Oscilator cu schimbare de fază RC

Ce este Oscilatorul?

Un oscilator este o construcție mecanică sau electronică care produce oscilație în funcție de puține variabile. Cu toții avem dispozitive care au nevoie de oscilatoare, ceas tradițional pe care îl avem cu toții în casă ca ceas de perete sau ceas de mână, diferite tipuri de detectoare de metale, calculatoare unde sunt implicate microcontrolerele și microprocesoarele, toate folosesc oscilatoare, în special oscilatorul electronic care produce semnale periodice.

Oscilator RC și fază:

Pe măsură ce discutăm despre oscilatorul RC, și fiind denumit și oscilator cu schimbare de fază, avem nevoie de o înțelegere corectă a ceea ce este faza. Vedeți această imagine: -

Dacă vedem unda sinusoidală de mai sus ca aceasta vom vedea clar că punctul de pornire al semnalului este de 0 grade în fază și, după aceea, fiecare punct de vârf al semnalului de la pozitiv la 0, apoi din nou punct negativ, atunci din nou 0 este, respectiv, 90 grad, 180 de grade, 270 de grade și 360 de grade în poziția de fază.

Faza este o perioadă completă a ciclului unei unde sinusoidale într-o referință de 360 de grade.

Acum, fără alte întârzieri, să vedem ce este schimbarea de fază?

Dacă schimbăm punctul de plecare al undei sinusoidale altul decât gradul 0, faza este deplasată. Vom înțelege schimbarea de fază în următoarea imagine.

În această imagine sunt prezentate două unde de semnal sinusoidal AC, prima undă sinusoidală verde are 360 de grade în fază, dar cea roșie care este replica primului semnal citit este cu 90 de grade din faza semnalului verde.

Folosind oscilatorul RC putem schimba faza unui semnal sinusoidal.

Schimbare de fază folosind circuitul oscilatorului RC:

RC înseamnă Resistor și Condensator. Putem pur și simplu să formăm o rețea de rezistență-condensator cu schimbare de fază folosind doar o singură rezistență și o singură formare de condensatori.

Așa cum se vede în tutorialul Filtru trecere înaltă, același circuit se aplică aici. Un oscilator tipic cu fază RC poate fi produs de un condensator în serie, împreună cu un rezistor în paralel.

Aceasta este o rețea de schimbare de fază cu un singur pol; circuitul este același cu filtrul de trecere înaltă pasivă. Teoretic, dacă aplicăm un semnal în fază pe această rețea RC, faza de ieșire va fi deplasată cu exact 90 de grade. Dar dacă încercăm în realitate și verificăm schimbarea de fază, atunci obținem 60 de grade până la mai puțin de 90 de grade. Depinde de frecvență și de toleranțele componentelor care creează efecte adverse în realitate. Cum știm cu toții că nimic nu este perfect, ar trebui să existe o diferență decât valorile așa-numite sau așteptate reale decât realitatea. Temperatura și alte dependențe externe creează dificultăți pentru a obține o schimbare de fază exactă de 90 de grade, 45 de grade este în general, 60 de grade este comună în funcție de frecvențe, iar atingerea de 90 de grade este o muncă foarte dificilă în multe cazuri.

Așa cum s-a discutat în tutorialul High pass, vom construi același circuit și vom investiga despre schimbarea de fază a aceluiași circuit.

Circuitul acelui filtru High Pass împreună cu valorile componentelor se află în imaginea de mai jos: -

Acesta este exemplul pe care l-am folosit în tutoriale anterioare cu filtre de trecere înaltă pasive. Va produce o lățime de bandă de 4,9 KHz. Dacă verificăm frecvența colțului, vom identifica unghiul de fază la ieșirea oscilatorului.

Acum putem vedea schimbarea de fază este pornită de la 90 de grade, care este schimbarea de fază maximă prin rețeaua oscilatorului RC, dar la punctul de frecvență de colț schimbarea de fază este de 45 de grade.

Acum, luând în considerare faptul că defazarea este de 90 de grade sau dacă selectăm construcția circuitului oscilatorului ca o modalitate specială care va produce defazarea de 90 de grade, atunci circuitul își va pierde imunitatea în domeniul de frontieră din cauza factorului de stabilizare a frecvenței slab. Așa cum ne putem imagina la punctul de 90 de grade, unde curba tocmai a început ca de la 10Hz sau inferior la 100Hz este aproape plană. Asta înseamnă că dacă frecvența oscilatorului s-a modificat ușor din cauza toleranței componentelor, a temperaturii, a altor circumstanțe inevitabile, defazarea nu se va schimba. Aceasta nu este o alegere bună. Deci, considerăm că 60 de grade sau 45 de grade este schimbarea de fază acceptabilă pentru oscilatorul de rețea RC cu un singur pol. Stabilitatea frecvenței se va îmbunătăți.

Filtre RC multiple în cascadă:

Cascade Trei filtre RC:

Luând în considerare acest fapt că nu putem obține doar o schimbare de fază de 60 de grade în loc de 90 de grade, putem în cascadă trei filtre RC (în cazul în care schimbarea de fază este de 60 de grade prin oscilatoare RC) sau în cascadă patru filtre în serie (Dacă schimbarea de fază este 45 de grade de fiecare oscilator RC) și obține 180 de grade.

În această imagine, trei oscilatoare RC sunt în cascadă și de fiecare dată se adaugă o schimbare de fază de 60 de grade și, în final, după a treia etapă vom obține o schimbare de fază de 180 de grade.

Vom construi acest circuit într-un software de simulare și vom vedea forma de undă de intrare și ieșire a circuitului.

Înainte de a intra în videoclip, să vedem imaginea circuitului și vom vedea și conexiunea osciloscopului.

În imaginea superioară am folosit condensator 100pF și valoarea rezistorului de 330k. Osciloscopul este conectat la intrarea VSIN (canalul A / galben), la ieșirea primului pol (canalul B / albastru), la ieșirea celui de-al ^doilea pol

(canalul C / roșu) și la ieșirea finală la al treilea pol (canalul D / verde).

Vom vedea simularea în videoclip și vom vedea schimbarea fazei în 60 de grade în primul pol, 120 de grade în al doilea pol și 180 de grade în al treilea pol. De asemenea, amplitudinea semnalului se va minimiza pas cu pas.

1 ^st pol de amplitudine> amplitudine pol 2a> 3a amplitudine pol. Cu cât mergem mai mult către ultimul pol, scăderea amplitudinii semnalului scade.

Acum vom vedea videoclipul de simulare: -

Se arată clar că fiecare pol care schimbă activ schimbările de fază și la ieșirea finală este deplasat la 180 de grade.

Cascade Patru Filtre RC:

În imaginea următoare, patru oscilatoare cu fază RC utilizate cu fiecare fază de 45 de grade, care produc o fază de 180 de grade la sfârșitul rețelei RC.

Oscilator cu schimbare de fază RC cu tranzistor:

Toate acestea sunt elemente sau componente pasive în oscilatorul RC. Obținem schimbarea fazei de 180 de grade. Dacă vrem să facem o schimbare de fază la 360 de grade, atunci este necesară o componentă activă care să producă o schimbare de fază suplimentară de 180 de grade. Acest lucru este realizat de un tranzistor sau un amplificator și necesită o tensiune suplimentară de alimentare.

În această imagine, un tranzistor NPN este utilizat pentru a produce o schimbare de fază de 180 de grade, în timp ce C1R1 C2R2 C3R3 va produce 60 de grade de întârziere de fază. Așadar, acumularea acestor trei 60 + 60 + 60 = deplasare de fază la 180 de grade se face pe de altă parte, adăugarea altor 180 de grade prin tranzistor este creată deplasarea de fază la 360 de grade. Vom obține deplasarea de fază la 360 de grade pe condensatorul electrolitic C5. Dacă dorim să schimbăm frecvența acestui mod unic de a schimba valoarea condensatorilor sau să folosim un condensator presetat variabil în acei trei poli individual, eliminând condensatorii fixi individuali.

O conexiune de feedback este făcută pentru a recupera energiile înapoi la amplificator folosind acea rețea RC cu trei poli. Este necesar pentru o oscilație pozitivă stabilă și pentru a produce tensiune sinusoidală. Datorită

conexiunii de feedback sau a configurației, oscilatorul RC este un oscilator de tip feedback.

În 1921, fizicianul german Heinrich Georg Barkhausen a introdus „criteriul Barkhausen” pentru determinarea relației dintre schimbările de fază de-a lungul buclei de feedback. Conform criteriului, circuitul va oscila numai dacă defazarea în jurul buclei de feedback este egală sau multiplă de 360 de grade și câștigul buclei este egal cu unul. Dacă schimbarea de fază este precisă la frecvența dorită și bucla de feedback creează oscilație de 360 de grade, atunci ieșirea va fi o undă sinusoidală. Filtrul RC servește la atingerea acestui scop.

Frecvența oscilatorului RC:

Putem determina cu ușurință frecvența oscilației folosind această ecuație: -

Unde,

R = rezistență (ohmi)

C = capacitate

N = numărul rețelei RC este / va fi utilizat

Această formulă este utilizată pentru proiectarea filtruului de trecere înaltă, putem folosi și filtrul de trecere joasă, iar defazarea va fi negativă. În acest caz, formula superioară nu va funcționa pentru calcularea frecvenței oscilatorului, se va aplica o formulă diferită.

Unde,

R = rezistență (ohmi)

C = capacitate

N = numărul rețelei RC este / va fi utilizat

Oscilator RC Phase Shift cu amplificator operațional:

Deoarece putem construi un oscilator cu fază RC folosind tranzistorul, adică BJT, există și alte limitări cu tranzistorul.

Este stabil pentru frecvențe joase.
Folosind doar un singur BJT, amplitudinea undei de ieșire nu este perfectă, este necesară circuite suplimentare pentru amplitudinea stabilizată a formei de undă.
Precizia frecvenței nu este perfectă și nu este imună la interferențe zgomotoase.
Efect de încărcare adversă. Datorită formării în cascadă, impedanța de intrare a celui de-al doilea pol schimbă proprietățile rezistenței rezistențelor primului filtru pol. Cu cât filtrele se încadrează mai mult, situația se agravează, deoarece va afecta precizia frecvenței oscilatorului de fază calculată.

Datorită atenuării rezistenței și condensatorului, pierderea pe fiecare etapă este crescută, iar pierderea totală este de aproximativ pierderea totală de 1/29 ^mii din semnalul de intrare.

Pe măsură ce atenueaza circuit la 1/29 - ^lea avem nevoie pentru a recupera pierderile.

Acesta este momentul pentru a schimba BJT cu un amplificator op. Putem, de asemenea, să recuperăm cele patru dezavantaje și să obținem mai mult spațiu pentru control dacă folosim op-amp în loc de BJT. Datorită impedanței mari de intrare, efectul de încărcare este, de asemenea, controlat în mod eficient, deoarece impedanța de intrare a amplificatorului op favorizează efectul general de încărcare.

Acum, fără alte modificări, să schimbăm BJT cu un Op-Amp și să vedem care va fi circuitul sau schema oscilatorului RC folosind Op-amp.

După cum putem vedea, Just BJT a fost înlocuit cu un amplificator op. Bucla de feedback este conectată la oscilatorul RC de la primul pol și se alimentează la pinul de intrare inversat al amplificatorului op. Datorită acestei conexiuni de feedback inversate, amplificatorul operațional va produce o schimbare de fază de 180 de grade. Schimbarea de fază suplimentară la 180 de grade va fi asigurată de cele trei etape RC. Vom obține ieșirea dorită a undei deplasate de fază la 360 de grade pe primul pin op-amp numit OSC out. R4 este utilizat pentru compensarea câștigului amplificatorului op. Putem modifica circuitele pentru a obține o ieșire oscilată de înaltă frecvență, dar în funcție de lățimea de bandă a frecvenței amplificatorului op.

De asemenea, pentru a obține rezultatul dorit, avem nevoie pentru a calcula câștigul rezistor R4 pentru a atinge 29 de ^mii de ori mai mare amplitudine peste op-AMP ca avem nevoie pentru a compensa cu pierderea de 1/29 - ^lea peste etape RC.

Să vedem, vom realiza un circuit cu o valoare reală a componentelor și vom vedea care va fi ieșirea simulată a oscilatorului cu fază RC.

Vom folosi rezistență de 10 k ohmi și condensator de 500 pF și vom determina frecvența oscilației. De asemenea, vom calcula valoarea rezistenței de câștig.

N = 3, deoarece vor fi utilizate 3 etape.

R = 10000, ca 10k ohmi convertit în ohmi

C = 500 x 10 ^-12 ca valoare condensator este 500pF

Ieșirea este de 12995Hz sau valoarea relativ apropiată este de 13 KHz.

Deoarece câștigul amplificatorului este necesar de 29 ^de ori, valoarea rezistorului de câștig este calculată folosind această formulă: -

Câștig = Rf / R 29 = Rf / 10k Rf = 290k

Acesta este modul în care oscilatorul cu schimbare de fază este construit folosind componente RC și amplificator op.

Aplicațiile oscilatorului cu fază RC includ amplificatoare în care este utilizat transformatorul audio și este necesar semnalul audio diferențial, dar semnalul inversat nu este disponibil sau dacă sursa de semnal AC este necesară pentru orice aplicație, atunci se utilizează filtrul RC. De asemenea, generatorul de semnal sau generatorul de funcții utilizează oscilator cu fază RC.