WERSJA STARA Generatory w służbie Narodu
Wzorcowy generator sinusoidalny 1 kHz o małych zniekształceniach
Stara wersja
Podczas prac z urządzeniami audio,
podstawowe wyposażenie warsztatu w
warunkach amatorskich stanowi zazwyczaj
multimetr, oscyloskop i generator. Chociaż
obecnie dominują urządzenia fabrycznie
wyprodukowane na Dalekim Wschodzie,
podczas niektórych prac, dane przyrządy
potrafią mieć niewystarczające parametry.
O ile dziś zakup przyzwoitego multimetru
czy oscyloskopu za względnie rozsądne
pieniądze nie stanowi problemu, o tyle z
generatorem jest pewien problem.
Większość ludzi posiada na swoim
wyposażeniu generatory funkcyjne, które
mimo młodego wieku, nie nadają się do
pomiarów audio, ze względu na zbyt
wysokie zniekształcenia. O ile w przypadku
pomiarów charakterystyk czy ogólnych
napraw, zniekształcenia rzędu dziesiątych
części procenta, nie są dokuczliwe, o tyle w
przypadku pomiaru współczynnika
zniekształceń nieliniowych, jest to poziom
dyskwalifikujący pomiar.
Pewną alternatywą mogą być generatory mostkowe z dawnych lat do kupienia na rynku wtórnym, jednak ich podaż jest ograniczona, a stan techniczny zazwyczaj wymagający co najmniej przeglądu, jeśli nie napraw i kalibracji. Praktyka zresztą pokazuje, że rzadko kiedy jest potrzeba sprawdzania zniekształceń w całym paśmie, zazwyczaj pomiar tyczy się kilku konkretnych częstotliwości, na przykład 100 Hz, 1 kHz i 10 kHz.
Zaproponowany w artykule układ spełnia powyższe założenia - jest to generator nastrojony na jedną konkretną częstotliwość 1 kHz, zoptymalizowany pod kątem niskich zniekształceń nieliniowych przebiegu wyjściowego. Zbudowany z użyciem podzespołów łatwo dostępnych i o prostej procedurze uruchomienia, może być z powodzeniem wykonany przez średnio zaawansowanego radioamatora.
Schemat uproszczony generatora przedstawiono na rysunku nr 1, z kolei schemat ideowy przedstawiono na rysunku nr 2.
Układ składa się z trzech
zasadniczych bloków - wzmacniacza
generatora, układu automatycznej
stabilizacji amplitudy oraz obwodu
zasilania.
Dawniej dominującą topologią generatorów sinusoidalnych był mostek Wiena. Rozwiązanie powszechne zwłaszcza w rozwiązaniach DIY. W literaturze oraz urządzeniach fabrycznych można jednak natknąć się na inne rozwiązania, równie dobre lub lepsze. Jednym z nich jest mostek typu T (zastosowany na przykład w generatorze HP 239A i Zopan KZ 1118). Główną częścią generatora z artykułu jest układ IC 1A oraz elementy mu towarzyszące - ujemne sprzężenie zwrotne - cześć selektywna R1, R2, C1, C2 oraz dodatnie sprzężenie zwrotne - R3, R4, R5 i US3 odpowiadające za wzmocnienie. Podobnie jak w mostku Wiena, obwód selektywny składa się z dwóch rezystorów i dwóch kondensatorów, jednak połączonych w inny sposób. Drugą odmienną cechą jest zróżnicowanie wielkości obu pojemności. Stosunek ten wpływa na zawartość drugiej harmonicznej i w małym stopniu, także trzeciej. Przestrajanie częstotliwości odbywa się poprzez jednoczesną zmianę obu pojemności lub obu rezystancji, co stanowi rozwiązanie typowe dla tego typu układów. W generatorze stosunek pojemności C1/C2 określono na 1:100.
Dla zapewnienia właściwego wzmocnienia układu, jeden z rezystorów sprzężenia zwrotnego musi być elementem o płynnie zmienianej rezystancji. Dawniej w konstrukcjach fabrycznych najczęściej spotykanym elementem w tej roli był termistor, czasem termistor ogrzewany dodatkowo grzałką. Spotykano także rozwiązanie z żarówką małej mocy, w rozwiązaniach DIY bardzo często spotykane z powodu łatwej dostępności i prostej aplikacji. Zmiana rezystancji włókna termistora/żarówki pod wpływem przepływu prądu, zapewniała utrzymanie właściwego poziomu wzmocnienia. W konstrukcjach lepszej jakości, także generatorach fabrycznych, w roli zmiennej rezystancji wykorzystywano tranzystor polowy JFET. Sposób ten zapewnia dużo lepsze parametry niż termistor czy żarówka, jednak wymaga zastosowania rozbudowanego układu ARW.
Rozwiązaniem dużo mniej popularnym, aczkolwiek równie skutecznym jak JFET jest zastosowanie fotorezystora oświetlonego diodą LED, po które sięgnięto tutaj. Napięcie wyjściowe po wyprostowaniu w prostowniku pełno-okresowym na układach IC 2A i IC 2B oraz przejściu przed filtr dolnoprzepustowy na układzie IC 2C, steruje diodą LED oświetlającą fotorezystor, zapewniając odpowiednie sterowanie rezystancją w obwodzie sprzężenia zwrotnego generatora. Po włączeniu, rezystancja ciemna, dając duże wzmocnienie, zapewnia wzbudzenie drgań, wraz z czasem powodując ograniczenie wzmocnienia, zwiększając natężenie diody, powoduje zwiększenie jasności, zmniejszenie rezystancji i stabilizację drgań na ustalonym poziomie. Rozwiązanie choć wygląda na skomplikowane, jest proste i skuteczne w działaniu. Można spróbować uprościć koncepcję, zmieniając układ prostownika i filtra (literatura jest bardzo obszerna pod tym względem), aczkolwiek należy pamiętać, że kluczem do uzyskania niskiego poziomu zniekształceń jest odpowiedni obwód sterowania automatyczną regulacją wzmocnienia jak i zniekształcenia własne wprowadzane przez nasz „zmienny rezystor”.
Dobór wzmacniacza operacyjnego w obwodzie generatora nie jest krytyczny. Jak wykazały testy, nie ma potrzeby inwestowania w drogie kości o super wyszukanych parametrach. Zniekształcenia wnoszone przez układ ARW i zmienną rezystancję i tak są o rząd lub kilka rzędów większe niż zniekształcenia nawet średniej klasy układu scalonego. Popularny NE 5532 sprawdzi się tu wystarczająco dobrze. OPA 2134 czy LM 4562, choć na papierze sprawiają dużo lepsze wrażenie, nie przyniosły znacznego zysku jakości. W obwodzie prostownika i filtru zastosowano popularny TL 074. Zarówno jego oszczędniejsza wersja TL 064 jak i klasyczny LM 324 powodowały, że układ nie wzbudzał się poprawnie.
Aby uniezależnić generator od zmian obciążenia podłączonego do jego wyjścia, na wyjściu zastosowano bufor w postaci jednej polówki wzmacniacza operacyjnego IC 1B. Płynną regulację napięcia wyjściowego zapewnia wielo obrotowy potencjometr, w tym przypadku użyto drutowego Telpodu DM102, można zastosować inny wedle uznania. Lepiej jednak unikać potencjometrów niskiej jakości, zwłaszcza tanich jedno obrotowych węglowych.
Cały układ wymaga zasilania
symetrycznego. Zastosowano prosty
symetryzator zasilania, oparty na
wzmacniaczu operacyjnym IC 2D, dzielący
wejściowe napięcie asymetryczne na dwa
równe napięcia symetryczne względem
masy. Wykorzystano w tym celu czwarty
wzmacniacz z kości TL 074 - IC 2D. Dzięki
temu do zasilania układu wystarczy zwykły
zasilacz wtyczkowy lub bateria. UWAGA -
masą układu jest masa z wyjścia
symetryzatora, a nie biegun zasilania z
zasilacza lub baterii!
Pewnego omówienia wymaga dobór
kluczowych elementów. W gałęzi
selektywnej mostka zarówno kondensatory
jak i rezystory, powinny być precyzyjnie
dobrane z zachowaniem jak najmniejszej
tolerancji. Elementy powinny być wysokiej
jakości. O ile zakup rezystorów
metalizowanych o tolerancji 0,5%, a nawet
0,1% nie stanowi problemu, o tyle
kondensatory najpowszechniej występują z
tolerancją 5%. Należy zatem dobrać je
ręcznie z użyciem dobrej klasy miernika
pojemności lub mostka RLC z
zachowaniem stosunku 100:1.
Częstotliwość obliczona według podanego
wyżej wzoru może różnić się od tej
rzeczywistej z uwagi na niedoskonałość
elementów, jednak nie ma to większego
znaczenia. Wszak co za różnica, czy
generator będzie generował na wyjściu
1000 czy 1010 Hz?
Na schemacie uwzględniono jako
fotorezystor i diodę LED, fabryczny
transoptor NSL32SR3 firmy Advanced
Photonix. Element ten wybrano,
przeprowadzając wcześniej testy z
transoptorem LCR 03 oraz samodzielnie
wykonanym, na bazie dostępnego w
handlu, fotorezystora firmy TOKEN PGM
1200 oraz diody LED 5 mm o dużej
jasności w kolorze czerwonym. Kluczem
było uzyskanie niskiego poziomu
zniekształceń przebiegu na wyjściu. Jeśli
ktoś lubi eksperymentować lub uzna, że nie
chce z różnych powodów
(cena/dostępność) montować NSL32SR3,
może spróbować zaimplementować
własnoręcznie wykonany transoptor
zrobiony z tego co akurat ma pod ręką.
Warto wtedy wypróbować kilka kombinacji
różnych fotorezystorów i diod. Zarówno
kolor diody jak i jej jasność mają tu
znaczenie, pamiętając że fotorezystor
osiąga dane parametry nie tylko przy
danym natężeniu świetlnym, ale także
długości fali emitowanego światła.
Układ zbudowano na kawałku jednostronnej płytki uniwersalnej o wymianach 100x53mm. Cała procedura uruchomienia sprowadza się do ustawienia jednego potencjometru, uzyskując maksimum amplitudy na wyjściu przy zachowaniu minimum zniekształceń. Warto poświęcić na to trochę czasu, bo układ jest precyzyjny, a do zauważalnej zmiany wystarczy minimalny obrót suwaka. Rezystor R5 oznaczono gwiazdką, gdyż może okazać się, że nie jest on konieczny do prawidłowej pracy układu. Amplituda przebiegu wyjściowego w granicach napięć zasilania wskazanych na schemacie jest w zasadzie niezmienna. Zakres napięcia zasilającego 9 - 24V pozwala zasilić generator zarówno z wtyczkowego zasilacza, jak i dwóch baterii 9V (6F22).
Parametry końcowe generatora
(rzeczywiste wartości zmierzone): - częstotliwość - 1003 Hz - napięcie wyjściowe - 0,9 Vrms - THD - 0,001% - napięcia zasilania - od 9 do 24 V - pobór prądu - 20 mA sprzęt pomiarowy: - Fluke 8060, - Creative Sound Blaster X-Fi HD USB 2.0, - Visual Analyser 2010
Literatura
- - Instrukcja serwisowa generatora HP 239A
- - Instrukcja serwisowa generatora Zopan KZ 1118
- - Wireless World 5/1981
- - http://www.tronola.com/moorepage/RC.html
- - https://sound-au.com/appnotes/an001.htm
- - https://sound-au.com/articles/sinewave.htm
Konrad Klekot, listopad 2024 r.
Załącznik nr 1
Wykaz elementów: IC 1 NE 5532 IC 2 TL 074 IC 3 NSL32SR3 R1 15,4 kΩ 0,2% R2 15,4 kΩ 0,2% R3 potencjometr helitrim 10 kΩ R4 18 kΩ R5 430 Ω (opcjonalnie) R6 potencjometr 10 kΩ Telpod DM102 R7 3,3 kΩ R8 3,3 kΩ R9 3,3 kΩ R10 3,3 kΩ R11 3,3 kΩ R12 56 kΩ R13 68 kΩ R14 150 Ω R15 1 kΩ R16 10 kΩ R17 10 kΩ C1 1 nF foliowy C2 100 nF foliowy C3 10 uF/50V elektrolityczny C4 47 uF/50V elektrolityczny
wszystkie rezystory o tolerancji 1%, metalizowane, chyba że wskazano inaczej
