Generator dwutonowy XR2206, DDS, Colpitts – schematy audio i RF, sumator, separacja

Pytanie

Generator dwutonowy schemat

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Generator dwutonowy buduje się z dwóch niezależnych oscylatorów (f₁, f₂), buforów/separatorów, sumatora oraz ewentualnego wzmacniacza i filtru wyjściowego.
• Kluczowy jest wysoki poziom separacji między torami (≥ 60 dB) i niskie własne zniekształcenia (< -70 dBc).

Szczegółowa analiza problemu

1. Architektura blokowa

      Oscylator 1        Oscylator 2
      (f1, np. 1 kHz)    (f2, np. 1,5 kHz)
           │                  │
  ┌────────┴────────┐ ┌──────┴───────┐
  │  Bufor/separator │ │ Bufor/separator │  – wzmacniacze emiter-, źródł- lub op-amp
  └────────┬────────┘ └──────┬───────┘
           │                  │
           ├──────┬───────────┤  – sumator rezystorowy lub sprzęgacz 6 dB
           │      │
           ▼      ▼
        Sumator (RF op-amp lub 90°-hybrid)  →
        Filtr wyjściowy (LPF)               →
        Tłumik precyzyjny (0…-30 dB)        →
        Wyjście niskiej impedancji (50 Ω / 600 Ω)

2. Przykładowy, w pełni analogowy schemat audio 700 Hz/1900 Hz

(układ RC + wzmacniacze operacyjne)

                +12 V
                 │
        ┌────────┴────────┐
        │ XR2206  f1=700Hz│
        └───┬────┬────────┘
            │Cout│
            R3  ─┘
              (10 kΩ)
        ┌─────────────────┐
        │ XR2206  f2=1900Hz│
        └───┬────┬────────┘
            │Cout│
            R4  ─┘
              (10 kΩ)
   R3+R4  →  TL071 (sumator) → TL071 (bufor) → C-wyj 100 n → OUT

• R5 w sprzężeniu zwrotnym 10 kΩ → wzmocnienie 0 dB.
• Każdy XR2206 wymaga trymera częstotliwości i trymera amplitudy.

3. Przykładowy schemat RF (144 MHz / 144,16 MHz, +10 dBm)

• Dwa oscylatory kwarcowe Colpittsa z fet-bufferem → MMIC-GALI-84 (20 dB) → 6 dB Wilkinson power combiner → 7-pól LPF 160 MHz → tłumik PI 0-20 dB → SMA.
• Izolacja wejść w kombinerze ~30 dB; łącznie z buforami > 60 dB.

4. Teoretyczne podstawy

Wzmacniacz idealny:
\[ V_\text{out} = A\,( \sin 2\pi f_1 t + \sin 2\pi f2 t ) \]
Rzeczywista nieliniowość 3-rzędu:
\[ V\text{out} ≈ A (x + \alpha x^3) \]
gdzie \(x\) – sygnał dwutonowy. W efekcie pojawiają się składowe: \(2f_1-f_2\), \(2f_2-f_1\). Generator nie może ich generować sam w sobie – stąd wymóg czystości widma.

5. Praktyczne zastosowania

• Pomiar IP3, IMD, kompresji P1 dB w RF.
• Kalibracja torów audio, pomiary THD+N.
• Generowanie tonów alarmowych, syren, DTMF (po modyfikacjach).

Aktualne informacje i trendy

• Zamiast analogowych VCO coraz częściej stosuje się DDS (np. AD9833, AD9910) sterowane mikrokontrolerem; pojedynczy układ wytwarza kolejno f₁ i f₂, które następnie sumuje się w domenie cyfrowej lub analogowo po filtracji.
• Na rynku pojawiły się gotowe moduły dwutonowe USB (LabBrick RFTG-IMD, Rigol SSG5000A 2-tone). Osiągają poziom czystości > 80 dBc.
• W audio popularne są aplikacje mobilne generujące dwa tony oraz interfejsy USB-C typu u-Generator (EP 06/2023).

Wspierające wyjaśnienia i detale

• W audio do stabilizacji amplitudy stosuje się AGC z żarówką (lamp test), co ogranicza THD do ~0,01 %.
• W RF izolację między generatorami poprawia się hybrydą 90° lub 180° (branch-line).
• Ścieżki prowadzić symetrycznie; filtr wyjściowy LC należy ekranować.

Aspekty etyczne i prawne

• Generatory RF powyżej 30 MHz podlegają normom ETSI/ECC; emisja do anteny wymaga zezwolenia radiowego.
• W audio należy chronić słuch; sygnał 2-tone o RMS > 1 Vrms może uszkodzić słuchawki.

Praktyczne wskazówki

1. Zacznij od wyboru pasma (audio / RF) i wymogów czystości.
2. Zapewnij oddzielne zasilanie + lokalną filtrację LC przy każdym oscylatorze.
3. Mierz harmoniczne osobno – analizator widma z tłumikiem 20 dB przed DUT.
4. Kalibruj poziomy za pomocą atenuatorów wyjściowych 50 Ω klasy NIST.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Układy XR2206 są już wycofane; alternatywą jest MAX038 (również EOL) lub DDS.
• DDS wymaga filtrów rekonstrukcyjnych – przy dużych odstępach fałszywe obrazy mogą zakłócać pomiar.

Sugestie dalszych badań

• Implementacja generatora dwutonowego na FPGA (np. artyleria PDM + CORDIC).
• Analiza wpływu jittera fazowego DDS na dokładność pomiaru IMD.
• Zastosowanie sumatorów LTCC o izolacji > 40 dB w paśmie mikrofalowym.

Krótkie podsumowanie

Generator dwutonowy składa się z dwóch stabilnych źródeł sinusoid, buforów zapewniających wysoką izolację, sumatora oraz filtrów/tłumików wyjściowych. Zaprojektowany poprawnie daje czysty sygnał dwutonowy potrzebny do pomiaru nieliniowości audio i RF. Współczesne trendy przesuwają konstrukcje w kierunku DDS i gotowych modułów laboratoryjnych, ale klasyczne układy analogowe (XR2206, kwarc + combiner) nadal są prostym i skutecznym rozwiązaniem dla hobbysty i inżyniera.