Почему нет чипа синусоидального генератора? [закрыто]

14

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?

Пол Ушак
источник
Итог - компании, чьи усилия заставляют их чувствовать, что они могут делать то, что больше соответствует их корпоративным целям.
Скотт Сейдман
3
Кроме того, кажется, что AD9833 от Analog Devices все еще находится в производстве: analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/…
Райан Григгс
5
"... 1Vpp @ 1kHz" Да, но при чем THD, шум, частота и стабильность температуры ...? Есть причина, по которой Audio Precision по-прежнему продает тестеры стоимостью в несколько тысяч долларов, которые часто используются за пределами звуковой арены, просто потому, что они построены на генераторе синусоидальной волны очень высокой чистоты, с частотой ~ 200 кГц.
Уоррен Янг
4
Я думаю, что некоторые проблемы - это требования. Если у вас очень низкие требования к качеству, его достаточно легко создать самостоятельно или перейти на цифровое вещание. Если у вас очень строгие требования, вы очень быстро окажетесь на нишевом рынке.
Cort Ammon
1
«Простой камертон» - но амплитуда быстро затухает. Чтобы получить непрерывный тон, вы должны продолжать нажимать его (= не чистый тон). Электронный эквивалент представляет собой простую катушку и конденсатор (настроенная схема). Та же проблема, чтобы получить непрерывное колебание, вы должны продолжать «ударять» его импульсным потоком или усилителем с положительной обратной связью.
Брюс Эбботт

Ответы:

1

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.

Uwe
источник
25

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).

LTC AN43 Рисунок 43

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.

ThreePhaseEel
источник
2
@PaulUszak, «Я могу пнуть ржавое ведро, и оно будет резонировать с синусоидальным рисунком», да, но это не будет устойчивым колебанием. Нетрудно сделать что-то «кольцо» с синусоидальным изменением амплитуды. Трудность заключается в поддержании этого колебания без его исчезновения или искажения, как упоминалось в нескольких ответах.
Йоханнес
4
@PaulUszak Ваш пластиковый магнитофон стоимостью 1 фунт «производит синусоидальные волны» только в том случае, если вас не волнует общее гармоническое искажение в 25% или более. И если это так, то любая простая схема электронного генератора будет "достаточно хорошей".
alephzero
1
@PaulUszak "По сути, генератор синусоидальной волны не единственный способ проверить что-нибудь аналоговое и аудио?" На самом деле нет, потому что если вы смотрите на аудио, то оно очень не представляет того, для чего оно на самом деле используется. Розовый шум часто является гораздо лучшим решением.
Грэм
2
@PaulUszak - квадраты на самом деле очень хороши для аналогового тестирования - вы можете собрать множество данных, основанных на пошаговом отклике системы.
ThreePhaseEel
2
@PaulUszak «Я хочу [эталон синусоидальной волны] откалибровать осциллограф моей звуковой карты». Что ж, возможно, вам лучше написать "Как мне откалибровать осциллограф звуковой карты?" как вопрос, потому что есть много серьезных ограничений для использования звуковой карты в качестве дигитайзера осциллографа, включая те, которые будут полностью искажать волны, которые могут вас заинтересовать, такие как волны общего квадрата и треугольника. Калибровка по синусоиде может создать у вас ложное впечатление полезности.
Адам Дэвис
11

« 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.

LVW
источник
6

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.

tcrosley
источник
(+1) И был (старый, а теперь и устаревший) Intersil ICL8038 тоже. Интересно, именно поэтому Максим выбрал 038 часть своего номера детали MAX038 ...?
СамГибсон,
Назовите этих людей, потому что я думаю, что они сумасшедшие ...
Пол Ушак,
2
~ 2% THD не считается синусоидальной волной для многих приложений. Тестовый механизм, предназначенный для проверки искажения в других цепях, например. Чипы, о которых вы говорите, в основном являются производителями треугольных волн с пост-обработкой, чтобы либо выровнять выходной сигнал, либо немного округлить его.
Уоррен Янг
5
Производство микросхем требует огромных накладных расходов, и фабрики не работают на холостом ходу, поэтому невозможно работать на малых объемах. Максим редко убивает детали, но у MAX038 не было выигрыша в объемном дизайне, несмотря на то, что каждый инженер пробовал 1 единицу и строил себе настольный генератор. Таким образом, между отсутствием новых запусков пластин и выигрышей дизайна, потрясающим обновлением оборудования до нового (что делает маски устаревшими) и дистрибьюторами, взимающими арендную плату за свои полки, никто не хочет платить то, что эта часть действительно стоит. Максиму было бы лучше отдать эту часть бесплатно.
MarkU