За годы существования рубрики Design Ideas (DI, конструкторские идеи) в ней было представлено множество интересных генераторов, но ни один из них, насколько я помню, не был специально разработан для получения действительно чистой синусоиды. Это упущение в сочетании с необходимостью переделать мой старый генератор синусоидальных сигналов с искажениями менее 0.01% дали мне отличный повод провести некоторые исследования, в результате чего получилась эта статья, которая состоит из двух частей. Сначала мы рассмотрим, как не надо делать, а затем во второй части расскажем, как получить уровни искажений Audio Precision по ценам RadioShack*).
Альтернативы
Сглаживание треугольных импульсов [1] для получения чего-то достаточно синусоидального мы даже не будем рассматривать, поскольку THD (общие гармонические искажения) 0.3% – лучшее, что может дать этот подход без сложных, многоточечных «сжимающих» цепей. Точно так же исключены генераторы с фазосдвигающими цепями обратной связи; их добротность низка, а строенные потенциометры в каталогах отсутствуют. И если бы я разрабатывал что-то для современного производства, то отправной точкой был бы 24-битный ЦАП, управляемый небольшим процессором с большой таблицей преобразования, но это не то, что можно собрать из доступных компонентов за один день.
Тогда чем же плоха старая добрая мостовая схема Вина? Соответствующая страница Википедии [2] содержит много исторических, практических и математических подробностей, и в ней сообщается, что могут быть достигнуты уровни искажений до 0.0003% (3 ppm), поэтому у нас есть один целевой ориентир, хотя, скорее всего, он относится к фиксированной частоте. а не к многодиапазонному, полностью перестраиваемому устройству. Практическая цель – 96 дБ или 0.0015%, что является абсолютным пределом для 16-битного линейного ИКМ-аудио компакт-диска, тогда как более амбициозная цель – 120 дБ или 1 ppm. При таких уровнях шум схемы, который мы пока будем игнорировать, может преобладать над THD.
Мостовой генератор Вина
 |
|
| Рисунок 1. | Простой генератор c мостом Вина, в котором для стабилизации амплитуды используется фотопроводящий оптоизолятор. |
Чтобы проверить это, я собрал макет базовой схемы с использованием операционного усилителя LM4562, тщательно подобранных резисторов и полистирольных конденсаторов, стабилизировав амплитуду с помощью фотопроводящего оптоизолятора (по сути, светодиода и фоторезистора) с сильно фильтрованным управляющим сигналом. (Термистор работает только при высоких уровнях выходных сигналов и очень непостоянен). На Рисунке 1 показана схема, а на Рисунке 2 – спектр выходного сигнала на частоте около 1 кГц для уровня –20 дБВ (около –22 дБн или 0.283 В пик-пик).
 |
|
| Рисунок 2. | Спектр выходного сигнала генератора с уровнем –20 дБВ при работе на частоте около 1 кГц. |
Спектр показывает THD около –76 дБ или 0.02% – так себе. Однако я научился быть осторожным с БПФ, когда динамический диапазон исследуемого сигнала превышает примерно 90 дБ, и предпочитаю отсекать бóльшую часть основной гармоники, чтобы более четко видеть остальные. Результат этого показан на Рисунке 3: гораздо лучше, THD составляет –88 дБ, или 0.004%.
 |
|
| Рисунок 3. | Спектр того же сигнала, но c существенно ослабленной фундаментальной частотой для более точного отображения гармоник. |
Лучше и неплохо для начала, но всё равно далеко от цели. (Обратите внимание, что шкала теперь показывает относительный уровень гармоник в дБн, поскольку выходной сигнал генератора составляет 20 дБВ, а режекторный фильтр имеет коэффициент усиления по напряжению 10 дБ или 20 дБ). Еще немного подумав и повозившись – или наоборот – мы, вероятно, могли бы улучшить его характеристики до эталонного уровня, но более перспективной выглядит другая отправная точка. Самой большой проблемой является контур стабилизации амплитуды, поскольку устранение всех пульсаций плохо влияет на демпфирование, увеличивая время установления. Низкая добротность моста Вина, равная 1/3, – не лучший помощник.
Биквадратный фильтр в цепи обратной связи
Моей любимой схемой комплексных фильтров и генераторов всегда была биквадратная конфигурация с обратной связью по параметру состояния или с петлей на основе двух интеграторов, одна из топологий которой показана на Рисунке 4.
 |
|
| Рисунок 4. | Классический биквадратный фильтр или фильтр с двумя интеграторами в петле обратной связи с выходами высокочастотных, полосовых и низкочастотных сигналов. |
Вы вполне можете узнать о ней что-то из сотни с лишним технических описаний и руководств по применению National Semiconductor/TI. Ее основы, я думаю, восходят к 1950-м годам, когда под «операционными усилителями» обычно подразумевались стойки со светящимися лампами, и он универсален, легко проектируется и хорошо управляем. Эта версия урезана для добротности порядка 16 и коэффициента усиления около 10. Теперь мы обозначим фильтр пунктирной линией и будем рассматривать его как модуль. Предполагается источник питания с напряжениями от ±5 В до ±15 В с большим количеством развязывающих конденсаторов.
Чтобы заставить его колебаться, мы берем полосовой выходной сигнал (П) и с подходящим уровнем подаем его обратно на вход. Это часто делается путем ограничения сигнала П с помощью пары встречно-параллельных диодов, как показано на Рисунке 5.
|
|
|
| Рисунок 5. | Фильтр с добавленной обратной связью, ограниченной диодами, становится генератором, но с большим количеством гармоник, что дает THD порядка 0.08%. |
При указанных на схеме номиналах компонентов диоды сжимают сигнал примерно до 2/3 выходного уровня. Меньше этого значения – потеря устойчивости; больше – гармоники становятся чрезмерными. Показанная цепь обратной связи поддерживает низкие импедансы со стороны диодов, обеспечивая чистую работу до 100 кГц и выше, а добавленный термистор улучшает стабильность амплитуды при изменении температуры. Для минимизации четных гармоник диоды следует подобрать по прямому напряжению. Третья гармоника, создаваемая диодами, к тому времени, когда она достигает выхода НЧ, снижается примерно на 22 дБ, а более высокие гармоники ослабляются еще больше.
Спектр необработанного сигнала (выход НЧ) показывает THD порядка 0.08%, что является, пожалуй, лучшим результатом, который может дать этот подход. «Зубчатый» спектр (не показан) продемонстрировал меньше пиков и более низкий их уровень, но третья гармоника – ограничивающий фактор – оставалась на том же значении. Поскольку контур управления как таковой отсутствует, проблем с его устойчивостью быть не может, хотя время установления заметно на низких частотах. Это по-прежнему хорошая основа для многодиапазонного генератора звуковых частот.
При использовании конденсаторов и резисторов соответствующих номиналов он также хорошо работает на очень низких частотах, хотя для предотвращения утечек необходимы ОУ с входными каскадами на полевых транзисторах. С времязадающими компонентами 5.7 мкФ (4.7 мкФ + 1.0 мкФ, лавсановый диэлектрик) и резисторами 3.3 МОм, а также с ОУ TL072, установленными вместо LM4562, осциллограмма сигнала с частотой около 8 мГц, или с расчетной длительностью 118.2 с/период, выглядит как на Рисунке 6.
 |
|
| Рисунок 6. | При использовании микрофарад и мегаом в качестве времязадающих элементов генератор на основе биквадратного фильтра с диодной стабилизацией будет легко работать в области миллигерц – в данном случае около 8 мГц. |
Зачем кому-то могло бы понадобиться использовать чисто аналоговый подход для генерации таких низкочастотных сигналов – ума не приложу, но попробовать это было очень соблазнительно, даже если на нормальное установление требовался час или около того. (У меня не хватило терпения попробовать еще больше увеличить номиналы времязадающих компонентов. И даже не думайте спрашивать меня о спектре).
Продолжение следует...
Во второй части, чтобы получить очень чистую синусоиду, мы возьмем биквадратный фильтр и добавим к нему свободную от искажений обратную связь, аналогичную той, что используется в мосте Вина, но на стероидах.
*) Audio Precision – американская компания, специализирующаяся на разработке и производстве прецизионных приборов для измерения параметров аудиоаппаратуры.
RadioShack – сеть розничных магазинов по продаже электроники со штаб-квартирой компании в США.
Купить LM4562 на РадиоЛоцман.Цены
