Sóng sin không nên có sóng hài và thường được sử dụng trong máy phát tín hiệu để kiểm tra bộ khuếch đại và bộ lọc, cũng như trong các mạch tần số vô tuyến (RF) để cung cấp tín hiệu sóng mang cho máy thu và máy phát. Độ tinh khiết và ổn định phổ là tối quan trọng, mặc dù có nhiều cách để tạo ra sóng sin, chẳng hạn như bằng các nguồn kỹ thuật số như Arduino. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ xem xét thêm ba phương pháp phổ biến khác.

Phương pháp 1: Bộ dao động cầu Wien

Max Wien đã phát minh ra mạch dao động cầu Wien vào năm 1891. Năm 1939, dưới sự hướng dẫn của Frederick Terman, hai sinh viên tại Đại học Stanford, Hewlett và Packard, đã phát triển một máy phát âm thanh hoạt động được để sử dụng trong gara bằng cách sử dụng mạch cầu Wien và bộ ổn định đèn. Đây là sản phẩm đầu tiên của họ và là khởi đầu của Công ty Hewlett Packard!

Mạch điện bên dưới có thiết kế rất tương tự, ngoại trừ việc nó sử dụng op-amp thay vì bóng đèn điện tử, vẫn sử dụng phương pháp điều khiển biên độ của bóng đèn rất phù hợp.

Mạch cầu gồm C1 R4a và C3 R4b. R4 là một biến trở hai cực và điều khiển tần số, là 1/2πRC. Giả sử R4 ở vị trí trung tâm, ví dụ 2kΩ, thì tần số sẽ là 1/(2*π* 5kΩ * 0.01u) = 3kHz. Bóng đèn là một bóng đèn sợi đốt nhỏ 12V. Khi dây tóc nóng lên, điện trở của nó tăng lên, làm giảm dòng điện chạy qua nó, làm giảm độ khuếch đại và biên độ ở đầu ra. Do đó, bạn có được sự điều khiển biên độ phản hồi âm rất hiệu quả. Ý tưởng là điều chỉnh R2 sao cho mạch chỉ đi vào dao động. Điều này cung cấp đầu ra nhỏ hơn nhưng hiệu suất méo thấp tốt nhất có thể.

C1 R4a hoạt động như một bộ lọc nối tiếp hoặc lọc tần số cao, và C3 R4b hoạt động như một bộ lọc song song hoặc lọc tần số thấp khi chúng có cùng giá trị tại bất kỳ điểm nào. Phản hồi dương không đảo từ đầu ra đến đầu vào làm cho bộ khuếch đại dao động với độ lợi được xác định bởi 1 + R2/Rlamp.

Như bạn có thể thấy từ hình ảnh hiển thị Fourier trên máy hiện sóng bên dưới, hài bậc cao nhất giảm 58dB; điều này tương đương với độ méo hài tổng (THD) khoảng 0,13%. Nếu bạn thêm một bộ lọc thông thấp vào mạch này để cắt sau một tần số nhất định, bạn có thể giảm nó xuống thêm 30dB nữa, đưa nó xuống dưới 0,01%, giả sử bộ lọc không làm tăng quá nhiều độ méo.

Nếu mạch dao động rất sạch, có biên độ không đổi, có thể điều chỉnh dải tần số đến 10:1 và có tụ điện có thể chọn, thì đó sẽ là một mạch dao động thử nghiệm tốt, nhưng một biến trở có giá trị cao hơn sẽ tốt hơn—tôi chỉ có một cái 50kΩ. Lưu ý rằng biến trở nên tuyến tính, không phải logarit.

.

Phương pháp 2: XR2206

Một cách rất tiện lợi khác để tạo ra sóng sin tốt với tỷ lệ điều chỉnh 10:1 là sử dụng máy phát sóng đơn khối XR2206. Chip này cung cấp thêm chức năng tạo sóng vuông mà bạn có thể dùng để điều khiển màn hình hiển thị tần số; điều chỉnh R5 và R7 sẽ đặt THD dưới 1%. Ngoài ra, việc chuyển đổi công tắc trên chân 13 sẽ biến đổi sóng sin thành sóng tam giác khá tốt.

Bộ dao động này hoạt động dễ dàng trong dải tần từ 10Hz đến 100kHz, biến nó thành một máy tạo âm thanh để bàn rất tốt hoặc một máy tạo chức năng hoàn chỉnh. Kết hợp hai máy tạo chức năng này và điều chỉnh tần số của chúng so với nhau có thể tạo ra âm thanh báo động hoặc tiếng còi cảnh sát/xe cứu thương.

Bộ tạo sóng sin vuông và tam giác XR2206.

Phương pháp 3: Bộ dao động Clapp

Nếu bạn muốn có sóng sin ở tần số cao hơn tần số thu được từ mạch cầu Wien và XR2206, bạn cần chọn một bộ dao động tần số vô tuyến (RF). Hai loại được sử dụng rộng rãi là Colpitts và Clapp, cả hai đều sử dụng tụ điện có điểm chia. Cả hai đều là những lựa chọn tuyệt vời; một chút biến tấu của Colpitts sẽ tạo ra bộ dao động Clapp.

Sơ đồ A thể hiện mạch Clapp cơ bản. Lưu ý rằng C1 và C5 mắc nối tiếp/song song với L1 và tạo thành mạch cộng hưởng trong mạch Clapp được thể hiện trong Sơ đồ B. Giá trị của C7 nhỏ hơn nhiều so với C2 và C6, và có ảnh hưởng lớn hơn nhiều đến việc điều chỉnh tần số. Nếu C7 nhỏ hơn nhiều, tần số f chủ yếu phụ thuộc vào C7, và mạch sẽ ổn định hơn và điều chỉnh được phạm vi tốt hơn. Đây là lý do tại sao mạch Clapp thường là lựa chọn phổ biến cho các bộ đàm VFO (Bộ dao động tần số biến đổi).

Hình dưới đây là một mạch VFO Clapp hoạt động, với một số bổ sung thú vị cho mạch cơ bản. C1 và R1 tạo sự tách biệt khỏi nguồn; RFC gồm khoảng 10 vòng dây dẫn từ tính trên một vòng ferrite, dẫn đến trở kháng nguồn cao hơn. R3 cung cấp điện áp phân cực cho FETC2, C4 là mạch phản hồi chính, và C5 là tụ điều chỉnh biến thiên. D1 và R2 làm giảm biên độ, cải thiện sóng sin.

Dưới đây là dạng sóng Clapp của mạch điện ở trên, đây là một sóng sin tốt. Bên cạnh đó là hình ảnh hiển thị Fourier cho thấy sóng hài bậc hai đã giảm gần 40dB (khoảng 1% THD).