Rc fasförskjutningsoscillator

Vad är Oscillator?

En oscillator är en mekanisk eller elektronisk konstruktion som producerar oscillation beroende på få variabler. Vi har alla enheter som behöver oscillatorer, traditionell klocka som vi alla har i vårt hem som väggklocka eller armbandsur, olika typer av metalldetektorer, datorer där mikrokontroller och mikroprocessorer är involverade använder alla oscillatorer, särskilt elektronikoscillatorer som producerar periodiska signaler.

RC-oscillator och fas:

När vi diskuterar om RC-oscillator, och eftersom den också kallas fasförskjutningsoscillator, behöver vi en rättvis förståelse för vad som är fas. Se den här bilden: -

Om vi ser den ovannämnda sinusformade vågen som den här kommer vi tydligt att se att signalens startpunkt är 0 grad i fas, och efter det betecknar varje toppunkt i signalen från positiv till 0 och sedan återigen negativ punkt då återigen 0 betecknas som 90 grad, 180 grader, 270 grader och 360 grader i fasposition.

Fas är en hel cykelperiod av en sinusformad våg i en 360 graders referens.

Låt oss nu utan ytterligare fördröjning se vad fasförskjutning är?

Om vi förskjuter den sinusformade vågens utgångspunkt utöver 0-graden flyttas fasen. Vi kommer att förstå fasförskjutning i nästa bild.

I den här bilden presenteras två AC sinusformade signalvågar, den första gröna sinusformade vågen är 360 grader i fas men den röda som är repliken för den första, lästa signalen är 90 grader ur den gröna signalens fas.

Med hjälp av RC-oscillator kan vi flytta fasen av en sinusformad signal.

Fasförskjutning med RC Oscillator Circuit:

RC står för Resistor and Capacitor. Vi kan helt enkelt bilda ett fasförskjutningsresistorkondensatornätverk med bara ett motstånd och en kondensatorbildning.

Som framgår av handledning för högpassfilter gäller samma krets här. En typisk RC-fasförskjutningsoscillator kan produceras av en kondensator i serie tillsammans med ett motstånd parallellt.

Detta är ett enpoligt fasförskjutningsnätverk; kretsen är densamma som passivt högpassfilter. Teoretiskt om vi tillämpar en fas-signal över detta RC-nätverk kommer utgångsfasen att flyttas med exakt 90 grader. Men om vi försöker det i verkligheten och kontrollerar fasförskjutningen, uppnår vi 60 grader till mindre än 90 graders fasförskjutning. Det beror på frekvensen och komponenttoleranserna som skapar negativ effekt i verkligheten. Eftersom vi alla vet att ingenting är perfekt bör det finnas någon skillnad än faktiska så kallade eller förväntade värden än verkligheten. Temperatur och andra yttre beroenden skapar svårigheter att uppnå exakt 90 graders fasförskjutning, 45 grader är i allmänhet, 60 grader är vanligt beroende på frekvenser och att uppnå 90 grader är i många fall ett mycket svårt jobb.

Som diskuteras i High pass tutorial kommer vi att konstruera samma krets och undersöka om fasförskjutningen för samma krets.

Kretsen för det högpassfiltret tillsammans med komponentvärdena är i bilden nedan: -

Detta är exemplet vi använde i tidigare passiva högpassfilterhandledning. Det kommer att producera 4,9 kHz bandbredd. Om vi kontrollerar hörnfrekvensen identifierar vi fasvinkeln vid utgången från oscillatorn.

Nu kan vi se fasförskjutningen startas från 90 grader vilket är den maximala fasförskjutningen av RC-oscillatornätverk men vid punkten för hörnfrekvensen är fasförskjutningen 45 grader.

Med tanke på det faktum att fasförskjutningen är 90 grader eller om vi väljer oscillatorkretskonstruktionen som ett speciellt sätt som ger 90 graders fasförskjutning förlorar kretsen sin immunitet inom gränsområdet på grund av dålig frekvensstabiliseringsfaktor. Som vi kan föreställa oss vid den punkt på 90 grader där kurvan precis började som från 10Hz eller Lower till 100Hz är nästan platt. Det betyder att om oscillatorns frekvens ändrades något på grund av komponenttolerans, temperatur, andra oundvikliga omständigheter, kommer fasförskjutningen inte att ändras. Det är inte ett bra val. Så vi anser att 60 grader eller 45 grader är den acceptabla fasförskjutningen för enpolig RC-nätverksoscillator. Frekvensstabiliteten kommer att förbättras.

Cascading Multiple RC-filter:

Cascade Three RC-filter:

Genom att överväga detta faktum att vi inte bara kan uppnå 60 graders fasförskjutning istället för 90 grader, kan vi kaskadera tre RC-filter (Om fasförskjutningen är 60 grader med RC-oscillatorer) eller genom att kaskadera fyra filter i serie (Om fasförskjutningen är 45 grader av varje RC-oscillatorer) och få 180 grader.

I den här bilden kaskaderades tre RC-oscillatorer och varje gång tillfördes 60 graders fasförskjutning och slutligen efter tredje steget får vi 180 graders fasförskjutning.

Vi kommer att konstruera denna krets i simuleringsprogramvara och se kretsens ingångs- och utgångsvågform.

Innan vi går in i videon kan vi se bilden av kretsarna och se oscilloskopanslutningen också.

I den övre bilden använde vi 100pF kondensator och 330k motståndsvärde. Oscilloskopet är anslutet över ingången VSIN (A / gul kanal), över första polutgången (B / blå kanal), 2: ^a polutgången

(C / röd kanal) och den slutliga utgången över tredje polen (D / grön kanal).

Vi kommer att se simuleringen i videon och kommer att se fasförändringen i 60 grader över första polen, 120 grader över andra polen och 180 grader över tredje polen. Också signalens amplitud minimerar steg för steg.

1: ^a polens amplitud> 2: a polens amplitud> 3: e polens amplitud. Mer vi går mot sista polen minskar signalens amplitud.

Nu kommer vi att se simuleringsvideon: -

Det visas tydligt att varje pol som aktivt byter fasförskjutningar och vid slututgången flyttas den till 180 grader.

Cascade Four RC-filter:

I nästa bild används fyra RC-fasförskjutningsoscillatorer med 45-graders fasförskjutning vardera, som producerar 180-graders fasförskjutning i slutet av RC-nätverket.

RC fasväxlingsoscillator med transistor:

Allt detta är passiva element eller komponenter i RC-oscillatorn. Vi får fasförskjutningen på 180 grader. Om vi vill göra en 360 graders fasförskjutning krävs en aktiv komponent som ger ytterligare 180 graders fasförskjutning. Detta görs av en transistor eller en förstärkare och kräver ytterligare matningsspänning.

I denna bild används en NPN-transistor för att producera fasförskjutning på 180 grader medan C1R1 C2R2 C3R3 kommer att producera 60 graders fasfördröjning. Så att ackumulera dessa tre 60 + 60 + 60 = 180 graders fasförskjutning görs å andra sidan genom att lägga till ytterligare 180 grader av transistorn totalt 360 graders fasförskjutning skapas. Vi får 360 graders fasförskjutning över C5-elektrolytkondensatorn. Om vi vill ändra frekvensen på det här sättet att ändra kondensatorns värde eller använda en variabel förinställd kondensator över dessa tre poler individuellt genom att eliminera enskilda fasta kondensatorer.

En återkopplingsanslutning görs för att hämta energierna tillbaka till förstärkaren med det trepoliga RC-nätverket. Det är nödvändigt för stabil positiv svängning och för att producera sinusformad spänning. På grund av

återkopplingsanslutningen eller konfigurationen är RC-oscillator en oscillator av återkopplingstyp.

År 1921 introducerade den tyska fysikern Heinrich Georg Barkhausen ”Barkhausen-kriterium” för att bestämma sambandet mellan fasförskjutningar över återkopplingsslingan. Enligt kriteriet svänger kretsen bara om fasförskjutningen runt återkopplingsslingan är lika med eller multipel av 360 grader och förstärkningen av slingan är lika med en. Om fasförskjutningen är exakt vid önskad frekvens och återkopplingsslingan skapar 360 graders svängning blir utgången en sinusvåg. RC-filter tjänar till att uppnå detta syfte.

Frekvens av RC Oscillator:

Vi kan enkelt bestämma frekvensen av svängningen med hjälp av denna ekvation: -

Där,

R = Resistance (Ohms)

C = Capacitance

N = Antal RC-nätverk används / kommer att användas

Denna formel används för högpassfilterrelaterad design, vi kan också använda lågpassfilter och fasförskjutningen blir negativ. I sådant fall fungerar inte den övre formeln för att beräkna oscillatorns frekvens, en annan formel kommer att vara tillämplig.

Där,

R = Resistance (Ohms)

C = Capacitance

N = Antal RC-nätverk används / kommer att användas

RC Phase Shift Oscillator med Op-amp:

Eftersom vi kan konstruera RC fasförskjutningsoscillator med hjälp av Transistor, dvs BJT, finns det också andra begränsningar med Transistor.

Den är stabil för låga frekvenser.
Bara med bara en BJT är utgångsvågens amplitud inte perfekt, det krävs ytterligare kretsar för stabiliserad amplitud för vågformen.
Frekvensnoggrannheten är inte perfekt och den är inte immun mot bullriga störningar.
Biverkningseffekt. På grund av kaskadbildning ändrar den andra polens ingångsimpedans motståndets motståndsegenskaper hos det första polfiltret. Mer filter kaskade mer situationen förvärras eftersom det kommer att påverka noggrannheten för beräknad fasförskjutningsoscillatorfrekvens.

På grund av dämpningen över motståndet och kondensatorn, är förlusten över varje steg ökas och den totala förlusten är ca total förlust av 1/29 ^{: e} av insignalen.

När kretsen dämpas vid 1/29: ^e måste vi återställa förlusten.

Det är dags att byta BJT med en Op-amp. Vi kan också återställa de fyra nackdelarna och få mer utrymme över kontrollen om vi använder op-amp istället BJT. På grund av hög ingångsimpedans styrs belastningseffekten också effektivt eftersom op-amp-ingångsimpedans främjar den totala belastningseffekten.

Nu utan ytterligare modifiering, låt oss byta BJT med en Op-Amp och se vad som kommer att vara kretsloppet eller schemat för RC-oscillatorn med hjälp av Op-amp.

Som vi kan se ersatte Just BJT med en inverterad op-amp. Återkopplingsslingan är ansluten över den första poliga RC-oscillatorn och matas till den inverterade ingångsstiftet. På grund av denna inverterade återkopplingsanslutning kommer op-förstärkaren att producera en 180 graders fasförskjutning. Ytterligare 180-graders fasförskjutning kommer att tillhandahållas av de tre RC-stadierna. Vi får den önskade effekten av 360-graders fasförskjuten våg över op-ampets första stift som heter OSC out. R4 används för förstärkning av förstärkaren. Vi kan justera kretsarna för att få högfrekvent oscillerad utgång men beroende på frekvensomfångets bandbredd för op-amp.

För att få det önskade resultatet måste vi också beräkna förstärkningsmotståndet R4 för att uppnå 29: ^e gånger större amplitud över op-amp eftersom vi behöver kompensera med förlusten av 1/29 ^th över RC-steg.

Låt oss se, vi kommer att skapa en krets med verkligt komponentvärde och se vad som kommer att vara den simulerade utgången från RC fasförskjutningsoscillator.

Vi använder 10k ohm motstånd och 500pF kondensator och bestämmer oscillationsfrekvensen. Vi kommer också att beräkna värdet på förstärkningsmotståndet.

N = 3, eftersom tre steg kommer att användas.

R = 10000, eftersom 10k ohm omvandlas till ohm

C = 500 x ^10-12 som kondensatorvärde är 500pF

Utgången är 12995Hz eller det relativt nära värdet är 13 KHz.

Som op-förstärkaren förstärkning behövs 29 ^{: e} gånger värdet av förstärkningsmotståndet beräknas med följande formel: -

Förstärkning = R f / R 29 = R f / 10 k R f = 290 k

Så här är fasförskjutningsoscillatorn konstruerad med RC-komponenter och Op-amp.

Tillämpningar av RC-fasförskjutningsoscillator inkluderar förstärkare där ljudtransformatorn används och differentiell ljudsignal behövs men den inverterade signalen inte är tillgänglig, eller om AC-signalkälla behövs för någon applikation används RC-filter. Signalgenerator eller funktionsgenerator använder också RC-fasförskjutningsoscillator.