Генератор моста Вейна

В этом уроке мы узнаем об осцилляторе моста Вайна, который был разработан немецким физиком Максом Вином. Первоначально он разработан для расчета емкости, когда известны сопротивление и частота. Прежде чем перейти к более глубокому обсуждению того, что на самом деле представляет собой осциллятор моста Вайна и как он используется, давайте посмотрим, что такое осциллятор и что такое осциллятор моста Вайна.

Осциллятор моста Вайна:

Как и в предыдущем руководстве по RC-генератору, резистор и конденсатор требуются для создания фазового сдвига, и если мы подключим усилитель в инвертирующей спецификации и подключим усилитель и RC-цепи с помощью обратной связи, выход усилителя начнет производить синусоидальная форма волны при колебании.

В генераторе моста Вина две RC-цепи используются через усилитель и образуют схему генератора.

Но почему мы должны выбрать генератор моста Вина ?

Из-за следующих моментов генератор моста Вина является более разумным выбором для создания синусоидальной волны.

1. Это стабильно.
2. Искажение или THD (полное гармоническое искажение) находится под контролируемым пределом.
3. Мы можем очень эффективно изменять частоту.

Как уже говорилось ранее, генератор Wein Bridge имеет двухкаскадную RC-цепочку. Это означает, что он состоит из двух неполярных конденсаторов и двух резисторов, образующих фильтр высоких и низких частот. Один резистор и один конденсатор включены последовательно, с другой стороны, один конденсатор и один резистор включены параллельно. Если мы построим схему, она будет выглядеть примерно так:

Как ясно видно, используются два конденсатора и два резистора. Оба RC-каскада, которые действуют как фильтр верхних частот и фильтр нижних частот, соединены вместе, который является продуктом полосового фильтра, который накапливает частотную зависимость двух ступеней порядка. Сопротивления R1 и R2 одинаковы, а также емкости C1 и C2.

Выходное усиление и фазовый сдвиг генератора на мосту Вейна:

То, что происходит внутри цепи RC-сети на изображении выше, очень интересно.

Когда применяется низкая частота, реактивное сопротивление первого конденсатора (C1) достаточно велико и блокирует входной сигнал и сопротивляется цепи, чтобы получить выходной сигнал 0, с другой стороны, то же самое происходит по-другому для второго конденсатора (C2), который подключены в параллельном состоянии. Реактивное сопротивление C2 становится слишком низким и пропускает сигнал и снова производит 0 выходов.

Но в случае средней частоты, когда реактивное сопротивление C1 невелико, а реактивное сопротивление C2 не низкое, он будет давать выходной сигнал через точку C2. Эта частота называется резонансной частотой.

Если мы заглянем вглубь схемы, мы увидим, что реактивное сопротивление цепи и сопротивление цепи равны, если достигается резонансная частота.

Итак, применяются два правила в том случае, когда контур обеспечивается резонансной частотой на входе.

A. Разность фаз входа и выхода равна 0 градусов.

B. Поскольку он находится в 0 градусах, выход будет максимальным. Но сколько? Это близко или точно 1/3 ^й величины входного сигнала.

Если мы увидим выходные данные схемы, мы поймем эти моменты.

Результат точно такой же, как на изображении. При низкой частоте от 1 Гц выходной сигнал меньше или почти равен 0 и увеличивается с частотой на входе до резонансной частоты, а когда резонансная частота достигается, выход находится в максимальной пиковой точке и непрерывно уменьшается с увеличением частоты и снова. он производит 0 выходных сигналов на высокой частоте. Таким образом, он явно проходит через определенный частотный диапазон и производит выходной сигнал. Вот почему ранее он описывался как частотно-зависимый фильтр с переменной полосой пропускания (Frequency Band). Если мы внимательно посмотрим на фазовый сдвиг выхода, мы ясно увидим запас по фазе 0 градусов на выходе на соответствующей резонансной частоте.

На этой выходной кривой фазы фаза составляет точно 0 градусов на резонансной частоте, и она начинается с 90 градусов до уменьшения на 0 градусов, когда входная частота увеличивается до достижения резонансной частоты, а после этого фаза продолжает уменьшаться в конечной точке - 90 градусов. В обоих случаях используются два термина: если фаза положительна, она называется фазовым опережением, а в случае отрицательной - фазовой задержкой.

Мы увидим результат этапа фильтрации в этом видео-симуляции:

В этом видео 4,7 кОм используется как R в R1 R2, а конденсатор 10 нФ используется как для C1, так и для C2. Мы применили синусоидальную волну к ступеням, и на осциллографе желтый канал показывает вход схемы, а синяя линия показывает выход схемы. Если мы присмотримся, выходная амплитуда составляет 1/3 входного сигнала, а выходная фаза почти идентична фазовому сдвигу 0 градусов в резонансной частоте, как обсуждалось ранее.

Резонансная частота и выходное напряжение:

Если учесть, что R1 = R2 = R или используется тот же резистор, а для выбора конденсатора C1 = C2 = C используется то же значение емкости, то резонансная частота будет

Fhz = 1 / 2πRC

R обозначает резистор, C обозначает конденсатор или емкость, а Fhz - резонансную частоту.

Если мы хотим вычислить Vout RC-сети, мы должны увидеть схему по-другому.

Эта сеть RC работает с входными сигналами переменного тока. Вычислить сопротивление схемы в случае переменного тока, а не рассчитать сопротивление схемы в случае постоянного тока, немного сложно.

RC-цепь создает сопротивление, которое действует как сопротивление на приложенный сигнал переменного тока. Делитель напряжения имеет два сопротивления, на этих RC-касках два сопротивления - это импеданс первого фильтра (C1 R1) и импеданса второго фильтра (R2 C2).

Поскольку конденсатор подключен последовательно или параллельно, формула импеданса будет следующей: -

Z - это символ импеданса, R - сопротивление, а Xc - емкостное реактивное сопротивление конденсатора.

Используя ту же формулу, мы можем рассчитать импеданс первой ступени.

В случае второго каскада формула такая же, как для расчета параллельного эквивалентного резистора,

Z - импеданс, R - сопротивление, X - конденсатор

Конечный импеданс схемы можно рассчитать по следующей формуле:

Мы можем рассчитать практический пример и увидеть результат в таком случае.

Если мы посчитаем значение и увидим результат, мы увидим, что выходное напряжение будет составлять 1/3 входного напряжения.

Если мы подключим выход двухкаскадного RC-фильтра к входному контакту неинвертирующего усилителя или контакту + Vin и отрегулируем усиление для восстановления потерь, на выходе будет генерироваться синусоидальная волна. Это колебание моста Вина, а схема представляет собой схему осциллятора моста Вина.

Работа и конструкция осциллятора моста Вайна:

На изображении выше RC-фильтр подключен к операционному усилителю, который находится в неинвертирующей конфигурации. R1 и R2 - резисторы с фиксированным значением, а C1 и C2 - конденсаторы с переменной подстройкой. Изменяя номинал этих двух конденсаторов одновременно, мы можем получить правильные колебания от нижнего диапазона к верхнему диапазону. Это очень полезно, если мы хотим использовать генератор моста Вейна для создания синусоидальной волны с разной частотой от нижнего до верхнего диапазона. А R3 и R4 используются для усиления обратной связи операционного усилителя. Выходное усиление или усиление во многом зависят от этих двух комбинаций значений. Поскольку два RC-каскада падают выходное напряжение на 1/3, важно восстановить его обратно. Также разумнее получить как минимум 3-кратное или более 3-кратное (предпочтительно 4-кратное) усиление.

Мы можем рассчитать усиление, используя соотношение 1+ (R4 / R3).

Если мы снова увидим изображение, то увидим, что тракт обратной связи операционного усилителя с выхода напрямую подключен к входному каскаду RC-фильтра. Поскольку двухкаскадный RC-фильтр имеет свойство сдвига фазы 0 градусов в области резонансной частоты и напрямую подключен к положительной обратной связи операционного усилителя, предположим, что это xV +, а в отрицательной обратной связи применяется такое же напряжение, которое составляет xV- с той же фазой 0 градусов операционный усилитель дифференцирует два входа и исключает сигнал отрицательной обратной связи, благодаря чему он продолжает работать, когда выход, подключенный к RC-каскадам, начинает колебаться.

Если мы используем более высокую скорость нарастания и более высокую частоту ОУ, выходная частота может быть максимально увеличена.

В этом сегменте мало высокочастотных операционных усилителей.Также

нам нужно помнить, что, как и в предыдущем руководстве по RC-генератору, мы обсуждали эффект нагрузки, мы должны выбирать операционный усилитель с высоким входным сопротивлением больше, чем RC-фильтр, чтобы уменьшить эффект нагрузки и собственное устойчивое колебание.

• LM318A
• LT1192
• MAX477
• LT1226
• OPA838
• THS3491, который имеет операционный усилитель High Seed с частотой 900 МГц!
• LTC6409, который представляет собой дифференциальный операционный усилитель GBW 10 ГГц. Не говоря уже о том, что это требует специальной дополнительной схемы и исключительно хорошей тактики проектирования ВЧ для достижения этого высокочастотного выхода.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 Операционный усилитель промышленного класса.

Практический пример осциллятора моста Вейна:

Давайте рассчитаем значение на практическом примере, выбрав номинал резистора и конденсатора.

На этом изображении для RC-генератора используется резистор 4,7 кОм для R1 и R2. Используемый подстроечный конденсатор с двумя полюсами содержит подстроечную емкость C1 и C2 от 1 до 100 нФ. Давайте рассчитаем частоту колебаний для 1 нФ, 50 нФ и 100 нФ. Также мы рассчитаем усиление операционного усилителя, поскольку R3 выбран как 100 кОм, а R4 выбран как 300 кОм.

Поскольку вычислить частоту легко по формуле

Fhz = 1 / 2πRC

Для значения C составляет 1 нФ, а для резистора 4,7 кОм частота будет

Fhz = 33849 Гц или 33,85 кГц

Для значения C 50 нФ и для резистора 4,7 кОм частота будет

Fhz = 677 Гц

Для значения C 100 нФ и для резистора 4,7 кОм частота будет

Fhz = 339 Гц

Таким образом, самая высокая частота, которую мы можем достичь с использованием 1 нФ, составляет 33,85 кГц, а самая низкая частота, которую мы можем достичь с использованием 100 нФ, составляет 339 Гц.

Коэффициент усиления операционного усилителя 1+ (R4 / R3)

R4 = 300 тыс.

R3 = 100 тыс.

Таким образом, усиление = 1+ (300k + 100k) = 4x

Операционный усилитель обеспечивает 4-кратное усиление входного сигнала на неинвертированном «положительном» выводе.

Таким образом, используя этот способ, мы можем создать осциллятор Wein Bridge с переменной полосой пропускания.

Приложения:

Мостовой осциллятор Wein используется в широком диапазоне приложений в области электроники, от определения точного значения конденсатора, для генерации схем, связанных с фазо-стабильным генератором с 0 градусов, из-за низкого уровня шума он также является более разумным выбором для различных уровней звука. приложения, где требуется постоянное колебание.