Circuito VR: puentes oscilantes
Circuit VR es donde hablamos de circuitos y examinamos cómo funciona en simulación con LT Spice. Esta vez nos fijamos en un oscilador común de baja frecuencia llamado Vienna Bridge Oscillator.
¿Qué hace que un oscilador oscile? Un circuito con amplificación que recibe la misma cantidad de señal de salida en su entrada, en fase, oscilará. Este es el criterio de Barkhausen. Aquí exploraremos qué hace que un oscilador funcione en simulación y entenderemos un poco qué sucede cuando hay demasiada retroalimentación y muy poca.
En particular, veremos el oscilador de puente de Wien, un diseño muy simple que surgió como una forma de medir la impedancia en 1891. Las versiones modernas agregan algunas funciones adicionales, pero comencemos con la implementación más simple y vayamos hacia arriba.
Básico
Si piensa en los criterios de Barkhausen, es obvio que tendremos un amplificador en el medio de nuestro oscilador. Eso tiene sentido. Sin amplificación, la señal eventualmente se extinguiría debido a la pérdida. Puede pensar en un oscilador como un amplificador que continúa aumentando su salida a una cierta frecuencia, una especie de motor electrónico perpetuo. Por supuesto, la energía adicional proviene del amplificador, por lo que no se rompen las leyes físicas y, siempre que haya energía externa, funcionará.
Nuestro circuito consta de un amplificador y un circuito de filtro. A diferencia de otros osciladores que utilizan amplificadores inversores, el puente vienés utiliza un amplificador no inversor. Invertir una señal equivale a agregar un cambio de fase de 180 grados, lo que significa que la red de filtros debe desviarse 180 grados adicionales para que coincida con las fases de entrada y salida. Con el puente de Wien, el amplificador es reversible, por lo que necesitamos un circuito de filtro con cambio de fase cero. Veamos cómo se desarrolla eso.
Interconexión
Considere este esquema (puede descargar wien-network.asc desde GitHub). Con Spice, observe que V1 es solo un marcador de posición que le dice al código de análisis dónde barrer la frecuencia. RL, por supuesto, es solo una resistencia de carga y no afecta el funcionamiento del circuito.
R1 y C1 forma un filtro de paso alto. A bajas frecuencias, C1 tenderá a bloquear las señales. R2 y C2 forma un pasaje bajo. A altas frecuencias, C2 se acercará corto. Esto significa que la red combinada actúa como un filtro de paso de banda. La señal máxima ocurrirá en la frecuencia cuando la reactancia de C1 es el mismo que el valor de R1. Como utilicé todos los mismos valores, esa será la misma frecuencia donde C2La reactancia es la misma que R2valor.
Si la resistencia y la reactancia son iguales en alguna frecuencia, tiene sentido que el cambio de fase sea cero en la misma frecuencia. Puede calcular con bastante rapidez: 
Sin embargo, podemos hacerlo más fácil construyendo nuestro circuito en Spice y lanzando análisis de CA en él:
La línea blanca corresponde a una fase de cero grados y la línea de trazo punteada la cruza en el círculo rojo. Tenga en cuenta que también corresponde a la máxima transferencia de señal. Las matemáticas y la gráfica muestran que la tasa de cambio de fase cero es de alrededor de 3.4 kHz.
Pero tenga en cuenta que la ganancia aquí es de alrededor de -9,6 dB; la señal de salida es aproximadamente 1/3 de la entrada. Necesitaremos establecer la ganancia de amplificación en alrededor de tres para compensar esto. (¿Le gustaría una actualización rápida de los decibeles?) Con esta topología de filtro, resulta que no importa qué valores de R y C use, el cambio de fase cero es siempre 1/3, y la ganancia del amplificador siempre será ser. debe ser mayor que tres.
¿Esperar lo?
Está bien simplemente leer un número de diagrama, pero saquemos rápidamente la ganancia del filtro. Puedes pensar en R1/C1 y R2/C2 como impedancias complejas. A la frecuencia que nos importa, sabemos que la reactancia de C1 (y C2) será de 4,7 kΩ. El circuito se convierte en un divisor de voltaje con R1/C1 como el elemento "superior" y R2/C2 como la parte inferior. Llamemos a estos elementos Z1 y Z2.
Z1 será igual a la raíz cuadrada de la suma de R1 cuadrado y C1La reactancia al cuadrado, que es solo el doble de 4700 al cuadrado (recuerde C1la reactancia es 4700 en resonancia). Entonces Z1 es de aproximadamente 6.6 kΩ.
Z2 es más difícil porque son paralelos. Hay varias formas de pensarlo, pero me gusta tomar el recíproco de 4700, un cuadrado, multiplicar por dos y luego sacar la raíz cuadrada. Entonces Z2 es de aproximadamente 3.3 kΩ.
El voltaje con 6.6 kΩ arriba y 3.3 kΩ abajo resultará en 3.3 / (6.6 + 3.3) = 3.3 / 9.9 = 1/3. Si eres algebrista, puedes trabajar esto simbólicamente y descubrir que la respuesta es siempre 1/3 siempre que la resistencia sea positiva.
Reforzarse
Agregar un amplificador 3X es fácil. De hecho, solo necesita un poco más de ganancia para superar otras pérdidas en el circuito. (Ver wien-osc.asc desde GitHub.)
La R1/C1/R2/C2 La red es la misma que antes, pero ahora hay un amplificador operacional configurado como un amplificador no reversible. La ganancia se establece en R3 y R4. R3 debería estar alrededor de 50K y la ganancia es 1 + R4 / R3 que sería 3. Con el valor de 49.9K, la ganancia es solo un poco más. En la práctica, recuerde que las tolerancias y temperaturas de los componentes también influirán en los valores.
Hay dos cosas con las que debe tener cuidado para hacer esto y simular correctamente. Primero, necesita un modelo operativo real con ruido, para que comience la oscilación. Hay otras formas de introducir ruido, pero utilizar un modelo operativo práctico suele ser eficaz.
La otra cosa es que necesita la opción "uic" en el simulador .tran. Sin esto, el analizador inventa un estado inicial constante para los condensadores y no recibirá oscilación. Estas cosas son necesarias porque los elementos de simulación son demasiado perfectos.
Es interesante ver que la señal comienza pequeña y se hace un poco más grande cada vez que pasa por el bucle hasta que se aplana después de 90 milisegundos. Sin embargo, acerquemos el zoom después de que se inicie el oscilador. Tenga en cuenta que la traza verde (la entrada + del amplificador operacional) está en fase y aproximadamente 1/3 de la señal de salida es azul. Pruébelo y seleccione Ver | FFT en el menú del panel de gráfico para ver la salida a la frecuencia deseada y armonías ligeramente bajas. Como no hay control automático de ganancia (ver más abajo), hay algunos recortes, pero no es muy severo, porque en la simulación es bastante fácil obtener la ganancia del amplificador casi exactamente.
¿Y si?
Lo bueno de probar esto en Spice es que es muy fácil ajustar los parámetros y ver qué sucede. Trata de cambiar R5 hasta exactamente 50 kΩ. Luego empújelo más alto. Luego baja un poco. Verá que demasiado refuerzo produce distorsión. Demasiado poco hará que la señal finalice.
Muchos proyectos prácticos utilizan un dispositivo no lineal para establecer la ganancia de forma dinámica. La brillante idea que creó el primer producto de Hewlett-Packard, la HP200A en 1939, fue utilizar una bombilla como circuito regulador principal: a medida que aumenta el voltaje en el circuito, se calienta y aumenta la resistencia, reduciendo la ganancia. El esquema aparece en la patente original. Otra configuración común usa diodos para permitir una ganancia más alta al inicio, pero luego disminuye a medida que aumenta el nivel de la señal.
Trata de cambiar C1 o C2 independientemente. Obviamente, si los cambia juntos, o cambia R1 y R2 juntos, solo ajustará la frecuencia.
¿Qué sigue?
Si está buscando un desafío, ¿puede reemplazar el amplificador operativo con un transistor FET o bipolar? Recuerde que el amplificador debe estar en fase y tener una ganancia mayor o igual a tres en la frecuencia de interés, y más cercana a tres para evitar distorsiones.
Debido a que los amplificadores operativos generalmente están limitados a frecuencias más altas, no ve que el puente de Wien se use mucho en frecuencias más altas. Pero hay muchos otros tipos de osciladores que puede intentar simular. Sin embargo, casi todo el mundo tendrá esta estructura de amplificador con algún tipo de reacción. La retroalimentación total, incluido el amplificador, debe estar en fase y la ganancia total alrededor del bucle debe ser uno. En simulación, es realmente así de simple. En la práctica, sin embargo, existen muchos problemas, como capacitancia parásita, problemas no lineales no deseados y otras preocupaciones. Sin embargo, la simulación puede ayudar a aclarar su comprensión de cómo funcionan las cosas y hacer que la realización práctica de su proyecto sea lo menos dolorosa posible.
Ostraco dice:
"Circuit VR es donde hablamos de circuitos y examinamos cómo funciona en simulación con LT Spice".
Y aquí pensamos en la realidad virtual a través de un circuito físico (por muy emocionante que sea).
Ren dice:
Y pensé que Barkhausen era el lugar donde ponía dos perros cuando hacía demasiado ruido.
Elliot Williams dice:
¡Ja ja!
Es donde vas, metafóricamente, en Alemania cuando eras malo. "Olvidé las flores de San Valentín y las veo en Barkhaus".
La-Tecnologia: Ven a por la técnica, quédate con los juegos de palabras multilingües.
Jan Ciger (@ janoc200) dice:
¡Qué bueno ver un artículo como este!
Stuart Rubin dice:
Aprendí de los “viejos temporizadores” analógicos en mi primer trabajo sobre lo difícil que es producir osciladores. El dicho era "los osciladores no;
¡Los amplificadores servirán! (Traducción: especialmente en altas frecuencias, intente proyectar un amplificador y oscilará, e intente proyectar un oscilador y definitivamente no funcionará).¡Buen artículo!
Lucas dice:
Por lo tanto, una buena regla de diseño es usar siempre amplificadores inversos, ya que la reacción con cualquier efecto de molienda será negativa.
Entonces obtienes el efecto opuesto donde tus osciladores solo se amplificarán mientras que tus amplificadores no.
forwardprgrmr dice:
Utilice la topología de variable de estado: 2 o 3 amplificadores operacionales. Establezca la ganancia en la cantidad "correcta" para oscilar. Verifique la ganancia con VCA (¿Ese corpus?). Realice el ajuste para la ganancia de las salidas sin y cos (consulte la patente RMS de Dave Blackmer; él es dbx's db). sin ^ 2 + cos ^ 2 = 1 Puede bajar a frecuencias extremadamente bajas sin repetición.
Debe hacer una tergiversación del 0.01% sin ningún problema. De 0,1 Hz a 100 kHz.
Sería una simulación de LTspice elaborada, pero intentaré lograrlo algún día.Miroslav dice:
“Un circuito con refuerzo que recibe la misma cantidad”, ¿debería haber alguno?
Al Williams dice:
No, igual. Lo que significa que la ganancia del lazo es 1.
Kevin Kessler dice:
"El oscilador del puente de Viena, un diseño muy simple que surgió como una forma de medir la impedancia en 1891"
¿Cómo era un amplificador en 1891?
micro piedra dice:
Entonces no tenían buenos amplificadores. Eso es parte de lo que convirtió la tesis de maestría de Bill Hewlett en 1939 tan interesante.
Hewlett combinó la red sensible a la frecuencia de Wein con la patente de Howard Black en 1925 para redes de retroalimentación negativa y el artículo de Harry Nyquist "Teoría de la regeneración" en 1932 (un predecesor del crítico de Barkhausen) para diseñar un oscilador de alta sinusoida También demostró que un oscilador con suficiente ganancia para comenzar eventualmente se deslizaría y cortaría la onda sinusoidal en una onda cuadrada.
La solución fue agregar un circuito de retroalimentación no lineal que reduciría la ganancia del amplificador a medida que aumentaría la amplitud de salida. Un elemento fuertemente no lineal solo produciría cizallamiento a un voltaje más bajo, por lo que necesitaba algo cuyo valor no fuera lineal pero que cambiara gradualmente.
Eligió el filamento de tungsteno de una bombilla que tiene una sincronización positiva. La ejecución de la onda sinusoidal a través del filamento produjo un calor proporcional al voltaje RMS de la onda sinusoidal, el calor aumentó la resistencia del filamento y la colocación del filamento en un divisor de voltaje le dio a Hewlett un elemento de control de ganancia de buen comportamiento.
Lucas dice:
Si resuelve uno lentamente. Una vez más, el puente de Viena, sin embargo, no es fácil, ya que debe cambiar varios valores de componentes al mismo tiempo y el seguimiento entre dos potenciómetros o condensadores variables nunca es perfecto.
Shinsukke dice:
Como un chico solitario, siempre me impresiono a mí mismo, y un poco como todas las personas increíbles que entienden y trabajan con análogos.
Un dron dice:
HaD dijo: "Hay dos cosas con las que debes tener cuidado para que esto se simule correctamente. Primero, necesitas un modelo operativo real con ruido, para que comience la oscilación. Hay otras formas de introducir ruido, pero usando un modelo operativo práctico El modelo generalmente funciona. La otra cosa es que necesita la opción "uic" en el simulador .tran, de lo contrario, el analizador inventa un estado inicial constante para los condensadores y no obtendrá una oscilación. Estas cosas son necesarias porque la simulación los componentes son demasiado perfectos ".
En el desarrollo / simulación de circuitos SPICE (por ejemplo, LTspice), establecer la directiva uic (omitir una solución de punto de operación inicial) a menudo NO es la mejor manera de "activar" un oscilador como se usa en este ejemplo.
A menudo, una mejor manera (al menos en el desarrollo inicial) es establecer una condición inicial (directiva .ic SPICE) en un nodo cuidadosamente seleccionado (crítico) y dejar que la simulación se ejecute normalmente (sin la opción de directiva uic).
Sin usar uic, también usará (para este ejemplo vienés) un modelo de amplificador operacional “ideal”, o incluso un circuito o subcircuito conductor habitual, con o sin una fuente de ruido.
Confiar en un modelo de amplificador operacional "real" que (supuestamente) tiene "ruido" para que la oscilación comience (como se indica en el artículo) NUNCA es una garantía de que el circuito con un modelo de simulación física real de Op-Amp funcionará en el mesa de trabajo. Pero el uso de la directiva .ic en simulación en la etapa del proyecto le permitirá comprender qué nodos de circuito son críticos para inducir (o NO inducir) la oscilación.
No utilizar la opción uic le permitirá ver cómo el disolvente converge al punto de funcionamiento de equilibrio (consulte el registro de errores de SPICE).
El uso de la opción uic a menudo dará como resultado el ahorro de startups que pueden dañar lo que realmente desea ver en el Visor de forma de onda gráfica (a menos que tenga dificultades para personalizar la pantalla para eliminar la escala automática). En este ejemplo de simulación con uic habilitado, verá que la salida del amplificador operacional al inicio tiene un gran transitorio de +/- 10V. Está bien para esta simulación en particular, pero esto SERÁ un problema con la mayoría de los otros circuitos, especialmente con circuitos con una sola fuente de alimentación. Por supuesto, siempre puede eliminar los transitorios de inicio almacenando datos más tarde durante el tiempo de simulación, pero estamos más interesados en el comportamiento de inicio en este caso.
Finalmente, al no usar la opción uic y verificar cuidadosamente las direcciones de los nodos iniciales, debería poder reducir el tiempo de simulación requerido para ver qué sucede en la fase de desarrollo.
Como ejemplo rápido y sucio: en el esquema de simulación de LTspice "wien-osc.asc" descargado de GitHub como se vincula en el artículo HaD, haga lo siguiente:
1. Haga clic con el botón derecho en la directiva ".tran .250 uic" y desmarque la casilla "Omitir solución de punto de inicio de operación".
2. A la izquierda, haga clic en Editar> Directiva de especias y, en el cuadro emergente, escriba lo siguiente:
.ic V (n005) = 1
Ahora haga clic en Aceptar y coloque la línea de dirección en cualquier lugar de un espacio abierto del esquema.
3. Ejecute la simulación. Ahora, cuando haga clic en la salida del amplificador operacional en la ventana del visor de forma de onda, verá el inicio del oscilador de condición inicial establecido en V (n005) con la dirección .ic arriba.
4. Ahora que la simulación alcanza un estado estable más rápido con la directiva .ic y no uic, puede reducir significativamente los datos de simulación ahorrando tiempo en la directiva .tran (haga clic derecho sobre ella). Intente Stop Time: 50 en lugar de 250. Ahora la simulación alcanza un estado estable 5 veces más rápido.
5. Cuando termine la simulación, consulte el registro de errores de SPICE. Ahora que uic está apagado, puede ver los resultados de un punto de operación.
Recuerde que hay ocasiones en las que usar la opción uic es bueno y otras en las que es malo. Pruebe ambos métodos en diferentes etapas de su proyecto.
Siempre puede deshabilitar la directiva .ic en la ventana del esquema haciendo clic con el botón derecho y configurándola en Comentario. Luego haga clic derecho en la directiva .tran y encienda uic nuevamente.
Sugerencias para el autor del esquema de simulación de LTspice de ejemplo "wien-osc.asc" descargado de GitHub:
* Incluya el archivo de trazado adjunto .plt Waveform Viewer junto con el archivo de esquema .asc cuando publique una simulación de muestra. También incluya el archivo .log incluso si la salida del registro de errores se relaciona con la simulación.
* Etiquete los nodos que muestra en su archivo .plt Waveform Viewer. Facilita la documentación de la simulación. Simplemente haga clic en el icono "Label Net" en LTspice.
Diviértete 🙂
Un dron dice:
Errores tipográficos: "Tampoco utilizo uic [allow] utiliza (para este ejemplo vienés) un modelo de amplificador operacional “ideal”, o incluso un circuito o subcircuito conductor habitual, con o sin una fuente de ruido. "
Al Williams dice:
Gracias por las notas detalladas. Usé .ic, pero quería mantener esto simple por brevedad, ya que no siempre es obvio en algunos circuitos dónde poner la condición inicial.
Excelentes consejos para etiquetar parcelas. La mayor parte de mi Spice estaba en tarjetas de truco y sabía cómo etiquetar redes, pero no sabía que se podían etiquetar las pistas de la trama. Buen consejo.
Dmalhar dice:
"Invertir una señal equivale a agregar un equipo de fase de 180 grados",
En el caso de osciladores, ondas auto-cos, ondas cuadradas, realmente
Pero, en el caso de ondas rectangulares, no realmente. Cada vez que les explico algo a mis amigos / estudiantes y digo "invertido", todos asumen convenientemente que significa un cambio de fase de 180 °. Lo que no es cierto para una onda PWM rectangular o modulada continuamente.
¿Cómo eliminas este simbolismo de que “el cambio de 180º es una inversión” de las mentes de todos los que te rodean?
Incluso muchos de mis profesores piensan lo mismo. ¿Qué piensas desde una perspectiva de onda simétrica cada vez?Dmalhar dice:
Sin embargo, un gran artículo por lo demás.
Perro p dice:
¿No se han utilizado bombillas incandescentes en los osciladores de puente wein por alguna razón?
Yann Guidon / YGDES dice:
https://cdn.la-tecnologia.io/images/3605721464296374306.png
¿Eso califica?
fuente: https://la-tecnologia.io/project/9376-yet-another-discrete-clock/log/38746-success-a-minimalist-single-mosfet-quartz-oscillator
Pete Willard dice:
P-DOG, el proyecto innovador de Hewlett * ES * la razón por la que estos osciladores usaban bombillas incandescentes y todavía se encuentra en proyectos en la actualidad. También fue la base de su primer producto y lo que hizo que ese producto fuera único y deseable.
