Генератор сдвига фазы RC

Что такое осциллятор?

Осциллятор - это механическая или электронная конструкция, которая производит колебания в зависимости от нескольких переменных. У всех нас есть устройства, которым нужны осцилляторы, традиционные часы, которые есть у нас дома, такие как настенные или наручные часы, различные типы металлодетекторов, компьютеры, в которых задействованы микроконтроллер и микропроцессоры, - все они используют генераторы, особенно электронный генератор, который выдает периодические сигналы.

RC-генератор и фаза:

Когда мы обсуждаем RC-генератор и его также называют генератором фазового сдвига, нам необходимо четкое понимание того, что такое фаза. Смотрите это изображение: -

Если мы увидим вышеупомянутую синусоидальную волну, подобную этой, мы ясно увидим, что начальная точка сигнала - это 0 градусов по фазе, и после этого каждая точка пика сигнала от положительной до 0, затем снова отрицательной точки, затем снова 0, соответственно, обозначается как 90 градусов, 180 градусов, 270 градусов и 360 градусов по фазе.

Фаза является полным периодом цикла синусоидальной волны в качестве ссылки на 360 градусов.

Теперь без дальнейших промедлений давайте посмотрим, что такое фазовый сдвиг?

Если мы смещаем начальную точку синусоидальной волны не на 0 градусов, то фаза сдвигается. Мы поймем фазовый сдвиг на следующем изображении.

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 считывания, отклонена на 90 градусов от фазы зеленого сигнала.

Используя RC-генератор, мы можем сдвинуть фазу синусоидального сигнала.

Фазовый сдвиг с использованием схемы RC-генератора:

RC обозначает резистор и конденсатор. Мы можем просто сформировать цепь резистор-конденсатор с фазовым сдвигом, используя только один резистор и один конденсатор.

Как видно из руководства по фильтру высоких частот, здесь применяется та же схема. Типичная RC - фазовый сдвиг генератора может быть производят с помощью конденсатора в серии вместе с резистором параллельно.

Это однополюсная схема с фазовым сдвигом; схема такая же, как и пассивный фильтр высоких частот. Теоретически, если мы подадим синфазный сигнал на эту RC-цепь, выходная фаза будет сдвинута точно на 90 градусов.. Но если мы попробуем это на практике и проверим фазовый сдвиг, то мы получим фазовый сдвиг от 60 до менее чем 90 градусов. Это зависит от частоты и допусков компонентов, которые в действительности создают неблагоприятный эффект. Поскольку все мы знаем, что нет ничего идеального, должно быть какое-то отличие от фактических так называемых или ожидаемых значений от реальности. Температурные и другие внешние зависимости создают трудности для достижения точного фазового сдвига на 90 градусов, обычно 45 градусов, обычно 60 градусов в зависимости от частот, а достижение 90 градусов во многих случаях является очень сложной задачей.

Как обсуждалось в учебнике High pass, мы построим ту же схему и исследуем фазовый сдвиг той же схемы.

Схема этого фильтра высоких частот вместе со значениями компонентов показана на рисунке ниже:

Это пример, который мы использовали в предыдущих уроках по пассивному фильтру высоких частот. Полоса пропускания составляет 4,9 кГц. Если мы проверим угловую частоту, мы определим фазовый угол на выходе осциллятора.

Теперь мы можем видеть, что фазовый сдвиг начинается с 90 градусов, что является максимальным фазовым сдвигом цепи RC-генератора, но в точке угловой частоты фазовый сдвиг составляет 45 градусов.

Теперь, учитывая тот факт, что фазовый сдвиг составляет 90 градусов, или если мы выберем конструкцию схемы генератора как особый способ, который будет производить фазовый сдвиг на 90 градусов, тогда схема потеряет свою устойчивость в пограничном диапазоне из-за плохого коэффициента стабилизации частоты. Как мы можем представить, в точке 90 градусов, где кривая только начиналась, например, от 10 Гц или ниже до 100 Гц, почти плоская. Это означает, что если частота генератора немного изменилась из-за допуска компонентов, температуры и других неизбежных обстоятельств, фазовый сдвиг не изменится. Это не лучший выбор. Таким образом, мы считаем, что 60 или 45 градусов являются приемлемым фазовым сдвигом для однополюсного RC-генератора. Стабильность частоты улучшится.

Каскадирование нескольких фильтров RC:

Каскадные три RC-фильтра:

Принимая во внимание тот факт, что мы не можем достичь только фазового сдвига 60 градусов вместо 90 градусов, мы можем каскадировать три RC-фильтра (если фазовый сдвиг составляет 60 градусов RC-генераторами) или каскадировать четыре фильтра последовательно (если фазовый сдвиг равен 45 градусов каждым RC-генератором) и получите 180 градусов.

На этом изображении три RC-генератора каскадно включены, и каждый раз добавляется фазовый сдвиг на 60 градусов, и, наконец, после третьего этапа мы получаем фазовый сдвиг на 180 градусов.

Мы построим эту схему в программном обеспечении для моделирования и увидим форму волны на входе и выходе схемы.

Прежде чем переходить к видео, давайте посмотрим на схему, а также на подключение осциллографа.

На верхнем изображении мы использовали конденсатор 100 пФ и резистор номиналом 330 кОм. Осциллограф соединен через входной VSIN (A / Желтый канал), через первый полюсный вывод (В / Голубом канале), 2 - ^й полюсного вывода

(С / Красного каналом) и конечным выходом через третий полюс (D / зеленый канал).

Мы увидим симуляцию на видео и увидим изменение фазы на 60 градусов по первому полюсу, 120 градусов по второму полюсу и 180 градусов по третьему полюсу. Также шаг за шагом будет уменьшаться амплитуда сигнала.

Амплитуда 1- ^го полюса> амплитуда 2-го полюса> амплитуда 3-го полюса. Чем ближе мы идем к последнему полюсу, тем меньше декремент амплитуды сигнала.

Теперь посмотрим видео моделирования: -

Хорошо видно, что каждый полюс активно меняет фазовые сдвиги и на конечном выходе смещается на 180 градусов.

Каскадные четыре RC-фильтра:

На следующем изображении используются четыре RC-генератора с фазовым сдвигом каждый с фазовым сдвигом на 45 градусов, которые производят фазовый сдвиг на 180 градусов на конце RC-цепи.

RC-фазовый генератор с транзистором:

Все это пассивные элементы или компоненты RC-генератора. Получаем сдвиг фазы на 180 градусов. Если мы хотим сделать фазовый сдвиг на 360 градусов, тогда потребуется активный компонент, который произведет дополнительный фазовый сдвиг на 180 градусов. Это делается с помощью транзистора или усилителя и требует дополнительного напряжения питания.

На этом изображении транзистор NPN используется для фазового сдвига на 180 градусов, в то время как C1R1 C2R2 C3R3 создает фазовую задержку на 60 градусов. Таким образом, накопление этих трех фаз фазового сдвига 60 + 60 + 60 = 180 градусов выполняется, с другой стороны, добавляется еще 180 градусов транзистором, создается общий фазовый сдвиг на 360 градусов. Мы получим сдвиг фазы на 360 градусов на электролитическом конденсаторе C5. Если мы хотим изменить частоту, это единственный способ изменить номинал конденсаторов или использовать переменный предварительно установленный конденсатор на этих трех полюсах индивидуально, исключив отдельные фиксированные конденсаторы.

Соединение обратной связи используется для возврата энергии к усилителю с использованием этой трехполюсной RC-цепи. Это необходимо для стабильных положительных колебаний и создания синусоидального напряжения. Из-за

подключения обратной связи или конфигурации RC-генератор является генератором обратной связи.

В 1921 году немецкий физик Генрих Георг Баркхаузен ввел «критерий Баркгаузена» для определения взаимосвязи между фазовыми сдвигами в контуре обратной связи. Согласно критерию, схема будет колебаться только в том случае, если фазовый сдвиг вокруг контура обратной связи равен или кратен 360 градусам, а коэффициент усиления контура равен единице. Если фазовый сдвиг точен на желаемой частоте и контур обратной связи создает 360-градусные колебания, то выходной сигнал будет синусоидальным. Для этого служит RC-фильтр.

Частота RC-генератора:

Мы можем легко определить частоту колебаний, используя это уравнение:

Где

R = Сопротивление (Ом)

C = Емкость

N = Количество RC-цепей, которые используются / будут использоваться

Эта формула используется для проектирования, связанного с фильтром высоких частот, мы также можем использовать фильтр низких частот, и фазовый сдвиг будет отрицательным. В таком случае верхняя формула не будет работать для расчета частоты осциллятора, будет применяться другая формула.

Где

R = Сопротивление (Ом)

C = Емкость

N = Количество RC-цепей, которые используются / будут использоваться

RC-генератор с фазовым сдвигом и ОУ:

Поскольку мы можем сконструировать RC-генератор с фазовым сдвигом, используя транзистор, то есть BJT, существуют и другие ограничения с транзистором.

1. Стабильно на низких частотах.
2. При использовании только одного BJT амплитуда выходной волны не идеальна, требуются дополнительные схемы для стабилизации амплитуды формы волны.
3. Точность частоты не идеальна, и она не застрахована от шумных помех.
4. Неблагоприятный эффект нагрузки. Из-за образования каскада входное сопротивление второго полюса изменяет свойства сопротивления резисторов фильтра первого полюса. Чем больше фильтров каскадно, тем хуже ситуация, так как это повлияет на точность вычисленной частоты генератора фазового сдвига.

Из - за затухания через резистор и конденсатор, потери на каждом этапе увеличиваются, а общие потери приблизительно полная потеря 1/29 ^го входного сигнала.

Как затухает цепи в 1/29 ^го мы должны восстановить потери.

Пришло время заменить BJT на операционный усилитель. Мы также можем исправить эти четыре недостатка и получить больше возможностей для управления, если будем использовать операционный усилитель вместо BJT. Из-за высокого входного импеданса эффект нагрузки также эффективно контролируется, поскольку входное сопротивление операционного усилителя способствует общему эффекту нагрузки.

Теперь, без дальнейших модификаций, давайте заменим BJT на операционный усилитель и посмотрим, какая будет схема или схема RC-генератора, использующего операционный усилитель.

Как видим, Just BJT заменен на инвертированный ОУ. Контур обратной связи подключен к первому полюсу RC-генератора и подается на инвертированный входной вывод операционного усилителя. Из-за этого инвертированного соединения обратной связи операционный усилитель будет производить сдвиг фазы на 180 градусов. Дополнительный фазовый сдвиг на 180 градусов обеспечивается тремя ступенями RC. Мы получим желаемый выход волны с фазовым сдвигом на 360 градусов на первом выводе операционного усилителя, названном OSC out. R4 используется для компенсации усиления операционного усилителя. Мы можем настроить схему для получения высокочастотного осциллирующего выходного сигнала, но в зависимости от полосы частот операционного усилителя.

Кроме того, для получения желаемого результата нам необходимо рассчитать коэффициент усиления резистор R4, чтобы достичь 29 - ^й раз большую амплитуду через ОУ, как нам нужно, чтобы компенсировать потери 1/29 ^го через RC этапов.

Давайте посмотрим, мы сделаем схему с реальным значением компонентов и посмотрим, каким будет смоделированный выход RC-генератора сдвига фаз.

Мы будем использовать резистор 10 кОм и конденсатор 500 пФ и определим частоту колебаний. Мы также рассчитаем номинал резистора усиления.

N = 3, так как будут использоваться 3 ступени.

R = 10000, а 10 кОм преобразуется в Ом

С = 500 × 10 ^-12, как значение конденсатора 500pF

Выходное значение составляет 12995 Гц или относительно близкое значение 13 кГц.

По мере того как усиление ОУ требуется 29 - ^й раз значение усиления резистора вычисляется по следующей формуле: -

Коэффициент усиления = R f / R 29 = R f / 10k R f = 290k

Так построен генератор фазового сдвига с использованием RC-компонентов и операционного усилителя.

Применение RC-генератора с фазовым сдвигом включает усилители, в которых используется звуковой преобразователь, и необходим дифференциальный звуковой сигнал, но инвертированный сигнал недоступен, или, если источник переменного тока необходим для любого приложения, используется RC-фильтр. Кроме того, генератор сигналов или функциональный генератор используют RC-фазовый генератор.