Чому немає синусоїдального мікросхеми? [зачинено]

Я намагаюся зробити простий, але хороший синусоїдальний генератор, який буде виробляти 1Vpp @ 1kHz.

Синусоїди - це коливання природи. Вони всюди. Тож ви могли б подумати, що було б шматок пирога зробити електронну синусоїду. Мабуть, не так. SE пронизана питаннями, як їх зробити. Наразі 9 подібних питань відображаються праворуч на цьому екрані. Більшість з них, схоже, мають проблеми.

Низькочастотні фільтри, високочастотні фільтри, кільцеві осцилятори та мости Wien з екзотичними лампочками нитки з 1960 року. Цифрові аналогові перетворювачі та Arduinos. Більшість, здається, не спрацьовує або не може змусити коливатися в пакеті симуляції. Деякі виробляють трикутники замість синусів. Деякі конструкції вимагають знання індукторів.

Чому це так важко? Квадратні, зубчасті і трикутні хвилі здаються простими, але вони в природі не існують. Оскільки вони є настільки корисними, я б подумав, що я б просто придбав мікросхему синусного осцилятора (як синусоїдальний варіант NE555), додати резистор і конденсатор, і я виходжу з чистою хвилею 99,99%. Мені щось не вистачає, але здається, що проста електроніка не особливо сумісна з генераторами синусоїди?

Якщо потрібно 99,99% чистого сигналу, звичайний генератор сигналів зубців та трикутників виходить з ладу. Як ви писали, ці сигнали в природі не існують, і справді точного технічного сигналу такої форми теж немає. Ідеального крокового переходу не існує, а ідеальний пандус теж не справжній.

Проблема точного аналогового генератора сигналу - необхідне регулювання амплітуди. Трохи менше посилення, і сигнал повільно зникає, трохи - значно, і синусовий сигнал спотворюється. Ідеальне регулювання амплітуди є важким для повільних синусових сигналів.

Основна проблема генерації синусоїди полягає в тому, що для отримання танго-фазового зсуву потрібно 180 резонансних елементів - класично, індуктор та конденсатор. У РФ це не проблема - індуктори прості. Однак, потрапляючи на більш низькі частоти, великі індуктори, що займаються, стають непростими, тому використовуються альтернативні підходи до генерації синусів, засновані на кількох мережах RC, фільтрах або формувачах. Підключення до мережі RC або фільтрування добре підходять для синусів з фіксованою частотою - Wien міст доби Гюлетта все ще є досить життєздатним ланцюгом і досить простим для здійснення навколо подвійного підсилювача без лампи, оскільки є альтернативи лампочці розжарювання для стабілізації посилення - Малюнок 43 у LTC AN43є вашим другом тут, відтвореним нижче (додаток має кращі версії, але рисунок 43 достатній, щоб показати концепцію).

Однак якщо вам потрібне спритне джерело синуса на низьких частотах, вимога Wien-мосту для подвійного потенціометра банди або аналогічного електронного елемента - це спад. Тут увійшли всеаналогові генератори функціональних мікросхем, такі як ICL8038 / MAX038 та XR2206 - забезпечуючи в основному те, що ви просили, з розумною (протягом% або двох) THD протягом декількох десятиліть. Всі ці ІМ використовували той самий базовий підхід - нестабільний з відстеженням квадратних і трикутних виходів, з подальшим подачею цієї трикутної хвилі в ланцюг, відомий як "синусна форма". Тут є декілька синусоїдальних підходів, які тут добре висвітлені - надміцні пари можуть бути використані для найкращого ефекту в дизайні ІС, хоча більш складний підхід використовує повністю транслінійну схему синусового формувача a la the (застарілий)AD639 . Підхід JFET, згаданий у посиланні на огляд, є більш практичним для експериментів з окремими деталями, незважаючи на його амплітудну чутливість.

Однак зрештою вбивці монолітних аналогових генераторів функцій були цифрові технології. Сучасні гнучкі джерела синуса, такі як AD9833 , - це цифрові еквіваленти підходу трикутника до синуса, використовуючи метод прямого цифрового синтезу, в якому фазовий акумулятор використовується для поділу швидкого прямокутного годинника на числовий пандус, який потім подає таблицю пошуку рампи до синуса. Це, звичайно, можна зробити і на мікроконтролері, хоча таке обмежує частоту роботи досить істотно.

Цікаво, що попит на точні синуси в аналоговому світі в даний час знижений навіть у РФ - усвідомлення того, що функція змішування ВЧ найкраще реалізується за допомогою цифрового перемикання, означає, що місцеві генератори з квадратними хвилями РЧ набагато більш життєздатні. варіант, ніж вони здаються спочатку.

" Мені щось не вистачає, але здається, що проста електроніка не особливо сумісна з генераторами синусоїди? "

Дозвольте розпочати свою відповідь із наступного речення:

"Хороший гармонійний (лінійний) генератор потребує відповідної нелінійності".

Причину цього очевидного протиріччя було пояснено вже в іншій відповіді: Кожен «синусоїдальний» генератор потребує механізму регулювання амплітуди. Для малих амплітуд (початок коливань) коефіцієнт посилення циклу повинен бути трохи більшим, ніж одиниця - таким чином, коливання може накопичуватися. Однак перед тим, як відбуватися жорстке обмеження (подача рейки), посилення контуру необхідно автоматично зменшити, щоб зупинити подальше збільшення.

Отже, нам потрібна схема, яка залежить від амплітуди - це означає: Нелінійна. В результаті посилення циклу періодично розгойдується навколо "1" - і полюси із замкнутим циклом трохи розгойдуються між правою половиною площини s (зростаючі амплітуди) та лівою половиною (амплітуди, що розпадаються). Неможливо розмістити полюси (як того вимагає критерій теоретичних коливань) безпосередньо на зображенні. вісь s-площини.

Тепер - проблема полягає в наступному: нелінійність повинна бути (а) достатньо великою, щоб забезпечити безпечний пуск коливань (з урахуванням усіх допусків) та (б) якомога менше стосовно гармонічних спотворень. Отже, компроміс необхідний.

Для цієї мети використовуються різні нелінійні елементи (діоди, FET-резистор, OTA як резистор, лампочки, термістори, ...). Однак найкращі результати отримують за допомогою додаткової петлі регулювання (містить випрямлення та блоки керованого активного посилення) з відносно великою постійною часом. Ця постійна часу визначає періодичні рухи полюсів (як було сказано вище). З використанням таких принципів можливі значення THD у порядку 0,01%.

EDIT: (додаткова інформація).

Існують осциляторні топології з двома або навіть більше операційними підсилювачами, які мають приємні риси: Один з операційних підсилювачів виконує "обмеження м'якої амплітуди", а вихід другого підсилювального пристрою - це версія першої оппамп, відфільтрована низькопропускною / смуговою смугою. Ця структура дозволяє напрочуд малі значення THD. Приклади: дві інтеграторні петлі (з різними константами часу) та осцилятори на основі GIC.

Раніше було декілька приємних генераторів функціональних пристроїв, Exar XR2206 та Maxim MAX038 .

XR2206 виробляв синусоїди, квадрат, трикутник, рампи та імпульсні форми від 0,01 Гц до 1 МГц; Максим ж - від 0,1 Гц до 20 МГц.

Обидва зараз перелічені як застарілі на Digi-Key, але ви все ще можете їх знайти, наприклад, тут, у Jameco. Примітка: "Розмитнення" за 7,95 дол. За ту ж ціну ви можете отримати комплект з Гонконгу на долар більше .

Не знаєте, чому їх припинили, можливо, люди думають, що простіше просто використовувати мікроконтролер + DAC + таблицю пошуку.