Oscilator Rc faznog pomaka

Što je Oscilator?

Oscilator je mehanička ili elektronička konstrukcija koja proizvodi oscilacije ovisno o nekoliko varijabli. Svi imamo uređaje kojima su potrebni oscilatori, tradicionalni sat koji svi imamo u svom domu kao zidni sat ili ručni sat, razne vrste detektora metala, računala na kojima su uključeni mikrokontroler i mikroprocesori, svi koriste oscilatore, posebno elektronički oscilator koji proizvodi periodične signale.

RC oscilator i faza:

Dok razgovaramo o RC oscilatoru, a kako se naziva i oscilator faznog pomaka, potrebno nam je pošteno razumijevanje o tome što je faza. Pogledajte ovu sliku: -

Ako vidimo gornji sinusoidni val poput ovog, jasno ćemo vidjeti da je početna točka signala 0 stupnjeva u fazi, a nakon toga svaka vršna točka signala od pozitivne do 0 pa opet negativna točka pa opet 0 označava se kao 90 stupanj, 180 stupnjeva, 270 stupnjeva i 360 stupnjeva u faznom položaju.

Faza je razdoblje punog ciklusa sinusnog vala u referenci od 360 stupnjeva.

Sada bez daljnjeg odgađanja da vidimo što je fazni pomak?

Ako pomaknemo početnu točku sinusoidnog vala osim 0 stupnjeva, faza se pomiče. Pomak faze razumjet ćemo na sljedećoj slici.

Na ovoj su slici predstavljena dva AC sinusoidna signalna vala, prvi Zeleni sinusoidni val ima 360 stupnjeva u fazi, ali crveni koji je replika prvog, očitanog signala udaljen je 90 stupnjeva od faze zelenog signala.

Korištenjem RC oscilatora možemo pomaknuti fazu sinusoidnog signala.

Pomak faze pomoću kruga RC oscilatora:

RC označava otpornik i kondenzator. Jednostavno možemo formirati mrežu otpornika-kondenzatora faznog pomaka koristeći samo jedan otpornik i jednu kondenzatorsku formaciju.

Kao što se vidi u vodiču za visokopropusne filtre, ovdje se primjenjuje isti sklop. Tipično RC fazna oscilator može biti proizvodi od kondenzatora u seriji zajedno sa otpornik u paralelu.

Ovo je mreža s jednim faznim pomicanjem faze; sklop je isti kao pasivni visokopropusni filtar. Teoretski, ako primijenimo signal u fazi preko ove RC mreže, izlazna faza pomaknut će se za točno 90 stupnjeva. Ali ako to pokušamo u stvarnosti i provjerimo fazni pomak, tada postižemo fazni pomak od 60 do manje od 90 stupnjeva. Ovisi o učestalosti i tolerancijama komponenata koje stvaraju štetne učinke u stvarnosti. Kao što svi znamo da ništa nije savršeno, trebala bi postojati neka razlika od stvarnih takozvanih ili očekivanih vrijednosti od stvarnosti. Temperatura i druge vanjske ovisnosti stvaraju poteškoće u postizanju točnog pomaka faze od 90 stupnjeva, 45 stupnjeva je općenito, 60 stupnjeva je uobičajeno ovisno o frekvencijama, a postizanje 90 stupnjeva u mnogim je slučajevima vrlo težak posao.

Kao što je raspravljeno u vodiču za visoke prolaze, konstruirat ćemo isti sklop i istražiti fazni pomak istog kruga.

Krug tog visokopropusnog filtra zajedno s vrijednostima komponenata nalazi se na donjoj slici: -

Ovo je primjer koji smo koristili u prethodnim tutorijalima pasivnog visokopropusnog filtra. Proizvest će 4,9 KHz širine pojasa. Ako provjerimo kutnu frekvenciju, identificirat ćemo fazni kut na izlazu oscilatora.

Sada možemo vidjeti da je fazni pomak započet od 90 stupnjeva, što je maksimalni fazni pomak mreže RC oscilatora, ali na mjestu kutne frekvencije fazni pomak je 45 stupnjeva.

Sad uzimajući u obzir činjenicu da je fazni pomak 90 stupnjeva ili ako odaberemo konstrukciju oscilatornog kruga kao poseban način koji će proizvesti fazni pomak 90 stupnjeva, tada će krug izgubiti svoj imunitet u rasponu granica zbog lošeg faktora stabilizacije frekvencije. Kao što možemo zamisliti na točki od 90 stupnjeva, gdje je krivulja upravo započela kao od 10Hz ili niže do 100Hz, gotovo je ravna. To znači da ako se frekvencija oscilatora malo promijenila zbog tolerancije komponenata, temperature, drugih neizbježnih okolnosti, fazni pomak se neće promijeniti. To nije dobar izbor. Dakle, smatramo da je 60 stupnjeva ili 45 stupnjeva prihvatljivi fazni pomak za jednopolni RC mrežni oscilator. Stabilnost frekvencije će se poboljšati.

Kaskadni višestruki RC filtri:

Kaskadna tri RC filtra:

Uzimajući u obzir ovu činjenicu da ne možemo postići samo fazni pomak od 60 stupnjeva umjesto 90 stupnjeva, možemo kaskadno podijeliti tri RC filtra (ako je fazni pomak 60 stupnjeva pomoću RC oscilatora) ili kaskadno uklapajući četiri filtra (ako je fazni pomak 45 stupnjeva po svakom RC oscilatoru) i dobiti 180 stupnjeva.

Na ovoj su slici tri RC oscilatora kaskadirana i svaki put se dodaje fazni pomak od 60 stupnjeva i konačno nakon treće faze dobit ćemo fazni pomak od 180 stupnjeva.

Konstruirat ćemo ovaj sklop u softveru za simulaciju i vidjeti oblik ulaznog i izlaznog vala sklopa.

Prije ulaska u video, pustimo 'sliku sklopa i vidjet ćemo i vezu osciloskopa.

Na gornjoj slici koristili smo kondenzator od 100pF i vrijednost otpornika od 330k. Osciloskop je povezan preko ulaza VSIN (A / žuti kanal), preko prvog izlaza pola (B / plavi kanal), ^drugog izlaza pola

(C / crveni kanal) i konačnog izlaza preko trećeg pola (D / zeleni kanal).

Simulaciju ćemo vidjeti u videu i vidjet ćemo promjenu faze za 60 stupnjeva na prvom polu, 120 stupnjeva preko drugog pola i 180 stupnjeva preko trećeg pola. Također će amplituda signala korak po korak minimizirati.

1 ^st stup amplituda> drugi stup amplituda> 3. stup amplituda. Što više idemo prema posljednjem polu, dekrement amplitude signala se smanjuje.

Sad ćemo vidjeti simulacijski video: -

Jasno se pokazuje da svaki pol aktivno mijenja fazni pomak i na konačnom izlazu pomaknut je na 180 stupnjeva.

Cascade Four RC filtri:

Na sljedećoj slici koriste se četiri oscilatora faznog pomicanja RC s pomakom faze od 45 stupnjeva, koji proizvode fazni pomak od 180 stupnjeva na kraju RC mreže.

RC oscilator faznog pomicanja s tranzistorom:

To su sve pasivni elementi ili komponente u RC oscilatoru. Dobivamo fazni pomak od 180 stupnjeva. Ako želimo napraviti fazni pomak od 360 stupnjeva, potrebna je aktivna komponenta koja proizvodi dodatni fazni pomak od 180 stupnjeva. To čini tranzistor ili pojačalo i potreban je dodatni napon napajanja.

Na ovoj se slici NPN tranzistor koristi za fazni pomak od 180 stupnjeva, dok C1R1 C2R2 C3R3 proizvodi 60 stupnjeva faznog kašnjenja. Dakle, akumuliranje ova tri fazna pomaka od 60 + 60 + 60 = 180 stupnjeva vrši se s druge strane, dodajući još 180 stupnjeva stvaranjem tranzistora ukupan pomak faze od 360 stupnjeva. Dobit ćemo 360 stupnjeva faznog pomaka preko C5 elektrolitskog kondenzatora. Ako želimo promijeniti frekvenciju ovog jednog načina za promjenu vrijednosti kondenzatora ili upotrijebiti varijabilni unaprijed postavljeni kondenzator preko ta tri pola pojedinačno uklanjanjem pojedinačnih fiksnih kondenzatora.

Izrađena je povratna veza za povrat energije natrag na pojačalo pomoću te tropolne RC mreže. Potrebno je za stabilno pozitivno osciliranje i stvaranje sinusnog napona. Zbog

povratne veze ili konfiguracije, RC oscilator je oscilator povratne sprege.

1921. njemački fizičar Heinrich Georg Barkhausen uveo je "Barkhausenov kriterij" za određivanje odnosa između faznih pomaka u povratnoj petlji. Prema kriteriju, krug će oscilirati samo ako je fazni pomak oko povratne petlje jednak ili višestruki od 360 stupnjeva, a dobitak petlje jednak jednom. Ako je fazni pomak točan na željenoj frekvenciji, a povratna petlja stvara oscilaciju od 360 stupnjeva, tada će izlaz biti sinusni val. RC filtar služi za postizanje ove svrhe.

Učestalost RC oscilatora:

Učestalost oscilacija možemo lako odrediti pomoću ove jednadžbe: -

Gdje je

R = otpor (oma)

C = kapacitet

N = broj RC mreže koja će se koristiti

Ova se formula koristi za dizajn koji se odnosi na visokopropusni filtar, možemo koristiti i niskopropusni filtar i fazni pomak bit će negativan. U tom slučaju gornja formula neće raditi za izračunavanje frekvencije oscilatora, bit će primjenjiva drugačija formula.

Gdje je

R = otpor (oma)

C = kapacitet

N = broj RC mreže koja će se koristiti

RC oscilator faznog pomicanja s optičkim pojačalom:

Kako možemo konstruirati RC oscilator faznog pomaka pomoću tranzistora, odnosno BJT-a, postoje i druga ograničenja kod tranzistora.

1. Stabilan je za niske frekvencije.
2. Samo korištenje samo jednog BJT-a amplituda izlaznog vala nije savršena, potreban je dodatni sklop za stabiliziranu amplitudu valnog oblika.
3. Točnost frekvencije nije savršena i nije imuna na bučne smetnje.
4. Efekt negativnog opterećenja. Zbog formiranja kaskade, ulazna impedancija drugog pola mijenja svojstva otpora otpornika prvog polnog filtra. Što su se filtri više kaskadirali, situacija se pogoršava jer će utjecati na točnost izračunate frekvencije oscilatora faznog pomaka.

Zbog slabljenja na otporniku i kondenzatoru, gubitak na svakom stupnju je povećan, a ukupni gubitak je približno ukupni gubitak 1/29 ^th ulaznog signala.

Kao što je krug slabi na 1/29 ^og trebamo oporaviti gubitak.

Ovo je vrijeme za promjenu BJT-a s Op-pojačalom. Također možemo oporaviti ta četiri nedostatka i dobiti više prostora za kontrolu ako koristimo opcijsko pojačalo umjesto BJT-a. Zbog visoke ulazne impedancije, učinak opterećenja se također učinkovito kontrolira, jer ulazna impedancija op-pojačala poboljšava ukupni učinak opterećenja.

Sada, bez daljnjih preinaka , promijenimo BJT s Op-pojačalom i vidjet ćemo koji će biti sklop ili shema RC oscilatora pomoću Op-pojačala.

Kao što vidimo, Just BJT zamijenjen je obrnutim op-pojačalom. Povratna petlja povezana je preko prvog polnog RC oscilatora i napaja se na ulazni pin okrenuti optičkim pojačalom. Zahvaljujući ovoj obrnutoj povratnoj vezi, opcijsko pojačalo proizvest će fazni pomak od 180 stupnjeva. Dodatni pomak faze od 180 stupnjeva pružit će tri RC faze. Dobit ćemo željeni izlaz vala pomaknutog za 360 stupnjeva preko prvog pin -a op-pojačala nazvanog OSC out. R4 se koristi za kompenzaciju pojačanja op-pojačala. Možemo prilagoditi sklop da bismo dobili visokofrekventno oscilirani izlaz, ali ovisno o širini pojasa opsega opcijskog pojačala.

Također, za dobivanje željenog rezultata potrebno je izračunati dobitak otpornik R4 postići 29 ^th puta veću amplitudu preko op-amp kao moramo nadoknaditi gubitak 1/29 ^th preko RC faze.

Da vidimo, napravit ćemo sklop sa stvarnom vrijednošću komponenata i vidjeti kakav će biti simulirani izlaz RC oscilatora faznog pomaka.

Upotrijebit ćemo otpornik od 10 k oma i kondenzator od 500 pF i odrediti frekvenciju titranja. Također ćemo izračunati vrijednost otpora pojačanja.

N = 3, jer će se koristiti 3 stupnja.

R = 10000, kao 10k ohma pretvoreno u ohme

C = 500 x 10 ^-12 jer je vrijednost kondenzatora 500pF

Izlaz je 12995Hz ili je relativno blizu vrijednost 13 KHz.

Kako je potrebno pojačanje op-pojačala 29 ^-to puta vrijednost vrijednosti pojačala otpornika izračunava se pomoću ove formule: -

Dobitak = R f / R 29 = R f / 10k R f = 290k

Tako se konstruira oscilator faznog pomaka pomoću RC komponenata i Op-pojačala.

Primjene RC oscilatora faznog pomaka uključuju pojačala gdje se koristi audio transformator i potreban je diferencijalni audio signal, ali invertirani signal nije dostupan, ili ako je potreban izvor izmjeničnog signala za bilo koju aplikaciju, tada se koristi RC filter. Također, generator signala ili generator funkcija koriste RC oscilator faznog pomaka.