RC oscilátory harmonických kmitů


Sinusové oscilátory - úvod:

Oscilátory jsou generátory harmonického střídavého elektrického signálu, který zpracovávají další elektronické obvody. Oscilátor je typický dvojpól (neboť nezpracovává žádný vstupní signál).

V oscilátoru mohou vznikat kmity - oscilace elektrického proudu dvěma způsoby:

- zesilovačem s vhodnou kladnou zpětnou vazbou (zpětnovazební oscilátory);

- elektrickým prvekem se záporným diferenciálním odporem (např. tunelová dioda).

Sinusové generátory se zpětnou vazbou musí splňovat 2 podmínky oscilace, aby došlo ke vzniku oscilací, a to:


1) Amplitudová podmínka:

(říká, že oscilátor může kmitat pouze tehdy, jestliže pokles zesílení vyrovnává zpětnovazební článek);

2) Fázová podmínka:

(říká, že kmitání se může udržet pouze tehdy, je-li výstupní napětí ve fázi se vstupním napětím).

Splnění podmínek oscilací se dosahuje zapojením kladné zpětné vazby s využitím:

- rezonančního obvodu LC;

- krystalu (druh rezonančního obvodu);

- obvodů RC.


Zpětnovazební RC oscilátory - úvod:

Zpětnovazební RC oscilátory mají řídící obvod (obvod zpětné vazby) sestaven z členů R a C tak, aby tvořili čtyřpól, který umožní spolu s přenosovými vlastnostmi aktivního čtyřpólu splnit amplitudovou a fázovou podmínku vzniku oscilací. Členy R a C určují frekvenci oscilací.

Základní princip RC oscilátorů je shodný se všemi zpětnovazebními oscilátory: zavedením vhodné kladné zpětné vazby z výstupu zesilovače na jeho vstup se obvod rozkmitá.

Podle základního zapojení RC oscilátorů je můžeme roztřídit do 2 skupin:

- na můstkové oscilátory RC;

- na oscilátory RC s posuvem fáze.


Zpětnovazební RC - oscilátory s posuvem fáze:

Tyto oscilátory mají ve zpětnovazebním řídícím čtyřpólu zapojeny kaskádu členů RC (zpravidla 3 členy RC), které jsou zapojeny jako derivační články nebo integrační články. Jako aktivní čtyřpól se volí zpravidla jednostupňový zesilovač v zapojení SE (blokové schéma obr. A, principiální schéma obr. B). Zapojení se rozkmitá na frekvenci, při které kaskáda členů RC vyvolá fázový posun 180°.



Rozbor oscilátoru:

Zesilovač v zapojení SE má fázový posun roven: A = ,

pak fázový posun kaskády musí být roven (v oboru 2): =

Jednotlivé RC členy kaskády se zpravidla volí s časovou konstantou (viz obr. A): = 100RC ,

což má jedinou výhodu v tom, že se články vzájemně nezatěžují.

Výpočtem bychom zjistili, že každý RC člen (při kaskádě 3 členů RC) musí posouvat fázi o /3 a zesilovač musí mít přenos roven 8.

Vzhledem k těžkostem s amplitudovou a frekvenční nestabilitou se tento druh oscilátoru v praxi používá málo.







Zpětnovazební RC oscilátory - můstkové:

Tyto oscilátory mají ve zpětnovazebním řídícím čtyřpólu zapojeny kombinace členů RC, která vytváří můstkové zapojení a zavádí mezi výstup a vstup zesilovače kombinaci kmitočtově závislé kladné zpětné vazby (zajišťuje vznik oscilací) s kmitočtově nezávislou zápornou zpětnou vazbou (zajišťuje stabilitu amplitudy kmitů). Jako zpětnovazební čtyřpól se nejčastěji používá Wienův článek (lze použít ale i dvojitý T-článek) (obr. A, B a C).



Rozbor oscilátoru:

Přenos Wienova článku (obr. C) je dán:


Dále uvažujeme, že v praxi se nejčastěji používá zapojení, kde R = R1 = R2 a C = C1 = C2.

Kvazirezonanční (kritický) kmitočet (zároveň i oscilační kmitočet) určíme při Im() = 0:

Přenos při kvazirezonančním kmitočtu je roven:

Fáze při kvazirezonančním kmitočtu je rovna:

Abychom splnili amplitudovou a fázovou podmínku oscilací, musíme dosáhnout toho, aby aktivní čtyřpól měl při frekvenci fo tyto parametry:

,

Těmto požadavkům nejlépe vyhovuje operační zesilovač zapojený v neinvertujícím zapojení (obr. A), jehož napěťové zesílení nastavíme na A(fo) změnou poměru odporů R1 a R2.

V případě, že bychom oscilátor zapojovali s diskrétními součástkami, pak by se použil zesilovač v zapojení SE, který musí být tvořen dvěma stupni, aby došlo k posunu fáze o 360° (obr. B).

Přelaďování oscilátoru na jiné kmitočty je snadnější (než u RC oscilátorů s posuvem fáze) a lze ho uskutečnit změnou hodnoty dvou členů RC (tj. zároveň oba R a oba C) nebo jednoho členu RC (tj. zároveň oba R nebo oba C).


Zpětnovazební RC oscilátory - vlastnosti:

Vlastnosti: nf oscilátory s kmitočtem cca jednotky Hz - stovky kHz; možnost užití v integrované podobě (narozdíl od LC oscilátorů neobsahují indukčnost); možnost přeladitelnosti v poměrně širokých mezích (u můstkových oscilátorů).


dlabos.wz.cz