Faseskifter

Tre sinusformede svingninger forskudt med 120 ° mod hinanden

En faseskifter er et elektronisk kredsløb, der forskyder fasen af en elektrisk svingning. Graden af ​​dette skift er angivet i grader eller som en del af den fulde cirkel (360 °). Afhængigt af hyppigheden er der forskellige muligheder for teknisk implementering. Ved lave frekvenser anvendes komponenter af reaktive modstande, der forekommer i induktanser og kapaciteter , til teknisk implementering . Ved høje frekvenser bruges kørselsforskelle ved omvejslinjer.

arter

I princippet kan der skelnes mellem følgende grupper af faseskiftere:

  • Frekvensafhængig faseskift. Faseforskydningen af ​​en bestemt frekvens opnås ved at forskyde indgangssignalet over tid. Da forskellige frekvenser har perioder med forskellige længder, er faseforskydningen imidlertid forskellig afhængigt af frekvensen. Denne form kan implementeres ved hjælp af passende termelementer eller i form af all-pass .
  • Frekvensneutrale faseskiftere. Disse kredsløb skifter ensartet over et spektrum med en bestemt vinkel. Det resulterende signal er normalt kompleksværdisk . Disse faseskiftere er også kendt som Hilbert-transformere og bruger den såkaldte Hilbert-transform . Hver Hilbert-transformator får spektret til at rotere 90 °. Hilbert-transformationen spiller en central rolle i signalbehandling og bruges blandt andet inden for moduleringsteknologi .

Lave frekvenser

Modstandsvektordiagram

Analog teknologi

I elektronik bruges normalt et RC-element (eller et netværk af RC-elementer) til faseskift . Her anvendes strømmen ved kondensatoren, som er forskudt i tid i forhold til spændingen. Strømmen fører spændingen 90 ° (se faseforskydning ved reaktansen ) og påvirker således en faseforskydning mellem de to spændinger, der påføres komponenterne, når en kondensator og modstand er forbundet i serie.

Den modstandsværdi  R og reaktans  JX af kondensatoren skal tilsættes vektorielt at bestemme den aktuelle. Graden af ​​faseforskydning mellem strøm og spænding reduceres ved serieforbindelse med en modstand til <90 °. Fordi kondensatorens reaktans er frekvensafhængig, er faseforskydningen af ​​RC-elementet også frekvensafhængig.

Faseskiftet kan justeres ved hjælp af potentiometre eller elektronisk styrbare modstande. I princippet kan en spole med sammenlignelige resultater anvendes i stedet for en kondensator, men dette bruges sjældent på grund af de højere omkostninger.

Et eksempel på faseforskydning med en kondensator er genereringen af ​​hjælpefasen i kondensatormotoren eller i Steinmetz-kredsløbet . En hybrid form for digital og analog faseforskydning er CCD- princippet ( bucket chain storage ).

Digitale faseskiftere

Digitale signaler kan faseforskydes med

  • de flyttes gennem en FIFO-hukommelse ( skiftregister )
  • deres kanter er forsinket med konstante tider (kun muligt, hvis den korteste pulsvarighed> forsinkelse)

Den sidstnævnte metode anvendes for eksempel med en type switch-mode strømforsyning (faseskifter) til at føde en transformer med en symmetrisk firkantbølgespænding, der kan styres i sin effektive værdi over pulsvarigheden.

Høje frekvenser

Princippet om at tænde bypass-linjer til faseskift
praktisk eksempel fra en radarindretning

Ved høje frekvenser opnås faseforskydningerne på en kabelforbundet transmission med omvejslinjer ( forsinkelseslinjer ) med en defineret længde. I tilfælde af længere forsinkelsestider (op til ca. 1 µs) kan de krævede kabellængder kun opnås ved vikling. I endnu længere tid (f.eks. 180 ° faseforskydning af billedsignalet i fjernsynsmodtagere ved linjefrekvensen, dvs. 64 µs), anvendes ultralydsforsinkelseslinjer.

I tilfælde af koaksiale linjer eller bølgeledere er faseskift mulig indtil forsinkelsestider, hvor den krævede længde stadig kan håndteres (ca. 3… 5 ns pr. Meter). En øvre grænsefrekvens bestemmes af forholdet mellem bølgelængde og kabeltykkelsen og den mulige præcision af placeringen af ​​linjeforbindelser i mikrometerområdet. Denne metode kan bruges uden problemer ved frekvenser op til 100 GHz.

Grafikken viser en faseskifter, der kan skifte enhver fasevinkel mellem 0 ° og 315 ° med tre bits i 45 ° trin. Kontakterne vist i grafikken implementeres i praksis ved hjælp af PIN-dioder, der kan skifte høj effekt på få nanosekunder. Billedet viser en faseskifter, der bruger kontrollinjer med en bredde på fire bits til at skifte fasevinkler mellem 0 ° og 337,5 ° i trin på 22,5 °. Omvejslinjernes længde er frekvensafhængig og afhænger også af udbredelseshastigheden for bølgerne i mediet, dvs. en forkortelsesfaktor er effektiv i et kabel . Fasehastigheden er større i en bølgeleder , hvorfor en afkortningsfaktor større end 1 er effektiv her.

Ansøgninger

Faseskiftgenerator

Grundlæggende kredsløb for en faseforskydningsgenerator til næsten sinusformede udgangsspændinger

Til lavfrekvente oscillatorer anvendes også feedbackforstærkere , som er udstyret med en faseskiftekæde. For at disse kredsløb skal generere vibrationer, skal to betingelser være opfyldt:

  1. feedbacken skal være i fase, der er, skal faseforskydning på forstærkeren og tilbagekoblingskredsløbet alt 0 ° (eller ifølge den periodicitet den sinusfunktion n · 360 ° );
  2. forstærkning af systemet skal være 1 , dvs. den effekt, der leveres til en belastning, skal være lig med den genererede effekt.

Fasetilstand

Kredsløbsprincippet på billedet ovenfor er baseret på et inverterende forstærkerstrin (som fungerer som et faseforskydning på 180 ° med de her tilstedeværende sinusformede signaler ) med en transistor og et RC-netværk med faseforskydningseffekt i feedbackgrenen. Frekvensafhængigheden af RC-elementer udnyttes specifikt her. Hvert RC-element skal kun skifte med 60 °, og med tre elementer kan du opnå hele faseforskydningen på 180 ° med nøjagtigt en frekvens. Denne frekvens forstærkes fortrinsvis af den inverterende forstærker, og svingningsbetingelsen er opfyldt. Faseskiftekæden kan konstrueres med tre elementer ( 3 - 60 ° ) eller fire elementer ( 4 - 45 ° ) for at kompensere for faseomvendelsen (180 °) af forstærkertrinnet. Hvis du bruger en OpAmp med sin høje inputmodstand og dermed lave belastning i stedet for en transistor , kan du endda klare dig med to forbindelser ved 90 ° hver (teoretisk maksimum). Den sidste modstand i faseskiftekæden kan være lig med forstærkerens inputmodstand. Hvis den genererede frekvens skal gøres justerbar, er en eller flere modstande af disse RC-elementer designet som potentiometre (muligvis i tandemversion).

Et andet kredsløbsprincip er Wien-brogeneratoren ; i dette tilfælde fungerer en serieforbindelse af R og C til en RC parallel forbindelse i feedbackgrenen på et ikke-inverterende forstærkerstrin. Hvis R- og C-værdierne er de samme, er faseforskydningen nul for nøjagtigt en frekvens, således at fasebetingelsen er opfyldt sammen med det ikke-inverterende forstærkerstrin. Sådanne oscillatorer med en Wien-bro implementeres for eksempel som en lavfrekvent sinusbølgenerator (laboratorieindretning). En variabel kondensator bruges til at ændre oscillationsfrekvensen.

Ydelsestilstand

I dette kredsløb er designet af forstærkningsfaktorens forstærkningsfaktor kritisk. Hvis den er for stor, øges den genererede amplitude, indtil forstærkeren drives til et driftspunkt, hvor forstærkningen igen er mindre (øvre grænseområde). På denne måde opfyldes præstationsbetingelsen igen, men i dette begrænsningsområde genereres ikke mere sinusformet form, men snarere en rektangulær svingning med mange harmoniske .

Hvis forstærkningsfaktoren er for lille, trækkes der for meget energi fra belastningen (dette inkluderer også modstanden mellem solfangeren og driftsspændingen), og svingningen starter ikke automatisk. Hvis generatoren i dette tilfælde er eksternt ophidset, reagerer den med dæmpede svingninger . Phase shift-generatorer er derfor normalt udstyret med en amplitude-kontrol. I mange sådanne generatorer består denne kontrol af en PTC- termistor (lille glødelampe ) designet som en negativ feedback , som opvarmes med stigende amplitude på grund af den højere effektive strøm og dermed øger dens modstand og negative feedback.

Signalet skal afkobles med en så høj modstand som muligt for ikke at lade vibrationerne aftage på grund af mulig overbelastning. Af denne grund forbindes en emitterfølger ofte nedstrøms for oscillatoren til afkobling .

Ringoscillator

Et eksempel på en faseforskydningsoscillator er ringoscillatoren . Frekvensen bestemmes af fasedrejningerne for de enkelte transistortrin. Det bruges til at bestemme afskæringsfrekvensen for nyudviklede transistorer i integrerede kredsløb (HF-teknologi, digital teknologi), da transistorer ikke længere kan måles diskret (op til nogle få 100 GHz).

Højfrekvente applikationer

  • Faseskiftere bruges i stort antal i fasede array-antenner og styres af en central computer til at forme og dreje antennediagrammet . Med aktive antenner kan de bruges før effektforstærkeren og behøver derfor kun at skifte meget lav effekt, hvilket gør enheden mindre og mere kompakt.
  • Til kontrol- og måleanvendelser anvendes HF-tætte mekaniske konstruktioner, der muliggør tilførsel eller afkobling på en kabelsektion. Koblingens mekaniske position kan forskydes på kabelsektionen. På denne måde kan en stående bølge detekteres på linjen ( Lecher-linjen ) eller et målesignal kan føres ind i et HF-system med en defineret faseposition.

Weblinks

litteratur

  • Edgar Voges : Højfrekvent teknologi , Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg 1987, afsnit 13 “To-port oscillatorer”, ISBN 3-7785-1270-6 .
  • Helmut Vogel: Fysik. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1993, 17. udgave, s. 433 ff.

Individuelle beviser

  1. ↑ en b Wien - Robinson - oscillator grundlæggende kredsløb Wien bro oscillator
  2. ↑ idw-online.de: Frekvensregistrering med Si / SiGe-transistorer
  3. ↑ heise online: Frekvensrekord: 670 GHz forstærker