Κύκλωμα ταλαντωτή μετατόπισης φάσης

Έχουμε δημιουργήσει προηγουμένως ένα πλήρες και λεπτομερές σεμινάριο για το Phase Shift Oscillator. Εδώ θα δούμε την πρακτική εφαρμογή του ταλαντωτή μετατόπισης φάσης. Σε αυτό το έργο, δημιουργούμε κύκλωμα ταλαντωτή μετατόπισης φάσης στο breadboard και δοκιμάζουμε την έξοδο του χρησιμοποιώντας παλμογράφο.

Τι είναι το Phase and Phase Shift;

Η φάση είναι μια περίοδος πλήρους κύκλου ενός ημιτονοειδούς κύματος σε μια αναφορά 360 μοιρών. Ο πλήρης κύκλος ορίζεται ως το διάστημα που απαιτείται για την επιστροφή της αυθαίρετης αρχικής τιμής της κυματομορφής. Η φάση δηλώνεται ως αιχμηρή θέση σε αυτόν τον κύκλο κυματομορφής. Εάν δούμε το ημιτονοειδές κύμα θα αναγνωρίσουμε εύκολα τη φάση.

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται ένας πλήρης κύκλος κυμάτων. Το αρχικό σημείο εκκίνησης του ημιτονοειδούς κύματος είναι 0 βαθμός σε φάση και εάν εντοπίσουμε κάθε θετική και αρνητική κορυφή και 0 σημεία, θα έχουμε 90, 180, 270, φάση 360 μοιρών. Έτσι, όταν ξεκινά ένα ημιτονοειδές σήμα, το ταξίδι του είναι διαφορετικό από την αναφορά 0 μοιρών, το λέμε μετατόπιση φάσης διαφοροποιώντας από την αναφορά 0 μοιρών.

Αν δούμε την επόμενη εικόνα θα προσδιορίσουμε πώς μοιάζει ένα μετατοπισμένο ημιτονοειδές κύμα φάσης …

Σε αυτήν την εικόνα, παρουσιάζονται δύο ημιτονοειδές κύμα σήματος AC, το πρώτο πράσινο ημιτονοειδές κύμα είναι 360 μοίρες σε φάση, αλλά το κόκκινο που είναι το αντίγραφο του πρώτου σήματος, το οποίο μετατοπίζεται φάση 90 μοιρών από τη φάση του πράσινου σήματος.

Αυτή η αλλαγή φάσης μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας ένα απλό δίκτυο RC.

Κατασκευή και κύκλωμα

Ένας ταλαντωτής μετατόπισης φάσης παράγει ημιτόνο κύμα Ένας απλός ταλαντωτής μετατόπισης φάσης είναι ο ταλαντωτής RC που παρέχει μετατόπιση φάσης μικρότερη ή ίση με 60 βαθμούς

Η παραπάνω εικόνα δείχνει ένα μονοφασικό κύκλωμα μετατόπισης δικτύου RC ή κυκλώματος σκάλας που μετατοπίζει τη φάση του σήματος εισόδου ίση ή μικρότερη από 60 μοίρες.

Εάν προχωρήσουμε εκεί δίκτυο RC, θα έχουμε αλλαγή φάσης 180 μοιρών.

Τώρα για να δημιουργήσουμε έξοδο ταλάντωσης και ημιτονοειδούς κύματος χρειαζόμαστε ένα ενεργό συστατικό, είτε το Transistor είτε το Op-amp σε αντιστροφή παραμέτρων, και πρέπει να τροφοδοτήσουμε την έξοδο αυτών των εξαρτημάτων στην είσοδο μέσω του δικτύου τριών πόλων RC. Θα παράγει μετατόπιση φάσης 360 μοιρών στην έξοδο και θα παράγει ημιτονοειδές κύμα.

Σε αυτό το σεμινάριο, θα χρησιμοποιήσουμε το τρανζίστορ ως ενεργό στοιχείο και θα παράγουμε κύμα Sine μέσω αυτού.

Προαπαιτούμενα

Για να χτίσουμε το κύκλωμα χρειαζόμαστε τα ακόλουθα πράγματα-

1. Πίνακας ψωμιού

2. 3 τεμ κεραμικών πυκνωτών.1uF

3. 3 τεμ αντίστασης 680R

4. 2.2k αντίσταση 1 τεμ

5. 10k αντίσταση 1 τεμ

6. Αντίσταση 100R 1 τεμ

7. 68k αντίσταση 1 τεμ

8. Πυκνωτής 100uF 1 τεμ

9. BC549 τρανζίστορ

10. Τροφοδοσία 9V

Σχηματική και Εργασία

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται το σχήμα για το Phase Shift Oscillator. Παρέχουμε την έξοδο ως την είσοδο των δικτύων RC που παρέχονται και πάλι σε όλη τη βάση του τρανζίστορ. Τα δίκτυα RC παρέχουν την απαραίτητη μετατόπιση φάσης στη διαδρομή ανατροφοδότησης που αλλάζει και πάλι από το τρανζίστορ. Η συχνότητα του ταλαντωτή RC μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας αυτήν την εξίσωση-

Το F είναι η συχνότητα ταλάντωσης, τα R και C είναι η αντίσταση και η χωρητικότητα και το Ν σημαίνει τον αριθμό των σταδίων μετατόπισης φάσης RC που χρησιμοποιούνται. Αυτός ο τύπος ισχύει μόνο εάν το δίκτυο μετατόπισης φάσεων χρησιμοποιεί την ίδια τιμή αντίστασης και χωρητικότητας, που σημαίνει R1 = R2 και C1 = C2 = C3. Ο ταλαντωτής μετατόπισης φάσης μπορεί να γίνει ως ταλαντωτής μετατόπισης μεταβλητής φάσης που μπορεί να παράγει ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων ανάλογα με την προκαθορισμένη τιμή που έχει καθοριστεί. Αυτό μπορεί να γίνει εύκολα αλλάζοντας μόνο τους σταθερούς πυκνωτές C1, C2 και C3 με έναν μεταβλητό πυκνωτή τριπλής συμμορίας. Η τιμή της αντίστασης πρέπει να καθοριστεί σε τέτοιες περιπτώσεις.

Στο παραπάνω σχηματικό σχήμα, τα R4 και R5 σχηματίζουν διαχωριστή τάσης που παρέχει τάση πόλωσης στο τρανζίστορ BC549. Το R6 που χρησιμοποιείται για τον περιορισμό του ρεύματος συλλέκτη και το R7 χρησιμοποιείται για τη θερμική σταθερότητα του τρανζίστορ BC549 κατά τη λειτουργία. Το C4 είναι απαραίτητο, καθώς αυτός είναι ο πυκνωτής παράκαμψης εκπομπής του BC549.

Το BC549 είναι ένα NPN Epitaxial Silicon Transistor. Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται το πακέτο TO-92. Ο πρώτος πείρος (1) είναι ο συλλέκτης, 2 είναι η βάση και 3 είναι ο πείρος εκπομπού. Χρησιμοποιείται ευρέως για σκοπούς εναλλαγής και ενίσχυσης. Το BC549 προέρχεται από το ίδιο τμήμα ευρέως χρησιμοποιούμενων 547, 548 κ.λπ. Το BC549 είναι έκδοση χαμηλού θορύβου. Αυτό το χρησιμοποιούμε για το ενεργό συστατικό του ταλαντωτή μετατόπισης φάσης που θα ενισχύσει και θα παρέχει μια επιπλέον μετατόπιση φάσης στο σήμα

Έχουμε κατασκευάσει το κύκλωμα σε ένα breadboard.

Έξοδος κυκλώματος ταλαντωτή μετατόπισης φάσης

Συνδέσαμε ένα παλμογράφο σε όλη την έξοδο για να δούμε το ημιτονοειδές κύμα. Στην παρακάτω εικόνα θα δούμε τις συνδέσεις ανιχνευτή παλμογράφων μας.

Συνδέσαμε δύο ανιχνευτές παλμογράφων, έναν κίτρινο στην τελική έξοδο και τον κόκκινο σε ένα δεύτερο δίκτυο RC. Το κίτρινο κανάλι του παλμογράφου θα παρέχει το αποτέλεσμα της τελικής εξόδου και το κόκκινο κανάλι θα παρέχει την έξοδο σε φίλτρο RC δεύτερου σταδίου. Συγκρίνοντας τις δύο εξόδους θα κατανοήσουμε σαφώς τη διαφορά μεταξύ των δύο φάσεων του ημιτονοειδούς κύματος. Τροφοδοτούμε το κύκλωμα από τη μονάδα τροφοδοσίας πάγκου 9V.

Αυτή είναι η τελική έξοδος από τον παλμογράφο.

Η τελική έξοδος που τραβήξαμε από τον παλμογράφο φαίνεται στην παραπάνω εικόνα. Το κίτρινο κύμα ημιτόνου είναι σχεδόν σε μια φάση, ενώ το κόκκινο σήμα, συλλαμβάνονται από 2 ^ου σταδίου RC δικτύου είναι εκτός φάσης. Μπορούμε να δούμε τη συνεχόμενη κυματομορφή στο παρακάτω βίντεο:

Η έξοδος είναι αρκετά σταθερή και η παρεμβολή θορύβου είναι χαμηλότερη. Μπορείτε να βρείτε πλήρες βίντεο στο τέλος αυτού του έργου.

Περιορισμοί κυκλώματος ταλαντωτή μετατόπισης φάσης

Καθώς χρησιμοποιούμε BJT για ταλαντωτή μετατόπισης φάσης, υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί που σχετίζονται με το BJT. Η ταλάντωση είναι σταθερή σε χαμηλές συχνότητες, εάν αυξήσουμε τη συχνότητα, η ταλάντωση θα κορεστεί και η έξοδος θα παραμορφωθεί. Επίσης, το εύρος κύματος εξόδου δεν είναι τόσο τέλειο, θα χρειαστεί επιπλέον κυκλώματα για τη σταθεροποίηση του πλάτους του κυκλώματος κυματομορφής.

Το δυσμενές αποτέλεσμα φόρτωσης είναι επίσης ένα πρόβλημα στο στάδιο του δικτύου RC. Λόγω του φαινομένου φόρτωσης, η αντίσταση εισόδου του δεύτερου πόλου μεταβάλλει τις ιδιότητες αντίστασης του επόμενου προηγούμενου φίλτρου πρώτου πόλου. Επιπρόσθετα φίλτρα επιδεινώνουν αυτό το αποτέλεσμα. Επίσης, για αυτόν τον λόγο, είναι δύσκολο να υπολογιστεί η συχνότητα ταλάντωσης με τη χρήση της τυποποιημένης μεθόδου τύπου.

Χρήση κυκλώματος ταλαντωτή Phase Shift

Η κύρια χρήση ενός ταλαντωτή μετατόπισης φάσης είναι η δημιουργία ημιτονοειδούς κύματος στην έξοδο του. Έτσι, όπου απαιτείται παραγωγή καθαρών ημιτονοειδών κυμάτων, χρησιμοποιείται ταλαντωτής μετατόπισης φάσης. Επίσης, για το σκοπό της μετατόπισης φάσης ενός συγκεκριμένου σήματος, ο ταλαντωτής μετατόπισης φάσης παρέχει σημαντικό έλεγχο της διαδικασίας αλλαγής. Άλλες χρήσεις ταλαντωτών μετατόπισης φάσης είναι:

1. Σε ταλαντωτές ήχου
2. Μετατροπέας Sine Wave
3. Σύνθεση φωνής
4. Μονάδες GPS
5. Μουσικά όργανα.

Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για το Phase Shift Oscillator, ακολουθήστε τον σύνδεσμο.