Усовершенствованный НЧ генератор трех фиксированных частот

В статье описан генератор гармонических колебаний на три фиксированных частоты (20 Гц, 1 кГц и 20 кГц), что во многих случаях достаточно для проверки и диагностики аудиоаппаратуры. Генератор сконструирован на базе ОУ OPA2134 и миниатюрной лампы накаливания СМН6-20-1. Отличительная особенность генератора – стабильность амплитуды и низкие искажения синусоидального сигнала.

Введение

Для настройки аудиоустройств (предварительный усилитель, УМЗЧ и т.п.) требуется генератор синусоидального сигнала, работающий в звуковом диапазоне частот (20 Гц – 20 кГц), с возможностью плавного изменения амплитуды от 0 до 1.5 В и имеющий достаточно низкие искажения. Если для настройки устройств, работающих с входным аудиосигналом (например, предварительного усилителя), требуются амплитуды не более 0.3 В (максимальное значение амплитуды стандартного входного аудиосигнала), то для настройки, например, УМЗЧ требуется входной сигнал, максимальное значение которого, как правило, не превышает 1.5 В. НЧ генераторы, выпускаемые промышленностью, если их применять для подобных целей, обладают существенной избыточностью: во-первых, их диапазон частот намного шире звукового, во-вторых, амплитуда их выходного сигнала также намного превышает 1.5 В. Кроме того, эти генераторы выпускаются с уже встроенным источником питания (ИП), и, в связи с этим, – в достаточно габаритных корпусах. В итоге стоимость подобных генераторов довольно высока (от 5000 руб. и выше).

В то же время подобный генератор можно сконструировать и своими силами. Такой генератор не обладает вышеуказанной избыточностью, в связи с чем он миниатюрен, а его стоимость на порядок меньше заводского. Ниже приводится его описание: принципиальные схемы, настройка, разводка и общий вид его платы, а также общий вид всего устройства. В конце статьи приведены некоторые результаты работы устройства.

Принципиальные схемы

Схема (Рисунок 1) представляет собой генератор Вина-Робинсона на сдвоенном ОУ OPA2134 (DA1) с миниатюрной лампой накаливания СМН6-20-1 (L1), служащей для стабилизации амплитуды его выходного сигнала. С помощью резисторов R3 и R4 лампа вводится в оптимальный режим работы, при котором генератор имеет минимальные искажения синусоидального сигнала. Резистор R1 совместно с конденсаторами C1, C3 и C5 и резистор R2 совместно с конденсаторами C2, C4 и C6 образуют RC-цепочки, которые определяют частоты работы генератора. Подключение того или иного конденсатора к R1 и R2 осуществляется сдвоенным тумблером sMTS203 (П1) на 3 положения с двумя группами контактов (т.е. на 3 положения и 2 направления). В крайне левом (по схеме) положении П1 к R1 подключается конденсатор C1, а к R2 – конденсатор C2. В этом случае частота генератора составляет около 20 Гц (19.8 Гц). В среднем положении П1 к R1 и R2 подключаются, соответственно, конденсаторы C3 и C4, и частота генератора устанавливается близкой к 20 кГц (20.5 кГц). В правом положении П1 к R1 и R2 подключаются, соответственно, конденсаторы C5 и C6, и частота устанавливается равной примерно 1 кГц (980 Гц). Таким образом, генератор охватывает весь частотный диапазон звукового сигнала. По опыту автора, если при этих трех частотах (20 Гц, 1 кГц и 20 кГц) настраиваемое устройство работает нормально, то оно, как правило, работает и на остальных частотах звукового диапазона. Впрочем, количество фиксированных частот можно и увеличить, например, до 12 (см. далее).

Рисунок 1.	Принципиальная схема генератора.

Для регулировки амплитуды выходного сигнала (от 0 до 1.5 В) служит переменный резистор R7 (СП5-35), построенный по груботочной схеме: в нем используются два соосных резистивных элемента, что позволяет достаточно точно регулировать амплитуду. Как видно из схемы, R7 подключен (верхним по схеме выводом) к выходу ОУ DA1.1 (вывод 1), а движок R7 – к неинвертирующему входу ОУ DA1.2 (вывод 5), на котором собран повторитель напряжения. Выходное напряжение генератора, снимаемое выхода DA1.2 (вывод 7), подключается к двухконтактному разъему JR-2314 (X2) и через сдвоенный переключатель sMTS202 (П2) на два положения с двумя группами контактов – к разъему RS-104 (X1). Разъем X2 служит для контроля выходного напряжения генератора, например, осциллографом, а разъем X1 – для подключения сигнала к тестируемому устройству. Когда сигнал появляется на выходе X1, зажигается светодиод LD2 жёлтого свечения. Этот светодиод через вторую группу контактов П2 подключается к положительному напряжению питания (+U_П) через токоограничивающий резистор R5. Светодиод LD1 зеленого свечения, сигнализирующий о включении генератора, подключен к напряжению питания (+U_П) через токоограничивающий резистор R6. Питание к плате генератора (+U_П, – U_П и «земля») поступает с разъема РС4ТВ(Р) (X3).

Все резисторы, кроме R1 и R2, и конденсаторы (керамические) – для поверхностного монтажа. R5, R6, C3 – C6 и C9 – в корпусе 0603; C1, C2, C7, C8 и R4 – в корпусе 0805. R1, R2 – выводные (С2-29В-0,125 0.1%). R3 – подстроечный СП3-19А, или, что лучше, – многооборотный 3266W(Y).

Как видно из Рисунка 1, схема генератора достаточно проста, поэтому легко разводится и достаточно миниатюрна (см. далее).

За основу схемы Рисунок 1 была взята схема подобного генератора, описанного автором в [1]. Однако эта схема, как выяснилось, обладает некоторыми недостатками.

Во-первых, при использовании в генераторе ОУ TL072 широкого применения, как в [1], генератор устойчиво работает в очень узком диапазоне напряжений питания (приблизительно ±8 В – ±9 В). И даже в этом диапазоне требуется достаточно тщательная регулировка режима работы генератора (резистором R3), чтобы искажения были минимальными. Если тестируемое устройство требует иных напряжений питания, отличных от ±8 В – ±9 В, то для него необходим дополнительный ИП, что очень неудобно. При использовании же ОУ OPA2134 (Рисунок 1) генератор идеально работает при напряжениях питания в диапазоне ±3 В – ±15 В, причем при всех трех частотах (20 Гц, 1 кГц и 20 кГц) амплитуды выходного сигнала остаются на одном и том же уровне, регулируемом резистором R7. Эта особенность позволяет использовать один и тот же ИП как для питания генератора, так и для тестируемого устройства, что не лишено существенного удобства. Кроме того, в среднем положении резистора R3 генератор уже имеет низкие искажения, и небольшое изменение R3 не приводит к существенному ухудшению качества выходного сигнала. Такой результат можно объяснить достаточно высокими техническими показателями ОУ OPA2134 по сравнению с ОУ TL072. Уже одно то, что, например, в справочном листке на OPA2134 приводится его коэффициент нелинейных искажений, равный 0.00008% (правда, при определенных условиях), показывает относительно высокое качество работы этого ОУ. Естественно, OPA2134 существенно дороже TL072. Однако OPA2134 был разработан компанией Burr-Brown более 20 лет назад (имеется, например, его справочный листок, датированный 1997 г.), и за такое большое время выпущено огромное количество этих ОУ. Сейчас этот ОУ уже выпускается компанией Texas Instruments, в которую в свое время вошла компания Burr-Brown. Цены на OPA2134 под брендом Texas Instruments довольно высоки и составляют 300 – 400 руб./шт. Однако OPA2134 можно легко приобрести и производства Burr-Brown за 70 – 80 руб./шт. И они ничем не хуже выпускаемых Texas Instruments.

Во-вторых, в схеме Рисунок 1 по сравнению со схемой в [1] (Рисунок 2) изменен выходной каскад: резистор R7 является нагрузкой ОУ DA1.1 (собственно моста Вина-Робертсона), а для повышения нагрузочной способности генератора использован повторитель напряжения на ОУ DA1.2. Эта нагрузочная способность сигнала (повторителя) существенно выше, чем сигнала, снятого с резистора 470 Ом (Рисунок 2). Подобная замена выходного каскада существенно повышает надежность воспроизведения выходного сигнала генератора.

Рисунок 2.	Схема выходного каскада генератора [1].

Здесь следует отметить, что качество выходного сигнала генератора, или, другими словами, его «синусоидальность», а также амплитуда сигнала проверялись визуально на экране аналогового осциллографа. Хотя такой метод не лишен субъективности, он позволяет легко обнаружить искажения выходных сигналов, например, при настройке УМЗЧ или предварительного усилителя. Кроме того, отклонение сигнала от синусоидальности можно подсчитать и в численном виде (см. далее).

При необходимости в генератор можно дополнительно ввести две опции.

Первая связана с увеличением амплитуды его выходного сигнала, например, до 10 В и выше (против 1.5 В на Рисунке 1). Для этого вместо повторителя напряжения можно использовать стандартный усилитель на ОУ DA1.2 по схеме Рисунок 3 с коэффициентом усиления около 7 (7×1.5 В = 10.2 В). Резистор R3 = R1||R2, как правило, устанавливают для компенсации смещения выходного напряжения ОУ от несколько отличающихся входных токов по обоим входам ОУ (без R3).

Рисунок 3.	Увеличение выходного напряжения генератора до 10 В. K = 1+R2/R1 = 7.67, R3 = R1||R2 = 2.7 K (2.61 K 1%).

Вторая опция связана с расширением количества фиксированных частот с трех до, например, 12. Для этого вместо переключателя на 3 положения и 2 направления (П1) можно использовать галетный переключатель на 12 положений и 2 направления (например, ПГ2-6-12П2Н), а номиналы конденсаторов дополнить, например, так, чтобы каждое следующее переключение удваивало бы частоту, т.е. после 10 мкФ установить 5 мкФ (4.7 мкФ), что даст частоту уже около 40 Гц, далее, 2.2 мкФ (80 Гц), 1.0 мкФ (160 Гц) и т.п. Другими словами, представить частоты внутри диапазона 20 Гц – 20 кГц более подробно.

Однако, поскольку обе эти опции выходят за рамки настоящей статьи, они не учтены в разводке плат (см. далее).

Настройка генератора

Настройка генератора в основном сводится к подбору лампы накаливания. Наилучшие результаты как по стабильности генерации, так и по качеству сигнала для всех трех частот (20 Гц, 1 кГц и 20 кГц) показала миниатюрная лампа СМН6-20-1 (с номинальным напряжением 6 В и током 20 мА). Здесь необходимо особо отметить, что эти лампы имеют очень большой разброс по сопротивлению в холодном состоянии: приблизительно от 28 до 45 Ом. Оптимальные результаты (как по стабильности амплитуды, так и по «идеальности» синусоиды) получены при сопротивлениях ламп в диапазоне от 30 до 35 Ом. Измерять сопротивление ламп в холодном состоянии нужно только цифровым тестером из-за малого тока, который он пропускает через резистор для измерения его номинала. Стрелочный тестер для таких измерений не годится. Например, если попытаться измерить сопротивление лампы стрелочным тестером ТЛ-4 на диапазоне 1 Ом, то через лампу потечет такой ток, что она загорится (это можно очень легко увидеть), и ее сопротивление, естественно, возрастет до 100 Ом и более.

В схеме Рисунок 1 измеренное сопротивление лампы в холодном состоянии составило 32.6 Ом. Поскольку сейчас стоимость лампы СМН6-20-1 не превышает 2 – 3 руб./шт., имеет смысл приобрести с десяток таких ламп и выбрать из них одну с необходимым сопротивлением (автор в свое время приобрел 50 таких ламп еще по цене 1 руб./шт.).

Помимо выбора лампы, возможна некоторая подстройка генератора вращением резистора R3.

Разводка и внешний вид платы генератора

а) б) в) г)
Рисунок 4.	Разводка и внешний вид платы генератора со стороны компонентов для поверхностного (а, в) и навесного (б, г) монтажа.

Разводка платы генератора сделана автором с помощью программы Sprint-Layout 6.0. Файл разводки в формате *.lay6 доступен для скачивания в разделе Загрузки. Как можно убедиться из Рисунка 4, разводка достаточно проста, а размер платы составляет всего 33×15 мм. На Рисунке 4г можно заметить лампу СМН6-20-1 (справа от нижнего выводного резистора). Фотографии платы (Рисунки 4в, 4г) сделаны перед тем, как к ней были припаяны провода. А для того чтобы они не сломались от частого перегиба (например, при настройке и сборке), в место пайки были вставлены и пропаяны с двух сторон цанговые штыри, к которым уже были припаяны провода, а на место пайки надеты трубки из ПВХ (кембрик) соответствующего размера (см. далее Рисунок 5). Для получения штырька необходимой конфигурации цанговый штырь раскусывается, часть с толстым и коротким штырьком удаляется, а часть с тонким и удлинённым штырьком вставляется в плату до упора в широкую его часть и пропаивается с двух сторон. Широкие и тонкие части пропаянных штырей хорошо заметны, соответственно, на Рисунках 4в и 4г. Провода припаиваются к тонким частям штырей.

Рисунок 5.	Устройство в открытом корпусе.

Конструкция и внешний вид устройства

Устройство расположено в алюминиевом корпусе G102P(BK) размером 90×36×30 мм (Рисунок 5). Плата прикручена к днищу корпуса винтами М2 впотай и гайками через пластиковые стойки высотой 3 мм. Провод питания пропущен через резиновую втулку, расположенную на одном торце корпуса. На втором его торце расположены разъемы: гнездо RCA (оно сверху) и 3.5 моно (под ним). К крышке корпуса прикручены металлические оправки со вставленными в них светодиодами, тумблеры и переменный резистор, регулирующий амплитуду выходного сигнала генератора.

Крышка прикручивается к корпусу четырьмя винтами М3 впотай (Рисунок 6). Ручки тумблеров и резистора выведены на лицевую поверхность корпуса. Кабель с разъемом 3.5 моно подключается к осциллографу для контроля выходного сигнала генератора, а кабель с разъемом RCA – к тестируемому устройству.

Для питания генератора подойдет любой двуполярный ИП с регулируемыми напряжениями (±3 В – ±15 В) с током не менее 0.25 А и малым уровнем пульсаций. Автор использовал ИП, описанный в [2], который как нельзя лучше подходит для питания генератора. При использовании этого ИП кабель питания генератора подключается к дублирующему напряжения разъему РС4ТВ(В), а к клеммам ИП подключаются напряжения питания тестируемого устройства.

Рисунок 6.	Общий вид устройства в сборе, подключенного к ИП [2].

На Рисунке 6 положение левого тумблера соответствует частоте 1 кГц, а правого – включённому положению, при котором сигнал подается на тестируемое устройство, и горит светодиод жёлтого свечения.

Некоторые результаты работы генератора

На Рисунке 7 приведены осциллограммы (жёлтого цвета) и спектры (сиреневого цвета) выходных сигналов генератора при всех трех частотах: 20 Гц (точнее, 21.55 Гц, Рисунок 7а), 1 кГц (955 Гц, Рисунок 7б) и 20 кГц (22 кГц, Рисунок 7в) и размахе напряжения (от пика до пика) V_PP = 600 мВ, равном двойной амплитуде (обозначим её V_AMP). Осциллограммы сняты цифровым осциллографом, а спектры подсчитаны по БПФ (FFT).

а) б) в)
Рисунок 7.	Осциллограммы (желтый цвет) и спектры (сиреневый) выходных сигналов генератора при частотах 21.55 Гц (а), 954.2 Гц (б) и 22.03 кГц (в).

Разрешение по вертикали соответствует 100 мВ/деление (надпись «100mV» в левом нижнем углу всех осциллограмм). Разрешение по горизонтали соответствует: 10 мс для частоты 20 Гц (надпись «Time 10.00ms», внизу Рисунок 7а), 200 мкс/деление для частоты 1 кГц (надпись «Time 200.0us», Рисунок 7б) и 10 мкс/деление для частоты 20 кГц (надпись «Time 10.00us», Рисунок 7в).

Обычно для определения синусоидальности сигнала используют отношение действующего значения напряжения (V_RMS) к среднему за полупериод (V_СР), называемое коэффициентом формы K_Ф. Для чистой синусоиды K_Ф = 1.11. Иногда синусоидальность оценивают отношением амплитудного значения (V_AMP) к действующему (V_RMS). Коэффициент К_А = V_AMP/V_RMS называют коэффициентом амплитуды. Для синусоиды V_AMP больше V_RMS в √2 раз, т.е. K_A = √2 (≈ 1.414).

Как видно из Рисунка 7, для все трех частот V_PP = 600 мВ, а V_AMP = V_PP/2 = 300 мВ:

• Для частоты 20 Гц V_RMS = 215 мВ (Рисунок 7а), и К_А = V_AMP/V_RMS = 300 мВ/215 мВ = 1.395. Относительная погрешность К_А будет равна: ΔК_А = |1.395 – 1.414|/1.414 = 0.0134 или 1.34%.
• Для частоты 1 кГц V_RMS = 205 мВ (Рисунок 7б), К_А = 1.46 и ΔК_А = 3.2% (что нетрудно подсчитать).
• Для частоты 20 кГц V_RMS = 216 мВ (Рисунок 7в), К_А = 1.38 и ΔК_А = 1.78% (что также нетрудно подсчитать).

Таким образом, наибольшая погрешность у сигнала на частоте 1 кГц (3.2%); её и можно принять за максимальную погрешность несинусоидальности сигнала генератора.

Кроме того, если посмотреть на спектры сигналов (сиреневого цвета, Рисунок 7), то можно обнаружить следующее. Во-первых, в спектрах имеется единственный пик на основной частоте. Никаких других пиков на спектрах больше нет, а пик достаточно узок. Во-вторых, на спектре отсутствуют какие-либо боковые лепестки (как, например, у спектра прямоугольного меандра). Все это показывает, что сигнал достаточно близок к синусоидальному.

Заключение

Описанный генератор, на взгляд автора, легок, компактен и достаточно удобен для настройки аудиоустройств. Автор рекомендует его для использования.

Литература

1. Кузьминов А. Ю. Электронные устройства. Современные аппаратные и программные средства. – М.: Перо, 2021.
2. Кузьминов А. Использование аудио ОУ LM1875 не по прямому назначению.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments OPA2134
2. Datasheet Texas Instruments TL072

Загрузки

1. Файл разводки в формате *.lay6