低谐波信号发生器。方案、说明

低谐波信号发生器。无线电电子电气工程百科全书

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AF信号的非线性失真是录音和再现设备质量的特征，通常通过谐波系数来估计，对于高质量设备，该谐波系数不应超过0,1%的近似阈值。为了测量这种水平的失真，需要谐波系数低几倍的信号发生器，因此，在开发所提出的设备时，主要关注减少信号的非线性失真。

主要技术特点：

生成频率范围，Hz.......10...105
谐波系数，%，无更多，频带内，Hz：10...102.......0,4
102...104......0,02
104...105......1
频响不均匀度，dB，不多....... 0,2
最大输出电压（负载电阻为600欧姆），V，不小于.......5

该装置产生的频率范围分为四个子范围，每个子范围的频率由双可变电阻器改变。输出电压可以 20 dB 的步长平滑、离散地调节。

发生器的功能图如图1所示。 1、其基础是宽带放大器A1，其正反馈电路（POS）由R1C2R2C3带通滤波器（温氏桥）组成，负反馈电路（NFB）由用于稳定输出电压幅值的节点和元件R4、R1、U2、A7-AXNUMX组成。

Ris.1

带通 RC 滤波器类似于并联振荡电路，在准谐振频率 fp=1/2piRC（在 R1=R2=R 和 C1=C2=C 处）提供等于 1/3 的最大传递系数、最高的品质因数和最佳的选择性特性。振荡频率可以通过电阻器R1和R2的电阻或电容器C1和C2的电容的一致变化来调谐。

显然，对于发电机的自激，由OOS电路设置的放大器A1的传递系数必须等于0,01。凭借如此低的增益，使用深度反馈很容易实现宽频率范围和放大器本身非常低（小于 0,05%）的失真水平。为了使发电机获得低谐波系数，输出电压的幅值必须稳定在一定水平。为此，放大器覆盖有非线性 OOS 电路，其中通常包含热敏电阻或场效应晶体管作为受控衰减器。然而，在第一种情况下，很难以简单的方式实现发生器在中频的谐波系数小于 0,1%，在第二种情况下 - 小于 XNUMX%，因此，特别注意减少受控衰减器中的失真。

提供给放大器 A1 的 FOS 电压可以表示为两个分量之和：一个常数，其幅度始终等于输出电压的 1/3；以及一个变量，其包络性质由 FOS 电路的特性决定，幅度取决于不稳定因素：元件参数的温度和时间漂移、滤波器传递系数在频率范围内的变化等。（第二个分量的幅度比第一个分量小几个数量级）。这促使人们想到使用双通道 OOS 电路来减少非线性失真，方法是通过仅包含线性元件（分频器 R1R3 和加法器 A4）的通道向放大器 A7 的反相输入应用恒定分量，并通过幅度稳定通道（U1、A2-A6）施加变量，生成校正信号，并在加法器 A7 中添加恒定分量。

第二个通道的工作原理如下。放大器A1的输出信号由整流器U1进行整流，并且从其获取的电压在积分器A2中与设置输出振荡水平的示例性积分器进行比较。集成差分电压直接控制衰减器A4，并通过反相跟随器A5控制衰减器A3。

在发电机的静止（稳态）操作模式下，分压器 R3R4 和滤波器的传递系数等于 1/3，输入电压之间的差以及积分器 A2 和跟随器 A3 的输出电压接近于零。因此，衰减器A4和A5输出端的信号幅值相同，差分放大器A6的输出电压也接近于零。

在非稳态模式下，放大器A1的输出信号幅度的变化导致整流电压相对于参考电压在一个方向或另一个方向上的偏差，从而导致积分器A2和跟随器A3的输出电压的偏差。在这些控制信号的作用下，衰减器A4和A5的传输系数沿相反方向变化，放大器A6的输出端出现正弦电压，使发生器进入稳态模式。随着输出振荡幅度相对于固定值的增加，放大器A6的输出端出现一个信号，该信号与输出同相，而当该信号减小时，则为异相。使用以小信号运行的受控衰减器以及非线性失真产物的部分补偿可以显着降低发电机谐波的水平。

米。 1（点击放大）

装置示意图。其主放大器包含两个并联的差分输入级（VT1、VT2和VT5、VT6），用于放大信号。因此，放大器对于交流电压的两个半波是对称的，这显着降低了偶次谐波的水平，尤其是大多数高质量 RC 振荡器中信号频谱的第二大分量。

该放大器的另一个特点是流过连接到差分级晶体管基极的电阻器 R39、R32.2 和 R40 的电流较低。它等于基极电流的差值，因此，通过选择具有相似电流传输系数h21e的晶体管，可以显着减小它。结果，可以降低对双可变电阻器R32各段一致性的要求，并将其第一段(R32.1)直接连接至晶体管VT1、VT5的基极(无需隔离电容)。为了降低放大器的固有噪声，差分级的静态电流选择相对较小（约100μA）。

来自晶体管VT1和VT5集电极的信号被馈送到由晶体管VT7、VT9和VT8、VT10构成的对称电压放大器。为了减少非线性，它被局部 OOS（电阻器 R13 和 R15）覆盖，从而将其传输系数降低到 8...12。

电阻R19、R20为复合晶体管VT12VT14和VT13VT15上的输出级创造了接近电压源模式的条件，这也提高了放大器的线性度。该级的静态电流由微调电阻器 R16 设置。

为了在大反馈深度和宽带宽下稳定运行，放大器通过与差分级的负载电阻（R1 和 R1）并联的电路 R11C2 和 R2C10 提供频率校正。由这些电路设置的具有开环反馈的放大器频率响应的截止频率在 20 ... 25 kHz 范围内。由于将未校正放大器和校正电路的频率响应配对，每倍频程陡度为 6 dB 的特性部分变得更加扩展。电压放大器的截止频率在几兆赫兹范围内。此外，为了增加整个放大器的稳定性裕度，OOS 电路中还包含一个升压器链路 C19R69。

放大器的输出信号通过VT16晶体管上的中继器，由VD6二极管整流并馈送到运算放大器DA1上的积分器。示例性电压由微调电阻器R35提供。从运算放大器的输出，等于指示信号差值积分结果的电压作用在晶体管VT17.1的栅极上，并通过运算放大器DA2上的反相跟随器作用在晶体管VT17.2的栅极上。这些晶体管与电阻器 R52-R55 一起形成受控衰减器。由电阻R49、R50和R56、R57组成的OOS电路降低了晶体管特性的非线性。实验证明，为了获得最佳效果，场效应晶体管栅极的恒定电压应在截止电压的20 ... 50%范围内，并且CNF电路中电阻的阻值应远大于其沟道的阻值。在所描述的衰减器中考虑到了这一点，并且可以使用微调电阻器 R2 来调整运算放大器 DA33 的反相输入处的电压，以便设置在静态模式下控制衰减器的最佳电压比。

衰减器输出信号的差异由运算放大器 DA4 上的差分放大器放大，并通过由电阻器 R66-R68、R70-R72、R40 组成的 CFO 电压加法器放大，作用于主放大器的反相输入。 OOS电路的传输系数接近1/3，由每个子带中的微调电阻R68、R70-R72分别设置。

频率控制、子范围切换以及不稳定因素会导致输出电压发生变化，并伴随着恢复其先前水平的过程。例如，随着输出信号的增加，整流器(VD6)的输出处的电压增加，因此，晶体管VT17.1的栅极处的控制电压减小，而晶体管VT17.2的栅极处的控制电压增加。因此，衰减器的增益沿相反方向变化，运算放大器DA4处的放大器的共模输出信号的幅度增大，而主放大器的增益减小。结果，发生器的输出信号的幅度和运算放大器DA1的反相输入处的整流电压返回到之前的固定值。发电机的输出电压由运算放大器 DA3 上的交流电压表测量。

微安表RA1包含在OOS电路中整流桥VD7--VD10的对角线上，覆盖OS。发电机的输出电压由可变电阻器R26和由电阻分压器R27-R30和开关SA2组成的步进衰减器设置。发电机由双极稳定电源供电。它消耗的电流小于100 mA。

细节和设计。该器件主要采用MLT电阻，其允许阻值与标称值的偏差为±5%和±10%。电阻器 R31、R39 以及 R27-R30 的选择精度为 ±0,5 ... 1%。微调电阻器 - SP3-44、SP3-27 或 SP3-16。

为了进行频率调谐，使用了双线可变电阻器 PTP，但这并不排除使用阻值为 2 ... 50 kOhm 的其他类型的电阻器（电容器 C8-C15 的电容相应变化）。为了便于搭建发电机并获得本文开头所示的谐波系数，电阻R32各段的不平衡度不应超过2..3%。

电容器C1、C2、C4、C5、C7、C19——KM4或KM5； C3、C6——K50-6； C16-C18-K50-3； C8-C15 - K73、K76、肉骨粉。为了减少子带中的频率设置误差，子带的电容的选择精度必须不低于1 ... 2%。图中所示的电容值是通过两个电容器并联获得的（例如C8、C12由容量为3,3和0,68μF的电容器组成）。

二极管KD521A可替换为KD522A、KD522B、KD509A、KD510A，齐纳二极管KS162A-可替换为KS156A。晶体管VT21、VT1、VT2、VT5的静态电流传输系数h6e的差异不应超过20%，晶体管VT7-VT10的差异不应超过30%。对于晶体管 VT1-VT6，这些系数应在 150 ... 250 范围内，VT7-VT10 - 在 100 ... 200 范围内，VT12-VT15 - 80 ... 200 范围内。除了图中所示的晶体管外，还可以使用 KT315（VT1-VT3、VT10-VT12、VT14）和 KT361（VT4-VT7、VT9、VT13、VT15）系列晶体管来代替 KPS104V - KPS104E 组件，以及截止电压相差不超过 303 的 KP303V - KP30E 晶体管%。 OU K140UD7 可用 K140UD8A、K140UD8B、K140UD6 替代。

该器件具有M261M微安计，总偏转电流为100μA，环路电阻约为800欧姆。开关 SA1、SA2 - PG3，插座 XS1 - СР50-73。

大多数发电机元件放置在厚度为 2 毫米的玻璃纤维制成的印刷电路板上。电阻器 R25 焊接至电平调节器 R26 的输出，分压器电阻器 R27-R30 焊接至开关 SA1 的输出。电容器C8-C15、C19和电阻器R31、R39、R67-R72、R40安装在双可变电阻器R32旁边安装的附加印刷电路板上（由于该板印刷导体的尺寸和图案取决于电容器的尺寸，因此未给出其图纸）。电阻器R60和电容器C17安装在RA1微安计的端子上。

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图3（点击放大）

装置的调整首先测量稳定电源输出端的电压，该电压应在± 14,5 ... 16 V 范围内。之后，临时焊接电阻器 R66 的端子之一，并检查放大器的直流工作模式。电阻器 R2、R10 两端的电压降应在 2,3 ... 2,7 V 范围内，电阻器 R12、R14 上的电压降应在 1,7 ... 2,1 V 范围内，R13、R15 上的电压降应在 1,1 ... 1,5 V 范围内。微调电阻器 R16 将输出级的静态电流设置为 1,5 ... 2,5 mA。放大器输出端的直流电压不得超过±10 mV。如有必要，可以通过将电阻器 R5 或 R6 与附加高阻电阻器 (15 ... 150 kOhm) 并联来实现。

然后确保放大器没有寄生自激。如果是，则增大校正电容C1、C2的电容值并选择升压电路R69C19的元件。

之后，运算放大器 DA1、DA2、DA4 平衡，电阻器 R66 的输出焊接，电阻器 R32、R33、R35、R37 的滑块设置到中间位置，SA1 开关设置到“x10”位置（100 ... 1000 Hz）。微调电阻器 R70 和 R35 实现此子范围内的生成，电阻器 R35 设置 5 V 的最大输出电压。

接下来，将示波器的同步输入连接到发生器的输出，并检查运算放大器 DA4 输出的波形。微调电阻器 R70 和 R33 实现该信号的最小可能幅度，并关闭晶体管 VT17 栅极处的控制电压（用具有高电阻输入的电压表测量），该电压应在 -0,4 ... -1,6 V 范围内。通过微调电阻器 R4、R68、R71 实现其余子范围中运算放大器 DA72 输出端的不失真信号的稳定生成和最小幅度。由于信号幅度在频率上的稳定性不够，因此增大电阻器R44的阻值。通过与电容器 C0,1 串联一个几千欧姆的电阻，可以消除为了稳定振幅而发生的低频（1 ... 16 Hz）振荡。

使用数字频率计切换子范围时，对刻度进行分级并检查频率变化的多重性。

在运算放大器 DA3 上建立电压表可以归结为通过选择电阻器 R59 设置所需的灵敏度。电压表在10…105Hz频带内传输系数的不均匀度不应超过1%。

作者：N.Shiyanov

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