Mengapa tidak ada chip osilator gelombang sinus? [Tutup]

14

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?

Paul Uszak
sumber
Intinya - perusahaan-perusahaan berusaha membuat mereka merasa ada hal-hal yang dapat mereka lakukan yang lebih konsisten dengan tujuan perusahaan mereka.
Scott Seidman
3
Selain itu, tampaknya AD9833 oleh Analog Devices masih dalam produksi: analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/…
Ryan Griggs
5
"... 1Vpp @ 1kHz" Ya, tapi apa THD, noise, frekuensi vs stabilitas suhu ...? Ada alasan mengapa Audio Precision masih menjual penguji multi-ribu dolar, yang sering digunakan di luar arena audio, murni karena mereka dibangun di sekitar generator gelombang sinus kemurnian sangat tinggi, bagus hingga ~ 200 kHz.
Warren Young
4
Saya pikir beberapa tantangan adalah persyaratan. Jika Anda memiliki persyaratan kualitas yang sangat rendah, cukup mudah untuk membuatnya sendiri atau menjadi digital. Jika Anda memiliki persyaratan yang sangat ketat, Anda akan menemukan diri Anda di ceruk pasar dengan sangat cepat.
Cort Ammon - Pasang kembali Monica
1
"Garpu penyetelan sederhana" - tetapi amplitudo meluruh dengan cepat. Untuk mendapatkan nada kontinu Anda harus terus memukulnya (= bukan nada murni). Setara elektronik adalah koil sederhana dan kapasitor (sirkuit disetel). Masalah yang sama, untuk mendapatkan osilasi terus menerus Anda harus tetap 'memukulnya' dengan aliran pulsa atau amplifier dengan umpan balik positif.
Bruce Abbott

Jawaban:

1

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.

Uwe
sumber
25

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).

LTC AN43 Gambar 43

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.

ThreePhaseEel
sumber
2
@ PaulUszak, "Saya bisa menendang ember berkarat dan itu akan beresonansi dengan pola sinusoidal", ya, tapi itu tidak akan menjadi osilasi berkelanjutan. Tidaklah sulit membuat sesuatu "berdering" dengan variasi amplitudo sinusoidal. Kesulitannya terletak pada mempertahankan osilasi itu tanpa sekarat atau mendistorsi, sebagaimana disebutkan dalam beberapa jawaban.
Johannes
4
@PaulUszak, perekam plastik £ 1 Anda hanya "membuat gelombang sinus" jika Anda tidak peduli dengan 25% atau lebih distorsi harmonik total. Dan jika itu masalahnya, sirkuit osilator elektronik sederhana apa pun akan "cukup baik".
alephzero
1
@ PaulUszak "Pada dasarnya bukan generator gelombang sinus satu-satunya cara untuk menguji apa pun analog & audio?" Sebenarnya tidak, karena jika Anda melihat audio maka itu sangat tidak representatif dari apa yang sebenarnya digunakan untuk itu. Pink noise seringkali merupakan solusi yang jauh lebih baik.
Graham
2
@PaulUszak - kotak sebenarnya sangat bagus untuk pengujian analog - Anda dapat mengumpulkan banyak data berdasarkan respons langkah sistem.
ThreePhaseEel
2
@ PaulUszak "Saya ingin [referensi gelombang sinus] untuk mengkalibrasi osiloskop kartu suara saya." Yah, mungkin Anda akan lebih baik memposting "Bagaimana saya harus mengkalibrasi osiloskop kartu suara saya?" sebagai pertanyaan, karena ada banyak batasan parah untuk menggunakan kartu suara sebagai digitizer osiloskop, termasuk beberapa yang benar-benar akan mendistorsi gelombang Anda mungkin tertarik - seperti gelombang persegi dan segitiga umum. Mengkalibrasi ke gelombang sinus mungkin memberi Anda kesan salah tentang kegunaan.
Adam Davis
11

" 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.

LvW
sumber
6

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 +.

tcrosley
sumber
(+1) Dan ada Intersil ICL8038 (lama dan sekarang juga usang) juga. Saya ingin tahu apakah itu sebabnya Maxim memilih bagian 038 dari nomor bagian MAX038 mereka ...?
SamGibson
Beri nama orang-orang itu, karena saya pikir mereka gila ...
Paul Uszak
2
~ 2% THD tidak dihitung sebagai "gelombang sinus" untuk banyak aplikasi. Alat uji dimaksudkan untuk memeriksa distorsi di sirkuit lain, salah satunya. Chip yang Anda bicarakan pada dasarnya adalah produsen gelombang segitiga dengan post-processing baik untuk menyamakan output atau membulatkannya sedikit.
Warren Young
5
Produksi IC manufaktur membutuhkan jumlah overhead yang luar biasa, dan fab tidak dapat digunakan dengan baik, sehingga tidak layak untuk dijalankan pada volume rendah. Maxim jarang membunuh bagian, tetapi MAX038 tidak memiliki desain volume menang, meskipun tampaknya setiap insinyur mengambil 1 unit dan membangun sendiri osilator bangku. Jadi di antara tidak ada wafer baru yang dimulai, dan tidak ada desain yang menang, dan peningkatan mutu menjadi peralatan baru (membuat topeng menjadi usang), dan distributor mengenakan biaya sewa untuk ruang rak mereka, tidak ada yang mau membayar berapa bagian ini benar-benar biaya. Maxim akan lebih baik memberikan bagian ini secara gratis.
MarkU