Rc fāzes nobīdes oscilators

Kas ir oscilators?

Oscilators ir mehāniska vai elektroniska konstrukcija, kas rada svārstības atkarībā no dažiem mainīgajiem. Mums visiem ir ierīces, kurām nepieciešami oscilatori, tradicionālais pulkstenis, kas mums visiem ir mājās kā sienas pulkstenis vai rokas pulkstenis, dažāda veida metāla detektori, datori, kuros ir iesaistīti mikrokontrolleri un mikroprocesori, visi izmanto oscilatorus, īpaši elektronisko oscilatoru, kas rada periodiskus signālus.

RC oscilators un fāze:

Apspriežot par RC oscilatoru un tā kā to dēvē arī par fāzes nobīdes oscilatoru, mums ir nepieciešama taisnīga izpratne par to, kas ir fāze. Skatīt šo attēlu: -

Ja mēs redzam iepriekšminēto sinusoidālo viļņu, piemēram, šo, mēs skaidri redzēsim, ka signāla sākumpunkts ir 0 grādu fāzē, un pēc tam katrs signāla pīķa punkts no pozitīva līdz 0, tad atkal negatīvs punkts, tad atkal 0 attiecīgi ir 90 grāds, 180 grādi, 270 grādi un 360 grādi fāzes stāvoklī.

Fāze ir sinusoidāla viļņa pilna cikla periods 360 grādu atskaitē.

Tagad bez turpmākas kavēšanās redzēsim, kas ir fāzes nobīde?

Ja mēs pārvietojam sinusoidālā viļņa sākuma punktu, kas nav 0 grāds, fāze tiek nobīdīta. Mēs sapratīsim fāzes nobīdi nākamajā attēlā.

Šajā attēlā ir divi maiņstrāvas sinusoidālā signāla viļņi, pirmais zaļais sinusoidālais vilnis ir 360 grādu fāzē, bet sarkanais, kas ir pirmā nolasītā signāla kopija, ir 90 grādu attālumā no zaļā signāla fāzes.

Izmantojot RC oscilatoru, mēs varam novirzīt sinusoidālā signāla fāzi.

Fāzes nobīde, izmantojot RC oscilatora shēmu:

RC apzīmē rezistoru un kondensatoru. Mēs varam vienkārši izveidot fāzes nobīdes rezistoru-kondensatoru tīklu, izmantojot tikai vienu rezistoru un vienu kondensatora veidojumu.

Kā redzams augstfrekvences filtru apmācībā, šeit ir piemērojama tā pati shēma. Tipisks RC fāzes nobīdes oscilatoru var būt produktu ar kondensatoru virknē kopā ar rezistoru paralēli.

Tas ir viena pola fāzes nobīdes tīkls; ķēde ir tāda pati kā pasīvais augstfrekvences filtrs. Teorētiski, ja mēs šajā RC tīklā izmantosim fāzes signālu, izejas fāze tiks nobīdīta tieši par 90 grādiem. Bet, ja mēs to izmēģinām realitātē un pārbaudām fāzes nobīdi, tad mēs sasniedzam fāzes nobīdi no 60 grādiem līdz mazāk nekā 90 grādiem. Tas ir atkarīgs no biežuma un sastāvdaļu pielaidēm, kas patiesībā rada nelabvēlīgu efektu. Tā kā mēs visi zinām, ka nekas nav ideāls, vajadzētu būt kaut kādai atšķirībai nekā faktiskās tā sauktās vai gaidītās vērtības nekā realitāte. Temperatūra un citas ārējās atkarības rada grūtības sasniegt precīzu 90 grādu fāzes nobīdi, 45 grādi parasti ir 60 grādi, atkarībā no frekvencēm, un 90 grādu sasniegšana daudzos gadījumos ir ļoti grūts darbs.

Kā apspriests augsto pāreju apmācībā, mēs izveidosim to pašu ķēdi un izpētīsim tās pašas ķēdes fāzes nobīdi.

Šī augstfrekvences filtra ķēde kopā ar komponentu vērtībām atrodas zemāk esošajā attēlā: -

Šis ir piemērs, ko izmantojām iepriekšējās pasīvās augstfrekvences filtru apmācībās. Tas radīs 4,9 KHz joslas platumu. Ja mēs pārbaudīsim stūra frekvenci, mēs identificēsim fāzes leņķi pie oscilatora izejas.

Tagad mēs varam redzēt, ka fāzes nobīde tiek sākta no 90 grādiem, kas ir RC oscilatoru tīkla maksimālā fāzes nobīde, bet stūra frekvences punktā fāzes nobīde ir 45 grādi.

Ņemot vērā faktu, ka fāzes nobīde ir 90 grādi, vai, ja mēs izvēlamies oscilatora shēmas konstrukciju kā īpašu veidu, kas radīs 90 grādu fāzes nobīdi, ķēde zaudēs savu imunitāti robežu diapazonā slikta frekvences stabilizācijas koeficienta dēļ. Kā mēs varam iedomāties 90 grādu punktā, kur tikko sākusies līkne, piemēram, no 10Hz vai zemākas līdz 100Hz, ir gandrīz plakana. Tas nozīmē, ja oscilatora frekvence nedaudz mainīsies komponentu pielaides, temperatūras, citu nenovēršamu apstākļu dēļ, fāzes nobīde nemainīsies. Tā nav laba izvēle. Tātad mēs uzskatām, ka 60-pakāpes vai 45 grādi ir pieņemama fāzes nobīde viena pola RC tīkla oscilatoram. Uzlabosies frekvences stabilitāte.

Vairāku RC filtru kaskādes:

Trīs kaskādes RC filtri:

Ņemot vērā šo faktu, ka mēs nevaram sasniegt tikai 60 grādu fāzes nobīdi, nevis 90 grādu, mēs varam kaskādē trīs RC filtrus (ja fāzes nobīde ir 60 grādu ar RC oscilatoriem) vai kaskādē četrus filtrus pēc kārtas (ja fāzes nobīde ir 45 grādi ar katru RC oscilatoru) un iegūstiet 180 grādu.

Šajā attēlā trīs RC oscilatori kaskādē un katru reizi pievienoja 60 grādu fāzes nobīdi, un visbeidzot pēc trešā posma mēs iegūsim 180 grādu fāzes nobīdi.

Mēs izveidosim šo shēmu simulācijas programmatūrā un redzēsim shēmas ieejas un izejas viļņu formu.

Pirms nokļūšanas video ļauj aplūkot shēmas attēlu un redzēt arī osciloskopa savienojumu.

Augšējā attēlā mēs izmantojām 100pF kondensatoru un 330k rezistora vērtību. Osciloskopa ir savienota pāri ievades VSIN (A / Yellow kanālu), pa pirmo pole produkciju (B / Blue kanālu), 2 ^nd pole izlaides

(C / sarkans kanālu) un gala produkciju visā trešajā pola (D / Green kanālu).

Mēs redzēsim simulāciju videoklipā un redzēsim fāzes izmaiņas 60 grādos pāri pirmajam stabam, 120 grādu pāri otrajam polim un 180 grādu pāri trešajam polam. Arī signāla amplitūda pakāpeniski samazinās.

1 ^st polu amplitūdu> 2 polu amplitūdu> 3 polu amplitūdu. Vairāk ejot uz pēdējo polu samazinās signāla amplitūdas samazināšanās.

Tagad mēs redzēsim simulācijas video: -

Ir skaidri parādīts, ka katrs pols, kas aktīvi maina fāzes nobīdes, un gala izvadē tas tiek novirzīts uz 180 grādiem.

Kaskādes četri RC filtri:

Nākamajā attēlā četri RC fāzes nobīdes oscilatori, kurus izmanto ar 45 grādu fāzes nobīdi, kas RC tīkla beigās rada 180 grādu fāzes nobīdi.

RC fāzes maiņas oscilators ar tranzistoru:

Tas viss ir pasīvie elementi vai komponenti RC oscilatorā. Mēs iegūstam fāzes nobīdi par 180 grādiem. Ja mēs vēlamies veikt 360 grādu fāzes nobīdi, nepieciešams aktīvs komponents, kas rada papildu 180 grādu fāzes nobīdi. To veic tranzistors vai pastiprinātājs, un tam ir nepieciešams papildu barošanas spriegums.

Šajā attēlā NPN tranzistors tiek izmantots, lai izveidotu fāzes nobīdi par 180 grādiem, savukārt C1R1 C2R2 C3R3 radīs 60 grādu fāzes aizkavi. Tātad šo trīs 60 + 60 + 60 = 180 grādu fāzes nobīdes uzkrāšana tiek veikta, no otras puses, pievienojot vēl 180 grādus ar tranzistora kopējo 360 grādu fāzes nobīdi. Mēs iegūsim 360 grādu fāzes nobīdi visā C5 elektrolītiskajā kondensatorā. Ja mēs vēlamies mainīt šī viena veida biežumu, lai mainītu kondensatoru vērtību, vai izmantot mainīgu iepriekš iestatītu kondensatoru šajos trīs polos atsevišķi, izslēdzot atsevišķus fiksētos kondensatorus.

Tiek izveidots atgriezeniskās saites savienojums, lai enerģijas atgūtu pastiprinātājā, izmantojot šo trīs polu RC tīklu. Tas ir nepieciešams stabilai pozitīvai svārstībām un sinusoidāla sprieguma radīšanai. Sakarā ar

atgriezenisko saiti vai konfigurāciju, RC oscilators ir atgriezeniskās saites tipa oscilators.

1921. gadā vācu fiziķis Heinrihs Georgs Barkhauzens ieviesa “Barkhauzena kritēriju”, lai noteiktu sakarību starp fāzes nobīdēm atgriezeniskās saites lokā. Saskaņā ar kritēriju ķēde svārstīsies tikai tad, ja fāzes nobīde ap atgriezeniskās saites cilpu ir vienāda ar 360 grādiem vai vairākkārtēja un cilpas pieaugums ir vienāds ar vienu. Ja fāzes nobīde ir precīza vēlamajā frekvencē un atgriezeniskās saites cilpa rada 360 grādu svārstības, tad izeja būs sinusa vilnis. RC filtrs kalpo šī mērķa sasniegšanai.

RC oscilatora frekvence:

Izmantojot šo vienādojumu, mēs viegli varam noteikt svārstību biežumu:

Kur,

R = pretestība (omi)

C = kapacitāte

N = tiek izmantots / tiks izmantots RC tīkla skaits

Šo formulu izmanto ar augstfrekvences filtru saistītā projektēšanā, mēs varam izmantot arī zemfrekvences filtru, un fāzes nobīde būs negatīva. Šādā gadījumā augšējā formula nedarbosies, aprēķinot oscilatora frekvenci, būs piemērojama cita formula.

Kur,

R = pretestība (omi)

C = kapacitāte

N = tiek izmantots / tiks izmantots RC tīkla skaits

RC fāzes maiņas oscilators ar op-amp:

Tā kā mēs varam izveidot RC fāzes nobīdes oscilatoru, izmantojot tranzistoru, ti, BJT, ar tranzistoru ir arī citi ierobežojumi.

Tas ir stabils zemām frekvencēm.
Tikai izmantojot tikai vienu BJT, izejas viļņa amplitūda nav ideāla, lai stabilizētu viļņa amplitūdu, nepieciešama papildu shēma.
Frekvences precizitāte nav perfekta, un tā nav pasargāta no trokšņainiem traucējumiem.
Negatīvs iekraušanas efekts. Kaskādes veidošanās dēļ otrā pola ieejas pretestība maina pirmā pola filtra rezistoru pretestības īpašības. Vairāk filtru kaskādē vairāk pasliktinās situācija, jo tas ietekmēs aprēķinātās fāzes nobīdes oscilatora frekvences precizitāti.

Sakarā ar vājināšanās pāri rezistors un kondensators, tad zaudējumi pāri katrā posmā tiek palielināts, un kopējie zaudējumi ir aptuveni kopējie zaudējumi 1/29 ^th ievades signāla.

Kad ķēde pavājinās 1/29 ^th, mums ir jāatgūst zaudējumi.

Šis ir laiks nomainīt BJT ar Op-amp. Mēs varam arī atgūt šos četrus trūkumus un iegūt vairāk brīvas vadības iespējas, ja BJT vietā izmantojam op-amp. Augstas ieejas pretestības dēļ slodzes efekts arī tiek efektīvi kontrolēts, jo op-amp ieejas pretestība veicina kopējo slodzes efektu.

Tagad bez turpmākas modifikācijas nomainīsim BJT ar Op-Amp un redzēsim, kāda būs RC oscilatora shēma vai shēma, izmantojot Op-amp.

Kā redzam, Just BJT aizstāja ar apgrieztu op-amp. Atgriezeniskās saites cilpa ir savienota ar pirmā pola RC oscilatoru un tiek padota uz op-amp apgriezto ievades kontaktu. Sakarā ar šo apgriezto atgriezenisko saiti, op-amp radīs 180 grādu fāzes nobīdi. Papildu 180 grādu fāzes nobīdi nodrošinās trīs RC posmi. Mēs iegūsim vēlamo 360 grādu fāzes nobīdītā viļņa izvadi pāri op-amp pirmajai tapai, kas nosaukta kā OSC. R4 tiek izmantots op-amp pastiprinājuma kompensācijai. Mēs varam pielāgot shēmu, lai iegūtu augstas frekvences svārstīgas izejas, bet atkarībā no op-amp frekvenču diapazona joslas platuma.

Tāpat, lai iegūtu vēlamo rezultātu, mums ir nepieciešams, lai aprēķinātu iegūt rezistors R4 sasniegt 29 ^th reizes lielāku amplitūdu pāri op-amp, jo mums ir nepieciešams, lai kompensētu ar par 1/29 zaudējumu ^th visā RC posmos.

Apskatīsim, mēs izveidosim ķēdi ar reālu komponentu vērtību un redzēsim, kāda būs RC fāzes nobīdes oscilatora simulētā izeja.

Mēs izmantosim 10k omu rezistoru un 500pF kondensatoru un noteiksim svārstību biežumu. Mēs arī aprēķināsim pastiprināšanas rezistora vērtību.

N = 3, jo tiks izmantoti 3 posmi.

R = 10000, jo

10 k omi pārveidoti par omiem C = 500 x 10 ^-12, jo kondensatora vērtība ir 500 pF

Izeja ir 12995Hz vai relatīvi tuvā vērtība ir 13 KHz.

Kā op-amp pieaugums ir nepieciešami 29 ^th reizes vērtība iegūt pretestība tiek aprēķināta, izmantojot šādu formulu: -

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

Šādi tiek konstruēts fāzes nobīdes oscilators, izmantojot RC komponentus un Op-amp.

RC fāzes nobīdes oscilatora pielietojums ietver pastiprinātājus, kur tiek izmantots audio transformators un nepieciešams diferenciāls audio signāls, bet apgrieztais signāls nav pieejams, vai arī, ja jebkurai lietošanai nepieciešams maiņstrāvas signāla avots, tad tiek izmantots RC filtrs. Arī signālu ģeneratorā vai funkciju ģeneratorā tiek izmantots RC fāzes nobīdes oscilators.