Faseskifter
En faseskifter er en elektronisk krets som forskyver fasen av en elektrisk svingning. Graden av dette skiftet er gitt i grader eller som en del av hele sirkelen (360 °). Avhengig av frekvens, er det forskjellige muligheter for teknisk implementering. Ved lave frekvenser brukes komponenter av reaktive motstander som oppstår i induktanser og kapasitanser for teknisk implementering . Ved høye frekvenser brukes kjøretidsforskjeller av omkjøringslinjer.
arter
I prinsippet kan følgende grupper av faseskifter skilles ut:
- Frekvensavhengig faseforskyvning. Faseskiftet til en bestemt frekvens oppnås ved å skifte inngangssignalet over tid. Siden forskjellige frekvenser har periodetider med forskjellige lengder, er faseforskyvningen imidlertid forskjellig avhengig av frekvensen. Dette skjemaet kan implementeres ved hjelp av passende termelementer eller i form av all-pass .
- Frekvensneutrale faseskiftere. Disse kretsene forskyves jevnt over et spektrum med en viss vinkel. Det resulterende signalet er vanligvis komplekst verdsatt . Disse faseskiftene er også kjent som Hilbert-transformatorer og bruker den såkalte Hilbert-transformasjonen . Hver Hilbert-transformator får spekteret til å rotere 90 °. Hilbert-transformasjonen spiller en sentral rolle i signalbehandling og brukes blant annet innen moduleringsteknologi .
Lave frekvenser
Analog teknologi
I elektronikk brukes vanligvis et RC-element (eller et nettverk av RC-elementer) til faseskifting . Her brukes strømmen på kondensatoren, som er forskjøvet i tid i forhold til spenningen. Strømmen fører spenningen med 90 ° (se faseforskyvning ved reaktansen ) og påvirker dermed en faseforskyvning mellom de to spenningene som påføres komponentene når en kondensator og motstand er koblet i serie.
Den motstandsverdi R og reaktansen JX av kondensatoren må tilsettes vektorielt for å bestemme den gjeldende. Graden av faseforskyvning mellom strøm og spenning reduseres ved seriekoblingen med en motstand til <90 °. Fordi kondensatorens reaktans er frekvensavhengig, er faseforskyvningen til RC-elementet også frekvensavhengig.
Faseskiftet kan gjøres justerbart ved å bruke potensiometre eller elektronisk styrbare motstander. I prinsippet kan en spole med sammenlignbare resultater brukes i stedet for en kondensator, men dette brukes sjelden på grunn av de høyere kostnadene.
Et eksempel på faseforskyvning med kondensator er generering av hjelpefasen i kondensatormotoren eller i Steinmetz-kretsen . En hybrid form for digital og analog faseforskyvning er CCD- prinsippet ( skuffelagring ).
Digitale faseskiftere
Digitale signaler kan faseforskyves med
- de forskyves gjennom et FIFO-minne ( skiftregister )
- kantene er forsinket med konstante tider (bare mulig hvis den korteste pulsvarigheten> forsinkelsen)
- ved hjelp av tidselementer ( monoflops ) og en logisk krets
- ved å generere en trekantet bølge og påfølgende komparatorer
Den sistnevnte metoden brukes for eksempel med en type strømforsyning med svitsjet modus (faseskifter) for å mate en transformator med en symmetrisk firkantbølgespenning som kan kontrolleres i sin effektive verdi over pulsvarigheten.
Høye frekvenser
Ved høye frekvenser oppnås faseforskyvningene på en kablet overføring av omkjøringslinjer ( forsinkelseslinjer ) med en definert lengde. Ved lengre forsinkelsestider (opptil ca. 1 µs) kan de nødvendige kabellengder bare oppnås ved vikling. For enda lengre tider (f.eks. 180 ° faseforskyvning av bildesignalet i fjernsynsmottakere ved linjefrekvensen, dvs. 64 µs), brukes ultralydforsinkelseslinjer.
Når det gjelder koaksiale linjer eller bølgeledere, er faseforskyvningen mulig opp til forsinkelsestider der den nødvendige lengden fremdeles er håndterbar (ca. 3… 5 ns per meter). En øvre grensefrekvens bestemmes av forholdet mellom bølgelengden og tykkelsen på kabelen og den mulige presisjonen til posisjonering av linjeforbindelser i mikrometerområdet. Denne metoden kan brukes uten problemer ved frekvenser opptil 100 GHz.
Grafikken viser en faseskifter som kan bytte hvilken som helst fasevinkel mellom 0 ° og 315 ° med tre biter i trinn på 45 °. Bryterne vist i grafikken er implementert i praksis ved hjelp av PIN-dioder som kan bytte høy effekt på noen få nanosekunder. Bildet viser en faseskifter som bruker kontrollinjer med en bredde på fire biter for å bytte fasevinkler mellom 0 ° og 337,5 ° i trinn på 22,5 °. Lengden på omkjøringslinjene er frekvensavhengig og er også avhengig av forplantningshastigheten til bølgene i mediet, dvs. en forkortingsfaktor er effektiv i en kabel . Fasehastigheten er større i en bølgeleder , og det er derfor en forkortingsfaktor større enn 1 er effektiv her.
applikasjoner
Faseskiftgenerator
For lavfrekvente oscillatorer brukes også tilbakemeldingsforsterkere , som er utstyrt med en faseskiftekjede. For at disse kretsene skal generere vibrasjoner, må to betingelser være oppfylt:
- tilbakemeldingen må være i fase, det vil si at faseskiftet til forsterkeren og tilbakekoblingskretsen må være totalt 0 ° (eller i henhold til periodisiteten til sinusfunksjonen n · 360 ° );
- forsterkningen til systemet må være 1 , dvs. kraften som leveres til en last må være lik kraften som genereres.
Fasetilstand
Kretsprinsippet i bildet ovenfor er basert på et inverterende forsterkerstadium (som fungerer som en faseforskyvning på 180 ° med de sinusformede signalene som er tilstede her ) med en transistor og et RC-nettverk med faseforskyvende effekt i tilbakemeldingsgrenen. Frekvensavhengigheten til RC-elementene blir spesielt utnyttet her. Hvert RC-element må bare forskyves med 60 °, og med tre elementer kan du oppnå hele faseskiftet på 180 ° på nøyaktig en frekvens. Denne frekvensen forsterkes fortrinnsvis av den inverterende forsterkeren og svingningsbetingelsen er oppfylt. Faseskiftekjeden kan konstrueres med tre elementer ( 3 - 60 ° ) eller fire elementer ( 4 - 45 ° ) for å kompensere for faseomvendingen (180 °) av forsterkerstadiet. Hvis du bruker en OpAmp med høy inngangsmotstand og dermed lav belastning i stedet for en transistor , kan du til og med klare deg med to lenker på 90 ° hver (teoretisk maksimum). Den siste motstanden til faseskiftekjeden kan være lik inngangsmotstanden til forsterkeren. Hvis den genererte frekvensen skal gjøres justerbar, er en eller flere motstander av disse RC-elementene utformet som potensiometere (muligens i tandemversjon).
Et annet kretsprinsipp er Wien-brogeneratoren ; i dette tilfellet fungerer en seriekobling av R og C til en RC parallellforbindelse i tilbakemeldingsgrenen til et ikke-inverterende forsterkerstrinn. Hvis R- og C-verdiene er de samme, er faseforskyvningen null for nøyaktig en frekvens, slik at fasebetingelsen oppfylles sammen med det ikke-inverterende forsterkerstrinnet. Slike oscillatorer med en Wien-bro er for eksempel implementert som en lavfrekvent sinusbølgenerator (laboratorieinnretning). En variabel kondensator brukes til å endre svingningsfrekvensen.
Ytelsestilstand
I denne kretsen er utformingen av forsterkningsfaktoren til forsterkerstadiet kritisk. Hvis den er for stor, øker den genererte amplituden til forsterkeren kjøres til et driftspunkt der forsterkningen igjen er mindre (øvre grenseområde). På denne måten oppfylles ytelsesbetingelsen igjen, men i dette begrensningsområdet genereres ikke mer sinusform, men snarere en rektangulær svingning med mange overtoner .
Hvis forsterkningsfaktoren er for liten, blir det hentet for mye energi fra lasten (dette inkluderer også motstanden mellom kollektoren og driftsspenningen) og svingningen starter ikke automatisk. Hvis generatoren i dette tilfellet er eksternt begeistret, reagerer den med dempede svingninger . Faseskiftgeneratorer er derfor vanligvis utstyrt med en amplitudekontroll. I mange slike generatorer består denne kontrollen av en PTC- termistor (liten glødelampe ) designet som en negativ tilbakemelding , som varmes opp med økende amplitude på grunn av den høyere effektive strømmen og dermed øker dens motstand og negative tilbakemelding.
Signalet må kobles fra med så høy motstand som mulig for ikke å la vibrasjonene avta på grunn av mulig overbelastning. Av denne grunn er en emitterfølger ofte koblet nedstrøms oscillatoren for frakobling .
Ringoscillator
Et eksempel på en faseforskyvningsoscillator er ringoscillatoren . Frekvensen bestemmes av fasedreiningene til de enkelte transistortrinnene. Den brukes til å bestemme avskjæringsfrekvensen for nyutviklede transistorer i integrerte kretser (HF-teknologi, digital teknologi), siden transistorene ikke lenger kan måles diskret (opptil noen få 100 GHz).
Høyfrekvente applikasjoner
- Faseskiftere brukes i stort antall i fasede antenner og styres av en sentral datamaskin for å forme og svinge antennediagrammet . Med aktive antenner kan de brukes før effektforsterkeren og trenger derfor bare å bytte veldig lav effekt, noe som gjør monteringen mindre og mer kompakt.
- For kontroll- og målingsapplikasjoner brukes HF-tette mekaniske konstruksjoner som muliggjør mating eller frakopling på en kabelseksjon. Koblingens mekaniske posisjon kan forskyves på kabelseksjonen. På denne måten kan en stående bølge oppdages på linjen ( Lecher line ) eller et målesignal kan mates inn i et HF-system med en definert faseposisjon.
weblenker
- www.spicelab.de
- www.radartutorial.eu (eksempel på høyfrekvensapplikasjonen i radaropplæringen )
litteratur
- Edgar Voges : High Frequency Technology , Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg 1987, seksjon 13 “To-port oscillatorer”, ISBN 3-7785-1270-6 .
- Helmut Vogel: Fysikk. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1993, 17. utgave, s. 433 ff.
Individuelle bevis
- ↑ a b Wien - Robinson - oscillator basic circuit Vienna bridge oscillator
- ↑ idw-online.de: Frekvensrekord med Si / SiGe-transistorer
- ↑ heise online: Frekvensrekord: 670 GHz forsterker