ژنراتور موج سینوسی (ساخت مولد موج سینوسی)

امواج سینوسی، در حالت ایده آل، اصلاً نباید هیچگونه هارمونیکی داشته باشند و اغلب در ژنراتور های سیگنال برای آزمایش تقویت کننده ها و فیلتر ها و مدار های فرکانس رادیویی (RF) استفاده می شوند تا سیگنال های حامل برای گیرنده ها و فرستنده ها فراهم کنند. صافی طیف ها و ثبات در اولویت اول است. اگرچه روش های مختلفی برای تولید امواج سینوسی مانند منبع دیجیتالی یک آردوینو وجود دارد. برای این آموزش، سه روش معمول دیگر برای انجام این کار را بررسی خواهیم کرد.

روش 1: اسیلاتور های پل وین

ماکس وین در سال 1891 اسیلاتور پل وین را اختراع کرد. در سال 1939 فردریک ترمن و دو دانشجوی دانشگاه استنفورد، هیولت و پاکارد، یک مولد سیگنال صوتی فعال را با استفاده از پل وین و تثبیت کننده لامپ در گاراژ خود ساختند. این اولین محصول آن ها و آغاز کار شرکت هیولت پاکارد بود!

مدار زیر بسیار مشابه همان طراحی شده است با این تفاوت که به جای لوله (شیرآلات) از یک op-amp استفاده می کند. هنوز هم از روش تنظیم کننده دامنه لامپ استفاده می کند.

مدار پل C1، R4a و C3 ،R4b است. R4 یک پتانسیومتر دو لبه است و فرکانس را کنترل می کند که 1 / 2πRC است. با فرض اینکه R4 برابر 5k است، فرکانس می تواند برابر مقدار زیر باشد:

 F= 1 / (2 * π * 5k * 0.01u) = 3kHz

این لامپ از نوع رشته ای 12 ولت کوچک است که قبلاً برای لامپ های آزمایشی استفاده می شد. با گرم شدن رشته، مقاومت آن بالا می رود و جریان عبوری از آن کاهش می دهد و باعث کاهش بهره و دامنه در خروجی می شود، بنابراین شما یک کنترل دامنه فیدبک منفی بسیار موثر دارید. ایده این است که R2 را طوری تنظیم کنید که مدار فقط به نوسان برود. این کار خروجی کمتری دارد اما اعوجاج کمی هم دارد.

C1 با R4a یک فیلتر سری یا بالا گذر است و C3 با R4b یک فیلتر پایین گذر موازی است. هنگامی که در هر نقطه مشخص یکسان باشند، فیدبک مثبت از خروجی به ورودی غیر معکوس باعث می شود که op-amp در یک بهره تنظیم شده توسط 1+R2 / مقاومت لامپ نوسان کند.

همانطور که از نمایش فوریه زیر مشاهده می کنید، بدترین هارمونیک 58dB است. این حدود 0.13٪ THD است. اگر بخواهید این مدار را با یک فیلتر پایین گذر تنظیم کنید تا دقیقاً بعد از فرکانس تنظیم شده قطع شود، می توانید در 30dB خاموش کنید، با فرض اینکه فیلتر اعوجاج زیادی ایجاد نکند، مقدارTHD  به زیر 0.01 درصد می رسد.

اگر یک اسیلاتور بسیار تمیز، دامنه پایدار و محدوده فرکانس 1:10 و با یک مقدار خازن قابل انتخاب در دسترس باشد یک اسیلاتور آزمایشی خوب را ایجاد می کند. اما اگر مقدار پتانسیومتر بیشتر باشد بهتر است (بیشترین مقداری که من میتوانستم داشته باشم 50k بود). توجه داشته باشید که پتانسیومتر باید از نوع LIN باشد، نه از نوع LOG.

روش 2: XR2206

روش بسیار مناسب دیگر برای تولید موج سینوسی خوب با نسبت تنظیم 1:10، XR2206 است. این تراشه به شما یک خروجی موج مربعی می دهد که می توانید از آن برای نمایش فرکانس استفاده کنید. با تنظیم R5 و R7 میزان THD در زیر 1٪ تنظیم می شود. همچنین، باز کردن کلید در پین 13، موج سینوسی را به شکل موج مثلثی بسیار خوبی تغییر می دهد. این اسیلاتور به راحتی از 10 هرتز تا 100 کیلوهرتز کار خواهد کرد و یک ژنراتور سیگنال صوتی بسیار خوب یا یک سیگنال ژنراتور کامل ایجاد می کند. با ترکیب دو تا از این سیگنال ژنراتور ها و مدوله کردن یکی با دیگری، صدای زنگ خطر یا آژیر پلیس / آمبولانس را می توان ساخت.

روش 3: اسیلاتور کلپ (CLAPP)

اگر شما نیاز به داشتن موج سینوسی در فرکانس های بسیار بالاتر از آنچه می توانیم با پل وین و 2206 بدست آوریم، باید به دنبال یک اسیلاتور نوع RF (فرکانس رادیویی) باشید. دو نوع رایج هارتلی هستند که از یک سلف استفاده می کنند و یک کولپیتس که از یک خازن استفاده می کند. هر دو گزینه عالی هستند. اندکی تغییر در کولپیتس آن را به یک اسیلاتور کلپ تبدیل می کند.

دیاگرام A یک کولپیتس را نشان می دهد. توجه داشته باشید که خازن های C1 و C5 به صورت سری یا موازی با سلف L1 قرار دارند و مدار تشدید (رزونانس) را تشکیل می دهند. در کلپ نشان داده شده در دیاگرام B، مقدار C7 بسیار کوچکتر از C2 و C6 است و تأثیر بسیار بیشتری در تنظیم دارد. اگر C7 بسیار کوچکتر باشد، فرکانس f بیشتر به C7 وابسته است و پایدارتر است و در محدوده بهتر تنظیم می شود. به همین دلیل است که مدار های کلپ اغلب محبوب ترین گزینه برای رادیو VFO (اسیلاتور های فرکانس متغیر) هستند.

در زیر یک کلپ VFO فعال نشان داده شده است، موارد دیگری نیز در مدار اصلی وجود دارد. C1 و R1 جداسازی از منبع تغذیه را انجام می دهند. چوک فرکانس رادیو (RFC) حدودا 10 بار دور یک هسته فریت میچرخد، و امپدانس بالاتری را به منبع میدهد و R3 نیز ولتاژ بایاس FET را فراهم می کند. C2 و C4 خازن های  فیدبک اصلی هستند و C5 خازن قابل تنظیم متغیر است. D1 و R2 به پایین نگه داشتن دامنه کمک می کنند و موج سینوسی بهتری ایجاد می کنند.

در زیر شکل موج کلپ مدار بالا وجود دارد که یک موج سینوسی خوب است. در کنار آن نمایش فوریه دومین هارمونیک را نشان می دهد که تقریباً 40dB است (حدود 1٪ THD).

اکنون، ما چهار اسیلاتور مختلف موج سینوسی را بررسی کرده ایم که همگی شکل موج خوبی دارند.