Wein híd oszcillátor

Ebben az oktatóanyagban megismerjük a Wein Bridge oszcillátort, amelyet Max Wien német fizikus fejlesztett ki. Eredetileg a kapacitás kiszámítására fejlesztették ki, ahol az ellenállás és a frekvencia ismert. Mielőtt folytatnánk a további mélyebb vitát arról, hogy mi is a Wein Bridge oszcillátor és hogyan használják, nézzük meg, mi az Oscillator és mi a Wein Bridge Oscillator.

Wein híd oszcillátor:

Az RC oszcillátor előző bemutatójához hasonlóan egy fáziseltolódás előállításához egy ellenállásra és egy kondenzátorra van szükség. szinuszos hullámforma rezgéssel.

A bécsi híd oszcillátorban két RC hálózatot használnak egy erősítőn keresztül, és oszcillátor áramkört hoznak létre.

De miért választanánk a Wien híd oszcillátort ?

A következő pontok miatt a bécsi híd oszcillátor bölcsebb választás a szinuszos hullám előállításához.

1. Stabil.
2. A torzítás vagy a THD (teljes harmonikus torzítás) szabályozható határérték alatt van.
3. Nagyon hatékonyan változtathatjuk a frekvenciát.

Mint azt korábban elmondtuk, a Wein Bridge oszcillátor kétfokozatú RC hálózattal rendelkezik. Ez azt jelenti, hogy két nem poláros kondenzátorból és két ellenállásból áll, amelyek felül- és aluláteresztő szűrőként vannak kialakítva. Egy ellenállás és egy kondenzátor sorban, másrészt egy kondenzátor és egy ellenállás párhuzamosan. Ha felépítjük az áramkört, akkor a vázlat csak így néz ki: -

Amint jól látható, két kondenzátor van, és két ellenállást használnak. Mind a felüláteresztő, mind az aluláteresztő szűrőként működő RC fokozat összekapcsolt állapotban van, ami egy sáváteresztő szűrő terméke, amely két rendfokozat frekvenciafüggését halmozza fel. Az R1 és R2 ellenállás azonos, valamint a C1 és C2 kapacitás is megegyezik.

Wein Bridge oszcillátor kimenet nyereség és fáziseltolás:

Ami a fenti képen az RC hálózati áramkörön belül történik, az nagyon érdekes.

Alacsony frekvencia alkalmazásakor az első kondenzátor (C1) reaktanciája elég magas, és blokkolja a bemeneti jelet, és ellenáll az áramkörnek, hogy 0 kimenetet hozzon létre, másrészt ugyanez történik másképp a második kondenzátor (C2) esetében, amely párhuzamos állapotban csatlakozik. A C2 reaktancia túl alacsonyra vált, megkerüli a jelet és ismét 0 kimenetet eredményez.

Közepes frekvencia esetén, amikor a C1 reaktancia nem magas, és a C2 reaktancia nem alacsony, akkor a C2 ponton keresztül ad kimenetet. Ezt a frekvenciát rezonáns frekvenciának nevezik.

Ha mélyen látunk az áramkör belsejében, látni fogjuk, hogy az áramkör reaktanciája és az áramkör ellenállása egyenlő, ha a rezonancia frekvenciát elértük.

Tehát két szabályt alkalmazunk ilyen esetekben, amikor az áramkört a bemeneten keresztüli rezonáns frekvencia biztosítja.

A. A bemenet és a kimenet fáziskülönbsége 0 fok.

B. Mivel 0 fokos, a kimenet maximális lesz. De mennyit? Ez szorosan vagy pontosan 1/3 ^rd a bemeneti jel nagyságát.

Ha látjuk az áramkör kimenetét, megértjük ezeket a pontokat.

A kimenet pontosan ugyanolyan görbe, mint a képen. Alacsony frekvencián 1 Hz-től a kimenet kisebb vagy majdnem 0, és növekszik a bemenet frekvenciájával a rezonáns frekvenciáig, és amikor a rezonancia frekvencia eléri, a kimenet a maximális csúcspontján van, és folyamatosan csökken a frekvencia növekedésével és újra 0 kimenetet produkál nagy frekvencián. Tehát egyértelműen meghalad egy bizonyos frekvenciatartományt és előállítja a kimenetet. Ezért korábban leírták, hogy frekvenciafüggő változó sávú (frekvenciasáv) áteresztő szűrő. Ha alaposan megnézzük a kimenet fáziseltolódását, akkor egyértelműen látni fogjuk a 0 fokos fázistartást a kimeneten a megfelelő rezonancia frekvencián.

Ebben a fázis kimeneti görbében a fázis pontosan 0 fokos a rezonancia frekvenciánál, és 90 fokról csökkenésre indul 0 fokon, amikor a bemeneti frekvencia növekszik, amíg a rezonancia frekvenciát el nem érik, és ezt követően a fázis tovább csökken a - 90 fokos. Mindkét esetben két kifejezést használunk: Ha a fázis pozitív, akkor Phase Advance- ként, negatív esetén pedig Phase Delay- ként hívják .

A szűrő szakasz kimenetét ebben a szimulációs videóban láthatjuk:

Ebben a videóban mind az R1 R2-ben, mind a 10nF kondenzátorban R-ként használt 4.7k- t mind C1-nél, mind C2-nél használják. Szinuszos hullámot alkalmaztunk a fokozatokon, és az oszcilloszkópban a sárga csatorna mutatja az áramkör bemenetét, a kék vonal pedig az áramkör kimenetét. Ha alaposan megnézzük, a kimeneti amplitúdó a bemenő jel 1/3-a, a kimeneti fázis pedig szinte megegyezik a rezonáns frekvencia 0 fokos fáziseltolásával, amint azt korábban tárgyaltuk.

Rezonancia frekvencia és feszültség kimenet:

Ha figyelembe vesszük, hogy R1 = R2 = R, vagy ugyanazt az ellenállást használják, és a C1 = C2 = C kondenzátor kiválasztásához ugyanazt a kapacitási értéket alkalmazzuk, akkor a rezonancia frekvenciája

Fhz = 1 / 2πRC

Az R jelentése az ellenállás, a C pedig a kondenzátor vagy a kapacitás, és az Fhz, ha a rezonancia frekvencia.

Ha ki akarjuk számolni az RC hálózat Vout-ját, akkor más módon kell látnunk az áramkört.

Ez az RC hálózat AC bemeneti jelekkel működik. Az áramkör ellenállásának kiszámítása váltakozó áramú áram helyett, és az áramkör ellenállásának kiszámítása egyenáram esetén, kissé bonyolult.

Az RC hálózat impedanciát hoz létre, amely ellenállásként működik egy alkalmazott AC jelen. A feszültségosztónak két ellenállása van, ezekben az RC szakaszokban a két ellenállás az Első szűrő (C1 R1) impedancia és a Második szűrő (R2 C2) impedancia.

Mivel van egy kondenzátor, amely sorosan vagy párhuzamosan van konfigurálva, akkor az impedancia képlete a következő lesz: -

Z az impedancia szimbóluma, R az ellenállás és az Xc a kondenzátor kapacitív reaktanciáját jelenti.

Ugyanazon képlet segítségével kiszámíthatjuk az első szakasz impedanciáját.

A második szakasz esetében a képlet megegyezik a párhuzamos egyenértékű ellenállás kiszámításával,

Z az impedancia, R az ellenállás, X a kondenzátor

Az áramkör végső impedanciáját a következő képlet segítségével lehet kiszámítani: -

Kiszámíthatunk egy gyakorlati példát, és megnézhetjük a kimenetet.

Ha kiszámoljuk az értéket és megnézzük az eredményt, látni fogjuk, hogy a kimeneti feszültség a bemeneti feszültség 1/3 része lesz.

Ha a kétfokozatú RC szűrő kimenetet egy nem invertáló erősítő bemeneti tűjéhez vagy + Vin tűhöz csatlakoztatjuk, és az erősítést úgy állítjuk be, hogy helyreállítsuk a veszteséget, a kimenet szinuszos hullámot produkál. Ez a bécsi híd oszcillációja és az áramkör a Wein híd oszcillátor áramköre.

A Wein Bridge oszcillátor működése és építése:

A fenti képen az RC szűrő egy op-erősítőhöz van csatlakoztatva, amely nem invertáló konfigurációban van. R1 és R2 állandó értékű ellenállás, míg a C1 és C2 változtatható trim kondenzátor. E két kondenzátor értékének egyidejű változtatásával megfelelő oszcillációt érhetünk el az alsó tartománytól a felső tartományig. Nagyon hasznos, ha a Wein-híd oszcillátort szeretnénk szinuszos hullám előállítására, különböző frekvenciával, az alsó és a felső tartomány között. Az R3 és R4 pedig az op-amp visszacsatolás erősítésére szolgál. A kimeneti erősítés vagy az erősítés nagyban függ attól a két értékkombinációtól. Mivel a két RC fokozat a kimeneti feszültséget 1/3-ra csökkenti, elengedhetetlen, hogy ezt visszaállítsuk. Bölcsebb döntés az is, ha legalább 3x vagy több mint 3x (4x előnyben részesített) nyereséget ér el.

Az erősítést 1+ (R4 / R3) relációval számíthatjuk ki.

Ha ismét látjuk a képet, láthatjuk, hogy a működési erősítő kimeneti visszacsatolási útja közvetlenül kapcsolódik az RC szűrő bemeneti fokozatához. Mivel a kétfokozatú RC szűrő 0 fokos fáziseltolással rendelkezik a rezonancia frekvencia tartományban, és közvetlenül kapcsolódik az op-amp pozitív visszacsatoláshoz, tegyük fel, hogy xV +, a negatív visszacsatolásban pedig ugyanazt a feszültséget alkalmazzák, amely xV- ugyanazzal a 0 fokos fázissal az op-amp megkülönbözteti a két bemenetet, és kizárja a negatív visszacsatolási jelet, és ennek következtében folytatódik, amikor az RC fokozatokon keresztül összekapcsolt kimenet az op-amplitúdó oszcillálni kezd.

Ha nagyobb megfordítási frekvenciát alkalmazunk, nagyobb frekvenciájú op-amp, a kimeneti frekvencia széles körben maximalizálható.

Kevés nagyfrekvenciás op-erősítő van ebben a szegmensben

. Emlékeznünk kell arra is, ahogyan az előző RC oszcillátor oktatóanyagban a terhelési hatásról tárgyaltunk, a terhelési hatás csökkentése és a terhelés csökkentése érdekében a nagy bemeneti impedanciájú op-amp-ot kell választanunk, mint az RC-szűrő. megfelelő stabil rezgés.

• LM318A
• LT1192
• MAX477
• LT1226
• OPA838
• THS3491, amely 900 mHz-es, nagy magú op-amp!
• LTC6409, amely 10 Ghz GBW differenciálműerősítő. Nem is beszélve arról, hogy ehhez speciális áramkörökre és kivételesen jó RF tervezési taktikákra van szükség a magas frekvenciájú kimenet eléréséhez is.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 Ipari minőségű op-amp.

Gyakorlati példa a Wein Bridge oszcillátorra:

Számítsunk ki egy gyakorlati példaértéket az Ellenállás és a kondenzátor értékének kiválasztásával.

Ezen a képen az RC oszcillátorhoz 4,7k-os ellenállást használnak mind R1, mind R2 esetén. És egy használt trimmer kondenzátor, amelynek két pólusa van, 1-100nF-ot tartalmaz a C1 és C2 vágási kapacitáshoz. Lehetővé teszi az 1nF, 50nF és 100nF oszcillációs frekvenciájának kiszámítását. Kiszámítjuk az op-amp erősítését R3-ként 100k-ként és R4-ket 300k-ként választva.

Mivel a frekvencia kiszámítása a következő képlettel egyszerű

Fhz = 1 / 2πRC

Ha a C értéke 1nF, az ellenállás pedig 4,7 k, akkor a Frekvencia lesz

Fhz = 33 849 Hz vagy 33,85 KHz

Ha a C értéke 50nF, az ellenállásé pedig 4,7 k, akkor a frekvencia lesz

Fhz = 677Hz

Ha a C értéke 100 nF, az ellenállásé pedig 4,7 k, akkor a frekvencia lesz

Fhz = 339Hz

Tehát a legmagasabb frekvencia, amelyet az 1nF használatával érhetünk el, amely 33,85 Khz, és a legalacsonyabb frekvencia, amelyet a 100nF használatával elérhetünk, a 339Hz.

Az op-amp erősítése 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Tehát a Gain = 1+ (300k + 100k) = 4x

Az op-amp a bemenet négyszeres erősítését eredményezi a nem invertált „pozitív” tűn.

Tehát ilyen módon változó frekvenciasávú Wein Bridge oszcillátort állíthatunk elő.

Alkalmazások:

A Wein Bridge oszcillátort széles körben alkalmazzák az elektronika területén, a kondenzátor pontos értékének megtalálásától, 0 fokos fázisú stabil oszcillátorral kapcsolatos áramkörök előállításához, az alacsony zajszint miatt bölcsebb választás a különféle hangminőségi szintek számára alkalmazások, ahol folyamatos oszcillációra van szükség.