Foxiss Аналоговый генератор 1 кГц, абсолютно необходимый инструмент при измерениях в аудиоэлектронике. Цифровое оборудование до сих пор не способно приблизиться к качеству лучших аналоговых генераторов синусоидального сигнала.
Однако заводские аналоговые приборы относятся к категории «high‑end» и отнюдь не дёшевы. Благодаря представленной здесь схеме можно значительно сэкономить средства, не идя на чрезмерный компромисс по качеству сигнала.
Питание подаётся от внешнего двуполярного источника питания ±15 В. Для упрощения регулировки амплитуды реализовано с помощью потенциометра. Таким образом, здесь нет ни USB, ни программного кода, а значит, устройство полностью свободно от помех, исходящих от цифровой электроники.
Фильтр аналоговый генератор 1 кГц
Фильтр выполнен на операционном усилителе IC1B с цепью из резисторов и конденсаторов. Центральная частота фильтра определяет частоту генерации. На качество (уровень гармоник) генерируемого синусоидального сигнала большое влияние оказывает качество применяемых пассивных компонентов.
Можно использовать керамические конденсаторы COG/NP0 в SMD-корпусах или, альтернативно, выводные плёночные конденсаторы. На схеме показаны оба варианта, поэтому показано удвоенное количество конденсаторов. Устанавливать нужно только одну половину — либо SMD, либо выводные.
На фото печатной платы в тексте видно, что на входе IC1B фактически стоят только два конденсатора, включённых параллельно — плюс, возможно, третий (C1), которым можно подстроить частоту. В цепи обратной связи IC1B стоит только один конденсатор (плюс, возможно, C6 для подстройки частоты).
Площадки для SMD-резисторов имеют относительно большой размер — 1206, что облегчает ручную пайку. На эти площадки подходят также резисторы MELF204, которые по качеству соответствуют выводным металлоплёночным резисторам. Вместо MELF можно использовать тонкоплёночные резисторы.
Расчёт элементов фильтра
Ёмкость конденсаторов на входе усилителя IC1B в два раза больше, чем в его цепи обратной связи. В свою очередь, резисторы на входе также в два раза больше, чем в цепи обратной связи. Такое решение должно привести к более низкому уровню шумов — так утверждает математический анализ.
Рекомендуется точно измерить конденсаторы перед монтажом и соединять параллельно конденсаторы с одинаковыми номиналами. Это облегчает последующую подстройку частоты с помощью C1 и C6 или R6/R7 и R10.
Полосовой фильтр на IC1B имеет на центральной частоте усиление около –1 (инвертирующее усиление).
Положительная обратная связь аналоговый генератор 1 кГц
Для поддержания стабильных, контролируемых колебаний необходима положительная обратная связь. Она реализована на операционном усилителе IC1A и резисторах R1…R5. Этот каскад должен иметь усиление около –1.
— Если усиление будет слишком низким, фильтр не будет генерировать колебания.
— Если усиление будет слишком высоким, сигнал станет настолько большим, что начнёт ограничиваться (клиппироваться) операционными усилителями.
Постоянную амплитуду сигнала и его чистую, неискажённую синусоидальную форму можно получить только при тщательном контроле уровня положительной обратной связи.
В качестве регулирующего элемента здесь использован оптрон NSL-32SR3 фирмы Advanced Photonix. Ток, протекающий через светодиод на входе, управляет сопротивлением фоторезистора на выходе. Оптрон также обеспечивает гальваническую развязку между входом и выходом.
Выходной сигнал фильтра поступает на вход усилителя IC2B через делитель напряжения R33/R34, ослабляющий сигнал примерно до 70%. Это ослабление предотвращает переходные процессы при включении питания, когда генератор быстро «разгоняется» до предела по амплитуде.
Узел на IC2 представляет собой прецизионный двухполупериодный выпрямитель, отлично описанный в руководствах Texas Instruments. Выпрямленный сигнал «интегрируется» (усредняется) фильтром нижних частот R29/C12, а затем усиливается в 2 раза усилителем IC4B. Стабилизацию амплитуды обеспечивает узел на операционном усилителе IC4A.
Стабилизация амплитуды аналоговый генератор 1 кГц
В качестве источника опорного напряжения использована широкодоступная микросхема TL431 (VR1). Она формирует стабилизированное напряжение –2,5 В относительно земли. Конденсатор C11 снижает пульсации этого напряжения.
Ток, протекающий через R26 от выпрямителя на IC4B, компенсируется опорным током, протекающим через R24 и R25. Резистор R25 служит для установки амплитуды генерируемого сигнала.
Диод D1 предотвращает появление отрицательного управляющего напряжения на выходе IC4A. С этого выхода через резистор R21 управляется транзистор T1, а с его эмиттера питается светодиод оптрона NSL-32SR3.
Сопротивление фоторезистора на выходе оптрона изменяет уровень положительной обратной связи фильтра. Постоянную времени контура регулирования определяют элементы R26, R22, C9 и C10.
Синусоидальный сигнал через резистор R12 поступает на потенциометр R13, который служит для регулировки амплитуды выходного сигнала в диапазоне от 0 до максимального значения, задаваемого резистором R25.
В качестве выходного усилителя используется микросхема IC3A. Если требуется чуть большее усиление, можно добавить резистор R14. Микросхема IC3B инвертирует фазу сигнала. Таким образом, на выходе формируется симметричный (дифференциальный) сигнал.
Выходные разъёмы могут быть типа RCA, BNC, jack (6,3 мм) или XLR — в зависимости от ваших потребностей. Устройство питается от напряжения ±15 В. Два интегральных стабилизатора напряжения формируют симметричное напряжение ±12 В.
— Диоды D3 и D5 защищают от повреждения при обратной полярности подключения питания.
— Диоды D4 и D6 защищают микросхемы IC5 и IC6 от «защёлкивания» (latch‑up) при включении питания.
— Когда питание включено, загораются светодиоды индикации.
Выбор компонентов
На качество генерируемого сигнала большое влияние оказывают операционные усилители IC1 и IC3. По этой причине здесь использованы несколько более дорогие операционные усилители OPA2211. Разумеется, схема будет работать и с другими сдвоенными операционными усилителями с таким же расположением выводов (pin‑to‑pin). В качестве IC2 и IC4 можно использовать почти любой тип сдвоенного операционного усилителя. В прототипе были использованы TL072.
На уровень гармоник также влияют конденсаторы C1…C8. Как уже упоминалось, здесь следует использовать COG/NP0 в SMD-корпусах или выводные плёночные конденсаторы. Один «плохой» конденсатор — «плохой» по аудиофильским критериям, т.е. с диэлектриком X7R или аналогичным, — способен свести на нет всё качество сигнала! Резисторы в сигнальном тракте должны быть тонкоплёночными, типоразмера 1206 или MiniMELF204.
Оптрон IC7 не должен быть установлен на плате изначально (рисунок 1 показывает, что я предусмотрел для него 2-контактные гнёзда). Это упрощает тестирование схемы. При замыкании контактов, предназначенных для фоторезистора, и определённой настройке потенциометра R3, осциллятор должен начать генерировать сигнал с размахом около 20 VPP. Это позволит проверить работу фильтра, его усилителя, выпрямителя и выходного каскада.
Частота должна быть близка к 1 кГц (точная настройка частоты выполняется позже, при контролируемой, стабильной амплитуде).
В этом состоянии схемы частота немного меняется, когда операционные усилители входят в насыщение. Выход IC4A в это время должен выдавать 0 В. Когда колебания генератора затухают, напряжение на этом выходе должно медленно возрастать примерно до +10 В.
Несколько слов о настройке оптрона.
Усиление оптрона может значительно отличаться от экземпляра к экземпляру. Я купил четыре штуки, и каждый вёл себя по-разному.
Порядок настройки:
- Используя лабораторный блок питания и последовательный резистор, пропустите через светодиод оптрона ток 3–5 мА.
- Измерьте мультиметром сопротивление фоторезистора.
- Подключите резистор с таким же сопротивлением параллельно R1.
- Установите R3 так, чтобы генератор начал генерировать сигнал.
- При необходимости немного измените значение R4.
После удаления временного резистора и установки оптрона схема должна выдавать синусоидальный сигнал с постоянной и стабильной амплитудой.
Регулировка амплитуды
Потенциометром R25 установите амплитуду сигнала в диапазоне 1–3 VPP. При большей амплитуде возрастают нелинейные искажения.
Постоянная времени контура регулирования намеренно сделана довольно большой. Время установления амплитуды велико, но в установившемся режиме уровень сигнала очень стабилен.
Рабочая точка регулирования устанавливается потенциометром R3.
Настройка частоты
На этом этапе можно точно настроить частоту. Для этого можно изменить ёмкость, подобрав C1 и C6 (причём C1 = 2 × C6), или подогнать номиналы резисторов R6/R7 и R10. Частота рассчитывается по стандартной формуле:
f = 1 / (2π × R × C)
После регулировки частоты может потребоваться повторная коррекция рабочей точки (подстройка режима работы схемы). Если при измерениях нелинейных искажений вы используете фильтр-подавитель (notch filter), частота генератора должна точно совпадать с центральной частотой этого фильтра.
Рисунок показывает спектр сигнала при номинальном уровне 0 dBV, измеренный анализатором Audio Precision APx555.
Все гармоники находятся на уровне ниже –130 dBV. Это означает, что выходной сигнал имеет исключительно низкий уровень нелинейных искажений. Как видите, качество нашего любительского генератора вполне приличное!
Номиналы элементов, указанные в статье, хорошо показали себя в прототипе.
Уровень сигнала 0 dBV
Уровень гармоник –130 dBV
Частота ~1 кГц (точная настройка)
Представленный генератор на доступных компонентах обеспечивает качество сигнала, сравнимое с дорогими профессиональными приборами. Благодаря тщательному выбору компонентов (OPA2211, плёночные/COG-конденсаторы, тонкоплёночные резисторы) и продуманной схеме стабилизации амплитуды, устройство выдаёт синусоидальный сигнал с уровнем гармоник ниже –130 dBV — результат, достойный уважения даже для заводских приборов.
