Howto Sinus aus Rechteck -- mit 3 TL072 sind Sie dabei!

[RudiS]

Eigentlich entstand diese Schaltung mehr aus Zufall -- weil ich mich in letzter Zeit ein wenig mit Filtern beschäftige
und dabei verschiedene Topologien untersuchte.

Als Testsignal benutzte ich ein Rechteck-Signal, und es interessierte mich, doch einmal zu testen,
wie gut oder wie schlecht die Filter die ungradzahligen Harmonischen der Rechteckwelle entfernen können,
anders ausgedrückt, wie weit es möglich ist, eine vernünftige Sinuswelle mittels Filter aus einem Rechtecksignal zu erzeugen.

Ausführliche Erklärungen zu den benutzten Filtern erspare ich mir, im Netz gibt es genügend Literatur dazu.
Das erste Filter ist ein VCVS-Filter (voltage controlled voltage source), und zwar ein Butterworth Lowpass-Filter 6. Ordnung.
In einem Rechtecksignal von 1kHz sind besonders störend die Harmonischen bei 3, 5, 7 und 9kHz.
Um das Ganze nicht zu umfangreich und aufwendig werden zu lassen, habe ich mich auf die Verringerung
der 3kHz-Harmonischen mittels Twin-T Notchfilter beschränkt.

Das Ergebnis in Zahlen:
Eingangssignal Rechteck 5V
Ausgangssignal Sinus ca. 1.3V 0.0007% THD

Oberwellen:
2kHz: -115dB
3kHz: -110dB
4kHz: -173dB
5kHz: -102dB
6kHz: -186dB
7kHz: -118dB
8kHz: -183dB
9kHz: -131dB

Die Screenshots zeigen die Sinuswelle, die Filterkurve der AC-Simulation und das FFT der TRAN-Simulation.

Ob es praktikabel ist, ein Sinussignal auf diese Weise zu erzeugen, ist nicht Ziel noch Zweck dieses Beitrags,
das kann/muss jeder für sich selbst entscheiden.

RudiS

 

[spicer]

Tolle Sache.
Aber wie kriegt man Amplituden grösser als 1.6V hin?

Hättest auch eine Idee, wie man eine HiPower Stufe (zBsp 230Vac 10A - 325Vss_ac) bauen könnte damit?

 

[spicer]

Da könnte ev der Faktor [imath]\surd2[/imath] ein Problem werden, da der Unterschied zwischen Rechteck und Sinus...

 

[RudiS]

Ich hatte bei meinen Versuchen eher an einen sauberen Sinus für (Audio-)Messzwecke gedacht.
Generell gilt: aktive Filter sind für low voltage / low power. Für Poweranwendungen nimmt man
üblicherweise passive Filter (siehe z.B. Frequenzweiche für Lautsprecher).

Für einen DC-AC-Wandler braucht es eigentlich keinen soo sauberen Sinus, meine ich. Für einen Wandler wäre ein anderer Ansatz wahrscheinlich vorteilhafter, z.B. hier
Kennt der Udo sich da nicht aus?

Grössere Spannung: mittels Opamp verstärken wäre am einfachsten.

 

[Erwin H]

Sauberer Sinus für Messzwecke, bitte sehr:

Ultra low Distortion Hifi Oszillator die unendliche Suche nach dem reinen Sinus

Hifi Verstärker die unendliche Suche nach dem reinen Sinus mit geringem Klirrfaktor und ohne Verzerrungen als Wien Brücke

amplifier.cd

Einigermassen sauberer Sinus für Anwendungen, die etwas Leistung benötigen:

Howto - Wie man einen Royer Converter ohne Sensorspule baut

Ein Royer Converter ist ein Resonanzwandler zur induktiven Energieübertragung, patentiert in 1957 und immer noch häufig angewendet. So lange alle Spulen auf einen Kern gewickelt werden können, ist das eine klare Sache. Sobald aber die Empfängerspule von der Senderspule unabhängig ist ( z.B...

www.ltspiceusers.ch

 

[RudiS]

Wie man sieht, gibt es immer wieder etwas noch Besseres . . .
Mir selbst sind natürlich auch andere Schaltungen für einen ultra-pure Sinus bekannt,
z.T. entsprechend aufwendig. Diese hier ist vom ehrenwerten Jim Williams: ultrapure sine-wave oscillator
Auf diyaudio wurden solche Schaltungen ebenfalls über die Jahre hinweg diskutiert: low distortion oscillators
Es gibt auch eine Anzahl Schaltungen mit DACs, die gute Ergebnisse versprechen.

Es ging mir bei meinen Versuchen aber auch nicht in erster Linie darum, einen Sinus für Messzwecke zu schaffen,
sondern um Filtertypen und Filtereigenschaften, und nur in zweiter Linie darum, ob man das für irgend etwas nutzbringend verwenden kann.

Der seinerzeit von Elektor veröffentlichte Spot-Sinus-Generator brachte es auf 0.008% THD, mein simples Filter auf 0.00078%,
noch eine Zehnerpotenz besser.

Wer über entsprechende finanzielle Mittel verfügt, kann sich immer mit dem Besten, was der Markt zur Verfügung stellt, ausstatten.
Nicht alle sind derart gesegnet und müssen sich daher mit weniger zufrieden geben.

RudiS

P.S.: Eine Schaltung, die ich immer mal bauen wollte, ist die unten angefügte. Für alle, die diese Notiz lesen und auf der Suche nach einem noch
relativ einfach zu bauenden Sinusgenerator mit geringer THD sind.

 

[RudiS]

@spicer
Für High-power-Wandler gibt es eine Application-Note von TI, ich füge die einfach mal an, vielleicht nützt Dir das.

 

[Udo]

Ich habe mal unter "Testschaltungen..\How to......die Schaltung eines Power - Sinuswelchselrichters gepostet. Dabei sind alle erforderlichen Leistungsteile mit eingearbeitet (Batteriewndler 24V/400V Zwischenkreis für die Wechselrichterbrücke). Es fehlen lediglich die einfachen Schaltungsteile wie Hilfsversorgung und Sinusreferenz. Dafür gibt es mannigfache Lösungsmöglichkeiten. (Z.B. Sinusrefefrenz analog als Wienoszillator oder digital). Die Simulationsdauer erhöht sich leider mit der Anzahl der Komponenten.
Für alle Fälle sind auch Bauteile im zip-file als .lib oder .sub enthalten, falls user nicht alle Elemente parat haben.

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Gruß Udo

 

[RudiS]

Ich habe mal aus lauter Jux noch eine Filterstufe angehängt und das erste Filter zu einem Butterworth-Lowpass 8.Ordnung gemacht.
Der THD-Wert liegt jetzt bei 0.000098%.

Der Ausgang des Butterworth-Filters selbst ist nicht so toll, wie der Plot der Log-Datei belegt.



Vor allem die 3kHz-Harmonische sticht negativ hervor, wie der Exponent belegt.
Das zeigt sich auch im FFT:



Diese Harmonische beseitigt aber das Notch-Filter:



Somit ist die erste Harmonische bei 2kHz 100dB unter der Grundfrequenz (1kHz) und der gesamte Audiobereich oberhalb der Grundwelle
weitestgehend frei von Harmonischen.

Soweit die Simulation. Ob die Praxis vergleichbare Werte bietet, kann sich nur auf dem Breadboard erweisen.

RudiS