Wein мостов осцилатор

В този урок ще научим за Wein Bridge Oscillator, който е разработен от немски физик Макс Wien. Първоначално е разработен за изчисляване на капацитета, където са известни съпротивлението и честотата. Преди да преминем към по-задълбочената дискусия за това какво всъщност е Wein Bridge Oscillator и как се използва, нека видим какво е Oscillator и какво е Wein Bridge Oscillator.

Wein Bridge Oscillator:

Както в предишния урок за RC осцилатор, резистор и кондензатор са необходими, за да произведат фазово изместване и ако свържем усилвател в инвертиращите спецификации и свържем усилвателя и RC мрежите с връзка за обратна връзка, изходът на усилвателя започва да произвежда синусоидална форма на вълната чрез трептене.

В мостовия осцилатор на Wien се използват две RC мрежи през усилвател и създават осцилаторна верига.

Но защо да изберем Wien мостов осцилатор ?

Поради следните точки осцилаторът на Wien bridge е по-разумен избор за създаване на синусоидална вълна.

1. Той е стабилен.
2. Изкривяването или THD (Total Harmonic Distortion) е под контрола.
3. Можем да променим честотата много ефективно.

Както беше казано по-рано, генераторът Wein Bridge има двустепенни RC мрежи. Това означава, че се състои от два неполярни кондензатора и два резистора във високочестотен и нискочестотен филтър. Един резистор и един кондензатор последователно, от друга страна, един кондензатор и един резистор в паралелно формиране. Ако изградим веригата, схемата ще изглежда просто така:

Както ясно се вижда, има два кондензатора и се използват два резистора. И двата RC етапа, които действат като високочестотен и нискочестотен филтър, свързани заедно, което е продукт на лентов филтър, който акумулира честотната зависимост на два етапа на ред. Съпротивлението R1 и R2 са еднакви, а капацитетът C1 и C2 също е същият.

Коефициент на усилване и изместване на фазата на Wein Bridge Oscillator:

Това, което се случва в RC мрежовата верига в горното изображение, е много интересно.

Когато се прилага ниска честота, реактивността на първия кондензатор (C1) е достатъчно висока и блокира входния сигнал и устоява на веригата, за да произведе 0 изход, от друга страна, същото се случва по различен начин за втория кондензатор (C2), което е свързани в паралелно състояние. C2 реактивно съпротивление става твърде ниско и байпас на сигнала и отново произвежда 0 изхода.

Но в случай на средна честота, когато реактивността на C1 не е висока и C2 е реактивност не е ниска, това ще даде изход през точката C2. Тази честота се нарича Резонансна честота.

Ако видим в дълбочина вътре в схемата, ще видим, че реактивното съпротивление на веригата и съпротивлението на веригата са равни, ако е постигната резонансната честота.

И така, има две правила, приложени в такъв случай, когато веригата се осигурява от резонансната честота през входа.

А. Фазовата разлика на входа и изхода е равна на 0 градуса.

Б. Тъй като е в 0 градуса, изходът ще бъде максимален. Но колко? Тя е тясно или точно 1/3 ^то с магнитуд входния сигнал е.

Ако видим изхода на веригата, ще разберем тези точки.

Резултатът е точно същата крива, както показва изображението. При ниска честота от 1Hz изходът е по-малък или почти 0 и нараства с честотата на входа до резонансната честота, а когато резонансната честота е достигната, изходът е в максималната си точка и непрекъснато намалява с увеличаването на честотата и отново произвежда 0 изхода при висока честота. Така че явно преминава през определен честотен диапазон и произвежда изхода. Ето защо по-рано той беше описан като пропускащ филтър с променлива честотна лента (Frequency Band). Ако разгледаме внимателно фазовото изместване на изхода, ясно ще видим фазовия марж от 0 градуса в изхода при правилната резонансна честота.

В тази крива на фазовия изход фазата е точно 0 градуса при резонансната честота и тя започва от 90 градуса до намаляваща при 0 градуса, когато входната честота се увеличава, докато се постигне резонансната честота и след това фазата продължава да намалява в крайната точка на - 90 градуса. Има два термина, които се използват и в двата случая. Ако фазата е положителна, тя се нарича Phase Advance, а в случай на отрицателна се нарича Phase Delay.

Ще видим изхода на етапа на филтъра в това видео за симулация:

В това видео 4.7k, използвани като R и в R1 R2, и в кондензатора 10nF, се използват както за C1, така и за C2. Приложихме синусоидална вълна през етапите и в осцилоскопа Yellow Channel показва входа на веригата, а синята линия показва изхода на веригата. Ако погледнем отблизо изходната амплитуда е 1/3 от входния сигнал и изходната фаза е почти идентична с 0-степенно изместване на фазата в резонансната честота, както беше обсъдено по-горе.

Резонансна честота и изходно напрежение:

Ако считаме, че R1 = R2 = R или се използва същият резистор, а за избора на кондензатор C1 = C2 = C се използва същата стойност на капацитета, тогава резонансната честота ще бъде

Fhz = 1 / 2πRC

R означава резистор, а C означава кондензатор или капацитет, а Fhz ако резонансна честота.

Ако искаме да изчислим Vout на RC мрежата, трябва да видим веригата по различен начин.

Тази RC мрежа работи с входни сигнали за променлив ток. Изчисляването на съпротивление на веригата в случай на променлив ток, а не изчисляването на съпротивление на веригата в случай на постоянен ток е малко сложно.

RC мрежата създава импеданс, който действа като съпротивление на приложен променлив сигнал. Разделителят на напрежение има две съпротивления, при тези RC етапи двете съпротивления са импеданс на първия филтър (C1 R1) и импеданс на втория филтър (R2 C2).

Тъй като има кондензатор, свързан последователно или в паралелна конфигурация, формулата на импеданса ще бъде:

Z е символът на импеданса, R е съпротивлението, а Xc означава капацитивното съпротивление на кондензатора.

Използвайки същата формула, можем да изчислим импеданса на първия етап.

При втория етап формулата е същата като изчисляването на паралелния еквивалентен резистор,

Z е импедансът, R е съпротивлението, X е кондензаторът

Крайният импеданс на веригата може да бъде изчислен по тази формула:

Можем да изчислим практически пример и да видим резултата в такъв случай.

Ако изчислим стойността и видим резултата, ще видим, че изходното напрежение ще бъде 1/3 от входното напрежение.

Ако свържем изхода на двустепенния RC филтър в неинвертиращ входен пин на усилвателя или + Vin щифт и коригираме усилването, за да възстановим загубата, изходът ще произведе синусоидална вълна. Това е колебание на Wien мост, а схемата е верига Wein Bridge Oscillator.

Работа и изграждане на Wein Bridge Oscillator:

В горното изображение RC филтърът е свързан през операционен усилвател, който е в неинвертираща конфигурация. R1 и R2 е резистор с фиксирана стойност, докато C1 и C2 е кондензатор с променлива тапицерия. Чрез промяна на стойността на тези два кондензатора едновременно бихме могли да получим правилно трептене от по-нисък диапазон до горен обхват. Много е полезно, ако искаме да използваме мостовия осцилатор Wein, за да произведем синусоидална вълна с различна честота от по-нисък до горен диапазон. И R3 и R4 се използват за усилване на обратната връзка на усилвателя. Коефициентът на усилване или усилването е силно зависим от тези две комбинации от стойности. Тъй като двата RC етапа понижават изходното напрежение на 1/3, от съществено значение е да го възстановите обратно. Също така е по-разумен избор да получите поне 3x или повече от 3x (4x предпочитан) печалба.

Можем да изчислим печалбата, като използваме отношение 1+ (R4 / R3).

Ако отново видим изображението, можем да видим, че пътят за обратна връзка на операционния усилвател от изхода е директно свързан към входния етап на RC филтъра. Тъй като двустепенният RC филтър има свойство фазово отместване от 0 градуса в областта на резонансната честота и директно свързан към положителната обратна връзка на операционния усилвател, нека приемем, че е xV +, а в отрицателната обратна връзка се прилага същото напрежение, което е xV- със същата фаза от 0 градуса операционният усилвател диференцира двата входа и изключва сигнала за отрицателна обратна връзка и поради това продължава, когато изходът, свързан през RC етапите, операционният усилвател започне да трепти.

Ако използваме по-висока скорост на нарастване, по-високочестотния усилвател, изходната честота може да бъде увеличена с голямо количество.

В този сегмент има малко високочестотни усилватели.

Също така трябва да помним, както в предишния урок за RC осцилатори, който обсъждахме за ефекта на натоварване, трябва да изберем усилвателя с висок входен импеданс повече от RC филтъра, за да намалим ефекта на натоварване и да гарантираме правилно стабилно трептене.

• LM318A
• LT1192
• MAX477
• LT1226
• OPA838
• THS3491, което е 900 mHz високо семенен усилвател!
• LTC6409, което е 10 Ghz GBW диференциално усилвател. Да не говорим, че това изисква специално добавяне на вериги и изключително добри тактики за RF проектиране, за да се постигне и този високочестотен изход.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 Операционен усилвател от индустриален клас.

Практически пример за Wein Bridge Oscillator:

Нека изчислим практическа примерна стойност, като изберем стойността на резистора и кондензатора.

В това изображение за RC осцилатор се използва резистор 4.7k и за R1, и за R2. И използваният тример кондензатор, който има два полюса, съдържа 1-100nF за капацитет за подрязване C1 и C2. Нека изчислим честотата на трептене за 1nF, 50nF и 100nF. Също така ще изчислим усилването на операционния усилвател като R3, избран като 100k, и R4, избран като 300k.

Тъй като изчисляването на честотата е лесно по формулата на

Fhz = 1 / 2πRC

За стойността на C е 1nF, а за резистора 4.7k Честотата ще бъде

Fhz = 33 849 Hz или 33,85 KHz

За стойността на C е 50nF, а за резистора 4.7k Честотата ще бъде

Fhz = 677Hz

За стойността на C е 100nF, а за резистора 4.7k Честотата ще бъде

Fhz = 339Hz

Така че най-високата честота, която можем да постигнем, използвайки 1nF, което е 33,85 Khz, а най-ниската честота, която можем да постигнем, използвайки 100nF, е 339Hz.

Коефициентът на усилване на операционния усилвател е 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Така печалбата = 1+ (300k + 100k) = 4x

Операционният усилвател ще генерира 4 пъти усилване на входа през неинвертирания "положителен" щифт.

Така че, използвайки този начин, можем да произведем честотна лента с променлива честота Wein Bridge Oscillator.

Приложения:

Wein Bridge Oscillator, използван в широки нива на приложения в областта на електрониката, от намирането на точната стойност на кондензатора, за генериране на 0-степенна фаза, свързана с осцилатор, свързана верига, поради ниското ниво на шум също е по-мъдър избор за различни нива на аудио степен приложения, при които се изисква непрекъснато трептене.