipo metalo detektorius, kompiuterius, kuriuose yra mikrovaldiklis ir mikroprocesoriai, visi naudoja osciliatorius, ypač elektroninius osciliatorius, kurie gamina periodinius signalus.

RC osciliatorius ir fazė:

Kai diskutuojame apie RC osciliatorių ir kadangi jis taip pat vadinamas fazės poslinkio osciliatoriumi, turime teisingai suprasti, kas yra fazė. Žiūrėti šį vaizdą: -

Jei matysime pirmiau minėtą sinusinę bangą, mes aiškiai matysime, kad signalo pradinis taškas yra 0 laipsnių fazėje, o po to kiekvienas signalo smailės taškas nuo teigiamo iki 0, tada vėl neigiamas taškas, tada vėl 0 atitinkamai reiškia 90 laipsnis, 180 laipsnių, 270 laipsnių ir 360 laipsnių fazės padėtyje.

Fazė yra visas sinusoidinės bangos ciklo laikotarpis 360 laipsnių atskaitos tašku.

Dabar be jokio vėlavimo pažiūrėkime, kas yra fazių poslinkis?

Jei sinusinės bangos pradinį tašką pakeisime ne 0 laipsniu, fazė pasislinkusi. Mes suprasime fazės poslinkį kitame paveikslėlyje.

Šiame paveikslėlyje pateikiamos dvi kintamosios sinusoidinės signalo bangos, pirmoji žalioji sinusoidinė banga yra 360 laipsnių fazėje, tačiau raudona, kuri yra pirmojo, perskaityto signalo kopija, yra 90 laipsnių kampu nuo žalio signalo fazės.

Naudodami RC osciliatorių galime perkelti sinusoidinio signalo fazę.

Fazės poslinkis naudojant RC osciliatoriaus grandinę:

RC reiškia rezistorius ir kondensatorius. Mes galime tiesiog suformuoti fazės poslinkio rezistoriaus-kondensatoriaus tinklą, naudodami tik vieną rezistorių ir vieną kondensatorių.

Kaip matyti aukšto dažnio filtro pamokoje, čia galioja ta pati grandinė. Tipiškas RC fazės poslinkio osciliatorius gali būti pagaminti pagal tam serijoje kartu su lygiagrečiy rezistorius kondensatorius.

Tai vieno poliaus fazių poslinkio tinklas; grandinė yra tokia pati kaip pasyvus aukšto dažnio filtras. Teoriškai, jei šiame RC tinkle pritaikysime fazinį signalą, išėjimo fazė bus paslinkta lygiai 90 laipsnių. Bet jei mes tai išbandysime tikrovėje ir patikrinsime fazės poslinkį, tai pasieksime 60 laipsnių ir mažiau nei 90 laipsnių fazės poslinkį. Tai priklauso nuo dažnio ir komponentų nuokrypių, kurie sukuria neigiamą poveikį tikrovėje. Kadangi visi žinome, kad niekas nėra tobulas, turėtų būti tam tikras skirtumas nei tikrosios vadinamosios ar laukiamos vertės nei tikrovė. Temperatūra ir kitos išorinės priklausomybės sukelia sunkumų norint pasiekti tikslų 90 laipsnių fazės poslinkį, 45 laipsniai paprastai yra 60 laipsnių, priklausomai nuo dažnių, o 90 laipsnių pasiekimas yra labai sunkus darbas daugeliu atvejų.

Kaip aptarta „High pass“ pamokoje, sukursime tą pačią grandinę ir ištirsime tos pačios grandinės fazinį poslinkį.

Šio aukšto dažnio filtro grandinė kartu su komponentų reikšmėmis yra žemiau esančiame paveikslėlyje: -

Tai pavyzdys, kurį naudojome ankstesnėse pasyviose aukšto dažnio filtrų pamokose. Jis gamins 4,9 KHz pralaidumą. Jei patikrinsime kampo dažnį, nustatysime fazės kampą osciliatoriaus išėjime.

Dabar matome, kad fazės poslinkis pradedamas nuo 90 laipsnių, o tai yra didžiausias RC osciliatorių tinklo fazių poslinkis, tačiau kampinio dažnio taške fazių poslinkis yra 45 laipsniai.

Atsižvelgiant į tai, kad fazių poslinkis yra 90 laipsnių, arba jei mes pasirenkame osciliatoriaus schemos konstrukciją kaip specialų būdą, kuris sukels 90 laipsnių fazės poslinkį, grandinė praras savo atsparumą ribose dėl prasto dažnio stabilizavimo faktoriaus. Kaip mes galime įsivaizduoti 90 laipsnių taške, kur kreivė ką tik prasidėjo nuo 10Hz ar žemesnės iki 100Hz, yra beveik plokščia. Tai reiškia, kad jei osciliatoriaus dažnis šiek tiek pasikeis dėl komponentų tolerancijos, temperatūros ir kitų neišvengiamų aplinkybių, fazių poslinkis nepasikeis. Tai nėra geras pasirinkimas. Taigi mes manome, kad 60 laipsnių arba 45 laipsniai yra priimtinas vieno poliaus RC tinklo osciliatoriaus fazinis poslinkis. Gerės dažnio stabilumas.

Kaskadiniai keli RC filtrai:

Trys RC filtrai:

Atsižvelgdami į tai, kad negalime pasiekti tik 60 laipsnių fazės poslinkio, o ne 90 laipsnių, galime kaskadoje išjungti tris RC filtrus (jei fazės poslinkis yra 60 laipsnių RC osciliatoriais) arba pakopomis surenkant keturis filtrus (jei fazės poslinkis yra 45 laipsniai kiekvienu RC osciliatoriumi) ir gaukite 180 laipsnių.

Šiame paveikslėlyje trys RC osciliatoriai kaskadiniai ir kiekvieną kartą pridedant 60 laipsnių fazės poslinkį ir galiausiai po trečiojo etapo gausime 180 laipsnių fazės poslinkį.

Mes sukursime šią schemą modeliavimo programinėje įrangoje ir pamatysime grandinės įvesties ir išvesties bangų formą.

Prieš patekdami į vaizdo įrašą, pamatysime schemos vaizdą ir pamatysime osciloskopo jungtį.

Viršutiniame paveikslėlyje panaudojome 100pF kondensatorių ir 330k rezistoriaus vertę. Osciloskopu yra prijungtas per įėjimo VSIN (A / Geltona kanalų), visoje pirmą polių produkcijos (B / Mėlyna kanalų), 2 ^-ojo polių produkcijos

(C / raudona kanalų) ir galutinės produkcijos visoje trečiąją pole (D / žalia kanalas).

Simuliaciją pamatysime vaizdo įraše ir pamatysime, kaip fazės pasikeičia 60 laipsnių per pirmąjį ašį, 120 laipsnių per antrąjį ašį ir 180 laipsnių per trečią ašį. Taip pat signalo amplitudė sumažins žingsnis po žingsnio.

1 ^- ojo poliaus amplitudė> 2-ojo poliaus amplitudė> 3-ojo poliaus amplitudė. Daugiau einant link paskutinio poliaus, signalo amplitudės mažėjimas mažėja.

Dabar pamatysime modeliavimo vaizdo įrašą: -

Aiškiai parodyta, kad kiekvienas polius, aktyviai keičiantis fazes, pasislenka ir galutiniame išėjime jis pasislenka iki 180 laipsnių.

Kaskados keturi RC filtrai:

Kitame paveikslėlyje naudojami keturi RC fazės poslinkio osciliatoriai, naudojami po 45 laipsnių fazės poslinkį, kurie sukuria 180 laipsnių fazės poslinkį RC tinklo gale.

RC fazės poslinkio osciliatorius su tranzistoriumi:

Visa tai yra pasyvūs elementai ar komponentai RC osciliatoriuje. Gauname fazės poslinkį 180 laipsnių. Jei norime atlikti 360 laipsnių fazės poslinkį, reikalingas aktyvus komponentas, kuris sukuria papildomą 180 laipsnių fazės poslinkį. Tai atlieka tranzistorius arba stiprintuvas ir reikalauja papildomos maitinimo įtampos.

Šiame paveikslėlyje NPN tranzistorius naudojamas 180 laipsnių fazės poslinkiui sukelti, o C1R1 C2R2 C3R3 sukels 60 laipsnių fazės vėlavimą. Taigi sukaupus šį tris 60 + 60 + 60 = 180 laipsnių fazės poslinkius, kita vertus, dar 180 laipsnių pridedama tranzistorius, sukuriamas bendras 360 laipsnių fazės poslinkis. Mes gausime 360 laipsnių fazės poslinkį per C5 elektrolitinį kondensatorių. Jei norime pakeisti šio vieno būdo dažnį, norint pakeisti kondensatorių vertę, arba naudoti kintamą iš anksto nustatytą kondensatorių tuose trijuose poliuose atskirai, pašalinant atskirus fiksuotus kondensatorius.

Atliekamas grįžtamasis ryšys, kad energija būtų atgauta į stiprintuvą naudojant tą trijų polių RC tinklą. Tai būtina stabiliam teigiamam svyravimui ir sinusinei įtampai sukelti. Dėl

grįžtamojo ryšio ar konfigūracijos RC osciliatorius yra grįžtamojo ryšio tipo osciliatorius.

1921 m. Vokiečių fizikas Heinrichas Georgas Barkhausenas įvedė „Barkhauseno kriterijų“, kad būtų galima nustatyti ryšį tarp fazinių poslinkių per grįžtamąjį ryšį. Pagal kriterijų grandinė svyruos tik tuo atveju, jei fazės poslinkis aplink grįžtamojo ryšio kilpą yra lygus 360 laipsnių arba jo daugiklis, o kilpos padidėjimas yra lygus vienam. Jei fazių poslinkis yra tikslus norimu dažniu ir grįžtamojo ryšio kilpa sukuria 360 laipsnių svyravimą, tada išėjimas bus sinuso banga. RC filtras naudojamas šiam tikslui pasiekti.

RC osciliatoriaus dažnis:

Mes galime lengvai nustatyti virpesių dažnį naudodami šią lygtį:

Kur,

R = varža (omai)

C = talpa

N = naudojamas / bus naudojamas RC tinklo skaičius

Ši formulė naudojama projektuojant aukšto dažnio filtrą, taip pat galime naudoti žemo dažnio filtrą, o fazių poslinkis bus neigiamas. Tokiu atveju viršutinė formulė neveiks apskaičiuojant osciliatoriaus dažnį, bus taikoma kita formulė.

Kur,

R = varža (omai)

C = talpa

N = naudojamas / bus naudojamas RC tinklo skaičius

RC fazės poslinkio osciliatorius su op-amp:

Kadangi mes galime sukonstruoti RC fazės poslinkio generatorių naudodami tranzistorių, ty BJT, taip pat yra kitų apribojimų, susijusių su tranzistoriumi.

Jis stabilus esant žemiems dažniams.
Vien tik naudojant vieną BJT, išėjimo bangos amplitudė nėra tobula, norint stabilizuoti bangos formą, reikalinga papildoma schema.
Dažnio tikslumas nėra tobulas ir jis nėra apsaugotas nuo triukšmingų trukdžių.
Neigiamas apkrovos efektas. Dėl kaskados formavimo antrojo poliaus įėjimo varža keičia pirmojo poliaus filtro varžų varžos savybes. Kuo daugiau filtrų kaskadai, situacija blogėja, nes tai turės įtakos apskaičiuoto fazės poslinkio osciliatoriaus dažnio tikslumui.

Dėl slopinimo per rezistorių ir kondensatorių nuostoliai padidėja kiekviename etape, o bendrasis nuostolis yra maždaug 1/29 ^-ojo įvesties signalo nuostolis.

Kadangi grandinė silpsta 1/29 ^-osios momento metu, turime susigrąžinti nuostolius.

Tai laikas pakeisti BJT su „Op-amp“. Mes taip pat galime atkurti tuos keturis trūkumus ir gauti daugiau laisvės valdyti, jei vietoj BJT naudojame op-amp. Dėl didelės įėjimo varžos apkrovos efektas taip pat veiksmingai kontroliuojamas, nes op-amp įėjimo impedancija skatina bendrą apkrovos efektą.

Dabar be tolesnių pakeitimų pakeiskime BJT su „Op-Amp“ ir pažiūrėkime, kokia bus RC osciliatoriaus schema ar schema naudojant „Op-amp“.

Kaip matome, „Just BJT“ pakeista apverstu op-amp. Grįžtamojo ryšio kilpa yra sujungta per pirmojo poliaus RC osciliatorių ir tiekiama į op-amp apverstą įvesties kaištį. Dėl šio apversto grįžtamojo ryšio, op-amp sukurs 180 laipsnių fazės poslinkį. Trys RC pakopos suteiks papildomą 180 laipsnių fazės poslinkį. Mes gausime norimą 360 laipsnių fazės poslinkio bangos išėjimą per op-amp pirmąjį kaištį, pavadintą OSC. R4 naudojamas op-amp stiprinimo kompensavimui. Mes galime pakoreguoti schemą, kad gautume aukšto dažnio svyruojančią išvestį, tačiau priklausomai nuo op-amp dažnio diapazono pralaidumo.

Be to, norint gauti norimą rezultatą turime apskaičiuoti pelnas rezistoriaus R4 pasiekti 29 ^-osios kartų didesnę amplitudę per op-amp, nes mes turime kompensuoti su 1/29 nuostolius ^d visoje RC etapais.

Pažiūrėkime, mes sukursime grandinę su realia komponentų verte ir pamatysime, kokia bus imituota RC fazės poslinkio osciliatoriaus išvestis.

Mes naudosime 10k omų rezistorių ir 500pF kondensatorių ir nustatysime virpesių dažnį. Taip pat apskaičiuosime stiprinimo rezistoriaus vertę.

N = 3, nes bus naudojami 3 etapai.

R = 10000, nes 10 k omų, paverstų omais,

C = 500 x 10 ^-12, nes kondensatoriaus vertė yra 500 pF

Išvestis yra 12995Hz arba santykinai artima vertė yra 13 KHz.

Kadangi reikalingas op-amp stiprinimas, 29 ^-asis kartus padidinimo rezistoriaus vertė apskaičiuojama pagal šią formulę: -

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

Taip sukonstruojamas fazės poslinkio osciliatorius naudojant RC komponentus ir Op-amp.

RC fazės poslinkio generatorius apima stiprintuvus, kur naudojamas garso transformatorius ir reikalingas diferencinis garso signalas, tačiau invertuotas signalas nėra, arba jei bet kuriai programai reikalingas kintamosios srovės signalo šaltinis, tada naudojamas RC filtras. Taip pat signalo generatorius arba funkcijų generatorius naudoja RC fazės poslinkio osciliatorių.