Oscillatore a sfasamento RC

Cos'è l'oscillatore?

Un oscillatore è una costruzione meccanica o elettronica che produce oscillazioni dipendenti da poche variabili. Abbiamo tutti dispositivi che necessitano di oscillatori, un orologio tradizionale che tutti abbiamo in casa come orologio da parete o da polso, vari tipi di metal detector, computer in cui sono coinvolti microcontrollori e microprocessori utilizzano tutti oscillatori, in particolare oscillatori elettronici che producono segnali periodici.

Oscillatore RC e fase:

Mentre discutiamo dell'oscillatore RC, e poiché viene anche definito oscillatore a spostamento di fase, abbiamo bisogno di una buona comprensione di cosa sia la fase. Vedi questa immagine: -

Se vediamo l'onda sinusoidale sopra come questa vedremo chiaramente che il punto di partenza del segnale è 0 gradi in fase, dopodiché ogni punto di picco del segnale da positivo a 0 poi di nuovo punto negativo, quindi di nuovo 0 è rispettivamente indicato come 90 gradi, 180 gradi, 270 gradi e 360 ​​gradi in posizione di fase.

La fase è un periodo di ciclo completo di un'onda sinusoidale in un riferimento a 360 gradi.

Ora, senza ulteriori indugi, vediamo cos'è lo sfasamento?

Se spostiamo il punto di partenza dell'onda sinusoidale diverso da 0 gradi, la fase viene spostata. Capiremo lo spostamento di fase nella prossima immagine.

In questa immagine, ci sono due onde di segnale sinusoidali AC presentate, la prima onda sinusoidale verde è a 360 gradi in fase ma quella rossa che è la replica del primo segnale di lettura è di 90 gradi fuori dalla fase del segnale verde.

Usando l'oscillatore RC possiamo spostare la fase di un segnale sinusoidale.

Spostamento di fase utilizzando il circuito dell'oscillatore RC:

RC sta per resistore e condensatore. Possiamo semplicemente formare una rete di resistori-condensatori a sfasamento utilizzando solo un resistore e una formazione di condensatori.

Come visto nel tutorial sul filtro passa-alto, lo stesso circuito si applica qui. Un tipico oscillatore a sfasamento RC può essere prodotto da un condensatore in serie insieme a un resistore in parallelo.

Questa è una rete a sfasamento unipolare; il circuito è lo stesso del filtro passa alto passivo. Teoricamente, se applichiamo un segnale in fase attraverso questa rete RC, la fase di uscita sarà spostata esattamente di 90 gradi. Ma se lo proviamo nella realtà e controlliamo lo sfasamento, otteniamo uno sfasamento da 60 gradi a meno di 90 gradi. Dipende dalla frequenza e dalle tolleranze dei componenti che creano effetti negativi nella realtà. Poiché tutti sappiamo che nulla è perfetto, dovrebbe esserci una certa differenza rispetto ai cosiddetti valori effettivi o attesi rispetto alla realtà. La temperatura e altre dipendenze esterne creano difficoltà per ottenere uno sfasamento esatto di 90 gradi, 45 gradi in generale, 60 gradi sono comuni a seconda delle frequenze e il raggiungimento di 90 gradi è un lavoro molto difficile in molti casi.

Come discusso nel tutorial Passa alto, costruiremo lo stesso circuito e indagheremo sullo sfasamento dello stesso circuito.

Il circuito di quel filtro passa alto insieme ai valori dei componenti è nell'immagine sottostante: -

Questo è l'esempio che abbiamo utilizzato nei precedenti tutorial sui filtri passa-alto passivi. Produrrà 4,9 KHz di larghezza di banda. Se controlliamo la frequenza d'angolo, identificheremo l'angolo di fase all'uscita dell'oscillatore.

Ora possiamo vedere che lo sfasamento è avviato da 90 gradi, che è lo sfasamento massimo dalla rete di oscillatori RC, ma nel punto della frequenza d'angolo lo sfasamento è di 45 gradi.

Considerando ora il fatto che lo sfasamento è di 90 gradi o se selezioniamo la costruzione del circuito dell'oscillatore come un modo speciale che produrrà uno sfasamento di 90 gradi, il circuito perderà la sua immunità nel range di confine a causa dello scarso fattore di stabilizzazione della frequenza. Come possiamo immaginare nel punto di 90 gradi in cui la curva è appena iniziata come da 10Hz o inferiore a 100Hz è quasi piatta. Ciò significa che se la frequenza dell'oscillatore cambia leggermente a causa della tolleranza dei componenti, della temperatura, di altre circostanze inevitabili, lo sfasamento non cambierà. Questa non è una buona scelta. Quindi consideriamo 60 gradi o 45 gradi è lo sfasamento accettabile per un oscillatore di rete RC unipolare. La stabilità della frequenza migliorerà.

Filtri RC multipli in cascata:

Combina tre filtri RC:

Considerando questo fatto che non possiamo ottenere solo uno sfasamento di 60 gradi invece di 90 gradi, possiamo mettere in cascata tre filtri RC (se lo sfasamento è di 60 gradi dagli oscillatori RC) o mettendo in cascata quattro filtri in serie (se lo sfasamento è 45 gradi da ogni oscillatore RC) e ottenere 180 gradi.

In questa immagine tre oscillatori RC sono collegati in cascata e ogni volta viene aggiunto uno sfasamento di 60 gradi e infine dopo il terzo stadio avremo uno sfasamento di 180 gradi.

Costruiremo questo circuito nel software di simulazione e vedremo la forma d'onda in ingresso e in uscita del circuito.

Prima di entrare nel video vediamo l'immagine del circuito e vedremo anche la connessione dell'oscilloscopio.

Nell'immagine in alto abbiamo usato un condensatore da 100pF e un valore di resistenza di 330k. L'oscilloscopio è collegato all'ingresso VSIN (canale A / Giallo), all'uscita del primo polo (canale B / Blu), all'uscita del 2 ^° polo

(canale C / Rosso) e l'uscita finale al terzo polo (canale D / Verde).

Vedremo la simulazione nel video e vedremo il cambiamento di fase di 60 gradi sul primo polo, 120 gradi sul secondo polo e 180 gradi sul terzo polo. Anche l'ampiezza del segnale verrà ridotta al minimo passo dopo passo.

1 ^° polo di ampiezza> 2 ° di ampiezza polo> 3 ° di ampiezza palo. Più si va verso l'ultimo polo diminuisce il decremento di ampiezza del segnale.

Ora vedremo il video di simulazione: -

È chiaramente dimostrato che ogni polo cambia attivamente gli sfasamenti e all'uscita finale viene spostato di 180 gradi.

Cascata quattro filtri RC:

Nell'immagine successiva quattro oscillatori a spostamento di fase RC utilizzati con uno spostamento di fase di 45 gradi ciascuno, che producono uno spostamento di fase di 180 gradi alla fine della rete RC.

Oscillatore a spostamento di fase RC con transistor:

Questi sono tutti elementi o componenti passivi nell'oscillatore RC. Otteniamo lo sfasamento di 180 gradi. Se vogliamo effettuare uno spostamento di fase di 360 gradi, è necessario un componente attivo che produca uno spostamento di fase aggiuntivo di 180 gradi. Questo viene fatto da un transistor o da un amplificatore e richiede una tensione di alimentazione aggiuntiva.

In questa immagine viene utilizzato un transistor NPN per produrre uno sfasamento di 180 gradi mentre il C1R1 C2R2 C3R3 produrrà 60 gradi di ritardo di fase. Quindi, accumulando questi tre 60 + 60 + 60 = spostamento di fase di 180 gradi viene fatto d'altra parte aggiungendo altri 180 gradi dal transistor che viene creato uno spostamento di fase totale di 360 gradi. Otterremo 360 gradi di sfasamento attraverso il condensatore elettrolitico C5. Se vogliamo cambiare la frequenza di questo modo per cambiare il valore dei condensatori o utilizzare un condensatore preimpostato variabile su questi tre poli individualmente eliminando i singoli condensatori fissi.

Viene effettuata una connessione di feedback per recuperare le energie all'amplificatore utilizzando quella rete RC a tre poli. È necessario per un'oscillazione positiva stabile e per produrre una tensione sinusoidale. A causa della

connessione di feedback o della configurazione, l' oscillatore RC è un oscillatore di tipo feedback.

Nel 1921, il fisico tedesco Heinrich Georg Barkhausen introdusse il "criterio di Barkhausen" per determinare la relazione tra gli sfasamenti attraverso il ciclo di feedback. Secondo il criterio, il circuito oscillerà solo se lo sfasamento attorno al circuito di retroazione è uguale o multiplo di 360 gradi e il guadagno del circuito è uguale a uno. Se lo sfasamento è preciso alla frequenza desiderata e il ciclo di feedback crea un'oscillazione di 360 gradi, l'uscita sarà un'onda sinusoidale. Il filtro RC serve per raggiungere questo scopo.

Frequenza dell'oscillatore RC:

Possiamo facilmente determinare la frequenza dell'oscillazione usando questa equazione: -

Dove,

R = Resistenza (Ohm)

C = Capacità

N = Numero di reti RC è / verrà utilizzato

Questa formula viene utilizzata per la progettazione relativa al filtro passa alto, possiamo anche utilizzare il filtro passa basso e lo spostamento di fase sarà negativo. In tal caso la formula superiore non funzionerà per il calcolo della frequenza dell'oscillatore, sarà applicabile una formula diversa.

Dove,

R = Resistenza (Ohm)

C = Capacità

N = Numero di reti RC è / verrà utilizzato

Oscillatore a spostamento di fase RC con amplificatore operazionale:

Poiché possiamo costruire un oscillatore a sfasamento RC usando Transistor, cioè BJT, ci sono anche altre limitazioni con Transistor.

1. È stabile per le basse frequenze.
2. Usando solo un BJT l'ampiezza dell'onda di uscita non è perfetta, è necessaria una circuiteria aggiuntiva per stabilizzare l'ampiezza della forma d'onda.
3. La precisione della frequenza non è perfetta e non è immune da interferenze rumorose.
4. Effetto di caricamento avverso. A causa della formazione in cascata, l'impedenza di ingresso del secondo polo modifica le proprietà di resistenza dei resistori del filtro del primo polo. Più i filtri sono collegati a cascata, più la situazione peggiora poiché influirà sulla precisione della frequenza dell'oscillatore a spostamento di fase calcolata.

A causa dell'attenuazione tra il resistore e il condensatore, la perdita su ogni stadio aumenta e la perdita totale è approssimativamente la perdita totale di 1/29 ^° del segnale di ingresso.

Poiché il circuito si attenua a 1/29 ^°, è necessario recuperare la perdita.

Questo è il momento di cambiare il BJT con un amplificatore operazionale. Possiamo anche recuperare quei quattro inconvenienti e ottenere più headroom sul controllo se usiamo op-amp invece di BJT. A causa dell'elevata impedenza di ingresso, l'effetto di carico è anche controllato efficacemente perché l'impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale promuove l'effetto di carico complessivo.

Ora, senza ulteriori modifiche , cambiamo il BJT con un amplificatore operazionale e vediamo quale sarà il circuito o lo schema dell'oscillatore RC che utilizza l'amplificatore operazionale.

Come possiamo vedere, Just BJT è stato sostituito con un amplificatore operazionale invertito. Il circuito di feedback è collegato all'oscillatore RC del primo polo e alimentato al pin di ingresso invertito dell'amplificatore operazionale. A causa di questa connessione di feedback invertita, l' amplificatore operazionale produrrà uno sfasamento di 180 gradi. Ulteriori sfasamenti di 180 gradi saranno forniti dai tre stadi RC. Otterremo l'uscita desiderata dell'onda sfasata di 360 gradi attraverso il primo pin dell'amplificatore operazionale denominato OSC out. L'R4 viene utilizzato per la compensazione del guadagno dell'amplificatore operazionale. Possiamo modificare il circuito per ottenere un'uscita oscillata ad alta frequenza, ma a seconda della larghezza di banda della gamma di frequenza dell'amplificatore operazionale.

Inoltre, per ottenere il risultato desiderato occorre calcolare il resistore R4 guadagno per ottenere 29 ^th volte maggiore ampiezza di tutti op-amp come abbiamo bisogno di compensare con la perdita di 1/29 ^th attraverso fasi RC.

Vediamo, realizzeremo un circuito con il valore dei componenti reali e vedremo quale sarà l'uscita simulata dell'oscillatore a sfasamento RC.

Useremo una resistenza da 10k ohm e un condensatore da 500pF e determineremo la frequenza dell'oscillazione. Calcoleremo anche il valore del resistore di guadagno.

N = 3, poiché verranno utilizzati 3 stadi.

R = 10000, come 10k ohm convertiti ohm

C = 500 x 10 ^-12 come valore del condensatore è 500pF

L'uscita è 12995Hz o il valore relativamente vicino è 13 KHz.

Come è necessario il guadagno di op-amp 29 ^esimo volte il valore della resistenza di guadagno è calcolato utilizzando questa formula: -

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

Questo è il modo in cui viene costruito l'oscillatore a spostamento di fase utilizzando componenti RC e amplificatore operazionale.

Le applicazioni dell'oscillatore a spostamento di fase RC includono amplificatori in cui viene utilizzato il trasformatore audio e il segnale audio differenziale necessario ma il segnale invertito non è disponibile, oppure se la sorgente del segnale CA necessaria per qualsiasi applicazione viene utilizzato il filtro RC. Inoltre, il generatore di segnali o il generatore di funzioni utilizzano l'oscillatore a spostamento di fase RC.