مذبذب جسر وين

في هذا البرنامج التعليمي ، سوف نتعرف على Wein Bridge Oscillator الذي طوره الفيزيائي الألماني Max Wien. تم تطويره في الأصل لحساب السعة حيث تكون المقاومة والتردد معروفين. قبل الانتقال إلى مزيد من المناقشة المتعمقة حول مذبذب جسر وين وكيف يتم استخدامه ، دعنا نرى ما هو المذبذب وما هو مذبذب جسر وين.

مذبذب جسر وين:

كما هو الحال في البرنامج التعليمي السابق لـ RC Oscillator ، يلزم وجود المقاوم والمكثف لإنتاج تحول طوري ، وإذا قمنا بتوصيل مكبر للصوت بمواصفات معكوسة وقمنا بتوصيل مكبر الصوت وشبكات RC بوصلة تغذية مرتدة ، يبدأ خرج مكبر الصوت في إنتاج شكل موجة جيبية بالتذبذب.

في مذبذب جسر فيينا ، يتم استخدام شبكتين RC عبر مكبر للصوت وإنتاج دائرة مذبذب.

لكن لماذا نختار مذبذب جسر فيينا ؟

نظرًا للنقاط التالية ، يعد مذبذب جسر فيينا خيارًا أكثر حكمة لإنتاج الموجة الجيبية.

1. إنه مستقر.
2. التشويه أو THD (إجمالي التشوه التوافقي) تحت الحد الذي يمكن السيطرة عليه.
3. يمكننا تغيير التردد بشكل فعال للغاية.

كما قيل من قبل ، فإن مذبذب Wein Bridge يحتوي على مرحلتين من شبكات RC. هذا يعني أنه يتكون من مكثفين غير قطبين ومقاومين في تشكيل مرشح تمرير عالي ومنخفض. مقاوم واحد ومكثف واحد في سلسلة من ناحية أخرى مكثف ومقاوم واحد في تشكيل متوازي. إذا قمنا ببناء الدائرة ، فسيبدو التخطيطي هكذا: -

كما رأينا بوضوح هناك نوعان من المكثفات واثنين من المقاومات المستخدمة. كل من مرحلتي RC التي تعمل كمرشح تمرير عالي ومنخفض تم توصيلهما معًا وهو منتج لمرشح تمرير النطاق الذي يجمع تبعية التردد لمرحلتي ترتيب. المقاومة R1 و R2 هي نفسها وكذلك السعة C1 و C2 هي نفسها.

كسب خرج Wein Bridge Oscillator وتحول المرحلة:

ما يحدث داخل دائرة شبكة RC في الصورة أعلاه مثير جدًا للاهتمام.

عندما يتم تطبيق التردد المنخفض ، تكون مفاعلة المكثف الأول (C1) عالية بدرجة كافية وتمنع إشارة الإدخال وتقاوم الدائرة لإنتاج 0 خرج ، من ناحية أخرى ، يحدث نفس الشيء بطريقة مختلفة بالنسبة للمكثف الثاني (C2) وهو متصل في حالة موازية. أصبحت مفاعلة C2 منخفضة للغاية وتتجاوز الإشارة وتنتج 0 مخرجات مرة أخرى.

ولكن في حالة التردد المتوسط ​​عندما لا تكون مفاعلة C1 عالية والمفاعلة C2 ليست منخفضة ، فإنها ستعطي ناتجًا عبر نقطة C2. يشار إلى هذا التردد باسم التردد الرنان.

إذا رأينا بعمق داخل الدائرة ، فسنرى أن تفاعل الدائرة ومقاومة الدائرة متساويان إذا تحقق تردد الطنين.

لذلك ، هناك قاعدتان يتم تطبيقها في مثل هذه الحالة عندما يتم توفير الدائرة بواسطة تردد الرنين عبر الإدخال.

أ. فرق طور المدخلات والمخرجات يساوي 0 درجة.

ب. كما هو الحال في 0 درجة ، سيكون الناتج الحد الأقصى. ولكن كم؟ ومن قريب ولا بدقة 1/3 ^{الثالثة} من حيث الحجم إشارة الدخل و.

إذا رأينا ناتج الدائرة ، فسوف نفهم هذه النقاط.

الإخراج هو بالضبط نفس منحنى الصورة التي تظهر. عند التردد المنخفض من 1 هرتز ، يكون الناتج أقل أو تقريبًا 0 ويزيد مع التردد عند الإدخال حتى تردد الطنين ، وعندما يتم الوصول إلى تردد الطنين ، يكون الإخراج في أقصى نقطة ذروة ويتناقص باستمرار مع زيادة التردد ومرة ​​أخرى إنها تنتج 0 إخراج بتردد عالٍ. لذلك من الواضح أنه يمر بنطاق تردد معين وينتج المخرجات. هذا هو السبب في وصفه سابقًا بأنه مرشح تمرير النطاق المتغير (نطاق التردد) المعتمد على التردد. إذا نظرنا عن كثب إلى تحول الطور للإخراج ، فسنرى بوضوح هامش الطور 0 درجة عبر الإخراج بتردد الرنين المناسب.

في منحنى خرج الطور هذا ، تكون المرحلة بالضبط 0 درجة عند تردد الرنين وتبدأ من 90 درجة إلى التناقص عند درجة 0 عندما يزداد تردد الإدخال حتى يتحقق تردد الرنين وبعد ذلك تستمر المرحلة في الانخفاض عند نقطة نهاية - 90 درجة. هناك نوعان من المصطلحات المستخدمة في كلتا الحالتين ، إذا كانت المرحلة موجبة ، يطلق عليها اسم المرحلة المتقدمة وفي حالة السلبية تسمى تأخر المرحلة.

سنرى إخراج مرحلة التصفية في فيديو المحاكاة هذا:

في هذا الفيديو 4.7K تستخدم R في كل من R1 R2 و مكثف 10nF يستخدم لكلا C1 و C2. قمنا بتطبيق موجة جيبية عبر المراحل وفي قناة الذبذبات تظهر القناة الصفراء مدخلات الدائرة ويظهر الخط الأزرق ناتج الدائرة. إذا نظرنا عن كثب ، فإن سعة الخرج هي 1/3 من إشارة الإدخال وتكون مرحلة الإخراج متطابقة تقريبًا مع إزاحة طور درجة 0 في تردد الرنين كما تمت مناقشته من قبل.

تردد الرنين وإخراج الجهد:

إذا اعتبرنا أن R1 = R2 = R أو نفس المقاوم مستخدم ، ولتحديد المكثف C1 = C2 = C ، يتم استخدام نفس قيمة السعة ، فسيكون تردد الرنين

هرتز = 1 / 2πRC

يرمز R إلى المقاوم بينما يرمز C إلى المكثف أو السعة ، و Fhz إذا كان تردد الرنين.

إذا أردنا حساب Vout لشبكة RC ، يجب أن نرى الدائرة بطريقة مختلفة.

تعمل شبكة RC هذه مع إدخال إشارات التيار المتردد. يعد حساب مقاومة الدوائر في حالة التيار المتردد بدلاً من حساب مقاومة الدائرة في حالة التيار المستمر أمرًا صعبًا بعض الشيء.

تخلق شبكة RC مقاومة تعمل كمقاومة على إشارة التيار المتردد المطبقة. يحتوي مقسم الجهد على مقاومتين ، في هاتين المرحلتين RC المقاومة هما معاوقة الفلتر الأول (C1 R1) والفلتر الثاني (R2 C2).

نظرًا لوجود مكثف متصل إما سلسلة أو في تكوين متوازي ، فإن صيغة الممانعة ستكون:

Z هو رمز الممانعة ، R هي المقاومة و Xc تعني التفاعل السعوي للمكثف.

باستخدام نفس الصيغة يمكننا حساب مقاومة المرحلة الأولى.

في حالة المرحلة الثانية ، تكون الصيغة هي نفسها حساب المقاوم المكافئ المتوازي ،

Z هي الممانعة ،

R هي المقاومة ،

X هو المكثف

يمكن حساب المعاوقة النهائية للدائرة باستخدام هذه الصيغة: -

يمكننا حساب مثال عملي ورؤية المخرجات في مثل هذه الحالة.

إذا قمنا بحساب القيمة ورأينا النتيجة ، فسنرى أن جهد الخرج سيكون 1/3 من جهد الدخل.

إذا قمنا بتوصيل خرج مرشح RC ذي المرحلتين بدبوس إدخال مضخم غير مقلوب أو دبوس + Vin ، وقمنا بضبط الكسب لاستعادة الخسارة ، سينتج الإخراج موجة جيبية. هذا هو تذبذب جسر Wien والدائرة هي دائرة Wein Bridge Oscillator.

عمل وبناء مذبذب جسر وين:

في الصورة أعلاه ، يتم توصيل مرشح RC عبر جهاز أمبير وهو في تكوين غير مقلوب. R1 و R2 عبارة عن مقاومة ذات قيمة ثابتة بينما C1 و C2 عبارة عن مكثف متغير. من خلال تغيير قيمة هذين المكثفين في نفس الوقت ، يمكننا الحصول على تذبذب مناسب من نطاق منخفض إلى نطاق أعلى. إنه مفيد جدًا إذا أردنا استخدام مذبذب جسر Wein لإنتاج موجة جيبية بتردد مختلف من نطاق أقل إلى نطاق أعلى. ويتم استخدام R3 و R4 للحصول على ردود فعل المرجع. يعتمد كسب الإخراج أو التضخيم بشكل كبير على مجموعتي القيمة هاتين. نظرًا لأن مرحلتي RC تسقطان جهد الخرج عند 1/3 ، فمن الضروري استعادة ذلك مرة أخرى. إنه أيضًا خيار أكثر حكمة للحصول على 3x على الأقل أو أكثر من 3x (4x المفضل).

يمكننا حساب الكسب باستخدام علاقة 1+ (R4 / R3).

إذا رأينا الصورة مرة أخرى ، يمكننا أن نرى أن مسار التغذية المرتدة لمضخم التشغيل من الإخراج متصل مباشرة بمرحلة إدخال مرشح RC. نظرًا لأن مرشح RC ذو المرحلتين له خاصية تغيير طور درجة 0 في منطقة تردد الرنين ، ومتصل مباشرة بتعليقات إيجابية op-amp ، فلنفترض أنه xV + وفي التغذية الراجعة السلبية يتم تطبيق نفس الجهد وهو xV- مع نفس المرحلة 0 درجة ، يفرق op-amp بين المدخلين ويستبعد إشارة التغذية المرتدة السلبية ، وبسبب ذلك يستمر مع اتصال الإخراج عبر مراحل RC ، يبدأ op-amp في التذبذب.

إذا استخدمنا معدل دوران أعلى ، فيمكن زيادة تردد الإخراج إلى الحد الأقصى بمقدار كبير.

يوجد عدد قليل من المكبرات التشغيلية عالية التردد في هذا الجزء ،

كما نحتاج إلى تذكر كما في البرنامج التعليمي السابق لمذبذب RC الذي ناقشناه حول تأثير التحميل ، يجب أن نختار op-amp بمقاومة عالية للإدخال أكثر من مرشح RC لتقليل تأثير التحميل والتأكد التذبذب المستقر المناسب.

• LM318A
• LT1192
• ماكس 477
• LT1226
• OPA838
• THS3491 وهو 900 ميغاهرتز عالية البذور op-amp!
• LTC6409 وهو 10 جيجا هرتز GBW التفاضلي op-amp. ناهيك عن أن هذا يتطلب إضافة خاصة على الدوائر وتكتيكات تصميم RF جيدة بشكل استثنائي لتحقيق هذا الإخراج عالي التردد أيضًا.
• LTC160
• OPA365
• TSH22 المرجع الصناعي الصف.

مثال عملي لمذبذب جسر وين:

دعنا نحسب قيمة مثال عملي باختيار قيمة المقاوم والمكثف.

في هذه الصورة ، بالنسبة لمذبذب RC ، يتم استخدام المقاوم 4.7 كيلو لكل من R1 و R2. ومكثف الانتهازي المستخدم الذي يحتوي على قطبين يحتوي على 1-100nF لسعة التشذيب C1 و C2. دعونا نحسب تردد التذبذب لـ 1nF و 50nF و 100nF. سنقوم أيضًا بحساب كسب op-amp كـ R3 المحدد كـ 100k ، و R4 المحدد كـ 300k.

حيث أن حساب التردد سهل بصيغة

هرتز = 1 / 2πRC

لقيمة C هي 1nF وللمقاوم 4.7k سيكون التردد

هرتز = 33849 هرتز أو 33.85 كيلوهرتز

لقيمة C هي 50nF وللمقاوم 4.7k سيكون التردد

هرتز = 677 هرتز

لقيمة C هي 100nF وللمقاوم 4.7k سيكون التردد

هرتز = 339 هرتز

لذا فإن أعلى تردد يمكننا تحقيقه باستخدام 1nF وهو 33.85 كيلو هرتز وأقل تردد يمكننا تحقيقه باستخدام 100nF هو 339 هرتز.

و كسب المرجع أمبير هو 1+ (R4 / R3)

R4 = 300 ألف

R3 = 100 ألف

لذا فإن الكسب = 1+ (300 ألف + 100 ألف) = 4x

سينتج جهاز op-amp كسب 4x للمدخلات عبر الدبوس "الموجب" غير المقلوب.

لذلك باستخدام هذه الطريقة ، يمكننا إنتاج عرض نطاق ترددي متغير Wein Bridge Oscillator.

التطبيقات:

يستخدم Wein Bridge Oscillator في مستوى واسع من التطبيقات في مجال الإلكترونيات ، بدءًا من العثور على القيمة الدقيقة للمكثف ، لتوليد الدوائر ذات الصلة بمذبذب طور 0 درجة ، نظرًا لانخفاض مستوى الضوضاء ، فهو أيضًا خيار أكثر حكمة لمختلف مستويات درجات الصوت التطبيقات التي تتطلب التذبذب المستمر.