Perché non esiste un chip oscillatore a onda sinusoidale? [chiuso]

Sto cercando di creare un generatore di onde sinusoidali semplice ma buono in grado di produrre 1 Vpp a 1 kHz.

Le onde sinusoidali sono oscillazioni della natura. Sono ovunque. Quindi penseresti che sarebbe un gioco da ragazzi creare un'onda sinusoidale elettronica. Apparentemente non è così. SE è pieno di domande su come realizzarle. Attualmente ci sono 9 domande simili che appaiono sul lato destro di questa schermata. Molti di loro sembrano avere problemi.

Filtri passa basso, filtri passa alto, oscillatori ad anello e ponti Wien con lampadine a filamento esotiche del 1960. Convertitori da digitale ad analogico e Arduinos. Molti non sembrano funzionare o non possono essere fatti oscillare in un pacchetto di simulazione. Alcuni producono triangoli anziché seni. Alcuni progetti richiedono la conoscenza degli induttori.

Perche'e'cosi difficile? Le onde quadrate, a dente di sega e triangolari sembrano facili, eppure non esistono prontamente in natura. Dato che sono così utili, avrei pensato che avrei semplicemente acquistato un chip oscillatore sinusoidale (come una variante seno NE555), avrei aggiunto un resistore e un condensatore e sarei partito con un'onda pura al 99,99%. Mi manca qualcosa, ma sembra che l'elettronica semplice non sia particolarmente compatibile con i generatori di onde sinusoidali?

Se si desidera un segnale puro al 99,99%, i soliti generatori di segnale quadrato, dente di sega e triangolo non funzionano. Come hai scritto quei segnali non esistono in natura e non esiste nemmeno un segnale tecnico molto preciso di questa forma. Non esiste una transizione graduale perfetta e una rampa perfetta non è reale.

Il problema con un esatto generatore di segnali analogici è la necessaria regolazione dell'ampiezza. Amplificazione un po 'meno e il segnale scompare lentamente, un po' troppo e il segnale del seno è distorto. La perfetta regolazione dell'ampiezza è difficile per i segnali del seno lento.

Il problema principale con la generazione di onde sinusoidali è che ci vogliono due elementi risonanti nel tango per produrre uno sfasamento di 180 ° - classicamente, un induttore e un condensatore. A RF, questo non è un problema: gli induttori sono facili. Tuttavia, man mano che si arriva a frequenze più basse, i grandi induttori coinvolti diventano ingombranti, motivo per cui vengono utilizzati approcci di generazione sinusoidali alternativi basati su più reti RC, filtri o reti shaper. Gli approcci di rete o filtro RC sono buoni per i seni a frequenza fissa: il ponte di Vienna ai tempi di Hewlett è ancora un circuito abbastanza praticabile e abbastanza semplice da implementare intorno a un doppio opamp senza lampada, poiché ci sono alternative alla lampadina a incandescenza per la stabilizzazione del guadagno - Figura 43 in LTC AN43è il tuo amico qui, riprodotto di seguito (l'appnote ha versioni migliori, ma la Figura 43 è sufficiente per mostrare il concetto).

Tuttavia, se hai bisogno di una sorgente sinusoidale agile a basse frequenze, il requisito del ponte di Vienna per un potenziometro a doppia banda o un elemento elettronico equivalente è un aspetto negativo. È qui che sono entrati in produzione circuiti integrati generatori di funzioni completamente analogici come ICL8038 / MAX038 e XR2206, fornendo sostanzialmente ciò che è stato richiesto con un THD ragionevole (entro una o due%), per diversi decenni. Tutti questi circuiti integrati utilizzavano lo stesso approccio di base: un astable con tracciamento delle uscite quadrate e triangolari, seguito dall'alimentazione dell'onda triangolare in un circuito noto come "sinusoidale". Esistono diversi approcci sinusoidali, trattati bene qui : le coppie overdrive possono essere utilizzate con buoni risultati in un progetto IC, sebbene un approccio più sofisticato utilizzi un circuito sinusoidale completamente translineare alla moda (obsoleto)AD639 . Tuttavia, l'approccio JFET menzionato nel link della panoramica è più pratico per esperimenti su parti discrete, nonostante la sua sensibilità all'ampiezza.

Ciò che alla fine ha ucciso i generatori di funzioni analogiche monolitiche, tuttavia, è stata la tecnologia digitale. Le moderne fonti sinusoidali agili, come AD9833 , sono gli equivalenti digitali dell'approccio triangolo-seno, usando quella che viene chiamata tecnica di sintesi digitale diretta, in cui un accumulatore di fase viene utilizzato per dividere un orologio ad onda quadra veloce in un rampa numerica, che quindi alimenta una tabella di ricerca da rampa a seno. Questo può essere fatto anche su un microcontrollore, sebbene ciò limiti la frequenza di funzionamento in modo abbastanza significativo.

È interessante notare che la richiesta di sinusoidali accurati nel mondo analogico è stata ridotta al giorno d'oggi, anche a RF - la consapevolezza che la funzione di missaggio RF è implementata al meglio tramite la commutazione digitale significa che gli oscillatori RF a onda quadra locale sono molto più vitali opzione di quanto sembri.

" Mi manca qualcosa, ma sembra che l'elettronica semplice non sia particolarmente compatibile con i generatori di onde sinusoidali? "

Vorrei iniziare la mia risposta con la seguente frase:

"Un buon oscillatore armonico (lineare) necessita di un'adeguata non linearità".

Il motivo di questa apparente contraddizione è stato già spiegato in un'altra risposta: ogni oscillatore "sinusoidale" necessita di un meccanismo di regolazione dell'ampiezza. Per piccole ampiezze (inizio dell'oscillazione) il guadagno del loop deve essere leggermente più grande dell'unità - permettendo così all'oscillazione di accumularsi. Tuttavia, prima che si verifichi una limitazione (guida di alimentazione), il guadagno del circuito deve essere ridotto automaticamente per arrestare un ulteriore aumento.

Quindi, abbiamo bisogno di un circuito dipendente dall'ampiezza, il che significa: non lineare. Di conseguenza, il guadagno del loop oscilla periodicamente attorno a "1" - e i poli del loop chiuso oscillano leggermente tra la metà destra del piano s (ampiezze crescenti) e la metà sinistra (ampiezze decadenti). Non è possibile posizionare i poli (come richiesto dal criterio teorico di oscillazione) direttamente sull'immag. asse del piano s.

Ora - il problema è il seguente: la non linearità deve essere (a) abbastanza grande da consentire un avvio sicuro delle oscillazioni (tenendo conto di tutte le tolleranze) e (b) il più piccolo possibile rispetto alle distorsioni armoniche. Pertanto, è necessario un compromesso.

Ci sono vari elementi non lineari in uso a questo scopo (diodi, resistore FET, OTA come resistore, lampadine, termistori, ...). Tuttavia, i risultati migliori si ottengono utilizzando un circuito di regolazione extra (contenente rettifica e blocchi di guadagno attivo controllato) con una costante di tempo relativamente grande. Questa costante di tempo determina i movimenti periodici dei poli (come menzionato sopra). Utilizzando tali principi, sono possibili valori di THD nell'ordine dello 0,01%.

EDIT: (informazioni aggiuntive).

Esistono topologie di oscillatori con due o anche più opamp con buone caratteristiche: uno degli opamp esegue "limitazione dell'ampiezza morbida" e l'uscita dell'altra unità di amplificazione è una versione filtrata passa-basso / passa-banda del primo opamp. Questa struttura consente valori di THD sorprendentemente piccoli. Esempi sono: loop a due integratori (con diverse costanti di tempo) e oscillatori basati su GIC.

C'erano un paio di simpatici circuiti integrati per generatori di funzioni, Exar XR2206 e Maxim MAX038 .

L'XR2206 produceva forme d'onda sinusoidali, quadrate, triangolari, a rampa e ad impulsi da 0,01 Hz a 1 MHz; il Maxim è lo stesso da 0,1 Hz a 20 MHz.

Entrambi sono ora elencati come obsoleti su Digi-Key, ma è ancora possibile trovarli in giro, ad esempio qui su Jameco. Nota: "Liquidazione" per $ 7,95. Allo stesso prezzo è possibile ottenere un kit da Hong Kong per un dollaro in più .

Non so perché siano stati interrotti, forse la gente pensa che sia più semplice usare un microcontrollore + DAC + tabella di ricerca.