В радиолюбительском хозяйстве обязательно наличие генератора тестовых сигналов. Конечно, в идеале это должен быть прибор с перестраиваемой частотой и с различной формой выходного сигнала (синус, меандр, пила). Но это довольно сложные устройства. Порой для простого тестирования, настройки или проверки работоспособности усилителя достаточно генератора с фиксированной частотой (обычно на 1 кГц). Учитывая низкий уровень искажений современных усилителей, для адекватной оценки и упрощения анализа спектра выходного сигнала генератор должен обладать низким уровнем гармоник.
Генераторы с мостом Вина при довольно простой схемотехнике отличаются высоким качеством генерируемого сигнала. Основная проблема для них — это стабилизация амплитуды на выходе.
Вниманию читателей «РадиоГазеты» предлагается описание схемы и конструкции генератора сигнала синусоидальной формы на основе моста Вина с фиксированной частотой и очень низким уровнем гармоник.
Характеристики генератора:
- Частота выходного сигнала — 1кГц,
- Амплитуда выходного сигнала — 8В,
- Уровень искажений (гармоники+шум) — 0,0003%,
- Напряжение питания ±15В,
- Ток потребления — 10мА.
Структурная схема генератора показана на рисунке:
Необходимый сдвиг фаз обеспечивают последовательная и параллельная RC-цепи. Так как они дают ослабление сигнала в 3 раза, то для возникновения устойчивых колебаний необходим усилитель с коэффициентом усиления равный трём.
При всей простоте схемы генератора на основе моста Вина есть несколько моментов, которые обязательно необходимо принять во внимание.
Во-первых, для получения низкого уровня гармоник сам усилитель должен быть практически идеальным. Современные операционные усилители позволяют довольно просто решить эту проблему.
Во-вторых, система стабилизации амплитуды сигнала должна работать эффективно, чтобы исключить перегрузку усилителя и как следствие рост гармонических искажений. Эту проблему автор решил за счёт применения обычной лампы накаливания.
Схема генератора показана на рисунке:
Мост Вина построен на элементах C1R1 и C2R2 и настроен на частоту 1 кГц. Конденсаторы придётся подобрать с точностью не хуже 1% для надёжной генерации. Если вы хотите получить на выходе строго 1 кГц, то ёмкость конденсаторов должна быть равна 119,67 нФ.
Усилитель выполнен на основе ОУ OPA627. Его коэффициент усиления задаётся элементами P1—R3-R4—La1. В этой цепи лампа работает как резистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления, так как сопротивление нити накала лампы зависит от её температуры. Когда нить холодная, её сопротивление составляет около 25 Ом. При достижении номинальной рабочей температуры сопротивление нити накала удваивается.
За счёт этого в схеме изменяется глубина обратной связи. Когда лампа холодная, коэффициент передачи усилителя в основном определяется отношением R3 / R4. При повышении выходного напряжения, ток через цепь обратной связи возрастает, и как следствие, возрастает сопротивление лампы. В результате чего глубина отрицательной обратной связи увеличивается, и коэффициент усиления IC1 уменьшается. В результате выходное напряжение падает, и ток, протекающий через лампу, также будет уменьшаться, в результате чего коэффициент усиления ICI снова расти. После короткого разогрева уровень выходного сигнала генератора стабилизируется.
Электронным «противовесом» лампы является триммер Р1, который (совместно с R3) образует мост, что позволяет более точно сбалансировать схему.
Резистор R5 служит источником тока для лампы, что также повышает стабильность сигнала. Возможно, номинал этого резистора придётся подобрать под конкретную лампу. В опытном экземпляре хорошие результаты были достигнуты при номинале 3,3 кОм. Если вы обнаружите, что после нескольких минут работы выходное напряжение генератора растёт, то сопротивление резистора R5 надо немного уменьшить. И наоборот — при снижении амплитуды выходного сигнала сопротивление резистора придётся увеличить. Точно значение можно подобрать только экспериментальным путём!
Использование лампы в цепи стабилизации амплитуды сигнала порождает необходимость применения «вокруг» IC1 относительно низкоомных резисторов для обеспечения приемлемого значения тока через лампу. Такие резисторы имеют низкий уровень собственных шумов, что благоприятно сказывается на параметрах всей схемы.
Однако из-за этого операционный усилитель должен уметь работать на низкоомную нагрузку (порядка 600 Ом). Для OPA 627 это не является проблемой.
Это операционный усилитель имеет входной каскад на полевых транзисторах, низкий коэффициент шума, низкое входное напряжение смещения (макс. 100 мкВ) и очень низкий уровень искажений.
Спектр сигнала на выходе генератора показан на рисунке:
Измерение было сделано при амплитуде выходного сигнала 8В в полосе частот 22 Гц до 22 кГц. Из побочных гармоник в спектре присутствуют только вторая и третья. Их общий уровень не превышает 0,00014%. Общий коэффициент гармоник + шум остается ниже 0,0003%, что очень хорошо для такой простой схемы.
К сожалению, OPA627 является относительно дорогостоящей микросхемой. Его можно заменить на более доступный NE5534, но уровень гармоник при этом несколько возрастёт.
Из-за простоты схемы печатная плата не разрабатывалась. Подопытный экземпляр был собран на макетной плате. Так как потребляемый схемой ток невелик, двухполярный стабилизатор можно выполнить на микросхемах типа Lm317L и Lm337L (или даже 78L15 и 79L15). Для питания подойдёт любой трансформатор с выходным напряжением 2х15В.
Настройка заключается в регулировке триммера P1. Им нужно добиться максимальной амплитуды сигнала на выходе генератора. Как показала практика, это обеспечивает минимальные искажения. Регулировку следует проводить после прогрева системы стабилизации амплитуды (несколько минут).
Статья подготовлена по материалам журнала «Электор».
Удачного творчества!
Главный редактор «РадиоГазеты».