Warum gibt es keinen Sinusoszillator-Chip? [geschlossen]

Ich versuche, einen einfachen, aber guten Sinusgenerator zu entwickeln, der 1Vpp @ 1kHz erzeugt.

Sinuswellen sind Schwingungen der Natur. Sie sind überall. Man könnte also denken, es wäre ein Kinderspiel, eine elektronische Sinuswelle zu erzeugen. Anscheinend nicht so. SE steckt voller Fragen, wie man sie herstellt. Auf der rechten Seite dieses Bildschirms werden derzeit 9 ähnliche Fragen angezeigt. Die meisten scheinen Probleme zu haben.

Tiefpassfilter, Hochpassfilter, Ringoszillatoren und Wienbrücken mit exotischen Glühlampen aus dem Jahr 1960. Digital-Analog-Wandler und Arduinos. Die meisten scheinen nicht zu funktionieren oder können in einem Simulationspaket nicht zum Schwingen gebracht werden. Einige produzieren Dreiecke anstelle von Sinus. Einige Konstruktionen erfordern die Kenntnis von Induktivitäten.

Warum ist das so schwer? Rechteck-, Sägezahn- und Dreieckswellen scheinen einfach zu sein, existieren jedoch nicht so leicht in der Natur. Da sie so nützlich sind, hätte ich gedacht, dass ich einfach einen Sinusoszillator-Chip (wie eine NE555-Sinusvariante) kaufen, einen Widerstand und einen Kondensator hinzufügen und mit einer 99,99% reinen Welle loslegen würde. Fehlt mir etwas, aber es scheint, dass einfache Elektronik mit Sinusgeneratoren nicht besonders kompatibel ist?

Wenn Sie ein zu 99,99% reines Signal wünschen, fallen die üblichen Signalgeneratoren für Rechtecke, Sägezähne und Dreiecke aus. Wie Sie geschrieben haben, gibt es diese Signale in der Natur nicht und ein wirklich präzises technisches Signal dieser Form gibt es auch nicht. Ein perfekter Stufenübergang existiert nicht und eine perfekte Rampe ist auch nicht real.

Das Problem bei einem exakten Analogsignalgenerator ist die notwendige Amplitudenregelung. Ein bisschen weniger Verstärkung und das Signal verschwindet langsam, ein bisschen zu viel und das Sinussignal ist verzerrt. Die perfekte Amplitudenregelung ist für langsame Sinussignale schwierig.

Das Hauptproblem bei der Erzeugung von Sinuswellen besteht darin, dass beim Erzeugen einer 180 ° -Phasenverschiebung zwei Resonanzelemente zum Tango gehören - klassisch ein Induktor und ein Kondensator. Bei RF ist dies kein Problem - Induktivitäten sind einfach. Bei niedrigeren Frequenzen werden die großen Induktivitäten jedoch unhandlich, weshalb alternative Verfahren zur Sinusgenerierung verwendet werden, die auf mehreren RC-Netzwerken, Filtern oder Shaper-Netzwerken basieren. RC-Netzwerk- oder Filteransätze eignen sich gut für Festfrequenz-Sinus - die Wien-Brücke von Hewlett ist immer noch eine durchaus realisierbare Schaltung und einfach genug, um einen Dual-Opamp ohne Lampe zu implementieren, da es Alternativen zur Glühlampe zur Verstärkungsstabilisierung gibt - Abbildung 43 in LTC AN43ist dein Freund hier, unten wiedergegeben (die Appnote hat bessere Versionen, aber Abbildung 43 reicht aus, um das Konzept zu zeigen).

Wenn Sie jedoch eine agile Sinusquelle mit niedrigen Frequenzen benötigen, ist die Forderung der Wien-Brücke nach einem Doppelgang-Potentiometer oder einem gleichwertigen elektronischen Element ein Nachteil. Hier kamen ausschließlich analoge Funktionsgenerator-ICs wie der ICL8038 / MAX038 und der XR2206 ins Spiel, die im Grunde genommen über mehrere Jahrzehnte hinweg mit vernünftigen (innerhalb von ein oder zwei Prozent) THD das bieten, wonach Sie gefragt haben. Diese ICs verwendeten alle den gleichen grundlegenden Ansatz - einen Astabilen mit quadratischen und dreieckigen Nachführausgängen, gefolgt von der Einspeisung dieser Dreieckwelle in eine Schaltung, die als "Sinusformer" bekannt ist. Es gibt mehrere Sinus-Shaper-Ansätze, die hier gut abgedeckt sind - übersteuerte Paare können in einem IC-Design effektiv verwendet werden, obwohl ein ausgefeilterer Ansatz eine vollständig translineare Sinus-Shaper- Schaltung nach dem (veralteten) Prinzip verwendet.AD639 . Der im Übersichtslink erwähnte JFET-Ansatz ist für Experimente mit diskreten Bauteilen trotz seiner Amplitudenempfindlichkeit praktischer.

Was letztendlich die monolithischen Analogfunktionsgeneratoren tötete, war die Digitaltechnik. Moderne agile Sinusquellen wie der AD9833 sind die digitalen Äquivalente des Dreieck-zu-Sinus-Ansatzes, bei dem eine sogenannte Direct Digital Synthesis-Technik verwendet wird, bei der ein Phasenakkumulator verwendet wird, um eine schnelle Rechteckuhr in eine zu unterteilen numerische Rampe, die dann eine Rampe-zu-Sinus-Nachschlagetabelle speist. Dies kann natürlich auch auf einem Mikrocontroller erfolgen, obwohl dies die Betriebsfrequenz erheblich einschränkt.

Interessanterweise wurde der Bedarf an genauen Sinuswerten in der analogen Welt heutzutage sogar bei HF reduziert. Die Erkenntnis, dass die HF-Mischfunktion am besten durch digitales Schalten implementiert wird, bedeutet, dass Rechteck-HF-Lokaloszillatoren viel praktikabler sind Option, als sie zunächst scheinen.

" Fehlt mir etwas, aber es scheint, dass einfache Elektronik mit Sinusgeneratoren nicht besonders kompatibel ist? "

Lassen Sie mich meine Antwort mit folgendem Satz beginnen:

"Ein guter harmonischer (linearer) Oszillator benötigt eine geeignete Nichtlinearität."

Der Grund für diesen offensichtlichen Widerspruch wurde bereits in einer anderen Antwort erläutert: Jeder "sinusförmige" Oszillator benötigt einen Amplitudenregelungsmechanismus. Bei kleinen Amplituden (Beginn der Schwingung) muss die Schleifenverstärkung geringfügig größer als Eins sein, damit sich eine Schwingung aufbauen kann. Bevor jedoch eine harte Begrenzung stattfindet (Versorgungsschiene), muss die Schleifenverstärkung automatisch verringert werden, um eine weitere Erhöhung zu stoppen.

Daher benötigen wir eine Schaltung, die amplitudenabhängig ist - was bedeutet: Nichtlinear. Infolgedessen pendelt die Schleifenverstärkung periodisch um "1" - und die Pole mit geschlossener Schleife pendeln leicht zwischen der rechten Hälfte der s-Ebene (ansteigende Amplituden) und der linken Hälfte (abfallende Amplituden). Es ist nicht möglich, die Pole (gemäß dem theoretischen Schwingungskriterium) direkt auf dem Bild zu platzieren. Achse der S-Ebene.

Das Problem ist nun wie folgt: Die Nichtlinearität muss (a) groß genug sein, um ein sicheres Anlaufen von Schwingungen (unter Berücksichtigung aller Toleranzen) zu ermöglichen, und (b) so klein wie möglich in Bezug auf harmonische Verzerrungen. Daher ist ein Kompromiss erforderlich.

Hierfür werden verschiedene nichtlineare Elemente verwendet (Dioden, FET-Widerstand, OTA als Widerstand, Glühlampen, Thermistoren, ...). Die besten Ergebnisse werden jedoch mit einer zusätzlichen Regelschleife (die Gleichrichtungs- und gesteuerte aktive Verstärkungsblöcke enthält) mit einer relativ großen Zeitkonstante erzielt. Diese Zeitkonstante bestimmt die periodischen Bewegungen der Pole (wie oben erwähnt). Unter Verwendung solcher Prinzipien sind THD-Werte in der Größenordnung von 0,01% möglich.

EDIT: (zusätzliche Informationen).

Es gibt Oszillatortopologien mit zwei oder mehr Operationsverstärkern, die nette Eigenschaften haben: Einer der Operationsverstärker führt eine "weiche Amplitudenbegrenzung" durch und der Ausgang der anderen Verstärkereinheit ist eine tiefpass- / bandpassgefilterte Version des ersten Operationsverstärkers. Diese Struktur ermöglicht überraschend kleine THD-Werte. Beispiele sind: Zwei-Integrator-Schleifen (mit unterschiedlichen Zeitkonstanten) und GIC-basierte Oszillatoren.

Es gab ein paar nette Funktionsgenerator-ICs, den Exar XR2206 und Maxim MAX038 .

Der XR2206 erzeugte Sinus-, Rechteck-, Dreieck-, Rampen- und Impulswellenformen von 0,01 Hz bis 1 MHz. der Maxim gleich von 0,1 Hz bis 20 MHz.

Beide sind jetzt auf Digi-Key als veraltet gelistet, aber Sie können sie immer noch finden, zB hier bei Jameco. Hinweis: "Ausverkauf" für 7,95 USD. Für den gleichen Preis können Sie einen Bausatz aus Hongkong für einen Dollar mehr bekommen .

Ich weiß nicht, warum sie eingestellt wurden, vielleicht denken die Leute, es sei einfacher, nur eine Mikrocontroller + DAC + Nachschlagetabelle zu verwenden.