Если вам нужна очень чистая синусоида в звуковом диапазоне, вам может помочь схема на Рисунке 1. Все очень просто. Синусоида с суммарным коэффициентом гармоник (THD), равным 1%, поступающая от функционального генератора, проходит через следящий фильтр нижних частот, который ослабляет гармоники, вызывающие искажения, в 7900 раз (–78 дБ) или более. В результате получается синусоида с искажениями менее 0.0002% (2 ppm).
 |
|
| Рисунок 1. | Умножитель частоты и следящий фильтр нижних частот снижают THD синусоидального сигнала, поступающего от функционального генератора, на 78 дБ и более. |
Преимущество этой реализации заключается в том, что функциональные генераторы выдают два сигнала – синусоидальный и прямоугольный – с одинаковой частотой. Синусоида поступает на фильтр нижних частот. Делитель напряжения уменьшает амплитуду, чтобы она не выходила за пределы входного диапазона фильтра. Фильтру на коммутируемых конденсаторах необходим тактовый сигнал с частотой, в 100 раз превышающей частоту фильтруемого сигнала. Тактовый сигнал формирует пара микроконтроллер–генератор. Микроконтроллер (МК) измеряет частоту сигнала, поступающего от функционального генератора, умножает ее на 100, формирует 16-битное управляющее слово и отправляет его в генератор через интерфейс SPI. Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы для фильтра. Частота излома характеристики фильтра равна основной частоте входного напряжения.
 |
|
| Рисунок 2. | Сигнал функционального генератора и сигнал на выходе фильтра во временной области. |
На Рисунках 2 и 3 показана работа схемы с треугольным сигналом частотой 20 кГц. Осциллограммы на Рисунке 2 показывают сигнал функционального генератора и сигнал на выходе фильтра. На Рисунке 3 представлены спектры этих сигналов. Фильтр пропускает основную частоту и снижает уровень гармоник, вносящих искажения, до уровня шумового порога. Разница между основной частотой и уровнем шума составляет около 50 дБ, что является нормальным для 8-битного АЦП осциллографа. Для того, чтобы уловить разницу примерно в 80 дБ, ожидаемую для синусоиды, требуется более сложное (и более дорогое) оборудование. Любопытные читатели могут получить представление об этом, пройдя по ссылкам [1-4].
 |
|
| Рисунок 3. | Спектр треугольного сигнала частотой 20 кГц: основная гармоника на 50 дБ превышает уровень шумового порога. Для синусоидального сигнала требуется более сложное оборудование. |
Стоит отметить, что такой же подход был использован для фильтрации сигнала прямоугольной формы или сгенерированной цифровым способом синусоиды с очень небольшим количеством ступеней (см. ссылки [5-7]). Несмотря на большое ослабление в фильтре, выходной сигнал не является чистой синусоидой из-за высокого уровня гармоник во входном сигнале: 43% для прямоугольного сигнала и 11-12% для «синусоиды», состоящей из пяти ступеней. В предлагаемой схеме используется входной сигнал с искажениями 1% (аналоговые функциональные генераторы) или 0.1% (функциональные генераторы на основе прямого цифрового синтеза), поэтому выходной сигнал будет как минимум в 10 или 100 раз чище, чем в предыдущих схемах.
Если вы решите сделать эту схему, измеряйте период, а не частоту сигнала, поступающего от генератора сигналов. Тогда наибольшее время измерения составит 50 мс, а не секунды.
Кроме того, убедитесь, что интервал периода входного сигнала заполняется не менее чем 1000 тактовыми импульсами; цель – получить точность 0.1%. Это означает, что для самого короткого периода в 50 мкс требуется тактовая частота 20 МГц или более. Для более длительных периодов следует использовать более низкие тактовые частоты, чтобы необходимое число тактовых импульсов заполнения не было слишком большим.
Наконец, поддерживайте амплитуду синусоидального сигнала в диапазоне от 3 до 9 В пик-пик. Это диапазон, в котором фильтр обеспечивает минимальные искажения и шумы.
Ссылки
- Williams J., G. Hoover. Test 18-bit ADCs with an ultrapure sine-wave oscillator. EDN, Aug. 11, 2011, 19-23.
- Janasek V. An ultra low-distortion oscillator with THD below -140 dB.
- ARTA software
- TSP #234 – QuantAsylum QA403 24-bit, 0.0001% THD Audio Analyzer Review, Teardown & Experiments
- Horowitz P., W. Hill. The art of electronics. 3rd, 2015, pg. 436.
- Saab A. Locked-sync sine generator covers three decades with low distortion. EDN, Sep 18, 2008.
- Elliot R. Sinewave oscillators, Section 8 – Digital generation.
Купить LTC6903 на РадиоЛоцман.Цены
