Weinov oscilator mosta

U ovom uputstvu naučit ćemo o Weinovom oscilatoru mosta koji je razvio njemački fizičar Max Wien. Izvorno je razvijen za izračunavanje kapacitivnosti tamo gdje su poznati otpor i frekvencija. Prije nego što krenemo u dublju raspravu o tome što je zapravo Wein Bridge oscilator i kako se koristi, pogledajmo što je oscilator, a što Wein Bridge oscilator.

Weinov oscilator mosta:

Kao i u prethodnom vodiču RC oscilatora, otpornik i kondenzator potrebni su za fazni pomak, a ako povežemo pojačalo u invertirajućim specifikacijama i povežemo pojačalo i RC mreže povratnom vezom, izlaz pojačala počinje proizvoditi sinusni valni oblik titranjem.

U bečkom oscilatoru mosta koriste se dvije RC mreže preko pojačala i proizvode oscilatorni krug.

Ali zašto bismo odabrali Wien most oscilator ?

Zbog sljedećih točaka Wienski oscilator mosta je mudriji izbor za stvaranje sinusoidnog vala.

1. Stabilan je.
2. Izobličenje ili THD (Total Harmonic Distortion) je pod nadzorom.
3. Frekvenciju možemo vrlo učinkovito promijeniti.

Kao što je već rečeno, Wein Bridge oscilator ima dvostupanjske RC mreže. To znači da se sastoji od dva nepolarna kondenzatora i dva otpornika u visokopropusnom i niskopropusnom obliku filtra. Jedan otpornik i jedan kondenzator u seriji, s druge strane jedan kondenzator i jedan otpornik u paralelnoj formaciji. Ako konstruiramo sklop, shema će izgledati samo ovako: -

Kao što se jasno vidi, koriste se dva kondenzatora i dva otpornika. I RC stupnjevi koji djeluju kao visokopropusni i niskopropusni filtar povezani zajedno, što je produkt propusnog filtra koji akumulira frekvencijsku ovisnost dva stupnja reda. Otpor R1 i R2 su jednaki, a također je jednak i kapacitet C1 i C2.

Pojačanje izlaznog oscilatora Weinovog mosta i fazni pomak:

Ono što se događa u krugu RC mreže na gornjoj slici vrlo je zanimljivo.

Kad se primijeni niska frekvencija, reaktancija prvog kondenzatora (C1) je dovoljno velika i blokira ulazni signal i odupire se krugu da proizvede 0 izlaza, s druge strane, ista stvar događa se na drugi način za drugi kondenzator (C2) koji je spojeni paralelno. C2 reaktancija postaje preniska i zaobilazi signal i opet proizvodi 0 izlaza.

Ali u slučaju srednje frekvencije kada reaktancija C1 nije velika, a reaktancija C2 nije mala, dat će izlaz preko točke C2. Ova se frekvencija naziva Rezonantna frekvencija.

Ako dubinski vidimo unutar sklopa, vidjet ćemo da su reaktancija kruga i otpor kruga jednaki ako se postigne rezonantna frekvencija.

Dakle, postoje dva pravila koja se primjenjuju u takvom slučaju kada krug daje rezonantna frekvencija na ulazu.

A. Fazna razlika ulaza i izlaza jednaka je 0 stupnjeva.

B. Kako je u 0 stupnjeva, izlaz će biti maksimalan. Ali koliko? To je usko ili točnije 1/3 ^rd veličine ulaznog signala je.

Ako vidimo izlaz sklopa, razumjet ćemo te točke.

Izlaz je potpuno jednak krivulji kao i slika koja se prikazuje. Na niskoj frekvenciji od 1 Hz izlaz je manji ili gotovo 0 i povećava se s učestalošću na ulazu do rezonantne frekvencije, a kad se dostigne rezonantna frekvencija, izlaz je u svojoj maksimalnoj točki i kontinuirano se smanjuje s porastom frekvencije i opet proizvodi 0 izlaza na visokoj frekvenciji. Dakle, jasno prolazi određeni frekvencijski opseg i proizvodi izlaz. Zbog toga je prethodno opisan kao propusni filtar s promjenjivim opsegom (Frequency Band) koji ovisi o frekvenciji. Ako pažljivo pogledamo fazni pomak izlaza, jasno ćemo vidjeti marginu faze od 0 stupnjeva na izlazu pri odgovarajućoj rezonantnoj frekvenciji.

U ovoj krivulji izlaza faze faza je točno 0 stupnjeva na rezonantnoj frekvenciji i započinje od 90 stupnjeva do pada na 0 stupnjeva kada se ulazna frekvencija povećava dok se ne postigne rezonancijska frekvencija, a nakon toga faza se nastavlja smanjivati ​​na završnoj točki - 90 stupnjeva. U oba slučaja koriste se dva izraza. Ako je faza pozitivna naziva se Phase Advance, a u slučaju negativne naziva se Phase Delay.

Izlaz faze filtra vidjet ćemo u ovom simulacijskom videu:

U ovom videu 4.7k koji se koristi kao R u R1 R2, a kondenzator 10nF koristi se i za C1 i za C2. Primijenili smo sinusni val kroz stupnjeve, a na osciloskopu Žuti kanal prikazuje ulaz kruga, a plava linija izlaz kruga. Ako pažljivo pogledamo, izlazna amplituda je 1/3 ulaznog signala, a izlazna faza je gotovo identična kao pomak faze od 0 stupnjeva u rezonantnoj frekvenciji, kao što je prethodno spomenuto.

Rezonantna frekvencija i izlaz napona:

Ako uzmemo u obzir da je R1 = R2 = R ili se koristi isti otpornik, a za odabir kondenzatora C1 = C2 = C koristi se ista vrijednost kapacitivnosti, tada će rezonancijska frekvencija biti

Fhz = 1 / 2πRC

R predstavlja otpornik, a C kondenzator ili kapacitet, a Fhz ako je rezonantna frekvencija.

Ako želimo izračunati Vout RC mreže, sklop bismo trebali vidjeti na drugačiji način.

Ova RC mreža radi s ulaznim izmjeničnim signalima. Izračunavanje otpora strujnog kruga u slučaju izmjenične struje, a ne izračunavanje otpora strujnog kruga u slučaju istosmjerne struje, malo je nezgodno.

RC mreža stvara impedanciju koja djeluje kao otpor primijenjenom izmjeničnom signalu. Dijelnik napona ima dva otpora, u ovim RC fazama dva otpora su impedancija prvog filtra (C1 R1) i impedancija drugog filtra (R2 C2).

Kako postoje kondenzatori spojeni serijski ili paralelno, formula impedancije bit će: -

Z je simbol impedancije, R je otpor, a Xc označava kapacitivnu reaktancu kondenzatora.

Pomoću iste formule možemo izračunati impedansu prvog stupnja.

U slučaju drugog stupnja, formula je jednaka izračunavanju paralelnog ekvivalentnog otpora,

Z je impedancija, R je otpor, X je kondenzator

Konačna impedancija kruga može se izračunati pomoću ove formule: -

Možemo izračunati praktični primjer i vidjeti izlaz u takvom slučaju.

Ako izračunamo vrijednost i vidimo rezultat, vidjet ćemo da će izlazni napon biti 1/3 ulaznog napona.

Ako spojimo izlaz dvostupanjskog RC filtra u ulazni pin neinvertirajućih pojačala ili + Vin pin, i prilagodimo pojačanje kako bismo nadoknadili gubitak, izlaz će proizvesti sinusni val. To je Wienovo osciliranje mosta, a sklop je Weinov oscilator.

Rad i izgradnja Weinovog oscilatora mosta:

Na gornjoj je slici RC filtar povezan preko opcijskog pojačala koje je u neinvertiranoj konfiguraciji. R1 i R2 su otpornici fiksne vrijednosti, dok su C1 i C2 kondenzatori s promjenjivim trimom. Varijacijom vrijednosti ta dva kondenzatora u isto vrijeme mogli bismo dobiti odgovarajuće oscilacije iz donjeg raspona u gornji raspon. Vrlo je korisno ako želimo koristiti Weinov oscilator mosta za proizvodnju sinusnog vala na različitoj frekvenciji od donjeg do gornjeg raspona. A R3 i R4 koriste se za pojačanje povratne sprege op-pojačala. Izlazni dobitak ili pojačanje vrlo je pouzdan o te dvije kombinacije vrijednosti. Kako dva RC stupnja spuštaju izlazni napon na 1/3, bitno je povratiti ga natrag. Također je mudriji izbor dobiti barem 3x ili više od 3x (4x poželjno) dobitka.

Dobitak možemo izračunati pomoću relacije 1+ (R4 / R3).

Ako opet vidimo sliku, možemo vidjeti da je povratna putanja operacijskog pojačala s izlaza izravno povezana s ulaznim stupnjem RC filtra. Kako dvostupanjski RC filtar ima svojstvo faznog pomaka od 0 stupnjeva u području frekvencije rezonancije i izravno je povezan s pozitivnom povratnom spregom op-pojačala, pretpostavimo da je xV +, a u negativnoj povratnoj sprezi primjenjuje se isti napon koji iznosi xV- s istom fazom od 0 stupnjeva, opcijsko pojačalo razlikuje dva ulaza i isključuje signal negativne povratne sprege, a zbog toga se nastavlja kako izlaz povezan preko RC stupnjeva počinje da oscilira.

Ako koristimo veću brzinu porasta, više frekvencije op-pojačala izlazna frekvencija može se uvećati za širok iznos.

U ovom je segmentu malo visokofrekventnih pojačala.

Također moramo imati na umu kako smo u prethodnom vodiču za RC oscilatore o kojem smo razgovarali o učinku opterećenja trebali odabrati opcijsko pojačalo s visokom ulaznom impedancijom većom od RC filtra kako bismo smanjili učinak opterećenja i osigurali pravilno stabilno osciliranje.

• LM318A
• LT1192
• MAX477
• LT1226
• OPA838
• THS3491 što je 900 mHz optičkog pojačala s velikim sjemenom!
• LTC6409 što je 10 GHz GBW diferencijalno pojačalo. Da ne spominjem, ovo zahtijeva poseban dodatak u strujnim krugovima i izuzetno dobru taktiku RF dizajna kako bi se postigao i ovaj visokofrekventni izlaz.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 Opcijsko pojačalo industrijskog razreda.

Praktični primjer Weinovog oscilatora:

Izračunajmo praktičnu vrijednost primjera odabirom vrijednosti otpornika i kondenzatora.

Na ovoj se slici za RC oscilator koristi otpor od 4,7 k i za R1 i za R2. A korišteni kondenzator trimera koji ima dva pola sadrži 1-100 nF za kapacitet obrezivanja C1 i C2. Izračunajmo frekvenciju titranja za 1nF, 50nF i 100nF. Također ćemo izračunati dobitak op-pojačala kao R3 odabran kao 100k, a R4 odabran kao 300k.

Kako je izračunavanje frekvencije jednostavno pomoću formule

Fhz = 1 / 2πRC

Za vrijednost C je 1nF, a za otpornik 4.7k, Frekvencija će biti

Fhz = 33.849 Hz ili 33,85 KHz

Za vrijednost C je 50nF, a za otpornik 4.7k, Frekvencija će biti

Fhz = 677Hz

Za vrijednost C je 100nF, a za otpor 4.7k, Frekvencija će biti

Fhz = 339Hz

Dakle, najviša frekvencija koju možemo postići pomoću 1nF što je 33,85 Khz, a najniža frekvencija koju možemo postići pomoću 100nF je 339Hz.

Dobitak Op-Amp je 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Dakle, dobitak = 1+ (300k + 100k) = 4x

Opcijsko pojačalo će proizvesti 4x pojačanje ulaza preko neinvertiranog "pozitivnog" pina.

Dakle, pomoću ovog načina možemo proizvesti Wein Bridge oscilator s propusnom širinom promjenjive frekvencije.

Prijave:

Wein Bridge oscilator koji se koristi u širokoj razini primjena u području elektronike, od pronalaženja točne vrijednosti kondenzatora, za generiranje 0 stupnjeva stabilnih sklopova povezanih s oscilatorom, zbog niske razine buke također je mudriji izbor za različite razine zvuka primjene u kojima je potrebno kontinuirano osciliranje.