Dlaczego nie ma układu oscylatora fali sinusoidalnej? [Zamknięte]

Próbuję stworzyć prosty, ale dobry generator fali sinusoidalnej, który wytworzy 1Vpp @ 1kHz.

Fale sinusoidalne są oscylacjami natury. Są wszędzie. Można by pomyśleć, że elektroniczna fala sinusoidalna byłaby bułką z masłem. Najwyraźniej nie tak. SE jest pełen pytań, jak je wykonać. Obecnie po prawej stronie tego ekranu znajduje się 9 podobnych pytań . Większość z nich wydaje się mieć problemy.

Filtry dolnoprzepustowe, górnoprzepustowe, oscylatory pierścieniowe i mosty Wien z egzotycznymi żarówkami z 1960 r. Przetworniki cyfrowo-analogowe i Arduinos. Większość wydaje się nie działać lub nie można zmusić ich do oscylacji w pakiecie symulacyjnym. Niektóre produkują trójkąty zamiast sinusów. Niektóre projekty wymagają znajomości cewek indukcyjnych.

Dlaczego to takie trudne? Fale o kształcie kwadratu, zęba piły i trójkąta wydają się łatwe, ale nie istnieją w naturze. Ponieważ są one tak przydatne, pomyślałbym, że po prostu kupię układ oscylatora sinusoidalnego (jak wariant sinusoidalny NE555), dodam rezystor i kondensator i wyłączę falę o czystości 99,99%. Coś mi brakuje, ale wydaje się, że prosta elektronika nie jest szczególnie kompatybilna z generatorami fal sinusoidalnych?

Jeśli potrzebujesz sygnału o czystości 99,99%, generatory sygnałów kwadratowych, piłokształtnych i trójkątnych zawodzą. Jak pisałeś, te sygnały nie istnieją w naturze i naprawdę nie istnieje tak naprawdę precyzyjny sygnał techniczny tego kształtu. Idealne przejście krokowe nie istnieje, a idealna rampa też nie jest prawdziwa.

Problem z dokładnym analogowym generatorem sygnału polega na koniecznej regulacji amplitudy. Trochę mniejsze wzmocnienie i sygnał powoli znika, trochę za dużo, a sygnał zatoki jest zniekształcony. Idealna regulacja amplitudy jest trudna w przypadku wolnych sygnałów sinusoidalnych.

Główny problem z generowaniem fali sinusoidalnej polega na tym, że do tango potrzeba dwóch elementów rezonansowych, powodując przesunięcie fazowe o 180 ° - klasycznie cewka indukcyjna i kondensator. W RF nie stanowi to problemu - cewki indukcyjne są łatwe. Jednakże, gdy wchodzisz w niższe częstotliwości, zaangażowane duże cewki indukcyjne stają się nieporęczne, dlatego stosuje się alternatywne podejścia do generowania sinusów oparte na wielu sieciach RC, filtrach lub sieciach kształtowych. Podejścia do sieci RC lub filtrów są dobre dla sinusów o stałej częstotliwości - most w Wiedniu z czasów Hewletta jest nadal dość opłacalnym obwodem i wystarczająco prosty do wdrożenia wokół podwójnego opampa bez lampy, ponieważ istnieją alternatywy dla żarówki do stabilizacji wzmocnienia - Wykres 43 w LTC AN43jest tutaj twój przyjaciel, przedstawiony poniżej (aplikacja ma lepsze wersje, ale rysunek 43 wystarcza, aby pokazać tę koncepcję).

Jeśli jednak potrzebujesz zwinnego źródła sinusoidalnego przy niskich częstotliwościach, wymóg mostu Wienna dla potencjometru podwójnego lub równoważnego elementu elektronicznego jest wadliwy. W tym momencie pojawiły się w pełni analogowe układy scalone generatora funkcji, takie jak ICL8038 / MAX038 i XR2206 - zapewniając w zasadzie to, o co prosiłeś, z rozsądnym (w granicach% lub dwóch) THD przez kilka dziesięcioleci. Wszystkie te układy scalone stosowały to samo podstawowe podejście - astabilne ze śledzeniem wyjść kwadratowych i trójkątnych, a następnie zasilaniem fali trójkąta do obwodu zwanego „sinusoidą”. Istnieje kilka podejść do kształtowania sinusoidy, dobrze tu omówionych - pary przesterowane można wykorzystać z dobrym skutkiem w układzie scalonym, chociaż bardziej wyrafinowane podejście wykorzystuje w pełni translinearny obwód kształtowania sinusoidy a la the (przestarzały)AD639 . Podejście JFET wspomniane w łączu poglądowym jest jednak bardziej praktyczne w eksperymentach z częściami dyskretnymi, pomimo jego czułości amplitudowej.

Tym, co ostatecznie zabiło monolityczne generatory funkcji analogowych, była jednak technologia cyfrowa. Nowoczesne zwinne źródła sinusoidalne, takie jak AD9833 , są cyfrowymi odpowiednikami podejścia trójkąt-sinus, wykorzystując tak zwaną technikę bezpośredniej syntezy cyfrowej, w której akumulator fazowy służy do podziału szybkiego zegara fali prostokątnej na numeryczna rampa, która następnie zasila tabelę wyszukiwania rampy do sinusoidy. Można to oczywiście zrobić również na mikrokontrolerze, chociaż ogranicza to znacznie częstotliwość operacji.

Co ciekawe, zapotrzebowanie na dokładne sinusoidy w świecie analogowym jest obecnie zmniejszone, nawet w RF - świadomość, że funkcja mieszania RF jest najlepiej realizowana za pomocą przełączania cyfrowego oznacza, że ​​lokalne oscylatory RF o fali kwadratowej są znacznie bardziej opłacalne opcja, niż się wydaje.

„ Czy coś mi brakuje, ale wydaje się, że prosta elektronika nie jest szczególnie kompatybilna z generatorami fal sinusoidalnych? ”

Zacznę od odpowiedzi od następującego zdania:

„Dobry oscylator harmoniczny (liniowy) wymaga odpowiedniej nieliniowości”.

Powód tej pozornej sprzeczności został już wyjaśniony w innej odpowiedzi: każdy „sinusoidalny” oscylator potrzebuje mechanizmu regulacji amplitudy. W przypadku małych amplitud (początek oscylacji) wzmocnienie pętli musi być nieco większe niż jedność - umożliwiając w ten sposób narastanie oscylacji. Jednak zanim nastąpi ograniczenie twarde (szyna zasilająca) wzmocnienie pętli musi zostać automatycznie zmniejszone, aby zatrzymać dalszy wzrost.

Dlatego potrzebujemy zespołu obwodów zależnych od amplitudy - co oznacza: Nieliniowe. W rezultacie wzmocnienie pętli okresowo waha się wokół „1” - a bieguny w pętli zamkniętej nieznacznie kołyszą się między prawą połową płaszczyzny s (amplitudy rosnące) a lewą połową (amplitudy rozpadu). Nie jest możliwe umieszczenie biegunów (zgodnie z wymaganiem teoretycznego kryterium oscylacji) bezpośrednio na obrazie. oś płaszczyzny s.

Teraz problem jest następujący: Nieliniowość musi być (a) wystarczająco duża, aby umożliwić bezpieczne uruchomienie oscylacji (z uwzględnieniem wszystkich tolerancji) i (b) tak mała, jak to możliwe w odniesieniu do zniekształceń harmonicznych. Dlatego konieczny jest kompromis.

W tym celu stosuje się różne elementy nieliniowe (diody, rezystor FET, OTA jako rezystor, żarówki, termistory, ...). Jednak najlepsze wyniki uzyskuje się za pomocą dodatkowej pętli regulacji (zawierającej rektyfikację i kontrolowane bloki aktywnego wzmocnienia) o stosunkowo dużej stałej czasowej. Ta stała czasowa określa okresowe ruchy biegunów (jak wspomniano powyżej). Stosując takie zasady, możliwe są wartości THD rzędu 0,01%.

EDYCJA: (dodatkowe informacje).

Istnieją topologie oscylatora z dwoma lub nawet więcej opampami, które mają ładne cechy: Jeden z opampów wykonuje „miękkie ograniczenie amplitudy”, a wyjście drugiego wzmacniacza jest wersją pierwszego opampa z filtrowaniem dolnoprzepustowym / pasmowoprzepustowym. Ta struktura pozwala na zaskakująco małe wartości THD. Przykładami są: pętle z dwoma integratorami (z różnymi stałymi czasowymi) i oscylatory oparte na GIC.

Kiedyś było kilka ładnych układów scalonych generatora funkcji, Exar XR2206 i Maxim MAX038 .

XR2206 wytwarzał przebiegi sinusoidalne, kwadratowe, trójkątne, rampowe i impulsowe od 0,01 Hz do 1 MHz; Maxim to samo od 0,1 Hz do 20 MHz.

Oba są teraz wymienione jako przestarzałe w Digi-Key, ale nadal można je znaleźć, np. Tutaj w Jameco. Uwaga: „Wyprzedaż” za 7,95 USD. W tej samej cenie możesz dostać zestaw z Hongkongu za dolara więcej .

Nie wiem, dlaczego zostały przerwane, być może ludzie uważają, że łatwiej jest po prostu użyć mikrokontrolera + tabeli DAC +.