Mengapa tidak ada chip osilator gelombang sinus? [Tutup]

Saya mencoba membuat generator gelombang sinus sederhana namun bagus yang akan menghasilkan 1Vpp @ 1kHz.

Gelombang sinus adalah osilasi alam. Mereka ada di mana-mana. Jadi Anda akan berpikir bahwa itu akan menjadi sepotong kue untuk membuat gelombang sinus elektronik. Ternyata tidak begitu. SE penuh dengan pertanyaan tentang cara membuatnya. Saat ini ada 9 Pertanyaan Serupa yang ditampilkan di sisi kanan layar ini. Sebagian besar dari mereka tampaknya memiliki masalah.

Filter low pass, filter high pass, osilator dering dan jembatan Wien dengan lampu filamen eksotis dari tahun 1960. Konverter digital ke analog dan Arduino. Sebagian besar tampaknya tidak berfungsi atau tidak dapat dibuat berosilasi dalam paket simulasi. Beberapa menghasilkan segitiga, bukan sinus. Beberapa desain membutuhkan pengetahuan induktor.

Mengapa ini sangat sulit? Alun-alun, gigi gergaji dan gelombang segitiga tampaknya mudah, namun mereka tidak siap secara alami. Karena mereka sangat berguna, saya akan berpikir bahwa saya hanya akan membeli chip osilator sinus (seperti varian sinus NE555), tambahkan resistor dan kapasitor dan saya pergi dengan gelombang murni 99,99%. Apakah saya kehilangan sesuatu, tetapi sepertinya elektronik sederhana tidak terlalu kompatibel dengan generator gelombang sinus?

Jika Anda menginginkan sinyal murni 99,99%, generator sinyal kotak, gigi gergaji dan segitiga biasa gagal. Ketika Anda menulis sinyal-sinyal itu tidak ada di alam dan sinyal teknis yang sangat tepat dari bentuk ini tidak ada juga. Transisi langkah sempurna tidak ada dan ramp sempurna juga tidak nyata.

Masalah dengan generator sinyal analog yang tepat adalah regulasi amplitudo yang diperlukan. Amplifikasi sedikit lebih sedikit dan sinyal perlahan menghilang, sedikit terlalu banyak dan sinyal sinus terdistorsi. Regulasi amplitudo sempurna sulit untuk sinyal sinus lambat.

Masalah utama dengan generasi gelombang sinus adalah bahwa diperlukan dua elemen resonansi untuk tango dalam menghasilkan pergeseran fasa 180 ° - klasik, sebuah induktor dan kapasitor. Di RF, ini bukan masalah - induktor itu mudah. Namun, ketika Anda masuk ke frekuensi yang lebih rendah, induktor besar yang terlibat menjadi susah digunakan, itulah sebabnya pendekatan generasi sinus alternatif berdasarkan beberapa jaringan RC, filter, atau jaringan pembentuk digunakan. Pendekatan jaringan atau filter RC baik untuk sinus frekuensi tetap - jembatan Wien pada zaman Hewlett masih merupakan rangkaian yang cukup layak, dan cukup sederhana untuk diterapkan di sekitar opamp ganda tanpa lampu, karena ada alternatif pada bola lampu pijar untuk mendapatkan stabilisasi - Gambar 43 dalam LTC AN43adalah teman Anda di sini, direproduksi di bawah ini (appnote memiliki versi yang lebih baik, tetapi Gambar 43 sudah cukup untuk menunjukkan konsepnya).

Namun, jika Anda memerlukan sumber sinus gesit pada frekuensi rendah, persyaratan Wien-bridge untuk potensiometer geng ganda atau elemen elektronik setara adalah penurunan. Di sinilah IC generator fungsi semua analog seperti ICL8038 / MAX038 dan XR2206 masuk - pada dasarnya memberikan apa yang Anda minta dengan THD yang masuk akal (dalam satu atau dua) THD, dalam beberapa dekade. Semua IC ini menggunakan pendekatan dasar yang sama - astabil dengan pelacakan keluaran kuadrat dan segitiga, diikuti dengan memasukkan gelombang segitiga ke dalam rangkaian yang dikenal sebagai "pembentuk sinus". Ada beberapa pendekatan pembentuk sinus, dibahas dengan baik di sini - pasangan overdriven dapat digunakan untuk efek yang baik dalam desain IC, meskipun pendekatan yang lebih canggih menggunakan sirkuit pembentuk sinus sepenuhnya translinear a la the (usang)AD639 . Pendekatan JFET yang disebutkan dalam tautan ikhtisar lebih praktis untuk eksperimen bagian terpisah, meskipun sensitivitas amplitudo-nya.

Namun, yang akhirnya membunuh generator fungsi analog monolitik adalah teknologi digital. Sumber-sumber sinus tangkas modern, seperti AD9833 , adalah ekuivalen digital dari pendekatan triangle-to-sinus, menggunakan apa yang disebut teknik Sintesis Digital Langsung, di mana akumulator fase digunakan untuk membagi jam gelombang persegi cepat menjadi sebuah ramp numerik, yang kemudian mengumpan tabel pencarian ramp-to-sinus. Ini dapat dilakukan pada mikrokontroler juga tentu saja, meskipun demikian membatasi frekuensi operasi cukup signifikan.

Cukup menarik, permintaan untuk sinus akurat di dunia analog telah berkurang saat ini, bahkan di RF - kesadaran bahwa fungsi pencampuran RF paling baik dilaksanakan dengan cara digital switching berarti bahwa osilator lokal gelombang persegi RF jauh lebih layak. pilihan daripada yang tampak pertama mereka.

" Apakah saya melewatkan sesuatu, tetapi tampaknya elektronik sederhana tidak terlalu kompatibel dengan generator gelombang sinus? "

Biarkan saya memulai jawaban saya dengan kalimat berikut:

"Osilator harmonik (linier) yang baik membutuhkan non-linearitas yang cocok".

Alasan untuk kontradiksi ini dijelaskan dalam jawaban lain: Setiap osilator "sinusoidal" membutuhkan mekanisme pengaturan amplitudo. Untuk amplitudo kecil (awal osilasi) gain loop harus sedikit lebih besar dari satu - sehingga memungkinkan osilasi untuk membangun. Namun, sebelum terjadi pembatas yang sulit (rel pasokan), penguatan loop harus dikurangi secara otomatis untuk menghentikan peningkatan lebih lanjut.

Oleh karena itu, kita memerlukan sirkuit yang bergantung pada amplitudo - yang berarti: Non-linear. Akibatnya, loop gain berayun secara berkala di sekitar "1" - dan kutub loop tertutup sedikit berayun di antara bagian kanan bidang-s (naik amplitudo) dan bagian kiri (amplitudo peluruhan). Tidak mungkin untuk menempatkan kutub (seperti yang dipersyaratkan oleh kriteria osilasi teoretis) langsung pada gambar. sumbu bidang-s.

Sekarang - masalahnya adalah sebagai berikut: Non-linearitas harus (a) cukup besar untuk memungkinkan permulaan osilasi yang aman (dengan pertimbangan semua toleransi) dan (b) sekecil mungkin sehubungan dengan distorsi harmonik. Oleh karena itu, trade-off diperlukan.

Ada berbagai elemen non-linear yang digunakan untuk tujuan ini (dioda, FET-resistor, OTA sebagai resistor, bola lampu, termistor, ...). Namun, hasil terbaik diperoleh dengan menggunakan loop regulasi tambahan (yang mengandung rektifikasi dan blok penguatan aktif terkontrol) dengan konstanta waktu yang relatif besar. Konstanta waktu ini menentukan pergerakan periodik kutub (seperti yang disebutkan di atas). Dengan menggunakan prinsip-prinsip tersebut, nilai THD dalam urutan 0,01% dimungkinkan.

EDIT: (informasi tambahan).

Ada topologi osilator dengan dua atau bahkan lebih opamps yang memiliki fitur bagus: Salah satu opamps melakukan "soft ampitude limiting" dan ouput dari unit amplifier lainnya adalah versi lowpass / bandpass filtered dari opamp pertama. Struktur ini memungkinkan nilai THD sangat kecil. Contohnya adalah: Loop dua integrator (dengan konstanta waktu yang berbeda) dan osilator berbasis GIC.

Dulu ada beberapa IC generator fungsi yang bagus, Exar XR2206 dan Maxim MAX038 .

XR2206 menghasilkan bentuk gelombang sinus, bujur sangkar, segitiga, ramp, dan pulsa dari 0,01 Hz hingga 1 MHz; Maxim sama dari 0,1 Hz hingga 20 MHz.

Keduanya sekarang terdaftar sebagai usang pada Digi-Key, tetapi Anda masih dapat menemukannya di sekitar, misalnya di sini di Jameco. Catatan: "Clearance" untuk $ 7,95. Untuk harga yang sama Anda bisa mendapatkan kit dari Hong Kong dengan harga lebih mahal .

Tidak tahu mengapa mereka dihentikan, mungkin orang berpikir lebih mudah hanya menggunakan mikrokontroler + tabel pencarian DAC +.