Por que não há chip oscilador de onda senoidal? [fechadas]

Estou tentando criar um gerador de ondas senoidais simples, mas bom, que produza 1Vpp a 1kHz.

Ondas senoidais são as oscilações da natureza. Eles estão por toda parte. Então você pensaria que seria um pedaço de bolo fazer uma onda senoidal eletrônica. Aparentemente não é assim. O SE está cheio de perguntas sobre como fazê-los. No momento, existem 9 perguntas semelhantes no lado direito dessa tela. A maioria deles parece ter problemas.

Filtros passa-baixo, passa-alto, osciladores de anel e pontes de Viena com lâmpadas de filamentos exóticas de 1960. Conversores de digital para analógico e Arduinos. A maioria não parece funcionar ou não pode ser feita para oscilar em um pacote de simulação. Alguns produzem triângulos em vez de senos. Alguns projetos requerem conhecimento de indutores.

Por que isso é tão difícil? Dente quadrado, dente de serra e ondas triangulares parecem fáceis, mas ainda não existem na natureza. Uma vez que eles são tão úteis, eu pensaria que compraria um chip oscilador senoidal (como uma variante senoidal NE555), adicionaria um resistor e um capacitor e continuarei com uma onda pura de 99,99%. Estou faltando alguma coisa, mas parece que a eletrônica simples não é particularmente compatível com os geradores de onda senoidal?

Se você deseja um sinal puro de 99,99%, os geradores de sinal quadrado, dente de serra e triângulo usuais falham. Como você escreveu, esses sinais não existem na natureza e um sinal técnico realmente preciso dessa forma também não existe. Uma transição de etapa perfeita não existe e uma rampa perfeita também não é real.

O problema com um gerador de sinal analógico exato é a regulação de amplitude necessária. Um pouco menos de amplificação e o sinal desaparece lentamente, um pouco demais e o sinal sinusal é distorcido. A regulação perfeita da amplitude é difícil para sinais sinusais lentos.

O principal problema com a geração de ondas senoidais é que são necessários dois elementos ressonantes para produzir uma mudança de fase de 180 ° - classicamente, um indutor e um capacitor. Na RF, isso não é um problema - os indutores são fáceis. No entanto, à medida que você alcança frequências mais baixas, os grandes indutores envolvidos se tornam pesados, e é por isso que abordagens alternativas de geração de seno com base em várias redes RC, filtros ou redes shaper são usadas. As abordagens de rede ou filtro RC são boas para os senos de frequência fixa - a ponte de Viena dos dias de Hewlett ainda é um circuito viável e simples o suficiente para implementar em torno de um opamp duplo sem lâmpada, pois existem alternativas à lâmpada incandescente para estabilização de ganho - Figura 43 no LTC AN43é seu amigo aqui, reproduzido abaixo (o appnote tem versões melhores, mas a Figura 43 é suficiente para mostrar o conceito).

No entanto, se você precisar de uma fonte senoidal ágil em baixas frequências, o requisito da ponte de Wien para um potenciômetro de gangue duplo ou elemento eletrônico equivalente é um fator negativo. É aqui que entram os ICs geradores de funções totalmente analógicos, como o ICL8038 / MAX038 e o XR2206 - fornecendo basicamente o que você solicitou com THD razoável (dentro de uma ou duas%) ao longo de várias décadas. Todos esses CIs usaram a mesma abordagem básica - uma tabela com rastreamento de saídas quadradas e triangulares, seguida pela alimentação dessa onda triangular em um circuito conhecido como "modelador de seno". Existem várias abordagens de modelador de senoides, bem abordadas aqui - pares excedentes podem ser usados ​​com bom efeito em um design de IC, embora uma abordagem mais sofisticada use um circuito de modelador de seno totalmente translinear à la (obsoleto)AD639 . A abordagem JFET mencionada no link de visão geral é mais prática para experimentos com peças discretas, apesar da sensibilidade à amplitude.

O que acabou matando os geradores de funções analógicas monolíticas, no entanto, foi a tecnologia digital. As fontes senoidais ágeis modernas, como o AD9833 , são os equivalentes digitais da abordagem triângulo a seno, usando o que é chamado de técnica de Síntese Digital Direta, na qual um acumulador de fase é usado para dividir um relógio rápido de onda quadrada em um rampa numérica, que alimenta uma tabela de pesquisa de rampa para seno. Isso também pode ser feito em um microcontrolador, embora isso limite a frequência da operação de maneira bastante significativa.

Curiosamente, a demanda por senos precisos no mundo analógico foi reduzida atualmente, mesmo na RF - a constatação de que a função de mistura de RF é melhor implementada por meio de comutação digital significa que os osciladores locais de RF de onda quadrada são muito mais viáveis opção do que parecem à primeira vista.

" Estou faltando alguma coisa, mas parece que a eletrônica simples não é particularmente compatível com os geradores de onda senoidal? "

Deixe-me começar minha resposta com a seguinte frase:

"Um bom oscilador harmônico (linear) precisa de uma não linearidade adequada".

A razão dessa aparente contradição já foi explicada em outra resposta: cada oscilador "senoidal" precisa de um mecanismo de regulação de amplitude. Para pequenas amplitudes (início da oscilação), o ganho do loop deve ser ligeiramente maior que a unidade - permitindo assim que a oscilação se acumule. No entanto, antes que ocorra a limitação rígida (trilho de suprimento), o ganho do circuito deve ser reduzido automaticamente para interromper o aumento.

Portanto, precisamos de um circuito dependente da amplitude - o que significa: Não linear. Como resultado, o ganho do loop oscila periodicamente em torno de "1" - e os pólos do loop fechado oscilam levemente entre a metade direita do plano s (amplitudes crescentes) e a metade esquerda (amplitudes decadentes). Não é possível colocar os polos (conforme exigido pelo critério de oscilação teórica) diretamente na imagem. eixo do plano s.

Agora - o problema é o seguinte: A não linearidade deve ser (a) grande o suficiente para permitir um arranque seguro de oscilações (considerando todas as tolerâncias) e (b) o menor possível em relação às distorções harmônicas. Portanto, é necessário um trade-off.

Existem vários elementos não lineares em uso para esse fim (diodos, resistor FET, OTA como resistor, lâmpadas, termistores, ...). No entanto, os melhores resultados são obtidos usando um loop de regulação extra (contendo retificação e blocos de ganho ativo controlado) com uma constante de tempo relativamente grande. Essa constante de tempo determina os movimentos periódicos dos pólos (como mencionado acima). Usando esses princípios, valores THD da ordem de 0,01% são possíveis.

EDIT: (informações adicionais).

Existem topologias de osciladores com duas ou mais opamps que possuem características interessantes: uma das opamps executa "limitação de amplitude suave" e a saída da outra unidade de amplificação é uma versão filtrada passa-baixa / passa-banda do primeiro opamp. Essa estrutura permite valores THD surpreendentemente pequenos. Exemplos são: Loops de dois integradores (com constantes de tempo diferentes) e osciladores baseados em GIC.

Costumava haver alguns ICs geradores de funções, o Exar XR2206 e o Maxim MAX038 .

O XR2206 produziu formas de onda senoidal, quadrada, triângulo, rampa e pulso de 0,01 Hz a 1 MHz; o máximo é o mesmo de 0,1 Hz a 20 MHz.

Agora, ambos estão listados como obsoletos na Digi-Key, mas você ainda pode encontrá-los, por exemplo, aqui na Jameco. Nota: "Liquidação" por US $ 7,95. Pelo mesmo preço, você pode obter um kit de Hong Kong por um dólar a mais .

Não sei por que eles foram descontinuados, talvez as pessoas pensem que é mais fácil usar apenas uma tabela de consulta de microcontrolador + DAC +.