Осцилатор за фазово изместване - Wien-Bridge, буфериран, квадратурен, Bubba

Опитайте Нашия Инструмент За Премахване На Проблемите





Осцилаторът с фазово изместване е осцилаторна верига, предназначена да генерира изход на синусоида. Той работи с един активен елемент като BJT или операционен усилвател, конфигуриран в режим на инвертиращ усилвател.

Разположението на схемата създава обратна връзка от изхода към входа чрез използване на схема RC (резистор / кондензатор), подредена в мрежа от тип стълба. Въвеждането на тази обратна връзка предизвиква положително „изместване“ във фазата на изхода от усилвателя с 180 градуса при честотата на осцилатора.



Размерът на фазовото изместване, създаден от RC мрежата, зависи от честотата. По-високите честоти на осцилатора създават по-голямо количество фазово изместване.

Следващите изчерпателни обяснения ще ни помогнат да научим концепцията по-подробно.



В предишен пост научихме за критичните съображения, необходими по време на проектирането на базиран на операционен усилвател генератор на фазово изместване. В тази публикация ще продължим напред и ще знаем повече относно видове осцилатори с фазово изместване и как да се изчислят участващите параметри чрез формули.


Верига Wien-bridge

Дадената по-долу схема показва настройката на веригата на Wien-bridge.

Схема на Wien-мост

Тук можем да прекъснем цикъла на положителния вход на операционния усилвател и да изчислим връщащия сигнал, използвайки следното уравнение 2:

Кога ⍵ = 2πpf = 1 / RC , обратната връзка е във фаза (положителна обратна връзка), като има печалба от 1/3 .

Следователно трептенията се нуждаят от веригата opamp, за да имат печалба от 3.

Когато R F = 2R G , усилвателят на усилвателя е 3 и трептенето започва при f = 1 / 2πRC.

В нашия експеримент веригата се колебае при 1,65 kHz вместо 1,59 kHz, използвайки посочените стойности на части на фигура 3, но с видимо изкривяване.

Следващата фигура по-долу показва Wien-мостова схема, която има нелинейна обратна връзка .

Wien-мостов осцилатор с нелинейна обратна връзка

Можем да видим лампа RL, чиято устойчивост на нишка е избрана много ниска, около 50% от стойността на съпротивлението на обратната връзка на RF, тъй като токът на лампата се определя от RF и RL.

Връзката между тока на лампата и съпротивлението на лампата, която е нелинейна, помага да се поддържат вариациите на изходното напрежение на минималното ниво.

Можете също така да намерите много схеми, включващи диод, вместо описаната по-горе концепция за нелинейна обратна връзка.

Използването на диод помага за намаляване на нивото на изкривяване, като предлага нежен контрол на изходното напрежение.

Въпреки това, ако горните методи не са благоприятни за вас, тогава трябва да изберете методите AGC, които идентично помагат за намаляване на изкривяванията.

На следващата фигура е показан общ осцилатор на Wien-мост, използващ AGC верига.

Тук той взема проби от отрицателната синусоида чрез D1 и пробата се съхранява в C1.

Wien-мостов осцилатор с AGC

R1 и R2 се изчисляват така, че да центрират пристрастието върху Q1, за да се гарантира, че (R G + R Q1 ) е равно на R F / 2 с очакваното изходно напрежение.

Ако изходното напрежение има тенденция да се повишава, съпротивлението на Q1 се повишава, като следователно намалява усилването.

В първата верига на осцилатор на моста на Wien, захранването от 0,833 волта може да бъде видяно приложено върху положителния входен щифт на opamp. Това беше направено с цел централизиране на изходното напрежение в покой при VCC / 2 = 2.5 V.

Осцилатор с фазово изместване (един opamp)

Осцилатор с фазово изместване (един opamp)

Осцилатор с фазово изместване може също да бъде конструиран, като се използва само един opamp, както е показано по-горе.

Конвенционалното мислене е, че във веригите с фазово изместване етапите са изолирани и се управляват един от друг. Това ни дава следното уравнение:

Когато фазовото изместване на отделната секция е –60 °, фазовото изместване е = –180 °. Това се случва, когато ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC тъй като допирателната 60 ° = 1,73.

Стойността на β в този момент е (1/2)3, което означава, че печалбата A трябва да е с ниво 8, за да може усилването на системата да бъде с ниво 1.

В тази диаграма беше установено, че честотата на трептене за посочените стойности на частите е 3.76 kHz, а не според изчислената честота на трептене от 2.76 kHz.

Освен това, коефициентът на усилване, необходим за иницииране на трептене, беше измерен като 26, а не според изчисленото усилване от 8.

Този тип неточности се дължат до известна степен на несъвършенствата на компонентите.

Най-същественият засягащ аспект обаче се дължи на грешните прогнози, че RC етапите никога не си влияят един на друг.

Тази настройка на единична операционна верига беше доста известна в моменти, когато активните компоненти бяха обемисти и на високи цени.

В днешно време операционните усилватели са икономични и компактни и се предлагат с четири номера в един пакет, поради което единичният осцилатор с фазово изместване на операционната система в крайна сметка е загубил признанието си.

Буфериран осцилатор с фазово изместване

Буфериран осцилатор с фазово изместване

На горната фигура можем да видим буфериран осцилатор с фазово изместване, пулсиращ при 2,9 kHz вместо очакваната идеална честота от 2,76 kHz и с усилване от 8,33, за разлика от идеалното усилване от 8.

Буферите забраняват на RC секциите да си влияят взаимно и следователно буферираните осцилатори с фазово изместване са в състояние да работят по-близо до изчислената честота и усилване.

Резисторът RG, отговорен за настройката на усилването, зарежда третата RC секция, позволявайки на четвъртия операционен усилвател в четириядрен операционен усилвател да действа като буфер за тази RC секция. Това кара нивото на ефективност да достигне идеална стойност.

Можем да извлечем синусоидална вълна с ниско изкривяване от всеки от фазите на осцилатора с фазово изместване, но най-естествената синусоидална вълна може да бъде получена от изхода на последната RC секция.

Обикновено това е кръстовище с нисък ток с високо съпротивление, поради което тук трябва да се използва схема с входен каскад с висок импеданс, за да се избегнат натоварвания и отклонения в честотата в отговор на вариациите на товара.

Квадратурен осцилатор

Квадратурният осцилатор е друга версия на осцилатора с фазово изместване, но трите RC етапа са събрани по такъв начин, че всяка секция добавя 90 ° от фазовото изместване.

Квадратурен осцилатор

Изходите се наричат ​​синус и косинус (квадратура), просто защото има 90 ° фазово изместване между изходите на opamp. Усилването на контура се определя чрез уравнението 4.

С ⍵ = 1 / RC , Уравнение 5 опростява до 1√ - 180 ° , водещи до трептения при ⍵ = 2πpf = 1 / RC.

Експериментираната схема импулсира при 1,65 kHz, за разлика от изчислената стойност от 1,59 kHz, а разликата се дължи главно на вариации в стойността на частите.

Осцилатор Bubba

Осцилатор Bubba

Показаният по-горе осцилатор Bubba е още един вариант на осцилатор с фазово изместване, но той се радва на предимствата на пакета с четворни операционни усилватели, за да създаде няколко отличителни характеристики.

Четири RC секции изискват 45 ° фазово изместване за всяка секция, което означава, че този осцилатор се предлага с изключителни dΦ / dt за намаляване на честотните отклонения.

Всяка от RC секциите генерира 45 ° фазово изместване. Значение, тъй като имаме изходи от алтернативни секции, осигурява квадратурни изходи с нисък импеданс.

Винаги, когато изходът се извлича от всеки операционен усилвател, веригата генерира четири синусоидални вълни с фазово изместване на 45 °. Уравнението на цикъла може да бъде записано като:

Кога ⍵ = 1 / RC , горните уравнения се свиват в следните уравнения 7 и 8.

Коефициентът на усилване A трябва да достигне стойността 4, за да предизвика трептене.

Аналитичната верига се колебае при 1,76 kHz за разлика от идеалната честота 1,72 kHz, докато усилването изглежда е 4,17 вместо идеалното усилване от 4.

Поради намалена печалба ДА СЕ и операционни усилватели с нисък ток на отклонение, резисторът RG, отговорен за фиксирането на усилването, не зарежда крайната RC секция. Това гарантира най-точната честота на осцилатора.

Синусоидалните вълни с изключително ниско изкривяване могат да бъдат получени от кръстовището на R и RG.

Винаги, когато са необходими синусоидални вълни с ниско изкривяване за всички изходи, усилването всъщност трябва да бъде разпределено по равно между всички opamps.

Неинвертиращият вход на усилвателния оп-усилвател е пристрастен при 0,5 V, за да създаде неподвижно изходно напрежение при 2,5 V. Разпределението на усилването изисква отклонение на другите opamps, но със сигурност няма влияние върху честотата на трептене.

Заключения

В горната дискусия разбрахме, че генераторите с фазово изместване на Op amp са ограничени до долния край на честотната лента.

Това се дължи на факта, че операционните усилватели нямат основната честотна лента за осъществяване на ниско фазово изместване при по-високи честоти.

Прилагането на съвременните усилватели с обратна връзка по ток в схемите на осцилатора изглежда трудно, тъй като те са много чувствителни към капацитета на обратната връзка.

Операционните усилватели с обратна връзка по напрежение са ограничени до само 100 kHz, тъй като те създават прекомерно фазово изместване.

Осцилаторът Wien-bridge работи с малък брой части и неговата честотна стабилност е много приемлива.

Но намаляването на изкривяването в осцилатор на Wien-мост е по-лесно от инициирането на самия процес на трептене.

Квадратурният генератор със сигурност работи с няколко операционни усилвателя, но включва много по-голямо изкривяване. Въпреки това, осцилаторите с фазово изместване, като осцилатора Bubba, показват много по-ниски изкривявания заедно с известна стабилна честотна стабилност.

Като каза това, подобрената функционалност на този тип осцилатори с фазово изместване не е евтина поради по-високите разходи на частите, включени в различните етапи на веригата.

Свързани уеб сайтове
www.ti.com/sc/ усилватели
www.ti.com/sc/docs/products/analog/tlv2471.html
www.ti.com/sc/docs/products/analog/tlv2472.html
www.ti.com/sc/docs/products/analog/tlv2474.html




Предишен: Ос усилватели Напред: 1000 вата до 2000 вата схема за усилвател на мощност