- Wein Bridge oscilator:
- Wein Bridge oscilator izhodni dobiček in fazni premik:
- Resonančna frekvenca in napetost:
- Delo in konstrukcija oscilatorja Wein Bridge:
- Praktični primer oscilatorja Wein Bridge:
- Aplikacije:
V tej vadnici bomo spoznali Wein Bridge Oscilator, ki ga je razvil nemški fizik Max Wien. Prvotno je bil razvit za izračun kapacitivnosti, kjer sta znana upor in frekvenca. Preden se lotimo podrobnejše razprave o tem, kaj pravzaprav je Wein Bridge oscilator in kako se uporablja, poglejmo, kaj je oscilator in kaj je oscilator Wein Bridge.
Wein Bridge oscilator:
Kot v prejšnji vadnici RC oscilatorja je za uravnavanje faze potreben upor in kondenzator. Če priključimo ojačevalnik pri obračanju specifikacij in ojačevalnik in RC omrežja povežemo s povratno povezavo, izhod ojačevalnika začne proizvajati sinusoidna valovna oblika z nihanjem.
V Wienskem mostnem oscilatorju se prek ojačevalnika uporabljata dve RC omrežji in tvorita oscilatorjsko vezje.
Ampak zakaj bi morali izbrati Wien mostu oscilator ?
Zaradi naslednjih točk je oscilator Wien most pametnejša izbira za ustvarjanje sinusoidnega vala.
- Je stabilna.
- Popačenje ali THD (Total Harmonic Distortion) je pod nadzorovano mejo.
- Frekvenco lahko zelo učinkovito spremenimo.
Kot že rečeno, ima Wein Bridge oscilator dvostopenjsko RC omrežje. To pomeni, da je sestavljen iz dveh nepolarnih kondenzatorjev in dveh uporov v visokofrekvenčnem in nizkopasovnem filtru. En upor in en kondenzator v seriji, na drugi strani pa en kondenzator in en upor v vzporedni tvorbi. Če zgradimo vezje, bo shema videti samo takole:
Kot je jasno razvidno, se uporabljata dva kondenzatorja in dva upora. Tako RC stopnje, ki delujejo kot visokoprepustni in nizkoprepustni filter, povezani skupaj, kar je produkt pasovnega filtra, ki zbira frekvenčno odvisnost dveh vrstnih stopenj. Odpornost R1 in R2 sta enaki in tudi kapacitivnost C1 in C2 sta enaki.
Wein Bridge oscilator izhodni dobiček in fazni premik:
Zelo zanimivo je, kaj se na zgornji sliki dogaja znotraj omrežnega vezja RC.
Ko je uporabljena nizka frekvenca, je odpornost prvega kondenzatorja (C1) dovolj visoka in blokira vhodni signal ter se upira vezju, da proizvede 0 izhodov, po drugi strani pa se isto zgodi pri drugem kondenzatorju (C2) povezani vzporedno. Reaktanca C2 postane prenizka in obide signal ter ponovno proizvede 0 izhodov.
Toda v primeru srednje frekvence, ko reaktanca C1 ni visoka in reaktanca C2 ni majhna, bo to povzročilo točko čez točko C2. Ta frekvenca se imenuje resonančna frekvenca.
Če globoko vidimo znotraj vezja, bomo videli, da sta reaktanca vezja in upornost vezja enaka, če je dosežena resonančna frekvenca.
Torej obstajata dve pravili, ki veljata v takem primeru, kadar vezje zagotavlja resonančna frekvenca na vhodu.
A. Fazna razlika vhoda in izhoda je enaka 0 stopinjam.
B. Ker je v 0 stopinjah, bo izhod največji. Koliko pa? To je tesno in natančno 1/3 rd velikosti vhodnega signala je.
Če vidimo izhod vezja, bomo te točke razumeli.
Izhod je popolnoma enak krivulji kot slika. Pri nizki frekvenci od 1 Hz je izhod manjši ali skoraj 0 in narašča s frekvenco na vhodu do resonančne frekvence, in ko je resonančna frekvenca dosežena, je izhod na najvišji točki in stalno narašča s povečanjem frekvence proizvede 0 izhodov pri visoki frekvenci. Torej jasno prehaja določeno frekvenčno območje in ustvarja izhod. Zato je bil prej opisan kot frekvenčno odvisen spremenljiv pasovni pas (frekvenčni pas). Če natančno pogledamo fazni premik izhoda, bomo jasno videli 0-stopinjsko fazno mejo na izhodu s pravilno resonančno frekvenco.
V tej krivulji izhodne faze je faza natančno 0 stopinj na resonančni frekvenci in se začne od 90 stopinj do pada pri 0 stopinjah, ko se vhodna frekvenca povečuje, dokler se ne doseže resonančna frekvenca, nato pa se faza še naprej zmanjšuje na končni točki - 90 stopinj. V obeh primerih se uporabljata dva izraza. Če je faza pozitivna, se imenuje Phase Advance, v primeru negativne pa Phase Delay.
Rezultat faze filtra bomo videli v tem simulacijskem videu:
V tem videu se uporablja 4,7 k kot R v R1 R2 in 10nF kondenzator za C1 in C2. Sinusoidni val smo uporabili po stopnjah in v osciloskopu Yellow Channel prikazuje vhod vezja, modra črta pa izhod vezja. Če natančno pogledamo, je izhodna amplituda 1/3 vhodnega signala in izhodna faza je skoraj enaka kot 0-stopinjski fazni premik v resonančni frekvenci, kot smo že omenili.
Resonančna frekvenca in napetost:
Če upoštevamo, da je R1 = R2 = R ali je uporabljen isti upor in je za izbiro kondenzatorja C1 = C2 = C uporabljena enaka vrednost kapacitivnosti, bo resonančna frekvenca
Fhz = 1 / 2πRC
R pomeni upor, C pa kondenzator ali kapacitivnost, Fhz pa resonančna frekvenca.
Če želimo izračunati Vout omrežja RC, bi morali vezje videti drugače.
To RC omrežje deluje z vhodnimi izmeničnimi signali. Izračun odpornosti vezja v primeru izmeničnega toka in ne izračun upornosti vezja v primeru enosmernega toka je nekoliko težavno.
RC omrežje ustvarja impedanco, ki deluje kot odpornost na uporabljeni izmenični signal. Napetostni delilnik ima dva upora, v teh RC stopnjah sta oba upora impedanca prvega filtra (C1 R1) in impedanca drugega filtra (R2 C2).
Kondenzator je priključen bodisi zaporedno bodisi vzporedno, potem bo formula impedance:
Z je simbol impedance, R je upor in Xc pomeni kapacitivno reaktanco kondenzatorja.
Z uporabo enake formule lahko izračunamo impedanco prve stopnje.
V primeru druge stopnje je formula enaka izračunu vzporednega ekvivalentnega upora,
Z je impedanca, R je odpornost, X je kondenzator
Končno impedanco vezja lahko izračunamo po tej formuli:
V takem primeru lahko izračunamo praktični primer in si ogledamo rezultat.
Če izračunamo vrednost in vidimo rezultat, bomo videli, da bo izhodna napetost 1/3 vhodne napetosti.
Če dvostopenjski izhod RC filtra povežemo v neinvertirajoči vhodni zatič ojačevalnika ali + Vin zatič in prilagodimo ojačanje, da povrnemo izgubo, bo izhod ustvaril sinusni val. To je nihanje Wienskega mostu, vezje pa Wein Bridge Oscilator.
Delo in konstrukcija oscilatorja Wein Bridge:
Na zgornji sliki je RC filter povezan prek optičnega ojačevalnika, ki je v neinvertirni konfiguraciji. R1 in R2 sta upor s fiksno vrednostjo, medtem ko sta C1 in C2 kondenzator s spremenljivo trim. S spreminjanjem vrednosti teh dveh kondenzatorjev hkrati bi lahko dobili pravilno nihanje od spodnjega do zgornjega območja. Zelo koristno je, če želimo z Weinovim oscilatorjem mostu ustvarjati sinusoidni val z različno frekvenco od spodnjega do zgornjega območja. In R3 in R4 se uporabljata za ojačanje povratne informacije op-amp. Izhodni dobiček ali ojačanje je zelo odvisno od teh dveh kombinacij vrednosti. Ker dve RC stopnji padeta izhodno napetost na 1/3, je nujno, da jo povrneš nazaj. Pametnejša izbira je tudi, da dobite vsaj 3x ali več kot 3x (4x prednost).
Dobiček lahko izračunamo z uporabo razmerja 1+ (R4 / R3).
Če spet vidimo sliko, lahko vidimo, da je povratna pot operacijskega ojačevalnika z izhoda neposredno povezana z vhodno stopnjo RC filtra. Ker ima dvostopenjski RC filter lastnost 0-stopinjskega faznega premika v območju resonančne frekvence in je neposredno povezan s pozitivno povratno informacijo op-amp, predpostavimo, da je xV +, v negativni povratni odziv pa se uporabi enaka napetost, ki je xV- z enako fazo 0 stopinj op-amp loči dva vhoda in izključi negativni povratni signal in zaradi tega se nadaljuje, ko izhod, povezan prek RC faz, op-amp začne nihati.
Če uporabimo višjo hitrost porasta, lahko višjo frekvenco op-amp izhodno frekvenco maksimiramo za široko količino.
V tem segmentu je nekaj visokofrekvenčnih ojačevalnikov.
Zapomniti si moramo tudi, da smo morali v prejšnji vadnici RC oscilatorjev, o kateri smo razpravljali o obremenitvenem učinku, izbrati op amp z visoko vhodno impedanco več kot RC filter, da zmanjšamo učinek obremenitve in zagotovimo pravilno stabilno nihanje.
- LM318A
- LT1192
- MAX477
- LT1226
- OPA838
- THS3491, kar je 900 mHz visokozaslonski op-amp!
- LTC6409, ki je 10 GHz GBW diferencialnega ojačevalnika. Da ne omenjam, je za doseganje tega visokofrekvenčnega izhoda potreben poseben dodatek k vezjem in izjemno dobra taktika RF oblikovanja.
- LTC160
- OPA365
- TSH22 Opcijski ojačevalnik industrijskega razreda.
Praktični primer oscilatorja Wein Bridge:
Izračunajmo praktično primerno vrednost tako, da izberemo vrednost upora in kondenzatorja.
Na tej sliki je za oscilator RC uporabljen upor 4,7 k za R1 in R2. In uporabljeni trimerski kondenzator, ki ima dva pola, vsebuje 1-100nF za obrezovanje C1 in C2. Izračunajmo frekvenco nihanja za 1nF, 50nF in 100nF. Izračunali bomo tudi ojačanje op-amp kot R3, izbrano kot 100k, in R4, izbrano kot 300k.
Ker je izračun frekvence enostaven po formuli
Fhz = 1 / 2πRC
Za vrednost C je 1nF in za upor 4,7k bo frekvenca
Fhz = 33.849 Hz ali 33,85 KHz
Za vrednost C je 50nF in za upor 4,7k bo frekvenca
Fhz = 677Hz
Za vrednost C je 100nF in za upor 4,7k bo frekvenca
Fhz = 339Hz
Torej najvišja frekvenca, ki jo lahko dosežemo z 1nF, kar je 33,85 Khz, in najnižja frekvenca, ki jo lahko dosežemo z uporabo 100nF, je 339Hz.
Dobiček op-amp je 1+ (R4 / R3)
R4 = 300k
R3 = 100k
Torej je dobiček = 1+ (300k + 100k) = 4x
Op-amp bo proizvedel 4x ojačitev vhoda prek ne-obrnjenega "pozitivnega" zatiča.
Tako lahko na ta način ustvarimo spremenljivo frekvenčno pasovno širino Wein Bridge Oscilatorja.
Aplikacije:
Wein Bridge oscilator, ki se uporablja v najrazličnejših aplikacijah na področju elektronike, od iskanja natančne vrednosti kondenzatorja. Za generiranje 0-stopinjsko fazno stabilnega vezja, povezanega z oscilatorjem, je zaradi nizke ravni hrupa tudi pametnejša izbira za različne stopnje zvoka aplikacije, pri katerih je potrebno stalno nihanje.