Oscillatore a ponte Wein

In questo tutorial, impareremo a conoscere l' oscillatore a ponte Wein che è stato sviluppato da un fisico tedesco Max Wien. È stato originariamente sviluppato per il calcolo della capacità in cui sono note la resistenza e la frequenza. Prima di passare alla discussione più approfondita su cosa sia effettivamente il Wein Bridge Oscillator e come viene utilizzato, vediamo cos'è l'oscillatore e cos'è l'oscillatore Wein Bridge.

Oscillatore a ponte Wein:

Come nel precedente tutorial di RC Oscillator, sono necessari un resistore e un condensatore per produrre uno sfasamento e se colleghiamo un amplificatore in spec. Invertente e colleghiamo l'amplificatore e le reti RC con una connessione di feedback, l'uscita dell'amplificatore inizia a produrre un forma d'onda sinusoidale per oscillazione.

In un oscillatore a ponte di Wien due reti RC vengono utilizzate attraverso un amplificatore e producono un circuito oscillatore.

Ma perché dovremmo scegliere un oscillatore a ponte di Vienna ?

A causa dei seguenti punti, l'oscillatore a ponte Wien è una scelta più saggia per la produzione di onde sinusoidali.

1. È stabile.
2. La distorsione o THD (Total Harmonic Distortion) è sotto il limite controllabile.
3. Possiamo cambiare la frequenza in modo molto efficace.

Come detto prima, l'oscillatore Wein Bridge ha reti RC a due stadi. Ciò significa che è costituito da due condensatori non polari e due resistori in una formazione di filtri passa alto e passa basso. Un resistore e un condensatore in serie d'altra parte un condensatore e un resistore in formazione parallela. Se costruiamo il circuito, lo schema sarà simile a questo: -

Come si vede chiaramente ci sono due condensatori e vengono utilizzati due resistori. Entrambi gli stadi RC che fungono da filtro passa alto e passa basso collegati insieme che è il prodotto di un filtro passa banda che accumula la dipendenza dalla frequenza di due stadi di ordine. Le resistenze R1 e R2 sono le stesse e anche la capacità C1 e C2 è la stessa.

Guadagno di uscita dell'oscillatore a ponte Wein e spostamento di fase:

Quello che accade all'interno del circuito di rete RC nell'immagine sopra è molto interessante.

Quando viene applicata la bassa frequenza la reattanza del primo condensatore (C1) è sufficientemente alta e blocca il segnale di ingresso e resiste al circuito per produrre 0 output, d'altra parte, la stessa cosa accade in modo diverso per il secondo condensatore (C2) che è collegato in parallelo. La reattanza C2 è diventata troppo bassa e bypassa il segnale e produce nuovamente 0 uscite.

Ma nel caso di una frequenza media quando la reattanza C1 non è alta e la reattanza C2 non è bassa, darà un'uscita attraverso il punto C2. Questa frequenza è denominata frequenza di risonanza.

Se vediamo in profondità all'interno del circuito vedremo che la reattanza del circuito e la resistenza del circuito sono uguali se si raggiunge la frequenza di risonanza.

Quindi, ci sono due regole applicate in questo caso quando il circuito è fornito dalla frequenza di risonanza attraverso l'ingresso.

A. La differenza di fase di ingresso e uscita è uguale a 0 gradi.

B. Poiché è a 0 gradi, l'uscita sarà massima. Ma quanto? E 'da vicino o accuratamente 1/3 ^rd di grandezza del segnale di ingresso.

Se vediamo l'uscita del circuito capiremo quei punti.

L'output è esattamente come la stessa curva dell'immagine che mostra. A bassa frequenza da 1Hz l'uscita è minore o quasi 0 e aumenta con la frequenza in ingresso fino alla frequenza di risonanza, e quando viene raggiunta la frequenza di risonanza l'uscita è al suo punto di picco massimo e diminuisce continuamente con l'aumentare della frequenza e ancora produce 0 output ad alta frequenza. Quindi sta chiaramente passando una certa gamma di frequenze e producendo l'uscita. Ecco perché in precedenza era descritto come filtro passa banda variabile dipendente dalla frequenza (banda di frequenza). Se osserviamo attentamente lo sfasamento dell'uscita, vedremo chiaramente il margine di fase di 0 gradi attraverso l'uscita alla corretta frequenza di risonanza.

In questa curva di uscita di fase la fase è esattamente 0 gradi alla frequenza di risonanza e viene avviata da 90 gradi a decrescente a 0 gradi quando la frequenza di ingresso aumenta fino a raggiungere la frequenza di risonanza, dopodiché la fase continua a diminuire al punto finale di - 90 gradi. Ci sono due termini da usare in entrambi i casi, se la fase è positiva si chiama Phase Advance e in caso di negativo si chiama Phase Delay.

Vedremo l'output della fase di filtro in questo video di simulazione:

In questo video 4.7k usato come R sia in R1 R2 che il condensatore da 10nF è usato sia per C1 che per C2. Abbiamo applicato un'onda sinusoidale attraverso gli stadi e nell'oscilloscopio il Canale Giallo mostra l'ingresso del circuito e la linea blu mostra l'uscita del circuito. Se guardiamo da vicino l' ampiezza di uscita è 1/3 del segnale di ingresso e la fase di uscita è quasi identica allo sfasamento di 0 gradi nella frequenza di risonanza come discusso in precedenza.

Frequenza di risonanza e uscita in tensione:

Se consideriamo che R1 = R2 = R o si usa la stessa resistenza, e per la selezione del condensatore C1 = C2 = C si usa lo stesso valore di capacità allora la frequenza di risonanza sarà

Fhz = 1 / 2πRC

La R sta per resistore e la C sta per condensatore o capacità, e Fhz se frequenza di risonanza.

Se vogliamo calcolare la Vout della rete RC dovremmo vedere il circuito in modo diverso.

Questa rete RC funziona con segnali CA in ingresso. Calcolare la resistenza del circuito in caso di CA piuttosto che calcolare la resistenza del circuito in caso di CC è un po 'complicato.

La rete RC crea un'impedenza che funge da resistenza su un segnale CA applicato. Un partitore di tensione ha due resistenze, in questi stadi RC le due resistenze sono impedenza del primo filtro (C1 R1) e impedenza del secondo filtro (R2 C2).

Poiché è presente un condensatore collegato in serie o in configurazione parallela, la formula dell'impedenza sarà: -

Z è il simbolo dell'impedenza, R è la resistenza e Xc sta per la reattanza capacitiva del condensatore.

Usando la stessa formula possiamo calcolare l'impedenza del primo stadio.

Nel caso del secondo stadio, la formula è la stessa del calcolo del resistore equivalente in parallelo,

Z è l'impedenza, R è la Resistenza, X è il condensatore

L'impedenza finale del circuito può essere calcolata utilizzando questa formula: -

Possiamo calcolare un esempio pratico e vedere l'output in questo caso.

Se calcoliamo il valore e vediamo il risultato vedremo che la tensione di uscita sarà 1/3 della tensione di ingresso.

Se colleghiamo l'uscita del filtro RC a due stadi a un pin di ingresso dell'amplificatore non invertente o al pin + Vin e regoliamo il guadagno per recuperare la perdita, l'uscita produrrà un'onda sinusoidale. Questa è l'oscillazione del ponte di Vienna e il circuito è il circuito dell'oscillatore a ponte Wein.

Funzionamento e costruzione dell'oscillatore a ponte Wein:

Nell'immagine sopra, il filtro RC è collegato attraverso un amplificatore operazionale che si trova in una configurazione non invertente. R1 e R2 sono resistori a valore fisso mentre C1 e C2 sono un condensatore di trim variabile. Variando il valore di questi due condensatori contemporaneamente potremmo ottenere una corretta oscillazione da un range inferiore a un range superiore. È molto utile se vogliamo utilizzare l'oscillatore a ponte Wein per produrre un'onda sinusoidale a frequenza diversa da una gamma inferiore a quella superiore. E R3 e R4 sono usati per il guadagno di feedback dell'amplificatore operazionale. Il guadagno di uscita o l'amplificazione è altamente affidabile su queste due combinazioni di valori. Poiché i due stadi RC abbassano la tensione di uscita a 1/3, è essenziale ripristinarla. È anche una scelta più saggia ottenere un guadagno almeno 3x o più di 3x (4x preferito).

Possiamo calcolare il guadagno usando la relazione 1+ (R4 / R3).

Se vediamo di nuovo l'immagine possiamo vedere che il percorso di feedback dell'amplificatore operazionale dall'uscita è direttamente collegato allo stadio di ingresso del filtro RC. Poiché il filtro RC a due stadi ha una proprietà di sfasamento di 0 gradi nella regione della frequenza di risonanza e direttamente collegato al feedback positivo dell'amplificatore operazionale, supponiamo che sia xV + e nel feedback negativo sia applicata la stessa tensione che è xV- con la stessa fase di 0 gradi, l'amplificatore operazionale differenzia i due ingressi ed esclude il segnale di feedback negativo e per questo continua mentre l'uscita collegata agli stadi RC l'amplificatore operazionale inizia a oscillare.

Se usiamo una velocità di risposta più alta, amplificatore operazionale a frequenza più alta, la frequenza di uscita può essere massimizzata di un ampio valore.

Pochi amplificatori operazionali ad alta frequenza sono in questo segmento

Inoltre dobbiamo ricordare come nel precedente tutorial sull'oscillatore RC abbiamo discusso dell'effetto di caricamento, dovremmo scegliere l'amplificatore operazionale con un'alta impedenza di ingresso più del filtro RC per ridurre l'effetto di carico e garantire corretta oscillazione stabile.

• LM318A
• LT1192
• MAX477
• LT1226
• OPA838
• THS3491 che è un amplificatore operazionale high seed da 900 mHz!
• LTC6409 che è un amplificatore operazionale differenziale GBW da 10 Ghz. Per non parlare di questo richiede circuiti aggiuntivi speciali e tattiche di progettazione RF eccezionalmente buone per ottenere anche questa uscita ad alta frequenza.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 Amplificatore operazionale di livello industriale.

Esempio pratico di oscillatore a ponte Wein:

Calcoliamo un valore di esempio pratico scegliendo il valore del resistore e del condensatore.

In questa immagine, per l'oscillatore RC viene utilizzata una resistenza da 4.7k sia per R1 che per R2. E un condensatore trimmer utilizzato che ha due poli contiene 1-100nF per capacità di trimming C1 e C2. Consente di calcolare la frequenza di oscillazione per 1nF, 50nF e 100nF. Inoltre calcoleremo il guadagno dell'amplificatore operazionale come R3 selezionato come 100k e R4 selezionato come 300k.

Poiché il calcolo della frequenza è facile con la formula di

Fhz = 1 / 2πRC

Per il valore di C è 1nF e per il resistore è 4.7k la frequenza sarà

Fhz = 33.849 Hz o 33,85 KHz

Per il valore di C è 50nF e per il resistore è 4.7k la frequenza sarà

Fhz = 677Hz

Per il valore di C è 100nF e per il resistore è 4.7k la frequenza sarà

Fhz = 339Hz

Quindi la frequenza più alta che possiamo ottenere usando 1nF che è 33,85 Khz e la frequenza più bassa che possiamo ottenere usando 100nF è 339Hz.

Il guadagno dell'amplificatore operazionale è 1+ (R4 / R3)

R4 = 300k

R3 = 100k

Quindi il guadagno = 1+ (300k + 100k) = 4x

L'amplificatore operazionale produrrà un guadagno 4x dell'ingresso attraverso il pin "positivo" non invertito.

Quindi, usando questo modo possiamo produrre oscillatore a ponte Wein con larghezza di banda variabile.

Applicazioni:

Oscillatore a ponte Wein utilizzato in un ampio livello di applicazioni nel campo dell'elettronica, dalla ricerca del valore esatto del condensatore, per la generazione di circuiti relativi all'oscillatore stabile di fase 0 gradi, a causa del basso livello di rumore è anche una scelta più saggia per vari livelli di qualità audio applicazioni dove è richiesta un'oscillazione continua.