В радиолюбительской практике часто возникает необходимости использовать генератор синусоидальных колебаний. Применения ему можно найти самые разнообразные. Рассмотрим как создать генератор синусоидального сигнала на мосту Вина со стабильной амплитудой и частотой.

В статье описывается разработка схемы генератора синусоидального сигнала. Сгенерировать нужную частоту можно и программно:

Наиболее удобным, с точки зрения сборки и наладки, вариантом генератора синусоидального сигнала является генератор, построенный на мосту Вина, на современном Операционном Усилителе (ОУ).

Мост Вина

Сам по себе мост Вина является полосовым фильтром, состоящим из двух . Он выделяет центральную частоту и подавляет остальные частоты.

Мост придумал, Макс Вин еще в 1891 году. На принципиальной схеме, сам мост Вина обычно изображается следующим образом:

Картинка позаимствована у Википедии

Мост Вина обладает отношением выходного напряжения ко входному b=1/3 . Это важный момент, потому что этот коэффициент определяет условия стабильной генерации. Но об этом чуть позже

Как рассчитать частоту

На мосту Вина часто строят автогенераторы и измерители индуктивности. Чтобы не усложнять себе жизнь обычно используют R1=R2=R и C1=C2=C . Благодаря этому можно упростить формулу. Основная частота моста рассчитывается из соотношения:

f=1/2πRC

Практически любой фильтр можно рассматривать как делитель напряжения, зависящий от частоты. Поэтому при выборе номиналов резистора и конденсатора желательно, чтобы на резонансной частоте комплексное сопротивление конденсатора (Z), было равно, или хотя бы одного порядка с сопротивлением резистора.

Zc=1/ωC=1/2πνC

где ω (омега) — циклическая частота, ν (ню) — линейная частота, ω=2πν

Мост Вина и операционный усилитель

Сам по себе мост Вина не является генератором сигнала. Для возникновения генерации его следует разместить в цепи положительной обратной связи операционного усилителя. Такой автогенератор можно построить и на транзисторе. Но использование ОУ явно упростит жизнь и даст лучшие характеристики.

Коэффициент усиления на троечку

Мост Вина имеет коэффициент пропускания b=1/3 . Поэтому условием генерации является то, что ОУ должен обеспечивать коэффициент усиления равный трем. В таком случает произведение коэффициентов пропускания моста Вина и усиления ОУ даст 1. И будет происходить стабильная генерация заданной частоты.

Если бы мир был идеальным, то задав резисторами в цепи отрицательной обратной связи, нужный коэфф усиления, мы бы получили готовый генератор.

Это неинвертирующий усилитель и его коэффициент усиления определяется соотношением: K=1+R2/R1

Но увы, мир не идеален. … На практике оказывается, что для запуска генерации необходимо, чтобы в самый начальный момент коэфф. усиления был немного больше 3-х, а далее для стабильной генерации он поддерживался равным 3.

Если коэффициент усиления будет меньше 3, то генератор заглохнет, если больше — то сигнал, достигнув напряжения питания, начнет искажаться, и наступит насыщение.

При насыщении, на выходе будет поддерживаться напряжение, близкое к одному из напряжений питания. И будут происходить случайные хаотичные переключения между напряжениями питания.

Поэтому, строя генератор на мосте Вина, прибегают к использованию нелинейного элемента в цепи отрицательной обратной связи, регулирующего коэффициент усиления. В таком случае генератор будет сам себя уравновешивать и поддерживать генерацию на одинаковом уровне.

Стабилизация амплитуды на лампе накаливания

В самом классическом варианте генератора на мосте Вина на ОУ, применяется миниатюрная низковольтная лампа накаливания, которая устанавливается вместо резистора.

При включении такого генератора, в первый момент, спираль лампы холодная и ее сопротивление мало. Это способствует запуску генератора (K>3). Затем, по мере нагрева, сопротивление спирали увеличивается, а коэффициент усиления снижается, пока не дойдет до равновесия (K=3).

Цепь положительной обратной связи, в которую был помещен мост Вина, остается без изменений. Общая принципиальная схема генератора выглядит следующим образом:

Элементы положительной обратной связи ОУ определяют частоту генерации. А элементы отрицательной обратной связи — усиление.

Идея использования лампочки, в качестве управляющего элемента очень интересна и используется по сей день. Но у лампочки, увы, есть ряд недостатков:

• требуется подбор лампочки и токоограничивающего резистора R*.
• при регулярном использовании генератора, срок жизни лампочки обычно ограничивается несколькими месяцами
• управляющие свойства лампочки зависят от температуры в комнате.

Другим интересным вариантом является применение терморезистора с прямым подогревом. По сути, идея та же, только вместо спирали лампочки используется терморезистор. Проблема в том, что его нужно для начала найти и опять таки подобрать его и токоограничиващие резисторы.

Стабилизация амплитуды на светодиодах

Эффективным методом стабилизации амплитуды выходного напряжения генератора синусоидальных сигналов является применение в цепи отрицательной обратной связи ОУ светодиодов (VD1 и VD2 ).

Основной коэффициент усиления задается резисторами R3 и R4 . Остальные же элементы (R5 , R6 и светодиоды) регулируют коэффициент усиления в небольшом диапазоне, поддерживая генерацию стабильной. Резистором R5 можно регулировать величину выходного напряжения в интервале примерное 5-10 вольт.

В дополнительной цепи ОС желательно использовать низкоомные резисторы (R5 и R6 ). Это позволит пропускать значительный ток (до 5мА) через светодиоды и они будут находиться в оптимальном режиме. Даже будут немного светиться:-)

На показанной выше схеме, элементы моста Вина рассчитаны для генерации на частоте 400 Гц, однако они могут быть легко пересчитаны для любой другой частоты по формулам, представленным в начале статьи.

Качество генерации и применяемых элементов

Важно, чтобы операционный усилитель мог обеспечить необходимый для генерации ток и обладал достаточной полосой пропускания по частоте. Использование в качестве ОУ народных TL062 и TL072 дало очень печальные результаты на частоте генерации 100кГц. Форму сигнала было трудно назвать синусоидальной, скорее это был треугольный сигнал. Использование TDA 2320 дало еще более худший результат.

А вот NE5532 показа себя с отличной стороны, выдав на выходе сигнал очень похожий на синусоидальный. LM833 так же справилась с задачей на отлично. Так что именно NE5532 и LM833 рекомендуются к использованию как доступные и распространенные качественные ОУ. Хотя с понижением частоты гораздо лучше себя будут чувствовать и остальные ОУ.

Точность частоты генерации напрямую зависит от точности элементов частотозависимой цепи. И в данном случае важно не только соответствие номинала элемента надписи на нем. Более точные детали имеют лучшую стабильность величин при изменении температуры.

В авторском варианте были применены резистор типа С2-13 ±0.5% и слюдяные конденсаторы точностью ±2%. Применение резисторов указанного типа обусловлено малой зависимостью их сопротивления от температуры. Слюдяные конденсаторы так же мало зависят от температуры и имеют низкий ТКЕ.

Минусы светодиодов

На светодиодах стоит остановиться отдельно. Их использование в схеме синус генератора вызвано величиной падения напряжения, которое обычно лежит в интервале 1.2-1.5 вольта. Это позволяет получать достаточно высокое значение выходного напряжения.

После реализации схемы, на макетной плате, выяснилось, что из-за разброса параметров светодиодов, фронты синусоиды на выходе генератора не симметричны. Это немного заметно даже на приведенной выше фотографии. Помимо этого присутствовали небольшие искажения формы генерируемого синуса, вызванные недостаточной скоростью работы светодиодов для частоты генерации 100 кГц.

Диоды 4148 вместо светодиодов

Светодиоды были заменены на всеми любимые диоды 4148. Это доступные быстродействующие сигнальные диоды со скоростью переключения менее 4 нс. Схема при этом осталась полноценно работоспособной, от описанных выше проблем не осталось и следа, а синусоида приобрела идеальный вид.

На следующей схеме элементы моста вина рассчитаны на частоту генерации 100 кГц. Так же переменный резистор R5 был заменен на постоянные, но об этом позже.

В отличие от светодиодов, падение напряжения на p-n переходе обычных диодов составляет 0.6÷0.7 В, поэтому величина выходного напряжения генератора составила около 2.5 В. Для увеличения выходного напряжения возможно включение нескольких диодов последовательно, вместо одного, например вот так:

Однако увеличение количества нелинейных элементов сделает генератор более зависимым от внешней температуры. По этой причине было решено отказаться от такого подхода и использовать по одному диоду.

Замена переменного резистора постоянными

Теперь о подстроечном резисторе. Изначально в качестве резистора R5 был применен многооборотный подстроечный резистор на 470 Ом. Он позволял точно регулировать величину выходного напряжения.

При построении любого генератора крайне желательно наличие осциллографа. Переменный резистор R5 напрямую влияет на генерацию — как на амлитуду так и на стабильность.

Для представленной схемы генерация стабильна лишь в небольшом интервале сопротивлений этого резистора. Если соотношение сопротивлений больше требуемого — начинается клиппинг, т.е. синусоида будет подрезаться сверху и снизу. Если меньше — форма синусоиды начинает искажаться, а при дальнейшем уменьшении генерация глохнет.

Так же это зависит от используемого напряжения питания. Описываемая схема исходно была собрана на ОУ LM833 с питанием ±9В. Затем, без изменения схемы, ОУ были заменены на AD8616, а напряжение питания на ±2,5В (максимум для этих ОУ). В итоге такой замены синусоида на выходе подрезалась. Подбор резисторов дал значения 210 и 165 ом, вместо 150 и 330 соответственно.

Как подобрать резисторы «на глаз»

В принципе можно оставить и подстроечный резистор. Все зависит от требуемой точности и генерируемой частоты синусоидального сигнала.

Для самостоятельного подбора следует, в первую очередь, установить подстроечный резистор номиналом 200-500 Ом. Подав выходной сигнал генератора на осциллограф и вращая подстроечный резистор дойти до момента когда начнется ограничение.

Затем понижая амплитуду найти положение, в котором форма синусоиды будет наилучшей.Теперь можно выпаять подстроечник, замерить получившиеся величины сопротивлений и впаять максимально близкие значения.

Если вам требуется генератор синусоидального сигнала звуковой частоты, то можно обойтись и без осциллографа. Для этого, опять таки, лучше дойти до момента когда сигнал, на слух, начнет искажаться из-за подрезания, а затем убавить амплитуду. Убавлять следует до тех пор пока искажения не пропадут, а затем еще немного. Это необходимо т.к. на слух не всегда можно уловить искажения и в 10%.

Дополнительное усиление

Генератор синуса был собран на сдвоенном ОУ, и половина микросхемы осталась висеть в воздухе. Поэтому логично задействовать ее под регулируемый усилитель напряжения. Это позволило перенести переменный резистор из дополнительной цепи ОС генератора в каскад усилителя напряжения для регулировки выходного напряжения.

Применение дополнительного усилительного каскада гарантирует лучшее согласование выхода генератора с нагрузкой. Он был построен по классической схеме неинвертирующего усилителя.

Указанные номиналы позволяют изменять коэффициент усиления от 2 до 5. При необходимости номиналы можно пересчитать под требуемую задачу. Коэффициент усиления каскада задается соотношением:

K=1+R2/R1

Резистор R1 представляет из себя сумму последовательно включенных переменного и постоянного резисторов. Постоянный резистор нужен, чтобы при минимальном положении ручки переменного резистора коэффициент усиления не ушел в бесконечность.

Как умощнить выход

Генератор предполагался для работы на низкоомную нагрузку в несколько Ом. Разумеется ни один маломощный ОУ не сможет выдать необходимый ток.

Для умощнения, на выходе генератора разместился повторитель на TDA2030. Все вкусности такого применения этой микросхемы описаны в статье .

А вот так собственно выглядит схема всего синусоидального генератора с усилителем напряжения и повторителем на выходе:

Генератор синуса на мосту Вина можно собрать и на самой TDA2030 в качестве ОУ. Все зависит от требуемой точности и выбранной частоты генерации.

Если нет особых требований к качеству генерации и требуемая частота не превышает 80-100 кГц, но при этом предполагается работа на низкоомную нагрузку, то этот вариант вам идеально подойдет.

Заключение

Генератор на мосту Вина — это не единственный способ генерации синусоиды. Если вы нуждаетесь в высокоточной стабилизации частоты то лучше смотреть в сторону генераторов с кварцевым резонатором.

Однако, описанная схема, подойдет для подавляющего большинства случаев, когда требуется получение стабильного, как по частоте так и по амплитуде, синусоидального сигнала.

Генерация это хорошо, а как точно измерить величину переменного напряжения высокой частоты? Для это отлично подходит схема которая называется .

Материал подготовлен исключительно для сайта

Принципиальная схема самодельного широкодиапазонного генератора синусоидального сигнала для лабораторных целей, выполнен на микросхеме МАХ038. Синусоидальный генератор является одним из важнейших приборов лаборатории радиолюбителя. Обычно делаютдва генератора, низкочастотный и высокочастотный.

Низкочастотный делают на операционном усилителе, охваченном цепью обратной связи с мостом Винна, а плавная настройка осуществляется сдвоенным переменным резистором. ВЧ-генератор делают на основе транзисторного LC-генератора с настройкой переменным конденсатором или варикапом.

Микросхема МАХ038

Используя микросхему МАХ038 можно сделать широкополосной генератор синусоидального сигнала, от единиц Гц до десятков МГц. При этом плавная настройка будет одинарным переменным резистором, а катушек не будет вообще. Микросхема МАХ038 предназначена для построения схем генераторов.

Функциональная схема микросхемы показана на рисунке 1. А на рисунке 2 приводится типовая схема, рекомендованная производителем для построения схемы генератора синусоидального сигнала. Там же приводится формула для расчета частоты.

Микросхема по такой схеме может генерировать синусоидальный сигнал в очень широком диапазоне частот, от единиц и даже долей Гц, то 20 МГц. Что позволяет её использовать в самых разных схемах и устройствах, включая и гетеродины приемных устройств.

Рис. 1. Функциональная схема микросхемы МАХ038.

Рис. 2. Типовая схема включения микросхемы МАХ038.

Приницпиальная схема

На основе типовой схемы синусоидального генератора (рис.2) выполнена схема широкодиапазонного лабораторного генератора синусоидального сигнала (рис. 3), генерирующего частоту от 2 Гц до 20 МГц в семи переключаемых поддиапазонах. Что позволяет использовать этот генератор как для настройки НЧ аппаратуры, так и для РЧ аппаратуры.

Как указано в формуле на рис.2, частота генерации зависит от емкости конденсатора, включенного между выводом 5 и общим нулем питания, и сопротивления резистора между выводами 10 и 1. Для возможности и удобства работы в таком широком диапазоне частот, диапазон разбит на семь поддиапазонов, которые переключаются переключателем S1 путем переключения конденсаторов между выводом 5 и общим нулем.

Рис. 3. Принципиальная схема широкодиапазонного синусоидального генератора сигналов.

Плавная настройка внутри каждого диапазона осуществляется двумя последовательно включенными переменными резисторами R4 и R5, при этом резистор R5 служит для грубой установки частоты, a R4, более низкого сопротивления, для точной установки частоты. Шкалы у генератора нет, ею служит цифровой частотомер, подключаемый в разъем Х2.

Если предполагается снабдить генератор шкалой настройки, то схему плавной настройки нужно сделать на основе одного переменного резистора, многооборотного и с линейным законом изменения сопротивления.

Выходной синусоидальный сигнал снимается с вывода 19 и поступает на разъем Х2 для подачи на вход контрольного частотомера. А также, через регулятор выходного переменного напряжения на резисторе R7 на выход - разъем ХЗ, и на аттенюатор на резисторах R7-R10, позволяющем понизить выходное напряжение в 10, 100 и 1000 раз. Питание должно быть от двухполярного стабилизированного источника ±5V.

Детали и монтаж

Монтаж выполнен без применения печатной платы, в жестяном коробе размером 150x100x50 мм. Короб служит одновременно и шиной общего провода питания. Микросхема в корпусе DIP-20.

Монтаж выполнен следующим образом. Все выводы микросхемы А1, кроме тех, что соединяются с общим нулем питания, отогнуты в горизонтальное положение. Выводы, соединенные с общим проводом оставлены как есть, и припаяны к дну вышеуказанного жестяного короба.

После того как микросхема жестко закрепилась выводами, припаянными к общему проводу, остальной монтаж выполнен объемным способом на остальных выводах микросхемы. А так же, на выводах разъемов, резисторов R4, R5, R6 и галетного переключателя S1.

Значения емкостей С6-С12 указаны на схеме как есть, они не подбирались точно, поэтому реальные поддиапазоны отличаются от указанных на схеме. Если нужно выставить точные поддиапазоны, нужно точно подобрать емкости С6-С12, подключая к ним дополнительные «достроечные» конденсаторы.

Но это имеет значение только если генератор будет работать с собственной механической шкалой. При работе в паре с частотомером точная подборка С6-С12 не всегда требуется, так как генерируемая частота видна на табло цифрового частотомера.

Кручинин П. С. РК-2016-09.

Генератор тестового сигнала с низким уровнем гармоник на мосте Вина

Когда нету под рукой качественного генератора синусоидального сигнала - как отлаживать усилитель, который ты разрабатываешь? Приходится обходиться подручными средствами.

В этой статье:

• Высокая линейность при использовании бюджетного ОУ
• Точная система АРУ, вносящая минимум искажений
• Возможность работы от батарейки: минимум помех

Предыстория

В начале тысячелетия подались мы всем семейством на житьё-бытьё в дальние страны. Кое-что из моих электронных запасов последовало за нами, но, увы, далеко не всё. Итак оказался я один на один с большими собранными мною, но совсем ещё не отлаженными моноблоками, без осциллографа, без генератора сигналов, с огромным желанием завершить тот проект и слушать наконец музыку. Осциллограф удалось выпросить у друга во временное пользование. С генератором надо было срочно что-то изобретать самому. По тем порам я ещё не освоился с доступными здесь поставщиками компонентов. Из случайно оказавшихся под рукой операционников было несколько неудобоваримых продуктов древне-советской электронной промышленности, да LM324, выпаянный из сгоревшего компьютерного блока питания.
LM324 datasheet: National/TI , Fairchild , OnSemi ... Обожаю читать даташиты от National - у них обычно масса интересных примеров применения деталюх. OnSemi в данном случае тоже подсуетились. А вот "Цыганёнок" что-то обделил своих приверженцев 🙂

Классика жанра

Помоги автору!

В этой статье были показаны несколько несложных приёмов, позволяющих добиться весьма качественной генерации и усиления синусоидального сигнала , используя широко распространённый недорогой операционный усилитель и полевой транзистор с p-n переходом:

• Ограничение диапазона автоматической регулировки уровня и уменьшение влияния нелинейности регулирующего элемента;
• Смещение выходного каскада ОУ в линейный режим работы;
• Выбор оптимального уровня виртуальной земли для работы от батарейного питания.

Всё ли было понятно? Нашел ли ты что-либо новое, оригинальное в этой статье? Мне будет приятно, если ты оставишь комментарий или задашь вопрос, а так же - поделишься статьёй с друзьями в социальной сети, "кликнув" соответствующую иконку ниже.

Дополнение (Октябрь 2017) Попалось на просторах Сети: http://www.linear.com/solutions/1623 . Сделал два вывода:

1. Ничто не ново под Луной.
2. Не гонялся бы ты, поп, за дешевизной! Взял бы нормальный ОУ тогда - и получил бы образцово низкий Кг.

This entry was posted in , by . Bookmark the .

Комментарии ВКонтакте

254 thoughts on “Генератор тестового сигнала с низким уровнем гармоник на мосте Вина ”

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом.

Схема генератора синусоидального сигнала. (10+)

Генератор синусоидальных колебаний. Схема

В практике нередко сталкиваемся с необходимостью получить синусоидальный сигнал определенной, достаточно низкой, частоты. Причем необходим генератор сигнала, который будет очень надежным. При этом требования к качеству синуса не очень жесткие. Вполне подходит уровень нечетных гармоник 2%, при практически полном отсутствии четных гармоник. Хорошие надежные генераторы синусоидального напряжения для более высоких частот на основе колебательных контуров общеизвестны. А вот для низких частот (ниже 10 кГц) пришлось разработать.

Свойства классического генератора Вина

За основу взят генератор Вина. В классическом генераторе Вина используется специальная цепь, которая на нужной частоте дает фазовый сдвиг на 0 градусов. Эта цепь передает сигнал с выхода операционного усилителя на его неинвертирующий вход. На других частотах фазовый сдвиг отличен от нуля. Именно этим обусловлена генерация на заданной частоте. Эта цепь ослабляет сигнал в три раза. Таким образом, для генерации операционный усилитель должен обеспечить усиление в три раза. Если усиление ниже трех, то генерация не возникнет. Если усиление выше трех, то произойдет насыщение и качество синусоиды будет низким. Если же коэффициент усиления равен трем, то генератор формирует синусоидальный выходной сигнал непредсказуемой амплитуды. Чтобы исключить насыщение и обеспечить на выходе нужную амплитуду сигнала, в классическом генераторе Вина для формирования нужного коэффициента усиления в цепи отрицательной обратной связи применяется лампа накаливания.