Semplice convertitore da onda quadra a onda sinusoidale

Il circuito convertitore da onda quadra a sinusoidale è un importante circuito analogico che converte le forme d'onda quadra in forme d'onda sinusoidali. Ha un ampio spettro di applicazioni in molte diverse aree dell'elettronica, come operazioni matematiche, acustica, applicazioni audio, inverter, fonte di alimentazione, generatore di funzioni, ecc.

In questo progetto, discuteremo come funziona un circuito convertitore da onda quadra a onda sinusoidale e come può essere costruito utilizzando una semplice elettronica passiva. Puoi anche controllare altri circuiti del generatore di forme d'onda elencati di seguito.

• Circuito generatore di onde quadre
• Circuito generatore di onde sinusoidali
• Circuito generatore di onde triangolari
• Circuito generatore di onde a dente di sega

Convertitore da onda quadrata a sinusoidale tramite rete RC

Un convertitore da onda quadra a sinusoidale può essere costruito utilizzando 6 componenti passivi, vale a dire condensatori e tre resistenze. Utilizzando questi tre condensatori e tre resistori, è possibile costruire una rete RC a 3 stadi che prende un'onda quadra come ingresso e un'onda sinusoidale come uscita. Di seguito è mostrato un semplice circuito di rete RC a stadio singolo.

Nel circuito sopra, viene mostrato un filtro RC monostadio in cui viene utilizzato un singolo resistore e un singolo condensatore. Il circuito sopra è piuttosto semplice. Il condensatore si carica a seconda dello stato dell'onda quadra. Se l'onda quadra nell'ingresso è in una posizione alta, il condensatore si carica e se l'onda quadra è in una posizione bassa, il condensatore si scarica.

Un'onda di segnale variabile come un'onda quadra ha una frequenza, a seconda di questa frequenza, l'uscita dei circuiti viene modificata. A causa di questo comportamento del circuito, il filtro RC è chiamato circuito integratore RC. Un circuito integratore RC cambia l'uscita del segnale a seconda della frequenza e potrebbe cambiare l' onda quadra in un'onda triangolare o un'onda triangolare in un'onda sinusoidale.

Schema del circuito del convertitore da onda quadrata a sinusoidale

In questo tutorial, stiamo usando questi circuiti integratori RC (reti di filtri RC) per convertire l'onda quadra in onda sinusoidale. Lo schema del circuito completo del convertitore è riportato di seguito e, come puoi vedere, ha solo pochissimi componenti passivi.

Il circuito è costituito da tre stadi di circuiti di filtro RC. Ogni stadio ha il suo significato di conversione, comprendiamo il funzionamento di ogni stadio e come contribuisce a convertire l'onda quadra in onda sinusoidale osservando la simulazione della forma d'onda

Principio di funzionamento del convertitore a onda quadra

Per sapere come funziona il convertitore da onda quadra a onda sinusoidale, è necessario capire cosa sta succedendo in ogni fase del filtro RC.

Primo stadio:

Nella prima fase della rete RC, ha una resistenza in serie e un condensatore in parallelo. L'uscita è disponibile attraverso il condensatore. Il condensatore viene caricato tramite il resistore in serie. Ma, poiché il condensatore è un componente dipendente dalla frequenza, ci vuole tempo per caricarsi. Tuttavia, questa velocità di carica può essere determinata dalla costante di tempo RC del filtro. Con la carica e la scarica del condensatore, e poiché l'uscita proviene dal condensatore, la forma d'onda dipende fortemente dalla tensione di carica del condensatore. La tensione del condensatore durante il tempo di carica può essere determinata dalla formula seguente:

V _C = V (1 - e ^{- (t / RC)})

E la tensione di scarica può essere determinata da:

V _C = V (e ^{- (t / RC)})

Pertanto, dalle due formule precedenti, la costante di tempo RC è un fattore importante per determinare la quantità di carica che il condensatore immagazzina e quanta scarica viene eseguita per il condensatore durante una costante di tempo RC. Se selezioniamo il valore del condensatore come 0.1uF e il resistore come 100 k-ohm come nell'immagine sotto, avrà una costante di tempo di 10 mili-secondi.

Ora, se viene fornito un 10 ms di un'onda quadra costante attraverso questo filtro RC, la forma d'onda di uscita sarà così a causa della carica e della scarica del condensatore nella costante di tempo RC di 10 ms.

L'onda è la forma d'onda esponenziale a forma parabolica.

Seconda fase:

Ora l'output del primo stadio di rete RC è l'ingresso del secondo stadio di rete RC. Questa rete RC prende la forma d'onda esponenziale a forma parabolica e la rende una forma d'onda triangolare. Utilizzando lo stesso scenario di carica e scarica costante RC, i filtri RC di secondo stadio forniscono una pendenza ascendente diritta quando il condensatore viene caricato e una pendenza discendente diritta quando il condensatore viene scaricato.

L'uscita di questo stadio è l'uscita della rampa, una vera e propria onda triangolare.

Terza fase:

In questo terzo stadio di rete RC, l'uscita della seconda rete RC è l'ingresso del terzo stadio di rete RC. Prende l'onda a rampa triangolare come input e quindi cambia la forma delle onde triangolari. Fornisce un'onda sinusoidale in cui la parte superiore e inferiore dell'onda triangolare si appiattiscono rendendole curve. L'uscita è abbastanza vicina a un'uscita sinusoidale.

Selezione dei valori R e C per il circuito del convertitore a onda quadra

Il valore del condensatore e del resistore è il parametro più importante di questo circuito. Perché, senza il corretto valore del condensatore e del resistore, la costante di tempo RC non verrà abbinata a una particolare frequenza e il condensatore non avrà abbastanza tempo per caricarsi o scaricarsi. Ciò si traduce in un'uscita distorta o anche ad alta frequenza, il resistore funzionerà come un unico resistore e potrebbe produrre la stessa forma d'onda fornita all'ingresso. Quindi, i valori del condensatore e del resistore devono essere scelti correttamente.

Se la frequenza di ingresso può essere modificata, è possibile scegliere un condensatore casuale e un valore di resistenza e modificare la frequenza in base alla combinazione. È consigliabile utilizzare lo stesso valore di condensatore e resistenza per tutti gli stadi di filtro.

Per una rapida consultazione, alle basse frequenze, utilizzare un condensatore di valore superiore e per le alte frequenze, scegliere un condensatore di valore inferiore. Tuttavia, se tutti i componenti, R1, R2 e R3 hanno lo stesso valore e tutti i condensatori C1, C2, C3 hanno lo stesso valore, il condensatore e il resistore possono essere selezionati utilizzando la formula seguente–

f = 1 / (2π x R x C)

Dove F è la frequenza, R è il valore di resistenza in Ohm, C è la capacità in Farad.

Lo schema seguente è un circuito integratore RC a tre stadi descritto in precedenza. Tuttavia, il circuito utilizza condensatori da 4,7 nF e resistori da 1 kilo-ohm. Questo crea una gamma di frequenza accettabile nella gamma di 33 kHz.

Test del nostro circuito convertitore da onda quadrata a sinusoidale

Lo schema è realizzato in una breadboard e un generatore di funzioni insieme a un oscilloscopio viene utilizzato per controllare l'onda in uscita. Se non si dispone di un generatore di funzioni per generare l'onda quadra, è possibile creare il proprio generatore di onde quadre o anche un generatore di forme d'onda Arduino che è possibile utilizzare per tutti i progetti relativi alle forme d'onda. Il circuito è molto semplice e quindi è facilmente realizzabile sulla breadboard come puoi vedere di seguito.

Per questa dimostrazione, stiamo usando un generatore di funzioni e, come puoi vedere nell'immagine sottostante, il generatore di funzioni è impostato sull'uscita a onda quadra di 33 kHz desiderata.

L'output può essere osservato su un oscilloscopio, di seguito viene fornita un'istantanea dell'output dall'oscilloscopio. L'onda quadra in ingresso è mostrata in giallo e l'onda sinusoidale in uscita è mostrata in rosso.

Il circuito ha funzionato come previsto per una frequenza di ingresso che va da 20kHz a 40kHz, puoi fare riferimento al video qui sotto per maggiori dettagli su come funziona il circuito. Spero ti sia piaciuto il tutorial e hai imparato qualcosa di utile. Se hai domande, lasciale nella sezione commenti qui sotto. Oppure puoi anche utilizzare i nostri forum per pubblicare altre domande tecniche.