- Що таке осцилятор?
- RC генератор і фаза:
- Зсув фази за допомогою схеми RC-генератора:
- Каскадні декілька RC-фільтрів:
- RC фазовий генератор з транзистором:
- Частота RC-генератора:
- Генератор фазового зсуву RC з операційним підсилювачем:
Що таке осцилятор?
Генератор - це механічна або електронна конструкція, яка створює коливання залежно від кількох змінних. Ми всі маємо пристрої, яким потрібні генератори, традиційні годинники, які ми всі маємо вдома, як настінні годинники або наручні годинники, різні типи металошукачів, комп’ютери, де задіяні мікроконтролер та мікропроцесори, усі використовують генератори, особливо електронні генератори, які виробляють періодичні сигнали.
RC генератор і фаза:
Коли ми обговорюємо RC-генератор, і оскільки його також називають генератором фазового зсуву, нам потрібно чітко розуміти, що таке фаза. Подивіться це зображення: -
Якщо ми побачимо вищезазначену синусоїдальну хвилю, подібну цій, ми чітко побачимо, що початкова точка сигналу становить 0 градусів по фазі, і після цього кожна пікова точка сигналу від позитивної до 0, потім знову негативна точка, потім знову 0 відповідно позначається як градус, 180 градусів, 270 градусів та 360 градусів у фазовому положенні.
Фаза - це період повного циклу синусоїдальної хвилі в еталоні 360 градусів.
Тепер без подальших затримок давайте подивимось, що таке фазовий зсув?
Якщо ми зміщуємо вихідну точку синусоїдальної хвилі, відмінну від 0 градусів, фаза зміщується. Ми зрозуміємо зсув фази на наступному зображенні.
На цьому зображенні представлені дві синусоїдальні хвилі змінного струму, перша зелена синусоїдальна хвиля має фазу 360 градусів, але червона, яка є копією першого, зчитуваного сигналу, знаходиться на 90 градусів від фази зеленого сигналу.
За допомогою RC-генератора ми можемо зсунути фазу синусоїдального сигналу.
Зсув фази за допомогою схеми RC-генератора:
RC означає резистор і конденсатор. Ми можемо просто сформувати мережу резистор-конденсатор із зсувом фаз, використовуючи лише один резистор і один конденсатор.
Як видно з підручника фільтра високих частот, тут застосовується та сама схема. Типова RC - фазовий зсув генератора може бути виробляють з допомогою конденсатора в серії разом з резистором паралельно.
Це однополюсна мережа фазового зсуву; схема така ж, як пасивний фільтр високих частот. Теоретично, якщо ми застосовуємо сигнал фази через цю RC-мережу, вихідна фаза буде зміщена рівно на 90 градусів. Але якщо ми спробуємо це насправді і перевіримо зсув фази, то ми досягнемо зсуву фази від 60 градусів до менш ніж 90 градусів. Це залежить від частоти та допусків компонентів, які створюють несприятливий ефект в реальності. Оскільки всі ми знаємо, що ніщо не є ідеальним, має бути якась різниця, ніж фактичні так звані або очікувані цінності, ніж реальність. Температура та інші зовнішні залежності створюють труднощі для досягнення точного зсуву фази на 90 градусів, 45 градусів - це взагалі, 60 градусів є загальним залежно від частот, а досягнення 90 градусів є дуже складною роботою у багатьох випадках.
Як обговорювалось у підручнику високих частот, ми побудуємо одну і ту ж схему та дослідимо зсув фази тієї ж схеми.
Схема цього високочастотного фільтра разом зі значеннями компонентів знаходиться на зображенні нижче: -
Це приклад, який ми використовували в попередніх підручниках з пасивного фільтра високих частот. Він буде виробляти смугу пропускання 4,9 кГц. Якщо ми перевіримо кутову частоту, ми визначимо фазовий кут на виході генератора.
Тепер ми можемо бачити, що фазовий зсув починається з 90 градусів, що є максимальним фазовим зсувом мережі RC-генератора, але в точці кутової частоти фазовий зсув становить 45 градусів.
Тепер, враховуючи той факт, що фазовий зсув дорівнює 90 градусам, або якщо ми вибрали конструкцію схеми генератора як особливий спосіб, який вироблятиме фазовий зсув на 90 градусів, то схема втратить свій імунітет у діапазоні кордонів через поганий коефіцієнт стабілізації частоти. Як ми можемо уявити в точці 90 градусів, де крива щойно розпочалася, як від 10 Гц або Нижче до 100 Гц, майже рівна. Це означає, що якщо частота генератора дещо змінилася через допуск компонентів, температуру та інші неминучі обставини, зсув фази не зміниться. Це невдалий вибір. Отже, ми вважаємо, що 60 градусів або 45 градусів є прийнятним зсувом фаз для однополюсного генератора RC мережі. Стабільність частоти покращиться.
Каскадні декілька RC-фільтрів:
Каскадні три RC-фільтри:
Враховуючи цей факт, що ми не можемо досягти лише фазового зсуву на 60 градусів замість 90 градусів, ми можемо каскадувати три RC-фільтри (якщо фазовий зсув RC-генераторами дорівнює 60 градусів) або каскадними чотирма фільтрами послідовно (якщо фазовий зсув 45 градусів за допомогою кожного осцилятора RC) і отримати 180 градусів.
На цьому зображенні три осцилятори RC каскадувались і кожен раз додавали зсув фази на 60 градусів і, нарешті, після третього етапу ми отримаємо зсув фази на 180 градусів.
Ми побудуємо цю схему в програмному забезпеченні для моделювання та побачимо форму вхідної та вихідної хвилі схеми.
Перш ніж потрапити у відео, давайте побачимо зображення схеми, а також побачимо підключення осцилографа.
На верхньому зображенні ми використовували конденсатор 100pF і значення резистора 330k. Осцилограф підключений через вхід VSIN (A / жовтий канал), через вихід першого полюса (B / синій канал), вихід 2- го полюса
(C / червоний канал) і кінцевий вихід через третій полюс (канал D / Green).
Ми побачимо моделювання у відео та побачимо зміну фази на 60 градусів на першому полюсі, 120 градусів на другому полюсі та 180 градусів на третьому полюсі. Також амплітуда сигналу буде поступово мінімізувати.
Амплітуда 1- го полюса> Амплітуда 2-го полюса> Амплітуда 3-го полюса. Більше ми йдемо до останнього полюса, декремент амплітуди сигналу зменшується.
Тепер ми побачимо симуляційне відео: -
Чітко показано, що кожен полюс активно змінює фазові зсуви і на кінцевому виході він зміщується на 180 градусів.
Каскадні чотири RC-фільтри:
На наступному зображенні використовуються чотири генератора фазового зсуву RC із зсувом фази по 45 градусів кожен, які виробляють зсув фази на 180 градусів в кінці мережі RC.
RC фазовий генератор з транзистором:
Це все є пасивними елементами або компонентами RC-генератора. Отримуємо зсув фази на 180 градусів. Якщо ми хочемо здійснити зсув фази на 360 градусів, потрібен активний компонент, який виробляє додатковий зсув фази на 180 градусів. Це виконується транзистором або підсилювачем і вимагає додаткової напруги живлення.
На цьому зображенні транзистор NPN використовується для зсуву фази на 180 градусів, тоді як C1R1 C2R2 C3R3 виробляє 60 градусів затримки фази. Отже, накопичення цих трьох зсувів фази 60 + 60 + 60 = 180 градусів здійснюється, з іншого боку, додаючи ще 180 градусів транзистором, створюючи загальний зсув фази на 360 градусів. Ми отримаємо 360-градусний зсув фази через електролітичний конденсатор С5. Якщо ми хочемо змінити частоту цього одного способу, змінити значення конденсаторів або використовувати конденсатор із змінним попередньо встановленим значенням на цих трьох полюсах окремо, усуваючи окремі нерухомі конденсатори.
Підключення зворотного зв'язку виробляються для отримання енергії назад до підсилювача з допомогою цієї мережі три полюси RC. Це необхідно для стабільного позитивного коливання та отримання синусоїдальної напруги. Завдяки
з'єднанню із зворотним зв'язком або конфігурації, RC-генератор є генератором типу зворотного зв'язку.
У 1921 р. Німецький фізик Генріх Георг Баркхаузен ввів "критерій Баркхаузена" для визначення зв'язку між фазовими зсувами через петлю зворотного зв'язку. Відповідно до критерію, схема буде коливатися лише в тому випадку, якщо фазовий зсув навколо контуру зворотного зв'язку дорівнює або кратний 360 градусам, а коефіцієнт підсилення петлі дорівнює одиниці. Якщо фазовий зсув є точним на бажаній частоті, а петля зворотного зв'язку створює коливання на 360 градусів, тоді на виході вийде синусоїда. RC-фільтр служить для досягнення цієї мети.
Частота RC-генератора:
Ми можемо легко визначити частоту коливань, використовуючи це рівняння: -
Де
R = Опір (Ом)
C = Ємність
N = Кількість RC-мережі використовується / буде використовуватися
Ця формула використовується для проектування фільтрів високих частот, ми також можемо використовувати фільтр низьких частот, і зсув фази буде негативним. У такому випадку верхня формула не буде працювати для розрахунку частоти генератора, застосовуватиметься інша формула.
Де
R = Опір (Ом)
C = Ємність
N = Кількість RC-мережі використовується / буде використовуватися
Генератор фазового зсуву RC з операційним підсилювачем:
Оскільки ми можемо побудувати RC осцилятор фазового зсуву за допомогою транзистора, тобто BJT, існують і інші обмеження щодо транзистора.
- Він стабільний для низьких частот.
- Просто використовуючи лише один BJT, амплітуда вихідної хвилі не є ідеальною, потрібна додаткова схема для стабілізованої амплітуди сигналу.
- Точність частоти не є досконалою і не захищена від шумних перешкод.
- Ефект несприятливого навантаження. Через формування каскаду вхідний опір другого полюса змінює резисторні властивості опору першого полюсного фільтра. Чим більше фільтрів каскадується, тим більше ситуація погіршується, оскільки це вплине на точність розрахункової частоти генератора фазового зсуву.
Завдяки загасанню на резисторі та конденсаторі, втрати на кожному каскаді збільшуються, а загальні втрати становлять приблизно загальну втрату 1/29 тис. Вхідного сигналу.
Як згасає ланцюга в 1/29 го ми повинні відновити втрати.
Настав час змінити BJT за допомогою операційного підсилювача. Ми також можемо усунути ці чотири недоліки та отримати більше запасу над контролем, якщо замість BJT використовувати операційний підсилювач. Завдяки високому вхідному імпедансу ефект навантаження також ефективно контролюється, оскільки вхідний опір підсилювача сприяє загальному ефекту навантаження.
Тепер, без подальших модифікацій, давайте змінимо BJT на Op-Amp і подивимося, якою буде схема або схема RC-генератора за допомогою Op-amp.
Як бачимо, Just BJT замінено перевернутим підсилювачем. Цикл зворотного зв'язку підключений через перший полюсний генератор RC і подається до інвертованого вхідного штифта підсилювача. Завдяки цьому перевернутому з'єднанню з зворотним зв'язком операційний підсилювач виробляє зсув фази на 180 градусів. Додатковий зсув фази на 180 градусів буде забезпечений трьома ступенями RC. Ми отримаємо бажаний вихід 360-градусної фазової хвилі, зміщеної на першому виводі операційного підсилювача, який називається OSC out. R4 використовується для компенсації посилення операційного підсилювача. Ми можемо налаштувати схему, щоб отримати високочастотний коливаний вихід, але залежно від смуги частот діапазону операційного підсилювача.
Крім того, для отримання бажаного результату нам необхідно розрахувати коефіцієнт посилення резистор R4, щоб досягти 29 - й раз більшу амплітуду через ОУ, як нам потрібно, щоб компенсувати втрати 1/29 го через RC етапів.
Подивимось, ми складемо схему зі значенням дійсних компонентів і побачимо, яким буде імітований вихідний сигнал генератора зсуву фази RC.
Ми використаємо резистор 10 кОм і конденсатор 500 пФ і визначимо частоту коливань. Ми також розрахуємо значення коефіцієнта посилення резистора.
N = 3, оскільки будуть використані 3 етапи.
R = 10000, як 10 кОм, перетворене в Ом
C = 500 x 10 -12, оскільки значення конденсатора становить 500pF
Вихід - 12995 Гц або відносно близьке значення - 13 КГц.
За міру того як посилення ОУ потрібно 29 - й раз значення посилення резистора обчислюється за такою формулою: -
Коефіцієнт підсилення = R f / R 29 = R f / 10k R f = 290k
Ось як будується генератор фазового зсуву з використанням RC-компонентів та Op-підсилювача.
Застосування генератора фазового зсуву RC включає підсилювачі, де використовується аудіотрансформатор і необхідний диференціальний звуковий сигнал, але інвертований сигнал недоступний, або якщо джерело змінного струму потрібно для будь-якої програми, тоді використовується RC фільтр. Крім того, генератор сигналу або генератор функцій використовують генератор RC фазового зсуву.