Rc-Phasenverschiebungsoszillator

Was ist ein Oszillator?

Ein Oszillator ist eine mechanische oder elektronische Konstruktion, die in Abhängigkeit von wenigen Variablen eine Schwingung erzeugt. Wir alle haben Geräte, die Oszillatoren benötigen, eine traditionelle Uhr, die wir alle als Wanduhr oder Armbanduhr in unserem Haus haben, verschiedene Arten von Metalldetektoren, Computer, an denen Mikrocontroller und Mikroprozessoren beteiligt sind, verwenden Oszillatoren, insbesondere Elektronikoszillatoren, die periodische Signale erzeugen.

RC-Oszillator und Phase:

Wenn wir über den RC-Oszillator sprechen und ihn auch als Phasenverschiebungsoszillator bezeichnen, brauchen wir ein angemessenes Verständnis darüber, was Phase ist. Siehe dieses Bild: -

Wenn wir die obige Sinuswelle wie diese sehen, werden wir deutlich sehen, dass der Startpunkt des Signals 0 Grad in Phase ist, und danach wird jeder Spitzenpunkt des Signals von positiv nach 0, dann wieder negativer Punkt, dann wieder 0 jeweils als 90 bezeichnet Grad, 180 Grad, 270 Grad und 360 Grad in Phasenposition.

Die Phase ist eine vollständige Zyklusperiode einer Sinuswelle in einer 360-Grad-Referenz.

Lassen Sie uns nun ohne weitere Verzögerung sehen, was Phasenverschiebung ist.

Wenn wir den Startpunkt der Sinuswelle anders als 0 Grad verschieben, wird die Phase verschoben. Wir werden die Phasenverschiebung im nächsten Bild verstehen.

In diesem Bild sind zwei sinusförmige Wechselstromsignalwellen dargestellt, wobei die erste grüne sinusförmige Welle eine Phase von 360 Grad aufweist, die rote, die die Nachbildung des ersten gelesenen Signals darstellt, jedoch 90 Grad außerhalb der Phase des grünen Signals liegt.

Mit dem RC-Oszillator können wir die Phase eines Sinussignals verschieben.

Phasenverschiebung mit RC-Oszillatorschaltung:

RC steht für Widerstand und Kondensator. Wir können einfach ein Phasenverschiebungs-Widerstands-Kondensator-Netzwerk bilden, indem wir nur einen Widerstand und eine Kondensatorformation verwenden.

Wie im Tutorial Hochpassfilter zu sehen ist, gilt hier dieselbe Schaltung. Ein typischer RC-Phasenverschiebungsoszillator kann durch einen Kondensator in Reihe zusammen mit einem Widerstand parallel erzeugt werden.

Dies ist ein einpoliges Phasenverschiebungsnetzwerk; Die Schaltung entspricht dem passiven Hochpassfilter. Theoretisch wird die Ausgangsphase um genau 90 Grad verschoben, wenn wir ein In-Phase-Signal über dieses RC-Netzwerk anlegen. Wenn wir es jedoch in der Realität versuchen und die Phasenverschiebung überprüfen, erreichen wir eine Phasenverschiebung von 60 Grad bis weniger als 90 Grad. Dies hängt von der Frequenz und den Toleranzen der Komponenten ab, die in der Realität nachteilige Auswirkungen haben. Da wir alle wissen, dass nichts perfekt ist, sollte es einen Unterschied zu tatsächlichen oder erwarteten Werten als der Realität geben. Temperatur und andere äußere Abhängigkeiten verursachen Schwierigkeiten, eine exakte Phasenverschiebung von 90 Grad zu erreichen, 45 Grad sind im Allgemeinen, 60 Grad sind abhängig von den Frequenzen üblich und das Erreichen von 90 Grad ist in vielen Fällen eine sehr schwierige Aufgabe.

Wie im Hochpass-Tutorial beschrieben, werden wir dieselbe Schaltung konstruieren und die Phasenverschiebung derselben Schaltung untersuchen.

Die Schaltung dieses Hochpassfilters zusammen mit den Komponentenwerten ist in der folgenden Abbildung dargestellt: -

Dies ist das Beispiel, das wir in früheren Tutorials zu passiven Hochpassfiltern verwendet haben. Es wird eine Bandbreite von 4,9 kHz erzeugt. Wenn wir die Eckfrequenz überprüfen, identifizieren wir den Phasenwinkel am Ausgang des Oszillators.

Jetzt können wir sehen, dass die Phasenverschiebung von 90 Grad gestartet wird, was die maximale Phasenverschiebung durch das RC-Oszillatornetzwerk darstellt, aber am Punkt der Eckfrequenz beträgt die Phasenverschiebung 45 Grad.

Wenn man nun die Tatsache berücksichtigt, dass die Phasenverschiebung 90 Grad beträgt, oder wenn wir die Oszillatorschaltungskonstruktion wie eine spezielle Methode auswählen, die eine 90-Grad-Phasenverschiebung erzeugt, verliert die Schaltung ihre Immunität im Grenzbereich aufgrund eines schlechten Frequenzstabilisierungsfaktors. Wie wir uns an dem Punkt von 90 Grad vorstellen können, an dem die Kurve gerade von 10 Hz oder niedriger bis 100 Hz begonnen hat, ist sie fast flach. Das heißt, wenn sich die Frequenz des Oszillators aufgrund von Komponententoleranz, Temperatur und anderen unvermeidbaren Umständen geringfügig ändert, ändert sich die Phasenverschiebung nicht. Das ist keine gute Wahl. Wir betrachten daher 60 Grad oder 45 Grad als akzeptable Phasenverschiebung für einpolige RC-Netzwerkoszillatoren. Die Frequenzstabilität wird verbessert.

Kaskadierung mehrerer RC-Filter:

Kaskade drei RC-Filter:

Wenn wir diese Tatsache berücksichtigen, dass wir nicht nur eine Phasenverschiebung von 60 Grad anstelle von 90 Grad erreichen können, können wir drei RC-Filter kaskadieren (wenn die Phasenverschiebung durch RC-Oszillatoren 60 Grad beträgt) oder vier Filter in Reihe kaskadieren (wenn die Phasenverschiebung beträgt) 45 Grad von jedem RC-Oszillator) und erhalten 180 Grad.

In diesem Bild kaskadierten drei RC-Oszillatoren und jedes Mal wurde eine Phasenverschiebung von 60 Grad hinzugefügt. Nach der dritten Stufe erhalten wir schließlich eine Phasenverschiebung von 180 Grad.

Wir werden diese Schaltung in einer Simulationssoftware konstruieren und die Eingangs- und Ausgangswellenform der Schaltung sehen.

Bevor wir zum Video kommen, sehen wir uns das Bild der Schaltung und die Oszilloskopverbindung an.

Im oberen Bild haben wir einen 100pF-Kondensator und einen 330k-Widerstandswert verwendet. Das Oszilloskop ist über den Eingang VSIN (A / Yellow - Kanal) verbunden ist, über die ersten Pol - Ausgang (B / Blau - Kanal), 2 ^nd poligen Ausgang

(C / Rot - Kanal) und die Endausgabe über dritten Pol (D / Grün - Kanal).

Wir werden die Simulation im Video sehen und die Phasenänderung in 60 Grad über den ersten Pol, 120 Grad über den zweiten Pol und 180 Grad über den dritten Pol sehen. Auch die Amplitude des Signals wird Schritt für Schritt minimiert.

1. ^Polamplitude > 2. Polamplitude> 3. Polamplitude. Je weiter wir uns dem letzten Pol nähern, desto geringer wird die Abnahme der Amplitude des Signals.

Jetzt sehen wir das Simulationsvideo: -

Es ist deutlich zu erkennen, dass jeder Pol, der die Phasen aktiv ändert, sich verschiebt und am Endausgang um 180 Grad verschoben wird.

Kaskade vier RC-Filter:

Im nächsten Bild werden vier RC-Phasenverschiebungsoszillatoren mit jeweils 45-Grad-Phasenverschiebung verwendet, die am Ende des RC-Netzwerks eine 180-Grad-Phasenverschiebung erzeugen.

RC-Phasenverschiebungsoszillator mit Transistor:

Dies sind alles passive Elemente oder Komponenten im RC-Oszillator. Wir erhalten die Phasenverschiebung von 180 Grad. Wenn wir eine 360-Grad-Phasenverschiebung durchführen möchten, ist eine aktive Komponente erforderlich, die eine zusätzliche 180-Grad-Phasenverschiebung erzeugt. Dies erfolgt durch einen Transistor oder einen Verstärker und erfordert zusätzliche Versorgungsspannung.

In diesem Bild wird ein NPN-Transistor verwendet, um eine Phasenverschiebung von 180 Grad zu erzeugen, während der C1R1 C2R2 C3R3 eine Phasenverzögerung von 60 Grad erzeugt. Das Akkumulieren dieser drei Phasenverschiebungen von 60 + 60 + 60 = 180 Grad erfolgt andererseits, indem weitere 180 Grad hinzugefügt werden, indem eine Transistor-Gesamtphasenverschiebung von 360 Grad erzeugt wird. Wir werden eine Phasenverschiebung von 360 Grad über den C5-Elektrolytkondensator erhalten. Wenn wir die Frequenz dieser einen Möglichkeit ändern möchten, um den Kondensatorwert zu ändern, oder einen variablen voreingestellten Kondensator über diese drei Pole einzeln verwenden möchten, indem einzelne feste Kondensatoren eliminiert werden.

Eine Rückkopplungsverbindung wird hergestellt, um die Energien unter Verwendung dieses dreipoligen RC-Netzwerks zum Verstärker zurückzugewinnen. Es ist notwendig für eine stabile positive Schwingung und zur Erzeugung einer sinusförmigen Spannung. Aufgrund der

Rückkopplungsverbindung oder der Konfiguration ist der RC-Oszillator ein Oszillator vom Rückkopplungstyp.

Der deutsche Physiker Heinrich Georg Barkhausen führte 1921 das „Barkhausen-Kriterium“ ein, um die Beziehung zwischen Phasenverschiebungen über die Rückkopplungsschleife zu bestimmen. Gemäß dem Kriterium schwingt die Schaltung nur, wenn die Phasenverschiebung um die Rückkopplungsschleife gleich oder ein Vielfaches von 360 Grad ist und die Verstärkung der Schleife gleich eins ist. Wenn die Phasenverschiebung bei der gewünschten Frequenz genau ist und die Rückkopplungsschleife eine 360-Grad-Schwingung erzeugt, ist der Ausgang eine Sinuswelle. RC-Filter dient dazu, diesen Zweck zu erreichen.

Frequenz des RC-Oszillators:

Mit dieser Gleichung können wir die Frequenz der Schwingung leicht bestimmen:

Wobei

R = Widerstand (Ohm)

C = Kapazität

N = Anzahl der RC-Netzwerke verwendet wird / wird

Diese Formel wird für das Design von Hochpassfiltern verwendet. Wir können auch Tiefpassfilter verwenden und die Phasenverschiebung ist negativ. In diesem Fall funktioniert die obere Formel nicht zur Berechnung der Frequenz des Oszillators. Es gilt eine andere Formel.

Wobei

R = Widerstand (Ohm)

C = Kapazität

N = Anzahl der RC-Netzwerke verwendet wird / wird

RC Phasenverschiebungsoszillator mit Operationsverstärker:

Da wir einen RC-Phasenverschiebungsoszillator unter Verwendung eines Transistors, dh eines BJT, konstruieren können, gibt es auch beim Transistor andere Einschränkungen.

1. Es ist stabil für niedrige Frequenzen.
2. Nur mit nur einem BJT ist die Amplitude der Ausgangswelle nicht perfekt, es sind zusätzliche Schaltkreise erforderlich, um die Amplitude der Wellenform zu stabilisieren.
3. Die Frequenzgenauigkeit ist nicht perfekt und nicht immun gegen Störgeräusche.
4. Unerwünschter Belastungseffekt. Aufgrund der Kaskadenbildung ändert die Eingangsimpedanz des zweiten Pols die Widerstandseigenschaften des Widerstands des Filters des ersten Pols. Je kaskadierter die Filter, desto schlechter wird die Situation, da dies die Genauigkeit der berechneten Frequenz des Phasenverschiebungsoszillators beeinflusst.

Aufgrund der Dämpfung über den Widerstand und den Kondensator wird der Verlust über jede Stufe erhöht, und der Gesamtverlust beträgt etwa 1/29 der Gesamtverlust ^th des Eingangssignals.

Da die Schaltung abschwächt bei 1/29 ^th wir den Verlust erholen.

Dies ist die Zeit, um den BJT mit einem Operationsverstärker zu wechseln. Wir können diese vier Nachteile auch beheben und mehr Headroom über die Steuerung erhalten, wenn wir anstelle von BJT einen Operationsverstärker verwenden. Aufgrund der hohen Eingangsimpedanz wird der Ladeeffekt auch effektiv gesteuert, da die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers den gesamten Ladeeffekt fördert.

Lassen Sie uns nun ohne weitere Modifikation den BJT mit einem Operationsverstärker austauschen und sehen, wie die Schaltung oder das Schema des RC-Oszillators mit Operationsverstärker aussehen wird.

Wie wir sehen können, wurde Just BJT durch einen invertierten Operationsverstärker ersetzt. Die Rückkopplungsschleife ist über den RC-Oszillator des ersten Pols angeschlossen und wird dem invertierten Eingangsstift des Operationsverstärkers zugeführt. Aufgrund dieser invertierten Rückkopplungsverbindung erzeugt der Operationsverstärker eine Phasenverschiebung von 180 Grad. Zusätzliche 180-Grad-Phasenverschiebung wird durch die drei RC-Stufen bereitgestellt. Wir erhalten den gewünschten Ausgang einer um 360 Grad phasenverschobenen Welle über den ersten Pin des Operationsverstärkers, der als OSC- Ausgang bezeichnet wird. Der R4 wird zur Verstärkungskompensation des Operationsverstärkers verwendet. Wir können die Schaltung optimieren, um einen hochfrequenten oszillierten Ausgang zu erhalten, jedoch abhängig von der Frequenzbereichsbandbreite des Operationsverstärkers.

Auch für das gewünschte Ergebnis zu erzielen müssen wir den Verstärkungswiderstand R4 berechnen zu erzielen 29 ^th mal größer Amplitude über Operationsverstärker, wie wir mit dem Verlust von 1/29 kompensieren, müssen ^th über RC Stufen.

Mal sehen, wir werden eine Schaltung mit dem Wert der realen Komponenten erstellen und sehen, was der simulierte Ausgang des RC-Phasenverschiebungsoszillators sein wird.

Wir werden einen 10k Ohm Widerstand und einen 500pF Kondensator verwenden und die Frequenz der Schwingung bestimmen. Wir werden auch den Wert des Verstärkungswiderstands berechnen.

N = 3, da 3 Stufen verwendet werden.

R = 10000, als 10K Ohm Ohm umgewandelt

C = 500 x 10 ^-12 als Kondensatorwert 500pF

Der Ausgang beträgt 12995 Hz oder der relativ nahe Wert beträgt 13 kHz.

Da der Operationsverstärker - Verstärkung 29 benötigt wird ^ten Mal der Wert des Verstärkungswiderstand wird unter Verwendung dieser Formel berechnet: -

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

So wird der Phasenverschiebungsoszillator unter Verwendung von RC-Komponenten und Operationsverstärkern aufgebaut.

Anwendungen des RC-Phasenverschiebungsoszillators umfassen Verstärker, bei denen der Audiotransformator verwendet wird und ein differentielles Audiosignal benötigt wird, das invertierte Signal jedoch nicht verfügbar ist, oder wenn eine AC-Signalquelle für eine Anwendung benötigt wird, wird ein RC-Filter verwendet. Außerdem verwenden Signalgeneratoren oder Funktionsgeneratoren einen RC-Phasenverschiebungsoszillator.