- Τι είναι ο ταλαντωτής;
- RC ταλαντωτής και φάση:
- Phase Shift χρησιμοποιώντας κύκλωμα ταλαντωτή RC:
- Διαδοχικά πολλαπλά φίλτρα RC:
- RC Phase Shift Oscillator με τρανζίστορ:
- Συχνότητα του ταλαντωτή RC:
- RC Phase Shift Oscillator με Op-amp:
Τι είναι ο ταλαντωτής;
Ένας ταλαντωτής είναι μια μηχανική ή ηλεκτρονική κατασκευή που παράγει ταλάντωση ανάλογα με λίγες μεταβλητές. Όλοι έχουμε συσκευές που χρειάζονται ταλαντωτές, παραδοσιακό ρολόι που όλοι έχουμε στο σπίτι μας ως ρολόι τοίχου ή ρολόι χειρός, διάφοροι τύποι ανιχνευτών μετάλλων, υπολογιστές όπου εμπλέκονται μικροελεγκτές και μικροεπεξεργαστές, όλοι χρησιμοποιούν ταλαντωτές, ειδικά ηλεκτρονικό ταλαντωτή που παράγει περιοδικά σήματα.
RC ταλαντωτής και φάση:
Καθώς συζητάμε για τον ταλαντωτή RC, και καθώς αναφέρεται επίσης ως ταλαντωτής μετατόπισης φάσης, χρειαζόμαστε μια δίκαιη κατανόηση για το τι είναι η φάση. Δείτε αυτήν την εικόνα: -
Εάν δούμε το παραπάνω ημιτονοειδές κύμα σαν αυτό, θα δούμε ξεκάθαρα ότι το σημείο εκκίνησης του σήματος είναι 0 μοίρας σε φάση, και μετά από αυτό κάθε σημείο αιχμής του σήματος από θετικό σε 0 και πάλι αρνητικό σημείο και πάλι το 0 σημαίνει αντίστοιχα ως 90 βαθμό, 180 μοίρες, 270 μοίρες και 360 μοίρες σε θέση φάσης.
Η φάση είναι μια περίοδος πλήρους κύκλου ενός ημιτονοειδούς κύματος σε μια αναφορά 360 μοιρών.
Τώρα χωρίς περαιτέρω καθυστέρηση ας δούμε τι είναι η μετατόπιση φάσης;
Εάν αλλάξουμε το σημείο εκκίνησης του ημιτονοειδούς κύματος εκτός του 0 βαθμού, η φάση μετατοπίζεται. Θα κατανοήσουμε τη μετατόπιση φάσης στην επόμενη εικόνα.
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 ανάγνωσης είναι 90 μοίρες από τη φάση του πράσινου σήματος.
Χρησιμοποιώντας ταλαντωτή RC μπορούμε να αλλάξουμε τη φάση ενός ημιτονοειδούς σήματος.
Phase Shift χρησιμοποιώντας κύκλωμα ταλαντωτή RC:
Το RC σημαίνει Resistor and Capacitor. Μπορούμε απλώς να δημιουργήσουμε ένα δίκτυο πυκνωτή αντιστάσεων μετατόπισης φάσης χρησιμοποιώντας μόνο μία αντίσταση και έναν σχηματισμό πυκνωτή.
Όπως φαίνεται στο σεμινάριο φίλτρων High Pass, το ίδιο κύκλωμα ισχύει εδώ Ένας τυπικός ταλαντωτής μετατόπισης φάσης RC μπορεί να παραχθεί από έναν πυκνωτή σε σειρά μαζί με μια αντίσταση παράλληλα.
Αυτό είναι ένα μονοφασικό δίκτυο μετατόπισης φάσης. το κύκλωμα είναι ίδιο με το Passive High Pass Filter. Θεωρητικά εάν εφαρμόσουμε ένα σήμα φάσης σε αυτό το δίκτυο RC, η φάση εξόδου θα μετατοπιστεί κατά ακριβώς 90 μοίρες. Αλλά αν το δοκιμάσουμε στην πραγματικότητα και ελέγξουμε τη μετατόπιση φάσης, τότε επιτυγχάνουμε μετατόπιση φάσης από 60 βαθμούς σε λιγότερο από 90 βαθμούς. Εξαρτάται από τη συχνότητα και τις ανοχές των συστατικών που δημιουργούν δυσμενείς επιπτώσεις στην πραγματικότητα. Όπως όλοι γνωρίζουμε ότι τίποτα δεν είναι τέλειο, θα πρέπει να υπάρχει κάποια διαφορά από τις πραγματικές λεγόμενες ή αναμενόμενες τιμές από την πραγματικότητα. Η θερμοκρασία και άλλες εξωτερικές εξαρτήσεις δημιουργούν δυσκολίες για επίτευξη ακριβούς μετατόπισης φάσης 90 μοιρών, γενικά 45 μοίρες, 60 μοίρες είναι κοινές ανάλογα με τις συχνότητες και η επίτευξη 90 μοιρών είναι πολύ δύσκολη δουλειά σε πολλές περιπτώσεις.
Όπως συζητήθηκε στο High Pass tutorial θα κατασκευάσουμε το ίδιο κύκλωμα και θα διερευνήσουμε τη μετατόπιση φάσης του ίδιου κυκλώματος.
Το κύκλωμα αυτού του φίλτρου High Pass μαζί με τις τιμές των συστατικών είναι στην παρακάτω εικόνα: -
Αυτό είναι το παράδειγμα που χρησιμοποιήσαμε σε προηγούμενα σεμινάρια παθητικών φίλτρων υψηλού περάσματος Θα παράγει 4,9 KHz εύρους ζώνης. Εάν ελέγξουμε τη γωνιακή συχνότητα, θα προσδιορίσουμε τη γωνία φάσης στην έξοδο του ταλαντωτή.
Τώρα μπορούμε να δούμε ότι η μετατόπιση φάσης ξεκινά από 90 μοίρες που είναι η μέγιστη μετατόπιση φάσης από το δίκτυο ταλαντωτών RC, αλλά στο σημείο της γωνιακής συχνότητας η μετατόπιση φάσης είναι 45 βαθμούς.
Τώρα λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι η μετατόπιση φάσης είναι 90 μοίρες ή εάν επιλέξουμε την κατασκευή κυκλώματος ταλαντωτή σαν έναν ειδικό τρόπο που θα παράγει μετατόπιση φάσης 90 μοιρών, τότε το κύκλωμα θα χάσει την ασυλία του στο εύρος συνόρων λόγω κακού συντελεστή σταθεροποίησης συχνότητας. Όπως μπορούμε να φανταστούμε στο σημείο των 90 μοιρών όπου η καμπύλη μόλις ξεκίνησε όπως από τα 10Hz ή χαμηλότερα στα 100Hz είναι σχεδόν επίπεδη. Αυτό σημαίνει ότι εάν η συχνότητα του ταλαντωτή άλλαξε ελαφρώς λόγω ανοχής εξαρτημάτων, θερμοκρασίας και άλλων αναπόφευκτων συνθηκών, η μετατόπιση φάσης δεν θα αλλάξει. Δεν είναι καλή επιλογή. Θεωρούμε λοιπόν ότι ο βαθμός 60 μοιρών ή 45 μοιρών είναι η αποδεκτή μετατόπιση φάσης για έναν ταλαντωτή δικτύου RC ενός πόλου. Η σταθερότητα συχνότητας θα βελτιωθεί.
Διαδοχικά πολλαπλά φίλτρα RC:
Φίλτρα Cascade Three RC:
Λαμβάνοντας υπόψη αυτό το γεγονός ότι δεν μπορούμε να επιτύχουμε μόνο μετατόπιση φάσης 60 βαθμών αντί για 90 μοίρες, μπορούμε να καταρρίψουμε τρία φίλτρα RC (Εάν η μετατόπιση φάσης είναι 60 μοίρες από ταλαντωτές RC) ή με σειρά 4 φίλτρων σε σειρά (Εάν η μετατόπιση φάσης είναι 45 μοίρες από κάθε ταλαντωτή RC) και λάβετε 180 μοίρες.
Σε αυτήν την εικόνα τρεις ταλαντωτές RC καταρρέουν και κάθε φορά προστίθεται μετατόπιση φάσης 60 μοιρών και τελικά μετά το τρίτο στάδιο θα έχουμε μετατόπιση φάσης 180 μοιρών.
Θα κατασκευάσουμε αυτό το κύκλωμα σε λογισμικό προσομοίωσης και θα δούμε τη μορφή κύματος εισόδου και εξόδου του κυκλώματος.
Πριν μπείτε στο βίντεο ας δούμε την εικόνα του κυκλώματος και θα δούμε και τη σύνδεση του παλμογράφου.
Στην επάνω εικόνα χρησιμοποιήσαμε πυκνωτή 100pF και τιμή αντίστασης 330k. Το παλμογράφο συνδέεται σε όλη την είσοδο VSIN (κανάλι A / Yellow), σε έξοδο πρώτου πόλου (κανάλι B / Blue), έξοδο 2 n pole
(κανάλι C / Red) και την τελική έξοδο σε τρίτο πόλο (κανάλι D / Green).
Θα δούμε την προσομοίωση στο βίντεο και θα δούμε την αλλαγή φάσης σε 60 μοίρες στον πρώτο πόλο, 120 βαθμούς στον δεύτερο πόλο και 180 μοίρες στον τρίτο πόλο. Επίσης, το πλάτος του σήματος θα ελαχιστοποιηθεί βήμα προς βήμα.
1 ος πόλο πλάτος> 2ο πόλο πλάτος> 3ο πόλο πλάτος. Περισσότερο πηγαίνουμε στον τελευταίο πόλο, η μείωση του πλάτους του σήματος μειώνεται.
Τώρα θα δούμε το βίντεο προσομοίωσης: -
Είναι σαφές ότι κάθε πόλος αλλάζει ενεργά τις μετατοπίσεις φάσης και στην τελική έξοδο μετατοπίζεται σε 180 μοίρες.
Φίλτρα Cascade Four RC:
Στην επόμενη εικόνα τέσσερις ταλαντωτές μετατόπισης φάσης RC χρησιμοποιούνται με μετατόπιση φάσης 45 μοιρών η καθεμία, οι οποίες παράγουν μετατόπιση φάσης 180 μοιρών στο τέλος του δικτύου RC.
RC Phase Shift Oscillator με τρανζίστορ:
Όλα αυτά είναι παθητικά στοιχεία ή συστατικά του ταλαντωτή RC. Παίρνουμε τη μετατόπιση φάσης 180 μοιρών. Εάν θέλουμε να κάνουμε μια μετατόπιση φάσης 360 μοιρών, τότε απαιτείται ένα ενεργό συστατικό που παράγει επιπλέον αλλαγή φάσης 180 μοιρών. Αυτό γίνεται από ένα τρανζίστορ ή έναν ενισχυτή και απαιτεί επιπλέον τάση τροφοδοσίας.
Σε αυτήν την εικόνα χρησιμοποιείται ένα τρανζίστορ NPN για την παραγωγή μετατόπισης φάσης 180 μοιρών, ενώ το C1R1 C2R2 C3R3 θα παράγει 60 βαθμούς καθυστέρησης φάσης. Έτσι, η συσσώρευση αυτής της αλλαγής φάσης των 60 + 60 + 60 = 180 μοιρών γίνεται από την άλλη, προσθέτοντας επιπλέον 180 μοίρες από το τρανζίστορ συνολική μετατόπιση φάσης 360 μοιρών. Θα έχουμε 360 βαθμούς μετατόπισης φάσης στον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή C5. Εάν θέλουμε να αλλάξουμε τη συχνότητα αυτού του τρόπου να αλλάξουμε την τιμή των πυκνωτών ή να χρησιμοποιήσουμε έναν μεταβλητό προκαθορισμένο πυκνωτή σε αυτούς τους τρεις πόλους ξεχωριστά, εξαλείφοντας μεμονωμένους σταθερούς πυκνωτές.
Γίνεται σύνδεση ανατροφοδότησης για την ανάκτηση των ενεργειών πίσω στον ενισχυτή χρησιμοποιώντας αυτό το δίκτυο τριών πόλων RC. Είναι απαραίτητο για σταθερή θετική ταλάντωση και για την παραγωγή ημιτονοειδούς τάσης. Λόγω της
σύνδεσης ανατροφοδότησης ή της διαμόρφωσης, ο ταλαντωτής RC είναι ένας ταλαντωτής τύπου ανατροφοδότησης.
Το 1921, ο Γερμανός φυσικός Heinrich Georg Barkhausen εισήγαγε το «κριτήριο Barkhausen» για τον προσδιορισμό της σχέσης μεταξύ των μετατοπίσεων φάσης σε όλο τον βρόχο ανατροφοδότησης. Σύμφωνα με το κριτήριο, το κύκλωμα θα ταλαντεύεται μόνο εάν η μετατόπιση φάσης γύρω από τον βρόχο ανάδρασης είναι ίση ή πολλαπλή 360 μοιρών και το κέρδος του βρόχου είναι ίσο με ένα. Εάν η μετατόπιση φάσης είναι ακριβής στην επιθυμητή συχνότητα και ο βρόχος ανάδρασης δημιουργεί ταλάντωση 360 μοιρών, τότε η έξοδος θα είναι ημιτονοειδές κύμα. Το φίλτρο RC χρησιμεύει για την επίτευξη αυτού του σκοπού.
Συχνότητα του ταλαντωτή RC:
Μπορούμε εύκολα να προσδιορίσουμε τη συχνότητα της ταλάντωσης χρησιμοποιώντας αυτήν την εξίσωση:
Όπου,
R = Αντίσταση (Ohms)
C = Χωρητικότητα
N = Ο αριθμός του δικτύου RC θα χρησιμοποιηθεί / θα χρησιμοποιηθεί
Αυτός ο τύπος χρησιμοποιείται για σχεδιασμό σχετιζόμενο με φίλτρα υψηλής διέλευσης, μπορούμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε φίλτρο χαμηλής διέλευσης και η μετατόπιση φάσης θα είναι αρνητική. Σε αυτήν την περίπτωση ο άνω τύπος δεν θα λειτουργήσει για τον υπολογισμό της συχνότητας του ταλαντωτή, θα εφαρμοστεί διαφορετικός τύπος.
Όπου,
R = Αντίσταση (Ohms)
C = Χωρητικότητα
N = Ο αριθμός του δικτύου RC θα χρησιμοποιηθεί / θα χρησιμοποιηθεί
RC Phase Shift Oscillator με Op-amp:
Καθώς μπορούμε να κατασκευάσουμε ταλαντωτή μετατόπισης φάσης RC χρησιμοποιώντας Transistor δηλαδή BJT, υπάρχουν και άλλοι περιορισμοί με το Transistor.
- Είναι σταθερό για χαμηλές συχνότητες.
- Απλά χρησιμοποιώντας μόνο ένα BJT το πλάτος του κύματος εξόδου δεν είναι τέλειο, απαιτείται επιπλέον κύκλωμα για σταθεροποιημένο πλάτος της κυματομορφής.
- Η ακρίβεια συχνότητας δεν είναι τέλεια και δεν είναι απαλλαγμένη από θορυβώδεις παρεμβολές
- Ανεπιθύμητο εφέ φόρτωσης. Λόγω του σχηματισμού καταρράκτη, η αντίσταση εισόδου του δεύτερου πόλου αλλάζει τις ιδιότητες αντίστασης αντιστάσεων του πρώτου φίλτρου πόλου. Όσο περισσότερα φίλτρα πέφτουν απότομα, η κατάσταση επιδεινώνεται καθώς θα επηρεάσει την ακρίβεια της υπολογισμένης συχνότητας ταλαντωτή μετατόπισης φάσης.
Λόγω της εξασθένησης της αντίστασης και του πυκνωτή, η απώλεια σε κάθε στάδιο αυξάνεται και η συνολική απώλεια είναι περίπου η συνολική απώλεια του 1/29 ου του σήματος εισόδου.
Καθώς οι εξασθενεί κυκλώματος σε 1/29 ου πρέπει να ανακτήσει την απώλεια.
Αυτή είναι η ώρα να αλλάξετε το BJT με ένα Op-amp. Μπορούμε επίσης να ανακτήσουμε αυτά τα τέσσερα μειονεκτήματα και να πάρουμε περισσότερα περιθώρια για τον έλεγχο αν χρησιμοποιούμε op-amp αντί για BJT. Λόγω της υψηλής αντίστασης εισόδου, το φαινόμενο φόρτωσης ελέγχεται επίσης αποτελεσματικά επειδή η αντίσταση εισόδου op-amp προωθεί το συνολικό αποτέλεσμα φόρτωσης.
Τώρα χωρίς την περαιτέρω τροποποίηση, ας αλλάξουμε το BJT με Op-Amp και να δούμε τι θα είναι το κύκλωμα ή το σχηματικό σχήμα του ταλαντωτή RC χρησιμοποιώντας το Op-amp.
Όπως μπορούμε να δούμε, το Just BJT αντικαταστάθηκε με ένα ανεστραμμένο op-amp. Ο βρόχος ανατροφοδότησης συνδέεται με τον ταλαντωτή RC πρώτου πόλου και τροφοδοτεί τον ανεστραμμένο πείρο εισόδου op-amp. Λόγω αυτής της ανεστραμμένης σύνδεσης ανατροφοδότησης, το op-amp θα παράγει μετατόπιση φάσης 180 μοιρών. Πρόσθετη αλλαγή φάσης 180 μοιρών θα παρέχεται από τα τρία στάδια RC. Θα έχουμε την επιθυμητή έξοδο μετατόπισης κύματος φάσης 360 μοιρών στον πρώτο ακροδέκτη op-amp που ονομάζεται OSC. Το R4 χρησιμοποιείται για την αποζημίωση κέρδους του op-amp. Μπορούμε να τροποποιήσουμε το κύκλωμα για να έχουμε υψηλή συχνότητα ταλαντευόμενης εξόδου, αλλά ανάλογα με το εύρος ζώνης συχνοτήτων του op-amp.
Επίσης, για να πάρει το επιθυμητό αποτέλεσμα θα πρέπει να υπολογιστεί η αντίσταση κέρδος R4 για να επιτευχθεί 29 ου φορές μεγαλύτερο πλάτος σε όλη την op-amp, όπως θα πρέπει να αντισταθμιστεί με την απώλεια του 1/29 ου όλη στάδια RC.
Ας δούμε, θα κάνουμε ένα κύκλωμα με πραγματική τιμή εξαρτημάτων και θα δούμε ποια θα είναι η προσομοιωμένη έξοδος του ταλαντωτή μετατόπισης φάσης RC.
Θα χρησιμοποιήσουμε αντίσταση 10k ohms και πυκνωτή 500pF και θα καθορίσουμε τη συχνότητα της ταλάντωσης. Θα υπολογίσουμε επίσης την τιμή της αντίστασης κέρδους.
N = 3, καθώς θα χρησιμοποιηθούν 3 στάδια.
R = 10000, ως 10k ohms μετατρέπεται σε ohms
C = 500 x 10-12 ως τιμή πυκνωτή είναι 500pF
Η έξοδος είναι 12995Hz ή η σχετικά κοντινή τιμή είναι 13 KHz.
Καθώς το κέρδος op-amp χρειάζεται 29 th φορές την αξία του αντιστάτη απολαβής υπολογίζεται χρησιμοποιώντας αυτόν τον τύπο: -
Κέρδος = R f / R 29 = R f / 10k R f = 290k
Έτσι κατασκευάζεται ο ταλαντωτής μετατόπισης φάσης χρησιμοποιώντας εξαρτήματα RC και Op-amp.
Οι εφαρμογές του ταλαντωτή μετατόπισης φάσης RC περιλαμβάνουν ενισχυτές όπου χρησιμοποιείται ο μετασχηματιστής ήχου και απαιτείται διαφορικό σήμα ήχου, αλλά το ανεστραμμένο σήμα δεν είναι διαθέσιμο ή εάν απαιτείται πηγή σήματος AC για οποιαδήποτε εφαρμογή τότε χρησιμοποιείται φίλτρο RC. Επίσης, η γεννήτρια σήματος ή η γεννήτρια λειτουργίας χρησιμοποιούν ταλαντωτή μετατόπισης φάσης RC.