Oscilátor fázového posuvu - Wien-Bridge, pufrovaný, kvadraturní, Bubba

Vyzkoušejte Náš Nástroj Pro Odstranění Problémů





Oscilátor fázového posuvu je obvod oscilátoru navržený pro generování sinusového výstupu. Pracuje s jediným aktivním prvkem, jako je BJT nebo operační zesilovač nakonfigurovaný v režimu invertujícího zesilovače.

Uspořádání obvodů vytváří zpětnou vazbu z výstupu na vstup pomocí obvodu RC (odpor / kondenzátor) uspořádaného v žebříkové síti. Zavedení této zpětné vazby způsobí pozitivní „posun“ ve fázi výstupu ze zesilovače o 180 stupňů při frekvenci oscilátoru.



Velikost fázového posunu vytvořeného RC sítí závisí na frekvenci. Vyšší frekvence oscilátoru vytvářejí větší množství fázového posunu.

Následující komplexní vysvětlení nám pomůže podrobněji se koncept naučit.



V předchozí příspěvek Dozvěděli jsme se o kritických úvahách, které jsou vyžadovány při navrhování oscilátoru fázového posunu založeného na operačních zesilovačích. V tomto příspěvku to posuneme dále a budeme vědět více o typy oscilátorů fázového posunu a jak vypočítat příslušné parametry pomocí vzorců.


Wien-Bridge obvod

Níže uvedený diagram ukazuje nastavení obvodu Wien-Bridge.

Schéma zapojení Wien-Bridge

Zde můžeme přerušit smyčku na kladném vstupu operačního zesilovače a vypočítat vracející se signál pomocí následující rovnice 2:

Když ⍵ = 2πpf = 1 / RC , zpětná vazba je ve fázi (pozitivní zpětná vazba), která má zisk 1/3 .

Oscilace proto vyžadují, aby obvod operační zesilovače měl zisk 3.

Když R F = 2R G , zesílení zesilovače je 3 a oscilace začíná při f = 1 / 2πRC.

V našem experimentu obvod kmital na 1,65 kHz namísto 1,59 kHz pomocí uvedených hodnot dílů na obrázku 3, ale se zjevným zkreslením.

Následující obrázek níže ukazuje obvod Wien-Bridge nelineární zpětná vazba .

Wien-bridge oscilátor s nelineární zpětnou vazbou

Můžeme vidět lampu RL, jejíž odpor vlákna je zvolen velmi nízký, asi 50% hodnoty odporu zpětné vazby RF, protože proud lampy je definován RF a RL.

Vztah mezi proudem lampy a odporem lampy je nelineární, pomáhá udržovat kolísání výstupního napětí na minimální úrovni.

Můžete také najít mnoho obvodů obsahujících diodu namísto výše vysvětleného konceptu nelineárního prvku zpětné vazby.

Použití diody pomáhá snížit úroveň zkreslení tím, že nabízí jemné řízení výstupního napětí.

Pokud však výše uvedené metody pro vás nejsou příznivé, musíte použít metody AGC, které stejně pomáhají dosáhnout sníženého zkreslení.

Na následujícím obrázku je zobrazen běžný oscilátor Wien-Bridge využívající obvod AGC.

Zde vzorkuje negativní sinusovou vlnu pomocí D1 a vzorek je uložen uvnitř C1.

Wien-bridge oscilátor s AGC

R1 a R2 se počítají tak, aby vycentrovaly předpětí na Q1, aby se zajistilo, že (R G + R. Q1 ) se rovná R. F / 2 s očekávaným výstupním napětím.

Pokud má výstupní napětí tendenci se zvyšovat, stoupá odpor Q1, což následně snižuje zisk.

V prvním obvodu můstkového oscilátoru Wien je napájení 0,833 V vidět na kladném vstupním kolíku operačního zesilovače. To bylo provedeno za účelem soustředění výstupního klidového napětí při VCC / 2 = 2,5 V.

Oscilátor fázového posuvu (jeden operační zesilovač)

Oscilátor fázového posuvu (jeden operační zesilovač)

Oscilátor fázového posunu lze také zkonstruovat pomocí jediného operačního zesilovače, jak je uvedeno výše.

Konvenční myšlení je takové, že v obvodech s fázovým posunem jsou stupně izolované a navzájem se řídí. To nám dává následující rovnici:

Pokud je fázový posun jednotlivých sekcí –60 °, je fázový posun smyčky = –180 °. To se stane, když ⍵ = 2πpf = 1,732 / RC protože tečna 60 ° = 1,73.

Hodnota β v tomto okamžiku je (1/2)3, což znamená, že zisk A musí být na úrovni 8, aby zisk systému byl na úrovni 1.

V tomto diagramu bylo zjištěno, že kmitočet oscilace pro uvedené hodnoty dílů je 3,76 kHz, a ne podle vypočtené oscilační frekvence 2,76 kHz.

Navíc bylo naměřeno, že zisk potřebný k zahájení oscilace je 26 a ne podle vypočteného zisku 8.

Tyto druhy nepřesností jsou do určité míry způsobeny nedokonalostmi součástí.

Nejvýznamnější ovlivňující aspekt je však způsoben nesprávnými předpovědi, že fáze RC se nikdy navzájem neovlivní.

Toto nastavení jediného operačního zesilovače bylo v dobách, kdy byly aktivní součásti objemné a drahé, docela dobře známé.

V dnešní době jsou operační zesilovače ekonomické a kompaktní a jsou k dispozici se čtyřmi čísly v jednom balíčku, proto jediný operační zesilovač fázového posunu nakonec ztratil své uznání.

Oscilátor fázového posunu s vyrovnávací pamětí

Oscilátor fázového posunu s vyrovnávací pamětí

Na výše uvedeném obrázku vidíme oscilátor s fázovým posunem, který pulzuje na 2,9 kHz namísto očekávané ideální frekvence 2,76 kHz a se ziskem 8,33 na rozdíl od ideálního zisku 8.

Vyrovnávací paměti zakazují vzájemné ovlivňování RC sekcí, a proto jsou oscilátory fázového posunu s vyrovnávací pamětí schopné pracovat blíže vypočítané frekvenci a zisku.

Rezistor RG odpovědný za nastavení zesílení načte třetí RC sekci, což umožňuje 4. operační zesilovač ve čtyřnásobném operačním zesilovači působit jako vyrovnávací paměť pro tuto RC sekci. To způsobí, že úroveň účinnosti dosáhne ideální hodnoty.

Můžeme extrahovat sinusovou vlnu s nízkým zkreslením z kteréhokoli z fázových oscilátorových stupňů, ale nejpřirozenější sinusovou vlnu lze odvodit z výstupu poslední RC sekce.

Obvykle se jedná o vysokoimpedanční nízkoproudé spojení, proto zde musí být použit obvod mající vstupní stupeň s vysokou impedancí, aby se zabránilo zatížení a odchylkám frekvence v reakci na změny zátěže.

Kvadraturní oscilátor

Kvadraturní oscilátor je další verzí oscilátoru fázového posuvu, nicméně tři RC stupně jsou sestaveny tak, že každá sekce sčítá 90 ° fázového posuvu.

Kvadraturní oscilátor

Výstupy jsou pojmenovány sinus a kosinus (kvadratura) jednoduše proto, že mezi výstupy operační zesilovače existuje fázový posun 90 °. Zisk smyčky je určen rovnicí 4.

S ⍵ = 1 / RC , Rovnice 5 zjednodušuje na 1√ - 180 ° , vedoucí k oscilacím v ⍵ = 2πpf = 1 / RC.

Experimentovaný obvod pulzoval na 1,65 kHz na rozdíl od vypočtené hodnoty 1,59 kHz a rozdíl je způsoben hlavně kolísáním dílčích hodnot.

Bubba oscilátor

Bubba oscilátor

Výše uvedený oscilátor Bubba je další variantou oscilátoru fázového posuvu, ale těží z výhod balíčku čtyřnásobných operačních zesilovačů a vytváří několik charakteristických rysů.

Čtyři RC sekce vyžadují 45 ° fázový posun pro každou sekci, což znamená, že tento oscilátor má vynikající dΦ / dt ke snížení frekvenčních odchylek.

Každá z RC sekcí generuje 45 ° fázový posun. To znamená, že protože máme výstupy z alternativních sekcí, zajišťuje kvadraturní výstupy s nízkou impedancí.

Kdykoli je výstup extrahován z každého operačního zesilovače, obvod produkuje čtyři 45 ° fázově posunuté sinusové vlny. Smyčkovou rovnici lze zapsat jako:

Když ⍵ = 1 / RC , výše uvedené rovnice se zmenší na následující rovnice 7 a 8.

Zisk, A, by měl dosáhnout hodnoty 4 k zahájení oscilace.

Analyzovaný obvod osciloval na 1,76 kHz na rozdíl od ideální frekvence 1,72 kHz, zatímco zisk se zdál být 4,17 namísto ideálního zisku 4.

Kvůli sníženému zisku NA a operační zesilovače s nízkým zkreslením, rezistor RG odpovědný za fixaci zisku nenačte finální RC sekci. To zaručuje nejpřesnější frekvenční výstup oscilátoru.

Sinusové vlny s extrémně nízkým zkreslením bylo možné získat ze spojení R a RG.

Kdykoli jsou na všech výstupech potřeba sinusové vlny s nízkým zkreslením, zisk by měl být ve skutečnosti rovnoměrně rozdělen mezi všechny opampy.

Neinvertující vstup zesilovacího operačního zesilovače je předpjatý při 0,5 V, aby vytvořil klidové výstupní napětí při 2,5 V. Distribuce zesílení vyžaduje předpětí ostatních operačních zesilovačů, ale rozhodně to nemá žádný vliv na frekvenci oscilace.

Závěry

Ve výše uvedené diskusi jsme pochopili, že oscilátory fázového posunu zesilovače Op jsou omezeny na spodní konec frekvenčního pásma.

To je způsobeno skutečností, že operační zesilovače nemají nezbytnou šířku pásma pro implementaci nízkého fázového posunu na vyšších frekvencích.

Použití moderních proudových zpětných zesilovačů v obvodech oscilátoru vypadá obtížně, protože jsou velmi citlivé na zpětnou vazbu.

Operační zesilovače napěťové zpětné vazby jsou omezeny na pouhých několik 100 kHz, protože vytvářejí nadměrný fázový posun.

Oscilátor Wien-Bridge pracuje s malým počtem dílů a jeho frekvenční stabilita je velmi přijatelná.

Zmírnění zkreslení ve Wien-mostově oscilátoru je ale méně snadné než zahájení samotného oscilačního procesu.

Kvadraturní oscilátor jistě běží pomocí několika operačních zesilovačů, ale obsahuje mnohem vyšší zkreslení. Oscilátory s fázovým posunem, jako oscilátor Bubba, však vykazují mnohem nižší zkreslení spolu s určitou slušnou frekvenční stabilitou.

Z výše uvedeného vyplývá, že vylepšená funkčnost tohoto typu oscilátorů s fázovým posunem není levná kvůli vyšším nákladům na zapojené části napříč různými fázemi obvodu.

Související webové stránky
www.ti.com/sc/amplifiers
www.ti.com/sc/docs/products/analog/tlv2471.html
www.ti.com/sc/docs/products/analog/tlv2472.html
www.ti.com/sc/docs/products/analog/tlv2474.html




Předchozí: Operační oscilátory Další: Obvod výkonového zesilovače od 1 000 do 2 000 wattů