Rc осцилатор за фазово изместване

Какво е осцилатор?

Осцилаторът е механична или електронна конструкция, която произвежда трептения в зависимост от няколко променливи. Всички ние имаме устройства, които се нуждаят от осцилатори, традиционен часовник, който всички имаме в дома си като стенен часовник или ръчен часовник, различни видове металотърсачи, компютри, в които участват микроконтролер и микропроцесори, всички използват осцилатори, особено електронен осцилатор, който произвежда периодични сигнали.

RC осцилатор и фаза:

Докато обсъждаме RC осцилатора и тъй като той се нарича още осцилатор с фазово изместване, ние се нуждаем от добро разбиране за това какво е фаза. Вижте това изображение: -

Ако видим горната синусоидална вълна като тази, ясно ще видим, че началната точка на сигнала е 0 градуса във фаза и след това всяка пикова точка на сигнала от положителна до 0, след това отново отрицателна точка и отново 0 е съответно означава 90 градус, 180 градуса, 270 градуса и 360 градуса във фазова позиция.

Фазата е период на пълен цикъл на синусоидална вълна в референтна 360 градуса.

Сега без допълнително забавяне да видим какво е фазово изместване?

Ако изместим началната точка на синусоидалната вълна, различна от 0 градуса, фазата се измества. Ще разберем фазовото изместване в следващото изображение.

На това изображение са представени две AC синусоидални сигнални вълни, първата зелена синусоидална вълна е на 360 градуса във фаза, но червената, която е реплика на първия, прочетен сигнал, е на 90 градуса извън фазата на зеления сигнал.

Използвайки RC осцилатор, ние можем да изместим фазата на синусоидален сигнал.

Фазово изместване с помощта на RC осцилаторна верига:

RC означава резистор и кондензатор. Ние можем просто да формираме фазово изместване Резистор-кондензаторна мрежа, използвайки само един резистор и един кондензатор.

Както се вижда в урока за високочестотен филтър, тук се прилага същата схема. Един типичен RC фазово изместване осцилатор може да се произвеждат от един кондензатор последователно заедно с резистор паралелно.

Това е еднополюсна мрежа за фазово изместване; веригата е същата като пасивния високочестотен филтър. Теоретично, ако приложим сигнал във фаза през тази RC мрежа, изходната фаза ще бъде изместена с точно 90 градуса. Но ако опитаме в действителност и проверим фазовото изместване, тогава постигаме 60 градуса до по-малко от 90 градуса фазово изместване. Това зависи от честотата и допустимите отклонения на компонентите, които създават неблагоприятен ефект в действителност. Тъй като всички знаем, че нищо не е идеално, трябва да има някаква разлика от действителните, така наречени или очаквани стойности, отколкото реалността. Температурата и други външни зависимости създават трудности за постигане на точно 90-градусово фазово изместване, 45 градуса е като цяло, 60 градуса са често срещани в зависимост от честотите и постигането на 90 градуса е много трудна работа в много случаи.

Както беше обсъдено в урока за високи честоти, ще изградим същата схема и ще изследваме фазовото изместване на същата верига.

Веригата на този високочестотен филтър заедно със стойностите на компонентите е на изображението по-долу: -

Това е примерът, който използвахме в предишни уроци за пасивни високочестотни филтри. Той ще произвежда 4,9 KHz честотна лента. Ако проверим ъгловата честота, ще идентифицираме фазовия ъгъл на изхода на осцилатора.

Сега можем да видим, че фазовото изместване започва от 90 градуса, което е максималното фазово изместване от RC осцилаторната мрежа, но в точката на ъгловата честота фазовото изместване е 45 градуса.

Сега, като се има предвид фактът, че фазовото изместване е 90 градуса, или ако изберем конструкцията на осцилаторната верига като специален начин, който ще доведе до 90 градусово фазово изместване, тогава веригата ще загуби имунитета си в граничния обхват поради лошия фактор на стабилизация на честотата. Както можем да си представим в точката от 90 градуса, където кривата току-що започна като от 10Hz или отдолу до 100Hz е почти плоска. Това означава, че ако честотата на осцилатора се промени леко поради толеранса на компонентите, температурата и други неизбежни обстоятелства, фазовото изместване няма да се промени. Това не е добър избор. Така че ние считаме, че 60 градуса или 45 градуса е приемливото фазово изместване за еднополюсен RC мрежов осцилатор. Честотната стабилност ще се подобри.

Каскадни множество RC филтри:

Каскадни три RC филтъра:

Като разглеждаме този факт, че не можем да постигнем само 60 градусово фазово изместване вместо 90 градуса, можем да каскадираме три RC филтъра (Ако фазовото изместване е 60 градуса от RC осцилатори) или чрез каскадни четири последователни филтъра (Ако фазовото изместване е 45 градуса от всеки RC осцилатор) и получавате 180 градуса.

В това изображение три RC осцилатора се каскадират и всеки път се добавя 60-градусово фазово изместване и накрая след трети етап ще получим 180-градусово фазово изместване.

Ще изградим тази схема в симулационен софтуер и ще видим формата на входната и изходната вълна на схемата.

Преди да влезете във видеото, нека 'видим изображението на веригата и ще видим и връзката на осцилоскопа.

В горното изображение използвахме 100pF кондензатор и 330k резистор. Осцилоскопът е свързан през входния VSIN (A / жълт канал), през първия полюсен изход (B / син канал), 2- ^ри полюсен изход

(C / червен канал) и крайния изход през третия полюс (D / зелен канал).

Ще видим симулацията във видеото и ще видим промяната на фазата на 60 градуса през първия полюс, 120 градуса през втория полюс и 180 градуса през третия полюс. Също така амплитудата на сигнала ще минимизира стъпка по стъпка.

Амплитуда на 1- ^ви полюс> Амплитуда на 2-ри полюс> Амплитуда на 3-ти полюс. Колкото повече вървим към последния полюс, декрементът на амплитудата на сигнала намалява.

Сега ще видим симулационното видео: -

Ясно е показано, че всеки полюс активно променя фазовите отмествания и на крайния изход той се измества на 180 градуса.

Cascade Four RC филтри:

На следващото изображение се използват четири RC фазови осцилатора, използвани с 45-градусово фазово изместване, които произвеждат 180-градусово фазово изместване в края на RC мрежата.

RC фазов осцилатор с транзистор:

Всичко това са пасивни елементи или компоненти в RC осцилатора. Получаваме фазово изместване от 180 градуса. Ако искаме да направим 360-градусово фазово изместване, тогава е необходим активен компонент, който произвежда допълнително 180-градусово фазово изместване. Това се извършва от транзистор или усилвател и изисква допълнително захранващо напрежение.

На това изображение се използва NPN транзистор, за да се получи фазово изместване от 180 градуса, докато C1R1 C2R2 C3R3 ще произведе 60 градуса на фазово забавяне. Така че натрупването на тези три фазови отмествания 60 + 60 + 60 = 180 градуса се извършва, от друга страна, добавяйки още 180 градуса от транзистора, създава се общо фазово изместване на 360 градуса. Ще получим 360 градуса фазово изместване през електролитен кондензатор С5. Ако искаме да променим честотата на този един начин да променим стойността на кондензаторите или да използваме променлив предварително зададен кондензатор през тези три полюса поотделно, като елиминираме отделни фиксирани кондензатори.

Извършва се връзка за обратна връзка за извличане на енергиите обратно към усилвателя, използвайки тази триполюсна RC мрежа. Необходимо е за стабилно положително трептене и за създаване на синусоидално напрежение. Поради

връзката за обратна връзка или конфигурацията, RC осцилаторът е осцилатор с обратна връзка.

През 1921 г. германският физик Хайнрих Георг Баркхаузен въвежда „критерий на Баркхаузен“ за определяне на връзката между фазовите отмествания през обратната верига. Според критерия веригата ще се колебае само ако фазовото изместване около контура за обратна връзка е равно или кратно на 360 градуса и коефициентът на усилване на контура е равен на един. Ако фазовото изместване е точно при желаната честота и веригата за обратна връзка създава 360-градусово трептене, тогава изходът ще бъде синусоида. RC филтърът служи за постигане на тази цел.

Честота на RC осцилатора:

Можем лесно да определим честотата на трептенията, като използваме това уравнение:

Където

R = съпротивление (ома)

C = капацитет

N = брой RC мрежа е / ще се използва

Тази формула се използва за дизайн, свързан с високочестотен филтър, можем да използваме и нискочестотен филтър и фазовото изместване ще бъде отрицателно. В такъв случай горната формула няма да работи за изчисляване на честотата на осцилатора, ще бъде приложима различна формула.

Където

R = съпротивление (ома)

C = капацитет

N = брой RC мрежа е / ще се използва

RC фазов осцилатор с Op-усилвател:

Тъй като можем да изградим RC осцилатор с фазово изместване, използвайки транзистор, т.е. BJT, има и други ограничения при транзистора.

1. Той е стабилен за ниски честоти.
2. Просто използването само на един BJT амплитудата на изходната вълна не е перфектна, необходима е допълнителна схема за стабилизиране на амплитудата на формата на вълната.
3. Точността на честотата не е съвършена и не е имунизирана срещу шумни смущения.
4. Неблагоприятен ефект на натоварване. Поради образуването на каскада входният импеданс на втория полюс променя резисторните свойства на съпротивлението на първия полюсен филтър. Колкото повече филтрите каскадират, толкова повече ситуацията се влошава, тъй като това ще повлияе на точността на изчислената честота на осцилатора на фазово изместване.

Поради затихването на резистора и кондензатора, загубата на всеки етап се увеличава и общата загуба е приблизително обща загуба от 1/29 ^-та от входния сигнал.

Като отслабва верига в 1/29 ^та ние трябва да се възстанови загубата.

Това е моментът да смените BJT с Op-усилвател. Също така можем да възстановим четирите недостатъка и да получим повече пространство за контрол, ако използваме операционен усилвател вместо BJT. Поради високия входен импеданс ефектът на зареждане също се контролира ефективно, тъй като входният импеданс на усилвателя допринася за цялостния ефект на натоварване.

Сега без по-нататъшна модификация нека променим BJT с Op-Amp и да видим каква ще бъде схемата или схемата на RC осцилатора, използвайки Op-amp.

Както виждаме, Just BJT е заменен с обърнат усилвател. Цикълът за обратна връзка е свързан през първия полюсен RC осцилатор и се подава към инвертирания входен щифт на усилвателя. Благодарение на тази инвертирана връзка с обратна връзка, операционният усилвател ще генерира 180-градусова фаза. Допълнително изместване на фазата на 180 градуса ще бъде осигурено от трите RC етапа. Ще получим желания изход на 360-градусова вълна, изместена по фаза през първия пин на операционния усилвател, наречен OSC out. R4 се използва за компенсация на усилването на операционния усилвател. Можем да променим схемата, за да получим високочестотна осцилирана продукция, но в зависимост от честотната лента на честотния диапазон на операционния усилвател.

Също така, за да получим желания резултат, трябва да изчислим усилвателния резистор R4, за да постигнем 29 ^-та по ^- голяма амплитуда в операционния усилвател, тъй като трябва да компенсираме със загубата на 1/29 ^th през RC етапите.

Нека да видим, ще направим схема с реална стойност на компонентите и ще видим какъв ще бъде симулираният изход на RC фазовия осцилатор.

Ще използваме 10k ома резистор и 500pF кондензатор и ще определим честотата на трептене. Също така ще изчислим стойността на усилващия резистор.

N = 3, тъй като ще бъдат използвани 3 етапа.

R = 10000, като 10k ома, преобразувани в оми

C = 500 x 10 ^-12, тъй като стойността на кондензатора е 500pF

Изходът е 12995Hz или относително близката стойност е 13 KHz.

Тъй като е необходимо усилване на операционния усилвател 29 ^- кратно от стойността на усилващия резистор се изчислява по тази формула:

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

Ето как е конструиран осцилаторът за фазово изместване с помощта на RC компоненти и Op-усилвател.

Приложенията на RC фазово осцилатор включват усилватели, при които се използва аудио трансформатор и е необходим диференциален аудио сигнал, но инвертираният сигнал не е наличен, или ако източник на променлив сигнал е необходим за всяко приложение, тогава се използва RC филтър. Също така генераторът на сигнали или генераторът на функции използва осцилатор за фазово изместване RC.