В части 1 [1] этой статьи мы кратко рассмотрели генератор с мостом Вина, прежде чем остановиться на биквадратном фильтре как лучшем кандидате на роль генератора, способном обеспечить искажения меньше 0.0001%/–120 дБ, и показали его полную схему. Если рассматривать его как модуль, он полностью готов к добавлению обратной связи на основе не вносящего искажений линейного ограничителя.
Попытка использования для такого ограничителя полевого транзистора с p-n переходом оказалась разочаровывающей. Даже когда схема была оптимизирована для минимизации присущей ей нелинейности, она добавляла к сигналу обратной связи около –92 дБ/0.0025% третьей гармоники. Как отмечалось в первой части, ослабление третьей гармоники от входа до выхода НЧ составляет приблизительно 22 дБ, поэтому на выходе мы получили 0.0002% искажений или –114 дБ. Близко, но еще не дотягивает.
Давайте вернемся к фотопроводящему оптоизолятору, который мы использовали для стабилизации схемы с мостом Вина в первой части. Его фоторезисторная часть (LDR), конечно, линейна, но светодиод (LED) требует осторожного управления, чтобы предотвратить сквозное прохождение любых значительных пульсаций, которые могли бы модулировать сигнал обратной связи и тем самым вносить искажения. На Рисунке 1 показан контур обратной связи, добавленный к базовому модулю биквадратного фильтра, в котором реализован изящный способ минимизации пульсаций при сохранении разумной динамики контура. (Полная схема этого модуля показана на Рисунке 4 в части 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Использование хорошо спроектированной петли управления обратной связью стабилизирует уровень колебаний, не внося существенных искажений. |
Поскольку биквадратный фильтр имеет два выходных сигнала (ВЧ и НЧ), которые находятся в противофазе, есть возможность легко получить двухполупериодное выпрямление, но мы можем добиться гораздо большего. Выходной сигнал П находится по отношению к ним в фазе 90°/270°, поэтому мы также можем использовать и его, и его инверсию, чтобы получить 4-фазное выпрямление, сократив пульсации до четверти от однофазного значения. Пульсации также будут в четыре раза превышать основную частоту, так что у нас (примерно) в шестнадцать раз лучше, чем было с мостом Вина.
При точно подобранных постоянных времени в биквадратном фильтре уровни сигналов на всех трех выходах при резонансе будут одинаковыми, но любые рассогласования или несоответствия будут вносить пульсации в виде субгармоник составляющей 4× (если это имеет смысл). Диоды должны быть хорошо подобраны, а операционные усилители должны иметь низкое напряжение смещения или, по крайней мере, меньшее, чем любое несоответствие прямых напряжений диодов. Необходимо хорошее согласование сопротивлений секций потенциометра; адекватные результаты, уравнивая секции, часто дает дополнительный резистор, включенный параллельно с половиной, имеющей более высокое сопротивление.
Элементы R16, C3 и C4 образуют фильтр цепи обратной связи, необходимый для устойчивой работы, а R17 и C5 обеспечивают дополнительную фильтрацию составляющей 4×. Их номиналы являются компромиссами; контур обратной связи слегка недодемпфирован, но обеспечивает достойные характеристики во всем диапазоне настройки и требует менее 500 мс для стабилизации уровня. A5 преобразует отфильтрованное напряжение в ток для управления светодиодом, тем самым управляя сопротивлением фоторезистора. В качестве оптоизолятора использовался Silonex NSL-32SR3; хорошо работало, хотя и с примерно вдвое меньшей чувствительностью, самодельное устройство, изготовленное из (переработанного) фоторезистора NSL-19M51, прозрачного белого светодиода в корпусе T-1 и черной термоусадочной трубки. (Я использовал его, когда экспериментировал со сглаженными треугольными импульсами [2], хотя в окончательном варианте он не понадобился). Потенциометр R18 – единственная необходимая регулировка – устанавливает уровень возбуждения светодиода и, следовательно, уровень выходного сигнала звуковой частоты.
Контур обратной связи замыкается через цепь R10, R11 и LDR. При запуске схемы фоторезистор имеет высокое сопротивление, но обратной связи достаточно для начала колебаний, после чего он постепенно закорачивает резистор R11, чтобы обеспечить необходимый уровень сигнала.
Фоторезисторы имеют довольно большое время отклика. Тот, который используется в схеме, имеет сопротивление около 1.7 кОм при нашем уровне возбуждения, реагируя на свет примерно за 6 мс и на темноту – примерно за 30 мс (по уровням 63%). Это дает нам дополнительную полезную фильтрацию пульсаций, но в то же время влияет на динамику контура управления.
Все критически важные операционные усилители показаны как LM4562, которые в настоящее время являются моими фаворитами для общей работы со звуком, учитывая их баланс низких уровней шума, искажений и смещения в сочетании с легкой доступностью в корпусе DIP-8. Но как они звучат, скажете вы? Не знаю; не слышу даже восьми, включенных цепочкой между входом звукоснимателя и выходом микшера. Заявленная сумма общих гармонических искажений и шума (THD+N), равная 0.00003%/–130 дБ, установит предел наших характеристик: пора взглянуть на некоторые результаты (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Спектр с выхода НЧ после буфера с единичным усилением. |
Не очень впечатляет! Но помните из первой части: я не доверяю своему БПФ, если динамический диапазон входного сигнала больше примерно 90 дБ, поэтому постарайтесь сначала удалить бóльшую часть основной частоты. (Случайно ли, что 96 дБ ≈ 216:1?) Пропускание сигнала через режекторный фильтр (теперь более глубокий) дает результат, показанный на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Спектр после режекции большей части основной частоты показывает гармоники гораздо более четко. |
Так-то лучше! Обратите внимание, что эти спектры получены в результате очень длинных прогонов, усредняющих сигнал по десяткам тысяч выборок. Это было необходимо для того, чтобы не пропустить достоверные пики или устранить ложные, а также просто для того, чтобы мы могли увидеть то, что в противном случае осталось бы скрытым в шумах. Все тесты проводились с питанием от 12-вольтового аккумулятора – без сетевого фона и других неприятностей – с расщепителем питания на операционном усилителе и в заземленной клетке Фарадея.
Как хороший компромисс между искажениями и удобством использования, я решил использовать рабочий уровень 20 дБВ. В последнем варианте моего устройства предусмотрено дополнительное усиление выходного сигнала, обеспечиваемое каскадом виртуальной земли/ псевдологарифмического потенциометра (конечно же, LM4562). На Рисунке 4 показан зубчатый спектр, измеренный при входном сигнале +6 дБн (примерно +4 дБВ, или 1.54 В с.к.з., или приблизительно 4.4 В пик-пик), демонстрирующий уровень THD, близкий к –120 дБ, или 1 ppm, бóльшую часть которого составляет вторая гармоника (источник пока не установлен).
 |
|
| Рисунок 4. | Спектр (зубчатый) после усиления до +6 дБн. Обратите внимание на измененный масштаб. |
Что касается искажений, думаю, что мы уже достигли цели.
Поскольку для усилителей A1-A4 я использовал панельки, попробовать другие ОУ было несложно. На Рисунке 5 показаны результаты для KA5532, ранее хорошо зарекомендовавшего себя при работе в аудио, TL072/TL082 (или счетверенных TL0n4), LM358 (с дополнительными входными резисторами 10 кОм) и даже для почтенного MC1458 – по сути, близнеца ОУ 741. Чтобы обеспечить корректное сравнение, при каждом тесте подстраивались частота и уровень выходного сигнала. Микросхема LM358 меня удивила; пришлось перепроверять. Мне никогда не нравился их звук, и теперь я знаю, почему.
 |
|
| Рисунок 5. | Спектры искажений для различных других устройств. |
Все эти работы проводились на номинальной частоте 1 кГц (на самом деле 1003.4 Гц). Я не могу говорить о других частотах из-за отсутствия подходящих режекторных фильтров, хотя их спектры без режекции после масштабирования по частоте выглядят почти так же, как и для частоты 1 кГц. При показанных на схеме номиналах компонентов генератор в одном диапазоне перестраивается от частоты менее 500 Гц до значения, превышающего 5 кГц, что само по себе делает его весьма крутым полезным устройством. Для других диапазонов необходимо будет изменить петлевые фильтры, чтобы обеспечить достаточную устойчивость контура обратной связи и при этом сохранить хорошую фильтрацию.
Эти результаты могут показывать уровни THD ниже 140 дБн, или 0.00001%, или 100 частей на миллиард, но они все равно будут погребены под шумами, и показатель THD+N, который до сих пор удобно игнорировался, выглядит гораздо хуже, чем просто один THD. Расчеты с использованием данных из описания LM4562 в наших условиях предполагают шум выходного буфера (инвертирующий, с единичным усилением) порядка –114 дБВ или –112 дБн в полосе 20 кГц при доминировании (резистивного) шума Джонсона, так что нам остается THD+N «всего» около 92 дБ, или 0.0025%, или 25 ppm. Микровольтметр переменного тока (с полосой 10 кГц), подключенный к выходу при отключенных резисторах R5 и R6 в биквадратном фильтре и закороченном конденсаторе С2, показал –113 дБн, что соответствует расчетам.
Использование различных ОУ может немного помочь в борьбе с токовыми шумами, но никогда не сможет уменьшить шум резисторов, если только радикально и нереалистично не уменьшить их сопротивления. Analog Devices опубликовала хорошее руководство по основам шумов операционных усилителей [3], а также несколько гораздо более подробных анализов.
Очевидно, что при использовании этого генератора в качестве источника для измерения THD в аудиоканале для выделения гармоник из шума потребуется усреднение, точно такое же, какое мы использовали в этой статье, но вы должны убедиться, что можете доверять своему БПФ, или же используйте режекторную фильтрацию. чтобы уменьшить основную гармонику.
Теперь у нас есть генератор, способный выдавать синусоиду с искажениями, измеряемыми в частях на миллиард; ладно, пусть много-много этих частей на миллиард, да и бог с ними! Кто их считает? Главное, что он нас вполне устраивает, и при наличии подходящих деталей, может быть собран за полдня.
Ссылки
- Nick Cornford. Генератор со сверхнизкими искажениями. Часть 1 – Как не надо делать
- Nick Cornford. Сглаженные треугольные импульсы: синусоиды, но с зубцами?
- MT-047 tutorial. Op Amp Noise
Купить LM4562 на РадиоЛоцман.Цены
