Wein-siltaoskillaattori

Tässä opetusohjelmassa opitaan saksalaisen fyysikon Max Wienin kehittämästä Wein Bridge -oskillaattorista. Se on alun perin kehitetty kapasitanssin laskemiseksi, kun resistanssi ja taajuus tunnetaan. Ennen kuin ryhdymme syvempään keskusteluun siitä, mikä Wein Bridge -oskillaattori oikeastaan on ja miten sitä käytetään, katsotaanpa mikä on oskillaattori ja mikä Wein Bridge -oskillaattori on.

Wein-sillan oskillaattori:

Kuten edellisessä RC-oskillaattorin opetusohjelmassa, vaihesiirron aikaansaamiseksi tarvitaan vastus ja kondensaattori, ja jos yhdistämme vahvistimen käänteisessä spesifikaatiossa ja yhdistämme vahvistimen ja RC-verkot takaisinkytkentäyhteydellä, vahvistimen lähtö alkaa tuottaa sinimuotoinen aaltomuoto värähtelyllä.

Eräässä Wien silta oskillaattori kaksi RC-verkkoja käytetään koko vahvistimen ja tuottaa oskillaattoripiirin.

Mutta miksi meidän pitäisi valita Wien-sillan oskillaattori ?

Seuraavien seikkojen takia Wien-sillan oskillaattori on viisaampi valinta sinimuotoisen aallon tuottamiseksi.

Se on vakaa.
Vääristymä tai THD (Total Harmonic Distortion) on kontrolloitavan rajan alapuolella.
Voimme muuttaa taajuutta erittäin tehokkaasti.

Kuten aiemmin kerrottiin, Wein Bridge -oskillaattorissa on kaksivaiheiset RC-verkot. Tämä tarkoittaa, että se koostuu kahdesta ei-polaarisesta kondensaattorista ja kahdesta vastuksesta ylipäästö- ja alipäästösuodatinmuodostuksessa. Yksi vastus ja yksi kondensaattori sarjassa toisaalta yksi kondensaattori ja yksi vastus rinnakkain. Jos rakennamme piirin, kaavamainen näyttää vain tältä: -

Kuten selvästi näkyy, kondensaattoreita on kaksi ja vastuksia käytetään kahta. Sekä RC-porras, joka toimii ylipäästösuodattimena, että alipäästösuodatin, jotka on yhdistetty toisiinsa, mikä on kaistanpäästösuodattimen tuote, joka kerää kahden järjestysasteen taajuusriippuvuuden. R1- ja R2-resistanssit ovat samat ja myös C1- ja C2-kapasitanssit ovat samat.

Wein Bridge -oskillaattorin tuoton vahvistus ja vaihesiirto:

Mitä yllä olevassa kuvassa tapahtuu RC-verkkopiirin sisällä, on erittäin mielenkiintoista.

Kun matalaa taajuutta käytetään, ensimmäinen kondensaattorin (C1) reaktanssi on riittävän korkea ja estää tulosignaalin ja vastustaa piiriä tuottamaan 0 lähtöä, toisaalta sama tapahtuu toisella kondensaattorilla (C2), joka on kytketty rinnakkain. C2-reaktanssi on liian matala ja ohittaa signaalin ja tuottaa jälleen 0 lähtöä.

Mutta keskitaajuuden ollessa kyseessä, kun C1-reaktanssi ei ole korkea ja C2-reaktanssi ei ole alhainen, se antaa ulostulon C2-pisteen poikki. Tätä taajuutta kutsutaan resonanssitaajuudeksi.

Jos näemme syvällisesti piirin sisällä, näemme, että piirin reaktanssi ja piirin vastus ovat samat, jos saavutetaan resonanssitaajuus.

Joten on olemassa kaksi sääntöä, joita käytetään tällöin, kun piirin tuottaa resonanssitaajuus tulon yli.

A. Tulon ja lähdön vaihe-ero on 0 astetta.

B. Kuten on 0 astetta tuotanto on suurimmillaan. Mutta kuinka paljon? Se on tiiviisti tai tarkasti 1/3 ^rd ja tulosignaalin suuruuden.

Jos näemme piirien ulostulon, ymmärrämme nuo kohdat.

Lähtö on täsmälleen sama käyrä kuin kuvassa. Alhaisella taajuudella 1 Hz: stä lähtö on pienempi tai melkein 0 ja kasvaa tulon taajuuden kanssa resonanssitaajuuteen asti, ja kun resonanssitaajuus saavutetaan, lähtö on suurimmalla huippupisteellään ja pienenee jatkuvasti taajuuden kasvaessa ja uudelleen se tuottaa 0 lähtöä suurella taajuudella. Joten se selvästi ylittää tietyn taajuusalueen ja tuottaa lähdön. Siksi aiemmin sitä kuvattiin taajuudesta riippuvaksi vaihtelevan kaistan (Frequency Band) päästösuodattimeksi. Jos tarkastelemme tarkasti lähdön vaihesiirtoa, näemme selvästi 0 asteen vaihemarginaalin lähdön yli oikealla resonanssitaajuudella.

Tässä vaihelähtökäyrässä vaihe on tarkalleen 0 astetta resonanssitaajuudella ja se aloitetaan 90 asteesta laskemaan 0 astetta, kun tulotaajuus kasvaa, kunnes saavutetaan resonanssitaajuus, ja sen jälkeen vaihe jatkaa laskua - 90 astetta. Molemmissa tapauksissa käytetään kahta termiä. Jos vaihe on positiivinen, sitä kutsutaan vaiheen edistykseksi ja negatiivisen tapauksessa sitä kutsutaan vaiheen viiveeksi.

Näemme suodatusvaiheen tuotoksen tässä simulointivideossa:

Tässä videossa 4.7k: tä, jota käytetään R: nä sekä R1 R2: ssa että 10nF-kondensaattorissa, käytetään sekä C1: lle että C2: lle. Lisäsimme sinimuotoisen aallon vaiheiden yli ja oskilloskoopissa keltainen kanava näyttää piirin tulon ja sininen viiva näyttää piirin ulostulon. Jos tarkastelemme tarkasti, lähtöamplitudi on 1/3 tulosignaalista ja lähtövaihe on melkein identtinen 0 asteen vaihesiirto resonanssitaajuudessa, kuten aiemmin keskusteltiin.

Resonanssitaajuus ja jännitelähtö:

Jos katsotaan, että R1 = R2 = R tai samaa vastusta käytetään, ja kondensaattorin C1 = C2 = C valinnassa käytetään samaa kapasitanssiarvoa, resonanssitaajuus on

Fhz = 1 / 2πRC

R tarkoittaa vastusta ja C tarkoittaa kondensaattoria tai kapasitanssia ja Fhz, jos resonanssitaajuus.

Jos haluamme laskea RC-verkon Voutin, meidän pitäisi nähdä piiri eri tavalla.

Tämä RC-verkko toimii AC-signaalitulon kanssa. Piirivastuksen laskeminen vaihtovirran tapauksessa sen sijaan, että laskettaisiin virtapiirin resistanssi tasavirran tapauksessa, on vähän hankalaa.

RC-verkko luo impedanssin, joka toimii vastuksena sovelletulle AC-signaalille. Jännitteenjakajalla on kaksi vastusta, näissä RC-vaiheissa nämä kaksi vastusta ovat ensimmäisen suodattimen (C1 R1) impedanssi ja toisen suodattimen (R2 C2) impedanssi.

Koska kondensaattori on kytketty joko sarjaan tai rinnakkaiseen kokoonpanoon, impedanssikaava on: -

Z on impedanssin symboli, R on vastus ja Xc tarkoittaa kondensaattorin kapasitiivista reaktanssia.

Samaa kaavaa käyttämällä voimme laskea ensimmäisen vaiheen impedanssin.

Siinä tapauksessa, että toisen vaiheen, jonka kaava on sama kuin laskettaessa rinnakkain vastaava vastus,

Z on impedanssi, R on vastus, X on kondensaattori

Piirin lopullinen impedanssi voidaan laskea käyttämällä tätä kaavaa: -

Voimme laskea käytännön esimerkin ja nähdä tuotoksen tällöin.

Jos laskemme arvon ja nähdä tuloksen näemme, että lähtöjännite on 1/3 tulojännitteen.

Jos yhdistämme kaksivaiheisen RC-suodattimen lähdön ei-invertoivaan vahvistimen tulotapiin tai + Vin-nastaan ja säätämme vahvistusta häviön palauttamiseksi, lähtö tuottaa sinimuotoisen aallon. Se on Wienin sillan värähtely ja piiri on Wein Bridge oskillaattoripiiri.

Wein Bridge -oskillaattorin työskentely ja rakentaminen:

Yllä olevassa kuvassa RC-suodatin on kytketty op-vahvistimen yli, joka on ei-käänteisessä kokoonpanossa. R1 ja R2 on kiinteäarvoinen vastus, kun taas C1 ja C2 ovat muuttuva trimmauskondensaattori. Muuttamalla näiden kahden kondensaattorin arvoa samanaikaisesti voimme saada oikean värähtelyn alemmasta alueesta ylempään. Se on erittäin hyödyllistä, jos haluamme käyttää Wein-siltaoskillaattoria sinimuotoisen aallon tuottamiseksi eri taajuudella alemmasta ylempään alueeseen. Ja R3: ta ja R4: tä käytetään op-amp-palautteen vahvistamiseen. Lähtövahvistus tai vahvistus on erittäin luotettava näistä kahdesta arvoyhdistelmästä. Kun kaksi RC-vaihetta laskevat lähtöjännitteen 1/3: een, on välttämätöntä palauttaa se takaisin. On myös viisaampi valinta saada vähintään 3x tai yli 3x (suositeltava 4x) vahvistus.

Voimme laskea vahvistuksen käyttämällä 1+ (R4 / R3) -suhdetta.

Jos näemme jälleen kuvan, voimme nähdä, että operatiivisen vahvistimen takaisinkytkentärata lähdöstä on kytketty suoraan RC-suodattimen tulovaiheeseen. Koska kaksivaiheisella RC-suodattimella on ominaisuus 0 asteen vaihesiirto resonanssitaajuusalueella ja kytketty suoraan op-amp-positiiviseen palautteeseen, oletetaan, että se on xV + ja negatiivisessa takaisinkytkennässä käytetään samaa jännitettä, joka on xV- samalla 0 asteen vaiheella op-amp erottaa kaksi tuloa ja sulkee pois negatiivisen takaisinkytkentäsignaalin ja tästä johtuen jatkuu RC-vaiheiden yli kytkettynä ulostulona, op-amp alkaa värähtelemään.

Jos käytämme suurempaa taajuusnopeutta, korkeamman taajuuden op-amp, lähtötaajuus voidaan maksimoida suurella määrällä.

Muutama korkeataajuinen op-ampeeri on tässä segmentissä.

Meidän on myös muistettava, kuten edellisessä RC-oskillaattorin opetusohjelmassa, josta keskustelimme kuormitusvaikutuksesta, meidän tulisi valita op-amp, jolla on korkea tuloimpedanssi, enemmän kuin RC-suodatin, jotta kuormitusteho vähenisi ja varmistettaisiin oikea vakaa värähtely.

LM318A
LT1192
MAX477
LT1226
OPA838
THS3491, joka on 900 mHz korkea siemenoperaattori!
LTC6409, joka on 10 GHz: n GBW-tasauspyörästö. Puhumattakaan siitä, että tämä edellyttää erityistä lisäpiiriä ja poikkeuksellisen hyvää RF-suunnittelutaktiikkaa myös tämän korkean taajuuden ulostulon saavuttamiseksi.
LTC160
OPA365
TSH22 Teollisuuden op-amp.

Käytännön esimerkki Wein Bridge -oskillaattorista:

Lasketaan käytännön esimerkkiarvo valitsemalla vastuksen ja kondensaattorin arvo.

Tässä kuvassa RC-oskillaattorille käytetään sekä R1: lle että R2: lle 4,7 k: n vastusta. Ja käytetty trimmerikondensaattori, jossa on kaksi napaa, sisältää 1-100nF C1- ja C2-trimmauskapasiteetille. Lasketaan värähtelytaajuus 1nF: lle, 50nF: lle ja 100nF: lle. Laskemme myös op-vahvistimen vahvistuksen, kun R3 on valittu 100k ja R4 on valittu 300k.

Koska taajuuden laskeminen on helppoa kaavalla

Fhz = 1 / 2πRC

Jos C: n arvo on 1 nF ja vastuksen arvo on 4,7 k, taajuus on

Fhz = 33 849 Hz tai 33,85 KHz

Jos C: n arvo on 50 nF ja vastuksen arvo on 4,7 k, taajuus on

Fhz = 677 Hz

C: n arvo on 100 nF ja vastus on 4,7 k. Taajuus on

Fhz = 339 Hz

Joten suurin taajuus, jonka voimme saavuttaa käyttämällä 1nF: ää, joka on 33,85 Khz, ja pienin taajuus, jonka voimme saavuttaa käyttämällä 100nF: ää, on 339 Hz.

Voitto op-amp on 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Joten voitto = 1+ (300k + 100k) = 4x

Op-amp tuottaa nelinkertaisen vahvistuksen tulosta ei-käännetyn "positiivisen" nastan yli.

Joten tällä tavalla voimme tuottaa vaihtelevan taajuuden kaistanleveyden Wein Bridge -oskillaattorin.

Sovellukset:

Wein Bridge -oskillaattoria käytetään laajasti elektroniikan sovelluksissa, kondensaattorin tarkan arvon löytämisestä, 0 asteen vaihevakaan oskillaattoriin liittyvien piirien tuottamiseksi matalan melutason vuoksi se on myös viisaampi valinta erilaisille äänitasoille sovellukset, joissa tarvitaan jatkuvaa värähtelyä.