- Kaj je oscilator?
- RC oscilator in faza:
- Fazni premik z uporabo RC oscilatorja:
- Kaskadni več RC filtri:
- Oscilator RC faznega premika s tranzistorjem:
- Frekvenca RC oscilatorja:
- Oscilator RC faznega premika z optičnim ojačevalnikom:
Kaj je oscilator?
Oscilator je mehanska ali elektronska konstrukcija, ki povzroči nihanje, odvisno od nekaj spremenljivk. Vsi imamo naprave, ki potrebujejo oscilatorje, tradicionalno uro, ki jo imamo vsi doma kot stensko uro ali ročno uro, različne vrste detektorjev kovin, računalnike, v katerih sodelujejo mikrokrmilnik in mikroprocesorji, vsi uporabljajo oscilatorje, zlasti elektronski oscilator, ki proizvaja periodične signale.
RC oscilator in faza:
Ko razpravljamo o RC oscilatorju in ker ga imenujemo tudi oscilator faznega premika, moramo pošteno razumeti, kaj je faza. Oglejte si to sliko: -
Če vidimo zgornji sinusoidni val, kot je ta, bomo jasno videli, da je izhodišče signala v fazi 0 stopinj, po tem pa je vsaka točka vrha signala od pozitivne do 0, nato spet negativna točka in nato 0 pomeni 90 stopinja, 180 stopinj, 270 stopinj in 360 stopinj v faznem položaju.
Faza je celotno obdobje ciklusa sinusnega vala v referenci 360 stopinj.
Zdaj brez nadaljnjega odlašanja poglejmo, kaj je fazni premik?
Če premaknemo izhodišče sinusnega vala, ki ni 0 stopinja, se faza premakne. Na naslednji sliki bomo razumeli fazni premik.
Na tej sliki sta predstavljena dva sinusoidna signalna vala izmeničnega toka, prvi zeleni sinusoidni val je v fazi 360 stopinj, rdeči, ki je replika prvega, odčitanega signala, pa je 90 stopinj zunaj faze zelenega signala.
Z uporabo RC oscilatorja lahko premaknemo fazo sinusnega signala.
Fazni premik z uporabo RC oscilatorja:
RC pomeni upor in kondenzator. Preprosto lahko oblikujemo omrežje uporov-kondenzatorjev s faznim premikom, ki uporablja samo en upor in eno kondenzatorsko tvorbo.
Kot je razvidno iz vadnice visokofrekvenčnega filtra, tu velja isto vezje. Tipičen RC fazna oscilator lahko proizvajajo s kondenzatorjem zaporedno skupaj z uporom vzporedno.
To je enopolno omrežje faznega premika; vezje je enako pasivnemu visokofrekvenčnemu filtru. Teoretično, če v tem RC omrežju uporabimo signal v fazi, se izhodna faza premakne za natanko 90 stopinj. Če pa poskusimo v resnici in preverimo fazni premik, potem dosežemo fazni premik od 60 stopinj do manj kot 90 stopinj. To je odvisno od pogostosti in toleranc komponent, ki v resnici povzročajo škodljive učinke. Ker vsi vemo, da nič ni popolno, bi morale obstajati nekatere razlike kot dejanske tako imenovane ali pričakovane vrednosti kot realnost. Temperatura in druge zunanje odvisnosti povzročajo težave pri natančnem 90-stopinjskem faznem premiku, 45 stopinj je na splošno, 60 stopinj je običajno glede na frekvence in doseganje 90 stopinj je v mnogih primerih zelo težko delo.
Kot je razloženo v vaji High pass, bomo zgradili isto vezje in raziskali fazni premik istega vezja.
Vezje tega visokofrekvenčnega filtra skupaj z vrednostmi komponent je na spodnji sliki: -
To je primer, ki smo ga uporabili v prejšnjih vajah pasivnega visokofrekvenčnega filtra. Proizvaja 4,9 KHz pasovne širine. Če preverimo vogalno frekvenco, bomo na izhodu oscilatorja prepoznali fazni kot.
Zdaj lahko vidimo, da se fazni premik začne od 90 stopinj, kar je največji fazni premik omrežja RC oscilatorjev, toda na točki vogalne frekvence je fazni premik 45 stopinj.
Zdaj, če upoštevamo dejstvo, da je fazni premik 90 stopinj, ali če izberemo konstrukcijo oscilatornega vezja kot poseben način, ki bo povzročil 90-stopinjski fazni premik, bo vezje zaradi slabega frekvenčnega stabilizacijskega faktorja izgubilo imuniteto v območju meja. Kot si lahko predstavljamo na točki 90 stopinj, kjer se je krivulja šele začela, kot od 10 Hz ali od Spodnjega do 100 Hz, skoraj ravna. To pomeni, da če se frekvenca oscilatorja nekoliko spremeni zaradi tolerance komponent, temperature in drugih neizogibnih okoliščin, se fazni premik ne bo spremenil. To ni dobra izbira. Torej menimo, da je 60-stopinjski ali 45-stopinjski sprejemljiv fazni premik za enopolni oscilator RC omrežja. Stabilnost frekvence se bo izboljšala.
Kaskadni več RC filtri:
Cascade Three RC filtri:
Če upoštevamo to dejstvo, da ne moremo doseči le faznega premika 60 stopinj namesto 90 stopinj, lahko kaskadiramo tri RC filtre (če je RC oscilatorji fazni premik 60 stopinj) ali pa kaskadno razvrstimo štiri filtre zaporedno (če je fazni premik 45 stopinj za vsak RC oscilator) in dobite 180 stopinj.
Na tej sliki so trije RC oscilatorji kaskadirali in vsakič dodali 60-stopinjski fazni premik in končno po tretji stopnji bomo dobili 180-stopinjski fazni premik.
To vezje bomo zgradili v simulacijski programski opremi in si ogledali vhodno in izhodno valovno obliko vezja.
Preden se spustite v video, si oglejte sliko vezja in tudi povezavo osciloskopa.
Na zgornji sliki smo uporabili kondenzator 100pF in vrednost 330k upora. Osciloskopa je povezan preko vnosne VSIN (A / rumena kanala), so prve pole izhod (B / modra kanala), 2 nd pole izhod
(C / rdeča kanala) in končnim izhodom preko tretjega pola (D / zelena kanal).
Simulacijo bomo videli v videu in videli bomo spremembo faze za 60 stopinj na prvem polu, 120 stopinj čez drugi pol in 180 stopinj čez tretji pol. Tudi amplituda signala se bo postopoma zmanjšala.
1 st pole amplituda> 2. pole amplituda> 3. pole amplitude. Bolj ko gremo proti zadnjemu polu, se zmanjšuje amplituda signala.
Zdaj bomo videli simulacijski video: -
Jasno je razvidno, da vsak pol aktivno spreminja fazni premik in se pri končnem izhodu premakne na 180 stopinj.
Cascade Four RC filtri:
Na naslednji sliki so uporabljeni štirje oscilatorji RC faznega premika s po 45-stopinjskim faznim pomikom, ki na koncu RC omrežja ustvarijo 180-stopinjski fazni zamik.
Oscilator RC faznega premika s tranzistorjem:
Vse to so pasivni elementi ali sestavni deli oscilatorja RC. Dobimo fazni premik 180 stopinj. Če želimo narediti 360-stopinjski fazni premik, potem potrebujemo aktivno komponento, ki povzroči dodatni fazni premik za 180 stopinj. To naredi tranzistor ali ojačevalnik in zahteva dodatno napajalno napetost.
Na tej sliki se NPN tranzistor uporablja za fazni premik za 180 stopinj, medtem ko bo C1R1 C2R2 C3R3 povzročil 60-stopinjsko fazno zakasnitev. Torej se kopičenje teh treh 60 + 60 + 60 = 180- stopinjskih faznih premikov izvede na drugi strani, pri čemer se ustvari še 180-stopinjski tranzistor, tako da se ustvari celotni fazni premik za 360 stopinj. Dobili bomo 360-stopinjski fazni premik skozi elektrolitski kondenzator C5. Če želimo spremeniti frekvenco tega enega načina, spremenimo vrednost kondenzatorjev ali uporabimo spremenljivo prednastavljeni kondenzator na teh treh polih posamično, tako da odstranimo posamezne fiksne kondenzatorje.
Vzpostavljena je povratna povezava za pridobivanje energij nazaj na ojačevalnik s pomočjo tega tripolnega RC omrežja. Potrebno je za stabilno pozitivno nihanje in ustvarjanje sinusne napetosti. Zaradi
povratne povezave ali konfiguracije je RC oscilator povratni oscilator.
Leta 1921 je nemški fizik Heinrich Georg Barkhausen uvedel "Barkhausenovo merilo" za določanje razmerja med faznimi premiki v povratni zanki. Glede na merilo bo vezje nihalo le, če je fazni premik okoli povratne zanke enak ali večkratnik 360 stopinj in je dobiček zanke enak. Če je fazni premik natančen pri želeni frekvenci in povratna zanka ustvari 360-stopinjsko nihanje, bo izhod sinusni val. Za dosego tega cilja služi RC filter.
Frekvenca RC oscilatorja:
Pogostost nihanja lahko enostavno določimo s pomočjo te enačbe:
Kje je
R = upor (ohmi)
C = kapacitivnost
N = število RC omrežja je / bo uporabljeno
Ta formula se uporablja za zasnovo v zvezi z visokofrekvenčnim filtrom, lahko tudi z nizkofrekvenčnim filtrom in fazni premik bo negativen. V tem primeru zgornja formula ne bo delovala za izračun frekvence oscilatorja, uporabljena bo drugačna formula.
Kje je
R = upor (ohmi)
C = kapacitivnost
N = število RC omrežja je / bo uporabljeno
Oscilator RC faznega premika z optičnim ojačevalnikom:
Ker lahko z uporabo tranzistorja, tj. BJT, zgradimo RC oscilator faznega premika, obstajajo tudi druge omejitve pri tranzistorju.
- Stabilen je za nizke frekvence.
- Samo z uporabo samo enega BJT amplituda izhodnega vala ni popolna, potrebno je dodatno vezje za stabilizirano amplitudo valovne oblike.
- Natančnost frekvence ni popolna in ni odporna na hrupne motnje.
- Neželeni učinek obremenitve. Zaradi kaskadne tvorbe vhodna impedanca drugega pola spremeni uporniške lastnosti uporov prvega polnega filtra. Bolj so se filtri kaskadno bolj poslabšali, saj se bo vplivalo na natančnost izračunane frekvence oscilatorja faznega premika.
Zaradi dušenja na uporu in kondenzatorju se izguba na vsaki stopnji poveča in skupna izguba je približno skupna izguba 1/29 th vhodnega signala.
Kot oslabi vezja na 1/29 th moramo za povrnitev škode.
To je čas, da spremenite BJT z opcijskim ojačevalnikom. Te štiri pomanjkljivosti lahko tudi odpravimo in dobimo več prostora za nadzor, če namesto BJT uporabimo op-amp. Zaradi visoke vhodne impedance je učinek obremenitve tudi učinkovito nadzorovan, ker vhodna impedanca op-ampera prispeva k celotnemu učinku obremenitve.
Zdaj brez nadaljnjih sprememb spremenimo BJT z Op-amp-om in poglejmo, kakšno bo vezje ali shema RC-oscilatorja z Op-amp-om.
Kot lahko vidimo, je Just BJT zamenjal z obrnjenim op-amp-om. Povratna zanka je povezana preko prvega polnega RC oscilatorja in napaja na obrnjeni vhodni zatič op-amp. Zaradi te obrnjene povratne povezave bo opcijski ojačevalnik ustvaril 180-stopinjski fazni premik. Dodatne 180-stopinjske fazne prestavitve bodo omogočile tri stopnje RC. Dobili bomo želeni izhod 360-stopinjskega fazno pomaknjenega vala preko prvega zatiča op-amp, imenovanega kot OSC out. R4 se uporablja za kompenzacijo ojačitve op-amp. Lahko prilagodimo vezje, da dobimo visokofrekvenčno osciliran izhod, vendar odvisno od pasovne širine frekvenčnega območja op-ojačevalnika.
Tudi za pridobivanje želenega rezultata moramo izračunati dobiček upor R4 je doseči 29 th krat večjo amplitudo čez op-amp, saj moramo nadomestiti z izgubo 1/29 th preko RC fazah.
Poglejmo, naredili bomo vezje z realno vrednostjo komponent in videli, kakšen bo simulirani izhod RC oscilatorja faznega premika.
Uporabili bomo 10k ohmski upor in 500pF kondenzator ter določili frekvenco nihanja. Izračunali bomo tudi vrednost ojačevalnega upora.
N = 3, saj bodo uporabljene 3 stopnje.
R = 10000, kot 10 k ohmov pretvorjeno v ohm
C = 500 x 10 -12, saj je vrednost kondenzatorja 500pF
Izhod je 12995Hz ali sorazmerno blizu 13 KHz.
Kot je potreben op-amp dobiček 29 th časih je vrednost dobiček upor izračuna s pomočjo naslednje formule: -
Dobiček = R f / R 29 = R f / 10k R f = 290k
Tako je zasnovan oscilator faznega premika z uporabo RC komponent in Op-amp.
Aplikacije RC oscilatorja faznega premika vključujejo ojačevalnike, pri katerih se uporablja avdio transformator in je potreben diferencialni zvočni signal, vendar obrnjeni signal ni na voljo, ali če je za katero koli aplikacijo potreben vir izmeničnega signala, potem se uporablja RC filter. Generator signalov ali generator funkcij uporablja tudi RC oscilator faznega premika.