Dao động dịch pha Rc

Oscillator là gì?

Bộ tạo dao động là một cấu trúc cơ học hoặc điện tử tạo ra dao động phụ thuộc vào một vài biến số. Tất cả chúng ta đều có các thiết bị cần bộ tạo dao động, đồng hồ truyền thống mà chúng ta đều có trong nhà như đồng hồ treo tường hoặc đồng hồ đeo tay, các loại máy dò kim loại, máy tính có liên quan đến vi điều khiển và vi xử lý đều sử dụng bộ dao động, đặc biệt là bộ dao động điện tử tạo ra tín hiệu tuần hoàn.

Bộ dao động RC và Pha:

Khi chúng ta thảo luận về bộ tạo dao động RC, và vì nó còn được gọi là bộ dao động dịch pha, chúng ta cần hiểu rõ về pha là gì. Xem hình ảnh này: -

Nếu chúng ta nhìn thấy sóng hình sin ở trên như thế này, chúng ta sẽ thấy rõ ràng rằng điểm bắt đầu của tín hiệu là 0 độ cùng pha, và sau đó mọi điểm đỉnh của tín hiệu từ dương đến 0 rồi lại điểm âm rồi lại lần lượt là 0 tương ứng là 90 độ, 180 độ, 270 độ và 360 độ ở vị trí pha.

Pha là một chu kỳ đầy đủ của sóng hình sin trong tham chiếu 360 độ.

Bây giờ không có sự chậm trễ hơn nữa, chúng ta hãy xem dịch chuyển pha là gì?

Nếu chúng ta dịch chuyển điểm bắt đầu của sóng hình sin khác 0 độ thì pha sẽ bị dịch chuyển. Chúng ta sẽ hiểu sự chuyển pha trong hình ảnh tiếp theo.

Trong hình ảnh này, có hai sóng tín hiệu hình sin xoay chiều được trình bày, sóng hình sin màu xanh lục đầu tiên có pha 360 độ nhưng sóng màu đỏ là bản sao của tín hiệu đọc đầu tiên lệch 90 độ so với pha của tín hiệu màu xanh lá cây.

Sử dụng bộ dao động RC chúng ta có thể thay đổi pha của tín hiệu hình sin.

Dịch chuyển pha sử dụng Mạch dao động RC:

RC là viết tắt của Điện trở và Tụ điện. Chúng ta có thể đơn giản hình thành một mạng điện trở-tụ điện dịch pha chỉ sử dụng một điện trở và một tụ điện.

Như đã thấy trong hướng dẫn bộ lọc thông cao, mạch tương tự áp dụng ở đây. Một bộ dao động dịch pha RC điển hình có thể được tạo ra bởi một tụ điện mắc nối tiếp cùng với một điện trở mắc song song.

Đây là một mạng chuyển pha một cực; mạch giống như Bộ lọc thông cao thụ động. Về mặt lý thuyết nếu chúng ta áp dụng một tín hiệu trong pha trên mạng RC này, pha đầu ra sẽ bị dịch chuyển chính xác 90 độ. Nhưng nếu chúng ta thử nó trong thực tế và kiểm tra độ lệch pha, thì chúng ta đạt được độ lệch pha từ 60 độ đến dưới 90 độ. Nó phụ thuộc vào tần số và dung sai các thành phần tạo ra hiệu ứng bất lợi trong thực tế. Như chúng ta đều biết không có gì là hoàn hảo, nên có một số khác biệt so với giá trị thực tế được gọi là hoặc giá trị mong đợi hơn thực tế. Nhiệt độ và các yếu tố bên ngoài khác tạo ra khó khăn để đạt được độ lệch pha chính xác 90 độ, nói chung là 45 độ, 60 độ là phổ biến tùy thuộc vào các tần số và đạt được 90 độ là một công việc rất khó khăn trong nhiều trường hợp.

Như đã thảo luận trong hướng dẫn vượt qua cao, chúng tôi sẽ xây dựng cùng một mạch và sẽ điều tra về sự dịch chuyển pha của cùng một mạch.

Mạch của bộ lọc High Pass đó cùng với các giá trị thành phần có trong hình dưới đây: -

Đây là ví dụ chúng tôi đã sử dụng trong các bài hướng dẫn bộ lọc thông cao thụ động trước đây. Nó sẽ tạo ra 4,9 KHz băng thông. Nếu chúng ta kiểm tra tần số góc, chúng ta sẽ xác định được góc pha ở đầu ra của Bộ tạo dao động.

Bây giờ chúng ta có thể thấy sự dịch chuyển pha được bắt đầu từ 90 độ, đó là độ dịch pha lớn nhất của mạng dao động RC nhưng tại điểm của tần số góc, độ lệch pha là 45 độ.

Bây giờ xem xét thực tế là dịch pha là 90 độ hoặc nếu chúng ta chọn cấu trúc mạch dao động như một cách đặc biệt sẽ tạo ra dịch pha 90 độ thì mạch sẽ mất khả năng miễn nhiễm trong phạm vi biên giới do hệ số ổn định tần số kém. Như chúng ta có thể tưởng tượng ở điểm 90 độ, nơi mà đường cong vừa bắt đầu như từ 10Hz hoặc Thấp hơn đến 100Hz gần như bằng phẳng. Điều đó có nghĩa là nếu tần số của bộ dao động thay đổi một chút do dung sai của các thành phần, Nhiệt độ, các trường hợp không thể tránh khỏi khác, thì độ lệch pha sẽ không thay đổi. Đó không phải là một lựa chọn tốt. Vì vậy, chúng tôi coi 60 độ hoặc 45 độ là độ lệch pha chấp nhận được cho bộ dao động mạng RC một cực. Tần số ổn định sẽ được cải thiện.

Xếp tầng nhiều bộ lọc RC:

Cascade ba bộ lọc RC:

Bằng cách xem xét thực tế này rằng chúng ta không thể đạt được chỉ đạt được độ lệch pha 60 độ thay vì 90 độ, chúng ta có thể phân tầng ba bộ lọc RC (Nếu dịch pha là 60 độ bởi bộ dao động RC) hoặc bằng cách xếp tầng bốn bộ lọc nối tiếp (Nếu dịch pha là 45 độ bởi mỗi bộ dao động RC) và nhận được 180 độ.

Trong hình ảnh này, ba bộ dao động RC xếp tầng và mỗi lần dịch pha 60 độ được thêm vào và cuối cùng sau giai đoạn thứ ba, chúng ta sẽ nhận được dịch pha 180 độ.

Chúng ta sẽ xây dựng mạch này trong phần mềm mô phỏng và xem dạng sóng đầu vào và đầu ra của mạch.

Trước khi xem video, chúng ta hãy xem hình ảnh của mạch và sẽ thấy kết nối của máy hiện sóng.

Trong hình trên, chúng tôi sử dụng tụ điện 100pF và giá trị điện trở 330k. Máy hiện sóng được kết nối qua VSIN đầu vào (kênh A / Vàng), qua đầu ra cực thứ nhất (kênh B / Xanh lam), đầu ra cực ^{thứ 2}

(kênh C / Đỏ) và đầu ra cuối cùng qua cực thứ ba (kênh D / Xanh lục).

Chúng ta sẽ xem mô phỏng trong Video và sẽ thấy sự thay đổi pha 60 độ trên cực đầu tiên, 120 độ trên cực thứ hai và 180 độ trên cực thứ ba. Ngoài ra biên độ của tín hiệu sẽ giảm thiểu từng bước.

1 ^st cực biên độ> biên độ cực 2nd> biên độ cực thứ 3. Càng về phía cực cuối cùng, sự giảm biên độ của tín hiệu càng giảm.

Bây giờ chúng ta sẽ xem video mô phỏng: -

Nó được chỉ ra rõ ràng rằng mọi cực chủ động thay đổi pha dịch chuyển và ở đầu ra cuối cùng nó được dịch chuyển sang 180 độ.

Cascade bốn bộ lọc RC:

Trong hình ảnh tiếp theo, bốn bộ dao động dịch pha RC được sử dụng với độ lệch pha 45 độ, mỗi bộ tạo ra sự dịch pha 180 độ ở cuối mạng RC.

Bộ dao động dịch chuyển pha RC với bóng bán dẫn:

Đây là tất cả các phần tử thụ động hoặc các thành phần trong bộ dao động RC. Chúng tôi nhận được sự dịch chuyển giai đoạn 180 độ. Nếu chúng ta muốn thực hiện dịch chuyển pha 360 độ thì cần có một thành phần tích cực tạo ra dịch chuyển pha 180 độ bổ sung. Điều này được thực hiện bởi Transistor hoặc Amplifier và cần thêm điện áp cung cấp.

Trong hình ảnh này, một Transistor NPN được sử dụng để tạo ra độ lệch pha 180 độ trong khi C1R1 C2R2 C3R3 sẽ tạo ra độ trễ pha 60 độ. Vì vậy, tích lũy ba dịch chuyển pha 60 + 60 + 60 = 180 độ này được thực hiện, mặt khác thêm 180 độ khác bằng cách tạo ra tổng dịch chuyển pha 360 độ của bóng bán dẫn. Chúng ta sẽ nhận được sự dịch chuyển pha 360 độ trên tụ điện C5. Nếu chúng ta muốn thay đổi tần số theo cách này là thay đổi giá trị của tụ điện hoặc sử dụng tụ điện đặt trước có thể thay đổi trên ba cực đó riêng lẻ bằng cách loại bỏ từng tụ điện cố định.

Một kết nối phản hồi được thực hiện để lấy năng lượng trở lại bộ khuếch đại bằng cách sử dụng mạng RC ba cực đó. Nó cần thiết cho dao động dương ổn định và tạo ra điện áp hình sin. Do

kết nối phản hồi hoặc cấu hình, bộ dao động RC là bộ dao động kiểu phản hồi.

Năm 1921, nhà vật lý người Đức Heinrich Georg Barkhausen đưa ra “tiêu chí Barkhausen” để xác định mối quan hệ giữa các dịch chuyển pha qua vòng phản hồi. Theo tiêu chí, mạch sẽ chỉ dao động nếu độ lệch pha xung quanh vòng phản hồi bằng hoặc bội số của 360 độ và độ lợi của vòng bằng một. Nếu sự chuyển pha chính xác ở tần số mong muốn và vòng phản hồi tạo ra dao động 360 độ thì đầu ra sẽ là sóng hình sin. Bộ lọc RC phục vụ để đạt được mục đích này.

Tần số của Bộ dao động RC:

Chúng ta có thể dễ dàng xác định tần số của dao động bằng phương trình sau: -

Trong đó,

R = Điện trở (Ohms)

C = Điện dung

N = Số lượng mạng RC đang / sẽ được sử dụng

Công thức này được sử dụng cho thiết kế liên quan đến bộ lọc thông cao, chúng ta cũng có thể sử dụng bộ lọc thông thấp và dịch pha sẽ là âm. Trong trường hợp này, công thức trên sẽ không hoạt động để tính tần số của dao động, công thức khác sẽ được áp dụng.

Trong đó,

R = Điện trở (Ohms)

C = Điện dung

N = Số lượng mạng RC đang / sẽ được sử dụng

Bộ dao động dịch chuyển pha RC với Op-amp:

Như chúng ta có thể xây dựng bộ dao động dịch pha RC sử dụng Transistor tức là BJT, cũng có những hạn chế khác với Transistor.

1. Nó ổn định cho các tần số thấp.
2. Chỉ sử dụng duy nhất một BJT, biên độ của sóng Đầu ra không hoàn hảo, cần có mạch bổ sung để ổn định biên độ của dạng sóng.
3. Độ chính xác của tần số không hoàn hảo và không bị nhiễu do nhiễu.
4. Hiệu ứng tải bất lợi. Do sự hình thành tầng, trở kháng đầu vào của cực thứ hai thay đổi các đặc tính điện trở của bộ lọc cực đầu tiên. Càng nhiều bộ lọc xếp tầng thì tình hình càng tồi tệ hơn vì nó sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của tần số dao động dịch pha được tính toán.

Do sự suy giảm trên điện trở và tụ điện, mất qua từng giai đoạn được tăng lên và tổng thiệt hại là khoảng tổn thất toàn bộ 1/29 ^thứ của tín hiệu đầu vào.

Khi suy giảm mạch tại 1/29 ^thứ chúng ta cần phải khôi phục lại sự mất mát.

Đây là lúc để thay đổi BJT bằng Op-amp. Chúng tôi cũng có thể khắc phục bốn nhược điểm đó và có nhiều khoảng trống hơn trong kiểm soát nếu chúng tôi sử dụng op-amp thay vì BJT. Do trở kháng đầu vào cao, hiệu ứng tải cũng được kiểm soát hiệu quả vì trở kháng đầu vào op-amp thúc đẩy hiệu ứng tải tổng thể.

Bây giờ mà không cần sửa đổi thêm, hãy thay đổi BJT bằng một Op-Amp và xem mạch hoặc sơ đồ của bộ dao động RC sử dụng Op-amp sẽ như thế nào.

Như chúng ta thấy, Just BJT được thay thế bằng một op-amp ngược. Vòng lặp Phản hồi được kết nối qua bộ dao động RC cực đầu tiên và cấp nguồn vào chân đầu vào đảo ngược op-amp. Do kết nối phản hồi ngược này, op-amp sẽ tạo ra sự lệch pha 180 độ. Sự thay đổi pha 180 độ bổ sung sẽ được cung cấp bởi ba giai đoạn RC. Chúng tôi sẽ nhận được đầu ra mong muốn của sóng dịch chuyển pha 360 độ qua chân đầu tiên của op-amp có tên là OSC out. R4 được sử dụng để bù khuếch đại của op-amp. Chúng ta có thể tinh chỉnh mạch để có được đầu ra dao động tần số cao nhưng tùy thuộc vào băng thông dải tần của op-amp.

Ngoài ra, để nhận được kết quả mong muốn chúng ta cần phải tính toán mức tăng điện trở R4 để đạt được 29 ^ngày biên độ lần lớn hơn trên op-amp như chúng ta cần phải bù đắp với sự mất mát của 1/29 ^thứ qua giai đoạn RC.

Hãy xem, chúng ta sẽ tạo một mạch với giá trị linh kiện thực và xem đâu sẽ là đầu ra mô phỏng của bộ dao động dịch pha RC.

Chúng tôi sẽ sử dụng điện trở 10k ohms và tụ điện 500pF và xác định tần số của dao động. Chúng tôi cũng sẽ tính toán giá trị của điện trở khuếch đại.

N = 3, vì 3 giai đoạn sẽ được sử dụng.

R = 10000, khi 10k ohms được chuyển đổi thành ohms

C = 500 x 10 ^-12 vì giá trị tụ điện là 500pF

Đầu ra là 12995Hz hoặc giá trị tương đối gần là 13 KHz.

Khi tăng op-amp là cần thiết 29 ^ngày lần so với giá trị của sự tăng điện trở được tính theo công thức sau: -

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

Đây là cách bộ tạo dao động dịch pha được xây dựng bằng cách sử dụng các thành phần RC và Op-amp.

Các ứng dụng của bộ dao động dịch pha RC bao gồm bộ khuếch đại sử dụng biến áp âm thanh và tín hiệu âm thanh vi sai cần thiết nhưng tín hiệu đảo ngược không có sẵn hoặc nếu nguồn tín hiệu AC cần cho bất kỳ ứng dụng nào thì bộ lọc RC được sử dụng. Ngoài ra, bộ tạo tín hiệu hoặc bộ tạo chức năng sử dụng bộ dao động dịch pha RC.