oscillatorer konvertere en DC-indgang (forsyningsspændingen) til en AC-udgang (bølgeformen), som kan have en bred vifte af forskellige bølgeformer og frekvenser, der kan være enten kompliceret i naturen eller enkle sinusbølger afhængigt af applikationen.oscillatorer bruges også i mange stykker testudstyr, der producerer enten sinusformede sinusbølger, firkantede, savtand eller trekantede bølgeformer eller bare et tog af impulser med variabel eller konstant bredde. LC-oscillatorer bruges ofte i radiofrekvenskredsløb på grund af deres gode fasestøjegenskaber og deres lette implementering.
en Oscillator er dybest set en forstærker med “positiv Feedback” eller regenerativ feedback (i fase), og et af de mange problemer i elektronisk kredsløbsdesign er at stoppe forstærkere fra at svinge, mens de prøver at få oscillatorer til at svinge.
oscillatorer virker, fordi de overvinder tabene af deres feedback resonator kredsløb enten i form af en kondensator, induktor eller begge i samme kredsløb ved at anvende DC energi ved den krævede frekvens i dette resonator kredsløb. Med andre ord er en oscillator en en forstærker, der bruger positiv feedback, der genererer en outputfrekvens uden brug af et indgangssignal.
oscillatorer er således selvbærende kredsløb, der genererer en periodisk udgangsbølgeform med en præcis frekvens, og for at ethvert elektronisk kredsløb kan fungere som en oscillator, skal det have følgende tre egenskaber.
- en eller anden form for forstærkning
- positiv Feedback (regenerering)
- en frekvens bestem feedback netværk
en oscillator har en lille signal feedback forstærker med en open-loop gain lige for eller lidt større end en for oscillationer at starte, men for at fortsætte oscillationer skal den gennemsnitlige loop gain vende tilbage til enhed. Ud over disse reaktive komponenter kræves en forstærkningsindretning, såsom en operationsforstærker eller Bipolar Transistor.
I modsætning til en forstærker er der ingen ekstern AC-indgang, der kræves for at få oscillatoren til at fungere, da DC-forsyningsenergien omdannes af oscillatoren til AC-energi med den krævede frekvens.
grundlæggende Oscillator Feedback Circuit
hvor: prisT er en feedback fraktion.
Oscillator Gain uden Feedback
Oscillator Gain med Feedback
oscillatorer er kredsløb, der genererer en kontinuerlig spændingsudgangsbølgeform med en påkrævet frekvens med værdierne for induktorer, kondensatorer eller modstande, der danner et frekvensselektivt LC resonant tank kredsløb og feedback netværk. Dette feedbacknetværk er et dæmpningsnetværk, der har en gevinst på mindre end en ( prisT <1 ) og starter svingninger, når en prisT >1, der vender tilbage til enhed ( en prisT =1), når svingningerne begynder.
LC-oscillatorfrekvensen styres ved hjælp af et tunet eller resonant induktivt / kapacitivt (LC) kredsløb, hvor den resulterende Udgangsfrekvens er kendt som oscillationsfrekvensen. Ved at gøre oscillatorernes feedback til et reaktivt netværk vil fasevinklen på feedbacken variere som en funktion af frekvensen, og dette kaldes faseforskydning.
der er grundlæggende typer oscillatorer
- 1. Sinusformede oscillatorer – disse er kendt som harmoniske oscillatorer og er generelt en “LC Tuned-feedback” eller “RC tuned-feedback” Type Oscillator, der genererer en rent sinusformet bølgeform, som har konstant amplitude og frekvens.
- 2. Ikke – sinusformede oscillatorer-disse er kendt som Afslapningsoscillatorer og genererer komplekse ikke-sinusformede bølgeformer, der ændrer sig meget hurtigt fra en tilstand af stabilitet til en anden, såsom “kvadratbølge”, “trekantet bølge” eller “Savtandede bølge” type bølgeformer.
Oscillatorresonans
når en konstant spænding, men med varierende frekvens, påføres et kredsløb bestående af en induktor, kondensator og modstand, skal reaktansen af både kondensator/modstand og induktor / modstandskredsløb ændre både amplitude og fase af udgangssignalet sammenlignet med indgangssignalet på grund af reaktansen af de anvendte komponenter.
Ved høje frekvenser er reaktansen af en kondensator meget lav, der virker som en kortslutning, mens reaktansen af induktoren er høj, der virker som et åbent kredsløb. Ved lave frekvenser er det omvendte sandt, kondensatorens reaktans fungerer som et åbent kredsløb, og induktansens reaktans fungerer som en kortslutning.
mellem disse to ekstremer producerer kombinationen af induktoren og kondensatoren et “tunet” eller “Resonant” kredsløb, der har en resonansfrekvens ( LRR), hvor den kapacitive og induktive reaktans er ens og annullerer hinanden, hvilket kun efterlader kredsløbets modstand mod strømmen af strøm. Dette betyder, at der ikke er nogen faseforskydning, da strømmen er i fase med spændingen. Overvej kredsløbet nedenfor.
Basic LC Oscillator Tank Circuit
kredsløbet består af en induktiv spole, L og en kondensator, C. kondensatoren lagrer energi i form af et elektrostatisk felt og en kondensator, C. kondensatoren lagrer energi i form af et elektrostatisk felt hvilket producerer et potentiale (statisk spænding) på tværs af sine plader, mens den induktive spole lagrer sin energi i form af et elektromagnetisk felt. Kondensatoren oplades op til DC-forsyningsspændingen, V ved at sætte kontakten i position A. Når kondensatoren er fuldt opladet, skifter kontakten til position B.
den ladede kondensator er nu forbundet parallelt over den induktive spole, så kondensatoren begynder at aflade sig selv gennem spolen. Spændingen over C begynder at falde, når strømmen gennem spolen begynder at stige.
denne stigende strøm opretter et elektromagnetisk felt omkring spolen, der modstår denne strøm af strøm. Når kondensatoren, C udledes fuldstændigt den energi, der oprindeligt blev opbevaret i kondensatoren, C som et elektrostatisk felt lagres nu i den induktive spole, L som et elektromagnetisk felt omkring spolerne viklinger.
da der nu ikke er nogen ekstern spænding i kredsløbet for at opretholde strømmen i spolen, begynder den at falde, når det elektromagnetiske felt begynder at kollapse. En back emf induceres i spolen (e = -Ldi/dt), der holder strømmen i den oprindelige retning.
denne strøm oplader kondensator, C med den modsatte polaritet til dens oprindelige ladning. C fortsætter med at oplade, indtil strømmen reduceres til nul, og det elektromagnetiske felt i spolen er kollapset fuldstændigt.
den energi, der oprindeligt blev introduceret i kredsløbet gennem kontakten, er blevet returneret til kondensatoren, som igen har et elektrostatisk spændingspotentiale på tværs af det, selvom det nu er af den modsatte polaritet. Kondensatoren begynder nu at aflade igen gennem spolen, og hele processen gentages. Polariteten af spændingen ændres, når energien føres frem og tilbage mellem kondensatoren og induktoren, der producerer en AC-type sinusformet spænding og strømbølgeform.
denne proces danner derefter grundlaget for et LC-oscillators tankkredsløb, og teoretisk vil denne cykling frem og tilbage fortsætte på ubestemt tid. Imidlertid, tingene er ikke perfekte, og hver gang energi overføres fra kondensatoren, C til induktor, L og tilbage fra L til C opstår der nogle energitab, der henfalder svingningerne til nul over tid.
denne oscillerende virkning af at passere energi frem og tilbage mellem kondensatoren, C til induktoren, L ville fortsætte på ubestemt tid, hvis det ikke var for energitab i kredsløbet. Elektrisk energi går tabt i DC eller reel modstand af induktorspolen, i kondensatorens dielektriske og i stråling fra kredsløbet, så Svingningen falder støt, indtil de dør helt væk, og processen stopper.
i et praktisk LC-kredsløb falder amplituden af den oscillerende spænding ved hver halve svingningscyklus og vil til sidst dø væk til nul. Oscillationerne siges derefter at være” dæmpet”, idet mængden af dæmpning bestemmes af kredsløbets kvalitet eller kV-faktor.
dæmpede svingninger
frekvensen af den oscillerende spænding afhænger af værdien af induktansen og kapacitansen i LC-tankkredsløbet. Vi ved nu, at for at resonans skal forekomme i tankkredsløbet, skal der være et frekvenspunkt, hvor værdien af den kapacitive reaktans er den samme som værdien af den induktive reaktans ( den induktive reaktans), og som derfor vil annullere hinanden og kun efterlade DC-modstanden i kredsløbet for at modsætte sig strømmen af strøm.hvis vi nu placerer kurven for induktiv reaktans af induktoren oven på kurven for kapacitiv reaktans af kondensatoren, så begge kurver er på de samme frekvensakser, vil skæringspunktet give os resonansfrekvenspunktet, som vist nedenfor.
resonansfrekvens
hvor: LR er i Herts, L er i Henries og C er i Farads.
så er frekvensen, hvormed dette vil ske, angivet som:
derefter ved at forenkle ovenstående ligning får vi den endelige ligning for resonansfrekvens, liter i et indstillet LC-kredsløb som:
resonansfrekvens for en LC-Oscillator
- hvor:
- l er induktansen i Henries
- C er kapacitansen i Farads
- l er Outputfrekvensen i Herts
denne ligning viser, at hvis enten L eller C reduceres, øges frekvensen. Denne outputfrekvens får almindeligvis forkortelsen af (LRR) for at identificere den som “resonansfrekvensen”.
for at holde svingningerne i gang i et LC-tankkredsløb, er vi nødt til at erstatte al den energi, der er tabt i hver svingning, og også opretholde amplituden af disse svingninger på et konstant niveau. Mængden af udskiftet energi skal derfor være lig med den energi, der går tabt under hver cyklus.
Hvis den udskiftede energi er for stor, vil amplituden stige, indtil klipning af forsyningsskinnerne opstår. Alternativt, hvis mængden af udskiftet energi er for lille, vil amplituden til sidst falde til nul over tid, og svingningerne vil stoppe.
den enkleste måde at erstatte denne tabte energi på er at tage en del af udgangen fra LC-tankkredsløbet, forstærke det og derefter føre det tilbage i LC-kredsløbet igen. Denne proces kan opnås ved hjælp af en spændingsforstærker ved hjælp af en op-amp, FET eller bipolar transistor som dens aktive enhed. Men hvis tilbagekoblingsforstærkerens loopforstærkning er for lille, falder den ønskede svingning til nul, og hvis den er for stor, bliver bølgeformen forvrænget.
for at producere en konstant svingning skal niveauet af den energi, der føres tilbage til LC-netværket, styres nøjagtigt. Så skal der være en form for automatisk amplitude eller få kontrol, når amplituden forsøger at variere fra en referencespænding enten op eller ned.
for at opretholde en stabil svingning skal kredsløbets samlede forstærkning være lig med en eller enhed. Mindre og svingningerne vil ikke starte eller dø væk til nul, mere vil svingningerne forekomme, men amplituden bliver klippet af forsyningsskinnerne, der forårsager forvrængning. Overvej kredsløbet nedenfor.
grundlæggende Transistor LC Oscillator kredsløb
en Bipolar Transistor bruges som LC oscillatorer forstærker med tunet LC tank kredsløb fungerer som kollektor belastning. En anden spole L2 er forbundet mellem basen og emitteren af transistoren, hvis elektromagnetiske felt er “gensidigt” koblet med spolen L.
“gensidig induktans” eksisterer mellem de to kredsløb, og den skiftende strøm, der strømmer i det ene spiralkredsløb, inducerer ved elektromagnetisk induktion en potentiel spænding i den anden (transformatoreffekt), så når svingningerne forekommer i det indstillede kredsløb, overføres elektromagnetisk energi fra spole L til spole L2, og en spænding med samme frekvens som den i det indstillede kredsløb påføres mellem basen og emitteren af transistoren. På denne måde påføres den nødvendige automatiske feedbackspænding på forstærkningstransistoren.
mængden af feedback kan øges eller formindskes ved at ændre koblingen mellem de to spoler L og L2. Når kredsløbet oscillerer, er dets impedans resistiv, og kollektoren og basisspændingerne er 180o ude af fase. For at opretholde svingninger (kaldet frekvensstabilitet) skal spændingen, der påføres det indstillede kredsløb, være “i fase” med de svingninger, der forekommer i det indstillede kredsløb.
derfor skal vi introducere et yderligere 180o faseskift i feedbackstien mellem samleren og basen. Dette opnås ved at vikle spolen af L2 i den rigtige retning i forhold til spole L, hvilket giver os de korrekte amplitude-og faseforhold for Oscillatorkredsløbet eller ved at forbinde et faseskiftnetværk mellem forstærkerens udgang og indgang.
LC-oscillatoren er derfor en “sinusformet Oscillator” eller en “harmonisk Oscillator”, som den mere almindeligt kaldes. LC-oscillatorer kan generere højfrekvente sinusbølger til brug i radiofrekvens (RF) type applikationer, hvor transistorforstærkeren er af en Bipolar Transistor eller fet.
harmoniske oscillatorer findes i mange forskellige former, fordi der er mange forskellige måder at konstruere et LC-filternetværk og forstærker med det mest almindelige er Hartley LC Oscillator, Colpitts LC Oscillator, Armstrong Oscillator og Clapp Oscillator for at nævne nogle få.
LC Oscillator eksempel No1
en induktans på 200mh og en kondensator på 10pf er forbundet sammen parallelt for at skabe et LC oscillator tank kredsløb. Beregn frekvensen af svingning.
så kan vi se fra ovenstående eksempel, at ved at reducere værdien af enten kapacitansen, C eller induktansen, vil L have effekten af at øge frekvensen af oscillation af LC tank kredsløb.
LC oscillatorer Resume
de grundlæggende betingelser, der kræves for en LC oscillator resonant tank kredsløb er givet som følger.
- for at oscillationer skal eksistere, skal et oscillatorkredsløb indeholde en reaktiv (frekvensafhængig) komponent enten en “induktor”, (L) eller en “kondensator”, (C) samt en JÆVNSTRØMSKILDE.
- i en simpel induktor-kondensator, LC-kredsløb, bliver svingninger dæmpet over tid på grund af komponent-og kredsløbstab.
- Spændingsforstærkning er nødvendig for at overvinde disse kredsløbstab og give positiv forstærkning.
- den samlede forstærkning af forstærkeren skal være større end en, enhed.
- oscillationer kan opretholdes ved at føre noget af udgangsspændingen tilbage til det indstillede kredsløb, der har den korrekte amplitude og i fase (0o).
- oscillationer kan kun forekomme, når feedbacken er “positiv” (selvregenerering).
- kredsløbets samlede faseforskydning skal være nul eller 360o, så udgangssignalet fra feedbacknetværket vil være “i fase” med indgangssignalet.
i den næste tutorial om oscillatorer vil vi undersøge driften af et af de mest almindelige LC-oscillatorkredsløb, der bruger to induktansspoler til at danne en centertappet induktans inden for dets resonant tank kredsløb. Denne type LC oscillator kredsløb er almindeligt kendt som en Hartley Oscillator.
