Rc faseskiftoscillator

Hvad er oscillator?

En oscillator er en mekanisk eller elektronisk konstruktion, der producerer oscillation afhængigt af få variabler. Vi har alle enheder, der har brug for oscillatorer, traditionelt ur, som vi alle har i vores hjem som et vægur eller armbåndsur, forskellige typer metaldetektorer, computere, hvor mikrocontroller og mikroprocessorer er involveret, alle bruger oscillatorer, især elektronikoscillator, der producerer periodiske signaler.

RC oscillator og fase:

Når vi diskuterer om RC-oscillator, og da den også kaldes faseskiftoscillator, har vi brug for en rimelig forståelse af, hvad der er fase. Se dette billede: -

Hvis vi ser den ovennævnte sinusformede bølge som denne, vil vi tydeligt se, at signalets startpunkt er 0 grad i fase, og derefter betegnes hvert toppunkt i signalet fra positivt til 0, så igen negativt punkt, henholdsvis igen 0 som 90 grad, 180 grader, 270 grader og 360 grader i faseposition.

Fase er en fuld cyklusperiode for en sinusformet bølge i en 360 graders reference.

Lad os nu uden yderligere forsinkelse se, hvad faseskift er?

Hvis vi skifter det sinusformede bølgeudgangspunkt, bortset fra 0-graden, forskydes fasen. Vi vil forstå faseskift i det næste billede.

I dette billede er der to AC sinusformede signalbølger præsenteret, den første grønne sinusformede bølge er 360 grader i fase, men den røde, der er kopien af den første, læste signal er 90 grader ud af det grønne signalets fase.

Ved hjælp af RC-oscillator kan vi skifte fasen af et sinusformet signal.

Faseskift ved hjælp af RC Oscillator Circuit:

RC står for modstand og kondensator. Vi kan simpelthen danne et faseskift modstandskondensator netværk ved kun at bruge en modstand og en kondensatordannelse.

Som det ses i vejledningen til højpasfilter, gælder det samme kredsløb her. En typisk RC faseforskydningsoscillator kan produceres af en kondensator i serie sammen med en modstand parallelt.

Dette er et enkelt polet faseskiftnetværk; kredsløbet er det samme som passivt højpasfilter. Teoretisk, hvis vi anvender et in-fase signal på tværs af dette RC-netværk, forskydes outputfasen med nøjagtigt 90 grader. Men hvis vi prøver det i virkeligheden og kontrollerer faseskiftet, så opnår vi 60 grader til mindre end 90 graders faseskift. Det afhænger af hyppigheden og tolerancerne for komponenter, der skaber negativ virkning i virkeligheden. Da vi alle ved, at intet er perfekt, skal der være en vis forskel end faktiske såkaldte eller forventede værdier end virkeligheden. Temperatur og andre ydre afhængigheder skaber vanskeligheder med at opnå nøjagtig 90 graders faseforskydning, 45 grader er generelt, 60 grader er almindelige afhængigt af frekvenserne, og at opnå 90 grader er i mange tilfælde et meget vanskeligt job.

Som diskuteret i High pass tutorial vil vi konstruere det samme kredsløb og undersøge om faseskiftet for det samme kredsløb.

Kredsløbet for det højpasfilter sammen med komponentværdierne er i nedenstående billede: -

Dette er eksemplet, vi brugte i tidligere passive high-pass filter tutorials. Det producerer 4,9 KHz båndbredde. Hvis vi kontrollerer hjørnefrekvensen, identificerer vi fasevinklen ved oscillatorens output.

Nu kan vi se, at faseskiftet startes fra 90 grader, hvilket er det maksimale faseskift med RC-oscillatornetværk, men ved hjørnefrekvenspunktet er faseskiftet 45 grader.

I betragtning af det faktum, at faseforskydningen er 90 grader, eller hvis vi vælger oscillatorkredsløbskonstruktionen som en speciel måde, der producerer 90 graders faseforskydning, mister kredsløbet sin immunitet i grænserækkevidden på grund af dårlig frekvensstabiliseringsfaktor. Som vi kan forestille os på det punkt på 90 grader, hvor kurven lige startede som fra 10Hz eller lavere til 100Hz er næsten flad. Det betyder, at hvis oscillatorens frekvens ændrede sig lidt på grund af komponenttolerance, temperatur, andre uundgåelige omstændigheder, vil faseforskydningen ikke ændre sig. Det er ikke et godt valg. Så vi overvejer, at 60 grader eller 45 grader er den acceptable faseforskydning for enpolet RC-netværksoscillator. Frekvensstabiliteten forbedres.

Cascading Multiple RC Filtre:

Cascade Three RC Filtre:

Ved at overveje denne kendsgerning, at vi ikke kun kan opnå 60 graders faseforskydning i stedet for 90 grader, kan vi kaskade tre RC-filtre (Hvis faseforskydningen er 60 grader med RC-oscillatorer) eller ved at kaskade fire filtre i serie (Hvis faseforskydningen 45 grader af hver RC-oscillatorer) og få 180 grader.

I dette billede kaskaderedes tre RC-oscillatorer, og hver gang tilføjedes 60 graders faseskift, og endelig efter tredje trin får vi 180 graders faseskift.

Vi konstruerer dette kredsløb i simuleringssoftware og ser input- og outputbølgeformen af kredsløbet.

Før vi går ind i videoen, kan vi 'se billedet af kredsløbet og også se oscilloskopforbindelsen.

I det øverste billede brugte vi 100pF kondensator og 330k modstandsværdi. Oscilloskopet er forbundet på tværs af input VSIN (A / gul kanal), over første pol output (B / blå kanal), ^2. pol output

(C / rød kanal) og den endelige output over tredje pol (D / grøn kanal).

Vi vil se simuleringen i videoen og vil se faseændringen i 60 grader over første pol, 120 grader over anden pol og 180 grader over tredje pol. Også signalets amplitude minimerer trin for trin.

1 ^st pole amplitude> 2. pole amplitude> 3. pole amplitude. Mere når vi går mod sidste pol, falder signalets amplitude.

Nu vil vi se simuleringsvideoen: -

Det er tydeligt vist, at hver pol aktivt skifter faseforskydninger, og ved den endelige output forskydes den til 180 grader.

Cascade Fire RC-filtre:

I det næste billede anvendes fire RC-faseskiftoscillatorer, der anvendes med 45-graders faseskift, der producerer 180-graders faseskift i slutningen af RC-netværket.

RC Phase Shift Oscillator med transistor:

Alt dette er passive elementer eller komponenter i RC-oscillatoren. Vi får faseskiftet på 180 grader. Hvis vi ønsker at lave et 360 graders faseskift, kræves der en aktiv komponent, der producerer yderligere 180 graders faseskift. Dette gøres af en transistor eller en forstærker og kræver yderligere forsyningsspænding.

I dette billede bruges en NPN-transistor til at producere faseforskydning på 180 grader, mens C1R1 C2R2 C3R3 vil producere 60 graders faseforsinkelse. Så akkumulering af disse tre 60 + 60 + 60 = 180 graders faseforskydning sker på den anden side ved at tilføje yderligere 180 grader af transistoren, samlet 360 graders faseforskydning oprettes. Vi får 360 graders faseskift på tværs af C5-elektrolytkondensatoren. Hvis vi vil ændre frekvensen på denne ene måde at ændre kondensatorværdien eller bruge en variabel forudindstillet kondensator på tværs af disse tre poler individuelt ved at eliminere individuelle faste kondensatorer.

En feedbackforbindelse oprettes for at hente energierne tilbage til forstærkeren ved hjælp af det tre-polede RC-netværk. Det er nødvendigt for stabil positiv svingning og for at producere sinusformet spænding. På grund af

feedbackforbindelsen eller konfigurationen er RC-oscillator en feedback-oscillator.

I 1921 introducerede den tyske fysiker Heinrich Georg Barkhausen ”Barkhausen-kriterium” til bestemmelse af sammenhængen mellem faseforskydninger på tværs af feedback-loop. I henhold til kriteriet svinger kredsløbet kun, hvis faseforskydningen omkring tilbagekoblingssløjfen er lig med eller multipel på 360 grader, og løkkens forstærkning er lig med en. Hvis faseskiftet er nøjagtigt ved den ønskede frekvens, og feedback-sløjfen skaber 360-graders svingning, vil output være en sinusbølge. RC filter tjener til at opnå dette formål.

Frekvens af RC Oscillator:

Vi kan let bestemme svingningsfrekvensen ved hjælp af denne ligning: -

Hvor,

R = modstand (ohm)

C = kapacitans

N = antallet af RC-netværk er / vil blive brugt

Denne formel bruges til design med højpasfilter, vi kan også bruge lavpasfilter, og faseforskydningen vil være negativ. I et sådant tilfælde fungerer den øvre formel ikke til beregning af oscillatorens frekvens, en anden formel vil være anvendelig.

Hvor,

R = modstand (ohm)

C = kapacitans

N = antallet af RC-netværk er / vil blive brugt

RC Phase Shift Oscillator med Op-amp:

Da vi kan konstruere RC faseforskydningsoscillator ved hjælp af Transistor, dvs. BJT, er der også andre begrænsninger med Transistor.

Den er stabil ved lave frekvenser.
Bare ved kun at bruge en BJT er outputbølgens amplitude ikke perfekt, det kræves yderligere kredsløb til stabiliseret amplitude af bølgeformen.
Frekvensnøjagtighed er ikke perfekt, og den er ikke immun over for støjende interferens.
Uønsket belastningseffekt. På grund af kaskadannelse ændrer den anden pols indgangsimpedans modstandsegenskaberne for det første polfilter. Mere filtre kaskaderede mere, forværres situationen, da den vil påvirke nøjagtigheden af den beregnede faseforskydningsoscillatorfrekvens.

På grund af dæmpningen over modstanden og kondensatoren øges tabet over hvert trin, og det samlede tab er ca. totalt tab på 1/29 ^th af indgangssignalet.

Når kredsløbet dæmpes ved 1/29 ^{th, er} vi nødt til at inddrive tabet.

Dette er tiden til at ændre BJT med en Op-amp. Vi kan også genoprette de fire ulemper og få mere plads over kontrollen, hvis vi bruger op-amp i stedet for BJT. På grund af høj indgangsimpedans styres belastningseffekten også effektivt, fordi op-forstærkerindgangsimpedans fremmer den samlede belastningseffekt.

Lad os nu uden yderligere ændring ændre BJT med en Op-Amp og se, hvad der vil være kredsløbet eller skematisk for RC-oscillatoren ved hjælp af Op-amp.

Som vi kan se erstattet Just BJT med en inverteret op-amp. Feedback-sløjfen er forbundet over den første polede RC-oscillator og føres til den op-amp inverterede indgangsstift. På grund af denne inverterede feedbackforbindelse producerer op-forstærkeren et 180-graders faseskift. Yderligere 180-graders faseskift leveres af de tre RC-trin. Vi får den ønskede output af 360-graders faseskiftet bølge over op-amp første pin benævnt OSC ud. R4 bruges til forstærkning af op-amp. Vi kan tilpasse kredsløbene for at få højfrekvent oscilleret output, men afhængigt af frekvensområdet båndbredde af op-amp.

Også for at få det ønskede resultat vi nødt til at beregne forstærkningen modstand R4 for at opnå 29 ^th gange større amplitude tværs op-amp som vi skal kompensere med tabet af 1/29 ^th tværs RC etaper.

Lad os se, vi laver et kredsløb med værdi for reelle komponenter og ser, hvad der vil være den simulerede output fra RC-faseskiftoscillatoren.

Vi bruger 10k ohm modstand og 500pF kondensator og bestemmer svingningsfrekvensen. Vi beregner også værdien af forstærkningsmodstanden.

N = 3, da 3 trin vil blive brugt.

R = 10000, som 10k ohm konverteret til ohm

C = 500 x 10 ^-12 som kondensator værdi er 500pF

Outputtet er 12995Hz, eller den relativt tætte værdi er 13 KHz.

Som det er nødvendigt op-amp gain 29 ^th gange værdien af gevinsten modstand er beregnet ved hjælp af denne formel: -

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

Sådan konstrueres faseskiftoscillatoren ved hjælp af RC-komponenter og Op-amp.

Anvendelser af RC-faseforskydningsoscillator inkluderer forstærkere, hvor lydtransformatoren bruges, og der er behov for differentielt lydsignal, men det inverterede signal ikke er tilgængeligt, eller hvis der kræves AC-signalkilde til enhver anvendelse, anvendes RC-filter. Signalgenerator eller funktionsgenerator bruger også RC-faseskiftoscillator.