Сім поширених способів генерування синусоїди

Синусоїда є природною формою сигналу у зв'язку та інших електронних додатках.

У багатьох електронних виробах використовуються сигнали форми синусоїди. Аудіо, радіо та енергетичне обладнання зазвичай генерує або обробляє синусоїди. Як виявляється, існує буквально десятки способів генерувати синусоїду. У цій статті представлені деякі популярні методи, з якими ви повинні бути знайомі.

Віденський мостовий генератор

Популярним низькочастотним (звуковим та приблизно до 100 кГц) синусоїдальним осцилятором є міст Відня, показаний на Фігура 1.

ФІГУРА 1. Популярний віденський мостовий генератор. Старий, але добрий. Частоту можна варіювати, використовуючи горщики для R та використовуючи різні значення C, увімкнені.

Він використовує RC-мережу, яка виробляє фазовий зсув фази від вихідного сигналу назад до вхідного, виробляючи позитивний зворотний зв'язок, який, у свою чергу, виробляє коливання. Операційний підсилювач використовується для отримання коефіцієнта посилення в три рази, який компенсує загасання мережі RC. При чистому коефіцієнті підсилення замкненого циклу один ланцюг коливається з частотою, що визначається значеннями мережі RC:

Ця схема чудово працює і створює дуже чисту синусоїду з низьким спотворенням. Його проблема полягає в тому, що нестабільність коефіцієнта підсилення та фази може призвести до того, що ланцюг повністю вийде з коливань або перейде в насичення, створюючи обрізану синусоїду або квадратну хвилю. Зазвичай для усунення цієї проблеми додаються деякі компоненти компенсації.

Просте рішення - замінити R1 на маленьку лампочку розжарювання, опір якої змінюється зі струмом. По мірі збільшення вихідної потужності струм і опір лампочки зростає і зменшує коефіцієнт підсилення для компенсації. Якщо вихід падає, сила струму зменшується, зменшуючи опір і збільшуючи коефіцієнт підсилення, щоб зберегти вихід постійним. Одним з робочих прикладів є виготовлення R2 390 Ом, а R1 - лампочки типу 327. Інші більш складні схеми використовують полевий транзистор як змінний резистор для зміни коефіцієнта посилення.

Ця схема працює і має частоту близько 1592 Гц. Вихідна амплітуда залежить від напруги джерела живлення.

Осцилятор з фазовим зсувом

Популярний спосіб зробити синусоїдальний генератор - використовувати RC-мережу для створення зсуву фази на 180 градусів для використання в тракті зворотного зв'язку інвертуючого підсилювача. Встановлення коефіцієнта підсилення підсилювача для компенсації загасання мережі RC призведе до коливань. Існує безліч варіантів фазорегуляторів, включаючи мережу Twin-T RC та каскадні RC високочастотні секції, які виробляють зсув на 45 або 60 градусів на кожному етапі. Підсилювачем може бути одиночний транзистор, одинарний операційний підсилювач або декілька операційних підсилювачів. Малюнок 2 показує одну популярну варіацію.

РИСУНОК 2. Фіксована частота є недоліком, але для однієї частоти це добре. Чистий вихід потрібно буферувати послідовником операційного підсилювача, якщо ви збираєтеся керувати навантаженням.

Ці генератори виробляють дуже чисту синусоїду з низьким спотворенням. Однак частота фіксується в точці, де кожна секція RC виробляє зсув фази на 60 градусів. Приблизна частота:

У ланцюзі Малюнок 2, частота повинна бути близько 3,85 кГц.

Кристалічний генератор Колпітта

Кристали кварцу часто використовуються для встановлення частоти генератора через їх точну частоту коливань і стабільність. Еквівалентна схема кристала - послідовна або паралельна LC-схема. Малюнок 3 є дуже популярним генератором синусоїдальних типів типу Колпітта, що визначається двоконденсаторною мережею зворотного зв'язку.

РИСУНОК 3. Популярний кристалогенератор, який працює щоразу.

Це ще одна широко використовувана схема, оскільки вона проста у реалізації та дуже стабільна. Його корисний діапазон частот становить приблизно від 100 кГц до 40 МГц. На виході виходить синусоїда з невеликим спотворенням.

До речі, якщо вам потрібен кришталевий генератор із синусоїдальною хвилею, ви зазвичай можете придбати комерційну схему. Вони широко доступні майже для будь-якої бажаної частоти. Вони упаковані в металеву банку і мають розмір типової ІС. Живлення постійного струму зазвичай становить п’ять вольт.

Квадратна хвиля та фільтр

Цікавим способом створення синусоїди є вибір її за допомогою фільтра. Ідея полягає в тому, щоб спочатку сформувати квадратну хвилю. Як виявляється, часто простіше генерувати квадратну або прямокутну хвилю, ніж синусоїду. Згідно з теорією Фур'є, квадратна хвиля складається з фундаментальної синусоїди та нескінченної кількості непарних гармонік.

Наприклад, квадратна хвиля 10 кГц містить синусоїду 10 кГц, а синусоїдальні хвилі на 3-й, 5-й, 7-й та ін., Гармоніки 30 кГц, 50 кГц, 70 кГц тощо. Ідея полягає в тому, щоб підключити квадратну хвилю до фільтра, який вибирає потрібну частоту.

Малюнок 4 показує один приклад.

РИСУНОК 4. Рекомендується CMOS-версія 555, але ви можете виконати цю роботу зі стандартною 555, усунувши резистор 100K.

Схема таймера CMOS 555 виробляє квадратну хвилю 50% робочого циклу. Його вихідний сигнал надсилається на низькочастотний RC-фільтр, який відфільтровує гармоніки, залишаючи лише основну синусоїду. Деякі спотворення є загальними, оскільки важко повністю усунути гармоніки. Для поліпшення якості синусоїди можна використовувати більш селективний LC-фільтр. Майте на увазі, що ви також можете використовувати селективний смуговий фільтр, щоб виділити одну з гармонічних синусоїд.

Ця схема розрахована на частоту 1600 Гц.

Прямий цифровий синтез

Цікавий спосіб створення синусоїди - це зробити це цифровим способом. Відноситься до Малюнок 5.

РИСУНОК 5. Прямий цифровий синтез.

Він починається з пам'яті лише для читання (ПЗУ), яка зберігає ряд двійкових значень, що представляють значення, які відповідають рівнянню тригонометрії для синусоїди. Потім ці значення зчитуються з ПЗУ по черзі та застосовуються до цифро-аналогового перетворювача (ЦАП). Сигнал годинника крокує до лічильника адрес, який потім послідовно звертається до значень синуса в ПЗУ і відправляє їх на ЦАП. ЦАП генерує аналоговий вихідний сигнал, пропорційний двійковому значенню з ПЗУ. Ви отримуєте поетапне наближення синусоїди.

Малюнок 6 є грубим прикладом.

РИСУНОК 6. Ступінчасте наближення синусоїди. Пропускання сигналу через фільтр низьких частот згладить кроки.

Якщо ви використовуєте достатню кількість зразків і використовуєте більше бітів для двійкового значення, кроки будуть меншими, і виникне більш дрібнозерниста синусоїда. Частота синусоїди залежить від кількості вибірок або значень, які ви використовуєте для синусоїди, і частоти тактового сигналу, який зчитує значення з ПЗУ. Якщо кроки занадто великі, ви можете пропустити ступінчастий сигнал через фільтр низьких частот, щоб згладити його. Спеціальні мікросхеми прямого цифрового синтезу (DDS), такі як аналогові пристрої, доступні для генерації синусоїд від 1 Гц до багатьох МГц.

Генератор функцій

Генератор функцій - це назва пристрою, який генерує синусоїдальні, квадратні та трикутні хвилі. Він може описувати частину стендового випробувального обладнання або мікросхему. Одним із старих, але все ще хороших функціональних мікросхем є XR-2206. Вперше його зробив Екзар у 1970-х роках, але все ще існує.

Якщо вам потрібен генератор синусоїдальної хвилі, який можна налаштувати на будь-яку частоту від 0,01 Гц до 1 МГц або більше, погляньте на XR-2206. Малюнок 7 показує XR-2206, підключений як генератор синусоїдальних хвиль.

РИСУНОК 7. XR-2206 - це старіша ІС, яка все ще доступна і чудовий спосіб генерувати синусоїдальні, квадратні та трикутні хвилі в широкому діапазоні частот.

Частота встановлюється R і C і обчислюється з виразом:

Внутрішній генератор генерує квадратну хвилю і хвилю трикутника. Схема формувача синусоїди приймає хвилю трикутника і модифікує її в синусоїду.

Це все ще чудовий чіп. Окрім трьох загальних сигналів, які він генерує, він також може амплітудно або частотно модулювати їх.

Імпульсні генератори синусоїд

Є ще кілька розумних способів зробити приблизну синусоїду з імпульсів та фільтрів. Один із способів - просто скласти дві квадратні хвилі однакової амплітуди, де одна зміщена на 90 градусів від іншої (Малюнок 8). Пара тригерів JK, керованих імпульсами протилежної фази, може створити дві квадратні хвилі, які слід додати.

РИСУНОК 8. Грубий спосіб наблизити синусоїду, яка може працювати для деяких програм живлення змінного струму.

Результат - сигнал, який можна використовувати в деяких додатках для заміни синусоїди. Деякі сирі інвертори постійного та змінного струму використовують цей метод. Ефект - це середня потужність, подібна до тієї, яку синусоїда надаватиме навантаженню. Деяка RC або LC фільтрація може згладити хвилю в більш безперервну синусоподібну форму. Цей метод використовується в деяких джерелах безперебійного живлення (ДБЖ) або сонячних інверторах, де ідеальна синусоїда не потрібна.

Цікава техніка використовує послідовність імпульсів різної ширини, які фільтруються в синусоїду. Якщо ви застосуєте до фільтра низьких частот квадратну хвилю з рівним часом ввімкнення та вимкнення, на виході буде середнє значення імпульсної напруги протягом періоду включення. При п’ятивольтовому імпульсі середня потужність за весь цикл хвилі становила б 2,5 вольта. Змінюючи тривалість або ширину імпульсу, можна отримати різні середні напруги.

Приклад наведено в Малюнок 9.

РИСУНОК 9. ШІМ-схема для генерації імпульсного еквівалента синусоїди. Використання декількох імпульсів зменшує гармонійне спотворення і усереднює рівень до більш плавної синусоїди.

Амплітуди імпульсів постійні, але тривалість або тривалість імпульсу змінюються. Зі збільшенням тривалості імпульсів фільтр низьких частот виробляє вищу середню вихідну напругу. У міру звуження імпульсів середня вихідна напруга зменшується. Навантаження усереднює імпульси в ближній синус. Використання більшої кількості імпульсів призводить до більш плавної вихідної синусоїди. Імпульси поступово збільшуються, а потім поступово зменшуються, і їх середнє значення складає синусоїду. За необхідності може бути доданий додатковий фільтр.

Цей прийом використовується в деяких системах з регульованим двигуном для зміни частоти синусоїди, що застосовується до асинхронного двигуна змінного струму, для варіювання його швидкості (як у сонячних інверторів та джерел безперебійного живлення).

Послідовність імпульсів змінної ширини зазвичай генерується мікроконтролером. Більшість із цих процесорів мають інструкції з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) та один або кілька ШІМ-виходів. Ключем до створення синусоїди з низьким спотворенням є вибір числа, послідовності та структури імпульсів. Плідний інженер і письменник, Дон Ланкастер розробив математичну техніку для визначення кількості імпульсів та їх тривалості для створення синусоїди з мінімальними гармонічними спотвореннями. Це називається магічними синусоїдами. Подивись на www.tinaja.com.

Висвітлені тут схеми працюють, якщо вам подобається грати з ними. Я використовував підсилювач TL081, але працював майже будь-який інший (741 тощо). Також корисно зробити коефіцієнт підсилення змінної підсилювача з баком на шляху зворотного зв'язку, щоб налаштувати підсилення для ініціювання або підтримки коливань. НВ