Mạch dao động cầu wien : Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ tìm hiểu về Mạch dao động cầu wien được phát triển bởi nhà vật lý người Đức Max Wien . Ban đầu nó được phát triển để tính toán điện dung trong đó điện trở và tần số đã biết. Trước khi đi sâu vào thảo luận sâu hơn về thực sự Bộ tạo dao động cầu Wein là gì và nó được sử dụng như thế nào, chúng ta hãy xem Bộ tạo dao động là gì và Bộ tạo dao động cầu Wein là gì.
Mạch dao động cầu wien:
Như trong phần hướng dẫn trước của Bộ tạo dao động RC, cần có một điện trở và tụ điện để tạo ra sự dịch pha và Nếu chúng ta kết nối bộ khuếch đại theo thông số kỹ thuật đảo và kết nối bộ khuếch đại và mạch RC với kết nối phản hồi, đầu ra của bộ khuếch đại bắt đầu tạo ra dạng sóng hình sin bằng dao động.
Trong bộ tạo dao động cầu Wien, hai mạch RC được sử dụng trên một bộ khuếch đại và tạo ra một mạch dao động.
Nhưng tại sao chúng ta nên chọn bộ tạo dao động cầu Wien ?
Vì những điểm sau, bộ dao động cầu Wien là một lựa chọn khôn ngoan hơn để tạo ra sóng hình sin.
- Nó ổn định.
- Độ méo hoặc THD (Tổng méo hài) nằm trong giới hạn có thể kiểm soát được.
- Chúng ta có thể thay đổi tần số rất hiệu quả.
Như đã nói trước đó, bộ tạo dao động Wein Bridge có hai mạch RC giai đoạn . Điều đó có nghĩa là nó bao gồm hai tụ điện không phân cực và hai điện trở trong một bộ lọc thông cao và thông thấp . Một điện trở và một tụ điện mắc nối tiếp, mặt khác một tụ điện và một điện trở mắc song song. Nếu chúng ta xây dựng mạch, sơ đồ sẽ giống như sau: –
Như đã thấy rõ có hai tụ điện và hai điện trở được sử dụng. Cả hai tầng RC hoạt động như bộ lọc Thông cao và Thông thấp được kết nối với nhau, là sản phẩm của bộ lọc thông dải tích lũy sự phụ thuộc tần số của hai tầng thứ tự. Điện trở R1 và R2 giống nhau và điện dung C1 và C2 cũng vậy.
Độ lợi đầu ra và dịch pha trong mạch dao động cầu wien :
Những gì xảy ra bên trong mạch RC trong hình trên là rất thú vị.
Khi tần số thấp được áp dụng, điện kháng của tụ điện đầu tiên (C1) đủ cao và chặn tín hiệu đầu vào và chống lại mạch để tạo ra đầu ra 0, mặt khác, Điều tương tự xảy ra theo một cách khác đối với tụ điện thứ hai (C2) đó là kết nối trong điều kiện song song. Điện kháng C2 trở nên quá thấp và bỏ qua tín hiệu và lại tạo ra 0 đầu ra.
Nhưng trong trường hợp tần số trung bình khi điện kháng C1 không cao và điện kháng C2 không thấp, nó sẽ cho đầu ra qua điểm C2. Tần số này được gọi là Tần số cộng hưởng .
Nếu chúng ta nhìn sâu vào bên trong mạch, chúng ta sẽ thấy rằng điện trở của mạch và cảm kháng của mạch bằng nhau nếu đạt được tần số cộng hưởng.
Vì vậy, có hai quy tắc được áp dụng trong trường hợp này khi mạch được cung cấp bởi tần số cộng hưởng qua Đầu vào.
A. Độ lệch pha của đầu vào và đầu ra bằng 0 độ.
B. Khi nó ở 0 độ, đầu ra sẽ là cực đại. Nhưng bao nhiêu?
Nếu chúng ta nhìn thấy đầu ra của mạch, chúng ta sẽ hiểu những điểm đó.
Đầu ra chính xác như đường cong giống như hình ảnh hiển thị. Ở Tần số thấp từ 1Hz, đầu ra nhỏ hơn hoặc gần như bằng 0 và tăng theo tần số ở đầu vào lên đến tần số cộng hưởng, và khi đạt đến tần số cộng hưởng, đầu ra ở điểm cực đại và liên tục giảm khi tần số tăng và lặp lại nó tạo ra đầu ra 0 ở tần số cao. Vì vậy, rõ ràng là nó đang vượt qua một dải tần số nhất định và tạo ra đầu ra. Đó là lý do tại sao trước đây nó được mô tả là bộ lọc thông qua dải tần (Frequency Band) có thể phụ thuộc tần số. Nếu chúng ta quan sát kỹ sự dịch chuyển pha của đầu ra, chúng ta sẽ thấy rõ ràng biên độ pha 0 độ trên đầu ra ở tần số cộng hưởng thích hợp.
Trong đường cong đầu ra của pha này, pha chính xác là 0 độ ở tần số Cộng hưởng và nó được bắt đầu từ 90 độ đến giảm ở 0 độ khi tần số đầu vào tăng lên cho đến khi đạt được tần số cộng hưởng và sau đó pha tiếp tục giảm ở điểm cuối của – 90 độ. Có hai thuật ngữ được sử dụng trong cả hai trường hợp, Nếu pha là tích cực, nó được gọi là Pha trước và trong trường hợp tiêu cực, nó được gọi là Độ trễ pha.
Tần số cộng hưởng và đầu ra điện áp:
Nếu ta coi rằng R1 = R2 = R hoặc sử dụng cùng một điện trở và để chọn tụ điện C1 = C2 = C thì sử dụng cùng một giá trị điện dung thì tần số cộng hưởng sẽ là
Fhz = 1 / 2πRCR là viết tắt của Điện trở và C là viết tắt của tụ điện hoặc điện dung, và Fhz nếu tần số cộng hưởng.
Nếu chúng ta muốn tính toán Vout của mạch RC, chúng ta nên xem mạch theo một cách khác.
Mạch RC này hoạt động với Đầu vào tín hiệu AC . Tính toán điện trở mạch trong trường hợp AC chứ không phải tính toán điện trở mạch trong trường hợp DC hơi khó.
Mạch RC tạo ra trở kháng đóng vai trò là điện trở trên tín hiệu AC được áp dụng. Một bộ phân áp có hai điện trở, trong các giai đoạn RC này, hai điện trở là trở kháng của bộ lọc thứ nhất (C1 R1) và trở kháng của bộ lọc thứ hai (R2 C2).
Vì có một tụ điện được kết nối nối tiếp hoặc trong cấu hình song song thì công thức trở kháng sẽ là: –
Z là ký hiệu của trở kháng, R là cảm kháng và Xc là viết tắt của điện dung kháng của tụ điện.
Bằng cách sử dụng cùng một công thức, chúng ta có thể tính toán trở kháng giai đoạn đầu tiên.
Trong trường hợp của giai đoạn thứ hai , công thức giống như tính toán điện trở tương đương song song,
Z là trở kháng,
R là Kháng cự,
X là tụ điện
Trở kháng cuối cùng của mạch có thể được tính bằng công thức sau: –
Chúng ta có thể tính toán một ví dụ thực tế và xem kết quả trong trường hợp đó.
Nếu chúng ta tính toán giá trị và xem kết quả, chúng ta sẽ thấy rằng điện áp đầu ra sẽ bằng 1/3 điện áp đầu vào.
Nếu chúng ta kết nối hai đầu ra của bộ lọc RC vào một chân đầu vào của bộ khuếch đại không đảo hoặc chân + Vin, và điều chỉnh độ lợi để phục hồi tổn thất, đầu ra sẽ tạo ra một sóng hình sin. Đó là dao động cầu Wien và mạch điện là mạch Dao động cầu Wein.
Làm việc và xây dựng bộ dao động cầu Wein:
Trong hình ảnh trên, bộ lọc RC được kết nối qua một op-amp có cấu hình không đảo . R1 và R2 là điện trở có giá trị cố định trong khi C1 và C2 là tụ điện biến đổi. Bằng cách thay đổi giá trị của hai tụ điện đó cùng một lúc, chúng ta có thể nhận được dao động thích hợp từ phạm vi thấp hơn đến phạm vi cao hơn. Nó rất hữu ích nếu chúng ta muốn sử dụng bộ dao động cầu Wein để tạo ra sóng hình sin ở tần số khác nhau từ dải thấp hơn đến dải trên. Và R3 và R4 được sử dụng cho độ lợi phản hồi op-amp. Độ lợi đầu ra hoặc độ khuếch đại phụ thuộc nhiều vào sự kết hợp hai giá trị đó. Khi hai giai đoạn RC giảm điện áp đầu ra ở 1/3, điều cần thiết là phải khôi phục lại. Đó cũng là một lựa chọn khôn ngoan hơn để đạt được ít nhất 3x hoặc nhiều hơn 3x (ưu tiên 4x).
Chúng ta có thể tính toán độ lợi bằng cách sử dụng quan hệ 1+ (R4 / R3).
Nếu chúng ta xem lại hình ảnh, chúng ta có thể thấy rằng đường phản hồi của bộ khuếch đại thuật toán từ đầu ra được kết nối trực tiếp với tầng đầu vào của bộ lọc RC. Vì bộ lọc RC hai giai đoạn có đặc tính lệch pha 0 độ trong vùng tần số cộng hưởng và được kết nối trực tiếp với phản hồi tích cực op-amp, hãy giả sử nó là xV + và trong phản hồi âm, cùng một điện áp được áp dụng là xV- với cùng một Pha 0 độ, op-amp phân biệt hai đầu vào và loại trừ tín hiệu phản hồi tiêu cực và do đó tiếp tục khi đầu ra được kết nối qua các giai đoạn RC, op-amp bắt đầu dao động.
Nếu chúng ta sử dụng tốc độ quay cao hơn, op-amp tần số cao hơn thì tần số đầu ra có thể được tối đa hóa một lượng lớn.
Rất ít op-amp tần số cao nằm trong phân đoạn này
Ngoài ra chúng ta cần nhớ như trong phần hướng dẫn tạo dao động RC trước đây chúng ta đã thảo luận về hiệu ứng tải, chúng ta nên chọn op-amp có trở kháng đầu vào cao hơn bộ lọc RC để giảm hiệu ứng tải và đảm bảo dao động ổn định thích hợp.
- LM318A
- LT1192
- MAX477
- LT1226
- OPA838
- THS3491 là 900 mHz Op-amp hạt giống cao!
- LTC6409 là op-amp vi sai 10 Ghz GBW. Chưa kể điều này đòi hỏi phải bổ sung đặc biệt về mạch và chiến thuật thiết kế RF đặc biệt tốt để đạt được đầu ra Tần số cao này.
- LTC160
- OPA365
- TSH22 Op-amp cấp công nghiệp.
Ví dụ thực tế của Wein Bridge Oscillator:
Hãy tính toán một giá trị ví dụ thực tế bằng cách chọn giá trị Điện trở và tụ điện.
Trong hình ảnh này, đối với bộ dao động RC, một điện trở 4,7k được sử dụng cho cả R1 và R2 . Và một tụ điện tông đơ được sử dụng có hai cực chứa 1-100nF cho khả năng cắt C1 và C2 . Hãy tính tần số của dao động cho 1nF, 50nF và 100nF. Ngoài ra, chúng tôi sẽ tính toán mức tăng của op-amp khi R3 được chọn là 100k và R4 được chọn là 300k .
Vì việc tính toán tần suất rất dễ dàng bằng công thức
Fhz = 1 / 2πRCVới giá trị của C là 1nF và đối với điện trở là 4,7k thì Tần số sẽ là
Fhz = 33,849 Hz hoặc 33,85 KHz
Với giá trị của C là 50nF và đối với điện trở là 4,7k thì Tần số sẽ là
Fhz = 677Hz
Với giá trị của C là 100nF và đối với điện trở là 4,7k thì Tần số sẽ là
Fhz = 339Hz
Vì vậy, Tần số cao nhất chúng ta có thể đạt được khi sử dụng 1nF là 33,85 Khz và tần số thấp nhất mà chúng ta có thể đạt được khi sử dụng 100nF là 339Hz.
Độ lợi của op-amp là 1+ (R4 / R3)
R4 = 300k
R3 = 100k
Vì vậy, Lợi nhuận = 1+ (300k + 100k) = 4x
Op-amp sẽ tạo ra tăng gấp 4 lần đầu vào qua chân “dương” không đảo .
Vì vậy, bằng cách sử dụng cách này, chúng tôi có thể tạo ra băng thông tần số thay đổi Wein Bridge Oscillator.
Các ứng dụng:
Bộ tạo dao động cầu Wein được sử dụng trong nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện tử, từ việc tìm giá trị chính xác của tụ điện, Để tạo ra mạch dao động ổn định pha 0 độ, do mức độ nhiễu thấp, nó cũng là một lựa chọn khôn ngoan hơn cho các cấp độ Âm thanh khác nhau các ứng dụng cần dao động liên tục.
