Генераторы синусоидального сигнала низкой частоты для измерительной аппаратуры и устройства АРУ.

 

Инж. А. Федюков, Пенза, 2007.

 

1. Лирическое вступление. Некоторое время назад у меня возникла задача сделать генератор синусоидального сигнала 1000Hz для одного измерительного прибора. Понятно, что хотелось придумать схему без каких-либо редких или дорогих деталей. В результате было опробовано несколько разных схем генераторов. Надеюсь, их описание может кому-нибудь пригодиться. По  ходу работы до меня дошло, что поскольку многие генераторы имеют детали стабилизации амплитуды, их схемы могут быть легко преобразованы в устройства автоматической регулировки усиления (АРУ), например, для автоматического регулирования громкости.

 

 2. Про генераторы синусоидального сигнала без схемы автоматического регулирования для стабилизации амплитуды. Как известно, в большинстве генераторов используются схемы стабилизации амплитуды колебаний. Такие схемы имеют три важных недостатка: во-первых, в них как в системах автоматического регулирования могут возникать паразитные колебания амплитуды сигнала генератора. Во-вторых, после включения питания амплитуда устанавливается не сразу, а после более или менее длительного переходного процесса. В-третьих, детали стабилизации амплитуды усложняют генератор. Поэтому возникает желание обойтись без схемы стабилизации амплитуды.

 

2.1. Треугольник – в синус. Один из вариантов получения синусоидального сигнала без схемы стабилизации амплитуды такой: напряжение треугольной формы подается на специальный ограничитель амплитуды. “Сплюснув” вершины треугольного напряжения получаем синусоидальное. В журналах “Радио” было опубликовано несколько подобных схем на дискретных элементах. Сейчас этот принцип используется в микросхемах MAX038 фирмы Maxim Integrated Products (США) и XR-2206 фирмы Exar (США). Оказалось, что микросхема MAX038 очень дорогая (несколько сот рублей на момент написания статьи). Микросхема XR-2206 оказалась дешевле (около ста рублей). Я ее испытал в типовой схеме включения. Оказалось, что хотя коэффициент гармоник у нее по документам 1-2% (допускаю что так и есть на самом деле), нелинейные искажения все же заметны на экране осциллографа. Оказывается, что на вершинах синусоиды остается небольшой выброс. Поскольку я разрабатывал генератор для измерительной аппаратуры, от этой микросхемы решил отказаться. Хотя для тех случаев, когда коэффициент гармоник не имеет решающего значения микросхема XR-2206 подошла бы очень хорошо – прицепил несколько деталей и генератор готов.

Замечу еще одну особенность схем с преобразованием треугольника в синус. Если американские товарищи написали в технических данных, что микросхема работает на частотах до 1MHz, то это не значит, что она ХОРОШО работает на частоте 1MHz. Испытанная мною микросхема XR-2206 хорошо работала на звуковых частотах, т. е. искажения синусоиды и изменение амплитуды при перестройке частоты были мало заметны на звуковых частотах, но на частотах более 1MHz амплитуда зависела от частоты и становились заметными искажения.

2.2. Прямоугольник – в синус. Другой способ получить синусоиду без устройства стабилизации амплитуды колебаний – фильтрацией  прямоугольного напряжения. Такой генератор удалось сделать на одной микросхеме – операционном усилителе типа TL072. Эта микросхема была выбрана поскольку очень распространена и дешево стоит. Хотя в микросхеме имеются два усилителя, из них использован только один. Схема генератора приведена на рис. 1.

 

Рис. 1.

 

Усилитель охвачен обратной связью через трехзвенную RC-цепочку, которая одновременно является фазосдвигающей и фильтрующей. Поскольку в схеме рис. 1 операционный усилитель не охвачен отрицательной обратной связью, у него на выходе (вывод 1) получается напряжение прямоугольной формы. Пройдя через RC-цепь сигнал получает фазовый сдвиг, необходимый для поддержания генерации. Кроме того, высшие гармоники прямоугольного напряжения отфильтровываются, поэтому на входе усилителя (вывод 2) напряжение имеет форму, близкую к синусоидальной. Амплитуда сигнала генератора определяется ограничением в микросхеме усилителя по уровням около нуля и около напряжения питания. Поскольку ограничение в микросхеме не строго симметричное, делитель в цепи вывода 3 микросхемы подобран таким образом, чтобы получить симметричную синусоиду на выводе 2.

Схема имеет два недостатка. Первый – довольно заметные искажения синусоидального сигнала. Второй – зависимость амплитуды выходного сигнала от напряжения питания. Кроме того, поскольку микросхема работает в режиме ограничения, частота и амплитуда могут оказаться нестабильными. Достоинство схемы рис. 1 – дешевизна. Короче, для измерительной аппаратуры схема рис. 1 не подошла.

Однако интересна идея. В любом генераторе имеется усилитель и частотозадающая цепь. Всю историю человечества сигнал снимали с выхода усилителя. Как известно, усилитель выдает сигнал с большими или меньшими нелинейными искажениями. Поэтому если нужно получить синусоиду с низким уровнем искажений, сигнал лучше снимать с выхода частотозадающей цепи. Как показали опыты, уровень искажений там может оказаться ниже, чем на выходе усилителя. Схема рис. 1 – яркий тому пример: усилитель работает в явно нелинейном режиме и выдает напряжение прямоугольной формы, а на выходе фазосдвигающей цепи – почти синусоида.

2.3. Генератор синусоидального сигнала на мосте Вина c нелинейным элементом в цепи ООС. Мост Вина издревле водится в схемах генераторов низкой частоты. Автор также решил его использовать. Мост Вина удобен тем, что позволяет перестраивать частоту сдвоенным переменным сопротивлением или сдвоенным переменным конденсатором. Как известно, приобрести сдвоенное переменное сопротивление намного проще чем, например, строенное или счетверенное. В качестве усилителя была использована широко распространенная и недорогая микросхема NE5532. Схема представлена на рис. 2.

 

Рис. 2.

 

Подобные схемы в изобилии публиковались в журналах и книгах. Различие между ними – в нелинейном элементе в цепи отрицательной обратной связи (ООС) операционного усилителя. Лучше или хуже схема может работать с чем угодно – диодами или стабилитронами из кремния, германиевыми диодами, арсенидгаллиевыми светодиодами. Из разных видов нелинейных элементов самые низкие нелинейные искажения удалось получить с германиевыми транзисторами в диодном включении. Из-за сильной зависимости амплитуды от температуры решено было отказаться от применения схемы рис. 2.

Проблема обнаружилась такая. Сдвоенные переменные сопротивления имеют больший или меньший разброс половин. Кроме того, коэффициент передачи усилительных элементов генератора зависит от частоты. Поэтому если генератор должен работать в диапазоне частот, нужно обеспечить автоматическую регулировку усиления в широких пределах. Схема с ограничителем типа рис. 2. справиться с этой задачей не может т. к. при недостаточной обратной связи склонна к искажению формы колебаний, а при слишком глубокой – к срыву генерации. Поэтому от схемы рис. 2 трудно добиться хорошей работы в широком диапазоне частот. Также можно предположить, что поскольку нелинейный элемент имеет некоторую емкость, на высоких частотах обратная связь будет глубже, а усиление – меньше.

 

3. Генераторы с системой автоматического регулирования амплитуды. Поскольку у меня было желание разработать универсальный генератор, способный работать в широком диапазоне частот, было опробовано несколько схем с автоматическим регулированием амплитуды. В качестве управляемого элемента для регулирования усиления использовались полевые транзисторы или лампочки накаливания.

 

3.1. Генератор с автоматическим регулированием амплитуды на полевом транзисторе. С давних пор полевые транзисторы применялись как элементы с управляемым сопротивлением. Включив полевой транзистор в цепь обратной связи операционного усилителя можно менять усиление. Схема генератора с полевым транзистором представлена на рис. 3. Здесь чтобы упростить схему делитель 1/2 напряжения питания на входе микросхемы использован как один из резисторов моста Вина. Недостатком данной схемы оказалась склонность к самовозбуждению системы автоматического регулирования, т. е. паразитным колебаниям амплитуды. Автор провел немало времени пытаясь избавить схему от склонности к паразитным колебаниям, но это сделать не удалось. Поэтому от схемы рис. 3. пришлось отказаться. Схема с автоматической регулировкой амплитуды на полевом транзисторе интересна тем, что может быть сделана с очень малым током потребления. Поэтому автор будет весьма признателен если кто-либо поделится своим опытом в разработке подобных схем.

 

 

 

Рис. 3.

 

3.2. АРУ на полевом транзисторе. Оказалось что хотя схему автоматического регулирования амплитуды на полевом транзисторе трудно заставить работать для поддержания амплитуды генератора, она хорошо работает как устройство автоматической регулировки усиления. Т. е. ее можно применить, например, с микрофоном для автоматического регулирования уровня записи (АРУЗ).

В качестве примера схемы АРУ на полевом транзисторе можно привести лабораторный макет, изготовленный в ПГУ на кафедре РТиРЭС (см. рис. 4). Питание макета – двухполярное. Для демонстрации работы АРУ с разными постоянными времени в ней переключателем (условно не показан) подключается один из нескольких конденсаторов. Задержка АРУ (т. е. напряжение, начиная с которого усиление начинает уменьшаться) переключается включением от одного до десяти диодов (использованы Д814 в ПРЯМОМ включении т. к. считается, что у них резкий перегиб ВАХ и на прямой ветви тоже) между детектором АРУ и цепью затвора полевого транзистора.

 

 

Рис. 4.

 

Поскольку устройство АРУ на полевом транзисторе хорошо себя показало, схема подобная рис. 4. может пригодиться в звуковоспроизводящей аппаратуре. Автор изготовил макет системы автоматической регулировки усиления НЧ,  удобной для практического использования (рис. 5).

 

Рис. 5.

 

Схема имеет однополярное питание +12V. На входе предусмотрен делитель, который можно подобрать для работы с тем или иным источником сигнала. Как только найдется для этого время нужно будет опробовать схему рис. 5. для ограничения громкости телевизора во время рекламы.

 

3.3. Генератор с автоматическим регулированием амплитуды на лампе накаливания. Поскольку генератор НЧ с автоматическим регулированием амплитуды, не склонный к паразитным колебаниям при перестройке частоты  на полевом транзисторе изготовить не удалось, была опробована схема с лампочкой накаливания (см. рис. 6).

 

Рис. 6.

 

Схема рис. 6. работала вполне удовлетворительно, поэтому на ней решено было остановиться. Недостатком схемы является довольно большой ток потребления (около 150mA). Поскольку ток потребления зависит от типа применяемой лампы, ее лучше взять маломощную. Автор использовал коммутаторную лампу КМ6-50 6V 50mA. Поскольку выходная мощность микросхемы NE5532 недостаточна для работы с лампой накаливания, к микросхеме был добавлен эмиттерный повторитель. Повторитель работает в режиме A, что позволяет хорошо использовать частотные свойства транзистора. Коллектор транзистора заземлен, поэтому радиатор можно не изолировать. Сопротивления по 50Ω в цепи эмиттера и последовательно с лампочкой подобраны для лампочки КМ6-50. Если удастся найти лампочку с меньшим рабочим током, можно будет применить более высокоомные сопротивления, что уменьшит потребляемый генератором ток. В результате доработки схемы рис. 6. получилась схема рис. 7, которая была взята за основу для разработки законченной конструкции.

 

Рис. 7.

 

Поскольку сдвоенное переменное сопротивление R1 обязательно имеет некоторый разброс половин, решено было предусмотреть подбор дополнительного сопротивления последовательно с одной из половин чтобы уменьшить изменение амплитуды при перестройке частоты. В моем случае потребовалось установить R4 на 270W.

Сопротивление R5 предотвращает перегрузку входа микросхемы. При дальнейших опытах со схемой оказалось, что из-за наличия R5 вход микросхемы становится подвержен действию наводок и от него было решено отказаться (заменить перемычкой).

Чтобы оценить стабилизирующее действие лампы накаливания был поставлен следующий эксперимент. Мост Вина был отключен, а вместо него к точке “A” подключили генератор НЧ. Так удалось снять амплитудную (рис. 8) и амплитудно-частотную характеристику усилителя с лампой накаливания в цепи обратной связи. Как видно из рис. 8, усиление медленно снижается при увеличении входного напряжения. АЧХ не имеет искажений до 200kHz (нечем было проверить на частотах более 200kHz).

 

 

Рис. 8.

 

Схема  рис. 7 показала себя удовлетворительно и на ее основе был разработан модуль генератора НЧ LFO1M0. Принципиальная схема модуля показана на рис. 9. Далее приводится ее подробное описание.

 

Генератор НЧ собран на нижней по схеме половине микросхемы DA1 типа NE5532. В генераторе имеются две цепи обратной связи – положительной, за счет которой и происходит генерация колебаний и отрицательной для стабилизации амплитуды колебаний.

Цепь положительной обратной связи (R2 C1 R1.1 R1.2 R3 C2) представляет собою мост Вина. При помощи сдвоенного переменного сопротивления R1.1 R1.2 возможна регулировка частоты колебаний. Сопротивления R2 и R3 ограничивают диапазон регулирования частоты. Если модуль собирается для использования в качестве лабораторного генератора НЧ, сопротивления R2 и R3 можно подобрать таким образом, чтобы  добиться наименьших колебаний амплитуды при повороте ручки установки частоты из-за разброса половин R1.1 и R1.2. Для работы в нескольких диапазонах частот можно переключать конденсаторы C1 и C2.

Через перемычку R5 и конденсатор C3 сигнал поступает на неинвертирующий вход микросхемы. Сопротивления R7 и R8 образуют делитель, с которого снимается напряжение, равное половине напряжения питания. Конденсатор C7 служит для подавления помех. Через сопротивление R6 с делителя напряжение смещения подается на вход микросхемы и задает ее режим работы по постоянному току.

Цепь отрицательной обратной связи состоит из резистора R10, через который действует обратная связь по постоянному току и цепочки R11 HL1. Конденсаторы C4 и C5 – разделительные. Сопротивление R11 и лампа накаливания HL1 образуют делитель отрицательной обратной связи, при помощи которого стабилизируется амплитуда колебаний. Рассмотрим как происходит стабилизация амплитуды. Предположим, что по каким-нибудь причинам амплитуда увеличилась. При увеличении выходного напряжения генератора (на выводе платы OUT) увеличивается и ток через делитель. Увеличение тока через HL1 приводит к разогреву ее нити. Поскольку нагретая нить лампы накаливания имеет большее сопротивление, чем холодная, коэффициент передачи делителя R11 HL1 увеличивается. Это приводит к увеличению глубины отрицательной обратной связи и уменьшению амплитуды колебаний.

Поскольку выходная мощность микросхемы DA1 недостаточна для работы с лампой накаливания, нагрузка и цепи обратной связи подключены к ней через эмиттерный повторитель на транзисторе VT1. Поскольку применен транзистор VT1 структуры PNP, его коллектор оказывается соединен с общим проводом, поэтому радиатор не нужно изолировать.

 

Рис. 9.

 

В схеме рис. 9 также предусмотрена возможность установки микросхемы- стабилизатора DA2 в цепи питания. Поскольку ее теплоотвод соединен с общим проводом, радиатор микросхемы DA2 также не нужно изолировать. Источник питания должен обеспечить в точке POW2 напряжение +12V.

В схеме используется один из двух усилителей микросхемы DA1. Второй усилитель может быть использован в качестве повторителя. Если второй усилитель не нужен, нужно соединить выводы платы U/2 и FI.

Для схемы рис. 9 была разработана печатная плата (см. рис. 10). В ней использованы постоянные сопротивления типа МЛТ (С2-23, С2-33, MF) мощностью 0.5W, кроме сопротивлений R9 и R11 типа SQP (в прямоугольном керамическом корпусе) мощностью 5W. У сопротивлений и конденсаторов, которые бывает нужно подобрать предусмотрено по два отверстия для каждого из выводов. В эти два отверстия можно пропустить проволочную петлю, свитую со стороны установки радиодеталей. Снизу (т. е. со стороны печатных проводников) эту петлю нужно припаять к печатным проводникам, а сверху к ней удобно припаивать подбираемые детали. Конденсаторы C6, C7, C8 и C3 малогабаритные керамические с расстоянием между выводами 5mm. C5 – типа К73-17 или с меньшими размерами (предусмотрена дополнительная пара отверстий).

Рис. 10.

 

Транзистор VT1 и микросхема-стабилизатор DA2 установлены на радиаторах, как показано на рис. 11. Радиаторы (показаны на рис. 12 и 13) аналогичны и отличаются положением отверстия для крепления полупроводникового прибора (на высоте 15mm или 20mm от платы).

Рис. 11. Установка полупроводниковых приборов на радиаторах

 

Рис. 12. Радиатор HS40M2 для приборов в корпусе КТ28-2 (TO-220)

 

Рис. 13. Радиатор HS40M3 для транзисторов КТ814,КТ815 и в подобном корпусе

Как известно, провода часто отрываются от печатных плат в местах пайки. Это затрудняет налаживание устройства т. к. при наладке или ремонте бывает необходимо перевернуть печатную плату чтобы получить доступ к обратной ее стороне. Поэтому при разработке модуля LFO1M0 было решено пропустить провода через дополнительные отверстия в плате чтобы обеспечить неподвижность провода в месте пайки. Дополнительные отверстия имеют диаметр Æ2.5mm для провода МГШВ-0.25. Присоединение проводов к печатной плате показано на рис. 14 и 15.

 

Рис. 14.

 

Рис. 15.

 

Присоединение проводов по варианту 1  (рис. 14) проще, а по варианту 2 (рис. 15) позволяет перепаивать провода после установки платы в изделия.

 

Отверстия в плате для малогабаритных деталей имеют диаметр Æ1mm. Для выводов потенциометра, проволочных петель или проводов МГШВ-0.35 (зачищенных) – отверстия Æ1.5mm. Для проводов МГШВ-0.35 (в изоляции) и кабельной стяжки, которой прижата к плате лампа накаливания – отверстия Æ2.5mm. Радиаторы крепятся к плате винтами M3 через отверстия Æ3.5-4mm. Крепление печатной платы в изделии предусмотрено четырьмя винтами M3 по углам через отверстия Æ3.5-4mm.

 

Модуль LFO1M0 был изготовлен и успешно испытан. В изделии этот модуль должен работать как генератор на фиксированную частоту 1000Hz. Поэтому он был настроен переменным сопротивлением на 1000Hz и больше переменное сопротивление не трогали. Поскольку в изделии имеется источник стабилизированного напряжения, у изготовленного образца модуля микросхема DA2 не устанавливалась. Ниже представлен перечень элементов изготовленного и опробованного модуля. Изготовленный образец имел выходное напряжение около 0.9Vэфф.

 

 

Автор выражает благодарность Е. Никулину, ПГУ за помощь в разработке печатной платы LFO1M0 и С. Балашову, Yerasov Music Corp. за мудрые советы по ходу экспериментов.

 

Федюков 6 октября 2007.