Схема генератора сигнала низкой частоты с мостом Вина


Схема генератора сигнала-01

Схема генератора сигнала с мостом Вина — недавно мне представилась возможность исследовать работу нового микромощного 6-мегагерцового операционного усилителя (ОУ) LTC6255, управляющего 12-битным АЦП LTC2361 с частотой дискретизации 250 Квыб/с. Я хотел получить БПФ чистой синусоиды частотой около 5 кГц.



Схема генератора сигнала НЧ выполненная с мостом Вина и внешней синхронизацией

В этой статье показана схема генератора сигнала, возможно кому то пригодится для повторения. Но проблема в том, что для получения БПФ чистой синусоиды… ну, в общем, нужна чистая синусоида. Однако большинство программируемых генераторов сигналов имеют довольно плохие характеристики шумов и искажений по сравнению со специализированными операционными усилителями и хорошими АЦП.

Схема генератора сигнала-1

Но нельзя же измерять искажения и шумы с уровнями 90 дБ, используя источники с уровнем шума 60 дБ. Поэтому вместо того, чтобы пытаться найти практически идеальную программируемую схему генератора сигнала, я решил сделать генератор с низкими искажениями на основе стабилизированного лампой накаливания моста Вина, используя ОУ с ультранизкими искажениями LT1468-2 (Рисунок 1).

Метод стабилизации амплитуды с помощью лампочки основан на положительном температурном коэффициенте сопротивления ее нити, стабилизирующем усиление операционного усилителя на таком уровне, чтобы компенсировать ослабление в 3 раза, вносимое мостом Вина на его центральной частоте. При увеличении амплитуды выходного сигнала лампа накаливания нагревается, увеличивая сопротивление нити и уменьшая коэффициент усиления и, следовательно, амплитуду.

Лампочек типа 327, используемых в таких случаях чаще всего, у меня под рукой не нашлось, поэтому я решил попробовать сравнительно маломощную высоковольтную лампочку для рождественской гирлянды типа С7. Ее сопротивление при комнатной температуре составило 316 Ом, а измерения, сделанные сразу после извлечения лампочки из морозильника (около -15°С), показали 270 Ом.

Схема генератора сигнала-2

Исходя из паспортных значений 5 Вт, 120 В, можно предположить, что сопротивление холодной нити равно 2.8 кОм. Такой диапазон сопротивлений показался несколько избыточным для стабилизации усиления на уровне 3, поэтому я решил немного линеаризовать его с помощью последовательного резистора 100 Ом.

При коэффициенте усиления, равном трем, сумма сопротивления лампы и 100 Ом должна составлять половину от сопротивления обратной связи 1.24 кОм (то есть, должна быть равна 612 Ом), поэтому сопротивление лампы должно установиться на уровне 512 0м. Приблизительный расчет температурного коэффициента сопротивления, который требует схема генератора сигнала

Читайте также:  Генератор синусоидального сигнала на основе звуковой карты

Формула

показывает, что температура нити накала лампы будет равна примерно 195°С.

Генератор запустился отлично, выдав хороший синусоидальный выходной сигнал с частотой 5.15 кГц и амплитудой в несколько вольт. Независимые измерения показали, что продукты искажений второй и третьей гармоник находятся на уровне ниже -120 дБн. Сигнал генератора я подал на вход ОУ LTC6255 через разделительный конденсатор и регуляторы амплитуды и постоянного смещения, используя конденсаторы и потенциометры, показанные на Рисунке 2.

Амплитуда была установлена равной -1 dBFS (дБ от полной шкалы), а постоянный уровень был смещен в середину входного диапазона АЦП. Но, конечно же, это был чисто аналоговый генератор, и на задней панели у него не было разъема с надписью «Опорный вход 10 МГц», с помощью которого его можно было бы синхронизировать с тактовой частотой АЦП.

В результате БПФ показало существенную спектральную утечку, так что спектральная характеристика была больше похожа на цирковой шатер, чем на одиночный пик. Применение к данным оконной функции Блэкмана-Харриса (с уровнем боковых лепестков -92 дБ) для уменьшения утечки БПФ позволило получить благообразную картинку (Рисунок 3).

Схема генератора сигнала-3

Хотя это БПФ является в определенном смысле точным, при более внимательном рассмотрении выявляются некоторые проблемы. Например, входной сигнал установлен равным -1 flBFS, но на графике он, безусловно, выглядит смещенным ниже, чем до уровня -1 дБ. Причина в том, что даже самая превосходная оконная функция оставляет некоторую часть мощности основной гармоники в частотных интервалах, смежных с основным пиком.

Программа включает эти остатки в свои расчеты мощности, и это правильно, но факт в том, что пик, который выдает схема генератора сигнала, выглядит слишком низким и портит впечатление от полученного результата. То же самое можно сказать и о высоте гармоник; хотя они рассчитаны правильно и точны по отношению к основному пику, в абсолютном выражении они также выглядят слишком низкими. Таким образом, использование окон не может заменить систему когерентно-фазовой синхронизации.

Когда обнаружились эти недостатки, я отчаялся, что придется все опять начинать с чистого листа, или же искать синхронизируемый генератор с низкими уровнями искажений и шумов или с шикарным выходным фильтром. Как же мне сделать аналоговый, по существу, генератор, когерентный с элементами дискретизации БПФ, в такой абсолютно цифровой среде? Пассивный режекторный фильтр на 5 кГц будет большим и перегруженным деталями. Я подумал о том, чтобы расстроить схему генератора сигнала с мостом Вина, уменьшив коэффициент усиления, и, тем самым, превратить его в фильтр.

Читайте также:  Двухполупериодный выпрямитель с программируемым усилением

Но потом мне пришло в голову, что мягкого аналогового синусоидального толчка от пусть и искажающего, но хорошо синхронизированного внешнего генератора, может быть достаточно, чтобы сместить частоту моста Вина туда, где она должна быть. Я решил попробовать ввести синусоиду на вход операционного усилителя схемы Вина, используя последовательный резистор с высоким сопротивлением, чтобы одновременно избежать попадания шума и искажений.

Я выбрал 200 кОм — примерно в 1000 раз больше уже имеющегося импеданса — и подключил его, как показано в левой части Рисунка 4 («НОВЫЙ ВХОД»). Я настроил Agilent 33250A на синусоидальный сигнал 5 кГц, который подал на новый вход. Наблюдая за выходами 33250А и моста Вина с помощью осциллографа, я медленно настраивал частоту 33250А и, наконец, с волнением увидел, как синусоиды стали «сближаться», а затем вошли в захват.

Схема генератора сигнала-4

Я подключил 10-мегагерцовый калибровочный сигнал с задней панели и изменил частоту 33250А на 5.157 кГц — ближайший когерентный частотный интервал БПФ. Синусоиды оставались в захвате, и программируемый генератор 33250А успешно немного отодвинул частоту, используемую схемой генератора сигналов Вина от его собственной частоты на желаемое расстояние. Результатом было почти идеальное БПФ; все имеющие отношение к анализу основные и искажающие пики были расположены в уникальных частотных интервалах и были точно отображены (Рисунок 5).

График

Схемы программируемых генераторов синусоидальных сигналов часто имеют отличные характеристики фазового шума и возможности синхронизации частотой 10 МГц, но они также имеют высокие уровни выходного широкополосного шума и искажений. БПФ чувствительно ко всем этим формам искажений источника сигнала и, кроме того, имеет конечное число выходных частотных интервалов.

При тестировании высококачественных систем аналоговых и смешанных сигналов правильная комбинация классических генераторов с мостом Вина с программируемыми генераторами может обеспечить практически идеальный источник с синхронной выборкой, генерирующий точные.