OpAmp Oscillator Circuits

#26: The Wien bridge oscillator (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

OpAmp Oscillator Circuits

Analoge integrerede kredsløb


Spørgsmål 1

Lad ikke bare sidde der! Byg noget !!

At lære at matematisk analysere kredsløb kræver meget undersøgelse og praksis. Normalt praktiserer eleverne ved at arbejde igennem masser af prøveproblemer og kontrollere deres svar mod dem fra lærebogen eller instruktøren. Mens dette er godt, er der en meget bedre måde.

Du vil lære meget mere ved faktisk at opbygge og analysere rigtige kredsløb, så din testudstyr giver svarene "i stedet for en bog eller en anden person. Følg disse trin for succesfulde øvelser i kredsløbsopbygning:

  1. Mål og registrer omhyggeligt alle komponentværdier forud for kredsløbsopbygningen.
  2. Tegn skematisk diagram for kredsløbet, der skal analyseres.
  3. Opbyg forsigtigt dette kredsløb på et brødbræt eller andet passende medium.
  4. Kontroller nøjagtigheden af ​​kredsløbets konstruktion, efter hver ledning til hvert forbindelsessted, og kontroller disse elementer en for en på diagrammet.
  5. Matematisk analysere kredsløbet, løse for alle spændings- og strømværdier.
  6. Mål forsigtigt alle spændinger og strømme for at kontrollere nøjagtigheden af ​​din analyse.
  7. Hvis der er væsentlige fejl (mere end et par procent), skal du kontrollere dit kredsløbs konstruktion grundigt på diagrammet, og genkalder derefter værdierne og genmåles omhyggeligt.

Undgå at bruge model 741 op-amp, medmindre du vil udfordre dine kredsløbsdesign færdigheder. Der er mere alsidige op-amp modeller almindeligt tilgængelige for begynderen. Jeg anbefaler LM324 til DC og lavfrekvente AC-kredsløb, og TL082 til AC-projekter, der involverer lyd eller højere frekvenser.

Som sædvanlig, undgå meget høje og meget lave modstand værdier, for at undgå målefejl forårsaget af meter "loading". Jeg anbefaler modstandsværdier mellem 1 kΩ og 100 kΩ.

En måde du kan spare tid på og reducere muligheden for fejl er at begynde med et meget simpelt kredsløb og trinvis tilføje komponenter for at øge dens kompleksitet efter hver analyse, i stedet for at opbygge et helt nyt kredsløb for hvert øvelsesproblem. En anden tidsbesparende teknik er at genbruge de samme komponenter i en række forskellige kredsløbskonfigurationer. På den måde må du ikke måle en komponents værdi mere end én gang.

Reveal svar Skjul svar

Lad elektronerne selv give dig svarene på dine egne "praksisproblemer"!

Bemærkninger:

Det har været min erfaring, at eleverne kræver meget praksis med kredsløbsanalyse at blive dygtige. Til dette formål giver instruktører normalt deres elever mange øvelsesproblemer til at arbejde igennem og giver svar til, at eleverne tjekker deres arbejde imod. Mens denne tilgang gør eleverne dygtige i kredsløbsteori, undlader det at uddanne dem fuldt ud.

Studerende behøver ikke bare matematisk praksis. De har også brug for rigtige, praktisk praktiske bygningskredsløb og brug af testudstyr. Så jeg foreslår følgende alternative tilgang: eleverne skal bygge deres egne "praksisproblemer" med virkelige komponenter og forsøge at matematisk forudsige forskellige spændings- og aktuelle værdier. På den måde kommer den matematiske teori "levende", og de studerende får praktisk færdighed, de ikke ville vinde ved blot at løse ligninger.

En anden grund til at følge denne fremgangsmåde er at lære eleverne videnskabelig metode : processen med at teste en hypotese (i dette tilfælde matematiske forudsigelser) ved at udføre et rigtigt eksperiment. Studerende vil også udvikle rigtige fejlfindingskompetencer, da de lejlighedsvis laver kredsløbsbyggeri fejl.

Tilbring et par øjeblikke med din klasse for at gennemgå nogle af de "regler" for bygningskredsløb, før de begynder. Diskuter disse spørgsmål med dine elever på samme socratiske måde, som du normalt vil diskutere arbejdsarkets spørgsmål, snarere end blot at fortælle dem, hvad de burde og ikke burde gøre. Jeg ophører aldrig med at blive overrasket over, hvor dårlige eleverne får fat i instruktioner, når de præsenteres i et typisk foredrag (instruktørmonolog) format!

En note til de instruktører, der kan klage over den "spildte" tid, der kræves for at få eleverne til at opbygge virkelige kredsløb i stedet for bare at matematisk analysere teoretiske kredsløb:

Hvad er formålet med eleverne, der tager dit kursus? Panelarkontrolpanelets standardpanel?

Spørgsmål 2

Forklar, hvad Barkhausen-kriteriet er for et oscillatorkredsløb. Hvordan påvirkes oscillatorkredsets ydeevne, hvis Barkhausen-kriteriet falder under 1, eller går meget over 1?

Reveal svar Skjul svar

Jeg vil lade dig bestemme præcis, hvad "Barkhausen" kriteriet er. Hvis dens værdi er mindre end 1, vil oscillatorens udgang falde i amplitude over tid. Hvis dens værdi er større end 1, vil oscillatorens output ikke være sinusformet!

Bemærkninger:

Spørgsmålet om "Hvad er Barkhausen-kriteriet" kunne besvares med en kort sætning, som er ordret ordentligt fra en lærebog. Men det jeg leder efter her er en reel forståelse af emnet. Lad dine elever forklare dig grunden til, at oscillationsamplituden afhænger af denne faktor.

Spørgsmål 3

Hvor mange grader af faseskift skal feedbackkredsløbet (kvadratkassen i denne skematiske) indføre til signalet for at dette omvendte forstærkerkredsløb skal svinge?

Reveal svar Skjul svar

Feedbacknetværket i dette kredsløb skal tilvejebringe 180 grader af faseforskydning for at opretholde oscillationer.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at forklare, hvorfor feedbacknetværket skal give 180 grader af faseskift til signalet. Bed dem om at forklare, hvordan dette krav vedrører behovet for regenerativ feedback i et oscillatorkredsløb.

Spørgsmål 4

Hvor mange grader af faseskift skal feedbackkredsløbet (kvadratkassen i dette skematiske) indføre til signalet for at dette ikke-inverterende forstærkerkredsløb skal svinge "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com /images/quiz/02670x01.png ">

Reveal svar Skjul svar

Feedbacknetværket i dette kredsløb skal tilvejebringe 360 ​​grader af faseskift for at opretholde oscillationer.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at forklare, hvorfor feedbacknetværket skal give 180 grader af faseskift til signalet. Bed dem om at forklare, hvordan dette krav vedrører behovet for regenerativ feedback i et oscillatorkredsløb.

Spørgsmål 5

Dette er et meget almindeligt opamp oscillator kredsløb, teknisk af afslapningstype :

Forklar, hvordan dette kredsløb fungerer, og hvilke bølgeformer der måles i punkt A og B. Sørg for at referere til RC-tidskonstanter i din forklaring.

Reveal svar Skjul svar

Du måler en savtand-lignende bølgeform ved punkt A og en firkantet bølge ved punkt B.

Udfordringsspørgsmålet: Forklar hvordan du kan tænke dig at beregne hyppigheden af ​​et sådant kredsløb baseret på hvad du ved om RC-tidskredsløb. Antag, at opampen kan svinge sin output rail-to-rail, for enkelhed.

Bemærkninger:

Dette kredsløb forstås bedst ved bygning og testning. Hvis du bruger store kondensatorværdier og / eller en storværdemodstand i kondensatorens aktuelle sti, vil oscillationen være langsom nok til at analysere med et voltmeter i stedet for et oscilloskop.

Spørgsmål 6

En variation på den fælles opamp afslapning oscillator design er dette, som giver det variable duty cyklus kapacitet:

Forklar hvordan dette kredsløb fungerer, og hvilken retning potentiometerens visker skal flyttes for at øge arbejdscyklussen (mere tid brugt med opamp-udgangen mættet ved + V og mindre tid mættet ved -V).

Reveal svar Skjul svar

Flyt viskeren op for at øge arbejdscyklussen.

Bemærkninger:

Dette kredsløb forstås bedst ved bygning og testning. Hvis du bruger store kondensatorværdier og / eller en storværdemodstand i kondensatorens aktuelle sti, vil oscillationen være langsom nok til at analysere med et voltmeter i stedet for et oscilloskop.

I øvrigt er Schottky-dioderne ikke afgørende for dette kredsløbs operation, medmindre den forventede frekvens er meget høj. Virkelig, formålet med Schottky-dioderne med deres lave spændingsfald (0, 4 volt typiske) og minimal ladestyring er at gøre opampens arbejde nemmere ved enhver omgang af udgangspolariteten. Husk at dette kredsløb ikke udnytter negativ feedback! I det væsentlige er det et positivt tilbagekoblingskredsløb, og hvert spændingsfald og ikke-linearitet i kondensatorens aktuelle vej vil have en effekt på kondensator opladning / afladning.

Spørgsmål 7

Dual- eller split-strømforsyninger er meget nyttige i opamp-kredsløb, fordi de tillader udgangsspændingen at stige over såvel som synke under jordpotentialet, for ægte AC-drift. I nogle applikationer kan det dog ikke være praktisk eller overkommeligt at have en dobbelt strømforsyning til at drive din opamp-kredsløb. I dette tilfælde skal du kunne finde ud af, hvordan du tilpasser dit dobbeltforsyningskredsløb til enkeltforsyning.

Et godt eksempel på en sådan udfordring er den velkendte opamp afslapningsoscillator, vist her:

Først afgøre, hvad der ville ske, hvis vi blot skulle eliminere den negative del af den dobbelte strømforsyning og forsøge at køre kredsløbet på en enkelt forsyning (kun V og Ground):

Derefter skal du ændre skematisk, så kredsløbet vil køre så godt som det gjorde før med dobbeltforsyningen.

Reveal svar Skjul svar

Her er en løsning:

Her er en anden løsning:

Opfølgningsspørgsmål: Nu ved du bare, hvad jeg skal spørge næste, skal du ikke "notere skjult"> Noter:

Dual strømforsyninger er en luksus i mange virkelige forhold, så dine elever skal kunne finde ud af, hvordan man laver opamps arbejde i enkeltforsyningsprogrammer! Arbejd med dine elever for at analysere funktionen af ​​det foreslåede løsningskredsløb, for at se, hvordan det er på samme måde, og forskelligt fra dets enklere, dobbeltforsyning forbliver.

Spørgsmål 8

Identificer hvilken type oscillator kredsløb dette er, og skriv en ligning, der beskriver dens driftsfrekvens:

Reveal svar Skjul svar

Dette er en Wien bridge opamp oscillator, og dens driftsfrekvens bestemmes på samme måde som en diskret transistor Wien bro oscillator kredsløb:

f = 1


2 πR C

Opfølgningsspørgsmål: Baseret på din analyse af kredsløbet, hvor meget faseforskydning indfører Wien-brokredsen i tilbagemeldingssignalet "noter gemt"> Noter:

I modsætning til nogle diskrete transistoroscillatorkredse er denne Wien-bro en komplet og fuld Wien-bro, og ikke en "halvbro". For et eksempel på et Wien- halv- kredsløbskreds, se på dette (Wien-brokomponenterne vist i en anden farve):

Spørgsmål 9

Forklar tanken til tankkredsløbet (L 1 og C 1 ) i det følgende oscillatorkredsløb og skriv en ligning, der beskriver driftsfrekvensen:

Reveal svar Skjul svar

f = 1


2 π


L 1 C 1

Opfølgningsspørgsmål: Hvad antager du, at potentiometerets formål er i dette oscillatorkredsløb "noter skjult"> Noter:

Bed dine elever om at beskrive mængden af ​​faseforskydning, som tankkredsløbet giver feedbacksignalet. Bed dem også om at forklare, hvordan oscillatorkredsets naturlige frekvens kan ændres.

Bemærk: Justering af potentiometer (spændingsforstærkning) er afgørende for at opnå en god kvalitet sinusbølge fra denne type kredsløb. Hvis dine elever beslutter sig for at bygge en, skal de være opmærksomme på, at nogle eksperimenter vil være nødvendige for at få det til at producere god kvalitet sinesbølger!

Spørgsmål 10

Dette Wien-brooscillatorkredsløb er meget følsomt for ændringer i gevinsten. Bemærk, hvordan det potentiometer, der anvendes i dette kredsløb, er "trimmer" sorten, justerbar med en skruetrækker i stedet for ved hjælp af en knap eller anden håndkontrol:

Årsagen til dette valg i potentiometre er at gøre uheldige ændringer i kredsløbsgevinst mindre sandsynlige. Hvis du opbygger dette kredsløb, vil du se, at små ændringer i dette potentiometers indstilling gør en enorm forskel i kvaliteten af ​​output sinusbølge. Lidt for meget gevinst, og sinusbølgen bliver mærkbart forvrænget. For lidt gevinst, og kredsløbet stopper helt og holdent!

Det er klart, at det ikke er godt at have en sådan følsomhed overfor mindre ændringer i ethvert praktisk kredsløb, der forventes at udføre pålideligt dag efter dag. En løsning på dette problem er at tilføje et begrænsende netværk til kredsløbet bestående af to dioder og to modstande:

Med dette netværk på plads kan kredsløbshastigheden justeres godt over tærsklen for oscillation (Barkhausen-kriterium) uden at udvise for stor forvrængning, som den ville have uden det begrænsende netværk. Forklar hvorfor det begrænsende netværk gør det muligt.

Reveal svar Skjul svar

Det begrænsende netværk dæmper kredsløbsforstæringen, da spændingsspændingen begynder at overstige 0, 7 volt. Denne dæmpning hjælper med at forhindre opamp fra at klippe.

Opfølgningsspørgsmål: Hvilken effekt har dette "begrænsende netværk" på renheden af ​​oscillatorens udgangssignal spektrum "noter skjult"> Noter:

Dette kredsløb er vigtigt for eleverne at støde på, da det afslører en meget praktisk begrænsning af "lærebog" -versionen af ​​Wien-broens oscillatorkredsløb. Det er ikke nok, at et kredsløbsdesign arbejder under ideelle forhold - et praktisk kredsløb skal kunne tolerere en vis variation i komponentværdier, ellers vil den ikke fungere pålideligt.

Spørgsmål 11

Dette interessante opamp-kredsløb producerer ægte trefasede sinusformede spændingsbølgeformer, hvoraf tre af dem skal være nøjagtige:

Med alle modstande og kondensatorer har du måske gættet at dette er en faseforskydningstype oscillator kredsløb, og du ville være korrekt. Her tilvejebringer hvert parallelt RC-netværk 60 grader af forsinket faseforskydning for at kombinere med 180 grader af faseskift iboende til inverterende forstærkerkonfigurationer, hvilket giver 120 grader skift per opamp-fase.

Afled en formelløsning for driftsfrekvensen af ​​dette oscillatorkredsløb ved at vide, at impedansen af ​​hvert parallelle RC-netværk vil have en fasevinkel på -60 o . Også bestemme hvor i dette kredsløb du ville opnå de tre lovede sinusbølger.

Reveal svar Skjul svar

f = √3


2 πR C

Jeg giver dig et tip om, hvordan du løser dette problem: Adgangstrekanten for det parallelle RC-netværk vil have vinkler på 60 o, 30 o og selvfølgelig 90 o :

Bemærkninger:

I modsætning til de flerfasede RC-faseforskydningsnetværk er vi vant til at se i diskrete transistor faseforskydningsoscillatorkredsløb, faseskiftningsnetværkene i dette oscillatorkredsløb er meget "renere", som effektivt isoleres fra hinanden ved den nuværende forstærkning af hver opamp . Her giver hvert RC-netværk præcis samme mængde faseskift, og den lastes ikke af RC-netværket efter det. Dette gør matematikken pæn og nem (relativt), og en god anmeldelse af trigonometri!

Dette kredsløb kom fra siderne i en af ​​mine foretrukne opampbøger, Application Manual for Computing Amplifiers til modellering, måling, manipulation og meget andet . Udgivet af Philbrick Researches Inc. i 1966, er det en vidunderlig skrevet rundvisning af "moderne" operationelle forstærker applikationer og teknikker. Jeg ønsker kun (virkelig) moderne tekster blev skrevet såvel som denne fantastiske hæfte!

Spørgsmål 12

Foregive, hvordan driften af ​​dette afslapningsoscillator kredsløb vil blive påvirket som følge af de følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Modstand R 1 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 1 :
Kondensator C 1 fejler ikke kort:
Loddebro (kort) over modstand R 2 :
Modstand R 3 fejler åben:

For hver af disse betingelser, forklar hvorfor de resulterende virkninger vil forekomme.

Reveal svar Skjul svar

Modstand R 1 fejler åben: Opamp output mætter enten positiv eller negativ.
Loddebro (kort) over modstand R 1 : Udgangsspændingen afregner til 0 volt.
Kondensator C 1 fejler ikke kort: Opamp output mætter enten positiv eller negativ.
Loddebro (kort) over modstand R 2 : Udgangsspændingen afregner til 0 volt.
Modstand R 3 fejler åben: Udgangsspændingen afregnes til 0 volt.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at nærme sig domænet for kredsløbsfejlfinding ud fra et perspektiv om at vide, hvad fejlen er, snarere end kun at vide, hvad symptomerne er. Selvom dette ikke nødvendigvis er et realistisk perspektiv, hjælper det eleverne med at opbygge den grundlæggende viden, der er nødvendig for at diagnosticere et fejlet kredsløb fra empiriske data. Spørgsmål som dette skal følges (til sidst) af andre spørgsmål, der beder eleverne om at identificere sandsynlige fejl baseret på målinger.

Spørgsmål 13

Identificer mindst to forskellige komponentfejl, der ville resultere i en ændring i driftscyklus for dette oscillatorkredsløb:

Reveal svar Skjul svar

En kortslutning i en af ​​de to dioder vil medføre, at arbejdscyklussen ændres.

Opfølgningsspørgsmål: Hvad ville der ske, hvis en af ​​disse to dioder fejrede åbne "noter skjult"> Noter:

Bed dine elever om at forklare, hvorfor arbejdscyklusen ville ændre sig som følge af, at enten diode mangler kortsluttet. Dette er en god mulighed for yderligere at undersøge driften af ​​dette oscillatorkredsløb.

Spørgsmål 14

Antag, at denne LC-oscillator ikke længere fungerer, og du har mistænkt, at kondensatoren eller induktoren har mislykkedes. Hvordan kunne du tjekke disse to komponenter uden brug af en LCR-måler?

Reveal svar Skjul svar

Prøv at bruge et ohmmeter på hver komponent, fjernet fra kredsløbet. Kondensatoren skal læse "åben" og induktoren skal læse en lav modstand, hvis begge er i god stand.

Opfølgningsspørgsmål: Er en ohmmeter test omfattende nok til at registrere alle mulige fejl med disse to typer af komponenter "noter skjult"> Noter:

At vide, hvordan man kontrollerer tilstanden af ​​komponenter med primitivt testudstyr er en værdifuld færdighed. Det er værd at bruge tid til at diskutere dette spørgsmål (og dets svar) med dine elever i detaljer, så de alle forstår de involverede begreber.

Spørgsmål 15

De fleste driftsforstærkere har ikke evnen til at svinge deres output spændinger skinne-til-skinne. De fleste af dem svinger ikke deres udgangsspændinger symmetrisk. Det vil sige, at en typisk ikke-jernbane-til-jernbane opamp kan være i stand til at nærme sig en strømforsyningsspændingsspænding tættere end den anden; fx når den drives af en + 15 / -15 volt splitforsyning, mates outputen positivt ved +14 volt og mættes negativt ved -13, 5 volt.

Hvilken effekt antager du, at dette ikke-symmetriske udgangssortiment vil have et typisk afslapningsoscillatorkredsløb som fx følgende, og hvordan kan du foreslå, at vi løser problemet?

Reveal svar Skjul svar

Driftscyklusen vil ikke være 50%. En måde at løse problemet på er at gøre noget som dette:

Opfølgningsspørgsmål: Forklar hvordan og hvorfor denne løsning virker. Nu vidste du bare, at jeg skulle stille dette spørgsmål, da du så diagrammet, "noter du dig ikke"> Noter:

Bemærk at jeg tilføjede en yderligere modstand til kredsløbet, i serie med opamp udgangsterminalen. I nogle tilfælde er dette ikke nødvendigt, fordi opampen er selvbegrænsende i udgangsstrømmen, men det er en god designpraksis alligevel. I tilfælde af at nogen nogensinde bytter ud den oprindelige opamp for en anden model, der mangler overstrømsbeskyttelse, vil den nye opamp ikke blive beskadiget.

Spørgsmål 16

Dette resonante LC oscillator kredsløb er meget følsomt for ændringer i gevinsten. Bemærk, hvordan det potentiometer, der anvendes i dette kredsløb, er "trimmer" sorten, justerbar med en skruetrækker i stedet for ved hjælp af en knap eller anden håndkontrol:

Årsagen til dette valg i potentiometre er at gøre uheldige ændringer i kredsløbsgevinst mindre sandsynlige. Hvis du opbygger dette kredsløb, vil du se, at små ændringer i dette potentiometers indstilling gør en enorm forskel i kvaliteten af ​​output sinusbølge. Lidt for meget gevinst, og sinusbølgen bliver mærkbart forvrænget. For lidt gevinst, og kredsløbet stopper helt og holdent!

Det er klart, at det ikke er godt at have en sådan følsomhed overfor mindre ændringer i ethvert praktisk kredsløb, der forventes at udføre pålideligt dag efter dag. En løsning på dette problem er at tilføje et begrænsende netværk til kredsløbet bestående af to dioder og to modstande:

Med dette netværk på plads kan kredsløbshastigheden justeres godt over tærsklen for oscillation (Barkhausen-kriterium) uden at udvise for stor forvrængning, som den ville have uden det begrænsende netværk. Forklar hvorfor det begrænsende netværk gør det muligt.

Reveal svar Skjul svar

Det begrænsende netværk dæmper kredsløbsforstæringen, da spændingsspændingen begynder at overstige 0, 7 volt. Denne dæmpning hjælper med at forhindre opamp fra at klippe.

Opfølgningsspørgsmål: Hvilken effekt har dette "begrænsende netværk" på renheden af ​​oscillatorens udgangssignal spektrum "noter skjult"> Noter:

Dette kredsløb er vigtigt for eleverne at støde på, da det afslører en meget praktisk begrænsning af "lærebog" -versionen af ​​resonansoscillatorkredsløbet. Det er ikke nok, at et kredsløbsdesign arbejder under ideelle forhold - et praktisk kredsløb skal kunne tolerere en vis variation i komponentværdier, ellers vil den ikke fungere pålideligt.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →