Rc faseverschuivingsoscillator

Wat is een oscillator?

Een oscillator is een mechanische of elektronische constructie die oscillatie produceert afhankelijk van enkele variabelen. We hebben allemaal apparaten die oscillatoren nodig hebben, traditionele klok die we allemaal in huis hebben als wandklok of polshorloge, verschillende soorten metaaldetectoren, computers waar microcontrollers en microprocessors bij betrokken zijn, gebruiken allemaal oscillatoren, vooral elektronische oscillator die periodieke signalen produceert.

RC-oscillator en fase:

Zoals we bespreken over RC-oscillator, en omdat het ook faseverschuivingsoscillator wordt genoemd, hebben we een goed begrip nodig van wat fase is. Zie deze afbeelding: -

Als we de bovenstaande sinusvormige golf zoals deze zien, zullen we duidelijk zien dat het startpunt van het signaal 0 graden in fase is, en daarna elk piekpunt van het signaal van positief naar 0 en dan weer negatief punt en dan weer 0 wordt respectievelijk aangeduid als 90 graden, 180 graden, 270 graden en 360 graden in fasepositie.

Fase is een volledige cyclusperiode van een sinusoïdale golf in een 360 graden referentie.

Laten we nu zonder verder uitstel kijken wat faseverschuiving is?

Als we het beginpunt van de sinusoïdale golf anders dan de 0 graden verschuiven, wordt de fase verschoven. In de volgende afbeelding zullen we faseverschuiving begrijpen.

In deze afbeelding zijn er twee AC sinusvormige signaalgolven gepresenteerd, de eerste groene sinusvormige golf is 360 graden in fase, maar de rode die de replica is van het eerste leessignaal bevindt zich 90 graden uit de fase van het groene signaal.

Met behulp van een RC-oscillator kunnen we de fase van een sinusvormig signaal verschuiven.

Faseverschuiving met behulp van RC-oscillatorcircuit:

RC staat voor Resistor and Capacitor. We kunnen eenvoudig een faseverschuivingsweerstand-condensator-netwerk vormen met slechts één weerstand en één condensatorformatie.

Zoals te zien is in de zelfstudie Hoogdoorlaatfilter, is hier hetzelfde circuit van toepassing. Een typische RC-faseverschuivingsoscillator kan worden geproduceerd door een condensator in serie samen met een parallel geschakelde weerstand.

Dit is een enkelpolig faseverschuivingsnetwerk; het circuit is hetzelfde als passief hoogdoorlaatfilter. Theoretisch als we een in fase signaal over dit RC-netwerk toepassen, zal de uitgangsfase precies 90 graden worden verschoven. Maar als we het in werkelijkheid proberen en de faseverschuiving controleren, bereiken we een faseverschuiving van 60 graden tot minder dan 90 graden. Het hangt af van de frequentie en de toleranties van de componenten die in werkelijkheid een nadelig effect hebben. Omdat we allemaal weten dat niets perfect is, zou er een verschil moeten zijn dan de werkelijke zogenaamde of verwachte waarden dan de realiteit. Temperatuur en andere externe afhankelijkheden veroorzaken moeilijkheden om een exacte faseverschuiving van 90 graden te bereiken, 45 graden is in het algemeen, 60 graden is gebruikelijk, afhankelijk van de frequenties en het bereiken van 90 graden is in veel gevallen een zeer moeilijke taak.

Zoals besproken in de zelfstudie High pass zullen we hetzelfde circuit construeren en de faseverschuiving van hetzelfde circuit onderzoeken.

Het circuit van dat hoogdoorlaatfilter samen met de componentwaarden staat in de onderstaande afbeelding: -

Dit is het voorbeeld dat we hebben gebruikt in eerdere tutorials over passieve hoogdoorlaatfilters. Het produceert een bandbreedte van 4,9 kHz. Als we de hoekfrequentie controleren, zullen we de fasehoek aan de uitgang van de oscillator identificeren.

Nu kunnen we zien dat de faseverschuiving wordt gestart vanaf 90 graden, wat de maximale faseverschuiving is door het RC-oscillatornetwerk, maar op het punt van de hoekfrequentie is de faseverschuiving 45 graden.

Gezien het feit dat de faseverschuiving 90 graden is of als we de constructie van het oscillatorcircuit selecteren als een speciale manier die een faseverschuiving van 90 graden produceert, dan zal het circuit zijn immuniteit in grensbereik verliezen vanwege een slechte frequentiestabilisatiefactor. Zoals we ons kunnen voorstellen, is op het punt van 90 graden waar de curve net begon, zoals van de 10Hz of lager naar de 100Hz, bijna vlak. Dat betekent dat als de frequentie van de oscillator enigszins veranderde als gevolg van de tolerantie van de componenten, de temperatuur of andere onvermijdelijke omstandigheden, de faseverschuiving niet zal veranderen. Dat is geen goede keuze. Dus we beschouwen 60 graden of 45 graden als de acceptabele faseverschuiving voor eenpolige RC-netwerkoscillator. De frequentiestabiliteit zal verbeteren.

Meerdere RC-filters in cascade plaatsen:

Cascade drie RC-filters:

Door rekening te houden met dit feit dat we niet alleen een faseverschuiving van 60 graden kunnen bereiken in plaats van 90 graden, kunnen we drie RC-filters cascaderen (als de faseverschuiving 60 graden is bij RC-oscillatoren) of door vier filters in serie te schakelen (als de faseverschuiving 45 graden door elke RC-oscillator) en krijg 180 graden.

In deze afbeelding zijn drie RC-oscillatoren in cascade geschakeld en elke keer 60 graden faseverschuiving toegevoegd en uiteindelijk krijgen we na de derde fase 180 graden faseverschuiving.

We zullen dit circuit in simulatiesoftware construeren en de input- en outputgolfvorm van het circuit bekijken.

Voordat we naar de video gaan, laten we het beeld van het circuit zien en ook de oscilloscoopaansluiting.

In de bovenste afbeelding hebben we een condensator van 100 pF en een weerstand van 330 k gebruikt. De oscilloscoop is verbonden met de ingang VSIN (A / Geel-kanaal), met de eerste pooluitgang (B / Blauw-kanaal), de ^2e pool-uitgang

(C / Rood-kanaal) en de laatste met de derde pool (D / Groen-kanaal).

We zullen de simulatie in de video zien en de faseverandering zien in 60 graden over de eerste pool, 120 graden over de tweede pool en 180 graden over de derde pool. Ook wordt de amplitude van het signaal stap voor stap geminimaliseerd.

1 ^ste pole amplitude> 2 pole amplitude> 3 pole amplitude. Meer gaan we richting de laatste pool, de afname van de amplitude van het signaal is afname.

Nu zullen we de simulatievideo zien: -

Het is duidelijk te zien dat elke pool actief de faseverschuivingen verandert en bij de uiteindelijke uitgang naar 180 graden wordt verschoven.

Cascade vier RC-filters:

In de volgende afbeelding worden vier RC-faseverschuivingsoscillatoren gebruikt met elk een faseverschuiving van 45 graden, die 180 graden faseverschuiving produceren aan het einde van het RC-netwerk.

RC-faseverschuivingsoscillator met transistor:

Dit zijn allemaal passieve elementen of componenten in de RC-oscillator. We krijgen de faseverschuiving van 180 graden. Als we een faseverschuiving van 360 graden willen maken, is een actieve component vereist die een extra faseverschuiving van 180 graden produceert. Dit wordt gedaan door een transistor of een versterker en vereist extra voedingsspanning.

In deze afbeelding wordt een NPN-transistor gebruikt om een faseverschuiving van 180 graden te produceren, terwijl de C1R1 C2R2 C3R3 een fasevertraging van 60 graden produceert. Dus het accumuleren van deze drie 60 + 60 + 60 = 180 graden faseverschuiving gebeurt aan de andere kant door nog eens 180 graden toe te voegen door de transistor totale 360 graden faseverschuiving wordt gecreëerd. We krijgen 360 graden faseverschuiving over de C5 elektrolytische condensator. Als we de frequentie van deze ene manier willen veranderen om de waarde van de condensatoren te veranderen, of een variabele vooraf ingestelde condensator over die drie polen afzonderlijk gebruiken door individuele vaste condensatoren te elimineren.

Er wordt een feedbackverbinding gemaakt om de energieën terug te halen naar de versterker met behulp van dat driepolige RC-netwerk. Het is noodzakelijk voor stabiele positieve oscillatie en om sinusvormige spanning te produceren. Vanwege de

feedbackverbinding of de configuratie is de RC-oscillator een oscillator van het feedbacktype.

In 1921 introduceerde de Duitse natuurkundige Heinrich Georg Barkhausen het "Barkhausen-criterium" voor het bepalen van de relatie tussen faseverschuivingen over de feedbacklus. Volgens het criterium zal het circuit alleen oscilleren als de faseverschuiving rond de feedbacklus gelijk is aan of veelvoud is van 360 graden en de versterking van de lus gelijk is aan één. Als de faseverschuiving nauwkeurig is op de gewenste frequentie en de feedbacklus een 360-graden oscillatie creëert, zal de uitvoer een sinusgolf zijn. RC-filter dient om dit doel te bereiken.

Frequentie van RC-oscillator:

We kunnen eenvoudig de frequentie van de oscillatie bepalen met behulp van deze vergelijking: -

Waar,

R = Weerstand (Ohm)

C = Capaciteit

N = Aantal RC-netwerken dat / zal worden gebruikt

Deze formule wordt gebruikt voor ontwerp met betrekking tot een hoogdoorlaatfilter, we kunnen ook een laagdoorlaatfilter gebruiken en de faseverschuiving zal negatief zijn. In dat geval werkt de bovenste formule niet voor het berekenen van de frequentie van de oscillator, er is een andere formule van toepassing.

Waar,

R = Weerstand (Ohm)

C = Capaciteit

N = Aantal RC-netwerken dat / zal worden gebruikt

RC-faseverschuivingsoscillator met op-amp:

Omdat we een RC-faseverschuivingsoscillator kunnen construeren met behulp van Transistor, dwz BJT, zijn er ook andere beperkingen met Transistor.

Het is stabiel voor lage frequenties.
Door slechts één BJT te gebruiken, is de amplitude van de uitgangsgolf niet perfect, er is extra schakeling nodig om de amplitude van de golfvorm te stabiliseren.
De frequentienauwkeurigheid is niet perfect en het is niet immuun voor storende interferentie.
Ongunstig laadeffect. Door cascadevorming verandert de ingangsimpedantie van de tweede pool de weerstandseigenschappen van de eerste pool van het filter. Als de filters meer in cascade zijn geplaatst, verslechtert de situatie, omdat dit de nauwkeurigheid van de berekende faseverschuivingsoscillatorfrequentie zal beïnvloeden.

Vanwege de verzwakking over de weerstand en de condensator, wordt het verlies in elke trap verhoogd en de totale schade ongeveer totaal verlies van 1/29 ^ste van het ingangssignaal.

Aangezien het circuit verzwakt op 1/29 ^e, moeten we het verlies recupereren.

Dit is het moment om de BJT te veranderen met een Op-amp. We kunnen die vier nadelen ook herstellen en meer hoofdruimte krijgen over de besturing als we op-amp gebruiken in plaats van BJT. Vanwege de hoge ingangsimpedantie wordt het laadeffect ook effectief gecontroleerd omdat de ingangsimpedantie van de op-amp het algehele laadeffect bevordert.

Laten we nu zonder de verdere modificatie de BJT veranderen met een Op-Amp en kijken wat het circuit of schema van de RC-oscillator zal zijn met behulp van Op-amp.

Zoals we kunnen zien, is Just BJT vervangen door een omgekeerde op-amp. De feedbacklus is verbonden met de eerste pool RC-oscillator en wordt naar de omgekeerde ingangspen van de op-amp geleid. Vanwege deze omgekeerde feedbackverbinding produceert de op-amp een faseverschuiving van 180 graden. Extra faseverschuiving van 180 graden wordt geleverd door de drie RC-fasen. We krijgen de gewenste output van een 360-graden faseverschoven golf over de op-amp eerste pin genaamd OSC out. De R4 wordt gebruikt voor de versterkingscompensatie van de op-amp. We kunnen het circuit aanpassen om een hoogfrequente oscillerende uitvoer te krijgen, maar afhankelijk van de bandbreedte van het frequentiebereik van de op-amp.

Ook voor het verkrijgen van het gewenste resultaat moeten we berekenen de winst weerstand R4 bereiken 29 ^ste maal grotere amplitude over op-amp als we moeten compenseren het verlies van 1/29 ^ste over RC fasen.

Laten we eens kijken, we zullen een circuit maken met echte componentenwaarde en kijken wat de gesimuleerde output van de RC-faseverschuivingsoscillator zal zijn.

We zullen een weerstand van 10k ohm en een condensator van 500pF gebruiken en de frequentie van de oscillatie bepalen. We zullen ook de waarde van de versterkingsweerstand berekenen.

N = 3, aangezien er 3 fasen worden gebruikt.

R = 10000, als 10k ohm geconverteerd naar ohm

C = 500 x ^10-12 als condensatorwaarde is 500 pF

De uitvoer is 12995 Hz of de relatief dichtbij gelegen waarde is 13 kHz.

Aangezien de op-amp gain nodig 29 ^ste keer de waarde van de versterking weerstand wordt berekend met de formule: -

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

Dit is hoe de Phase Shift-oscillator is geconstrueerd met behulp van RC-componenten en Op-amp.

Toepassingen van RC-faseverschuivingsoscillator omvatten versterkers waarbij de audiotransformator wordt gebruikt en een differentieel audiosignaal nodig is, maar het geïnverteerde signaal niet beschikbaar is, of als een AC-signaalbron nodig is voor een toepassing, wordt een RC-filter gebruikt. Signaalgenerator of functiegenerator gebruiken ook RC-faseverschuivingsoscillator.