Wein bridge-oscillator

I denna handledning lär vi oss om Wein Bridge Oscillator som utvecklades av en tysk fysiker Max Wien. Den är ursprungligen utvecklad för att beräkna kapacitansen där motståndet och frekvensen är kända. Innan vi går vidare till den djupare diskussionen om vad som egentligen är Wein Bridge Oscillator och hur den används, låt oss se vad som är Oscillator och vad Wein Bridge Oscillator är.

Wein Bridge Oscillator:

Som i föregående handledning för RC Oscillator krävs ett motstånd och kondensator för att producera en fasförskjutning, och om vi ansluter en förstärkare i inverterande specifikationer och ansluter förstärkaren och RC-nätverk med en återkopplingsanslutning börjar förstärkarens utgång att producera en sinusformad vågform genom svängning.

I en Wien-bryggoscillator används två RC-nät över en förstärkare och producerar en oscillatorkrets.

Men varför ska vi välja Wien-oscillator ?

På grund av följande punkter är Wien-brooscillatorn ett klokare val för att producera sinusformad våg.

Det är stabilt.
Förvrängningen eller THD (Total Harmonic Distortion) är under kontrollerbar gräns.
Vi kan ändra frekvensen mycket effektivt.

Som tidigare sagt har Wein Bridge-oscillatorn tvåstegs RC-nätverk. Det betyder att den består av två opolära kondensatorer och två motstånd i högpass- och lågpassfilterformation. Ett motstånd och en kondensator i serie å andra sidan en kondensator och ett motstånd i parallellbildning. Om vi konstruerar kretsen ser schemat ut så här: -

Som tydligt sett finns det två kondensatorer och två motstånd används. Båda RC-steg som fungerar som högpass- och lågpassfilter anslutna tillsammans som är produkten av ett bandpassfilter som ackumulerar frekvensberoendet för två ordningssteg. R1- och R2-motståndet är detsamma och även C1- och C2-kapacitansen är densamma.

Wein Bridge Oscillator Output Gain and Phase Shift:

Vad som händer inne i RC-nätverkskretsen i bilden ovan är väldigt intressant.

När lågfrekvens appliceras är den första kondensatorns (C1) reaktans tillräckligt hög och blockerar insignalen och motstår kretsen för att producera 0-utgång, å andra sidan, Samma sak händer på ett annat sätt för den andra kondensatorn (C2) som är ansluten i parallellt skick. C2-reaktansen har blivit för låg och kringgår signalen och producerar igen 0 utgångar.

Men i händelse av en medelfrekvens när C1-reaktansen inte är hög och C2 är att reaktansen inte är låg kommer det att ge uteffekt över C2-punkten. Denna frekvens kallas Resonant Frequency.

Om vi ser djupt inuti kretsarna ser vi att kretsens reaktans och kretsens motstånd är lika om resonansfrekvensen uppnås.

Så det finns två regler som tillämpas i sådant fall när kretsen tillhandahålls av resonansfrekvensen över ingången.

A. Fasskillnaden mellan ingång och utgång är lika med 0 grader.

B. Eftersom det är i 0 grader kommer effekten att vara maximal. Men hur mycket? Det är nära eller exakt 1/3 ^{: e} av insignalen s storlek.

Om vi ser utgången från kretsarna förstår vi dessa punkter.

Utgången är exakt samma kurva som bilden visar. Vid låg frekvens från 1Hz är utgången mindre eller nästan 0 och ökar med frekvensen vid ingången upp till resonansfrekvensen, och när resonansfrekvensen uppnås är utgången vid sin maximala toppunkt och minskar kontinuerligt med ökningen av frekvensen och igen det producerar 0-utgång med hög frekvens. Så det passerar helt klart ett visst frekvensområde och producerar utgången. Det var därför det tidigare beskrivits som frekvensberoende variabelt passfilter (frekvensband). Om vi tittar noga på fasförskjutningen av utgången kommer vi tydligt att se 0 graders fasmarginal över utgången vid rätt resonansfrekvens.

I denna fasutgångskurva är fasen exakt 0 grader vid resonansfrekvensen och den startas från 90 grader till att minska med 0 grader när ingångsfrekvensen ökade tills resonansfrekvensen uppnås och därefter fortsätter fasen att minska vid slutpunkten - 90 grader. Det finns två termer som används i båda fallen. Om fasen är positiv kallas den som fasförskott och vid negativ kallas den för fasfördröjning.

Vi kommer att se resultatet av filtersteget i denna simuleringsvideo:

I den här videon används 4.7k som R i både R1 R2 och 10nF kondensatorn används för både C1 och C2. Vi applicerade sinusformad våg över stegen och i oscilloskopet visar den gula kanalen ingången till kretsarna och den blå linjen visar utgången från kretsarna. Om vi tittar noga är utgångsamplituden 1/3 av insignalen och utgångsfasen är nästan identisk med 0 graders fasförskjutning i resonansfrekvens som diskuterats tidigare.

Resonansfrekvens och spänningsutgång:

Om vi anser att R1 = R2 = R eller samma motstånd används, och för valet av kondensatorn C1 = C2 = C används samma kapacitansvärde då kommer resonansfrekvensen att vara

Fhz = 1 / 2πRC

R står för motstånd och C står för kondensator eller kapacitans och Fhz om resonansfrekvens.

Om vi vill beräkna RC-nätverkets Vout bör vi se kretsen på ett annat sätt.

Detta RC-nätverk fungerar med AC-signaler. Att beräkna kretsmotstånd vid AC snarare än att beräkna kretsmotstånd vid DC är lite knepigt.

RC-nätverk skapar impedans som fungerar som motstånd på en applicerad AC-signal. En spänningsdelare har två motstånd, i dessa RC-steg är de två motstånden First filter (C1 R1) impedance och the Second filter (R2 C2) impedance.

Eftersom det finns en kondensator som är ansluten antingen i serie eller i parallell konfiguration kommer impedansformeln att vara: -

Z är symbolen för impedans, R är motståndet och Xc står för kondensatorns kapacitiva reaktans.

Genom att använda samma formel kan vi beräkna impedansen i det första steget.

I fallet med det andra steget är formeln densamma som att beräkna det parallella ekvivalenta motståndet,

Z är impedansen, R är motståndet, X är kondensatorn

Den slutliga impedansen för kretsarna kan beräknas med följande formel: -

Vi kan beräkna ett praktiskt exempel och se resultatet i sådant fall.

Om vi beräknar värdet och ser resultatet ser vi att utspänningen kommer att vara 1/3 av ingångsspänningen.

Om vi ansluter tvåstegs RC-filterutgången till en icke-inverterande förstärkaringång eller + Vin-stift, och justerar förstärkningen för att återställa förlusten kommer utgången att producera en sinusformad våg. Det är Wien-bryssvängningen och kretsen är Wein Bridge Oscillator-krets.

Arbete och konstruktion av Wein Bridge Oscillator:

I bilden ovan är RC-filtret anslutet över en op-amp som är i en icke-inverterande konfiguration. R1 och R2 är motstånd med fast värde medan C1 och C2 är en variabel trimkondensator. Genom att variera värdet på dessa två kondensatorer samtidigt kan vi få ordentlig svängning från ett nedre till det övre området. Det är mycket användbart om vi vill använda Wein bridge-oscillatorn för att producera sinusformad våg med olika frekvens från ett nedre till övre intervall. Och R3 och R4 används för återkoppling av förstärkaren. Utgångsförstärkningen eller förstärkningen är mycket pålitlig med de två värdekombinationerna. Eftersom de två RC-stegen tappar utspänningen med 1/3 är det viktigt att återställa den. Det är också ett klokare val att få minst 3x eller mer än 3x (4x föredragen) vinst.

Vi kan beräkna förstärkningen med 1+ (R4 / R3) relation.

Om vi återigen ser bilden kan vi se att återkopplingsvägen för operationsförstärkaren från utgången är direkt ansluten till RC-filteringångssteget. Eftersom det tvåstegs RC-filtret har en egenskap av 0 graders fasförskjutning i resonansfrekvensområdet och direkt ansluten till op-ampens positiva återkoppling, låt oss anta att det är xV + och i negativ återkoppling appliceras samma spänning som är xV- med samma 0-gradersfas differentierar op-amp de två ingångarna och utesluter den negativa återkopplingssignalen och på grund av detta fortsätter när utgången ansluten över RC-steg startar amp-up att svänga.

Om vi använder en högre svänghastighet, högre frekvens op-amp, kan utgångsfrekvensen maximeras med en stor mängd.

Få högfrekventa op-förstärkare finns i detta segment

Vi måste också komma ihåg som i tidigare RC-oscillatorhandledning diskuterade vi om belastningseffekten, vi borde välja en förstärkare med hög ingångsimpedans mer än RC-filtret för att minska belastningseffekten och säkerställa korrekt stabil svängning.

LM318A
LT1192
MAX477
LT1226
OPA838
THS3491 som är 900 mHz Hög frö op-amp!
LTC6409 vilket är 10 GHz GBW Differential op-amp. För att inte nämna detta kräver speciell tillägg på kretsar och exceptionellt bra RF-designtaktik för att uppnå denna högfrekvensutgång också.
LTC160
OPA365
TSH22 Industriell op-amp.

Praktiskt exempel på Wein Bridge Oscillator:

Låt oss beräkna ett praktiskt exempelvärde genom att välja motstånds- och kondensatorvärde.

I denna bild används för RC-oscillatorn ett 4,7 k motstånd för både R1 och R2. Och en trimmerkondensator som har två poler innehåller 1-100nF för C1- och C2-trimningskapacitet. Låt oss beräkna oscillationsfrekvensen för 1nF, 50nF och 100nF. Vi kommer också att beräkna förstärkningen av op-amp som R3 vald som 100k och R4 vald som 300k.

Eftersom beräkning är frekvensen lätt med formeln

Fhz = 1 / 2πRC

För värdet av C är 1nF och för motståndet är 4,7k kommer frekvensen att vara

Fhz = 33,849 Hz eller 33,85 KHz

För värdet av C är 50nF och för motståndet är 4,7k kommer frekvensen att vara

Fhz = 677Hz

För värdet av C är 100nF och för motståndet är 4,7k kommer frekvensen att vara

Fhz = 339Hz

Så den högsta frekvensen vi kan uppnå med 1nF som är 33,85 kHz och den lägsta frekvensen vi kan uppnå med 100nF är 339Hz.

Den vinst på op-förstärkaren är 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Så vinsten = 1+ (300k + 100k) = 4x

Op-amp kommer att producera 4x förstärkning av ingången över den icke-inverterade "positiva" stiftet.

Så genom att använda detta sätt kan vi producera Wein Bridge Oscillator med variabel frekvens.

Tillämpningar:

Wein Bridge Oscillator används i breda applikationsnivåer inom elektronikområdet, från att hitta kondensatorns exakta värde. För att generera 0 graders fasstabil oscillatorrelaterad krets, på grund av låg ljudnivå är det också ett klokare val för olika ljudnivånivåer applikationer där kontinuerlig svängning krävs.