Rc faz kaymalı osilatör

Osilatör nedir?

Bir osilatör, birkaç değişkene bağlı olarak salınım üreten mekanik veya elektronik bir yapıdır. Hepimizin osilatöre ihtiyaç duyan cihazları, hepimizin evimizde duvar saati veya kol saati olarak bulundurduğu geleneksel saat, çeşitli metal dedektörleri, mikrodenetleyici ve mikroişlemcilerin dahil olduğu bilgisayarlar, özellikle periyodik sinyaller üreten elektronik osilatör kullanan osilatörlere sahiptir.

RC Osilatör ve Faz:

RC osilatörü hakkında tartıştığımız için ve aynı zamanda faz kaymalı osilatör olarak da adlandırıldığından, fazın ne olduğu konusunda adil bir anlayışa ihtiyacımız var. Bu resme bakın: -

Yukarıdaki sinüzoidal dalgayı bunun gibi görürsek, sinyalin başlangıç noktasının fazda 0 derece olduğunu ve bundan sonra sinyalin pozitiften 0'a her tepe noktasının sonra tekrar negatif nokta sonra tekrar 0'ın sırasıyla 90 olarak ifade edildiğini göreceğiz. derece, 180 derece, 270 derece ve 360 derece faz konumunda.

Faz, 360 derecelik bir referansta sinüzoidal bir dalganın tam döngü periyodudur.

Şimdi daha fazla gecikmeden faz kaymasının ne olduğunu görelim ?

Sinüzoidal dalganın başlangıç noktasını 0 derece dışında kaydırırsak, faz kaydırılır. Bir sonraki görüntüde faz kaymasını anlayacağız.

Bu görüntüde, sunulan iki AC sinüzoidal sinyal dalgası vardır, ilk Yeşil Sinüzoidal dalga 360 derece fazdadır, ancak ilkinin kopyası olan kırmızı olan, yeşil sinyalin fazının 90 derece dışındadır.

RC osilatörünü kullanarak bir Sinüzoidal sinyalin fazını değiştirebiliriz.

RC Osilatör Devresi Kullanarak Faz Kayması:

RC, Direnç ve Kapasitör anlamına gelir. Sadece bir direnç ve bir kapasitör oluşumu kullanarak basitçe bir Faz kayması Direnç-kapasitör ağı oluşturabiliriz.

Yüksek geçiren filtre eğitiminde görüldüğü gibi, aynı devre burada da geçerlidir. Bir tipik RC faz kayması osilatör paralel olarak, direnç ile birlikte seri olarak bir kondansatör ile üretmek olabilir.

Bu, tek kutuplu bir faz kaydırmalı ağdır; devre Pasif Yüksek Geçiş Filtresi ile aynıdır. Teorik olarak , bu RC ağına bir faz içi sinyal uygularsak, çıkış fazı tam olarak 90 derece kaydırılacaktır.. Ama bunu gerçekte denersek ve faz kaymasını kontrol edersek, o zaman 60 dereceden 90 dereceden daha az faz kaymasına ulaşırız. Gerçekte ters etki yaratan frekansa ve bileşen toleranslarına bağlıdır. Hepimiz hiçbir şeyin mükemmel olmadığını bildiğimiz için, gerçek sözde veya beklenen değerlerden gerçeklikten bazı farklılıklar olmalıdır. Sıcaklık ve diğer dış bağımlılıklar, tam 90 derecelik faz kayması elde etmede zorluklar yaratır, genel olarak 45 derece, frekanslara bağlı olarak 60 derece yaygındır ve 90 dereceye ulaşmak çoğu durumda çok zor bir iştir.

Yüksek geçiş dersinde tartışıldığı gibi, aynı devreyi inşa edeceğiz ve aynı devrenin faz kaymasını inceleyeceğiz.

Bu Yüksek Geçiş filtresinin devresi bileşen değerleriyle birlikte aşağıdaki görüntüdedir: -

Bu, önceki pasif yüksek geçiren filtre öğreticilerinde kullandığımız örnektir. 4.9 KHz Bant Genişliği üretecek. Köşe frekansını kontrol edersek, Osilatörün çıkışındaki faz açısını belirleyeceğiz.

Şimdi faz kaymasının RC osilatör ağı tarafından maksimum faz kayması olan 90 dereceden başladığını görebiliriz, ancak köşe frekansı noktasında faz kayması 45 derecedir.

Şimdi faz kaymasının 90 derece olduğu gerçeği göz önüne alındığında veya osilatör devre yapısını 90 derecelik faz kayması üretecek özel bir yol gibi seçersek, devre, zayıf frekans stabilizasyon faktörü nedeniyle sınır aralığında bağışıklığını kaybedecektir. Tahmin edebileceğimiz gibi, eğrinin 10 Hz'den 100 Hz'e kadar yeni başladığı 90 derecelik noktada neredeyse düz. Bu, osilatörün frekansı bileşen toleransı, Sıcaklık ve diğer kaçınılmaz koşullar nedeniyle biraz değiştiyse, faz kaymasının değişmeyeceği anlamına gelir. Bu iyi bir seçim değil. Bu nedenle , 60 derece veya 45 derecenin, tek kutuplu RC ağ osilatörü için kabul edilebilir faz kayması olduğunu düşünüyoruz. Frekans kararlılığı artacaktır.

Çoklu RC Filtrelerini Basamaklı:

Kademeli Üç RC Filtresi:

90 derece yerine sadece 60 Derece faz kayması elde edemeyeceğimizi göz önünde bulundurarak, üç RC filtresini (RC osilatörleri ile faz kayması 60 derece ise) veya seri olarak dört filtreyi basamaklandırarak (faz kayması ise Her RC osilatörüyle 45 derece) ve 180 derece alın.

Bu görüntüde üç RC osilatörü kademeli hale geldi ve her seferinde 60 derece faz kayması eklendi ve son olarak üçüncü aşamadan sonra 180 derece faz kayması elde edeceğiz.

Bu devreyi simülasyon yazılımında inşa edeceğiz ve devrenin giriş ve çıkış dalga formunu göreceğiz.

Videoya girmeden önce devrenin görüntüsünü görelim ve osiloskop bağlantısını da görelim.

Üstteki resimde 100pF kapasitör ve 330k direnç değeri kullandık. Osiloskop Giriş VSIN (A / Sarı kanal), ilk kutup çıkışı (B / Mavi kanal), ^2. kutup çıkışı

(C / Kırmızı kanal) ve üçüncü kutup (D / Yeşil kanal) üzerinden son çıkış boyunca bağlanır.

Biz göreceğiz Video simülasyon ve ikinci kutbu genelinde birinci kutbu, 120degree genelinde 60 derece ve üçüncü kutbu arasında 180 derece faz değişimi göreceksiniz. Ayrıca sinyalin genliği adım adım en aza indirilecektir.

1 ^st kutup genlik> 2 kutup genlik> 3 kutup genlik. Daha çok son kutba doğru gidersek, sinyalin genliğinin azalması azalır.

Şimdi simülasyon videosunu göreceğiz: -

Aktif olarak faz değiştiren her kutbun son çıkışta 180 dereceye kaydırıldığı açıkça gösterilmiştir.

Basamaklı Dört RC Filtresi:

Bir sonraki görüntüde , RC ağının sonunda 180 derecelik faz kayması üreten, her biri 45 derecelik faz kayması ile kullanılan dört RC faz kaydırmalı osilatör.

Transistörlü RC Faz Kaymalı Osilatör:

Bunların hepsi RC osilatöründeki pasif elemanlar veya bileşenlerdir. 180 derecelik faz kayması elde ediyoruz. 360 derecelik bir faz kayması yapmak istiyorsak, ek 180 derece faz kayması üreten aktif bir bileşen gerekir. Bu, bir Transistör veya bir Amplifikatör tarafından yapılır ve ek besleme voltajı gerektirir.

Bu görüntüde bir NPN Transistör 180 derecelik Faz kayması üretmek için kullanılırken C1R1 C2R2 C3R3 60 derecelik faz gecikmesi üretecektir. Yani bu üç 60 + 60 + 60 = 180 derecelik faz kayması biriktirilirken diğer yandan transistör tarafından 180 derece daha eklenerek toplam 360 derece faz kayması oluşturulur. C5 elektrolitik kapasitörde 360 derece faz kayması elde edeceğiz. Kondansatörlerin değerini değiştirmek için bu tek yolun frekansını değiştirmek veya tek tek sabit kondansatörleri ortadan kaldırarak bu üç kutup boyunca önceden ayarlanmış değişken bir kapasitör kullanmak istiyorsak.

Bu üç kutuplu RC ağını kullanarak enerjileri amplifikatöre geri almak için bir geri besleme bağlantısı yapılır. Kararlı pozitif salınım ve sinüzoidal voltaj üretmek için gereklidir.

Geri besleme bağlantısı veya konfigürasyon nedeniyle, RC osilatörü geri besleme tipi bir osilatördür.

1921'de Alman fizikçi Heinrich Georg Barkhausen, geri besleme döngüsü boyunca faz kaymaları arasındaki ilişkiyi belirlemek için "Barkhausen kriterini" tanıttı. Kritere göre, devre yalnızca geri besleme döngüsü etrafındaki faz kayması 360 dereceye eşit veya katları ise ve döngü kazancı bire eşitse salınacaktır. Faz kayması istenen frekansta doğruysa ve geri besleme döngüsü 360 derecelik salınım oluşturuyorsa, çıkış bir sinüs dalgası olacaktır. RC filtresi bu amaca ulaşmaya hizmet eder.

RC Osilatörünün Frekansı:

Bu denklemi kullanarak salınımın frekansını kolayca belirleyebiliriz: -

Nerede,

R = Direnç (Ohm)

C = Kapasitans

N = RC ağı sayısı kullanılır / kullanılacaktır

Bu Formül, Yüksek geçişli filtre ile ilgili tasarım için kullanılır, düşük geçişli filtre de kullanabiliriz ve faz kayması negatif olacaktır. Bu durumda, üst formül osilatörün frekansını hesaplamak için çalışmayacaktır, farklı formül geçerli olacaktır.

Nerede,

R = Direnç (Ohm)

C = Kapasitans

N = RC ağı sayısı kullanılır / kullanılacaktır

Op-amp'li RC Faz Kaymalı Osilatör:

Transistör yani BJT kullanarak RC faz kaydırmalı osilatör yapabileceğimiz gibi , Transistör ile ilgili başka sınırlamalar da vardır.

Düşük frekanslar için kararlıdır.
Sadece bir BJT kullanarak Çıkış dalgasının genliği mükemmel değildir, dalga formunun stabilize genliği için ek devre gereklidir.
Frekans doğruluğu mükemmel değildir ve gürültülü parazitlere karşı bağışık değildir.
Olumsuz Yükleme etkisi. Kaskad oluşumu nedeniyle, ikinci kutbun giriş empedansı, birinci kutup filtresinin direnç direnç özelliklerini değiştirir. Filtreler daha fazla kademeli hale gelir, hesaplanan faz kayması osilatör frekansının doğruluğunu etkileyeceğinden durum daha da kötüleşir.

Nedeniyle direnç ve kapasitör üzerindeki zayıflama, her aşamada arasında kaybı artar ve toplam kayıp 1/29 yaklaşık toplam kayıp ^th girdi sinyalinin.

1/29 de devre azalttığının olarak ^inci biz kaybı telafi gerekir.

Bu, BJT'yi bir Op-amp ile değiştirme zamanıdır. BJT yerine op-amp kullanırsak, bu dört dezavantajı da giderebilir ve kontrol üzerinde daha fazla boşluk payı elde edebiliriz. Yüksek giriş empedansı nedeniyle yükleme etkisi de etkin bir şekilde kontrol edilir çünkü op-amp giriş empedansı genel yükleme etkisini destekler.

Şimdi daha fazla değişiklik yapmadan BJT'yi bir Op-Amp ile değiştirelim ve Op-amp kullanarak RC osilatörünün devresinin veya şemasının ne olacağını görelim.

Gördüğümüz gibi, Just BJT tersine çevrilmiş bir op-amp ile değiştirildi. Geri besleme döngüsü, birinci kutuplu RC osilatörüne bağlanır ve op-amp ters çevrilmiş giriş pinine beslenir. Bu ters geri besleme bağlantısı nedeniyle, op-amp 180 derecelik bir faz kayması üretecektir. Üç RC aşaması tarafından ilave 180 derecelik faz kayması sağlanacaktır. OSC çıkışı olarak adlandırılan op-amp birinci pin boyunca 360 derecelik faz kaydırmalı dalganın istenen çıkışını alacağız. R4, op-amp'in kazanç telafisi için kullanılır. Yüksek frekanslı salınımlı çıkış elde etmek için devreyi ayarlayabiliriz, ancak op-amp'in frekans aralığı bant genişliğine bağlı olarak.

Ayrıca, istenen sonucu almak için, ulaşmak kazanç direnci R4 hesaplamak gerekir 29 ^inci biz 1/29 kaybıyla telafi etmek gerekir gibi op-amp genelinde kat daha genliği ^th RC aşamalar boyunca.

Bakalım, gerçek bileşen değerine sahip bir devre yapacağız ve RC faz kaymalı osilatörün simüle çıktısının ne olacağını göreceğiz.

10k ohm direnç ve 500pF kondansatör kullanıp salınımın frekansını belirleyeceğiz. Ayrıca kazanç direncinin değerini de hesaplayacağız.

N = 3, çünkü 3 aşama kullanılacaktır.

10k ohm ohm dönüştürülür R = 10000,

= 500 x 10 ° C ^-12 kapasitör değeri 500pF olduğu gibi

Çıkış 12995Hz veya nispeten yakın değer 13 KHz'dir.

Op-amp kazancı 29 gerekli olduğu gibi ^inci zaman kazancı direncinin değeri şu formül kullanılarak hesaplanır: -

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

Bu nasıl Faz kayması osilatör RC bileşenleri ve Op-amp kullanılarak inşa edilmiştir.

RC faz kaydırmalı osilatörün uygulamaları, ses transformatörünün kullanıldığı ve diferansiyel ses sinyalinin gerekli olduğu, ancak ters çevrilmiş sinyalin bulunmadığı veya herhangi bir uygulama için AC sinyal kaynağına ihtiyaç duyulması halinde RC filtresi kullanıldığı amplifikatörleri içerir. Ayrıca, sinyal üreteci veya fonksiyon üreteci, RC faz kaydırmalı osilatör kullanır.