ออสซิลเลเตอร์เปลี่ยนเฟส Rc

Oscillator คืออะไร?

ออสซิลเลเตอร์เป็นโครงสร้างทางกลหรือทางอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งทำให้เกิดการสั่นขึ้นอยู่กับตัวแปรบางตัว เราทุกคนมีอุปกรณ์ที่ต้องใช้ออสซิลเลเตอร์ นาฬิกาแบบดั้งเดิม ที่เราทุกคนมีในบ้านเช่นนาฬิกาแขวนหรือนาฬิกาข้อมือเครื่องตรวจจับโลหะประเภทต่าง ๆ คอมพิวเตอร์ที่ไมโครคอนโทรลเลอร์และไมโครโปรเซสเซอร์เกี่ยวข้องทั้งหมดใช้ออสซิลเลเตอร์โดยเฉพาะออสซิลเลเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ที่ให้สัญญาณเป็นระยะ

RC Oscillator และเฟส:

ในฐานะที่เราจะหารือเกี่ยวกับ RC oscillator และขณะที่มันถูกเรียกว่าเป็นกะระยะ oscillator เราจำเป็นต้องมีความยุติธรรมในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับ สิ่งที่เป็นขั้นตอนดูภาพนี้: -

ถ้าเราเห็นคลื่นไซน์ข้างบนแบบนี้เราจะเห็นได้ชัดเจนว่าจุดเริ่มต้นของสัญญาณคือ 0 องศาในเฟสและหลังจากนั้นทุกจุดสูงสุดของสัญญาณจากบวกถึง 0 จากนั้นจุดลบอีกครั้งจากนั้นอีกครั้ง 0 จะแสดงเป็น 90 ตามลำดับ องศา 180 องศา 270 องศาและ 360 องศาในตำแหน่งเฟส

เฟสคือช่วงครบวงจรของคลื่นไซน์ในการอ้างอิง 360 องศา

ตอนนี้ไม่ต้องรออีกต่อไปมาดูกัน ว่าการกะระยะคืออะไร?

ถ้าเราเปลี่ยนจุดเริ่มต้นของคลื่นไซน์นอกเหนือจาก 0 องศาเฟสจะถูกเลื่อน เราจะเข้าใจการกะระยะในภาพถัดไป

ในภาพนี้มีสอง AC สัญญาณไซน์คลื่นนำเสนอครั้งแรกที่คลื่นกรีนซายน์เป็น 360 องศาในเฟส แต่สีแดงหนึ่งที่เป็นแบบจำลองของแรก สัญญาณอ่าน 90 องศาออกจากเฟสสัญญาณสีเขียว

การใช้ RC oscillator เราสามารถเปลี่ยนเฟสของสัญญาณไซน์

Phase Shift โดยใช้ RC Oscillator Circuit:

RC ยืนสำหรับ ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเราสามารถสร้างเครือข่ายตัวต้านทาน - ตัวเก็บประจุแบบกะระยะโดยใช้ตัวต้านทานเพียงตัวเดียวและการสร้างตัวเก็บประจุหนึ่งตัว

ดังที่เห็นในบทแนะนำตัวกรองความถี่สูงจะใช้วงจรเดียวกันที่นี่ ทั่วไป RC กะระยะ oscillator สามารถผลิตโดยตัวเก็บประจุในชุดพร้อมกับตัวต้านทานในแบบคู่ขนาน

นี้เป็น เครือข่ายการเปลี่ยนเฟสเสาเดียว; วงจรเหมือนกับ Passive High Pass Filter ในทางทฤษฎีถ้า เราใช้สัญญาณอินเฟสกับเครือข่าย RC นี้เฟสเอาต์พุตจะถูกเลื่อนไป 90 องศา. แต่ถ้าเราลองใช้ในความเป็นจริงและตรวจสอบการกะระยะแล้วเราจะบรรลุการกะระยะ 60 องศาถึงน้อยกว่า 90 องศา ขึ้นอยู่กับความถี่และความคลาดเคลื่อนของส่วนประกอบที่สร้างผลเสียในความเป็นจริง ในขณะที่เราทุกคนไม่รู้ว่าไม่มีอะไรสมบูรณ์แบบควรมีความแตกต่างบางอย่างมากกว่าค่าที่เรียกจริงหรือค่าที่คาดหวังมากกว่าความเป็นจริง อุณหภูมิและการพึ่งพาภายนอกอื่น ๆ สร้างความยากลำบากในการเปลี่ยนเฟสที่แน่นอน 90 องศาโดยทั่วไป 45 องศาโดยทั่วไป 60 องศาขึ้นอยู่กับความถี่และการบรรลุ 90 องศาเป็นงานที่ยากมากในหลายกรณี

ตามที่กล่าวไว้ในบทช่วยสอน High pass เราจะสร้างวงจรเดียวกันและจะตรวจสอบเกี่ยวกับการเปลี่ยนเฟสของวงจรเดียวกัน

วงจรของตัวกรอง High Pass นั้นพร้อมกับค่าส่วนประกอบอยู่ในภาพด้านล่าง: -

นี่คือตัวอย่างที่เราใช้ในบทแนะนำตัวกรองความถี่สูงแบบพาสซีฟก่อนหน้านี้ จะสร้างแบนด์วิดธ์ 4.9 KHz หากเราตรวจสอบความถี่มุมเราจะระบุมุมเฟสที่เอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์

ตอนนี้เราสามารถเห็นการกะระยะเริ่มต้นจาก 90 องศาซึ่งเป็นการกะระยะสูงสุดโดยเครือข่าย RC oscillator แต่ที่จุดความถี่มุมการกะระยะคือ 45 องศา

ตอนนี้เมื่อพิจารณาถึงความจริงที่ว่าการกะระยะเป็น 90 องศาหรือถ้าเราเลือกการสร้างวงจรออสซิลเลเตอร์เหมือนวิธีพิเศษที่จะสร้างการกะระยะ 90 องศาวงจรจะสูญเสียภูมิคุ้มกันในช่วงขอบเนื่องจากปัจจัยการรักษาเสถียรภาพความถี่ไม่ดี ดังที่เราสามารถจินตนาการได้ที่จุด 90 องศาซึ่งเส้นโค้งที่เพิ่งเริ่มต้นเช่นจาก 10Hz หรือต่ำกว่าถึง 100Hz นั้นเกือบจะแบน นั่นหมายความว่าหากความถี่ของออสซิลเลเตอร์เปลี่ยนไปเล็กน้อยเนื่องจากความทนทานต่อส่วนประกอบอุณหภูมิสถานการณ์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้อื่น ๆ การเปลี่ยนเฟสจะไม่เปลี่ยนแปลง นั่นไม่ใช่ทางเลือกที่ดี ดังนั้นเราจึงพิจารณา 60degree หรือ 45 องศาเป็นกะระยะที่ยอมรับได้สำหรับเดียว oscillator ความเสถียรของความถี่จะดีขึ้น

Cascading ตัวกรอง RC หลายตัว:

Cascade สามตัวกรอง RC:

เมื่อพิจารณาจากข้อเท็จจริงนี้ว่าเราไม่สามารถบรรลุการกะระยะ 60 องศาแทนที่จะเป็น 90 องศาเท่านั้นเราสามารถเรียงตัวกรอง RC สามตัว (ถ้าการกะระยะเป็น 60 องศาโดย RC ออสซิลเลเตอร์) หรือโดยเรียงซ้อนตัวกรองสี่ตัวในอนุกรม (ถ้าการกะระยะเป็น 45 องศาโดย RC ออสซิลเลเตอร์แต่ละตัว) และรับ 180 องศา

ในภาพนี้ ออสซิลเลเตอร์ RC สามตัวเรียงซ้อนกันและทุกครั้งที่เพิ่มการกะระยะ 60 องศา และในที่สุดหลังจากขั้นที่สามเราจะได้รับการกะระยะ 180 องศา

เราจะสร้างวงจรนี้ในซอฟต์แวร์จำลองและดูรูปคลื่นอินพุตและเอาต์พุตของวงจร

ก่อนที่จะเข้าสู่วิดีโอให้ 'ดูภาพวงจรและจะเห็นการเชื่อมต่อออสซิลโลสโคปด้วย

ในภาพบนเราใช้ตัวเก็บประจุ 100pF และค่าตัวต้านทาน 330k ออสซิลโลสโคปเชื่อมต่อผ่านอินพุต VSIN (ช่องสัญญาณ A / สีเหลือง) ข้ามเอาท์พุทขั้วแรก (ช่อง B / สีน้ำเงิน), เอาต์พุตขั้ว2 ^nd

(ช่อง C / สีแดง) และเอาต์พุตสุดท้ายข้ามขั้วที่สาม (ช่อง D / ช่องสีเขียว)

เราจะเห็นการ จำลองในวิดีโอ และจะเห็นการเปลี่ยนแปลงเฟส 60 องศาในขั้วแรก 120 องศาข้ามขั้วที่สองและ 180 องศาในขั้วที่สาม นอกจากนี้ความกว้างของสัญญาณจะลดลงทีละขั้นตอน

1 ^{เซนต์} เสากว้าง> 2 กว้างเสา> กว้างขั้วที่ ยิ่งไปที่ขั้วสุดท้ายการลดลงของแอมพลิจูดของสัญญาณจะลดลง

ตอนนี้เราจะเห็นวิดีโอจำลอง: -

แสดงให้เห็นชัดเจนว่าทุกขั้วกำลังเปลี่ยนเฟสกะอยู่และที่เอาต์พุตสุดท้ายจะเลื่อนไปที่ 180 องศา

Cascade สี่ตัวกรอง RC:

ในภาพถัดไปสี่ RC กะระยะ oscillator ที่ใช้กับ 45 องศากะระยะในแต่ละซึ่งผลิตกะระยะ 180 องศาในตอนท้ายของเครือข่ายไป

RC Phase Shift Oscillator พร้อมทรานซิสเตอร์:

ทั้งหมดนี้เป็นองค์ประกอบแฝงหรือส่วนประกอบใน RC oscillator เราได้รับการกะระยะ 180 องศา หากเราต้องการทำการกะระยะแบบ 360 องศาจำเป็นต้องมีส่วนประกอบที่ใช้งาน ซึ่งจะสร้างการกะระยะ 180 องศา ซึ่งทำได้โดยทรานซิสเตอร์หรือเครื่องขยายเสียงและต้องใช้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มเติม

ในภาพนี้ ทรานซิสเตอร์ NPN ถูกใช้เพื่อสร้างเฟสกะ 180 องศา ในขณะที่ C1R1 C2R2 C3R3 จะสร้างเฟสดีเลย์ 60 องศา ดังนั้นการสะสม การกะระยะ60 + 60 + 60 = 180องศาสามตัวนี้จึงทำได้ในทางกลับกันการเพิ่มอีก 180 องศาโดยทรานซิสเตอร์จะสร้างการกะระยะทั้งหมด 360 องศา เราจะได้รับการกะระยะแบบ 360 องศาของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า C5หากเราต้องการเปลี่ยนความถี่ของวิธีนี้วิธีหนึ่งในการเปลี่ยนค่าตัวเก็บประจุหรือใช้ตัวเก็บประจุที่ตั้งไว้ล่วงหน้าแบบแปรผันข้ามขั้วทั้งสามโดยการกำจัดตัวเก็บประจุคงที่แต่ละขั้ว

การ เชื่อมต่อแบบป้อนกลับ ถูกสร้างขึ้นเพื่อดึงพลังงานกลับไปที่เครื่องขยายเสียงโดยใช้เครือข่าย RC สามขั้ว จำเป็นสำหรับการสั่นในเชิงบวกที่มีเสถียรภาพและเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าแบบไซน์ เนื่องจากการ

เชื่อมต่อความคิดเห็นหรือการกำหนดค่า RC oscillator เป็นประเภทความคิดเห็น oscillator

ในปีพ. ศ. 2464 Heinrich Georg Barkhausen นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้แนะนำ“ เกณฑ์ Barkhausen” เพื่อพิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนเฟสในลูปป้อนกลับ ตามเกณฑ์วงจรจะสั่นก็ต่อเมื่อการเปลี่ยนเฟสรอบ ๆ ลูปป้อนกลับเท่ากันหรือเป็นทวีคูณของ 360 องศาและอัตราขยายของลูปเท่ากับหนึ่ง หากการกะระยะแม่นยำตามความถี่ที่ต้องการและลูปป้อนกลับสร้างการสั่นแบบ 360 องศาเอาต์พุตจะเป็นคลื่นไซน์ ตัวกรอง RC ทำหน้าที่เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์นี้

ความถี่ของ RC Oscillator:

เราสามารถกำหนดความถี่ของการสั่นได้อย่างง่ายดายโดยใช้สมการนี้: -

โดยที่

R = ความต้านทาน (โอห์ม)

C = Capacitance

N = จำนวนเครือข่าย RC คือ / จะใช้

สูตรนี้ใช้สำหรับการออกแบบที่เกี่ยวข้องกับตัวกรองความถี่สูงเรายังสามารถใช้ตัวกรองความถี่ต่ำและการกะระยะจะเป็นลบ ในกรณีเช่นนี้สูตรด้านบนจะใช้ไม่ได้สำหรับการคำนวณความถี่ของออสซิลเลเตอร์จะใช้สูตรอื่น

โดยที่

R = ความต้านทาน (โอห์ม)

C = Capacitance

N = จำนวนเครือข่าย RC คือ / จะใช้

RC Phase Shift Oscillator พร้อม Op-amp:

เนื่องจากเราสามารถสร้าง RC phase shift oscillator โดยใช้ Transistor เช่น BJT ได้จึงมี ข้อ จำกัด อื่น ๆ กับ Transistor เช่นกัน

มีความเสถียรสำหรับความถี่ต่ำ
เพียงใช้ BJT เพียงตัวเดียวแอมพลิจูดของคลื่นเอาท์พุตไม่สมบูรณ์จำเป็นต้องใช้วงจรเพิ่มเติมเพื่อให้แอมพลิจูดที่เสถียรของรูปคลื่น
ความแม่นยำของความถี่ไม่สมบูรณ์แบบและไม่มีภูมิคุ้มกันจากการรบกวนที่มีเสียงดัง
ผลการโหลดที่ไม่พึงประสงค์ เนื่องจากการสร้างแบบเรียงซ้อนอิมพีแดนซ์อินพุตของขั้วที่สองจะเปลี่ยนคุณสมบัติความต้านทานของตัวต้านทานของตัวกรองขั้วแรก ยิ่งตัวกรองเรียงซ้อนมากขึ้นสถานการณ์ก็ยิ่งแย่ลงเนื่องจากจะส่งผลต่อความแม่นยำของความถี่ออสซิลเลเตอร์กะระยะที่คำนวณได้

เนื่องจากการลดทอนของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุการสูญเสียในแต่ละขั้นตอนจะเพิ่มขึ้นและการสูญเสียทั้งหมดคือการสูญเสียทั้งหมดประมาณ 1/29 ^th ของสัญญาณอินพุต

ในฐานะที่เป็นฉุนวงจรที่ 1/29 ^{วันที่} เราจำเป็นต้องกู้คืนการสูญเสีย

นี่คือเวลาที่จะ เปลี่ยน BJT กับสหกรณ์แอมป์ นอกจากนี้เรายังสามารถกู้คืนข้อบกพร่องสี่ประการดังกล่าวและได้รับ headroom มากกว่าการควบคุมหากเราใช้ op-amp แทน BJT เนื่องจากอิมพีแดนซ์อินพุตสูงจึงควบคุมเอฟเฟกต์การโหลดได้อย่างมีประสิทธิภาพเนื่องจากอิมพีแดนซ์อินพุตของ op-amp ส่งเสริมผลการโหลดโดยรวม

ตอนนี้หากไม่มีการปรับเปลี่ยนเพิ่มเติม ลองเปลี่ยน BJT ด้วย Op-Amp และดูว่าจะเป็นวงจรหรือแผนผังของ RC oscillator โดยใช้ Op-amp

อย่างที่เราเห็น Just BJT ถูกแทนที่ด้วย op-amp แบบกลับหัว ลูปคำติชมเชื่อมต่อผ่านออสซิลเลเตอร์ RC ขั้วแรกและป้อนไปยังขาอินพุตแบบกลับด้านของ op-amp เนื่องจากการเชื่อมต่อความคิดเห็นนี้คว่ำที่ สหกรณ์แอมป์จะผลิตกะระยะ 180 องศาการกะระยะ 180 องศาเพิ่มเติมจะมีให้โดยสามขั้นตอน RC เราจะได้ผลลัพธ์ที่ต้องการของคลื่นกะระยะแบบ 360 องศาผ่าน พินแรกของop-amp ที่มีชื่อว่า OSC out R4 ใช้สำหรับการชดเชยอัตราขยายของ op-amp เราสามารถปรับแต่งวงจรเพื่อให้ได้เอาต์พุตการสั่นความถี่สูง แต่ขึ้นอยู่กับแบนด์วิดท์ช่วงความถี่ของ op-amp

นอกจากนี้สำหรับการได้รับผลที่ต้องการเราต้องคำนวณกำไรต้านทาน R4 เพื่อให้บรรลุ 29 ^TH กว้างครั้งยิ่งใหญ่ทั่ว op-amp เท่าที่เราต้องการเพื่อชดเชยกับการสูญเสีย 1/29 ^TH ข้ามขั้นตอน RC

มาดูกันว่าเราจะสร้างวงจรที่มีค่าส่วนประกอบจริงและดูว่าอะไรจะเป็นเอาต์พุตจำลองของออสซิลเลเตอร์ RC phase shift

เราจะใช้ตัวต้านทาน 10k โอห์มและตัวเก็บประจุ 500pF และกำหนดความถี่ของการสั่น เราจะคำนวณค่าของตัวต้านทานกำไรด้วย

N = 3 เนื่องจากจะใช้ 3 ขั้นตอน

R = 10000 เป็น 10k โอห์มแปลงโอห์ม

C = 500 x 10 ^-12เป็นค่าตัวเก็บประจุเป็น 500pF

เอาต์พุตคือ 12995Hz หรือค่าที่ค่อนข้างใกล้เคียงคือ 13 KHz

เป็นกำไรสหกรณ์แอมป์เป็นสิ่งจำเป็น 29 ^TH เท่าของมูลค่าของตัวต้านทานกำไรที่มีการคำนวณโดยใช้สูตรนี้: -

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

นี่คือวิธีที่ เฟสกะ oscillator ถูกสร้างโดยใช้ส่วนประกอบ RC และสหกรณ์แอมป์

การใช้งานของ RC phase shift oscillator รวมถึงแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้หม้อแปลงเสียงและสัญญาณเสียงที่แตกต่างกัน แต่ไม่สามารถใช้สัญญาณกลับหัวได้หรือหากต้องการแหล่งสัญญาณ AC สำหรับแอปพลิเคชันใด ๆ ก็จะใช้ตัวกรอง RC นอกจากนี้เครื่องกำเนิดสัญญาณหรือตัวกำเนิดฟังก์ชันยังใช้ออสซิลเลเตอร์ RC phase shift