Главная » Звук » Простой качественный генератор синуса на мосту Вина

Простой качественный генератор синуса на мосту Вина

В радиолюбительской практике часто встает вопрос необходимости создания генератора синусоидальных колебаний. Применения ему можно найти самые разнообразные. Рассмотрим вариант создания генератор синуса на ОУ со стабильной амплитудой и частотой.

В статье описывается разработка схемы генератора синуса. Если вас интересует програмная генерация синусоиды, то читайте статью:

 Программа Audacity как простой генератор звука и шума

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 RC фильтров(ссыла). Т.е. 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:

Простой качественный генератор синуса на мосту Вина

Картинка взята из Википедии

На таком мосту часто строят автогенераторы и измерители индуктивности. Для удобства используют R1=R2=R и C1=C2=C. При этом основная частота моста рассчитывается из соотношения

f=1/2πRC

Практически любой фильтр можно рассматривать как частотозависимый делитель напряжения, 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=1/2πC

где ω (омега) — циклическая частота

Мост Вина обладает отношением выходного напряжения ко входному b=1/3 . Это важный момент, т.к. этот коэффициент определяет условия стабильной генерации.

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.

Элементы моста Вина следует включить в цепь положительной обратной связи операционного усилителя. Выглядит это следующим образом:

Простой качественный генератор синуса на мосту Вина генератор синусоида

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

Коэффициент на троечку

Выше было сказано, что 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 выбранной частоты.

В идеале, задав резисторами, в цепи отрицательной обратной связи, нужный коэфф усиления, мы должны получить готовый генератор. Это неинвертирующий усилитель и его коэффициент усиления определяется соотношением:

K=1+R2/R1

Простой качественный генератор синуса на мосту Вина генератор синусоида

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 ниже 3-х 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.

Простой качественный генератор синуса на мосту Вина генератор синусоида

Поэтому, строя генератор на мосте Вина, прибегают к использованию нелинейного элемента в цепи отрицательной обратной связи, регулирующего коэффициент усиления. Т.е. 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.

Простой качественный генератор синуса на мосту Вина генератор синусоида

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:

Простой качественный генератор синуса на мосту Вина генератор синусоида

Идея использования лампочки, в качестве управляющего элемента очень интересна и используется по сей день. Но у лампочки, увы есть ряд недостатков. Во первых требуется ее поиск и подбор токоограничивающего резистора R*. Во вторых, при регулярном использовании генератора, срок жизни лампочки обычно ограничивается несколькими месяцами, а ее управляющие свойства 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 резисторы.

Стабилизация амплитуды на светодиодах

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

Простой качественный генератор синуса на мосту Вина генератор синусоида

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 использование низкоомных резисторов (R5 и R6). Это позволит пропускать значительный ток (до 5мА) через светодиоды и они будут находиться в оптимальном режиме. Даже будут 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 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 но и стабильность характеристик при изменении температуры.

В авторском варианте были применены резистор типа С2-13 ±0.2% и слюдяные конденсаторы точностью ±2%. Применение резисторов указанного этого типа обусловлено их малой зависимостью 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.

Простой качественный генератор синуса на мосту Вина генератор синусоида

После реализации схемы, на макетной плате, выяснилось, что из-за разброса параметров светодиодов, синусоида на выходе не симметрична. Это 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 Шоттки и переменный резистор

Светодиоды были заменены на быстродействующие диоды Шоттки 4148. 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 в 100 кГц. Переменный резистор R5 был заменен на постоянные, но об этом позже.

Простой качественный генератор синуса на мосту Вина генератор синусоида

В отличие от светодиодов, падение напряжения на p-n переходе диодов Шотки составляет 0.4 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:

Простой качественный генератор синуса на мосту Вина генератор синусоида

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

Теперь о подстроечном резисторе. Изначально в качестве резистора R5 был применен многооборотный подстроечный резистор на 470 Ом, который позволял точно регулировать величину выходного напряжения. Использование переменного резистора в подобных цепях нежелательно по двум основным причинам. Во первых ненадежность подвижного контакта, во вторых у многооборотных подстроечных резистором может быть значительной величина паразитной индуктивности, что может отрицательно сказаться на качестве выходного сигнала.

Дополнительное усиление

Т.к. Синус генератор был собран на сдвоенном ОУ, то половина микросхемы осталась висеть в воздухе. Она была задействована под регулируемый усилитель напряжения. Это позволило перенести переменный резистор из дополнительной цепи ОС генератора в каскад усилителя напряжения для регулировки выходного напряжения. Также применение дополнительного усилительного каскада гарантирует лучшее согласование выхода генератора с нагрузкой, т.к он был построен по классической схеме неинвертирующего усилителя.

Простой качественный генератор синуса на мосту Вина генератор синусоида

Коэффициент усиления каскада задается соотношением:

K=1+R2/R1

Было необходимо получение выходного синусоидального напряжения в 10 вольт. Имея с генератора 2.5 вольта, требовалось усиление в 4 раза. Элементы выбирались с перекрытием требуемого коэффициента, который при указанных номиналах варьируется от 2.2 до 5.7.

Умощнение выхода

Генератор предполагался для работы на низкоомную нагрузку в несколько Ом. Разумеется ни один маломощный ОУ не сможет выдать необходимый ток. По этой причине было решено умощнить выход повторителем на микросхеме TDA2030. Все вкусности такого применения этой микросхемы описаны в статье “ Схема повторителя напряжение на ОУ. Мощный повторитель напряжения на TDA2030. ”. 

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

Простой качественный генератор синуса на мосту Вина генератор синусоида

Генератор на мосту Вина может быть построен и на самой TDA2030 в качестве ОУ. Все зависит от требуемой точности и выбранной частоты генерации. Если у вас нет особых требований к качеству генерации, а требуемая частота не превышает 80-100 кГц и при этом предполагается работа на низкоомную нагрузку, то этот вариант вам
Идеально подойдет.

Заключение

Генератор на мосту вина — 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. При этом схема проста в повторении и не требует наладки.