/ Vodič i teorija o oscilatoru Wien Bridgea

Vodič i teorija o oscilatoru Wien Bridge

Oscilator

U RC oscilator tutorial smo vidjeli da je broj otpornika i kondenzatora može biti spojen zajedno s inverting pojačalo za proizvodnju oscilirajući krug.

Jedan od najjednostavnijih sinusnih oscilatora koji koristi RC mrežu umjesto konvencionalnog LC sinkroniziranog spremnika kako bi proizveo sinusni izlazni valni oblik, naziva se Wien Bridge Oscillator.

Ovaj Wien Bridge Oscillator je tako nazvan jer se sklop temelji na afrekvencijski selektivni oblik kruga Wheatstonovog mosta. Oscilator Wien Bridge je dvostupanjski RC spregnuti krug pojačala koji ima dobru stabilnost na svojoj rezonantnoj frekvenciji, nisko izobličenje i vrlo je jednostavan za podešavanje što ga čini popularnim sklopom kao oscilator audio frekvencije, ali fazni pomak izlaznog signala je znatno različit od prethodnog faznog pomaka RC oscilator.

Ovaj Wien Bridge Oscillator koristi povratni krug koji se sastoji od serije RCkrug spojen s paralelnim RC-om istih vrijednosti komponenti koje stvaraju fazno kašnjenje ili fazni krug ovisno o frekvenciji. Na rezonantnoj frekvenciji ther fazni pomak je 0o, Razmotrite krug ispod.

RC faza pomak mreže

osnovna mreža faznog pomaka rc

Navedena RC mreža sastoji se od serije RCkrug spojen na paralelni RC koji u osnovi tvori filtar za visokopropusne veze spojen na niskopropusni filtar koji proizvodi vrlo selektivan frekvencijski filtar ovisan o frekvenciji drugog reda s visokim Q-faktorom na odabranoj frekvenciji, .r.

Na niskim frekvencijama reaktancija serijekondenzator (C1) je vrlo visok tako djeluje malo kao otvoreni krug, blokirajući bilo koji ulazni signal na Vin rezultira gotovo bez izlaznog signala, Vout. Isto tako, na visokim frekvencijama reaktancija paralelnog kondenzatora (C2) postaje vrlo niska, tako da ovaj paralelno spojeni kondenzator djeluje malo kao kratki spoj na izlazu, tako da opet nema izlaznog signala.

Dakle, mora postojati frekvencijska točka između ova dva ekstrema C1-a i C2 koji je kratko spojen gdje je izlazni napon, VOd doseže svoju maksimalnu vrijednost. Frekvencijska vrijednost ulaznog valnog oblika na kojem se to događa zove se oscilator Rezonantna frekvencija, ()r).

Na ovoj rezonantnoj frekvenciji, krugovireaktancija je jednaka njegovom otporu, to jest: Xc = R, a fazna razlika između ulaza i izlaza jednaka je nula stupnjeva. Veličina izlaznog napona je stoga maksimalna i jednaka je jednoj trećini (1/3) ulaznog napona kako je prikazano.

Izlazno pojačanje oscilatora i fazni pomak

oscilator izlazne dobiti

Može se vidjeti da na vrlo niskim frekvencijamafazni kut između ulaznih i izlaznih signala je "Pozitivan" (Phase Advanced), dok na vrlo visokim frekvencijama fazni kut postaje "Negativan" (Phase Delay). U sredini tih dviju točaka krug je na svojoj rezonantnoj frekvenciji, ()r), pri čemu su dva signala "u fazi" ili 0o, Stoga tu točku rezonantne frekvencije možemo definirati sljedećim izrazom.

Frekvencija oscilatora mosta Wien

Frekvencija oscilatora mosta
  • Gdje:
  • isr je rezonantna frekvencija u Hertzu
  • R je otpor u omama
  • C je Kapacitet u Faradsu

Ranije smo rekli da je veličinaizlazni napon, Vout iz RC mreže je na svojoj maksimalnoj vrijednosti i jednaka trećini (1/3) ulaznog napona, Vin kako bi se omogućilo pojavljivanje oscilacija. Ali zašto jedna trećina, a ne neka druga vrijednost. Da bi razumjeli zašto izlaz iz RC kruga iznad treba biti jedna trećina, to jest 0.333xVin, moramo uzeti u obzir kompleksnu impedanciju (Z = R ± jX) dvaju povezanih RC sklopova.

Mi znamo iz naših AC Teorija tutoriali dastvarni dio kompleksne impedancije je otpor, R dok je imaginarni dio reaktancija, X. Budući da se ovdje radi o kondenzatorima, reaktantni dio će biti kapacitivna reaktansa, Xc.

RC mreža

rc mreža

Ako ponovno prikažemo gornju RC mrežu kako je prikazano, možemo jasno vidjeti da se sastoji od dva RC kruga povezana zajedno s izlazom iz njihova spoja. Otpornik R1 i kondenzator C1 čine mrežu gornje serije, a otpornik R2 i kondenzator C2 formiraju donju paralelnu mrežu.

Stoga je ukupna istosmjerna impedancija serijske kombinacije (R1C1) možemo nazvati, ZS i ukupna impedancija paralelne kombinacije (R2C2) možemo nazvati, ZP, Kao ZS i ZP su učinkovito povezani zajedno u seriji preko ulaza, VU, oni tvore mrežu razdjelnika napona s izlazom iz cijelog ZP kao što je prikazano.

Pretpostavimo tada da su vrijednosti komponente R1 i R2 isti su na: 12kΩ, kondenzatori C1 i C2 su isti na: 3.9nF i frekvencija napajanja, 3.4 je 3.4kHz.

Krug serije

Ukupna impedancija serijske kombinacije s otpornikom, R1 i kondenzator, C1 je jednostavno:

impedancija serije

Sada znamo da je s frekvencijom napajanja od 3.4kHz reaktancija kondenzatora ista kao otpor otpora na 12kΩ. To nam tada daje impedanciju Z gornje serijeS od 17kΩ.

Za donju paralelnu impedanciju ZP, Kako su dvije komponente paralelne, to moramo tretirati drugačije, jer je impedancija paralelnog kruga pod utjecajem ove paralelne kombinacije.

Paralelni krug

Ukupna impedancija donje paralelne kombinacije s otpornikom, R2 i kondenzator, C2 daje se kao:

paralelna impedancija

Na frekvenciji napajanja od 3400 Hz ili 3,4 kHz, kombinirana DC impedancija RC paralelnog kruga postaje 6k 6 (R || Xc), pri čemu se vektorski zbroj ove paralelne impedancije izračunava kao

paralelna složena impedancija

Dakle, sada imamo vrijednost za vektorski zbroj impedancije serije: 17kΩ, (ZS = 17kΩ) i za paralelnu impedanciju: 8.5kΩ, (ZP = 8.5kΩ). Stoga je ukupna izlazna impedancija, zout mreže djelitelja napona na danoj frekvenciji:

wien most oscilator kompleks impedancija

Zatim na frekvenciji oscilacija, veličinuizlaznog napona, Vout će biti jednak Zout x Vin koji je prikazan jednak trećini (1/3) ulaznog napona, Vin i to je ta frekventno selektivna RC mreža koja čini osnovu Wien Bridge Oscillator sklop.

Ako sada stavimo ovu RC mrežu preko neinvertirajućeg pojačala koje ima dobit od 1 + R1 / R2 dobiva se osnovni oscilatorski krug Wien mosta.

Wien Bridge Oscillator

wien most oscilator

Izlaz operativnog pojačala se napajanatrag na oba ulaza pojačala. Jedan dio povratnog signala je spojen na invertirajući ulazni priključak (negativna ili degenerativna povratna veza) preko mreže razdjelnika otpornika R1 i R2, što omogućuje da se pojačanje naponskog pojačanja podesi u uskim granicama.

Drugi dio, koji čini niz iParalelne kombinacije R i C tvore povratnu mrežu i vraćaju se natrag na neinvertirajući ulazni priključak (pozitivna ili regenerativna povratna informacija) preko RC Wien Bridge mreže i upravo ta pozitivna povratna sprega dovodi do oscilacija.

RC mreža je povezana u pozitivuput povratne veze pojačala i ima nulti pomak faze samo jednu frekvenciju. Tada na odabranoj rezonantnoj frekvenciji, ()r) naponi koji se primjenjuju na invertirajuće i neinvertirajuće ulaze bit će jednaki i "u fazi" tako da će pozitivna povratna informacija poništiti negativni povratni signal koji uzrokuje osciliranje kruga.

Dobitak napona kruga pojačala MORA bitijednako previše ili više od tri "Gain = 3" za oscilacije za početak jer kao što smo vidjeli gore, ulaz je 1/3 izlaza. Ova vrijednost, (Av ≥ 3) postavlja mreža otpornika povratne sprege, R1 i R2, a za neinvertirajuće pojačalo to je omjer 1+ (R1 / R2).

Također, zbog ograničenja dobitka otvorene petlje kod operativnih pojačala, frekvencije iznad 1MHz su nedostižne bez uporabe posebnih pojačala visoke frekvencije.

Primjer br

Odredite maksimalnu i minimalnu frekvenciju oscilacija a Wien Bridge Oscillator sklop s otpornikom od 10kΩ i promjenjivim kondenzatorom od 1nF do 1000nF.

Učestalost oscilacija za Wien Bridge oscilator daje se kao:

wien most oscilator rezonantne frekvencije

Najmanja frekvencija Wien Bridge oscilatora

wien most oscilator niže frekvencije

Wien Bridge Oscillator Najviša frekvencija

wien most oscilator veće frekvencije

Primjer br

La Wien Bridge Oscillator potreban je za generiranje sinusoidnog valnog oblika od 5.200 Hertza (5.2kHz). Izračunajte vrijednosti otpornika za određivanje frekvencije R1 i R2 i dva kondenzatora C1 i C2 proizvesti traženu frekvenciju.

Također, ako oscilator sklop se temelji oko aNeinvergirajuća konfiguracija operacijskog pojačala, odrediti minimalne vrijednosti za otpornike pojačala kako bi se proizvele potrebne oscilacije. Konačno nacrtajte kolo oscilatora.

izlazna frekvencija mosta

Učestalost oscilacija za Wien Bridge oscilator bila je 5200 Hertza. Ako su otpornici R1 = R2 i kondenzatori C1 = C2 i pretpostavljamo vrijednost za povratne kondenzatore od 3.0nF, zatim se odgovarajuća vrijednost otpornika povratne veze izračunava kao:

otpornik za određivanje frekvencije

Za početak sinusoidnih oscilacija, napon napona Wien Bridge sklopa mora biti jednak ili veći od 3, (Av> 3). Za ne-invertirajuću konfiguraciju op-amp, ova vrijednost se postavlja pomoću mreže otpornika povratne veze od R3 i R4 i daje se kao:

op-amp dobitak

Ako izaberemo vrijednost za otpornik R3, recimo, 100 kΩ, tada se vrijednost otpornika R4 izračunava kao:

otpornik op-amp povratne veze

Dok je dobitak od 3 minimalna vrijednost koja je potrebna za osiguravanje oscilacija, u stvarnosti vrijednost nešto viša od one koja je općenito potrebna. Ako pretpostavimo dobitnu vrijednost od 3.1 tada se otpornik R4 ponovno izračunava kako bi dao vrijednost od 47kΩ. To daje konačni krug Wien Bridge oscilatora kao:

Primjer br. 2. kruga oscilatora mosta Wien

frekvencija oscilatorskog kruga mosta u Wienu

Sažetak oscilatora Wien Bridgea

Zatim za pojavu oscilacija u a Wien Bridge Oscillator moraju se primijeniti sljedeći uvjeti.

  • Bez ulaznog signala, Wien Bridge oscilator proizvodi stalne izlazne oscilacije.
  • Wien Bridge Oscillator može proizvesti veliki raspon frekvencija.
  • Dobitak napona pojačala mora biti veći od 3.
  • RC mreža se može koristiti s neinvertirajućim pojačalom.
  • Ulazni otpor pojačala mora biti visok u usporedbi s R, tako da RC mreža nije preopterećena i mijenja potrebne uvjete.
  • Izlazni otpor pojačala mora biti nizak, tako da je učinak vanjskog opterećenja minimiziran.
  • Neki način stabilizacije amplitude. \ Tmoraju se osigurati oscilacije. Ako je naponsko pojačanje pojačala premalo, željena oscilacija će se raspasti i zaustaviti. Ako je prevelik, izlaz će zasititi vrijednost opskrbnih tračnica i iskriviti.
  • Sa stabilizacijom amplitude u obliku povratnih dioda, oscilacije iz oscilatora Wien Bridgea mogu se nastaviti neograničeno.

U našem konačnom pogledu na Oscilatore, ispitat ćemo kristalni oscilator koji koristi kvarcni kristal kao svoj krug spremnika kako bi proizveo visoku frekvenciju i vrlo stabilan sinusni valni oblik.

Komentari (0)
Dodaj komentar