Rc-Phasenverschiebungsoszillator mit op

Ein Phasenverschiebungsoszillator ist eine elektronische Oszillatorschaltung, die eine Sinuswellenausgabe erzeugt. Es kann entweder unter Verwendung eines Transistors oder unter Verwendung eines Operationsverstärkers als invertierender Verstärker entworfen werden. Im Allgemeinen werden diese Phasenverschiebungsoszillatoren als Audiooszillatoren verwendet. Beim RC-Phasenverschiebungsoszillator wird eine 180-Grad-Phasenverschiebung vom RC-Netzwerk und eine weitere 180-Grad-Phasenverschiebung vom Operationsverstärker erzeugt, sodass die resultierende Welle um 360 Grad invertiert wird.

Neben der Erzeugung des Sinuswellenausgangs werden sie auch verwendet, um eine signifikante Kontrolle über den Phasenverschiebungsprozess bereitzustellen. Andere Verwendungen von Phasenverschiebungsoszillatoren sind:

1. In Audio-Oszillatoren
2. Sinus-Wechselrichter
3. Sprachsynthese
4. GPS-Geräte
5. Musikinstrumente.

Bevor wir mit dem Entwurf des RC-Phasenverschiebungsoszillators beginnen, erfahren Sie mehr über die Phasen- und Phasenverschiebung.

Was ist Phase und Phasenverschiebung?

Die Phase ist eine vollständige Zyklusperiode einer Sinuswelle in einer 360-Grad-Referenz. Ein vollständiger Zyklus ist definiert als das Intervall, das die Wellenform benötigt, um ihren beliebigen Anfangswert zurückzugeben. Die Phase wird als spitze Position in diesem Wellenformzyklus bezeichnet. Wenn wir die Sinuswelle sehen, können wir die Phase leicht identifizieren.

In der obigen Abbildung ist ein vollständiger Wellenzyklus dargestellt. Der anfängliche Startpunkt der Sinuswelle ist 0 Grad in der Phase und wenn wir jeden positiven und negativen Peak und 0 Punkte identifizieren, erhalten wir eine 90, 180, 270, 360-Grad-Phase. Wenn also ein sinusförmiges Signal seine Reise anders als die 0-Grad-Referenz beginnt, nennen wir es Phasenverschiebung, die sich von der 0-Grad-Referenz unterscheidet.

Wenn wir das nächste Bild sehen, werden wir erkennen, wie eine phasenverschobene Sinuswelle gleich aussieht…

In diesem Bild sind zwei sinusförmige Wechselstrom-Signalwellen dargestellt. Die erste grüne sinusförmige Welle ist um 360 Grad phasenverschoben, die rote um 90 Grad phasenverschoben aus der Phase des grünen Signals.

Diese Phasenverschiebung kann über ein einfaches RC-Netzwerk erfolgen.

RC-Phasenverschiebungsoszillator

Ein einfacher RC-Phasenverschiebungsoszillator bietet eine minimale Phasenverschiebung von 60 Grad.

Das obige Bild zeigt ein einpoliges RC-Netzwerk oder eine Leiterschaltung mit Phasenverschiebung, die die Phase des Eingangssignals um 60 Grad oder weniger verschiebt.

Idealerweise sollte die Phasenverschiebung der Ausgangswelle einer RC-Schaltung 90 Grad betragen, in der Praxis beträgt sie jedoch ca. 60 Grad, da der Kondensator nicht ideal ist. Die Formel zur Berechnung des Phasenwinkels des RC-Netzwerks ist nachstehend aufgeführt:

φ = tan ^-1 (Xc / R)

Dabei ist Xc die Reaktanz des Kondensators und R der im RC-Netzwerk angeschlossene Widerstand.

Wenn wir dort RC-Netzwerk kaskadieren, erhalten wir eine 180-Grad- Phasenverschiebung.

Um nun Oszillation und Sinuswellenausgang zu erzeugen, benötigen wir eine aktive Komponente, entweder Transistor oder Operationsverstärker in invertierender Konfiguration.

Wenn Sie mehr über RC Phase Shift Oscillator erfahren möchten, folgen Sie dem Link

Warum Op-Amp für RC Phase Shift Oscillator anstelle von Transistor verwenden?

Es gibt einige Einschränkungen bei der Verwendung von Transistoren zum Aufbau eines RC-Phasenverschiebungsoszillators:

1. Es ist nur für niedrige Frequenzen stabil.
2. Der RC-Phasenverschiebungsoszillator erfordert zusätzliche Schaltungen, 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 zwischen Widerstand und Kondensator wird der Verlust über jede Stufe erhöht und der Gesamtverlust beträgt ca. 1/29 des Eingangssignals.

Da sich die Schaltung um 1/29 abschwächt, müssen wir den Verlust beheben. Erfahren Sie mehr darüber in unserem vorherigen Tutorial.

RC-Phasenverschiebungsoszillator mit Operationsverstärker

Wenn wir einen Operationsverstärker für einen RC-Phasenverschiebungsoszillator verwenden, fungiert dieser als invertierender Verstärker. Anfangs befand sich die Eingangswelle im RC-Netzwerk, wodurch wir eine Phasenverschiebung von 180 Grad erhalten. Und dieser RC-Ausgang wird in den invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers eingespeist.

Nun, da wir wissen, dass der Operationsverstärker eine Phasenverschiebung von 180 Grad erzeugt, wenn er als invertierender Verstärker fungiert. Wir erhalten also eine 360-Grad-Phasenverschiebung in der Ausgangssinuswelle. Dieser RC-Phasenverschiebungsoszillator mit Operationsverstärker liefert auch unter den variierenden Lastbedingungen eine konstante Frequenz.

Erforderliche Komponenten

• Operationsverstärker-IC - LM741
• Widerstand - (100k - 3nos, 10k - 2nos, 4,7k)
• Kondensator - (100pF - 3nos)
• Oszilloskop

Schaltplan

Simulation eines RC-Phasenverschiebungsoszillators mit Operationsverstärker

Der RC-Phasenverschiebungsoszillator liefert eine genaue Sinuswellenausgabe. Wie Sie am Ende im Simulationsvideo sehen können, haben wir die Sonde des Oszilloskops auf vier Stufen der Schaltung eingestellt.

Oszilloskop-Sonde	Wellentyp
Zuerst ein	Eingangswelle
Zweitens - B.	Sinuswelle mit 90 Grad Phasenverschiebung
Drittens - C.	Sinuswelle mit 180 Grad Phasenverschiebung
Viertens - D.	Ausgangswelle (Sinuswelle) mit 360-Grad-Phasenverschiebung

Hier bietet das Feedback-Netzwerk eine Phasenverschiebung von 180 Grad. Wir bekommen 60 Grad von jedem RC-Netzwerk. Die verbleibende Phasenverschiebung von 180 Grad wird vom Operationsverstärker in der invertierenden Konfiguration erzeugt.

Verwenden Sie zur Berechnung der Schwingungsfrequenz die folgende Formel:

F = 1 / 2πRC√2N

Der Nachteil eines RC-Phasenverschiebungsoszillators mit Operationsverstärker besteht darin, dass er nicht für Hochfrequenzanwendungen verwendet werden kann. Denn wenn die Frequenz zu hoch ist, ist die Reaktanz des Kondensators sehr niedrig und wirkt als Kurzschluss.