Введение
Как обсуждалось в статье [1], хотя синусоида является самой простой из возможных форм колебаний, ее также сложнее всего генерировать в чистом виде. Любая засоренность синусоиды представляет собой искажение, а это означает добавление гармоник, которые делают невозможными измерения очень низких уровней искажений. Если тестируемый усилитель имеет искажение 0.01%, генератор должен быть как минимум в 10 раз лучше – 0.001%, – или выполненные измерения не будут истинным отражением THD усилителя (общие гармоническое искажение плюс шум).
Сегодня доступно множество необычайно хороших операционных усилителей (ОУ), но (и это, возможно, удивительно) почтенный NE5534 (или сдвоенный NE5532) по-прежнему относятся к их числу. Еще лучше ОУ LM4562 и ему подобные, с заявленным уровнем искажений 0.00003%, а также с очень низким уровнем шума и отличной полосой пропускания. К сожалению для всех, не операционные усилители определяют искажения, которые мы получаем от генератора гармонических колебаний.
Доминирующим источником нелинейности является цепь автоматической регулировки усиления (АРУ), которая необходима в любой аналоговой схеме генератора синусоидальных сигналов. Схема должна иметь усиление, достаточное для генерации, но когда колебания начинаются, их уровень нарастает до тех пор, пока не начнет ограничиваться усилителем. Поэтому используется схема АРУ, устанавливающая максимальную амплитуду сигнала значительно ниже уровня ограничения путем снижения усиления контура обратной связи и выполнения (обычно) поцикловой коррекции амплитуды для поддержания заданного пикового уровня.
В ранних генераторах гармонических сигналов для стабилизации уровня использовались миниатюрные лампы накаливания или специально разработанные термисторы (последние сейчас недоступны). Работа таких схем основана на зависимости сопротивления устройства от приложенного к нему напряжения. При включении лампы или термистора в цепь обратной связи коэффициент усиления поддерживается на уровне, достаточном для возникновения устойчивых колебаний, но не настолько большом, чтобы сигнал искажался из-за ограничения усилителем. К сожалению, оба устройства являются источниками искажений, преимущественно за счет третьей гармоники, поскольку их сопротивление зависит от мгновенной амплитуды сигнала. Этот эффект усиливается на низких частотах, а на очень низких частотах уменьшить искажения до удовлетворительного уровня бывает практически невозможно.
Другой вариант – использование JFET (junction FET, полевой транзистор с p-n переходом), но они, как правило, имеют гораздо худшие характеристики искажения, чем лампы или термисторы. Возможно добиться низких (и даже очень низких) искажений, но только в том случае, если напряжение на JFET поддерживается на уровне значительно ниже 100 мВ. Это усложняет схему, и получение хороших характеристик с минимальным временем установления является сложной задачей. Время установления важно, потому что, если оно слишком велико, амплитуда будет «скакать» выше и ниже желаемого уровня в течение некоторого времени после изменения частоты.
Существуют также конструкции, в которых для стабилизации усиления используются усилители, управляемые напряжением (voltage controlled amplifier, VCA), например, THAT2180 или аналогичные, но такой подход сложен и довольно дорог. В качестве VCA также может использоваться микросхема аналогового умножителя (например, AD633), но ее искажения выше, чем хотелось бы, и эта микросхема недешева. Общие характеристики THD по-прежнему ограничены искажениями, вносимыми VCA, независимо от используемого подхода. Обеспечение очень низких пульсаций управляющего напряжения имеет решающее значение для получения низких искажений, и это никогда не бывает так просто, как кажется.
Управление амплитудой остается одной из самых сложных частей конструкции генератора. Просто не существует известного устройства, удовлетворяющего всем критериям хорошей стабильности, низкого уровня искажений и малого времени реакции. В представленном здесь варианте используется схема стабилизации, сильно отличающаяся от большинства других. Это позволяет ей соответствовать критериям низких искажений и быстрого установления лучше, чем могут обеспечить многие другие методы. Кроме того, она дешева, поэтому генератор со сверхнизким уровнем искажений не должен быть обременительным для бюджета.
На Рисунке 1 показана фотография прототипа схемы, собранного на макетной печатной плате с медным экраном с нижней стороны. Зеленый цилиндр в левом верхнем углу платы – это оптопара. Видны выводы подключения питания, выход сигнала, выход синхронизации осциллографа (10 мкс) и выходы АРУ, хотя ваша компоновка, несомненно, будет отличаться от изображенной на рисунке. На данном этапе планов по созданию печатной платы у меня нет, и маловероятно, что интерес к схеме будет достаточным, чтобы оправдать время и затраты на проектирование и изготовление. Фотография дает некоторое представление о том, насколько компактным может быть устройство: размеры прототипа составляют всего 95 × 70 мм. Полагаю, сделать схему будет легче, если отвести ей немного больше места.
 |
|
| Рисунок 1. | Фотография прототипа генератора Тома. |
Том (разработчик схемы) называет ее «невероятно быстрым генератором со сверхнизкими искажениями», поскольку система стабилизации действительно очень быстрая. Вместо фильтра, который может иметь значительное время установления, для контроля уровня выходного сигнала переменного тока он использует устройство выборки-хранения (УВХ). УВХ обеспечивает близкие к нулю пульсации на запоминающем конденсаторе, поэтому фоторезистор, используемый для стабилизации амплитуды, не имеет наложенной составляющей переменного тока, которая ухудшает коэффициент искажений генератора. Благодаря отказу от традиционного выпрямителя и фильтра, генератор может стабилизироваться всего за несколько периодов. Это определенно квалифицируется как «невероятно быстро».
Напряжение на фоторезисторе поддерживается настолько низким, насколько возможно. Хотя фоторезисторы намного более линейны, чем JFET, они вносят некоторые легко измеримые искажения, которые ухудшаются при высоком напряжении на фоторезисторе. Больше напряжения – больше искажений, и наоборот. В этой конструкции пиковое напряжение на фоторезисторе поддерживается на уровне менее 100 мВ для нормального выходного сигнала 3 В с.к.з.
Описание схемы
Том разработал схему выборки и хранения в 1987 году для «Измерителя частотных искажений» Джона Линсли-Худа. В предлагаемой здесь схеме на основе моста Вина [2] искажения на частоте 1 кГц тоже составляют 0.001%, но они такие же и на частоте 100 Гц, и это действительно «сверхбыстро».
Она также работает на частотах до 10 Гц с конденсаторами большей (намного) емкости. Любым другим способом добиться этого очень трудно, если только не используется фильтр с очень большой постоянной времени; а это означает, что для стабилизации генератору потребуется несколько секунд (а на очень низких частотах до минуты или более). Генератор показан на Рисунке 2 и представляет собой схему на основе моста Вина с двумя инвертирующими каскадами на операционных усилителях. Это сделано для устранения синфазных искажений операционного усилителя, которые возникают (хотя и в небольших количествах при использовании хороших операционных усилителей) при наличии на входах операционных усилителей значительного синфазного напряжения (то есть напряжения, приложенного одновременно к обоим входам относительно земли).
 |
|
| Рисунок 2. | Схема генератора. |
Может показаться, что два ОУ для генератора с мостом Вина – это излишество, поскольку в большинстве случаев используется только один ОУ (или его дискретная версия, где необходимы высокие частоты). Однако такое решение предпочтительнее для минимизации искажений. Идею использования инвертирующих операционных усилителей и фоторезистора для управления уровнем сигнала генератора можно найти на многих страницах Интернета, но в большинстве случаев (включая схему Джона Линсли-Худа) для минимизации пульсаций на светодиоде оптопары используются традиционный выпрямитель и фильтр. Это увеличивает время их установления, особенно если требуются низкие частоты. В оригинальной схеме Джона, которая послужила основой для этой схемы, использовались выпрямитель и фильтр (но операционные усилители TL072, а не предложенный здесь NE5532).
Генератор довольно обычный. Как уже отмечалось, для задания частоты в нем используется мост Вина, а для обеспечения надежного запуска генератор снабжен средствами управления усилением. Коэффициент усиления следует устанавливать очень тщательно, поскольку он должен быть ровно таким, чтобы каждый раз гарантировать запуск генерации. Если усиление слишком мало, выходного сигнала не будет вообще. Когда колебания в схеме начинаются, коэффициент усиления уменьшается с помощью фоторезистора оптопары. Этот подход работоспособен в ограниченном диапазоне и не позволит контролировать уровень, если усиление будет слишком большим.
Предусмотрены три частоты с номинальными значениями 100 Гц, 1 кГц и 10 кГц. Реальные частоты зависят от точности резисторов и конденсаторов (R1 и R5, а также С1…С6). Теоретические значения частот (при точных номиналах компонентов) составляют 105 Гц, 965 Гц и 10.6 кГц. Поскольку в центральном положении переключателя Sw1 к нему ничего не подключено, это положение соответствует частоте 10 кГц. При желании можно использовать галетный переключатель, чтобы частоты изменялись в возрастающем порядке (например, 100 Гц, 1 кГц и 10 кГц).
Коэффициент усиления усилителя U2 теоретически равен ровно двум, при условии, что все значения настройки точны. В действительности, для запуска генератора и учета допусков частотозадающих элементов необходимо немного большее усиление. Подстроечный резистор VR1 используется для установки такого усиления, при котором схема колеблется во всех трех положениях переключателя. Обратите внимание, что если номиналы конденсаторов не подобраны с точностью до 2% или около того, может оказаться невозможным установить такое усиление, чтобы схема надежно генерировала и одновременно имела достаточный диапазон регулировки усиления.
Sw1 – это двухполюсный переключатель с отключением в среднем положении. В среднем положении переключателя частота равна 10 кГц (определяется конденсаторами C1 и C4), а остальные конденсаторы подключаются параллельно для получения частоты 100 Гц (C3 и C6) или 1 кГц (C2 и C5). Обратите внимание, что конденсаторы C4, C5 и C6 включены параллельно резистору R1 (параллельная секция моста Вина), а C1, C2 и C3 включены последовательно с R5 (последовательная секция).
Частотозадающие конденсаторы низкой емкости должны быть полистирольными, а для более высоких значений емкости следует выбирать полипропиленовые конденсаторы. Можно также использовать полиэфирные конденсаторы, но они почти наверняка немного ухудшат искажения. Разработчик должен сам решить, оправданы ли дополнительные расходы на полипропиленовые конденсаторы, или выбрать конденсаторы с диэлектриком из полистирола. В тестовом генераторе, который Том прислал мне для оценки, похоже, используется несколько полиэфирных конденсаторов, и искажения остаются ниже пределов, доступных мне для измерения (THD значительно ниже 0.01%).
Ссылки
- Sinewave Oscillators
- “Wien-bridge Oscillator With Low Harmonic Distortion“ - John Linsley-Hood (Wireless World, May 1981)
- DIY LED/LDR Optocoupler
- “Vannerson-Smith Low Distortion Oscillator“ - Eric Vannerson and K. C. Smith (University Of Toronto, 1975)
Купить LM2903 на РадиоЛоцман.Цены
