Почему нет чипа синусоидального генератора? [закрыто]

Я пытаюсь сделать простой, но хороший генератор синусоидальной волны, который будет генерировать 1Vpp @ 1kHz.

Синусоидальные волны - это колебания природы. Они повсюду. Таким образом, вы могли бы подумать, что было бы просто сделать электронную синусоидальную волну. Видимо, не так. SE изобилует вопросами о том, как их сделать. В настоящее время в правой части экрана отображается 9 похожих вопросов . У большинства из них, похоже, есть проблемы.

Фильтры нижних частот, фильтры верхних частот, кольцевые генераторы и мосты Вены с экзотическими лампами накаливания с 1960 года. Цифро-аналоговые преобразователи и Arduinos. Большинство из них не работают или не могут колебаться в пакете моделирования. Некоторые производят треугольники вместо синусов. Некоторые конструкции требуют знания индукторов.

Почему это так сложно? Квадратные, зубчатые и треугольные волны кажутся легкими, но в природе их не существует. Поскольку они настолько полезны, я бы подумал, что я просто куплю чип синусоидального генератора (например, синусоидальный вариант NE555), добавлю резистор и конденсатор, и я пойду с волной с чистотой 99,99%. Я что-то упустил, но кажется, что простая электроника не особенно совместима с генераторами синусоидальных волн?

Если вы хотите сигнал с чистотой 99,99%, обычные квадратные, зубчатые и треугольные генераторы не работают. Как вы писали, эти сигналы не существуют в природе, и действительно точного технического сигнала такой формы тоже не существует. Идеального пошагового перехода не существует, и идеальная рампа тоже не реальна.

Проблема с точным аналоговым генератором сигналов заключается в необходимости регулировки амплитуды. Немного меньше усиление, и сигнал медленно исчезает, чуть-чуть, и синусоидальный сигнал искажается. Идеальное регулирование амплитуды трудно для медленных синусоидальных сигналов.

Основная проблема с генерацией синусоидальной волны заключается в том, что для создания танго смещения фазы на 180 ° требуется два резонансных элемента - классически, индуктор и конденсатор. В РФ это не проблема - катушки индуктивности просты. Однако, когда вы переходите на более низкие частоты, задействованные большие индукторы становятся громоздкими, поэтому используются альтернативные подходы генерации синуса, основанные на нескольких RC-сетях, фильтрах или формирующих сетях. Подходы с использованием RC-сети или фильтров хороши для синусоид с фиксированной частотой - мост Вена времен Хьюлетта все еще является достаточно жизнеспособной схемой и достаточно прост для реализации вокруг двойного операционного усилителя без лампы, поскольку для стабилизации усиления существуют альтернативы лампе накаливания. - Рисунок 43 в LTC AN43Ваш друг здесь, воспроизведенный ниже (у приложения есть лучшие версии, но на рисунке 43 достаточно, чтобы показать концепцию).

Тем не менее, если вам нужен гибкий синусоидальный источник на низких частотах, требование Вина-Бриджа для потенциометра с двумя бандами или эквивалентного электронного элемента является более низким. Именно здесь появились полностью аналоговые ИС-генераторы функций, такие как ICL8038 / MAX038 и XR2206, обеспечивающие в основном то, что вы просили, с разумным (в пределах% или двух) THD в течение нескольких десятилетий. Все эти микросхемы использовали один и тот же базовый подход - нестабильный с отслеживанием выходов квадрата и треугольника с последующей подачей этой треугольной волны в цепь, известную как «формирователь синуса». Есть несколько подходов синусоидального формирователя, которые здесь хорошо освещены - перегруженные пары могут быть использованы для достижения хорошего эффекта в конструкции ИС, хотя более сложный подход использует полностью транслинейную схему синусоидального формирователя а-ля (устаревший)AD639 . Подход JFET, упомянутый в обзорной ссылке, более практичен для экспериментов с дискретными частями, несмотря на его чувствительность к амплитуде.

Однако в конечном итоге погибли монолитные аналоговые генераторы функций, были цифровые технологии. Современные гибкие синусоидальные источники, такие как AD9833 , являются цифровыми эквивалентами подхода треугольника к синусу с использованием так называемой техники прямого цифрового синтеза, в которой фазовый аккумулятор используется для разделения быстрых прямоугольных синхроимпульсов на числовое линейное изменение, которое затем подает справочную таблицу линейного изменения. Конечно, это можно сделать и на микроконтроллере, хотя это значительно ограничивает частоту работы.

Интересно, что в настоящее время потребность в точных синусах в аналоговом мире сократилась даже в РЧ. Осознание того, что функция РЧ-микширования лучше всего реализуется с помощью цифровой коммутации, означает, что РЧ-локальные генераторы с прямоугольными волнами гораздо более жизнеспособны. вариант, чем они сначала кажутся.

« Я что-то упустил, но кажется, что простая электроника не особенно совместима с генераторами синусоидальных волн? »

Позвольте мне начать свой ответ со следующего предложения:

«Хорошему гармоническому (линейному) генератору нужна подходящая нелинейность».

Причина этого очевидного противоречия была объяснена уже в другом ответе: каждому «синусоидальному» генератору нужен механизм регулировки амплитуды. Для малых амплитуд (начало колебаний) усиление контура должно быть немного больше единицы, что позволяет нарастать колебания. Однако до того, как произойдет жесткое ограничение (питающая шина), усиление контура должно быть автоматически уменьшено, чтобы остановить дальнейшее увеличение.

Следовательно, нам нужна схема, которая зависит от амплитуды, что означает: Нелинейный. В результате усиление контура периодически колеблется вокруг «1» - и полюсы замкнутого контура слегка колеблются между правой половиной s-плоскости (возрастающие амплитуды) и левой половиной (затухающие амплитуды). Невозможно разместить полюса (как того требует теоретический критерий колебаний) непосредственно на изображении. ось s-плоскости.

Теперь - проблема заключается в следующем: нелинейность должна быть (а) достаточно большой, чтобы обеспечить безопасный запуск колебаний (с учетом всех допусков) и (б) как можно меньше по отношению к гармоническим искажениям. Следовательно, компромисс необходим.

Для этой цели используются различные нелинейные элементы (диоды, FET-резистор, OTA в качестве резистора, лампочки, термисторы, ...). Однако наилучшие результаты получены с использованием дополнительного контура регулирования (содержащего блоки выпрямления и блоки активного управления) с относительно большой постоянной времени. Эта постоянная времени определяет периодические движения полюсов (как упомянуто выше). Используя такие принципы, возможны значения THD порядка 0,01%.

РЕДАКТИРОВАТЬ: (дополнительная информация).

Существуют топологии осцилляторов с двумя или более операционными усилителями, которые имеют приятные особенности: один из операционных усилителей выполняет «мягкое ограничение амплитуды», а выходной сигнал другого усилителя представляет собой версию первого операционного усилителя с фильтром нижних частот / полосы пропускания. Эта структура допускает удивительно малые значения THD. Примерами являются: петли с двумя интеграторами (с разными постоянными времени) и осцилляторы на основе GIC.

Раньше было несколько хороших ИС-генераторов функций, Exar XR2206 и Maxim MAX038 .

XR2206 генерировал синусоидальные, квадратные, треугольные, линейные и импульсные сигналы от 0,01 Гц до 1 МГц; Максим тот же от 0,1 Гц до 20 МГц.

Оба они теперь перечислены как устаревшие на Digi-Key, но вы все равно можете их найти, например, здесь, в Jameco. Примечание: «Распродажа» за 7,95 долларов. За ту же цену вы можете получить комплект из Гонконга на доллар дороже .

Не знаю, почему они были прекращены, возможно, люди думают, что проще использовать микроконтроллер + DAC + справочную таблицу.