ออสซิลเลเตอร์สะพาน Wein

ในการกวดวิชานี้เราจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับWein สะพาน Oscillatorซึ่งได้รับการพัฒนาขึ้นโดยนักฟิสิกส์เยอรมันแม็กซ์วีนเดิมถูกพัฒนาขึ้นเพื่อคำนวณความจุที่ทราบความต้านทานและความถี่ ก่อนที่จะไปพูดคุยในเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งที่เป็นจริงของWein Bridge Oscillatorและวิธีใช้เรามาดูกันว่า Oscillator คืออะไรและ Wein Bridge Oscillator คืออะไร

Wein Bridge Oscillator:

เช่นเดียวกับในบทช่วยสอนของ RC Oscillator ก่อนหน้านี้จำเป็นต้องใช้ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเพื่อสร้างการกะระยะและหากเราเชื่อมต่อเครื่องขยายเสียงในการสลับข้อมูลจำเพาะและเชื่อมต่อเครื่องขยายเสียงและเครือข่าย RC ด้วยการเชื่อมต่อแบบป้อนกลับเอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงจะเริ่มสร้างรูปคลื่นไซน์โดยการสั่น

ในWien bridge oscillator เครือข่าย RC สองเครือข่ายใช้กับเครื่องขยายเสียงและสร้างวงจรออสซิลเลเตอร์

แต่ทำไมเราควรเลือก Wien bridge oscillator ?

เนื่องจากประเด็นต่อไปนี้ Wien bridge oscillator จึงเป็นตัวเลือกที่ชาญฉลาดกว่าในการผลิตคลื่นไซน์

มีความเสถียร
ความเพี้ยนหรือ THD (Total Harmonic Distortion) อยู่ภายใต้ขีด จำกัด ที่ควบคุมได้
เราสามารถเปลี่ยนความถี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

อย่างที่บอกว่าก่อนหน้านั้น oscillator Wein สะพานมีสองเครือข่ายเวที RC นั่นหมายความว่ามันประกอบด้วยสองตัวเก็บประจุที่ไม่มีขั้วและสองตัวต้านทานในการส่งผ่านสูงและต่ำผ่านการก่อตัวกรองตัวต้านทานหนึ่งตัวและตัวเก็บประจุหนึ่งตัวในอนุกรมในทางกลับกันตัวเก็บประจุหนึ่งตัวและตัวต้านทานหนึ่งตัวในรูปแบบขนาน ถ้าเราสร้างวงจรแผนผังจะมีลักษณะดังนี้: -

อย่างที่เห็นได้ชัดมีตัวเก็บประจุสองตัวและใช้ตัวต้านทานสองตัว ทั้ง RC stage ซึ่งทำหน้าที่เป็น High Pass และ Low pass filter ที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกันซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของ Band pass filter ซึ่งสะสมการอ้างอิงความถี่ของสองลำดับขั้น ความต้านทาน R1 และ R2 เหมือนกันและความจุ C1 และ C2 ก็เหมือนกัน

Wein Bridge Oscillator Output Gain และ Phase Shift:

สิ่งที่เกิดขึ้นภายในวงจรเครือข่าย RCในภาพด้านบนนั้นน่าสนใจมาก

เมื่อใช้ความถี่ต่ำรีแอคแตนซ์ตัวเก็บประจุตัวแรก (C1) สูงพอและปิดกั้นสัญญาณอินพุตและต้านทานวงจรเพื่อสร้างเอาต์พุต 0 ในทางกลับกันสิ่งเดียวกันเกิดขึ้นในลักษณะที่แตกต่างกันสำหรับตัวเก็บประจุตัวที่สอง (C2) ซึ่งก็คือ เชื่อมต่อในสภาพคู่ขนาน รีแอคแตนซ์ C2 ต่ำเกินไปและข้ามสัญญาณและสร้างเอาต์พุต 0 อีกครั้ง

แต่ในกรณีของความถี่กลางเมื่อรีแอคแตนซ์ C1 ไม่สูงและ C2 มีค่ารีแอกแตนซ์ไม่ต่ำมันจะให้เอาต์พุตข้ามจุด C2 ความถี่นี้เรียกว่าเป็นความถี่พ้อง

ถ้าเราเห็นในเชิงลึกภายในวงจรเราจะเห็นว่ารีแอคแตนซ์ของวงจรและความต้านทานของวงจรเท่ากันถ้าได้ความถี่เรโซแนนซ์

ดังนั้นจึงมีกฎสองข้อที่นำไปใช้ในกรณีนี้เมื่อวงจรถูกจัดเตรียมโดยความถี่เรโซแนนซ์ในอินพุต

A. ความแตกต่างเฟสของอินพุตและเอาต์พุตเท่ากับ 0 องศา

B. เนื่องจากอยู่ใน 0 องศาเอาต์พุตจะสูงสุด แต่เท่าไหร่? มันเป็นอย่างใกล้ชิดหรือถูกต้อง 1/3 ^ถของขนาดสัญญาณอินพุตของ

ถ้าเราเห็นผลลัพธ์ของวงจรเราจะเข้าใจจุดเหล่านั้น

ผลลัพธ์จะตรงกับเส้นโค้งเดียวกับภาพที่แสดง ที่ความถี่ต่ำจาก 1Hz เอาต์พุตจะน้อยกว่าหรือเกือบ 0 และเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่อินพุตจนถึงความถี่เรโซแนนซ์และเมื่อถึงความถี่เรโซแนนซ์เอาต์พุตจะอยู่ที่จุดสูงสุดสูงสุดและลดลงอย่างต่อเนื่องเมื่อความถี่เพิ่มขึ้นและอีกครั้ง มันสร้างเอาต์พุต 0 ที่ความถี่สูง ดังนั้นจึงเป็นการส่งผ่านช่วงความถี่ที่แน่นอนและสร้างเอาต์พุต นั่นเป็นเหตุผลที่ก่อนหน้านี้ถูกอธิบายว่าเป็นตัวกรองสัญญาณความถี่ (Frequency Band) หากเราดูการกะระยะของเอาต์พุตอย่างใกล้ชิดเราจะเห็นระยะขอบของเฟส 0 องศาอย่างชัดเจนในเอาต์พุตด้วยความถี่เรโซแนนซ์ที่เหมาะสม

ในเส้นโค้งเอาต์พุตเฟสเฟสจะอยู่ที่ 0 องศาที่ความถี่เรโซแนนซ์และเริ่มจาก 90 องศาเป็นลดลงที่ 0 องศาเมื่อความถี่อินพุตเพิ่มขึ้นจนได้ความถี่เรโซแนนซ์และหลังจากนั้นเฟสจะลดลงต่อไปที่จุดสิ้นสุดของ - 90 องศา มีสองคำที่ใช้ในทั้งสองกรณีถ้าเฟสเป็นบวก จะเรียกว่าPhase Advance และในกรณีที่เป็นลบจะเรียกว่าPhase Delay

เราจะเห็นผลลัพธ์ของขั้นตอนการกรองในวิดีโอจำลองนี้:

ในวิดีโอนี้4.7k ใช้เป็น R ทั้งใน R1 R2และตัวเก็บประจุ 10nF ใช้สำหรับทั้ง C1 และ C2 เราใช้คลื่นไซน์ข้ามขั้นตอนและในสโคปช่องสีเหลืองมีการแสดงการป้อนข้อมูลของวงจรและสายสีน้ำเงินจะแสดงผลลัพธ์ของวงจรหากเราดูอย่างใกล้ชิดความกว้างเอาต์พุตคือ 1/3 ของสัญญาณอินพุตและเฟสเอาต์พุตเกือบจะเหมือนกับการกะระยะ 0 องศาในความถี่เรโซแนนซ์ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้

ความถี่เรโซแนนซ์และเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้า:

ถ้าเราพิจารณาว่าใช้ R1 = R2 = R หรือตัวต้านทานเดียวกันและสำหรับการเลือกตัวเก็บประจุ C1 = C2 = C จะใช้ค่าความจุเดียวกันความถี่เรโซแนนซ์จะเป็น

Fhz = 1 / 2πRC

R ย่อมาจาก Resistor และ C ย่อมาจาก capacitor หรือ capacitance และ Fhz ถ้าความถี่ Resonance

หากเราต้องการคำนวณVout ของเครือข่าย RCเราควรเห็นวงจรในลักษณะที่แตกต่างออกไป

งานนี้เครือข่าย RC มีแอร์สัญญาณ การคำนวณความต้านทานของวงจรในกรณีของ AC แทนที่จะคำนวณความต้านทานของวงจรในกรณีของ DC นั้นค่อนข้างยุ่งยาก

เครือข่าย RC สร้างอิมพีแดนซ์ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานสัญญาณ AC ที่ใช้ ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้ามีความต้านทานสองตัวในขั้น RC เหล่านี้ความต้านทานสองตัวคืออิมพีแดนซ์ตัวกรองแรก (C1 R1) และอิมพีแดนซ์ตัวกรองที่สอง (R2 C2)

เนื่องจากมีการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุแบบอนุกรมหรือในการกำหนดค่าแบบขนานสูตรอิมพีแดนซ์จะเป็น: -

Z เป็นสัญลักษณ์ของอิมพีแดนซ์ R คือความต้านทานและ Xc ย่อมาจากรีแอกแตนซ์ของตัวเก็บประจุ

โดยใช้สูตรเดียวกันเราสามารถคำนวณอิมพีแดนซ์ขั้นแรกได้

ในกรณีของขั้นตอนที่สองสูตรจะเหมือนกับการคำนวณตัวต้านทานเทียบเท่าแบบขนาน

Z คืออิมพีแดนซ์

R คือความต้านทาน

X คือตัวเก็บประจุ

ความต้านทานขั้นสุดท้ายของวงจรสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรนี้: -

เราสามารถคำนวณตัวอย่างการปฏิบัติและดูผลลัพธ์ในกรณีดังกล่าว

ถ้าเราคำนวณค่าและดูผลลัพธ์เราจะเห็นว่าแรงดันขาออกจะเท่ากับ1 ใน 3ของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า

หากเราเชื่อมต่อเอาต์พุตตัวกรอง RC สองขั้นตอนเข้ากับพินอินพุตของแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่กลับด้านหรือพิน + Vin และปรับอัตราขยายเพื่อกู้คืนการสูญเสียเอาต์พุตจะทำให้เกิดคลื่นไซน์ นั่นคือการสั่นของสะพาน Wien และวงจรคือวงจร Wein Bridge Oscillator

การทำงานและการสร้าง Wein Bridge Oscillator:

ในภาพด้านบนตัวกรอง RC เชื่อมต่อผ่าน op-amp ซึ่งอยู่ในการกำหนดค่าที่ไม่กลับด้าน R1 และ R2 เป็นตัวต้านทานค่าคงที่ในขณะที่ C1 และ C2 เป็นตัวเก็บประจุแบบตัดแต่งตัวแปร ด้วยการเปลี่ยนค่าของตัวเก็บประจุทั้งสองในเวลาเดียวกันเราจะได้การสั่นที่เหมาะสมจากช่วงล่างถึงช่วงบน จะมีประโยชน์มากหากเราต้องการใช้ Wein bridge oscillator เพื่อสร้างคลื่นไซน์ที่ความถี่ต่างกันจากช่วงล่างถึงบน และ R3 และ R4 ใช้สำหรับการรับผลตอบกลับของ op-amp การเพิ่มเอาต์พุตหรือการขยายขึ้นอยู่กับชุดค่าผสมทั้งสองนี้อย่างมาก เนื่องจาก RC สองขั้นตอนทำให้แรงดันไฟฟ้าขาออกลดลงที่ 1/3 จึงจำเป็นต้องกู้คืนกลับมา นอกจากนี้ยังเป็นทางเลือกที่ชาญฉลาดในการรับกำไรอย่างน้อย 3x หรือมากกว่า 3x (ต้องการ 4x)

เราสามารถคำนวณกำไรโดยใช้ความสัมพันธ์ 1+ (R4 / R3)

หากเราเห็นภาพอีกครั้งเราจะเห็นว่าเส้นทางป้อนกลับของเครื่องขยายเสียงที่ใช้งานได้จากเอาต์พุตนั้นเชื่อมต่อโดยตรงกับขั้นตอนอินพุตตัวกรอง RC เนื่องจากตัวกรอง RC สองขั้นตอนมีคุณสมบัติของการเปลี่ยนเฟส 0 องศาในพื้นที่ความถี่เรโซแนนซ์และเชื่อมต่อโดยตรงกับข้อเสนอแนะเชิงบวกของ op-amp สมมติว่าเป็น xV + และในผลตอบรับเชิงลบจะใช้แรงดันไฟฟ้าเดียวกันซึ่งเป็น xV- ด้วยเฟส 0 องศาเดียวกัน op-amp จะแยกความแตกต่างของอินพุตทั้งสองและตัดสัญญาณตอบรับเชิงลบและเนื่องจากสิ่งนั้นยังคงดำเนินต่อไปเมื่อเอาต์พุตที่เชื่อมต่อระหว่าง RC สเตจ op-amp เริ่มสั่น

หากเราใช้อัตราการฆ่าที่สูงขึ้น op-amp ความถี่ที่สูงขึ้นความถี่เอาต์พุตสามารถขยายได้มากที่สุด

ออปแอมป์ความถี่สูงไม่กี่ตัวที่อยู่ในส่วน

นี้นอกจากนี้เราต้องจำไว้เช่นเดียวกับในบทช่วยสอน RC oscillator ก่อนหน้านี้ที่เราได้พูดถึงเกี่ยวกับเอฟเฟกต์การโหลดเราควรเลือก op-amp ที่มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงมากกว่าตัวกรอง RC เพื่อลดผลการโหลดและทำให้ การสั่นที่มีเสถียรภาพที่เหมาะสม

LM318A
LT1192
สูงสุด 477
LT1226
OPA838
THS3491 ซึ่งเป็น op-amp เมล็ดพันธุ์สูง 900 mHz!
LTC6409 ซึ่งเป็น 10 Ghz GBW Differential op-amp ไม่ต้องพูดถึงสิ่งนี้ต้องการการเพิ่มพิเศษในวงจรและกลยุทธ์การออกแบบ RF ที่ดีเป็นพิเศษเพื่อให้ได้เอาต์พุตความถี่สูงนี้เช่นกัน
LTC160
OPA365
TSH22 ออปแอมป์เกรดอุตสาหกรรม

ตัวอย่างการปฏิบัติของ Wein Bridge Oscillator:

ลองคำนวณค่าตัวอย่างที่ใช้ได้จริงโดยเลือกค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ

ในภาพนี้สำหรับ RC oscillator ต้านทาน 4.7k ใช้สำหรับทั้ง R1 และ R2 และตัวเก็บประจุจอนที่ใช้ซึ่งมีสองขั้วมี 1-100nF สำหรับC1 และ C2 ความจุการตัดแต่ง ให้คำนวณความถี่ของการสั่นสำหรับ 1nF, 50nF และ 100nF นอกจากนี้เราจะคำนวณกำไรของสหกรณ์แอมป์เป็นR3 เลือกเป็น 100k และ R4 เลือกเป็น 300k

เนื่องจากการคำนวณความถี่ทำได้ง่ายด้วยสูตรของ

Fhz = 1 / 2πRC

สำหรับค่า C คือ 1nF และสำหรับตัวต้านทานคือ 4.7k ความถี่จะเป็น

Fhz = 33,849 Hz หรือ 33.85 KHz

สำหรับค่า C คือ 50nF และสำหรับตัวต้านทานคือ 4.7k ความถี่จะเป็น

Fhz = 677 เฮิร์ต

สำหรับค่า C คือ 100nF และสำหรับตัวต้านทานคือ 4.7k ความถี่จะเป็น

Fhz = 339 เฮิร์ต

ดังนั้นความถี่สูงสุดที่เราสามารถทำได้โดยใช้ 1nF ซึ่งเป็น 33.85 Khz และความถี่ต่ำสุดที่เราสามารถทำได้โดยใช้ 100nF คือ 339Hz

กำไรของสหกรณ์แอมป์คือ 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

ดังนั้น Gain = 1+ (300k + 100k) = 4x

ออปแอมป์จะให้อินพุตเพิ่มขึ้น 4 เท่าจากพิน“ บวก” ที่ไม่กลับหัว

ดังนั้นโดยใช้วิธีนี้เราสามารถสร้างแบนด์วิธความถี่ตัวแปร Wein Bridge Oscillator

การใช้งาน:

Wein Bridge Oscillator ใช้ใน แอพพลิเคชั่นระดับกว้างในด้านอิเล็กทรอนิกส์ตั้งแต่การหาค่าที่แน่นอนของตัวเก็บประจุสำหรับการสร้างวงจรที่เกี่ยวข้องกับออสซิลเลเตอร์ที่เสถียรเฟส 0 องศาเนื่องจากระดับเสียงต่ำจึงเป็นทางเลือกที่ชาญฉลาดสำหรับระดับเสียงต่างๆ แอปพลิเคชันที่ต้องการการสั่นอย่างต่อเนื่อง