Мостовий генератор Вайна

У цьому підручнику ми дізнаємося про мостовий генератор Вайна, який був розроблений німецьким фізиком Максом Віном. Спочатку він розроблений для розрахунку ємності там, де відомий опір і частота. Перш ніж переходити до подальшої поглибленої дискусії про те, що насправді є мостовий генератор Вайна і як він використовується, давайте подивимося, що таке генератор, а що таке генератор мосту Вайна.

Мостовий генератор Вайна:

Як і в попередньому навчальному посібнику з RC-генератора, для створення зсуву фази необхідний резистор і конденсатор; синусоїдальна форма хвилі за допомогою коливань.

У мостовому генераторі Відня дві RC-мережі використовуються через підсилювач і створюють схему генератора.

Але чому ми повинні обрати віденський мостовий генератор ?

Через наступні моменти, віденський мостовий генератор є розумним вибором для створення синусоїдальної хвилі.

1. Він стабільний.
2. Спотворення або THD (Total Harmonic Distortion) знаходиться під контрольованою межею.
3. Ми можемо дуже ефективно змінити частоту.

Як вже говорилося раніше, генератор Wein Bridge має двоступеневі RC-мережі. Це означає, що він складається з двох неполярних конденсаторів та двох резисторів у фільтрі високих і низьких частот. Один резистор і один конденсатор послідовно, з іншого боку, один конденсатор і один резистор у паралельному формуванні. Якщо ми побудуємо схему, схема буде виглядати так:

Як добре видно, є два конденсатори і використовуються два резистори. Обидва RC каскади, які діють як фільтр високих і низьких частот, з'єднані разом, що є продуктом смугового фільтра, який накопичує частотну залежність двох ступенів порядку. Опір R1 і R2 однакові, а ємність C1 і C2 однакова.

Вихідний коефіцієнт посилення та зміщення фази моста Вайна

Те, що відбувається всередині схеми мережі RC на зображенні вище, дуже цікаве.

Коли застосовується низька частота, реактивний опір першого конденсатора (С1) досить високий і блокує вхідний сигнал і протистоїть ланцюгу, щоб отримати 0 виходу, з іншого боку, те ж саме відбувається по-іншому для другого конденсатора (С2), який з'єднані в паралельному стані. Реактивний опір С2 стає занадто низьким і обходить сигнал і знову виробляє 0 виходів.

Але у випадку середньої частоти, коли реактивне опір С1 не є високим, а С2 - опір не низьким, це дасть вихід через точку С2. Ця частота називається резонансною частотою.

Якщо ми глибоко побачимо всередині схеми, ми побачимо, що реактивний опір схеми та Опір схеми рівні, якщо досягнута резонансна частота.

Отже, у такому випадку застосовуються два правила, коли ланцюг забезпечується резонансною частотою на вході.

А. Різниця фаз вхідного та вихідного сигналу дорівнює 0 градусам.

Б. Оскільки 0 градусів, вихід буде максимальним. Але скільки? Це близько чи точно 1/3 ^й величини вхідного сигналу.

Якщо ми побачимо вихід схеми, ми зрозуміємо ці моменти.

Вихідні дані точно такі самі, як на зображенні. При низькій частоті від 1 Гц вихід менше або майже 0 і зростає із збільшенням частоти на вході до резонансної частоти, а коли резонансна частота досягається, вихід знаходиться на максимальній піковій точці і постійно зменшується зі збільшенням частоти це виробляє 0 вихід на високій частоті. Отже, він чітко проходить певний діапазон частот і видає вихідні дані. Ось чому раніше він був описаний як пропускний фільтр із змінним діапазоном частот (Band Band) Якщо ми уважно розглянемо фазовий зсув вихідного сигналу, ми чітко побачимо запас фази 0 градусів на виході з належною резонансною частотою.

У цій кривій вихідної фази фаза дорівнює рівно 0 градусам на резонансній частоті, і вона починається від 90 градусів до зменшення на 0 градусі, коли вхідна частота збільшується до досягнення резонансної частоти, а після цього фаза продовжує зменшуватися в кінцевій точці - 90 градусів. В обох випадках використовуються два терміни. Якщо фаза позитивна, вона називається фазовим просуванням, а у випадку негативної - фазовою затримкою.

Результат етапу фільтру ми побачимо у цьому симуляційному відео:

У цьому відео 4.7k використовується як R як у R1 R2, так і в конденсаторі 10nF використовується як для C1, так і для C2. Ми застосували синусоїдальну хвилю по каскадах, а в осцилографі Жовтий канал показує вхід схеми, а синя лінія - вихід схеми. Якщо ми уважно розглянемо вихідну амплітуду, це 1/3 вхідного сигналу, а вихідна фаза майже ідентична зміщенню фази на 0 градусів в резонансній частоті, як обговорювалося раніше.

Резонансна частота і вихід напруги:

Якщо ми вважаємо, що R1 = R2 = R або використовується один і той же резистор, а для вибору конденсатора C1 = C2 = C використовується однакове значення ємності, тоді резонансна частота буде

Fhz = 1 / 2πRC

R означає резистор, а C означає конденсатор або ємність, а Fhz, якщо резонансна частота.

Якщо ми хочемо обчислити Vout мережі RC, ми повинні бачити схему по-іншому.

Ця RC мережа працює з вхідними сигналами змінного струму. Обчислення опору ланцюга у випадку змінного струму, а не обчислення опору схеми у випадку постійного струму, є дещо складним.

RC-мережа створює імпеданс, який діє як опір поданому сигналу змінного струму. Дільник напруги має два опори, на цих етапах RC двома опорами є імпеданс першого фільтра (C1 R1) та другий імпеданс другого фільтра (R2 C2).

Оскільки є конденсатор, підключений послідовно або паралельно, то формула імпедансу буде такою:

Z - символ імпедансу, R - опір, а Xc - ємнісний реактивний опір конденсатора.

За допомогою тієї ж формули ми можемо розрахувати імпеданс першого ступеня.

У випадку другого ступеня формула така ж, як і обчислення паралельного еквівалентного резистора,

Z - імпеданс, R - опір, Х - конденсатор

Кінцевий опір схеми можна розрахувати за такою формулою: -

Ми можемо розрахувати практичний приклад і побачити результат у такому випадку.

Якщо ми обчислимо значення і побачимо результат, ми побачимо, що вихідна напруга буде 1/3 від вхідної напруги.

Якщо ми підключимо вихід двоступеневого RC-фільтра до неінвертуючого вхідного висновку підсилювача або + Vin-виводу, і відрегулюємо коефіцієнт підсилення для відновлення втрат, вихід виведе синусоїдальну хвилю. Це коливання мосту Відня, а схема - це схема генератора Вайна.

Робота та будівництво мостового генератора Вайна:

На зображенні вище, RC-фільтр підключений через операційний підсилювач, який знаходиться в неінвертуючій конфігурації. R1 і R2 - це резистори з фіксованою величиною, тоді як C1 і C2 - конденсатор зі змінною обробкою. Змінюючи значення цих двох конденсаторів одночасно, ми могли б отримати належні коливання від нижнього діапазону до верхнього діапазону. Це дуже корисно, якщо ми хочемо використовувати мостовий генератор Вайна для створення синусоїдальної хвилі з різною частотою від нижнього до верхнього діапазону. А R3 і R4 використовуються для посилення зворотного зв'язку підсилювача. Вихідний коефіцієнт посилення або посилення дуже надійний від цих двох комбінацій значень. Оскільки два RC каскади падають вихідну напругу на 1/3, важливо відновити її назад. Також розумніше вибрати, щоб отримати принаймні 3x або більше 3x (4х кращий) виграш.

Ми можемо обчислити коефіцієнт підсилення, використовуючи співвідношення 1+ (R4 / R3).

Якщо ми знову бачимо зображення, ми можемо побачити, що шлях зворотного зв'язку операційного підсилювача з виходу безпосередньо підключений до вхідного каскаду RC-фільтра. Оскільки двоступеневий RC-фільтр має властивість фазового зсуву 0 градусів в області резонансної частоти і безпосередньо підключений до позитивного зворотного зв'язку операційного підсилювача, припустимо, що він становить xV +, а в негативному зворотному зв'язку застосовується така ж напруга, яка становить xV- з тією самою фазою 0 градусів операційний підсилювач диференціює два входи і виключає сигнал негативного зворотного зв'язку, і завдяки цьому продовжується, коли вихід, підключений між RC-каскадами, операційний підсилювач починає коливатися.

Якщо ми використовуємо більш високу швидкість наростання, більш частотний операційний підсилювач вихідну частоту можна максимізувати на велику величину.

У цьому сегменті є кілька високочастотних підсилювачів.

Також нам слід пам’ятати, як у попередньому навчальному посібнику RC-генератора, який ми обговорювали щодо ефекту навантаження, слід вибрати підсилювач з високим вхідним імпедансом більше, ніж RC-фільтр, щоб зменшити ефект навантаження та забезпечити належне стабільне коливання.

• LM318A
• LT1192
• MAX477
• LT1226
• OPA838
• THS3491, що становить 900 мГц високоопераційний підсилювач!
• LTC6409, який складає 10 ГГц диференціального підсилювача. Не кажучи вже про це, для досягнення цього високочастотного виходу потрібні спеціальні доповнення до схем і надзвичайно хороша тактика РЧ-проектування.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 Операційний підсилювач промислового класу.

Практичний приклад мостового генератора Вайна:

Давайте обчислимо практичне значення прикладу, вибравши значення резистора та конденсатора.

На цьому зображенні для осцилятора RC використовується резистор 4.7k як для R1, так і для R2. А використовуваний тримерний конденсатор, який має два полюси, містить 1-100 нФ для обрізної ємності С1 і С2. Давайте обчислимо частоту коливань для 1nF, 50nF і 100nF. Також ми обчислимо коефіцієнт підсилення операційного підсилювача як R3, вибраний як 100k, і R4, вибраний як 300k.

Оскільки розрахувати частоту легко за формулою

Fhz = 1 / 2πRC

Для значення C дорівнює 1nF, а для резистора - 4,7k Частота буде

ФГц = 33 849 Гц або 33,85 кГц

Для значення С дорівнює 50 нФ, а для резистора 4,7 к. Частота буде

ФГц = 677 Гц

Для значення С дорівнює 100 нФ, а для резистора 4,7 к. Частота буде

ФГц = 339 Гц

Тож найвища частота, яку ми можемо досягти, використовуючи 1 нФ, що становить 33,85 кГц, а найнижча частота, яку ми можемо досягти, використовуючи 100 нФ, становить 339 Гц.

Коефіцієнт посилення операційного підсилювача є 1+ (R 4 / R 3)

R4 = 300 тис

R3 = 100k

Отже, коефіцієнт підсилення = 1+ (300k + 100k) = 4x

Операційний підсилювач вироблятиме 4-кратний підсилення вхідного сигналу через неінвертований “позитивний” штифт.

Отже, використовуючи цей спосіб, ми можемо створити смугу частот Wein Bridge Oscillator із змінною частотою.

Програми:

Генератор Wein Bridge використовується у широкому рівні застосувань у галузі електроніки, починаючи від знаходження точного значення конденсатора, для генерації 0-градусної стабільної схеми, пов'язаної з генератором, через низький рівень шуму він також є розумним вибором для різних рівнів звуку додатки, де потрібні постійні коливання.