Unda sinusoidală este o formă de semnal naturală în comunicații și alte aplicații electronice.

Multe produse electronice utilizează semnale de formă sinusoidală. Echipamentele audio, radio și electrice generează sau procesează de obicei unde sinusoidale. După cum se dovedește, există literalmente zeci de moduri de a genera o undă sinusoidală. Acest articol prezintă câteva metode populare pe care ar trebui să le cunoașteți.

Oscilatorul podului Wien

Un popular oscilator cu undă sinusoidală de frecvență joasă (audio și până la aproximativ 100 kHz) este puntea Wien prezentată în figura 1.

comune

FIGURA 1. Popularul oscilator Wien bridge. Un bătrân, dar bun. Frecvența poate fi variată folosind pot-uri pentru R și folosind diferite valori ale C-ului comutat.

Folosește o rețea RC care produce o schimbare de fază de zero grade de la ieșire înapoi la intrare, producând feedback pozitiv care, la rândul său, produce oscilație. Un amplificator operațional este utilizat pentru a produce un câștig de trei care compensează atenuarea rețelei RC. Cu un câștig net de buclă închisă de unul, circuitul oscilează la o frecvență determinată de valorile rețelei RC:

Acest circuit funcționează excelent și produce o undă sinusoidală cu distorsiune redusă foarte curată. Problema sa este că instabilitățile în câștig și fază pot face ca circuitul să iasă complet din oscilație sau să intre în saturație producând o undă sinusoidală tăiată sau o undă pătrată. Unele componente de compensare sunt de obicei adăugate pentru a elimina această problemă.

O soluție simplă este înlocuirea R1 cu un bec incandescent mic a cărui rezistență se schimbă cu curentul. Pe măsură ce ieșirea crește, curentul și rezistența becului cresc și reduc câștigul pentru compensare. Dacă ieșirea scade, curentul scade, scăzând rezistența și mărind câștigul pentru a menține ieșirea constantă. Un exemplu de lucru este de a face din R2 390 ohmi și R1 un bec de tip 327. Alte scheme mai elaborate folosesc un FET ca rezistență variabilă pentru a varia câștigul.

Acest circuit funcționează și are o frecvență de aproximativ 1.592 Hz. Amplitudinea de ieșire depinde de tensiunile de alimentare.

Oscilator cu schimbare de fază

O modalitate populară de a face un oscilator cu undă sinusoidală este de a utiliza o rețea RC pentru a produce o schimbare de fază de 180 de grade pe care să o utilizați în calea de feedback a unui amplificator inversor. Setarea câștigului amplificatorului pentru a compensa atenuarea rețelei RC va produce oscilație. Există mai multe variații ale schimbătorilor de fază, inclusiv o rețea Twin-T RC și secțiuni în cascadă RC high pass care produc schimburi de 45 sau 60 de grade în fiecare etapă. Amplificatorul poate fi un singur tranzistor, un singur amplificator op sau mai multe amplificatoare op. Figura 2 prezintă o variantă populară.

FIGURA 2. O frecvență fixă ​​este un dezavantaj, dar pentru o singură frecvență este bine. Ieșirea pură trebuie să fie tamponată cu un adept op-amp dacă aveți de gând să conduceți o sarcină.

Aceste oscilatoare produc o undă sinusoidală foarte distorsionată. Cu toate acestea, frecvența este fixată în punctul în care fiecare secțiune RC produce o schimbare de fază de 60 de grade. Această frecvență aproximativă este:

În circuitul Figura 2, frecvența ar trebui să fie de aproximativ 3,85 kHz.

Oscilator de cristal Colpitts

Cristalele de cuarț sunt adesea folosite pentru a seta frecvența unui oscilator datorită frecvenței lor exacte de oscilație și stabilitate. Circuitul echivalent al unui cristal este un circuit LC în serie sau paralel. Figura 3 este un oscilator cu undă sinusoidală foarte popular de tip Colpitts, identificat de rețeaua de feedback cu doi condensatori.

FIGURA 3. Un oscilator de cristal popular care funcționează de fiecare dată.

Acesta este un alt circuit utilizat pe scară largă, deoarece este ușor de implementat și foarte stabil. Gama sa de frecvență utilă este de aproximativ 100 kHz până la 40 MHz. Ieșirea este o undă sinusoidală cu o ușoară distorsiune.

Apropo, dacă aveți nevoie de un oscilator de cristal cu o undă sinusoidală, puteți cumpăra de obicei un circuit comercial. Sunt disponibile pe scară largă pentru aproape orice frecvență dorită. Sunt ambalate într-o cutie de metal și au dimensiunea unui CI tipic. Alimentarea DC este de obicei de cinci volți.

Unda pătrată și filtru

O modalitate interesantă de a produce o undă sinusoidală este să o selectați cu un filtru. Ideea este de a genera mai întâi un val pătrat. După cum se dovedește, este adesea mai ușor să generezi o undă pătrată sau unghi dreptunghiular decât o undă sinusoidală. Conform teoriei Fourier, unda pătrată este alcătuită dintr-o undă sinusoidală fundamentală și un număr infinit de armonici impare.

De exemplu, o undă pătrată de 10 kHz conține o undă sinusoidală de 10 kHz și unde sinusoidale la a 3-a, a 5-a, a 7-a etc., armonici de 30 kHz, 50 kHz, 70 kHz și așa mai departe. Ideea este de a conecta unda pătrată la un filtru care selectează frecvența dorită.

Figura 4 arată un exemplu.

FIGURA 4. Este recomandată versiunea CMOS a modelului 555, dar puteți face acest lucru cu un standard 555 eliminând rezistorul de 100K.

Un IC cu temporizator CMOS 555 produce o undă pătrată cu un ciclu de funcționare de 50%. Ieșirea sa este trimisă către un filtru RC cu trecere joasă care filtrează armonicele, lăsând doar unda sinusoidală fundamentală. Unele distorsiuni sunt frecvente, deoarece este dificil să elimini complet armonicele. Un filtru LC mai selectiv poate fi utilizat pentru a îmbunătăți calitatea undei sinusoidale. Rețineți că puteți utiliza și un filtru selectiv de trecere a benzii pentru a alege una dintre undele sinusoidale armonice.

Acest circuit este proiectat pentru o frecvență de 1.600 Hz.

Sinteza digitală directă

O modalitate interesantă de a produce o undă sinusoidală este să o faci digital. A se referi la Figura 5.

FIGURA 5. Sinteza digitală directă.

Începe cu o memorie de numai citire (ROM) care stochează o serie de valori binare care reprezintă valori care urmează ecuația de trigonometrie pentru o undă sinusoidală. Aceste valori sunt apoi citite din ROM una câte una și aplicate unui convertor digital-analog (DAC). Un semnal de ceas pasează un contor de adrese care apoi accesează secvențial valorile sinusale în ROM și le trimite către DAC. DAC generează un semnal de ieșire analogic, care este proporțional cu valoarea binară de la ROM. Ceea ce obțineți este o aproximare în trepte a unei unde sinusoidale.

Figura 6 este un exemplu grosolan.

FIGURA 6. O aproximare în trepte a unei unde sinusoidale. Trecerea semnalului printr-un filtru trece jos va netezi pașii.

Dacă utilizați suficiente eșantioane și utilizați mai mulți biți pentru valoarea binară, pașii vor fi mai mici și va avea loc o undă sinusoidală mai fină. Frecvența undei sinusoidale depinde de numărul de eșantioane sau valori pe care le utilizați pentru unda sinusoidală și de frecvența semnalului de ceas care citește valorile din ROM. Dacă pașii sunt prea mari, puteți trece semnalul pas cu pas printr-un filtru low-pass pentru a-l netezi. IC-uri speciale de sinteză digitală directă (DDS) precum cele de la Analog Devices sunt disponibile pentru a genera unde sinusoidale de sub 1 Hz la mai mulți MHz.

Generator de funcții

Un generator de funcții este numele unui dispozitiv care generează unde sinusoidale, pătrate și triunghiulare. Poate descrie o piesă de echipament de test pe bancă sau un CI. Un generator de funcții vechi, dar încă bun, este XR-2206. A fost realizat pentru prima dată de Exar în anii 1970, dar este încă în jur.

Dacă aveți nevoie de un generator de unde sinusoidale care poate fi setat la orice frecvență de la 0,01 Hz la 1 MHz sau mai mult, aruncați o privire la XR-2206. Figura 7 arată XR-2206 conectat ca generator de undă sinusoidală.

FIGURA 7. XR-2206 este un CI mai vechi care este încă disponibil și o modalitate excelentă de a genera unde sinusoidale, pătrate și triunghiulare pe o gamă largă de frecvențe.

Frecvența este setată de R și C și se calculează cu expresia:

Oscilatorul intern generează o undă pătrată și o undă triunghiulară. Circuitul de formare a sinusurilor ia undă triunghiulară și o modifică într-o undă sinusoidală.

Acesta este încă un chip excelent. Pe lângă cele trei forme de undă comune pe care le generează, le poate modula și amplitudinea sau frecvența.

Generatoare de unde sinusoidale pe bază de impulsuri

Există mai multe alte modalități inteligente de a face o undă sinusoidală aproximativă din impulsuri și filtre. O modalitate este de a adăuga pur și simplu două unde pătrate de aceeași amplitudine unde una este deplasată la 90 de grade față de cealaltă (Figura 8). O pereche de flip-flops JK conduse de impulsuri de ceas de fază opuse pot produce cele două unde pătrate de adăugat.

FIGURA 8. Un mod brut de a face o aproximare a unei unde sinusoidale care ar putea funcționa pentru unele aplicații de curent alternativ.

Rezultatul este un semnal care poate fi utilizat în unele aplicații pentru a înlocui o undă sinusoidală. Unele invertoare brute DC-AC folosesc această metodă. Efectul este o putere medie similară cu ceea ce o undă sinusoidală ar oferi unei sarcini. Unele filtrări RC sau LC pot netezi unda într-o formă mai continuă asemănătoare sinusului. Această metodă este utilizată în unele surse de alimentare neîntreruptibile (UPS) sau invertoare de energie solară unde nu este necesară o undă sinusoidală perfectă.

O tehnică interesantă folosește o secvență de impulsuri cu lățime variabilă, care sunt filtrate într-o undă sinusoidală. Dacă aplicați o undă pătrată cu timpi de pornire și oprire egali la un filtru trece-jos, ieșirea va fi o medie a tensiunii impulsurilor în perioada de pornire-oprire. Cu un impuls de cinci volți, ieșirea medie pe întregul ciclu al undei ar fi de 2,5 volți. Prin variația duratei sau a lățimii impulsului, pot fi produse diferite tensiuni medii.

Un exemplu este dat în Figura 9.

FIGURA 9. O schemă PWM pentru a genera o undă sinusoidală echivalentă cu impulsul. Utilizarea mai multor impulsuri reduce distorsiunea armonică și calculează mediile într-o undă sinusoidală mai fină.

Amplitudinile pulsului sunt constante, dar lățimea sau durata pulsului variază. Pe măsură ce duratele impulsului cresc, filtrul trece jos produce o tensiune medie de ieșire mai mare. Pe măsură ce impulsurile se îngustează, tensiunea medie de ieșire scade. Încărcarea calculează în medie impulsurile într-un sinus aproape. Folosind mai multe impulsuri rezultă o undă sinusoidală de ieșire mai lină. Impulsurile cresc treptat și apoi scad treptat, iar media lor este o undă sinusoidală. Filtrare suplimentară poate fi adăugată după cum este necesar.

Această tehnică este utilizată în unele sisteme variabile de acționare a motorului pentru a modifica frecvența undei sinusoidale aplicate unui motor cu inducție de curent alternativ pentru a-i varia viteza (la fel ca la invertoarele de energie solară și la sursele de alimentare neîntreruptibile).

Secvența impulsurilor cu lățime variabilă este de obicei generată de un microcontroler. Majoritatea acestor procesoare au instrucțiuni de modulare a lățimii pulsului (PWM) și una sau mai multe ieșiri PWM. Cheia creării unei unde sinusoidale cu distorsiune redusă este selectarea numărului, secvenței și modelului impulsurilor. Inginer și scriitor prolific, Don Lancaster a dezvoltat o tehnică matematică pentru a determina numărul de impulsuri și duratele acestora pentru a crea o undă sinusoidală cu distorsiuni armonice minime. Se numește unde sinusoidale magice. Aruncăm o privire la www.tinaja.com.

Circuitele acoperite aici funcționează dacă vrei să te joci cu ele. Am folosit un op-amp TL081, dar aproape orice alte lucrări (741 etc.). De asemenea, este o idee bună să faceți câștigul variabilei amplificator op cu un pot în calea de feedback pentru a ajusta câștigul pentru a iniția sau a susține oscilația. NV