Wein Brückenoszillator

In diesem Tutorial lernen wir den Wein Bridge Oscillator kennen, der von einem deutschen Physiker, Max Wien, entwickelt wurde. Es wurde ursprünglich zur Berechnung der Kapazität entwickelt, bei der der Widerstand und die Frequenz bekannt sind. Bevor wir zur weiteren eingehenden Diskussion darüber gehen, was der Wein Bridge-Oszillator tatsächlich ist und wie er verwendet wird, wollen wir uns ansehen, was Oszillator und was Weinbrücken-Oszillator ist.

Wein Bridge Oscillator:

Wie im vorherigen Tutorial des RC-Oszillators sind ein Widerstand und ein Kondensator erforderlich, um eine Phasenverschiebung zu erzeugen. Wenn wir einen Verstärker in invertierender Spezifikation anschließen und den Verstärker und die RC-Netzwerke mit einer Rückkopplungsverbindung verbinden, beginnt der Ausgang des Verstärkers, eine zu erzeugen sinusförmige Wellenform durch Schwingung.

In einem Wien-Brückenoszillator werden zwei RC-Netzwerke über einen Verstärker verwendet und erzeugen eine Oszillatorschaltung.

Aber warum sollten wir uns für den Wiener Brückenoszillator entscheiden ?

Aufgrund der folgenden Punkte ist der Wien-Brückenoszillator eine klügere Wahl für die Erzeugung von Sinuswellen.

1. Es ist stabil.
2. Die Verzerrung oder die THD (Total Harmonic Distortion) liegt unter dem steuerbaren Grenzwert.
3. Wir können die Frequenz sehr effektiv ändern.

Wie bereits erwähnt, verfügt der Wein Bridge-Oszillator über zweistufige RC-Netzwerke. Das heißt, es besteht aus zwei unpolaren Kondensatoren und zwei Widerständen in einer Hochpass- und Tiefpassfilterformation. Ein Widerstand und ein Kondensator in Reihe, andererseits ein Kondensator und ein Widerstand in paralleler Formation. Wenn wir die Schaltung konstruieren, sieht der Schaltplan wie folgt aus:

Wie deutlich zu sehen ist, werden zwei Kondensatoren und zwei Widerstände verwendet. Beide RC-Stufen, die als Hochpass- und Tiefpassfilter fungieren, sind miteinander verbunden. Dies ist das Produkt eines Bandpassfilters, das die Frequenzabhängigkeit von zwei Ordnungsstufen akkumuliert. Der Widerstand von R1 und R2 ist gleich und auch die Kapazität von C1 und C2 ist gleich.

Wein Bridge Oscillator Ausgangsverstärkung und Phasenverschiebung:

Was im obigen Bild innerhalb der RC-Netzwerkschaltung passiert, ist sehr interessant.

Wenn eine niedrige Frequenz angelegt wird, ist die Reaktanz des ersten Kondensators (C1) hoch genug und blockiert das Eingangssignal und widersteht der Schaltung, um einen Ausgang von 0 zu erzeugen. Andererseits geschieht dasselbe auf eine andere Weise für den zweiten Kondensator (C2) parallel geschaltet. Die C2-Reaktanz ist zu niedrig geworden und umgeht das Signal und erzeugt wieder 0 Ausgänge.

Bei einer mittleren Frequenz, bei der die C1-Reaktanz nicht hoch und die C2-Reaktanz nicht niedrig ist, wird über den C2-Punkt eine Ausgabe ausgegeben. Diese Frequenz wird als Resonanzfrequenz bezeichnet.

Wenn wir in der Schaltung tief sehen, werden wir sehen, dass die Reaktanz der Schaltung und der Widerstand der Schaltung gleich sind, wenn die Resonanzfrequenz erreicht wird.

In einem solchen Fall werden also zwei Regeln angewendet, wenn die Schaltung durch die Resonanzfrequenz über dem Eingang bereitgestellt wird.

A. Die Phasendifferenz von Eingang und Ausgang beträgt 0 Grad.

B. Da es in 0 Grad ist, ist die Ausgabe maximal. Aber wieviel? Es ist eng oder genau 1/3 ^rd der Größe des Eingangssignals.

Wenn wir den Ausgang der Schaltung sehen, werden wir diese Punkte verstehen.

Die Ausgabe entspricht genau der Kurve des gezeigten Bildes. Bei einer niedrigen Frequenz von 1 Hz ist der Ausgang kleiner oder fast 0 und nimmt mit der Frequenz am Eingang bis zur Resonanzfrequenz zu, und wenn die Resonanzfrequenz erreicht ist, befindet sich der Ausgang an seinem maximalen Spitzenpunkt und nimmt mit zunehmender Frequenz immer wieder kontinuierlich ab Es erzeugt 0 Ausgang bei hoher Frequenz. Es passiert also eindeutig einen bestimmten Frequenzbereich und erzeugt den Ausgang. Aus diesem Grund wurde es früher als frequenzabhängiges Durchlassfilter mit variablem Band (Frequenzband) beschrieben. Wenn wir uns die Phasenverschiebung des Ausgangs genau ansehen, sehen wir deutlich den Phasenabstand von 0 Grad über dem Ausgang bei der richtigen Resonanzfrequenz.

In dieser Phasenausgangskurve beträgt die Phase bei der Resonanzfrequenz genau 0 Grad und wird von 90 Grad bis zur Abnahme bei 0 Grad gestartet, wenn die Eingangsfrequenz erhöht wird, bis die Resonanzfrequenz erreicht ist, und danach nimmt die Phase am Endpunkt von - weiter ab 90 Grad. Es gibt zwei Begriffe in beiden Fällen verwendet werden, wenn die Phase positiv als genannt wird Phasenvoreilung und im Fall negativer als genannte Phasenverzögerung.

Wir werden die Ausgabe der Filterstufe in diesem Simulationsvideo sehen:

In diesem Video werden 4,7 k, die sowohl in R1 R2 als auch im 10nF-Kondensator als R verwendet werden, sowohl für C1 als auch für C2 verwendet. Wir haben eine Sinuswelle über die Stufen angelegt und im Oszilloskop zeigt der gelbe Kanal den Eingang der Schaltung und die blaue Linie den Ausgang der Schaltung. Wenn wir genau hinschauen, beträgt die Ausgangsamplitude 1/3 des Eingangssignals und die Ausgangsphase ist nahezu identisch mit der Phasenverschiebung der Resonanzfrequenz um 0 Grad, wie zuvor erläutert.

Resonanzfrequenz und Spannungsausgang:

Wenn wir annehmen, dass R1 = R2 = R oder der gleiche Widerstand verwendet wird und für die Auswahl des Kondensators C1 = C2 = C der gleiche Kapazitätswert verwendet wird, wird die Resonanzfrequenz sein

Fhz = 1 / 2πRC

Das R steht für Widerstand und das C steht für den Kondensator oder die Kapazität und das Fhz für die Resonanzfrequenz.

Wenn wir den Vout des RC-Netzwerks berechnen möchten, sollten wir die Schaltung anders sehen.

Dieses RC-Netzwerk arbeitet mit AC-Signaleingang. Das Berechnen des Schaltungswiderstands bei Wechselstrom anstelle des Schaltungswiderstands bei Gleichstrom ist etwas schwierig.

Das RC-Netzwerk erzeugt eine Impedanz, die als Widerstand für ein angelegtes Wechselstromsignal wirkt. Ein Spannungsteiler hat zwei Widerstände. In diesen RC-Stufen sind die beiden Widerstände die Impedanz des ersten Filters (C1 R1) und die Impedanz des zweiten Filters (R2 C2).

Da ein Kondensator entweder in Reihe oder parallel geschaltet ist, lautet die Impedanzformel: -

Z ist das Symbol der Impedanz, R ist der Widerstand und Xc steht für die kapazitive Reaktanz des Kondensators.

Mit der gleichen Formel können wir die Impedanz der ersten Stufe berechnen.

Im Fall der zweiten Stufe entspricht die Formel der Berechnung des parallelen Ersatzwiderstands.

Z ist die Impedanz, R ist der Widerstand, X ist der Kondensator

Die Endimpedanz der Schaltung kann mit folgender Formel berechnet werden:

In einem solchen Fall können wir ein praktisches Beispiel berechnen und die Ausgabe sehen.

Wenn wir den Wert berechnen und das Ergebnis sehen wir werden sehen, dass die Ausgangsspannung wird 1/3 der Eingangsspannung.

Wenn wir den zweistufigen RC-Filterausgang mit einem nicht invertierenden Verstärkereingangspin oder + Vin-Pin verbinden und die Verstärkung anpassen, um den Verlust auszugleichen, erzeugt der Ausgang eine Sinuswelle. Das ist Wien-Brückenoszillation und die Schaltung ist eine Weinbrückenoszillatorschaltung.

Arbeiten und Bau eines Weinbrückenoszillators:

In der obigen Abbildung ist das RC-Filter über einen Operationsverstärker angeschlossen, der sich in einer nicht invertierenden Konfiguration befindet. R1 und R2 sind Festwiderstände, während C1 und C2 ein variabler Trimmkondensator sind. Indem wir den Wert dieser beiden Kondensatoren gleichzeitig variieren, können wir eine ordnungsgemäße Schwingung von einem unteren Bereich zu einem oberen Bereich erzielen. Es ist sehr nützlich, wenn wir den Wein-Brückenoszillator verwenden möchten, um Sinuswellen mit unterschiedlichen Frequenzen von einem unteren bis zu einem oberen Bereich zu erzeugen. Und die R3 und R4 werden für die Rückkopplungsverstärkung des Operationsverstärkers verwendet. Die Ausgangsverstärkung oder die Verstärkung hängt stark von diesen beiden Wertekombinationen ab. Da die beiden RC-Stufen die Ausgangsspannung auf 1/3 senken, ist es wichtig, diese wieder herzustellen. Es ist auch eine klügere Wahl, mindestens 3x oder mehr als 3x (4x bevorzugt) Gewinn zu erzielen.

Wir können die Verstärkung unter Verwendung der Beziehung 1+ (R4 / R3) berechnen.

Wenn wir das Bild wieder sehen, können wir sehen, dass der Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers vom Ausgang direkt mit der Eingangsstufe des RC-Filters verbunden ist. Da das zweistufige RC-Filter eine Eigenschaft einer Phasenverschiebung von 0 Grad im Resonanzfrequenzbereich aufweist und direkt mit der positiven Rückkopplung des Operationsverstärkers verbunden ist, nehmen wir an, dass es xV + ist und dass in der negativen Rückkopplung dieselbe Spannung angelegt wird, die xV- ist. Bei gleicher 0-Grad-Phase unterscheidet der Operationsverstärker die beiden Eingänge und schließt das negative Rückkopplungssignal aus. Aufgrund dessen setzt sich der Operationsverstärker fort, zu schwingen, wenn der Ausgang über RC-Stufen angeschlossen ist.

Wenn wir eine höhere Anstiegsgeschwindigkeit und einen Operationsverstärker mit höherer Frequenz verwenden, kann die Ausgangsfrequenz um einen großen Betrag maximiert werden.

In diesem Segment befinden sich nur wenige Hochfrequenz-Operationsverstärker.

Außerdem müssen wir uns daran erinnern, dass wir, wie im vorherigen Tutorial zum RC-Oszillator, das wir über den Ladeeffekt besprochen haben, den Operationsverstärker mit hoher Eingangsimpedanz stärker als den RC-Filter wählen sollten, um den Ladeeffekt zu verringern und sicherzustellen richtige stabile Schwingung.

• LM318A
• LT1192
• MAX477
• LT1226
• OPA838
• THS3491 mit 900 MHz High Seed Operationsverstärker!
• LTC6409 mit 10 GHz GBW Differential-Operationsverstärker. Ganz zu schweigen davon, dass spezielle Zusatzschaltungen und außergewöhnlich gute HF-Designtaktiken erforderlich sind, um auch diesen Hochfrequenzausgang zu erzielen.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 Operationsverstärker in Industriequalität.

Praktisches Beispiel für einen Weinbrückenoszillator:

Berechnen wir einen praktischen Beispielwert, indem wir den Widerstands- und Kondensatorwert auswählen.

In diesem Bild wird für den RC-Oszillator ein 4,7-k-Widerstand sowohl für R1 als auch für R2 verwendet. Ein Trimmerkondensator mit zwei Polen enthält 1-100 nF für die Trimmkapazität C1 und C2. Berechnen wir die Schwingungsfrequenz für 1nF, 50nF und 100nF. Außerdem berechnen wir die Verstärkung des Operationsverstärkers als R3 als 100k und R4 als 300k.

Da die Berechnung der Frequenz nach der Formel von einfach ist

Fhz = 1 / 2πRC

Für den Wert von C ist 1nF und für den Widerstand ist 4,7k die Frequenz

Fhz = 33.849 Hz oder 33,85 kHz

Für den Wert von C ist 50nF und für den Widerstand ist 4,7k die Frequenz

Fhz = 677 Hz

Für den Wert von C ist 100nF und für den Widerstand ist 4,7k die Frequenz

Fhz = 339 Hz

Die höchste Frequenz, die wir mit 1 nF erreichen können, entspricht 33,85 kHz, und die niedrigste Frequenz, die wir mit 100 nF erreichen können, beträgt 339 Hz.

Die Verstärkung des Operationsverstärkers beträgt 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Die Verstärkung ist also 1+ (300k + 100k) = 4x

Der Operationsverstärker erzeugt eine 4-fache Verstärkung des Eingangs über den nicht invertierten „positiven“ Pin.

Auf diese Weise können wir Wein Bridge Oscillator mit variabler Frequenzbandbreite erzeugen.

Anwendungen:

Wein-Brückenoszillator, der in einer Vielzahl von Anwendungen auf dem Gebiet der Elektronik verwendet wird, um den genauen Wert des Kondensators zu ermitteln. Aufgrund des niedrigen Rauschpegels ist er auch eine klügere Wahl für verschiedene Audio-Pegel Anwendungen, bei denen eine kontinuierliche Schwingung erforderlich ist.