模拟技术
相移振荡器是一种产生正弦波输出的电子振荡器电路。它可以通过使用晶体管或使用运算放大器作为反相放大器来设计。通常,这些相移振荡器用作音频振荡器。在 RC 相移振荡器中,RC 网络产生 180 度相移,运算放大器产生另一个 180 度相移,因此产生的波反转 360 度。
除了产生正弦波输出外,它们还用于对相移过程提供重要的控制。相移振荡器的其他用途是:
在音频振荡器中
正弦波逆变器
语音合成
全球定位系统单位
乐器。
在我们开始设计 RC 相移振荡器之前,让我们更多地了解它的相位和相移。
什么是相位和相移?
相位是 360 度参考中正弦波的完整周期周期。一个完整的周期定义为波形返回其任意初始值所需的时间间隔。相位表示为该波形周期上的一个指向位置。如果我们看到正弦波,我们可以很容易地识别相位。
在上图中,显示了一个完整的波浪周期。正弦波的初始起点相位为 0 度,如果我们识别每个正负峰值和 0 点,我们将得到 90、180、270、360 度相位。因此,当一个正弦信号开始它的旅程而不是 0 度参考时,我们将其称为与 0 度参考的相移微分。
如果我们看到下一张图像,我们将确定 相移正弦波的 外观。..
在这张图片中,出现了两个交流正弦信号波,第 一个绿色正弦波的相位为 360 度, 而红色的正弦波与绿色信号的相位相差 90 度。
这种相移可以使用简单的 RC 网络来完成。
RC相移振荡器
一个简单的 RC 相移振荡器提供 60 度的最小相移。
上图显示了一个单极相移 RC 网络或梯形电路,它使输入信号的相位偏移等于或小于 60 度。
理想情况下,RC 电路的输出波的相移应该是 90 度,但实际上它大约是 90 度。60度,因为电容不理想。RC网络相位角的计算公式如下:
φ = tan -1 (Xc / R)
其中,Xc 是电容器的电抗,R 是连接在 RC 网络中的电阻器。
如果我们级联 RC 网络,我们将获得 180 度 相移。
现在要创建振荡和正弦波输出,我们需要一个有源组件,即 反相配置的晶体管或运算放大器。
为什么将运算放大器用于 RC 相移振荡器而不是晶体管?
使用晶体管构建 RC 相移振荡器有一些限制:
它仅对低频稳定。
RC 相移振荡器需要额外的电路来稳定波形的幅度。
频率精度并不完美,也不能免受噪声干扰。
不利的加载效应。由于级联形成,第二个极点的输入阻抗会改变第一个极点滤波器的电阻器电阻特性。级联的滤波器越多,情况越糟糕,因为它会影响计算的相移振荡器频率的准确性。
由于电阻和电容两端的衰减,每一级的损耗增加,总损耗约为输入信号的 1/29。
随着电路在 1/29 处衰减,我们需要恢复损失。
使用运算放大器的 RC 相移振荡器
当我们将运算放大器用于 RC 相移振荡器时,它起到了反相放大器的作用。最初,输入波已经进入 RC 网络,因此我们得到了 180 度的相移。并且,RC 的这个输出被馈送到运算放大器的反相端。
现在,我们知道运算放大器在用作反相放大器时会产生 180 度的相移。因此,我们在输出正弦波中得到了 360 度的相移。即使在变化的负载条件下,这种使用运算放大器的 RC 相移振荡器也能提供恒定的频率。
所需组件
运算放大器 IC – LM741
电阻器 – (100k – 3nos, 10k – 2nos, 4.7k)
电容器 – (100pF – 3nos)
示波器
电路原理图
使用运算放大器模拟 RC 相移振荡器
RC 相移振荡器提供准确的正弦波输出。在最后的仿真视频中可以看到,我们已经将示波器的探头设置为电路的四个阶段。
在这里,反馈网络提供 180 度的相移。我们从每个 RC 网络中获得 60 度。并且,剩余的 180 度相移由反相配置中的运算放大器产生。
要计算振荡频率,请使用以下公式:
F = 1 / 2πRC√2N
使用运放的RC相移振荡器的缺点是不能用于高频应用。因为只要频率太高,电容器的电抗就会很低,它会起到短路的作用。
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