Dlaczego nie ma układu oscylatora fali sinusoidalnej? [Zamknięte]

14

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?

Paweł Uszak
źródło
Podsumowując - firmy przygotowane do tego, aby czuły, że są rzeczy, które mogą robić, które są bardziej zgodne z ich celami korporacyjnymi.
Scott Seidman
3
Wygląda również na to, że AD9833 firmy Analog Devices jest nadal w produkcji: analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/…
Ryan Griggs
5
„... 1Vpp @ 1kHz” Tak, ale przy jakim THD, hałasie, częstotliwości a stabilność temperaturowa ...? Jest powód, dla którego Audio Precision wciąż sprzedaje wielotysięczne testery, które są często używane poza areną audio, tylko dlatego, że są zbudowane wokół generatora fali sinusoidalnej o bardzo wysokiej czystości, dobrego do ~ 200 kHz.
Warren Young,
4
Myślę, że niektóre wyzwania stanowią wymagania. Jeśli masz bardzo niskie wymagania dotyczące jakości, łatwo zbudować własne lub przejść na technologię cyfrową. Jeśli masz bardzo surowe wymagania, bardzo szybko znajdziesz się na niszowym rynku.
Cort Ammon
1
„Prosty kamerton” - ale amplituda szybko maleje. Aby uzyskać ciągły dźwięk, musisz go ciągle uderzać (= nie czysty dźwięk). Odpowiednikiem elektronicznym jest prosta cewka i kondensator (obwód strojony). Ten sam problem, aby uzyskać ciągłą oscylację, musisz „uderzać” nią strumieniem impulsów lub wzmacniaczem z dodatnim sprzężeniem zwrotnym.
Bruce Abbott,

Odpowiedzi:

1

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.

Uwe
źródło
25

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).

LTC AN43 Rysunek 43

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.

ThreePhaseEel
źródło
2
@PaulUszak, „Mogę kopnąć zardzewiałe wiadro, a rezonuje ono z sinusoidalnym wzorem”, tak, ale nie będzie to trwała oscylacja. Nie jest trudno zrobić coś „dzwoniącego” z sinusoidalną zmianą amplitudy. Trudność polega na utrzymaniu tej oscylacji bez jej wymierania lub zniekształcania, jak wspomniano w kilku odpowiedziach.
Johannes
4
@PaulUszak twój plastikowy rejestrator za 1 £ „wytwarza fale sinusoidalne” tylko, jeśli nie obchodzi cię około 25% lub więcej całkowitych zniekształceń harmonicznych. W takim przypadku każdy prosty elektroniczny obwód oscylatora będzie „wystarczająco dobry”.
alephzero
1
@PaulUszak „Zasadniczo generator sinusoidalny nie jest jedynym sposobem na przetestowanie czegokolwiek analogowego i audio?” Właściwie nie, ponieważ jeśli patrzysz na dźwięk, to jest on bardzo niereprezentatywny w stosunku do tego, do czego faktycznie jest używany. Różowy szum jest często znacznie lepszym rozwiązaniem.
Graham
2
@PaulUszak - kwadraty są w rzeczywistości bardzo dobre również do testowania analogowego - możesz zebrać bogactwo danych w oparciu o reakcję krokową systemu.
ThreePhaseEel
2
@PaulUszak „Chcę [odniesienie fali sinusoidalnej] skalibrować oscyloskop karty dźwiękowej.” Cóż, być może lepiej byłoby opublikować „Jak powinienem skalibrować oscyloskop karty dźwiękowej?” jako pytanie, ponieważ istnieje wiele poważnych ograniczeń dotyczących używania karty dźwiękowej jako digitizera oscyloskopu, w tym niektóre, które całkowicie zniekształcają fale, które mogą Cię zainteresować - takie jak wspólne fale kwadratowe i trójkątne. Kalibracja do fali sinusoidalnej może dać fałszywe wrażenie przydatności.
Adam Davis,
11

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.

LvW
źródło
6

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 +.

tcrosley
źródło
(+1) Był też (stary i teraz również przestarzały) Intersil ICL8038 . Zastanawiam się, czy właśnie dlatego Maxim wybrał część 038 swojego numeru części MAX038 ...?
SamGibson,
Wymień tych ludzi, ponieważ myślę, że są szaleni ...
Paul Uszak
2
~ 2% THD nie liczy się jako „fala sinusoidalna” dla wielu aplikacji. Sprzęt testowy przeznaczony do sprawdzenia zniekształceń w innych obwodach, na przykład. Chipy, o których mówisz, są w zasadzie producentami fal trójkątnych z przetwarzaniem końcowym, które albo wyrównują wyjście, albo go nieco zaokrąglają.
Warren Young,
5
Produkcja Produkcja układów scalonych wymaga nadzwyczajnego nakładu pracy, a fabs nie działają bezczynnie, więc nie jest możliwe uruchomienie z małą głośnością. Maxim rzadko zabija części, ale MAX038 nie miał wygranych w projektowaniu objętości, mimo że najwyraźniej każdy inżynier próbował 1 jednostkę i sam budował oscylator stołowy. Tak więc między brakiem nowych opłatek, a brakiem wygranej w projektowaniu, a bajecznym ulepszaniem nowego sprzętu (co sprawia, że ​​maski stają się przestarzałe), a dystrybutorami pobierającymi czynsz za swoje półki, nikt nie chce płacić tego, co naprawdę kosztuje ta część. Lepiej byłoby, gdyby Maxim rozdał tę część za darmo.
MarkU