Схема генератора фазового сдвига

Ранее мы создали полное и подробное руководство по Phase Shift Oscillator. Здесь мы увидим практическую реализацию генератора фазового сдвига. В этом проекте мы создаем схему генератора фазового сдвига на макетной плате и тестируем ее выход с помощью осциллографа.

Что такое фаза и фазовый сдвиг?

Фаза - это период полного цикла синусоидальной волны на 360 градусов. Полный цикл определяется как интервал, необходимый для того, чтобы сигнал вернул свое произвольное начальное значение. Фаза обозначается как отмеченная точка на этом цикле сигнала. Если мы увидим синусоидальную волну, мы легко определим фазу.

На изображении выше показан полный волновой цикл. Начальная начальная точка синусоидальной волны - это 0 градусов по фазе, и если мы определим каждый положительный и отрицательный пик и 0 точек, мы получим фазу 90, 180, 270, 360 градусов. Таким образом, когда начинается синусоидальный сигнал, это путешествие, кроме 0 градусов ссылки, мы называем его фаза сдвинута дифференцировать от 0 градусов ссылки.

Если мы увидим следующее изображение, мы определим, как выглядят синусоидальные волны со сдвигом фазы…

На этом изображении представлены две синусоидальные сигнальные волны переменного тока, первая зеленая синусоидальная волна имеет фазу на 360 градусов, а красная, которая является копией первого сигнала, который сдвинут по фазе на 90 градусов относительно фазы зеленого сигнала.

Этот сдвиг фазы может быть выполнен с использованием простой RC-цепи.

Строительство и схема

Генератор фазового сдвига генерирует синусоидальную волну. Простой генератор с фазовым сдвигом - это RC-генератор, обеспечивающий фазовый сдвиг не более 60 градусов.

На изображении выше показана RC-цепь с однополюсным фазовым сдвигом или лестничная схема, которая сдвигает фазу входного сигнала на 60 градусов или меньше.

Если каскадировать туда RC-сеть, мы получим фазовый сдвиг на 180 градусов.

Теперь, чтобы создать колебательный и синусоидальный выход, нам нужен активный компонент, либо транзистор, либо операционный усилитель в инвертирующей конфигурации, и нам нужно вернуть выходной сигнал этих компонентов на вход через трехполюсную RC-цепь. Он будет производить сдвиг фазы на 360 градусов на выходе и генерировать синусоидальную волну.

В этом уроке мы будем использовать транзистор в качестве активного элемента и генерировать через него синусоидальную волну.

Предварительные условия

Для построения схемы нам понадобятся следующие вещи:

1. Макетная плата

2. 3 керамических конденсатора емкостью 1 мкФ

3. 3 резистора 680R

4. Резистор 2,2к 1 шт.

5. Резистор 10к 1 шт.

6. Резистор 100R 1 шт.

7. Резистор 68к 1 шт.

8. Конденсатор 100 мкФ 1 шт.

9. Транзистор BC549.

10. Источник питания 9 В

Схема и работа

На изображении выше показана схема генератора с фазовым сдвигом. Мы предоставили выход как вход RC-цепей, который снова подается на базу транзистора. RC-цепи обеспечивают необходимый фазовый сдвиг в тракте обратной связи, который снова изменяется транзистором. Частоту RC-генератора можно рассчитать с помощью этого уравнения:

F - частота колебаний, R и C - сопротивление и емкость, а N - количество используемых ступеней сдвига фазы RC. Эта формула применима только в том случае, если в цепи с фазовым сдвигом используются одинаковые значения сопротивления и емкости, что означает R1 = R2 и C1 = C2 = C3. Генератор фазового сдвига может быть выполнен в виде генератора с переменным фазовым сдвигом, который может создавать широкий диапазон частот в зависимости от заданного значения. Это можно легко сделать, заменив только конденсаторы постоянной емкости C1, C2 и C3 тройным переменным конденсатором. В таких случаях номинал резистора должен быть фиксированным.

На схеме выше R4 и R5 образуют делитель напряжения, который обеспечивает напряжение смещения на транзисторе BC549. R6 используется для ограничения тока коллектора и R7, используются для термической стабильности BC549 транзистора во время работы. C4 имеет важное значение, так как это обводной конденсатор эмиттера BC549.

BC549 - это эпитаксиальный кремниевый транзистор NPN. На изображении выше показан корпус TO-92. Первый вывод (1) - коллектор, 2 - база, 3 - вывод эмиттера. Он широко используется в целях переключения и усиления. BC549 относится к тому же сегменту широко используемых 547, 548 и т.д. BC549 - это малошумная версия. Мы используем это для активного компонента нашего генератора сдвига фазы, который будет усиливать и обеспечивать дополнительный фазовый сдвиг сигнала.

Мы построили схему на макете.

Выходной сигнал цепи генератора фазового сдвига

Мы подключили осциллограф к выходу, чтобы увидеть синусоидальную волну. На изображении ниже мы увидим подключения наших датчиков осциллографа.

Мы подключили два щупа осциллографа: желтый - к конечному выходу, а красный - ко второй RC-цепи. Желтый канал осциллографа обеспечит результат конечной продукции, а красный канал будет обеспечивать выходной сигнал через вторую ступень RC фильтр. Сравнивая два выхода, мы ясно поймем разницу между двумя фазами синусоидальной волны. Запитываем схему от стендового блока питания 9В.

Это окончательный результат осциллографа.

Окончательный результат, полученный с помощью осциллографа, показан на изображении выше. Желтая синусоида почти в фазе, в то время как красный сигнал, полученный от RC-сети 2- ^й ступени, не в фазе. Мы можем непрерывно видеть захваченный сигнал в видео ниже:

Выходной сигнал достаточно стабильный, а шумовые помехи ниже. Полное видео можно найти в конце этого проекта.

Ограничения цепи генератора сдвига фаз

Поскольку мы используем BJT для генератора с фазовым сдвигом, есть определенные ограничения, связанные с BJT. Колебание устойчиво на низких частотах, если мы увеличим частоту, колебание перейдет в насыщение и выходной сигнал будет искажен. Кроме того, амплитуда выходной волны не настолько идеальна, что потребуются дополнительные схемы для стабилизации амплитуды схемы формы волны.

Неблагоприятный эффект нагрузки также является проблемой на этапе RC-сети. Из-за эффекта нагрузки входной импеданс второго полюса изменяет свойства сопротивления следующего фильтра первого полюса. Дополнительные фильтры каскадом ухудшают этот эффект. Также по этой причине сложно рассчитать частоту колебаний стандартным методом формул.

Использование схемы генератора с фазовым сдвигом

Основное применение генератора фазового сдвига - создание синусоидальной волны на его выходе. Таким образом, везде, где требуется генерация чистой синусоидальной волны, используется генератор фазового сдвига. Кроме того, с целью сдвига фазы конкретного сигнала генератор сдвига фазы обеспечивает существенный контроль над процессом сдвига. Другие применения осцилляторов фазового сдвига:

1. В аудиогенераторах
2. Инвертор синусоидальной волны
3. Голосовой синтез
4. Устройства GPS
5. Музыкальные инструменты.

Если вы хотите узнать больше о Phase Shift Oscillator, перейдите по ссылке.