Veina tilta oscilators

Šajā apmācībā mēs uzzināsim par Wein Bridge oscilatoru, kuru izstrādāja vācu fiziķis Makss Vīns. Tas sākotnēji tika izstrādāts, lai aprēķinātu kapacitāti, ja ir zināma pretestība un frekvence. Pirms doties uz padziļinātu diskusiju par to, kas patiesībā ir Veina tilta oscilators un kā tas tiek izmantots, apskatīsim, kas ir oscilators un kas ir Veina tilta oscilators.

Veina tilta oscilators:

Tāpat kā iepriekšējā RC oscilatora apmācībā, fāzes nobīdes radīšanai ir nepieciešams rezistors un kondensators, un, ja mēs pievienojam pastiprinātāju invertējošās specifikācijās un savienojam pastiprinātāju un RC tīklus ar atgriezenisko saiti, pastiprinātāja izeja sāk ražot sinusoidālā viļņa forma ar svārstībām.

In Wien tilta oscilatoru divi RC tīkli tiek izmantoti pāri pastiprinātāju un ražot oscilators circuit.

Bet kāpēc mums vajadzētu izvēlēties Vīnes tilta oscilatoru ?

Šo punktu dēļ Vīnes tilta oscilators ir gudrāka izvēle sinusoidālā viļņa radīšanai.

1. Tas ir stabils.
2. Izkropļojums vai THD (kopējā harmoniskā deformācija) ir zem kontrolējamas robežas.
3. Mēs ļoti efektīvi varam mainīt frekvenci.

Kā stāstīts iepriekš, Wein Bridge oscilatoram ir divpakāpju RC tīkli. Tas nozīmē, ka tas sastāv no diviem nepolāriem kondensatoriem un diviem rezistoriem ar augstfrekvences un zemfrekvences filtru. Viens rezistors un viens kondensators virknē, no otras puses, viens kondensators un viens rezistors paralēli. Ja mēs izveidojam ķēdi, shēma būs tikai šāda: -

Kā skaidri redzams, ir divi kondensatori un tiek izmantoti divi rezistori. Gan RC pakāpe, kas darbojas kā augstfrekvences, gan zemfrekvences filtrs, kas savienoti kopā, un tas ir joslas caurlaides filtra rezultāts, kas uzkrāj divu pakāpju pakāpju atkarību no frekvences. R1 un R2 pretestība ir vienāda, un arī C1 un C2 kapacitāte ir vienāda.

Veina tilta oscilatora izejas pieaugums un fāzes nobīde:

Ļoti interesanti ir tas, kas notiek RC tīkla ķēdē iepriekš redzamajā attēlā.

Ja tiek lietota zema frekvence, pirmā kondensatora (C1) reaktivitāte ir pietiekami augsta un bloķē ieejas signālu un pretojas ķēdei, lai iegūtu 0 izeju, no otras puses, tas pats notiek citādi otrajam kondensatoram (C2), kas ir savienots paralēli. C2 reaktivitāte ir kļuvusi pārāk zema, apejot signālu un atkal iegūstot 0 izejas.

Bet vidējas frekvences gadījumā, ja C1 reaktivitāte nav augsta un C2 reaktivitāte nav zema, tā izvadīs pāri C2 punktam. Šī frekvence tika dēvēta par rezonanses frekvenci.

Ja mēs dziļi redzam shēmas iekšpusē, mēs redzēsim, ka ķēdes reaktivitāte un ķēdes pretestība ir vienāda, ja tiek sasniegta rezonanses frekvence.

Tātad, ja šādā gadījumā ķēdi nodrošina rezonanses frekvence visā ieejā, tiek piemēroti divi noteikumi.

A. Ieejas un izejas fāžu starpība ir vienāda ar 0 grādu.

B. Tā kā tas ir 0 grādos, izeja būs maksimāla. Bet cik daudz? Tas ir cieši un precīzi 1/3 ^rd ieejas signāla s lieluma.

Ja redzēsim shēmas izvadi, mēs tos sapratīsim.

Izeja ir tieši tāda pati līkne kā attēlā. Pie zemas frekvences no 1Hz izeja ir mazāka vai gandrīz 0 un palielinās līdz ar ieejas frekvenci līdz rezonanses frekvencei, un, kad ir sasniegta rezonanses frekvence, izeja ir maksimālajā pīķa punktā un nepārtraukti samazinās, palielinoties frekvencei un atkal tas rada 0 izvadi augstā frekvencē. Tātad tas nepārprotami pārsniedz noteiktu frekvenču diapazonu un rada izeju. Tāpēc iepriekš tas tika aprakstīts kā mainīgas frekvences mainīgas joslas (frekvenču joslas) caurlaides filtrs. Ja mēs rūpīgi aplūkosim izejas fāzes nobīdi, mēs skaidri redzēsim 0 grādu fāzes rezervi visā izvadē ar atbilstošu rezonanses frekvenci.

Šajā fāzes izejas līknē fāze ir tieši 0 grāds pie rezonanses frekvences, un tā tiek sākta no 90 grādiem līdz samazinājumam 0 grādos, kad ieejas frekvence palielinās, līdz tiek sasniegta rezonanses frekvence, un pēc tam fāze turpina samazināties - 90 grādi. Abos gadījumos tiek izmantoti divi termini. Ja fāze ir pozitīva, to sauc par fāzes avansu un negatīvas gadījumā to sauc par fāzes kavēšanos.

Mēs redzēsim filtra posma iznākumu šajā simulācijas video:

Šajā video 4,7k, ko kā R izmanto gan R1 R2, gan 10nF kondensatorā, izmanto gan C1, gan C2. Mēs pielietojām sinusoidālu vilni pa posmiem, un osciloskopā dzeltenais kanāls rāda shēmas ievadi, bet zilā līnija - shēmas izvadi. Ja mēs rūpīgi aplūkojam, izejas amplitūda ir 1/3 no ieejas signāla, un izejas fāze ir gandrīz identiska kā 0 grādu fāzes nobīde rezonanses frekvencē, kā tika apspriests iepriekš.

Rezonanses frekvence un sprieguma izeja:

Ja uzskatām, ka tiek izmantots R1 = R2 = R vai viens un tas pats rezistors, un kondensatora izvēlei C1 = C2 = C tiek izmantota tā pati kapacitātes vērtība, tad rezonanses frekvence būs

Fhz = 1 / 2πRC

R apzīmē rezistoru un C apzīmē kondensatoru vai kapacitāti, un Fhz, ja rezonanses frekvence.

Ja mēs vēlamies aprēķināt RC tīkla Vout, mums shēma būtu jāredz citādi.

Šis RC tīkls darbojas ar maiņstrāvas signālu ieeju. Aprēķināt ķēžu pretestību maiņstrāvas gadījumā, nevis aprēķināt ķēdes pretestību līdzstrāvas gadījumā, ir mazliet sarežģīti.

RC tīkls rada pretestību, kas darbojas kā pretestība pielietotajam maiņstrāvas signālam. Sprieguma dalītājam ir divas pretestības, šajos RC posmos abas pretestības ir Pirmā filtra (C1 R1) pretestība un Otrā filtra (R2 C2) pretestība.

Tā kā kondensators ir pievienots sērijveidā vai paralēli, tad pretestības formula būs: -

Z ir pretestības simbols, R ir pretestība un Xc apzīmē kondensatora kapacitatīvo reaktivitāti.

Izmantojot to pašu formulu, mēs varam aprēķināt pirmās pakāpes pretestību.

Gadījumā, ja uz otro posmu, formula ir tāda pati kā aprēķinot paralēlu līdzvērtīgu pretestība,

Z ir pretestība, R ir pretestība, X ir kondensators

Shēmas galīgo pretestību var aprēķināt, izmantojot šo formulu:

Mēs varam aprēķināt praktisko piemēru un redzēt iznākumu šādā gadījumā.

Ja mēs aprēķinām vērtību un redzam rezultātu, mēs redzēsim, ka izejas spriegums būs 1/3 no ieejas sprieguma.

Ja savienosim divpakāpju RC filtra izeju neinvertējošā pastiprinātāja ieejas tapā vai + Vin tapā un noregulēsim pastiprinājumu, lai atgūtu zaudējumus, izeja radīs sinusoidālu vilni. Tas ir Vīnes tilta svārstības un shēma ir Veina tilta oscilatora ķēde.

Veina tilta oscilatora darbība un būvniecība:

Iepriekš redzamajā attēlā RC filtrs ir pievienots op-amp, kas ir neinvertējošā konfigurācijā. R1 un R2 ir fiksētas vērtības rezistors, turpretī C1 un C2 ir mainīgs apdares kondensators. Mainot šo divu kondensatoru vērtību vienlaikus, mēs varētu iegūt pareizu svārstību no zemākā diapazona līdz augšējam diapazonam. Tas ir ļoti noderīgi, ja mēs vēlamies izmantot Wein tilta oscilatoru, lai radītu sinusoidālu viļņu ar dažādu frekvenci no zemākās līdz augšējai diapazonai. R3 un R4 tiek izmantoti op-amp atgriezeniskās saites iegūšanai. Izvades pieaugums vai pastiprinājums ir ļoti atkarīgs no šīm divām vērtību kombinācijām. Tā kā abos RC posmos izejas spriegums samazinās uz 1/3, ir svarīgi to atgūt. Gudrāka izvēle ir arī iegūt vismaz 3x vai vairāk nekā 3x (vēlams 4x) ieguvumu.

Mēs varam aprēķināt pieaugumu, izmantojot attiecību 1+ (R4 / R3).

Ja mēs atkal redzam attēlu, mēs varam redzēt, ka darbības pastiprinātāja atgriezeniskās saites ceļš no izejas ir tieši savienots ar RC filtra ieejas posmu. Tā kā divpakāpju RC filtram ir 0 grādu fāzes nobīdes rezonanses frekvences reģionā īpašība, un tas ir tieši saistīts ar op-amp pozitīvo atgriezenisko saiti, pieņemsim, ka tas ir xV + un negatīvajā atgriezeniskajā saitē tiek izmantots tāds pats spriegums, kas ir xV- ar to pašu 0 grādu fāzi op-amp diferencē abas ieejas un izslēdz negatīvo atgriezenisko signālu, un tāpēc turpinās, kad izeja, kas savienota pāri RC posmiem, op-amp sāk svārstīties.

Ja mēs izmantojam lielāku apgriezienu skaitu, augstākas frekvences op-amp, izejas frekvenci var maksimizēt ar plašu daudzumu.

Šajā segmentā ir daži augstas frekvences op-ampēri.

Mums arī jāatceras, kā iepriekšējā RC oscilatora apmācībā mēs apspriedām par slodzes efektu, mums vajadzētu izvēlēties op-amp ar augstu ieejas pretestību vairāk nekā RC filtrs, lai samazinātu slodzes efektu un nodrošinātu pareiza stabila svārstība.

• LM318A
• LT1192
• MAX477
• LT1226
• OPA838
• THS3491, kas ir 900 mHz ar augstu sēklu op-amp!
• LTC6409, kas ir 10 Ghz GBW diferenciālais op-amp. Nemaz nerunājot par to, ir nepieciešama īpaša shēmu pievienošana un ārkārtīgi laba RF dizaina taktika, lai sasniegtu arī šo augstfrekvences izvadi.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 Rūpnieciskās klases op-amp.

Veina tilta oscilatora praktiskais piemērs:

Aprēķināsim praktisku piemēra vērtību, izvēloties rezistora un kondensatora vērtību.

Šajā attēlā RC oscilatoram 4,7k rezistors tiek izmantots gan R1, gan R2. Izmantotais trimmera kondensators, kuram ir divi stabi, satur 1-100nF C1 un C2 apgriešanas jaudai. Ļauj aprēķināt svārstību biežumu 1nF, 50nF un 100nF. Mēs arī aprēķināsim op-amp pastiprinājumu kā R3, kas izvēlēts kā 100k, un R4, kas izvēlēts kā 300k.

Tā kā biežumu ir viegli aprēķināt pēc formulas

Fhz = 1 / 2πRC

Ja C vērtība ir 1nF un rezistors ir 4,7 k, tad frekvence būs

Fhz = 33 849 Hz vai 33,85 KHz

Ja C vērtība ir 50 nF un rezistors ir 4,7 k, tad frekvence būs

Fhz = 677Hz

Ja C vērtība ir 100nF un rezistors ir 4,7 k, tad frekvence būs

Fhz = 339Hz

Tātad augstākais frekvence, ko mēs varam sasniegt, izmantojot 1nF, kas ir 33,85 Khz, un zemākā frekvence, ko mēs varam sasniegt, izmantojot 100nF, ir 339Hz.

Op-amp pieaugums ir 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Tātad pieaugums = 1+ (300k + 100k) = 4x

Op-amp radīs 4x ievades pieaugumu pāri neapgrieztajai “pozitīvajai” tapai.

Tātad, izmantojot šo veidu, mēs varam radīt mainīgas frekvences joslas platumu Wein Bridge oscilatoru.

Pielietojums:

Wein Bridge oscilators, ko izmanto plašā pielietojuma līmenī elektronikas jomā, sākot no precīzas kondensatora vērtības atrašanas, 0 grādu fāzei stabilas oscilatora saistītās shēmas ģenerēšanai zema trokšņa līmeņa dēļ tā ir arī gudrāka izvēle dažādiem audio pakāpēm lietojumi, kur nepieciešama nepārtraukta svārstība.