Генератор на мосте Вина с внешней синхронизацией

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2020

Glen Brisebois

EDN

Недавно мне представилась возможность исследовать работу нового микромощного 6-мегагерцового операционного усилителя (ОУ) LTC6255, управляющего 12-битным АЦП LTC2361 с частотой дискретизации 250 Квыб/с. Я хотел получить БПФ чистой синусоиды частотой около 5 кГц. Но проблема в том, что для получения БПФ чистой синусоиды… ну, в общем, нужна чистая синусоида. Однако большинство программируемых генераторов сигналов имеют довольно плохие характеристики шумов и искажений по сравнению со специализированными операционными усилителями и хорошими АЦП. Но нельзя же измерять искажения и шумы с уровнями 90 дБ, используя источники с уровнем шума 60 дБ. Поэтому вместо того, чтобы пытаться найти практически идеальный программируемый генератор сигналов, я решил сделать генератор с низкими искажениями на основе стабилизированного лампой накаливания моста Вина, используя ОУ с ультранизкими искажениями LT1468-2 (Рисунок 1).

Рисунок 1.	В 5-килогерцовом генераторе синусоидальных колебаний с низкими искажениями и шумами на основе моста Вина, стабилизированном лампочкой накаливания, RC-цепь обратной связи в середине частотного диапазона ослабляет усиление в 3 раза. Самонагрев лампочки увеличивает коэффициент усиления ОУ до 3.

Метод стабилизации амплитуды с помощью лампочки основан на положительном температурном коэффициенте сопротивления ее нити, стабилизирующем усиление операционного усилителя на таком уровне, чтобы компенсировать ослабление в 3 раза, вносимое мостом Вина на его центральной частоте. При увеличении амплитуды выходного сигнала лампа накаливания нагревается, увеличивая сопротивление нити и уменьшая коэффициент усиления и, следовательно, амплитуду. Лампочек типа 327, используемых в таких случаях чаще всего, у меня под рукой не нашлось, поэтому я решил попробовать сравнительно маломощную высоковольтную лампочку для рождественской гирлянды типа C7. Ее сопротивление при комнатной температуре составило 316 Ом, а измерения, сделанные сразу после извлечения лампочки из морозильника (около –15 °C), показали 270 Ом. Исходя из паспортных значений 5 Вт, 120 В, можно предположить, что сопротивление холодной нити равно 2.8 кОм. Такой диапазон сопротивлений показался несколько избыточным для стабилизации усиления на уровне 3, поэтому я решил немного линеаризовать его с помощью последовательного резистора 100 Ом.

При коэффициенте усиления, равном трем, сумма сопротивления лампы и 100 Ом должна составлять половину от сопротивления обратной связи 1.24 кОм (то есть, должна быть равна 612 Ом), поэтому сопротивление лампы должно установиться на уровне 512 Ом. Приблизительный расчет температурного коэффициента сопротивления

показывает, что температура нити накала лампы будет равна примерно 195 °C.

Рисунок 2.	Генератор с мостом Вина управляет исследуемыми микросхемами операционного усилителя и АЦП. Результирующее БПФ очищается после наложения окна, но, как показывает Рисунок 3, не до конца.

Генератор запустился отлично, выдав хороший синусоидальный выходной сигнал с частотой 5.15 кГц и амплитудой в несколько вольт. Независимые измерения показали, что продукты искажений второй и третьей гармоник находятся на уровне ниже –120 дБн. Сигнал генератора я подал на вход ОУ LTC6255 через разделительный конденсатор и регуляторы амплитуды и постоянного смещения, используя конденсаторы и потенциометры, показанные на Рисунке 2. Амплитуда была установлена равной –1 dBFS (дБ от полной шкалы), а постоянный уровень был смещен в середину входного диапазона АЦП. Но, конечно же, это был чисто аналоговый генератор, и на задней панели у него не было разъема с надписью «Опорный вход 10 МГц», с помощью которого его можно было бы синхронизировать с тактовой частотой АЦП. В результате БПФ показало существенную спектральную утечку, так что спектральная характеристика была больше похожа на цирковой шатер, чем на одиночный пик. Применение к данным оконной функции Блэкмана-Харриса (с уровнем боковых лепестков –92 дБ) для уменьшения утечки БПФ позволило получить благообразную картинку (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Это 4096-точечное БПФ было получено с помощью несинхронизированного генератора с 92-дБ окном Блэкмана-Харриса. Обратите внимание, что уровень пика не похож на –1 дБFS, и что в частотных интервалах вокруг пика есть мощность.

Хотя это БПФ является в определенном смысле точным, при более внимательном рассмотрении выявляются некоторые проблемы. Например, входной сигнал установлен равным –1 дБFS, но на графике он, безусловно, выглядит смещенным ниже, чем до уровня –1 дБ. Причина в том, что даже самая превосходная оконная функция оставляет некоторую часть мощности основной гармоники в частотных интервалах, смежных с основным пиком. Программа включает эти остатки в свои расчеты мощности, и это правильно, но факт в том, что пик выглядит слишком низким и портит впечатление от полученного результата.

То же самое можно сказать и о высоте гармоник; хотя они рассчитаны правильно и точны по отношению к основному пику, в абсолютном выражении они также выглядят слишком низкими. Таким образом, использование окон не может заменить систему когерентно-фазовой синхронизации.

Когда обнаружились эти недостатки, я отчаялся, что придется все опять начинать с чистого листа, или же искать синхронизируемый генератор с низкими уровнями искажений и шумов или с шикарным выходным фильтром. Как же мне сделать аналоговый, по существу, генератор, когерентный с элементами дискретизации БПФ, в такой абсолютно цифровой среде? Пассивный режекторный фильтр на 5 кГц будет большим и перегруженным деталями. Я подумал о том, чтобы расстроить генератор с мостом Вина, уменьшив коэффициент усиления, и, тем самым, превратить его в фильтр.

Но потом мне пришло в голову, что мягкого аналогового синусоидального толчка от пусть и искажающего, но хорошо синхронизированного внешнего генератора, может быть достаточно, чтобы сместить частоту моста Вина туда, где она должна быть. Я решил попробовать ввести синусоиду на вход операционного усилителя схемы Вина, используя последовательный резистор с высоким сопротивлением, чтобы одновременно избежать попадания шума и искажений. Я выбрал 200 кОм – примерно в 1000 раз больше уже имеющегося импеданса – и подключил его, как показано в левой части Рисунка 4 («НОВЫЙ ВХОД»). Я настроил Agilent 33250A на синусоидальный сигнал 5 кГц, который подал на новый вход. Наблюдая за выходами 33250A и моста Вина с помощью осциллографа, я медленно настраивал частоту 33250A и, наконец, с волнением увидел, как синусоиды стали «сближаться», а затем вошли в захват.

Рисунок 4.	При фазовой синхронизацией генератора опорной частотой 10 МГц генератор с низкими искажениями и шумами на основе моста Вина плавно подталкивается к когерентности через высокоомный резистор 200 кОм.

Я подключил 10-мегагерцовый калибровочный сигнал с задней панели и изменил частоту 33250A на 5.157 кГц – ближайший когерентный частотный интервал БПФ. Синусоиды оставались в захвате, и программируемый генератор 33250A успешно немного отодвинул частоту генератора Вина от его собственной частоты на желаемое расстояние. Результатом было почти идеальное БПФ; все имеющие отношение к анализу основные и искажающие пики были расположены в уникальных частотных интервалах и были точно отображены (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Более точное БПФ получено с использованием той же схемы генератора с мостом Вина, но синхронизируемой внешней частотой 5.157 кГц, подаваемой на «НОВЫЙ ВХОД» через резистор 200 кОм от генератора HP33250A. Заметьте, что теперь пик выглядит явно правдоподобно ( –1 дБFS), и что мощности в частотных интервалах возле пика почти нет.

Программируемые генераторы синусоидальных колебаний часто имеют отличные характеристики фазового шума и возможности синхронизации частотой 10 МГц, но они также имеют высокие уровни выходного широкополосного шума и искажений. БПФ чувствительно ко всем этим формам искажений источника сигнала и, кроме того, имеет конечное число выходных частотных интервалов. При тестировании высококачественных систем аналоговых и смешанных сигналов правильная комбинация классических генераторов с мостом Вина с программируемыми генераторами может обеспечить практически идеальный источник с синхронной выборкой, генерирующий точные БПФ.

Материалы по теме