Схема выборки и хранения (Рисунок 3) значительно сложнее генератора. Это неприятно, но неизбежно. Именно УВХ обеспечивает схеме высокое быстродействие (малое время установления) и очень низкий уровень искажений, поэтому очень маловероятно, что, используя менее сложные, но более «обычные» выпрямитель и фильтр, можно будет достичь таких же хороших результатов. Хотя искажения могут быть такими же, время установления будет значительно хуже из-за большой постоянной времени фильтра, необходимой для приемлемой фильтрации.
 |
|
| Рисунок 3. | Схема выборки и хранения. |
В отличие от этого, в конструкции Джона 1981 года (только 1 кГц) для достижения того же коэффициента искажений используется фильтр с постоянной времени более 3 секунд. Обычно требуется более одной секунды, прежде чем схема сможет обеспечить достаточную обратную связь, чтобы ограничить искажения до заявленного значения. Схема лишь немногим проще, чем представленная в данной статье, и требует электролитических конденсаторов в секции фильтра. Если нужны более низкие частоты, время установления будет намного больше, поскольку фильтру требуются конденсаторы еще большей емкости.
Когда входная синусоида достигает своего пика, конденсатор C9 на выводе 2 компаратора U3A быстро запоминает это пиковое значение (за вычетом падения напряжения на диоде). Когда уровень синусоидального сигнала медленно (относительно) спадет ниже напряжения на конденсаторе C9 (так что напряжение на выводе 3 микросхемы U3A становится ниже, чем на выводе 2), компаратор переключается. Выходной импульс дифференцируется конденсатором C10, который формирует положительный импульс номинальной длительностью 10 мкс. Этот импульс включает транзистор Q2, и напряжение выборки, удерживаемое на конденсаторе C9, передается на запоминающий конденсатор C11 цепи АРУ. Это значение сохраняется в течение значительного времени, поскольку, пока полевой транзистор Q2 выключен, других путей разряда конденсатора нет.
Пиковое значение на конденсаторе C9 также поддерживается постоянным в течение времени выборки 10 мкс, поскольку уровень синусоиды опускается, чтобы разрядить конденсатор для следующего цикла. Дополнительное падение напряжения на светодиоде D3 позволяет удерживать заряд на C9 достаточно долго, чтобы обеспечить правильную работу на всех доступных частотах. Время удержания напряжения на конденсаторе C9 составляет примерно 100 мкс при выходной частоте 1 кГц и зависит от частоты. Выборка производится в каждом периоде входного напряжения (выходного напряжения генератора), гарантируя, что амплитуда синусоиды остается постоянной.
Второй компаратор (U2B) определяет, падает ли пиковая амплитуда генератора ниже примерно 120 мВ (в зависимости от используемой настройки уровня). Если это происходит, это означает, что генератор остановился, поэтому запоминающий конденсатор разряжается, чтобы отключить оптопару и обеспечить максимальное усиление для перезапуска генератора. Наиболее распространенной причиной остановки генератора является выброс, возникающий при переключении частоты, который заряжает запоминающий конденсатор до напряжения, превышающего нормальное. Тогда фоторезистор имеет минимальное сопротивление, коэффициент усиления генератора становится слишком низким, и колебания прекращаются. Обратите внимание, что вторая половина микросхемы U3 не используется. Смело используйте счетверенный операционный усилитель (TL074) вместо показанных на Рисунке 3 двух сдвоенных ОУ, но один усилитель все равно останется неиспользованным. Помните, что у любого неиспользуемого ОУ неинвертирующий вход должен быть заземлен, а инвертирующий вход соединен с выходом.
Как отмечалось выше, для любого генератора гармонических колебаний реальным ключом к получению низких искажений является схема АРУ. Большинство качественных операционных усилителей имеют чрезвычайно низкий уровень искажений, даже с учетом синфазных напряжений, имеющихся в простой схеме с мостом Вина на одном ОУ. Если бы были доступны «идеальные» переменные резисторы с электронным управлением, схема стабилизации усиления была бы простой. Сложность достижения высоких характеристик схемы в реальном мире видна из Рисунка 2.
Осциллограммы
Сама синусоида не представляет ни малейшего интереса, поскольку искажения намного меньше разрешения осциллографа. Остаточные искажения – это другое дело, но и они показывают преимущественно остатки основной гармоники, поскольку лучше ослабить ее мой анализатор не может. Есть некоторые явно различимые помехи, часть которых исходит от генератора, а – часть от самого измерителя искажений. Синусоида и остаточные искажения показаны на Рисунке 4.
 |
|
| Рисунок 4. | Синусоида и остаточные искажения. |
Аналогичные результаты были получены с другим измерителем нелинейных искажений, но его внутренние шумы гораздо больше, чем у того, который использовался.
Далее на Рисунке 5 показаны 10-микросекундные импульсы стробирования УВХ. Схема выбирает положительный пик, хотя кажется, что выбирается отрицательный пик выходного сигнала, поскольку входной усилитель (U2A, который устанавливает выходной уровень) является инвертирующим. Это не имеет значения, поскольку сигнал имеет идеально симметричную форму, как и ожидается от синусоиды с очень низким уровнем искажений. Последующие тесты с помощью более чувствительного измерителя показали, что искажения составляют менее 0.002%. Насколько меньше – судить сложно, но в остатке был преимущественно шум. Я бы оценил истинные искажения не более чем в 0.001%, а возможно и меньше.
 |
|
| Рисунок 5. | Стробирование схемы выборки-хранения. |
Если разводка платы несовершенна, на осциллограмме выходного сигнала можно увидеть небольшой остаток стробирующего импульса. Однако если две секции генератора будут разделены, это не повлияет на искажения, поскольку уровень помехи будет слишком низким, чтобы оказать какое-либо влияние. На остаточных искажениях, показанных на Рисунке 4, нет никаких признаков влияния этого остатка, и измерения были выполнены в оригинальной схеме Тома без использования дополнительного экранирования.
Добавьте экран между схемами генератора и УВХ. Это минимизирует высокочастотные шумы, проникающие из УВХ в генератор.
Примечания
- Два светодиода в цепи АРУ компенсируют постоянное напряжение, падающее на 10-килоомном резисторе в истоке буферного полевого транзистора Q1. Они позволяют генератору включиться до того, как сработает АРУ.
- Во время переключения диапазона генератор может заблокироваться и больше никогда не запуститься. Скорость спада напряжения на запоминающем конденсаторе составляет порядка 1 мВ/с, поэтому если генератор остановится при напряжении на линии АРУ около 6 вольт, это займет около 6000 секунд или произойдет после того, как будет выключено и снова включено питание. Об этом позаботятся дополнительный выпрямитель и разрядный транзистор Q3 в нижней части схемы.
- Буферный полевой транзистор не является абсолютно необходимым, но он позволяет увеличить емкость запоминающего конденсатора.
- Спад напряжения на конденсаторе не является проблемой, но некоторое «сквозное прохождение сигнала» может ухудшить плоскую характеристику АРУ в этом простом УВХ. Увеличение емкости запоминающего конденсатора C11 (решение «в лоб») исправляет ситуацию.
- Небольшие 10-микросекундные импульсы, появляющиеся на линии АРУ, вызваны «переносом заряда затвора» в коммутаторе выборки, но опять же это не проблема, поскольку, к счастью, быстродействие фоторезистора слишком мало, чтобы их обнаружить.
- В худшем случае быстрые пики проявляются при наблюдении остаточных искажений на осциллографе. Они слишком узки, чтобы вносить вклад в среднеквадратичное значение, но их легко свести к почти ненаблюдаемому минимуму, если хорошо заземлить оборудование и обеспечить развязку по питанию компараторов.
- Сигнал синхронизации осциллографа для наблюдения остаточных искажений можно взять с выхода любого компаратора.
- Радиочастотные излучения не создают проблем, но необходимо некоторое экранирование от помех. Они проникают в высокоимпедансные узлы, такие как вывод 3 буфера.
Оптопара
Оптопару можно изготовить самостоятельно (как описано в [3]) или использовать готовое промышленное устройство. Идеальными будут резисторные оптроны VTL5C4 или NSL-32SR3. В прототипе использован один из старых фоторезисторов Clairex CLM 3600, но другие пары светодиод-фоторезистор работали почти так же. Величина переменного напряжения на фоторезисторе составляет примерно 100 мВ. Зависимость параметров фоторезистора от напряжения нелинейна, как и у диодов, полевых транзисторов и аналоговых умножителей.
Не исключено, что потребуется протестировать несколько различных фоторезисторов, чтобы найти прибор с наименьшими искажениями. На протяжении многих лет я использовал оптопары светодиод-фоторезистор во многих конструкциях, и убедился, что обычно они достаточно линейны, если напряжение на них поддерживается на низком уровне. Их довольно легко сделать самостоятельно, если у вас есть доступ к фоторезисторам. Наихудшие искажения в большинстве «простых» элементов автоматической регулировки усиления (ламп и термисторов, но особенно полевых транзисторов с p-n переходом и фоторезисторов) возникают, когда их внутреннее сопротивление уменьшается настолько, что уровень сигнала снижается на 6 дБ (вдвое).
Искажения также напрямую связаны с напряжением на полевых транзисторах и фоторезисторах. Если поддерживать это напряжение как можно более низким, искажения сводятся к минимуму.
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
