/ / Учебник и теория на осцилатора на Wien Bridge

Урок и теория на осцилатора на Wien Bridge

осцилатор

В RC осцилатор урок видяхме, че редица резистори и кондензатори могат да бъдат свързани заедно с обръщане усилвател за производство на колебания верига.

Един от най-простите синусоидални осцилатори, който използва RC мрежа на мястото на конвенционалната LC настроена верига на резервоара, за да произвежда синусоидална форма на вълната, се нарича Осцилатор на мост от Виена.

Най- Осцилатор на мост от Виена е така наречен, защото веригата се основава на aчестотно-селективна форма на мостовата верига Уитстон. Осцилаторът на Wien Bridge е двустепенна RC свързана усилвателна схема, която има добра стабилност на резонансната си честота, ниско изкривяване и е много лесна за настройване, което я прави популярна верига като аудио честота, но фазовото изместване на изходния сигнал е значително различно от предишното фазово изместване RC осцилатор.

Най- Осцилатор на мост от Виена използва верига за обратна връзка, състояща се от серия RCверига, свързана с паралелен RC с еднакви стойности на компонентите, произвеждащи фазова фаза на закъснение или фаза на аванс, в зависимост от честотата. При резонансната честота ther фазовото изместване е 0о, Помислете за веригата по-долу.

Мрежа за RC фазово изместване

основна мрежа за фазово изместване на rc

Горната RC мрежа се състои от серия RCверига, свързана с паралелен RC, формиращ основно High Pass Filter, свързан към нискочестотен филтър, произвеждащ много селективен честотно зависим честотен филтър с висок Q фактор при избраната честота, .r.

При ниски честоти реактивността на сериятакондензатор (C1) е много висока, така действа малко като отворена верига, блокиране на всеки входен сигнал на Вин, което води до почти никакъв изходен сигнал, Vout. По същия начин, при високи честоти, реактивността на паралелния кондензатор (С2) става много ниска, така че този паралелно свързан кондензатор действа малко като късо съединение в изхода, така че отново няма изходен сигнал.

Така че трябва да има честотна точка между тези две крайности на С1 е отворен кръг и С2 е късо съединение, където изходното напрежение, VOUT достига максималната си стойност. Честотната стойност на входящата вълнова форма, при която това се случва, се нарича осцилатори Резонансна честота()r).

На тази резонансна честота веригитесъпротивлението е равно на неговото съпротивление, т.е. Следователно величината на изходното напрежение е максимална и е равна на една трета (1/3) от входното напрежение, както е показано.

Изходно усилване на осцилатора и смяна на фазите

усилване на изходния генератор

Може да се види, че при много ниски честотифазовият ъгъл между входните и изходните сигнали е „положителен“ (Phase Advanced), докато при много високи честоти фазовият ъгъл става „отрицателен“ (Phase Delay). В средата на тези две точки веригата е на резонансната си честота ()r), като двата сигнала са „във фаза” или 0о, Следователно можем да дефинираме тази резонансна честотна точка със следния израз.

Австрийска честота на осцилатора на моста

честота на виенския мост
  • Където:
  • isr е резонансната честота в херца
  • R е съпротивлението в ома
  • С е Капацитетът във Фарад

По-рано казахме, че величината наизходното напрежение, Vout от RC мрежа е на максималната си стойност и равна на една трета (1/3) от входното напрежение, Vin, за да се даде възможност за възникване на колебания. Но защо една трета, а не друга стойност. За да разберем защо изходът от RC схемата трябва да бъде една трета, това е 0.333xVin, трябва да разгледаме комплексния импеданс (Z = R ± jX) на двете свързани RC схеми.

Ние знаем от нашите уроци по теория на AC, череална част от комплексния импеданс е съпротивлението, R докато въображаемата част е реактивното съпротивление, X. Тъй като ние се занимаваме с кондензатори тук, реакционната част ще бъде капацитивна, Xc.

Мрежата RC

rc мрежа

Ако преначертаем горепосочената RC мрежа, както е показано, ясно можем да видим, че тя се състои от две RC вериги, свързани заедно с изхода, взет от тяхното съединение. Резистор R1 и кондензатор С1 образуват мрежата от най-горните серии, докато резистор R2 и кондензатор С2 образуват дънната паралелна мрежа.

Следователно, общият импеданс на постоянния ток на серийната комбинация (R1° С1) можем да наречем ZС и общия импеданс на паралелната комбинация (R2° С2) можем да наречем ZP, Като ZС и ZP са ефективно свързани заедно в серия на входа, VПО, те образуват мрежа на делителя на напрежението с изхода от ZP както е показано.

Да предположим, че стойностите на компонентите на R1 и R2 са същите при: 12k 12, кондензатори С1 и С2 са същите при: 3.9nF и честотата на захранване, 3.4 е 3.4kHz.

Серийна верига

Общият импеданс на серията комбинация с резистор, R1 и кондензатор, С1 е просто:

серия импеданс

Сега знаем, че с честота на захранване 3.4kHz, реактивността на кондензатора е същата като съпротивлението на резистора при 12kΩ. Това ни дава горната серия импеданс ZС от 17kΩ.

За долния паралелен импеданс ZP, тъй като двата компонента са успоредни, трябва да го третираме по различен начин, защото импедансът на паралелната верига се влияе от тази паралелна комбинация.

Паралелна верига

Общият импеданс на долната паралелна комбинация с резистор, R2 и кондензатор, С2 се дава като:

паралелен импеданс

При честота на подаване 3400Hz, или 3.4kHz, комбинираният DC импеданс на RC паралелната схема става 6kΩ (R || Xc), като векторната сума на този паралелен импеданс се изчислява като:

паралелен комплексен импеданс

Така че сега имаме стойността за векторната сума на импеданса на серията: 17kΩ, (Z.)С = 17kΩ) и за паралелния импеданс: 8.5kΩ, (ZP = 8.5kΩ). Следователно общият изходен импеданс, Zout на мрежата на делителя на напрежението при дадената честота е:

Виен мост осцилатор комплексен импеданс

Тогава на честотата на трептенията, величинатана изходното напрежение, Vout ще бъде равен на Zout x Vin, който както е показано е равен на една трета (1/3) от входното напрежение, Vin и това е тази честотна селективна RC мрежа, която формира основата на Осцилатор на мост от Виена верига.

Ако сега поставим тази RC мрежа в неинвертиращ усилвател, който има печалба от 1 + R1 / R2, се получава следната основна осцилаторна верига на Wien.

Осцилатор на мост от Виена

Виен мост осцилатор

Извежда се оперативният усилвателобратно към двата входа на усилвателя. Една част от сигнала за обратна връзка е свързана към инвертиращия входен терминал (отрицателна или дегенеративна обратна връзка) чрез резисторната разделителна мрежа от R1 и R2, която позволява усилващото усилване на усилвателите да бъде регулирано в тесни граници.

Другата част, която формира серията ипаралелните комбинации от R и C формират мрежата за обратна връзка и се връщат обратно към неинвертиращия входен терминал (положителна или регенеративна обратна връзка) чрез мрежата на RC Wien Bridge и именно тази положителна обратна връзка предизвиква трептенията.

RC мрежата е свързана в положителна посокаобратна връзка на усилвателя и има нулева фаза смяна само една честота. Тогава при избраната резонансна честота, ()r) напреженията, прилагани към инвертиращите и неинвертиращите входове, ще бъдат равни и „във фазата”, така че положителната обратна връзка ще отмени отрицателния сигнал за обратна връзка, предизвикващ веригата да се люлее.

Напрежението на усилвателната верига трябва да бъдее равно или по-голямо от три “Gain = 3” за трептения, защото както видяхме по-горе, входът е 1/3 от изхода. Тази стойност (Av ≥ 3) се определя от резисторната мрежа за обратна връзка, R1 и R2, а за неинвертиращ усилвател това се дава като съотношение 1+ (R1 / R2).

Също така, поради ограниченията на операционните усилватели с отворен цикъл, честотите над 1MHz са недостижими без използването на специални високочестотни усилватели.

Пример за осцилатор на Wien Bridge No1

Определете максималната и минималната честота на колебанията на a Осцилатор на мост от Виена верига с резистор от 10kΩ и променлив кондензатор от 1nF до 1000nF.

Честотата на осцилациите за осцилатор на мост в Виена се дава като:

Виен мост осцилатор резонансна честота

Най-ниска честота на осцилатора на Wien Bridge

wien мост осцилатор по-ниска честота

Wien Bridge Oscillator Най-висока честота

wien мост осцилатор по-висока честота

Пример за № 2 на Wien Bridge Oscillator

А Осцилатор на мост от Виена веригата е необходима за генериране на синусоидална форма на вълната от 5,200 Hz (5.2kHz). Изчислете стойностите на честотните резистори R1 и R2 и двата кондензатора С1 и С2 да произвеждат необходимата честота.

Също така, ако осцилатор верига се основава околонеинвертиращата конфигурация на операционния усилвател, определя минималните стойности на резисторите на усилване за произвеждане на необходимите трептения. Накрая се извлече получената верига на осцилатора.

изходна честота на моста във Виена

Честотата на осцилациите за осцилатора Wien Bridge е дадена като 5200 херца. Ако резистори R1 = R2 и кондензатори С1 = С2 и ние приемаме стойност за кондензаторите за обратна връзка от 3.0nF, след това съответната стойност на резисторите за обратна връзка се изчислява като:

резистор, определящ честотата

За да започне синусоидалните трептения, усилването на напрежението на веригата Wien Bridge трябва да е равно или по-голямо от 3, (Av ≥ 3). За неинвертираща конфигурация на оп-усилвателя тази стойност се задава от резисторната мрежа за обратна връзка от R3 и R4 и се дава като:

усилване на оп-усилвател

Ако изберете стойност за резистор R3 от 100k,, то стойността на резистора R4 се изчислява като:

резистор за обратна връзка с усилвател

Докато печалбата от 3 е минималната стойност, необходима за осигуряване на колебания, в действителност стойността е малко по-висока от тази, която обикновено се изисква. Ако приемем стойност на печалба от 3.1 след това резистор R4 се преизчислява, за да даде стойност от 47kΩ. Това дава последната верига на осцилатора на Wien Bridge като:

Пример №2 на верига на осцилатор на мост в Wien

wien мост осцилатор верига честота

Обобщение на осцилатора на Wien Bridge

Тогава за колебания да се появят в a Осцилатор на мост от Виена трябва да се прилагат следните условия.

  • Без входния сигнал осцилаторът на Wien Bridge произвежда постоянни изходни трептения.
  • Осцилаторът на Wien Bridge може да произвежда широк диапазон от честоти.
  • Повишаването на напрежението на усилвателя трябва да бъде по-голямо от 3.
  • RC мрежата може да се използва с неинвертиращ усилвател.
  • Входното съпротивление на усилвателя трябва да бъде високо в сравнение с R, така че RC мрежата да не е претоварена и да промени необходимите условия.
  • Изходното съпротивление на усилвателя трябва да е ниско, така че ефектът от външното натоварване да бъде минимизиран.
  • Някои методи за стабилизиране на амплитудата на. \ Tтрябва да се осигурят трептения. Ако напрежението на усилвателя е твърде малко, желаната трептене ще падне и ще спре. Ако е твърде голям, изходът ще насити стойността на захранващите релси и ще се деформира.
  • С амплитудна стабилизация под формата на обратни диоди, осцилациите от осцилатора на Wien Bridge могат да продължат неопределено време.

В нашия последен поглед към Осцилаторите, ще разгледаме Кристалния осцилатор, който използва кварцов кристал като резервоарна верига, за да произведе висока честота и много стабилна синусоидална форма на вълната.

Коментари (0)
Добави коментар