Rc-vaihesiirtooskillaattori

Mikä on oskillaattori?

Oskillaattori on mekaaninen tai elektroninen rakenne, joka tuottaa värähtelyä muutamasta muuttujasta riippuen. Meillä kaikilla on laitteita, jotka tarvitsevat oskillaattoreita, perinteistä kelloa, joka meillä kaikilla on kotona seinäkellona tai rannekellona, erityyppisiä metallinilmaisimia, tietokoneita, joissa mikro-ohjain ja mikroprosessorit ovat mukana, kaikki käyttävät oskillaattoreita, erityisesti jaksottaisia signaaleja tuottavaa elektroniikan oskillaattoria.

RC-oskillaattori ja vaihe:

Kun keskustelemme RC-oskillaattorista ja koska sitä kutsutaan myös vaihesiirtooskillaattoriksi, tarvitsemme oikeudenmukaisen käsityksen siitä, mikä vaihe on. Katso tämä kuva: -

Jos näemme yllä olevan sinimuotoisen aallon, kuten tämä, näemme selvästi, että signaalin aloituspiste on 0 astetta vaiheessa, ja sen jälkeen signaalin jokainen huippupiste positiivisesta 0: een, sitten taas negatiivinen piste sitten taas 0 on vastaavasti 90 astetta, 180 astetta, 270 astetta ja 360 astetta vaiheasennossa.

Vaihe on sinimuotoisen aallon koko syklijakso 360 asteen referenssissä.

Katsotaanpa nyt ilman viivytyksiä, mikä on vaihesiirto?

Jos siirrämme sinimuotoisen aallon aloituskohdan muuhun kuin 0 asteen vaihe vaihtuu. Ymmärrämme vaihesiirron seuraavassa kuvassa.

Tässä kuvassa on kaksi AC-sinimuotoisen signaalin aaltoa, ensimmäinen vihreä sinimuotoinen aalto on 360 astetta vaiheessa, mutta punainen, joka on ensimmäisen, luetun signaalin kopio, on 90 astetta vihreän signaalin vaiheesta.

RC-oskillaattorin avulla voimme siirtää sinimuotoisen signaalin vaihetta.

Vaiheensiirto RC-oskillaattoripiirillä:

RC tarkoittaa vastusta ja kondensaattoria. Voimme yksinkertaisesti muodostaa vaihesiirron vastus-kondensaattoriverkon käyttämällä vain yhtä vastusta ja yhtä kondensaattorin muodostusta.

Kuten ylipäästösuodatinoppaasta nähdään, sama piiri pätee myös tähän. Tyypillinen RC-vaihesiirto oskillaattori voi olla tuottaa kondensaattori sarjassa yhdessä vastus rinnakkain.

Tämä on yksinapainen vaihesiirtoverkko; piiri on sama kuin passiivinen ylipäästösuodatin. Teoriassa, jos käytämme vaihesignaalia tämän RC-verkon yli, lähtövaihe siirtyy tarkalleen 90 astetta. Mutta jos yritämme sitä todellisuudessa ja tarkistamme vaihesiirron, saavutamme 60 asteen ja alle 90 asteen vaihesiirron. Se riippuu taajuudesta ja komponenttien toleransseista, jotka aiheuttavat haitallisia vaikutuksia todellisuudessa. Koska me kaikki tiedämme, ettei mikään ole täydellistä, todellisuutta pitäisi olla jonkin verran eroa kuin todelliset ns. Tai odotetut arvot. Lämpötila ja muut ulkoiset riippuvuudet aiheuttavat vaikeuksia saavuttaa tarkka 90 asteen vaihesiirto, 45 astetta on yleensä, 60 astetta on yleistä taajuuksista riippuen ja 90 asteen saavuttaminen on monissa tapauksissa erittäin vaikea työ.

Kuten ylipäästöoppaassa käsiteltiin, rakennamme saman piirin ja tutkimme saman piirin vaihesiirtoa.

Tämän ylipäästösuodattimen piiri yhdessä komponenttien arvojen kanssa on alla olevassa kuvassa: -

Tätä esimerkkiä käytimme aiemmissa passiivisissa ylipäästösuodatinoppaissa. Se tuottaa 4,9 KHz kaistanleveyttä. Jos tarkistamme kulmataajuuden, tunnistamme vaihekulman oskillaattorin lähdössä.

Nyt voimme nähdä, että vaihesiirto aloitetaan 90 asteesta, mikä on RC-oskillaattoriverkon suurin vaihesiirto, mutta kulmataajuuden kohdalla vaihesiirto on 45 astetta.

Ottaen huomioon tosiasian, että vaihesiirto on 90 astetta, tai jos valitsemme oskillaattoripiirirakenteen kuten erityinen tapa, joka tuottaa 90 asteen vaihesiirron, piiri menettää koskemattomuutensa raja-alueella huonon taajuusvakautuskertoimen vuoksi. Kuten voimme kuvitella 90 asteen pisteessä, jossa käyrä on juuri alkanut kuten 10 Hz: n tai alemmasta 100 Hz: iin, on melkein tasainen. Tämä tarkoittaa, että jos oskillaattorin taajuus muuttui hieman komponenttien toleranssin, lämpötilan tai muiden väistämättömien olosuhteiden vuoksi, vaihesiirto ei muutu. Se ei ole hyvä valinta. Joten katsomme 60 asteen tai 45 asteen olevan hyväksyttävä vaihesiirto yksinapaiselle RC-verkon oskillaattorille. Taajuuden vakaus paranee.

Porrastetut useita RC-suodattimia:

Cascade kolme RC-suodatinta:

Ottaen huomioon tämän tosiasian, että emme voi saavuttaa vain 60 asteen vaihesiirtymää 90 asteen sijasta, voimme kaskada kolme RC-suodatinta (jos vaihesiirto on 60 astetta RC-oskillaattoreilla) tai kaskadoimalla neljä suodatinta sarjaan (Jos vaihesiirto 45 astetta jokaisella RC-oskillaattorilla) ja saa 180 astetta.

Tässä kuvassa kolme RC-oskillaattoria kaskadoituu ja joka kerta lisätään 60 asteen vaihesiirto ja lopulta kolmannen vaiheen jälkeen saadaan 180 asteen vaihesiirto.

Rakennamme tämän piirin simulaatio-ohjelmistossa ja näemme piirien tulo- ja lähtöaaltomuodot.

Ennen videoon pääsyä katsotaanpiirin kuva ja myös oskilloskooppiliitäntä.

Yläkuvassa käytimme 100pF-kondensaattoria ja 330k-vastusarvoa. Oskilloskooppi on kytketty tulon VSIN (A / keltainen kanava), ensimmäisen napalähdön (B / sininen kanava), toisen ^napan ulostulon

(C / punainen kanava) ja lopullisen lähdön yli kolmannen navan (D / vihreä kanava) yli.

Näemme simulaation videossa ja näemme vaihemuutoksen 60 asteessa ensimmäisen navan yli, 120 asteen toisen napan yli ja 180 asteen kolmannen navan yli. Myös signaalin amplitudi minimoi askel askeleelta.

1 ^kpl pole amplitudi> 2nd napa amplitudi> 3. napa amplitudi. Mitä enemmän menemme kohti viimeistä napaa, signaalin amplitudin lasku pienenee.

Nyt näemme simulointivideon: -

On selvästi osoitettu, että jokainen napa vaihtaa aktiivisesti vaihesiirtymiä ja lopputehossa se siirtyy 180 asteeseen.

Cascade neljä RC-suodatinta:

Seuraavassa kuvassa käytetään neljä RC -vaihesiirtooskillaattoria, joissa kussakin on 45 asteen vaihesiirto, jotka tuottavat 180 asteen vaihesiirron RC-verkon päässä.

RC-vaihesiirtooskillaattori ja transistori:

Tämä kaikki on passiivielementtejä tai komponentteja RC-oskillaattorissa. Saamme 180 asteen vaihesiirron. Jos haluamme tehdä 360 asteen vaihesiirron, tarvitaan aktiivinen komponentti, joka tuottaa lisää 180 asteen vaihesiirtoa. Tämä tapahtuu transistorilla tai vahvistimella ja vaatii lisäjännitettä.

Tässä kuvassa NPN-transistoria käytetään 180 asteen vaihesiirron tuottamiseen, kun taas C1R1 C2R2 C3R3 tuottaa 60 asteen vaiheviiveen. Joten tämän kolmen 60 + 60 + 60 = 180 asteen vaihesiirron kerääminen tapahtuu toisaalta lisäämällä vielä 180 astetta transistorin 360 asteen kokonaissiirtymällä. Saamme 360 asteen vaihesiirron C5-elektrolyyttikondensaattorin yli. Jos haluamme muuttaa tämän yhden tavan taajuutta muuttaa kondensaattoreiden arvoa tai käyttää muuttuvaa esiasetettua kondensaattoria näiden kolmen navan poikki erikseen eliminoimalla yksittäiset kiinteät kondensaattorit.

Takaisinkytkentä tehdään hakea energiat takaisin vahvistimen avulla, että kolminapainen RC-verkkoon. Se on välttämätöntä vakaan positiivisen värähtelyn ja sinimuotoisen jännitteen tuottamiseksi. Johtuen

takaisinkytkennän tai kokoonpano, RC-oskillaattori on palautteen tyyppi oskillaattori.

Vuonna 1921 saksalainen fyysikko Heinrich Georg Barkhausen otti käyttöön "Barkhausen-kriteerin" palautesilmukan vaihesiirtymien välisen suhteen määrittämiseksi. Kriteerin mukaan piiri värähtelee vain, jos vaihesiirto takaisinkytkentäsilmukan ympärillä on yhtä suuri tai moninkertainen 360 astetta ja silmukan vahvistus on yhtä suuri. Jos vaihesiirto on tarkka halutulla taajuudella ja takaisinkytkentäsilmukka luo 360 asteen värähtelyn, lähtö on siniaalto. RC-suodatin palvelee tämän tarkoituksen saavuttamista.

RC-oskillaattorin taajuus:

Voimme helposti määrittää värähtelytaajuuden käyttämällä tätä yhtälöä: -

Missä,

R = vastus (ohmia)

C = kapasitanssi

N = RC-verkon lukumäärä on / tulee olemaan

Tätä kaavaa käytetään ylipäästösuodattimen suunnitteluun, voimme käyttää myös alipäästösuodatinta ja vaihesiirto on negatiivinen. Tällöin ylempi kaava ei toimi laskettaessa oskillaattorin taajuutta, käytetään eri kaavaa.

Missä,

R = vastus (ohmia)

C = kapasitanssi

N = RC-verkon lukumäärä on / tulee olemaan

RC-vaihesiirtooskillaattori Op-vahvistimella:

Koska voimme rakentaa RC-vaihesiirtooskillaattorin käyttämällä transistoria eli BJT: tä, transistorilla on myös muita rajoituksia.

Se on vakaa matalille taajuuksille.
Pelkästään yhden BJT: n käyttäminen, lähtöaallon amplitudi ei ole täydellinen, se vaatii lisäpiirin aaltomuodon stabiloituun amplitudiin.
Taajuustarkkuus ei ole täydellinen eikä se ole immuuni meluisille häiriöille.
Haitallinen kuormitusvaikutus. Kaskadinmuodostuksen ansiosta toisen napan tuloimpedanssi muuttaa ensimmäisen napasuodattimen vastusten resistanssiominaisuuksia. Enemmän suodattimia kaskadoituu enemmän, tilanne pahenee, koska se vaikuttaa lasketun vaihesiirtymäoskillaattorin taajuuden tarkkuuteen.

Koska vaimennus vastuksen ja kondensaattorin, menetys yli jokaisessa vaiheessa lisätään ja kokonaishäviö on noin yhteensä menetys 1/29 ^th tulosignaalin.

Piirin vaimennessa 1/29 ^{th: ssä} meidän on palautettava tappio.

Tämä on aika vaihtaa BJT Op-vahvistimella. Voimme myös palauttaa nämä neljä haittapuolta ja saada enemmän tilaa hallintaan, jos käytämme BJT: n sijaan op-vahvistinta. Suuren tuloimpedanssin ansiosta myös kuormitusvaikutusta hallitaan tehokkaasti, koska op-amp-tuloimpedanssi edistää kokonaiskuormitusvaikutusta.

Vaihdetaan nyt BJT ilman lisämuutoksia Op-Amp: lla ja katsotaan, mikä on Op-vahvistinta käyttävän RC-oskillaattorin piiri tai kaavio.

Kuten voimme nähdä, Just BJT korvattiin käänteisellä op-vahvistimella. Palautesilmukka on kytketty ensimmäisen napan RC-oskillaattorin yli ja syötetään op-amp-käänteiseen tulotappiin. Tämän käänteisen takaisinkytkennän ansiosta op-amp tuottaa 180 asteen vaihesiirron. Kolme RC-vaihetta tarjoavat lisää 180 asteen vaihesiirtoa. Saamme toivotun 360 asteen vaihesiirretyn aallon ulostulon op-amp- ensimmäisen nastan yli, nimeltään OSC. R4: ää käytetään op-amp: n vahvistuksen kompensointiin. Voimme säätää virtapiiriä saadaksesi korkeataajuisen värähtelevän lähdön, mutta riippuen op-vahvistimen taajuusalueen kaistanleveydestä.

Myös, saada halutun tuloksen meidän täytyy laskea vahvistuksen vastuksen R4 saavuttaa 29 ^th kertaa suurempi amplitudi poikki op-amp kuin meidän kompensoida menetys 1/29 ^th yli RC vaiheissa.

Katsotaanpa, teemme piirin, jolla on todellinen komponenttien arvo, ja katsotaan, mikä on RC-vaihesiirtooskillaattorin simuloitu lähtö.

Käytämme 10k ohmin vastusta ja 500pF kondensaattoria ja määritämme värähtelyn taajuuden. Laskemme myös vahvistusvastuksen arvon.

N = 3, koska käytetään 3 vaihetta.

R = 10000, kuten 10k ohmia muunnetaan ohmia

C = 500 x 10 ^-12 kuten kondensaattori arvo on 500pF

Lähtö on 12995Hz tai suhteellisen lähellä oleva arvo on 13 KHz.

Koska op-amp-vahvistusta tarvitaan 29 ^- kertainen vahvistusvastuksen arvo lasketaan seuraavalla kaavalla: -

Vahvistus = Rf / R 29 = R f / 10k Rf = 290k

Näin vaihesiirtymäoskillaattori rakennetaan käyttämällä RC-komponentteja ja Op-vahvistinta.

RC-vaihesiirtooskillaattorin sovellukset sisältävät vahvistimet, joissa käytetään äänimuuntajaa ja tarvitaan differentiaalista äänisignaalia, mutta käänteinen signaali ei ole käytettävissä, tai jos AC-signaalilähdettä tarvitaan mihin tahansa sovellukseen, sitten RC-suodatinta. Signaaligeneraattori tai toimintageneraattori käyttää myös RC-vaihesiirtooskillaattoria.