¿Por qué no hay un chip oscilador de onda sinusoidal? [cerrado]

Estoy tratando de hacer un generador de onda sinusoidal simple pero bueno que produzca 1Vpp @ 1kHz.

Las ondas sinusoidales son las oscilaciones de la naturaleza. Están por todas partes. Entonces pensarías que sería pan comido hacer una onda sinusoidal electrónica. Aparentemente no es así. SE está plagado de preguntas sobre cómo hacerlos. Actualmente hay 9 preguntas similares que se muestran en el lado derecho de esta pantalla. La mayoría de ellos parecen tener problemas.

Filtros de paso bajo, filtros de paso alto, osciladores de anillo y puentes Wien con bombillas de filamentos exóticos de 1960. Convertidores digitales a analógicos y Arduinos. La mayoría no parece funcionar o no se puede hacer que oscilen en un paquete de simulación. Algunos producen triángulos en lugar de senos. Algunos diseños requieren conocimiento de inductores.

¿Por qué es tan difícil? Las ondas cuadradas, de diente de sierra y triangulares parecen ser fáciles, pero no existen fácilmente en la naturaleza. Dado que son tan útiles, habría pensado que compraría un chip oscilador sinusoidal (como una variante sinusoidal NE555), agregaría una resistencia y un condensador y, con una onda pura de 99.99%, iría. ¿Me estoy perdiendo algo, pero parece que la electrónica simple no es particularmente compatible con los generadores de onda sinusoidal?

Si desea una señal pura al 99.99%, los generadores de señales de cuadrado, diente de sierra y triángulo habituales fallan. Como escribiste, esas señales no existen en la naturaleza y tampoco existe una señal técnica realmente precisa de esta forma. No existe una transición de paso perfecta y una rampa perfecta tampoco es real.

El problema con un generador de señal analógica exacto es la regulación de amplitud necesaria. Un poco menos de amplificación y la señal desaparece lentamente, un poco demasiado y la señal sinusal se distorsiona. La regulación de amplitud perfecta es difícil para señales de seno lento.

El principal problema con la generación de ondas sinusoidales es que se necesitan dos elementos resonantes para producir un desplazamiento de fase de 180 °, clásicamente, un inductor y un condensador. En RF, esto no es un problema: los inductores son fáciles. Sin embargo, a medida que ingresa a frecuencias más bajas, los inductores grandes involucrados se vuelven difíciles de manejar, por lo que se utilizan enfoques alternativos de generación de seno basados ​​en múltiples redes RC, filtros o redes shaper. Los enfoques de red o filtro RC son buenos para los senos de frecuencia fija: el puente de Viena de los días de Hewlett sigue siendo un circuito bastante viable y lo suficientemente simple como para implementarlo alrededor de un opamp dual sin lámpara, ya que existen alternativas a la bombilla incandescente para la estabilización de ganancia - Figura 43 en LTC AN43es su amigo aquí, reproducido a continuación (la nota de aplicación tiene mejores versiones, pero la Figura 43 es suficiente para mostrar el concepto).

Sin embargo, si necesita una fuente sinusoidal ágil a bajas frecuencias, el requisito del puente Wien para un potenciómetro de doble banda o un elemento electrónico equivalente es una decepción. Aquí es donde entraron los CI generadores de funciones totalmente analógicos, como el ICL8038 / MAX038 y el XR2206, que proporcionan básicamente lo que solicitó con THD razonable (dentro de un% o dos), durante varias décadas. Todos estos circuitos integrados utilizaron el mismo enfoque básico: un astable con salidas cuadradas y triangulares de seguimiento, seguido de alimentar esa onda triangular en un circuito conocido como "sinusoidal". Hay varios enfoques de sinusoidal, bien cubiertos aquí : los pares sobrecargados se pueden usar con buenos resultados en un diseño de CI, aunque un enfoque más sofisticado utiliza un circuito sinusoidal totalmente translineal a la (obsoleto)AD639 . Sin embargo, el enfoque JFET mencionado en el enlace de descripción general es más práctico para experimentos de partes discretas, a pesar de su sensibilidad de amplitud.

Sin embargo, lo que finalmente mató a los generadores de funciones analógicas monolíticas fue la tecnología digital. Las fuentes sinusoidales ágiles modernas, como el AD9833 , son los equivalentes digitales del enfoque de triángulo a seno, utilizando lo que se llama una técnica de síntesis digital directa, en la que se utiliza un acumulador de fase para dividir un reloj de onda cuadrada rápido en un rampa numérica, que luego alimenta una tabla de búsqueda de rampa a seno. Por supuesto, esto también se puede hacer en un microcontrolador, aunque eso limita la frecuencia de operación de manera bastante significativa.

Curiosamente, la demanda de senos precisos en el mundo analógico se ha reducido hoy en día, incluso en RF: la comprensión de que la función de mezcla de RF se implementa mejor a través de la conmutación digital significa que los osciladores locales de RF de onda cuadrada son mucho más viables opción de lo que parecen.

" ¿Me estoy perdiendo algo, pero parece que la electrónica simple no es particularmente compatible con los generadores de onda sinusoidal? "

Permítanme comenzar mi respuesta con la siguiente oración:

"Un buen oscilador armónico (lineal) necesita una no linealidad adecuada".

La razón de esta aparente contradicción ya se explicó en otra respuesta: cada oscilador "sinusoidal" necesita un mecanismo de regulación de amplitud. Para amplitudes pequeñas (inicio de oscilación), la ganancia del bucle debe ser ligeramente mayor que la unidad, lo que permite que se acumule la oscilación. Sin embargo, antes de que tenga lugar la limitación dura (riel de suministro), la ganancia del bucle debe reducirse automáticamente para detener un aumento adicional.

Por lo tanto, necesitamos un circuito que dependa de la amplitud, lo que significa: No lineal. Como resultado, la ganancia del bucle oscila periódicamente alrededor de "1", y los polos de bucle cerrado oscilan ligeramente entre la mitad derecha del plano s (amplitudes ascendentes) y la mitad izquierda (amplitudes decrecientes). No es posible colocar los polos (como lo requiere el criterio de oscilación teórico) directamente en el imag. eje del plano s.

Ahora, el problema es el siguiente: la no linealidad debe ser (a) lo suficientemente grande como para permitir un arranque seguro de las oscilaciones (considerando todas las tolerancias) y (b) lo más pequeño posible con respecto a las distorsiones armónicas. Por lo tanto, es necesario un compromiso.

Hay varios elementos no lineales en uso para este propósito (diodos, resistencia FET, OTA como resistencia, bombillas, termistores, ...). Sin embargo, los mejores resultados se obtienen usando un circuito de regulación adicional (que contiene bloques de rectificación y ganancia activa controlada) con una constante de tiempo relativamente grande. Esta constante de tiempo determina los movimientos periódicos de los polos (como se mencionó anteriormente). Usando tales principios, son posibles valores de THD del orden de 0.01%.

EDITAR: (información adicional).

Hay topologías de oscilador con dos o incluso más amplificadores que tienen características agradables: uno de los amplificadores opacos realiza una "limitación de amplitud suave" y la salida de la otra unidad amplificadora es una versión filtrada de paso bajo / paso de banda del primer amplificador. Esta estructura permite valores de THD sorprendentemente pequeños. Algunos ejemplos son: bucles de dos integradores (con diferentes constantes de tiempo) y osciladores basados ​​en GIC.

Solía ​​haber un par de circuitos integrados generadores de funciones agradables, Exar XR2206 y Maxim MAX038 .

El XR2206 produjo formas de onda sinusoidal, cuadrada, triangular, en rampa y de pulso de 0.01 Hz a 1 MHz; Maxim es igual de 0.1 Hz a 20 MHz.

Ambos están listados como obsoletos en Digi-Key, pero aún puede encontrarlos, por ejemplo, aquí en Jameco. Nota: "Liquidación" por $ 7.95. Por el mismo precio, puede obtener un kit de Hong Kong por un dólar más .

No sé por qué se han descontinuado, tal vez las personas piensan que es más fácil usar una tabla de búsqueda de microcontrolador + DAC +.