Wein-brugoscillator

In deze tutorial zullen we leren over Wein Bridge Oscillator die is ontwikkeld door een Duitse natuurkundige Max Wien. Het is oorspronkelijk ontwikkeld voor het berekenen van de capaciteit waarbij de weerstand en de frequentie bekend zijn. Voordat we verder gaan met de discussie over wat de Wein Bridge-oscillator eigenlijk is en hoe deze wordt gebruikt, laten we eens kijken wat de oscillator is en wat de Wein Bridge-oscillator is.

Wein Bridge-oscillator:

Net als in de vorige tutorial van RC Oscillator, is een weerstand en condensator vereist om een faseverschuiving te produceren, en als we een versterker aansluiten in inverterende specificaties en de versterker en RC-netwerken verbinden met een feedbackverbinding, begint de uitgang van de versterker een sinusvormige golfvorm door oscillatie.

In een Wien-brugoscillator worden twee RC-netwerken over een versterker gebruikt en produceren ze een oscillatorcircuit.

Maar waarom zouden we de Wien-brugoscillator kiezen ?

Vanwege de volgende punten is de Wien-brugoscillator een verstandiger keuze voor het produceren van sinusoïdale golf.

Het is stabiel.
De vervorming of de THD (Total Harmonic Distortion) is onder beheersbare limiet.
We kunnen de frequentie heel effectief veranderen.

Zoals eerder verteld, heeft de Wein Bridge-oscillator tweetraps RC-netwerken. Dat betekent dat het bestaat uit twee niet-polaire condensatoren en twee weerstanden in een hoog- en laagdoorlaatfilter. Een weerstand en een condensator in serie en anderzijds een condensator en een weerstand in parallelopstelling. Als we het circuit construeren, ziet het schema er ongeveer zo uit: -

Zoals duidelijk te zien is, zijn er twee condensatoren en worden twee weerstanden gebruikt. Beide RC-trappen die fungeren als hoogdoorlaat- en laagdoorlaatfilter zijn met elkaar verbonden, wat het product is van een banddoorlaatfilter dat de frequentieafhankelijkheid van twee ordetrappen accumuleert. De R1- en R2-weerstand zijn hetzelfde en ook de C1- en C2-capaciteit is hetzelfde.

Wein Bridge Oscillator Output Gain en Phase Shift:

Wat er in het RC-netwerkcircuit in de bovenstaande afbeelding gebeurt, is erg interessant.

Wanneer lage frequentie wordt toegepast, is de reactantie van de eerste condensator (C1) hoog genoeg en blokkeert het ingangssignaal en weerstaat het circuit om een 0-uitgang te produceren, aan de andere kant gebeurt hetzelfde op een andere manier voor de tweede condensator (C2) die is parallel aangesloten. C2-reactantie is te laag geworden en omzeilt het signaal en produceert opnieuw 0 uitgangen.

Maar in het geval van een middenfrequentie wanneer de C1-reactantie niet hoog is en de C2-reactantie niet laag is, zal er output over het C2-punt worden gegeven. Deze frequentie wordt resonantiefrequentie genoemd.

Als we diep in het circuit kijken, zullen we zien dat de reactantie van het circuit en de weerstand van het circuit gelijk is als de resonantiefrequentie wordt bereikt.

Er zijn dus twee regels die in dat geval worden toegepast wanneer het circuit wordt geleverd door de resonantiefrequentie over de ingang.

A. Het faseverschil van invoer en uitvoer is gelijk aan 0 graden.

B. Omdat het in 0 graden is, zal de output maximaal zijn. Maar hoeveel? Het is nauw en nauwkeurig 1/3 ^rd grootteorde het ingangssignaal.

Als we de output van het circuit zien, zullen we die punten begrijpen.

De uitvoer is precies dezelfde curve als de afbeelding die wordt weergegeven. Bij lage frequentie vanaf 1 Hz is de uitvoer minder of bijna 0 en neemt toe met de frequentie bij invoer tot aan de resonantiefrequentie, en wanneer de resonantiefrequentie wordt bereikt, is de uitvoer op het maximale piekpunt en neemt voortdurend af met het toenemen van de frequentie en opnieuw het produceert 0 output bij hoge frequentie. Het passeert dus duidelijk een bepaald frequentiebereik en produceert de output. Daarom werd het eerder beschreven als een frequentie-afhankelijke variabele band (frequentieband) doorlaatfilter. Als we goed kijken naar de faseverschuiving van de uitgang, zien we duidelijk de 0 graden fasemarge over de uitgang bij de juiste resonantiefrequentie.

In deze fase-uitgangscurve is de fase precies 0 graden op de resonantiefrequentie en wordt deze gestart van 90 graden naar afnemend bij 0 graden wanneer de ingangsfrequentie wordt verhoogd totdat de resonantiefrequentie is bereikt en daarna blijft de fase afnemen aan het eindpunt van - 90 graden. Er worden in beide gevallen twee termen gebruikt. Als de fase positief is, wordt dit Phase Advance genoemd en in het geval van negatief wordt dit Phase Delay genoemd.

We zullen de output van de filtertrap zien in deze simulatievideo:

In deze video wordt 4.7k gebruikt als R in zowel R1 R2 als de 10nF condensator wordt gebruikt voor zowel C1 als C2. We hebben een sinusvormige golf toegepast over de trappen en in de oscilloscoop toont Yellow Channel de input van de schakelingen en de blauwe lijn toont de output van de schakelingen. Als we goed kijken, is de uitgangsamplitude 1/3 van het ingangssignaal en is de uitgangsfase bijna identiek als 0 graden faseverschuiving in resonantiefrequentie zoals eerder besproken.

Resonantiefrequentie en uitgangsspanning:

Als we bedenken dat R1 = R2 = R of dezelfde weerstand wordt gebruikt, en voor de selectie van de condensator C1 = C2 = C dezelfde capaciteitswaarde wordt gebruikt, dan wordt de resonantiefrequentie

Fhz = 1 / 2πRC

De R staat voor Resistor en de C staat voor de condensator of capaciteit, en de Fhz als Resonantiefrequentie.

Als we de Vout van het RC-netwerk willen berekenen, moeten we het circuit op een andere manier zien.

Dit RC-netwerk werkt met AC-ingangssignalen. Het berekenen van de circuitweerstand in het geval van AC in plaats van het berekenen van de circuitweerstand in het geval van DC is een beetje lastig.

RC-netwerk creëert impedantie die werkt als weerstand op een toegepast AC-signaal. Een spanningsdeler heeft twee weerstanden, in deze RC-fasen zijn de twee weerstanden de impedantie van het eerste filter (C1 R1) en de impedantie van het tweede filter (R2 C2).

Omdat er een condensator in serie of parallel is aangesloten, is de impedantieformule: -

Z is het symbool van impedantie, R is de weerstand en de Xc staat voor de capacitieve reactantie van de condensator.

Door dezelfde formule te gebruiken, kunnen we de impedantie van de eerste trap berekenen.

In het geval van de tweede trap is de formule hetzelfde als het berekenen van de parallelle equivalente weerstand,

Z is de impedantie, R is het verzet, X is de condensator

De uiteindelijke impedantie van het circuit kan worden berekend met behulp van deze formule: -

We kunnen een praktijkvoorbeeld berekenen en de output in dat geval bekijken.

Als we de waarde berekenen en het resultaat zien, zullen we zien dat de uitgangsspanning 1/3 van de ingangsspanning zal zijn.

Als we de tweetraps RC-filteruitgang verbinden met een niet-inverterende versterkerinvoerpen of + Vin-pen, en de versterking aanpassen om het verlies te herstellen, zal de uitvoer een sinusvormige golf produceren. Dat is de Wien-brugoscillatie en het circuit is het Wein-brugoscillatorcircuit.

Werking en constructie van Wein Bridge Oscillator:

In de bovenstaande afbeelding is het RC-filter aangesloten op een op-amp die zich in een niet-inverterende configuratie bevindt. R1 en R2 is een weerstand met een vaste waarde, terwijl de C1 en C2 een variabele trimcondensator zijn. Door de waarde van die twee condensatoren tegelijkertijd te variëren, konden we een goede oscillatie krijgen van een lager bereik naar een hoger bereik. Het is erg handig als we de Wein-brugoscillator willen gebruiken om sinusoïdale golven te produceren met een verschillende frequentie van een lager naar een hoger bereik. En de R3 en R4 worden gebruikt voor de versterking van de op-amp-feedback. De outputversterking of de versterking is in hoge mate afhankelijk van deze twee waardecombinaties. Omdat de twee RC-trappen de uitgangsspanning met 1 / 3e verlagen, is het essentieel om dat terug te krijgen. Het is ook een verstandiger keuze om minimaal 3x of meer dan 3x (4x geprefereerde) winst te behalen.

We kunnen de winst berekenen met behulp van 1+ (R4 / R3) -relatie.

Als we de afbeelding opnieuw zien, kunnen we zien dat het feedbackpad van de operationele versterker vanaf de uitgang rechtstreeks is verbonden met de ingangstrap van het RC-filter. Omdat het tweetraps RC-filter een eigenschap heeft van 0 graden faseverschuiving in het resonantiefrequentiegebied en rechtstreeks is verbonden met de positieve feedback van de op-amp, laten we aannemen dat het xV + is en dat in de negatieve feedback dezelfde spanning wordt toegepast die xV- is. met dezelfde 0 graden fase onderscheidt de op-amp de twee ingangen en sluit het negatieve terugkoppelingssignaal uit en daarom gaat de op-amp door naarmate de uitgang over RC-trappen is aangesloten, begint de op-amp te oscilleren.

Als we een hogere slew-rate, hogere frequentie op-amp gebruiken, kan de uitgangsfrequentie met een grote hoeveelheid worden gemaximaliseerd.

Er zijn maar weinig hoge frequentie op-amps zijn in dit segment

ook moeten we niet vergeten als in voorgaande RC-oscillator tutorial willen we discussieerden over het laden effect, moeten we de op-amp met een hoge ingangsimpedantie kiezen voor meer dan de RC-filter om het laden effect te verminderen en te zorgen voor juiste stabiele oscillatie.

LM318A
LT1192
MAX477
LT1226
OPA838
THS3491 dat is 900 mHz hoge zaad-op-amp!
LTC6409 dat is 10 Ghz GBW differentiële op-amp. Om nog maar te zwijgen van het feit dat dit speciale aanvullende schakelingen en uitzonderlijk goede RF-ontwerptactieken vereist om ook deze hoogfrequente output te bereiken.
LTC160
OPA365
TSH22 Industriële kwaliteit op-amp.

Praktisch voorbeeld van Wein Bridge Oscillator:

Laten we een praktische voorbeeldwaarde berekenen door de weerstand en de condensatorwaarde te kiezen.

In deze afbeelding wordt voor de RC-oscillator een weerstand van 4.7k gebruikt voor zowel R1 als R2. En een gebruikte trimmercondensator met twee polen bevat 1-100nF voor trimcapaciteit C1 en C2. Laten we de oscillatiefrequentie berekenen voor 1nF, 50nF en 100nF. We zullen ook de versterking van de op-amp berekenen als R3 geselecteerd als 100k en R4 geselecteerd als 300k.

Omdat het berekenen van de frequentie eenvoudig is door de formule van

Fhz = 1 / 2πRC

Voor de waarde van C is 1nF en voor de weerstand is 4.7k de frequentie zal zijn

Fhz = 33.849 Hz of 33,85 KHz

Voor de waarde van C is 50nF en voor de weerstand is 4.7k de frequentie zal zijn

Fhz = 677 Hz

Voor de waarde van C is 100nF en voor de weerstand is 4.7k de frequentie zal zijn

Fhz = 339 Hz

Dus de hoogste frequentie die we kunnen bereiken met 1nF, wat 33,85 Khz is, en de laagste frequentie die we kunnen bereiken met 100nF is 339Hz.

De winst van de op-amp is 1+ (R4 / R3)

R4 = 300.000

R3 = 100.000

Dus de winst = 1+ (300k + 100k) = 4x

De op-amp produceert 4x versterking van de invoer over de niet-omgekeerde "positieve" pin.

Dus door deze manier te gebruiken, kunnen we een Wein Bridge Oscillator met variabele frequentieband produceren.

Toepassingen:

Wein Bridge-oscillator gebruikt in een breed scala aan toepassingen op het gebied van elektronica, van het vinden van de exacte waarde van de condensator, voor het genereren van 0 graden fase-stabiele oscillatorgerelateerde schakelingen, vanwege het lage ruisniveau is het ook een verstandiger keuze voor verschillende niveaus van audio-kwaliteit toepassingen waar continue oscillatie vereist is.