Wein tiltinis osciliatorius

Šioje pamokoje sužinosime apie „ Wein Bridge“ osciliatorių, kurį sukūrė vokiečių fizikas Maxas Wienas. Iš pradžių jis buvo sukurtas talpai apskaičiuoti, kai yra žinoma varža ir dažnis. Prieš eidami į tolesnę išsamią diskusiją apie tai, kas iš tikrųjų yra „ Wein Bridge“ osciliatorius ir kaip jis naudojamas, pažiūrėkime, kas yra osciliatorius ir kas yra „Wein Bridge“ osciliatorius.

„Wein Bridge“ osciliatorius:

Kaip ir ankstesniame RC osciliatoriaus pamokyme, fazės poslinkiui sukurti reikalingas rezistorius ir kondensatorius. Jei mes prijungsime stiprintuvą atvirkštinėje specifikacijoje ir sujungsime stiprintuvą ir RC tinklus su grįžtamuoju ryšiu, stiprintuvo išvestis pradeda gaminti sinusinė bangos forma svyruojant.

Į Wien tilto osciliatorius du RC tinklai naudojami visoje stiprintuvo ir gaminti osciliatoriaus grandinę.

Bet kodėl turėtume rinktis Vienos tilto osciliatorių ?

Dėl šių punktų Vienos tilto osciliatorius yra protingesnis pasirinkimas gaminant sinusoidinę bangą.

1. Jis yra stabilus.
2. Iškraipymas arba THD (visiškas harmoninis iškraipymas) yra nevaldomas.
3. Mes galime labai efektyviai keisti dažnį.

Kaip sakyta anksčiau, „Wein Bridge“ osciliatorius turi dviejų pakopų RC tinklus. Tai reiškia, kad jį sudaro du nepoliniai kondensatoriai ir du rezistoriai, sudarantys aukšto ir žemo dažnio filtrus. Vienas rezistorius ir vienas kondensatorius nuosekliai, kita vertus, vienas kondensatorius ir vienas rezistorius lygiagrečiai. Jei sukursime grandinę, schema bus tik tokia: -

Kaip aiškiai matyti, yra du kondensatoriai ir naudojami du rezistoriai. Tiek RC pakopa, kuri veikia kaip aukšto pralaidumo, tiek žemo pralaidumo filtras, sujungiami kartu, o tai yra dažnių juostos filtro, kaupiančio dviejų laipsnių priklausomybę nuo dažnio, rezultatas. R1 ir R2 varža yra vienodi, o C1 ir C2 talpos yra vienodos.

„Wein Bridge“ osciliatoriaus galios padidėjimas ir fazių poslinkis:

Tai, kas vyksta RC tinklo grandinėje aukščiau pateiktame paveikslėlyje, yra labai įdomu.

Kai naudojamas žemas dažnis, pirmojo kondensatoriaus (C1) reaktyvumas yra pakankamai didelis ir užblokuoja įvesties signalą ir priešinasi grandinei, kad gautų 0 išvestį, kita vertus, tas pats dalykas nutinka kitaip ir antram kondensatoriui (C2), kuris yra sujungtas lygiagrečiai. C2 reaktyvumas tapo per mažas ir apeina signalą ir vėl sukuria 0 išėjimų.

Tačiau esant vidutiniam dažniui, kai C1 reaktyvumas nėra didelis, o C2 reaktyvumas nėra mažas, jis duos išėjimą per C2 tašką. Šis dažnis vadinamas rezonansiniu dažniu.

Jei mes giliai pamatysime grandinės viduje, pamatysime, kad grandinės reaktyvumas ir grandinės varža yra vienodi, jei pasiekiamas rezonansinis dažnis.

Taigi, tokiu atveju yra dvi taisyklės, kai grandinę teikia rezonansinis dažnis visame įėjime.

A. Įvesties ir išvesties fazinis skirtumas yra lygus 0 laipsniui.

B. Kadangi tai yra 0 laipsnių, išvestis bus maksimali. Bet kiek? Tai glaudžiai ar tiksliai 1/3 ^RD įvesties signalo dydį.

Jei pamatysime schemos išvestį, suprasime tuos taškus.

Išvestis yra lygiai tokia pati kreivė kaip ir rodomas vaizdas. Esant žemam dažniui nuo 1Hz, išėjimas yra mažesnis arba beveik 0 ir didėja, kai įėjimo dažnis yra iki rezonansinio dažnio, o pasiekus rezonansinį dažnį, išėjimas yra didžiausiame piko taške ir nuolat mažėja didėjant dažniui ir vėl tai gamina 0 išėjimą aukštu dažniu. Taigi jis aiškiai praeina tam tikrą dažnių diapazoną ir sukuria išvestį. Štai kodėl anksčiau jis buvo apibūdinamas kaip nuo dažnio priklausomas kintamosios juostos (dažnio juostos) praeities filtras. Jei atidžiai pažvelgsime į išvesties fazinį poslinkį, mes aiškiai matysime 0 laipsnių fazės skirtumą išėjime tinkamu rezonansiniu dažniu.

Šioje fazės išvesties kreivėje fazė yra lygiai 0 laipsnio rezonanso dažniu ir pradedama nuo 90 laipsnių iki mažėjimo 0 laipsniu, kai įėjimo dažnis didėja, kol pasiekiamas rezonanso dažnis, o po to fazė toliau mažėja - 90 laipsnių. Abiem atvejais naudojami du terminai. Jei fazė yra teigiama, ji vadinama „ Phase Advance“, o neigiamo atveju - „ Phase Delay“.

Filtro pakopos išvestį pamatysime šiame modeliavimo vaizdo įraše:

Šis vaizdo 4.7K naudojamas kaip R tiek R1 R2 ir 10nF kondensatorius naudojamas tiek C1 ir C2. Mes pritaikėme sinusinę bangą per etapus, o osciloskope geltonasis kanalas rodo grandinės įvestį, o mėlyna linija - grandinės išvestį. Jei atidžiai pažvelgsime, išėjimo amplitudė yra 1/3 įvesties signalo, o išėjimo fazė yra beveik identiška 0 laipsnių fazės poslinkiui rezonansiniame dažnyje, kaip aptarta anksčiau.

Rezonanso dažnis ir įtampos išėjimas:

Jei manysime, kad naudojamas R1 = R2 = R arba tas pats rezistorius, o kondensatoriui C1 = C2 = C pasirinkti ta pati talpos vertė, tada rezonanso dažnis bus

Fhz = 1 / 2πRC

R reiškia rezistorių, o C - kondensatorių arba talpą, o Fhz, jei rezonanso dažnis.

Jei norime apskaičiuoti RC tinklo Vout, turėtume grandinę pamatyti kitaip.

Šis RC tinklas veikia su kintamosios srovės signalų įėjimu. Apskaičiuoti grandinės varžą kintamosios srovės atveju, o ne apskaičiuoti grandinės varžą nuolatinės srovės atveju - šiek tiek keblu.

RC tinklas sukuria impedanciją, kuri veikia kaip atsparumas taikomam kintamajam signalui. Įtampos daliklis turi dvi varžas, šiose RC pakopose dvi varžos yra pirmojo filtro (C1 R1) varža ir antrojo filtro (R2 C2) varža.

Kadangi yra kondensatorius, prijungtas nuosekliai arba lygiagrečiai, tada varžos formulė bus: -

Z yra varžos simbolis, R yra pasipriešinimas, o Xc reiškia kondensatoriaus talpinę reaktyvą.

Naudodami tą pačią formulę galime apskaičiuoti pirmojo etapo varža.

Tuo atveju, kai antrajame etape, formulė yra toks pat, kaip apskaičiuojant lygiagrečiai lygiavertis rezistorius,

Z yra varža, R yra atsparumas, X yra kondensatorius

Galutinę grandinės varžą galima apskaičiuoti pagal šią formulę: -

Mes galime apskaičiuoti praktinį pavyzdį ir pamatyti rezultatą tokiu atveju.

Apskaičiavę vertę ir pamatę rezultatą pamatysime, kad išėjimo įtampa bus 1/3 įėjimo įtampos.

Jei prijungsime dviejų pakopų RC filtro išvestį į neinvertuojantį stiprintuvo įvesties kaištį arba + Vin kaištį ir sureguliuosime stiprinimą, kad susigrąžintume nuostolius, išvestis sukurs sinusinę bangą. Tai yra Vienos tilto svyravimas, o grandinė yra Wein Bridge osciliatoriaus grandinė.

„Wein Bridge“ osciliatoriaus darbas ir statyba:

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje RC filtras yra prijungtas prie opampo, kuris yra ne invertuojančios konfigūracijos. R1 ir R2 yra pastovios vertės rezistorius, o C1 ir C2 yra kintamas apdailos kondensatorius. Keičiant tų dviejų kondensatorių vertę tuo pačiu metu, mes galėtume tinkamai svyruoti nuo apatinio diapazono iki viršutinio. Tai labai naudinga, jei norime naudoti „Wein“ tilto osciliatorių, kad generuotume sinusinę bangą skirtingu dažniu nuo apatinio iki viršutinio diapazono. O R3 ir R4 naudojami op-amp grįžtamojo ryšio stiprinimui. Išvesties padidėjimas arba stiprinimas labai priklauso nuo šių dviejų verčių derinių. Kadangi du RC etapai sumažina išėjimo įtampą esant 1/3 daliai, būtina ją atkurti. Taip pat protingesnis pasirinkimas gauti bent 3x ar daugiau nei 3x (pageidautina 4x) padidėjimą.

Pelną galime apskaičiuoti naudodami 1+ (R4 / R3) santykį.

Jei vėl pamatysime vaizdą, galime pamatyti, kad operacinio stiprintuvo grįžtamojo ryšio kelias iš išėjimo yra tiesiogiai prijungtas prie RC filtro įvesties pakopos. Kadangi dviejų pakopų RC filtras turi 0 laipsnių fazės poslinkio savybę rezonanso dažnio srityje ir yra tiesiogiai prijungtas prie opampo teigiamo grįžtamojo ryšio, tarkime, kad jis yra xV +, o neigiamame grįžtamajame ryšyje naudojama ta pati įtampa, kuri yra xV- su ta pačia 0 laipsnių faze op-amp diferencijuoja du įėjimus ir atmeta neigiamą grįžtamojo ryšio signalą, ir dėl to tęsiasi, kai išėjimas, sujungtas per RC pakopas, op-amp pradeda svyruoti.

Jei mes naudosime didesnį pasukimo dažnį, didesnio dažnio op-amp, išėjimo dažnį galima maksimaliai padidinti.

Šiame segmente yra nedaug aukšto dažnio op-amperų.

Taip pat turime prisiminti, kaip ir ankstesniame RC osciliatoriaus pamokojime, kuriame aptarėme apkrovos efektą, norėdami sumažinti apkrovos efektą ir užtikrinti, turėtume pasirinkti daugiau nei RC filtrą esantį didelio stiprumo įėjimo impedanciją turinčią op-amp. tinkamas stabilus svyravimas.

• LM318A
• LT1192
• MAX477
• LT1226
• OPA838
• THS3491, kuris yra 900 mHz aukštos kokybės op-amp!
• LTC6409, kuris yra 10 Ghz GBW diferencialinis op-amp. Maža to, tam, kad būtų pasiekta ši aukšto dažnio išvestis, reikalinga speciali schema ir išskirtinai gera RF projektavimo taktika.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 Pramoninės klasės stiprintuvas.

Praktinis Wein Bridge osciliatoriaus pavyzdys:

Apskaičiuokime praktišką pavyzdinę vertę pasirinkdami rezistoriaus ir kondensatoriaus vertę.

Šiame paveikslėlyje RC osciliatoriui R1 ir R2 naudojamas 4,7 k rezistorius. Naudotame trimerio kondensatoriuje, kuriame yra du poliai, yra 1-100nF C1 ir C2 kirpimo pajėgumui. Leidžia apskaičiuoti 1nF, 50nF ir 100nF virpesių dažnį. Taip pat apskaičiuosime op-amp stiprinimą, kai R3 pasirinktas kaip 100k, o R4 - kaip 300k.

Kadangi apskaičiuoti dažnį lengva pagal formulę

Fhz = 1 / 2πRC

Jei C vertė yra 1nF, o rezistorius - 4,7 k, dažnis bus

Fhz = 33 849 Hz arba 33,85 KHz

Jei C vertė yra 50nF, o rezistorius - 4,7 k, dažnis bus

Fhz = 677Hz

Jei C vertė yra 100nF, o rezistorius - 4,7 k, dažnis bus

Fhz = 339Hz

Taigi didžiausias dažnis, kurį galime pasiekti naudodami 1nF, kuris yra 33,85 Khz, o žemiausias dažnis, kurį galime pasiekti naudodami 100nF, yra 339Hz.

Iš op-amp prieaugis yra 1+ (R4 / R3)

R4 = 300 tūkst

R3 = 100 tūkst

Taigi pelnas = 1+ (300 tūkst. + 100 tūkst.) = 4 kartus

Op-amp sukurs 4x įvesties padidėjimą per neapverstą „teigiamą“ kaištį.

Taigi tokiu būdu mes galime sukurti kintamo dažnio pralaidumo „Wein Bridge“ osciliatorių.

Programos:

„Wein Bridge“ osciliatorius naudojamas plačiai elektronikos srityje, pradedant nuo tikslios kondensatoriaus vertės nustatymo, norint sukurti 0 laipsnių fazės stabilių osciliatorių grandines, dėl žemo triukšmo lygio tai yra protingesnis pasirinkimas įvairiems garso lygio lygiams programos, kur reikalingas nuolatinis svyravimas.