Rc faseskiftoscillator

Hva er oscillator?

En oscillator er en mekanisk eller elektronisk konstruksjon som produserer oscillasjon avhengig av få variabler. Vi har alle enheter som trenger oscillatorer, tradisjonell klokke som vi alle har hjemme som veggklokke eller armbåndsur, forskjellige typer metalldetektorer, datamaskiner der mikrokontroller og mikroprosessorer er involvert, alle bruker oscillatorer, spesielt elektronikkoscillator som produserer periodiske signaler.

RC oscillator og fase:

Når vi diskuterer om RC-oscillator, og da den også kalles faseskiftoscillator, trenger vi en god forståelse av hva som er fase. Se dette bildet: -

Hvis vi ser den ovennevnte sinusformede bølgen som denne, vil vi tydelig se at signalets startpunkt er 0 grader i fase, og etter det betegner hvert toppunkt i signalet fra positivt til 0, så igjen negativt punkt, henholdsvis igjen henholdsvis 90 grad, 180 grader, 270 grader og 360 grader i faseposisjon.

Fase er en hel syklusperiode for en sinusformet bølge i en 360 graders referanse.

Nå, uten ytterligere forsinkelse, la oss se hva faseskift er?

Hvis vi forskyver det sinusformede bølgeutgangspunktet enn 0-graden, forskyves fasen. Vi vil forstå faseskift i neste bilde.

I dette bildet er det to AC sinusformede signalbølger presentert, den første grønne sinusformede bølgen er 360 grader i fase, men den røde som er kopien til det første, avleste signalet er 90 grader ut av det grønne signalets fase.

Ved hjelp av RC-oscillator kan vi skifte fasen av et sinusformet signal.

Faseskift ved bruk av RC Oscillator Circuit:

RC står for motstand og kondensator. Vi kan ganske enkelt danne et faseskift motstandskondensatornettverk ved å bare bruke en motstand og en kondensatorformasjon.

Som vist i høypassfilteropplæringen, gjelder den samme kretsen her. En typisk RC faseforskyvningsoscillator kan produseres av en kondensator i serie sammen med en motstand parallelt.

Dette er et enpolet faseskiftnettverk; kretsen er den samme som passivt høypassfilter. Teoretisk, hvis vi bruker et fasesignal over dette RC-nettverket, vil utgangsfasen bli forskjøvet med nøyaktig 90 grader. Men hvis vi prøver det i virkeligheten og sjekker faseskiftet, så oppnår vi 60 grader til mindre enn 90 graders faseskift. Det avhenger av frekvensen og komponenttoleransene som gir en negativ virkning i virkeligheten. Som vi alle vet at ingenting er perfekt, bør det være noen forskjell enn faktiske såkalte eller forventede verdier enn virkeligheten. Temperatur og andre ytre avhengigheter skaper vanskeligheter med å oppnå nøyaktig 90 graders faseforskyvning, 45 grader er generelt, 60 grader er vanlige, avhengig av frekvensene, og å oppnå 90 grader er i mange tilfeller en veldig vanskelig jobb.

Som diskutert i High pass tutorial vil vi konstruere den samme kretsen og undersøke om faseskiftet til den samme kretsen.

Kretsen til det høypassfilteret sammen med komponentverdiene er i bildet nedenfor: -

Dette er eksemplet vi brukte i tidligere passive high pass filter tutorials. Den vil produsere 4,9 KHz båndbredde. Hvis vi sjekker hjørnefrekvensen, vil vi identifisere fasevinkelen ved utgangen til oscillatoren.

Nå kan vi se at faseskiftet startes fra 90 grader, som er det maksimale faseskiftet med RC-oscillatornettverk, men på hjørnefrekvenspunktet er faseskiftet 45 grader.

Tatt i betraktning det faktum at faseskiftet er 90 grader, eller hvis vi velger oscillatorkretskonstruksjonen som en spesiell måte som vil produsere 90 graders faseforskyvning, vil kretsen miste sin immunitet i grenseområdet på grunn av dårlig frekvensstabiliseringsfaktor. Som vi kan forestille oss på det punktet 90 grader der kurven akkurat startet som fra 10Hz eller Nedre til 100Hz er nesten flat. Det betyr at hvis oscillatorens frekvens endret seg noe på grunn av komponenttoleranse, temperatur, andre uunngåelige omstendigheter, vil ikke faseskiftet endres. Det er ikke et godt valg. Så vi anser at 60 grader eller 45 grader er akseptabel faseforskyvning for enpolet RC-nettverksoscillator. Frekvensstabiliteten vil bli bedre.

Cascading Multiple RC Filters:

Cascade Three RC-filtre:

Ved å vurdere dette faktum at vi ikke bare kan oppnå 60 graders faseskift i stedet for 90 grader, kan vi kaskade tre RC-filtre (Hvis faseskiftet er 60 grader med RC-oscillatorer) eller ved å kaskade fire filtre i serie (Hvis faseskiftet er 45 grader av hver RC-oscillator) og få 180 grader.

I dette bildet kaskaderte tre RC-oscillatorer, og hver gang 60 graders faseskift ble lagt til, og til slutt etter tredje trinn får vi 180 graders faseskift.

Vi vil konstruere dette kretsløpet i simuleringsprogramvare og se inngangs- og utgangsbølgeformen til kretsene.

Før du går inn i videoen, kan vi se bildet av kretsene og se oscilloskopforbindelsen også.

I det øvre bildet brukte vi 100pF kondensator og 330k motstandsverdi. Oscilloskopet er koblet over inngangs VSIN (A / gul kanal), på tvers av første pol utgang (B / blå kanal), 2 ^nd pol utgang

(C / rød kanal), og det endelige resultatet tvers tredje pol (D / Green kanalen).

Vi vil se simuleringen i videoen og vil se faseendringen i 60 grader over første pol, 120 grader over andre pol og 180 grader over tredje pol. Også signalets amplitude vil minimere trinnvis.

1 ^st pol amplitude> andre pol amplitude> tredje pol amplitude. Mer vi går mot siste pol, reduseres amplitudedempningen til signalet.

Nå får vi se simuleringsvideoen: -

Det er tydelig vist at hver pol aktivt endrer faseforskyvninger, og ved den endelige utgangen forskyves den til 180 grader.

Cascade Fire RC-filtre:

I det neste bildet brukes fire RC-faseskiftoscillatorer som brukes med 45-graders faseskift hver, som produserer 180 graders faseskift på slutten av RC-nettverket.

RC fase skift oscillator med transistor:

Alt dette er passive elementer eller komponenter i RC-oscillatoren. Vi får faseskiftet på 180 grader. Hvis vi ønsker å lage en 360 graders faseskift, kreves en aktiv komponent som gir ytterligere 180 graders faseskift. Dette gjøres av en transistor eller en forsterker og krever ekstra forsyningsspenning.

I dette bildet brukes en NPN-transistor til å produsere faseforskyvning på 180 grader, mens C1R1 C2R2 C3R3 vil produsere 60 graders faseforsinkelse. Så akkumulering av disse tre 60 + 60 + 60 = 180 graders faseforskyvninger gjøres derimot ved å legge til ytterligere 180 grader av transistoren totalt 360 graders faseforskyvning opprettes. Vi får 360 graders faseforskyvning over C5 elektrolytkondensator. Hvis vi vil endre frekvensen på denne måten å endre kondensatorverdien eller bruke en variabel forhåndsinnstilt kondensator på tvers av de tre polene hver for seg ved å eliminere individuelle faste kondensatorer.

En tilbakemeldingstilkobling er laget for å hente energiene tilbake til forsterkeren ved hjelp av det trepolede RC-nettverket. Det er nødvendig for stabil positiv svingning og for å produsere sinusformet spenning. På grunn av

tilbakemeldingstilkoblingen eller konfigurasjonen er RC-oscillator en oscillator av tilbakemeldingstype.

I 1921 introduserte den tyske fysikeren Heinrich Georg Barkhausen "Barkhausen-kriterium" for å bestemme forholdet mellom faseforskyvninger på tvers av tilbakemeldingsløyfen. I henhold til kriteriet vil kretsen bare svinge hvis faseforskyvningen rundt tilbakekoblingssløyfen er lik eller multiple på 360 grader og forsterkningen av sløyfen er lik en. Hvis faseskiftet er nøyaktig med ønsket frekvens og tilbakemeldingssløyfen skaper 360-graders svingning, vil utgangen være en sinusbølge. RC-filter tjener til å oppnå dette formålet.

Frekvens av RC Oscillator:

Vi kan enkelt bestemme svingningsfrekvensen ved hjelp av denne ligningen: -

Hvor,

R = Motstand (Ohm)

C = Kapasitans

N = Antall RC-nettverk er / vil bli brukt

Denne formelen brukes til høypassfiltrelatert design, vi kan også bruke lavpassfilter og faseforskyvningen vil være negativ. I slike tilfeller vil den øvre formelen ikke fungere for å beregne frekvensen til oscillatoren, en annen formel vil være gjeldende.

Hvor,

R = Motstand (Ohm)

C = Kapasitans

N = Antall RC-nettverk er / vil bli brukt

RC Phase Shift Oscillator med Op-amp:

Ettersom vi kan konstruere RC faseforskyvningsoscillator ved hjelp av Transistor, dvs. BJT, er det også andre begrensninger med Transistor.

Den er stabil for lave frekvenser.
Bare å bare bruke en BJT er ikke utgangsbølgens amplitude perfekt, det kreves ytterligere kretser for å stabilisere bølgeformens amplitude.
Frekvensnøyaktigheten er ikke perfekt, og den er ikke immun mot støyende forstyrrelser.
Bivirkningseffekt. På grunn av kaskadannelse endrer den andre polens inngangsimpedans motstandsegenskapene til det første polfilteret. Flere filtre kaskades mer situasjonen forverres, da det vil påvirke nøyaktigheten av beregnet faseforskyvningsoscillatorfrekvens.

På grunn av dempningen over motstanden og kondensatoren økes tapet over hvert trinn, og det totale tapet er omtrent totalt tap på 1/29 ^th av inngangssignalet.

Når kretsløpet dempes 1/29 ^th, må vi gjenopprette tapet.

Dette er tiden for å endre BJT med en Op-amp. Vi kan også gjenopprette de fire ulempene og få mer takhøyde over kontrollen hvis vi bruker op-amp i stedet for BJT. På grunn av høy inngangsimpedans styres belastningseffekten også effektivt fordi op-amp inngangsimpedans fremmer den totale belastningseffekten.

Nå, uten ytterligere modifisering, la oss endre BJT med en Op-Amp og se hva som vil være kretsløpet eller skjematisk til RC-oscillatoren ved hjelp av Op-amp.

Som vi kan se, erstattet Just BJT med en invertert op-amp. Tilbakemeldingssløyfen er koblet over den første polede RC-oscillatoren og mates til den op-amp inverterte inngangspinnen. På grunn av denne omvendte tilbakemeldingstilkoblingen vil op-amp produsere en 180-graders faseforskyvning. Ytterligere 180-graders faseskift vil bli gitt av de tre RC-trinnene. Vi får ønsket utgang av 360-graders faseforskyvet bølge over op-amp første pin kalt OSC ut. R4 brukes til gevinstkompensasjon for op-amp. Vi kan justere kretsene for å få høyfrekvent oscillert utgang, men avhengig av frekvensområdet båndbredde til op-amp.

Også for å få ønsket resultat må vi beregne gevinst motstanden R4 å oppnå 29 ^th ganger større amplitude over op-amp som vi trenger for å kompensere tapet av 1/29 ^th over RC stadier.

La oss se, vi vil lage en krets med verdi for virkelige komponenter og se hva som vil være den simulerte utgangen til RC faseforskyvningsoscillator.

Vi vil bruke 10k ohm motstand og 500pF kondensator og bestemme frekvensen på svingningen. Vi vil også beregne verdien av forsterkningsmotstanden.

N = 3, da tre trinn vil bli brukt.

R = 10000, da 10k ohm omregnet til ohm

C = 500 x ^10-12 som kondensatorverdi er 500pF

Utgangen er 12995Hz eller den relativt nærme verdien er 13 KHz.

Ettersom operasjonsforsterkerens forsterkning er nødvendig 29 ^th ganger verdien av forsterkningsmotstanden beregnes ved hjelp av følgende formel: -

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

Slik er faseskiftoscillatoren konstruert ved hjelp av RC-komponenter og Op-amp.

Anvendelser av RC faseforskyvningsoscillator inkluderer forsterkere der lydtransformatoren brukes og differensial lydsignal er nødvendig, men det inverterte signalet ikke er tilgjengelig, eller hvis AC-signalkilde er nødvendig for en hvilken som helst applikasjon, brukes RC-filter. Signalgenerator eller funksjonsgenerator bruker også RC-faseforskyvningsoscillator.