Phase Shift Oscillator - Wien-Bridge, Buffered, Quadrature, Bubba

Δοκιμάστε Το Όργανο Μας Για Την Εξάλειψη Των Προβλημάτων





Ένας ταλαντωτής μετατόπισης φάσης είναι ένα κύκλωμα ταλαντωτή που έχει σχεδιαστεί για να παράγει έξοδο κύματος. Λειτουργεί με ένα μόνο ενεργό στοιχείο όπως ένα BJT ή ένα op amp που έχει διαμορφωθεί σε λειτουργία ενισχυτή αντιστροφής.

Η διάταξη του κυκλώματος δημιουργεί μια ανατροφοδότηση από την έξοδο στην είσοδο χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα RC (αντίσταση / πυκνωτή) διατεταγμένο σε δίκτυο τύπου σκάλας. Η εισαγωγή αυτής της ανατροφοδότησης προκαλεί μια θετική «μετατόπιση» στη φάση της εξόδου από τον ενισχυτή κατά 180 μοίρες στη συχνότητα του ταλαντωτή.



Το μέγεθος της μετατόπισης φάσης που δημιουργείται από το δίκτυο RC εξαρτάται από τη συχνότητα. Οι υψηλότερες συχνότητες ταλαντωτών δημιουργούν μεγαλύτερη ποσότητα μετατόπισης φάσης.

Οι ακόλουθες αναλυτικές εξηγήσεις θα μας βοηθήσουν να μάθουμε την έννοια με περισσότερες λεπτομέρειες.



Στο προηγούμενη ανάρτηση μάθαμε για τις κρίσιμες σκέψεις που απαιτούνται κατά το σχεδιασμό ενός ταλαντωτή μετατόπισης φάσης με βάση το op-amp. Σε αυτήν την ανάρτηση θα το προχωρήσουμε μπροστά και θα μάθουμε περισσότερα σχετικά με το τύποι ταλαντωτών μετατόπισης φάσης και πώς να υπολογίσετε τις εμπλεκόμενες παραμέτρους μέσω τύπων.


Κύκλωμα Wien-Bridge

Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει τη ρύθμιση του κυκλώματος Wien-bridge.

Διάγραμμα κυκλώματος Wien-Bridge

Εδώ, μπορούμε να σπάσουμε το βρόχο στη θετική είσοδο του opamp και να υπολογίσουμε το σήμα επιστροφής χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση 2:

Πότε ⍵ = 2πpf = 1 / RC , η ανατροφοδότηση βρίσκεται σε φάση (θετική ανατροφοδότηση), έχοντας κέρδος 1/3 .

Επομένως οι ταλαντώσεις χρειάζονται το κύκλωμα opamp για να έχουν κέρδος 3.

Όταν R φά = 2R σολ , το κέρδος του ενισχυτή είναι 3 και η ταλάντωση ξεκινά σε f = 1 / 2πRC.

Στο πείραμά μας το κύκλωμα ταλαντώθηκε στα 1,65 kHz αντί για 1,59 kHz χρησιμοποιώντας τις υποδεικνυόμενες τιμές εξαρτήματος στο Σχήμα 3, αλλά με μια φαινομενική παραμόρφωση.

Το επόμενο σχήμα δείχνει ένα κύκλωμα γέφυρας Wien που έχει μη γραμμική ανατροφοδότηση .

Ταλαντωτής γέφυρας Wien με μη γραμμική ανάδραση

Μπορούμε να δούμε μια λάμπα RL της οποίας η αντίσταση νήματος επιλέγεται πολύ χαμηλή, περίπου το 50% της τιμής αντίστασης ανάδρασης του RF, δεδομένου ότι το ρεύμα της λάμπας ορίζεται από RF και RL.

Η σχέση μεταξύ του ρεύματος του λαμπτήρα και της αντίστασης του λαμπτήρα είναι μη γραμμική, βοηθά στη διατήρηση των μεταβολών τάσης εξόδου στο ελάχιστο επίπεδο.

Μπορείτε επίσης να βρείτε πολλά κυκλώματα που ενσωματώνουν δίοδο αντί για την παραπάνω εξηγημένη έννοια μη γραμμικών στοιχείων ανάδρασης.

Η χρήση μιας διόδου βοηθά στη μείωση του επιπέδου παραμόρφωσης προσφέροντας έναν απαλό έλεγχο τάσης εξόδου.

Ωστόσο, εάν οι παραπάνω μέθοδοι δεν είναι ευνοϊκές για εσάς, τότε πρέπει να ακολουθήσετε μεθόδους AGC, οι οποίες βοηθούν ταυτόχρονα σε μειωμένη παραμόρφωση.

Ένας κοινός ταλαντωτής γέφυρας Wien που χρησιμοποιεί κύκλωμα AGC εμφανίζεται στην ακόλουθη εικόνα.

Εδώ, δειγματίζει το αρνητικό ημιτονοειδές κύμα μέσω του D1 και το δείγμα αποθηκεύεται μέσα στο C1.

Ταλαντωτής Wien-Bridge με AGC

Τα R1 και R2 υπολογίζονται έτσι ώστε να επικεντρώνεται η πόλωση στο Q1 για να διασφαλιστεί ότι (R σολ + Ρ Ε1 ) ισούται με R φά / 2 με την αναμενόμενη τάση εξόδου.

Εάν η τάση εξόδου τείνει να αυξηθεί, η αντίσταση του Q1 αυξάνεται, μειώνοντας κατά συνέπεια το κέρδος.

Στο πρώτο κύκλωμα ταλαντωτή γέφυρας Wien, η τροφοδοσία 0,833-volt φαίνεται να εφαρμόζεται στον ακροδέκτη εισόδου θετικού opamp. Αυτό έγινε για να συγκεντρωθεί η τάση ηρεμίας εξόδου σε VCC / 2 = 2,5 V.

Ταλαντωτής μετατόπισης φάσης (ένα opamp)

Ταλαντωτής μετατόπισης φάσης (ένα opamp)

Ένας ταλαντωτής μετατόπισης φάσης μπορεί επίσης να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας ένα μόνο opamp όπως φαίνεται παραπάνω.

Η συμβατική σκέψη είναι ότι στα κυκλώματα αλλαγής φάσης τα στάδια είναι απομονωμένα και αυτοδιοικούμενα το ένα με το άλλο. Αυτό μας δίνει την ακόλουθη εξίσωση:

Όταν η μετατόπιση φάσης μεμονωμένης τομής είναι –60 ° η μετατόπιση φάσης βρόχου είναι = –180 °. Αυτό συμβαίνει όταν ⍵ = 2πpf = 1.732 / RC από την εφαπτομένη 60 ° = 1,73.

Η τιμή του β αυτή τη στιγμή είναι (1/2)3, που σημαίνει ότι το κέρδος, Α, πρέπει να είναι με ένα επίπεδο 8 για το κέρδος του συστήματος να είναι με ένα επίπεδο στο 1.

Σε αυτό το διάγραμμα, η συχνότητα ταλάντωσης για τις υποδεικνυόμενες τιμές εξαρτήματος βρέθηκε να είναι 3,76 kHz και όχι σύμφωνα με την υπολογιζόμενη συχνότητα ταλάντωσης των 2,76 kHz.

Επιπλέον, το κέρδος που ήταν απαραίτητο για την έναρξη της ταλάντωσης μετρήθηκε να είναι 26 και όχι σύμφωνα με το υπολογισμένο κέρδος του 8.

Αυτά τα είδη ανακρίβειας οφείλονται σε κάποιο βαθμό στις ατέλειες των συστατικών.

Ωστόσο, η πιο σημαντική πτυχή επηρεάζει οφείλεται στις λανθασμένες προβλέψεις ότι τα στάδια RC δεν επηρεάζουν ποτέ το ένα το άλλο.

Αυτή η εγκατάσταση ενός ενιαίου κυκλώματος opamp ήταν πασίγνωστη σε περιόδους που τα ενεργά εξαρτήματα ήταν ογκώδη και σε υψηλές τιμές.

Σήμερα τα op-amp είναι οικονομικά και συμπαγή και διατίθενται με τέσσερις αριθμούς σε ένα μόνο πακέτο, επομένως ο ταλαντωτής μετατόπισης φάσης single opamp έχει χάσει τελικά την αναγνώρισή του.

Ρυθμιζόμενος ταλαντωτής μετατόπισης φάσης

Ρυθμιζόμενος ταλαντωτής μετατόπισης φάσης

Μπορούμε να δούμε έναν ρυθμιστικό ταλαντωτή μετατόπισης φάσης στην παραπάνω εικόνα, παλλόμενος στα 2,9 kHz αντί της αναμενόμενης ιδανικής συχνότητας των 2,76 kHz, και με κέρδος 8,33 σε αντίθεση με ένα ιδανικό κέρδος 8.

Τα buffer απαγορεύουν στα τμήματα RC να επηρεάζουν το ένα το άλλο, και ως εκ τούτου οι ρυθμιστές ταλαντωτής μετατόπισης φάσης είναι σε θέση να λειτουργούν πιο κοντά στην υπολογισμένη συχνότητα και κέρδος.

Η αντίσταση RG που είναι υπεύθυνη για τη ρύθμιση κέρδους, φορτώνει το τρίτο τμήμα RC, επιτρέποντας στον 4ο opamp σε ένα τετραπλό opamp να λειτουργήσει ως buffer για αυτό το τμήμα RC. Αυτό αναγκάζει το επίπεδο απόδοσης να φτάσει σε μια ιδανική τιμή.

Μπορούμε να εξαγάγουμε ένα ημιτονοειδές κύμα χαμηλής παραμόρφωσης από οποιοδήποτε από τα στάδια του ταλαντωτή μετατόπισης φάσης, αλλά το πιο φυσικό ημιτονοειδές κύμα μπορεί να προέλθει από την έξοδο του τελευταίου τμήματος RC.

Αυτή είναι συνήθως μια διασταύρωση χαμηλού ρεύματος υψηλής σύνθετης αντίστασης, επομένως ένα κύκλωμα με στάδιο εισόδου υψηλής σύνθετης αντίστασης πρέπει να χρησιμοποιείται εδώ για να αποφευχθεί η απόκλιση φόρτωσης και συχνότητας σε απόκριση σε μεταβολές φορτίου.

Ταλαντωτής τετραγώνου

Ο ταλαντωτής τετραγώνου είναι μια άλλη έκδοση του ταλαντωτή μετατόπισης φάσης, ωστόσο τα τρία στάδια RC συνδυάζονται με τέτοιο τρόπο ώστε κάθε τμήμα να προσθέτει 90 ° μετατόπισης φάσης.

Ταλαντωτής τετραγώνου

Οι έξοδοι ονομάζονται ημίτονο και συνημίτονο (τετράγωνο) απλώς και μόνο επειδή υπάρχει μετατόπιση φάσης 90 ° μεταξύ των εξόδων opamp. Το κέρδος βρόχου καθορίζεται μέσω της εξίσωσης 4.

Με ⍵ = 1 / RC , Η εξίσωση 5 απλοποιείται 1√ - 180 ° , οδηγώντας σε ταλαντώσεις στο ⍵ = 2πpf = 1 / RC.

Το πειραματικό κύκλωμα παλμούσε στα 1,65 kHz σε αντίθεση με την υπολογιζόμενη τιμή των 1,59 kHz, και η διαφορά οφείλεται κυρίως σε παραλλαγές της τιμής μέρους.

Ταλαντωτής Bubba

Ταλαντωτής Bubba

Ο ταλαντωτής Bubba που φαίνεται παραπάνω είναι μια ακόμη παραλλαγή του ταλαντωτή μετατόπισης φάσης, αλλά απολαμβάνει το όφελος από το πακέτο quad op-amp για να παράγει μερικά χαρακτηριστικά.

Τέσσερα τμήματα RC απαιτούν μετατόπιση φάσης 45 ° για κάθε ενότητα, πράγμα που σημαίνει ότι αυτός ο ταλαντωτής διαθέτει εξαιρετικό dΦ / dt για τη μείωση των αποκλίσεων συχνότητας.

Κάθε ένα από τα τμήματα RC δημιουργεί μετατόπιση φάσης 45 °. Σημασία, επειδή έχουμε έξοδοι από εναλλακτικές ενότητες διασφαλίζει εξόδους χαμηλής σύνθετης αντίστασης.

Κάθε φορά που εξάγεται μια έξοδος από κάθε opamp, το κύκλωμα παράγει τέσσερα ημιτονοειδή κύματα 45 °. Η εξίσωση βρόχου μπορεί να γραφτεί ως:

Πότε ⍵ = 1 / RC , οι παραπάνω εξισώσεις συρρικνώνονται στις ακόλουθες Εξισώσεις 7 και 8.

Το κέρδος, A, πρέπει να φτάσει την τιμή του 4 για να ξεκινήσει μια ταλάντωση.

Το κύκλωμα ανάλυσης ταλαντώθηκε στα 1,76 kHz σε αντίθεση με την ιδανική συχνότητα 1,72 kHz ενώ το κέρδος φάνηκε να είναι 4,17 αντί του ιδανικού κέρδους των 4.

Λόγω μειωμένου κέρδους ΠΡΟΣ ΤΗΝ και χαμηλής μεροληπτικής λειτουργίας op-amp, η αντίσταση RG που είναι υπεύθυνη για τον καθορισμό του κέρδους δεν φορτώνει την τελική ενότητα RC. Αυτό εγγυάται την πιο ακριβή έξοδο συχνότητας ταλαντωτή.

Ημιτονοειδή κύματα εξαιρετικά χαμηλής παραμόρφωσης θα μπορούσαν να αποκτηθούν από τη διασταύρωση των R και RG.

Όποτε απαιτούνται ημιτονοειδή κύματα χαμηλής παραμόρφωσης σε όλες τις εξόδους, το κέρδος πρέπει πραγματικά να κατανέμεται εξίσου μεταξύ όλων των opamps.

Η μη αναστρέψιμη είσοδος του κέρδους op-amp είναι προκατειλημμένη στα 0,5 V για να δημιουργήσει την ηρεμία τάση εξόδου στα 2,5 V. Η κατανομή κέρδους απαιτεί πόλωση των άλλων opamps, αλλά σίγουρα δεν επηρεάζει τη συχνότητα ταλάντωσης.

Συμπεράσματα

Στην παραπάνω συζήτηση καταλάβαμε ότι οι ταλαντωτές μετατόπισης φάσης Op amp περιορίζονται στο κάτω άκρο της ζώνης συχνοτήτων.

Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα op-amp δεν έχουν το απαραίτητο εύρος ζώνης για την εφαρμογή μετατόπισης χαμηλής φάσης σε υψηλότερες συχνότητες.

Η εφαρμογή των σύγχρονων οπτικών ενισχυτών ρεύματος σε κυκλώματα ταλαντωτή φαίνεται δύσκολη, καθώς είναι πολύ ευαίσθητα στην χωρητικότητα ανάδρασης.

Οι ενισχυτές ανάδρασης τάσης περιορίζονται σε μόλις 100 kHz, καθώς δημιουργούν υπερβολική μετατόπιση φάσης.

Ο ταλαντωτής γέφυρας Wien λειτουργεί με μικρό αριθμό εξαρτημάτων και η σταθερότητα της συχνότητας είναι πολύ αποδεκτή.

Όμως, η μείωση της παραμόρφωσης σε έναν ταλαντωτή γέφυρας Wien είναι λιγότερο ευκολότερη από την έναρξη της ίδιας της διαδικασίας ταλάντωσης.

Ο ταλαντωτής τετραγώνου σίγουρα λειτουργεί χρησιμοποιώντας δύο op-amp, αλλά περιλαμβάνει πολύ μεγαλύτερη παραμόρφωση. Ωστόσο, οι ταλαντωτές μετατόπισης φάσης, όπως ο ταλαντωτής Bubba εμφανίζουν πολύ χαμηλότερη παραμόρφωση μαζί με κάποια αξιοπρεπή σταθερότητα συχνότητας.

Τούτου λεχθέντος, η βελτιωμένη λειτουργικότητα αυτού του τύπου ταλαντωτών αλλαγής φάσης δεν είναι φθηνή λόγω του υψηλότερου κόστους των εξαρτημάτων που εμπλέκονται στα διάφορα στάδια του κυκλώματος.

Σχετικοί ιστότοποι
www.ti.com/sc/amplifiers
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




Προηγούμενο: Op amp ταλαντωτές Επόμενο: Κύκλωμα ενισχυτή ισχύος 1000 watt έως 2000 watt