oscillatorer omvandlar en DC-ingång (matningsspänningen) till en AC-utgång (vågformen), som kan ha ett brett utbud av olika vågformer och frekvenser som kan vara antingen komplicerade i naturen eller enkla sinusvågor beroende på applikationen.oscillatorer används också i många delar av testutrustning som producerar antingen sinusformade sinusvågor, fyrkantiga, sågtand-eller triangelformade vågformer eller bara ett tåg av pulser med variabel eller konstant bredd. LC-oscillatorer används ofta i radiofrekvenskretsar på grund av deras goda fasbrusegenskaper och deras enkla implementering.
en Oscillator är i grunden en förstärkare med” positiv Feedback ” eller regenerativ feedback (i fas) och ett av de många problemen i elektronisk kretsdesign hindrar förstärkare från att oscillera medan de försöker få oscillatorer att oscillera.
oscillatorer fungerar eftersom de övervinner förlusterna av deras återkopplingsresonatorkrets antingen i form av en kondensator, induktor eller båda i samma krets genom att applicera DC-energi vid den önskade frekvensen i denna resonatorkrets. Med andra ord är en oscillator en förstärkare som använder positiv feedback som genererar en utgångsfrekvens utan användning av en ingångssignal.oscillatorer är sålunda självbärande kretsar som genererar en periodisk utgångsvågform vid en exakt frekvens och för att någon elektronisk krets ska fungera som en oscillator måste den ha följande tre egenskaper.
- någon form av förstärkning
- positiv återkoppling (regenerering)
- en frekvens bestämmer återkopplingsnätverk
en oscillator har en liten signalåterkopplingsförstärkare med en öppen slinga som är lika med eller något större än en för svängningar att starta men för att fortsätta oscillationer måste den genomsnittliga slingförstärkningen återgå till enhet. Förutom dessa reaktiva komponenter krävs en förstärkningsanordning såsom en operationsförstärkare eller bipolär Transistor.
Till skillnad från en förstärkare finns det ingen extern AC-ingång som krävs för att få oscillatorn att fungera eftersom LIKSTRÖMFÖRSÖRJNINGSENERGIN omvandlas av oscillatorn till AC-energi vid den önskade frekvensen.
grundläggande Oscillatoråterkopplingskrets
var: Jacob är en återkopplingsfraktion.
Oscillatorförstärkning utan återkoppling
Oscillatorförstärkning med återkoppling
oscillatorer är kretsar som genererar en kontinuerlig spänningsutgångsvågform vid en erforderlig frekvens med värdena på induktorerna, kondensatorerna eller motstånden som bildar en frekvensselektiv LC-resonanstankkrets och återkopplingsnätverk. Detta återkopplingsnätverk är ett dämpningsnätverk som har en vinst på mindre än en ( Xiaomi <1 ) och startar svängningar när en Xiaomi >1 som återgår till unity ( en kiwi =1 ) när svängningar påbörjas.
LC oscillatorer frekvensen styrs med användning av en avstämd eller resonant induktiv/kapacitiv (LC) krets med den resulterande utgångsfrekvensen är känd som Oscillationsfrekvensen. Genom att göra oscillatorerna återkoppling ett reaktivt nätverk fasvinkeln av återkopplingen kommer att variera som en funktion av frekvensen och detta kallas fasskift.
det finns i grunden typer av oscillatorer
- 1. Sinusformade oscillatorer-dessa är kända som harmoniska oscillatorer och är i allmänhet en Oscillator av typen ”LC Tuned-feedback” eller ”RC tuned-feedback” som genererar en rent sinusformad vågform som har konstant amplitud och frekvens.
- 2. Icke-sinusformade oscillatorer – dessa är kända som Avslappningsoscillatorer och genererar komplexa icke-sinusformade vågformer som förändras mycket snabbt från ett tillstånd av stabilitet till ett annat, såsom ”kvadratvåg”, ”triangulär våg” eller ”sågtandad våg” typ vågformer.
Oscillatorresonans
När en konstant spänning men med varierande frekvens appliceras på en krets bestående av en induktor, kondensator och motstånd är reaktansen hos både kondensatorn/motståndet och induktorn / Motståndskretsarna att ändra både amplituden och fasen hos utsignalen jämfört med ingångssignalen på grund av reaktansen hos de använda komponenterna.
vid höga frekvenser är reaktansen hos en kondensator mycket lågverkande som en kortslutning medan induktorns reaktans är högverkande som en öppen krets. Vid låga frekvenser är det omvända sant, kondensatorns reaktans fungerar som en öppen krets och induktorns reaktans fungerar som en kortslutning.
mellan dessa två ytterligheter producerar kombinationen av induktorn och kondensatorn en ”avstämd” eller ”Resonant” krets som har en resonansfrekvens, ( audr ) där de kapacitiva och induktiva reaktansen är lika och avbryter varandra, vilket bara lämnar kretsens motstånd för att motsätta sig strömflödet. Detta innebär att det inte finns någon fasförskjutning eftersom strömmen är i fas med spänningen. Tänk på kretsen nedan.
grundläggande LC Oscillator Tank Circuit
kretsen består av en induktiv spole, L och en kondensator, C. kondensatorn lagrar energi i form av ett elektrostatiskt fält och som producerar en potentiell (statisk spänning) över sina plattor, medan den induktiva spolen lagrar sin energi i form av ett elektromagnetiskt fält. Kondensatorn laddas upp till likspänningen, V genom att sätta omkopplaren i läge A. När kondensatorn är fulladdad växlar omkopplaren till läge B.
den laddade kondensatorn är nu ansluten parallellt över den induktiva spolen så kondensatorn börjar ladda sig själv genom spolen. Spänningen över C börjar falla när strömmen genom spolen börjar stiga.
denna stigande ström sätter upp ett elektromagnetiskt fält runt spolen som motstår detta strömflöde. När kondensatorn, C är helt urladdat den energi som ursprungligen lagrades i kondensatorn, C som ett elektrostatiskt fält lagras nu i den induktiva spolen, L som ett elektromagnetiskt fält runt spolarnas lindningar.
eftersom det nu inte finns någon extern spänning i kretsen för att bibehålla strömmen i spolen börjar den falla när det elektromagnetiska fältet börjar kollapsa. En bakre emf induceras i spolen (e = -Ldi/dt) som håller strömmen i originalriktningen.
denna ström laddar upp kondensatorn, C med motsatt polaritet till sin ursprungliga laddning. C fortsätter att ladda upp tills strömmen minskar till noll och spolens elektromagnetiska fält har kollapsat helt.
den energi som ursprungligen infördes i kretsen genom omkopplaren har återförts till kondensatorn som återigen har en elektrostatisk spänningspotential över den, även om den nu har motsatt polaritet. Kondensatorn börjar nu urladdas igen genom spolen och hela processen upprepas. Polariteten hos spänningen ändras när energin passeras fram och tillbaka mellan kondensatorn och induktorn som producerar en AC-typ sinusformad spänning och strömvågform.
denna process utgör sedan grunden för en LC oscillatorer tankkrets och teoretiskt denna cykling fram och tillbaka kommer att fortsätta på obestämd tid. Men saker är inte perfekta och varje gång energi överförs från kondensatorn, C till induktorn, L och tillbaka från L till C uppstår vissa energiförluster som sönderfaller svängningarna till noll över tiden.
denna oscillerande verkan av att överföra energi fram och tillbaka mellan kondensatorn, C till induktorn, L skulle fortsätta på obestämd tid om det inte var för energiförluster inom kretsen. Elektrisk energi går förlorad i DC eller reellt motstånd hos induktorspolen, i kondensatorns dielektriska och i strålning från kretsen så att svängningen stadigt minskar tills de dör bort helt och processen stannar.
sedan i en praktisk LC-krets minskar amplituden för oscillationsspänningen vid varje halvcykel av svängning och kommer så småningom att dö bort till noll. Oscillationerna sägs sedan vara” dämpade ” med mängden dämpning som bestäms av kretsens kvalitet eller Q-faktor.
dämpade svängningar
frekvensen för oscillationsspänningen beror på värdet på induktansen och kapacitansen i LC-tankkretsen. Vi vet nu att för att resonans ska inträffa i tankkretsen måste det finnas en frekvenspunkt var värdet på XC, den kapacitiva reaktansen är densamma som värdet på XL, den induktiva reaktansen ( XL = XC ) och som därför kommer att avbryta varandra och lämnar endast DC-motståndet i kretsen för att motsätta sig strömflödet.
om vi nu placerar kurvan för induktorns induktiva reaktans ovanpå kurvan för kondensatorns kapacitiva reaktans så att båda kurvorna är på samma frekvensaxlar, kommer skärningspunkten att ge oss resonansfrekvenspunkten, ( kubr eller wr ) som visas nedan.
resonansfrekvens
var: ugir är i Hertz, L är i Henries och C är i Farads.
då frekvensen vid vilken detta kommer att hända anges som:
sedan genom att förenkla ovanstående ekvation får vi den slutliga ekvationen för resonansfrekvens, Sacr i en avstämd LC-krets som:
resonansfrekvens för en LC-Oscillator
- var:
- L är induktansen i Henries
- C är kapacitansen i Farads
- Aci R är utgångsfrekvensen i Hertz
denna ekvation visar att om antingen L eller C minskas ökar frekvensen. Denna utgångsfrekvens ges vanligtvis förkortningen av (audr) för att identifiera den som ”resonansfrekvens”.
för att hålla oscillationerna i en LC-tankkrets måste vi ersätta all energi som förloras i varje svängning och även upprätthålla amplituden för dessa svängningar på en konstant nivå. Mängden energi som ersätts måste därför vara lika med den energi som förloras under varje cykel.
om den ersatta energin är för stor skulle amplituden öka tills klippning av matningsskenorna inträffar. Alternativt, om mängden energi som ersätts är för liten, skulle amplituden så småningom minska till noll över tiden och oscillationerna skulle sluta.
det enklaste sättet att ersätta denna förlorade energi är att ta del av utgången från LC-tankkretsen, förstärka den och sedan mata den tillbaka till LC-kretsen igen. Denna process kan uppnås med hjälp av en spänningsförstärkare med en op-amp, FET eller bipolär transistor som aktiv enhet. Men om återkopplingsförstärkarens slingförstärkning är för liten, försvinner den önskade svängningen till noll och om den är för stor blir vågformen förvrängd.
för att producera en konstant svängning måste nivån på den energi som matas tillbaka till LC-nätverket kontrolleras noggrant. Då måste det finnas någon form av automatisk amplitud eller få kontroll när amplituden försöker variera från en referensspänning antingen upp eller ner.
för att upprätthålla en stabil svängning måste kretsens totala förstärkning vara lika med en eller enhet. Något mindre och oscillationerna kommer inte att starta eller dö bort till noll, mer kommer oscillationerna att inträffa men amplituden kommer att klippas av matningsskenorna som orsakar distorsion. Tänk på kretsen nedan.
grundläggande Transistor LC Oscillatorkrets
en bipolär Transistor används som LC oscillatorer förstärkare med den inställda LC tank krets fungerar som kollektor belastning. En annan spole L2 är ansluten mellan basen och emitteren hos transistorn vars elektromagnetiska fält är ”ömsesidigt” kopplat till spolen L.
”ömsesidig induktans” existerar mellan de två kretsarna och den föränderliga strömmen som strömmar i en spolkrets inducerar, genom elektromagnetisk induktion, en potentiell spänning i den andra (transformatoreffekt) så som oscillationerna uppträder i den avstämda kretsen överförs elektromagnetisk energi från spole L till spole L2 och en spänning med samma frekvens som den i den avstämda kretsen appliceras mellan transistorns bas och emitter. På detta sätt appliceras den nödvändiga automatiska återkopplingsspänningen på förstärkningstransistorn.
mängden återkoppling kan ökas eller minskas genom att ändra kopplingen mellan de två spolarna L och L2. När kretsen oscillerar är dess impedans resistiv och kollektor-och basspänningarna är 180o ur fas. För att upprätthålla oscillationer (kallad frekvensstabilitet) måste spänningen som appliceras på den avstämda kretsen vara ”i fas” med oscillationerna som förekommer i den avstämda kretsen.
därför måste vi införa ytterligare 180o-fasförskjutning i återkopplingsvägen mellan samlaren och basen. Detta uppnås genom att linda spolen av L2 i rätt riktning i förhållande till spole L vilket ger oss rätt amplitud och fasförhållanden för Oscillatorkretsen eller genom att ansluta ett fasskiftnätverk mellan förstärkarens utgång och ingång.
LC-oscillatorn är därför en ”sinusformad Oscillator” eller en ”harmonisk Oscillator” som den vanligtvis kallas. LC-oscillatorer kan generera högfrekventa sinusvågor för användning i RADIOFREKVENSAPPLIKATIONER (RF) med transistorförstärkaren av en bipolär Transistor eller FET.
harmoniska oscillatorer finns i många olika former eftersom det finns många olika sätt att konstruera ett LC-filternätverk och förstärkare med den vanligaste är Hartley LC Oscillator, Colpitts LC Oscillator, Armstrong Oscillator och Clapp Oscillator för att nämna några.
LC-Oscillatorexempel No1
en induktans på 200mh och en kondensator på 10pf är anslutna parallellt för att skapa en LC-oscillatortankkrets. Beräkna oscillationsfrekvensen.
då kan vi se från ovanstående exempel att genom att minska värdet på antingen kapacitansen, C eller induktansen, kommer L att ha effekten att öka oscillationsfrekvensen för LC-tankkretsen.
LC oscillatorer sammanfattning
de grundläggande villkoren som krävs för en LC oscillator resonanstankkrets anges enligt följande.
- för att oscillationer ska existera måste en oscillatorkrets innehålla en reaktiv (frekvensberoende) komponent antingen en” induktor”, (L) eller en” kondensator”, (C) samt en likströmskälla.
- i en enkel induktorkondensator, LC-krets, dämpas oscillationer över tiden på grund av komponent-och kretsförluster.
- spänningsförstärkning krävs för att övervinna dessa kretsförluster och ge positiv förstärkning.
- förstärkarens totala förstärkning måste vara större än en enhet.
- oscillationer kan bibehållas genom att mata tillbaka en del av utgångsspänningen till den inställda kretsen som har rätt amplitud och i fas, (0o).
- svängningar kan bara uppstå när återkopplingen är ”positiv” (självregenerering).
- kretsens totala fasförskjutning måste vara noll eller 360o så att utsignalen från återkopplingsnätet kommer att vara ”i fas” med ingångssignalen.
i nästa handledning om oscillatorer kommer vi att undersöka driften av en av de vanligaste LC-oscillatorkretsarna som använder två induktansspolar för att bilda en centrerad induktans inom sin resonanstankkrets. Denna typ av LC-oscillatorkrets är allmänt känd som en Hartley-Oscillator.
