Цифровой перестраиваемый НЧ генератор синусоидального сигнала с низкими искажениями

Александр Корнев, Радиолоцман №1-2/2024
Различные усилители звука, как микро­фонные и предварительные, так и мощные оконечные УМЗЧ, да и различные другие низ­кочастотные устройства нуждаются при настройке в эталонном гармоническом сиг­нале постоянной амплитуды и частоты. Поэ­тому для настройки НЧ приборов необходим тестовый генератор. Такой генератор с достаточно неплохими характеристиками можно сделать самостоятельно.

Схема такого генератора изображена на Рисунке 1. Диапазон частот 20 Гц — 20 кГц. Отличительная особенность генератора — достаточно высокая стабильность частоты и амплитуды синусоидального сигнала, низкие искажения сигнала, не превышающие 0.01%, и удобство в работе. В схеме применяется низкочастотная фильтрация тактовых прямо­угольных импульсов заданной частоты [1]. Для этого в начале необходимо разделить тактовую частоту до требуемой звуковой час­тоты, а затем отфильтровать гармоники. Нап­ример, прямоугольный сигнал со скважнос­тью 50% содержит только нечетные гармони­ки (3-ю, 5-ю, 7-ю и т. д.), а их амплитуды уменьшаются с частотой. Амплитуда 3-й гар­моники составляет 1/3 амплитуды основной гармоники, 5-й — 1/5 амплитуды основной гармоники и так далее. Сначала с помощью кольцевого счетчика DD2 и цепочки взвешенных сопротивлений R8 — R11 ослабляются не менее чем на 70 дБ нежелательные гармоники входного сигнала с самой высокой амплитудой (ниже 9-й). Эллиптический фильтр нижних частот 8-го порядка с переключаемыми конденсаторами DA7 (MAX294) удаляет большую часть остав­шихся гармоник. Граничная частота (частота среза) фильтра DA7 устанавливается вход­ным тактовым сигналом как f_CLK/100. Счётчик DD1 делит входящий тактовый сигнал на десять. Второй кольцевой счетчик DD2 также делит частоту на десять, но его выходы сум­мируются цепью взвешенных сопротивле­ний, чтобы получить 9-ступенчатую аппрок­симацию синусоиды. Этот сигнал дополни­тельно фильтруется НЧ фильтром DA7, кото­рый ослабляет все гармоники ниже уровня шума. Входной тактовый сигнал на входе CLK служит тактовым сигналом для НЧ фильтра DA7, задающим частоту среза фильтра. Для достижения наименьших искажений вход DA7 должен быть смещен на V_DD/2, а его вход­ной сигнал ослаблен до пикового значения 2.2 В. Это ослабление достигается с помощью делителя напряжения, состоящего из выходного сопротивления взвешивающей цепи (R12 и R13 параллельно) и входного сопротивления ИС фильтра. Выходной сиг­нал генератора буферизируется повторите­лем DA4 (LMH6723), при этом максимальный выходной ток достигает 115 мА. Уровень выходного сигнала устанавливается цифро­вым потенциометром DA2 (DS1866) с лога­рифмической характеристикой изменения сопротивления. Двоичный код управления ослаблением сигнала на входах Р0 — Р2 циф­рового потенциометра формируется кодиру­ющим переключателем A6C-10R (N). Уро­вень ослабления сигнала в зависимости от значения кода на входах Р0 — Р2 показан в Таблице 1.

Для контроля выходной частоты генерато­ра используется аналоговый частотомер на основе преобразователя частоты в напряже­ние на микросхемах DA8 (LTC1043) и DA9 (LF356). При изменении частоты на входе час­тотомера (вывод 16 DA8) от 0 до 30 кГ ц напря­жение на входе (вывод 6 DA9) будет изменять­ся от 0 до 3 вольт. Выходное напряжение час­тотомера измеряется 4^1/2 разрядным встраи­ваемым цифровым милливольтметром PV1 с диапазоном измерения 0 — 20 В с точностью ±1 мВ. Переключатели SA2 и SA3 позволяют подключать частотомер и милливольтметр к внешним устройствам для измерения частоты и напряжения в контрольных точках этих устройств. Следует отметить, что предлагае­мый частотомер можно использовать как встраиваемый в различных других НЧ конструкциях. В генераторе для управления частотой среза НЧ фильтра используется микросхема DA1 (LTC6900), представляющая собой гене­ратор, частота которого, рассчитывается по формуле:

где N_D|V принимает значения 100 (SA1 в поло­жении 1), 10 (SA1 в положении 2) и 1 (SA1 в положении 3), а R_SET = R1 + R3 + R4. Регули­ровка частоты генератора выполняется потен­циометрами R4 («Грубо») и R1 («Точно»).

Питание прибора осуществляется от внеш­него сетевого адаптера +9 В. Параметричес­кий стабилизатор DA3 (78M05) понижает это напряжение до +5 В, обеспечивая питание прибора в целом. Инвертор напряжения DA5 (LM828) формирует напряжение -5 В для получения двуполярного питания ±5 В НЧ частотомера.

В генераторе применяются танталовые оксидные конденсаторы, все остальные — керамические. Резисторы R8 — R15 с допус­ком по номиналу не более ±1%, все осталь­ные с допуском ±5%. Потенциометры R1 и R4 многооборотные серии 3339 производства Bourns. Настройка прибора не требуется.

Литература

1. Leo Sahlsten. Low-cost circuit converts clock to low-distortion sinewave. Application note 4547.

Материалы по теме

1. Datasheet Omron A6C-10R
2. Datasheet Maxim DS1866
3. Datasheet Texas Instruments LF356
4. Datasheet Texas Instruments LM78M05
5. Datasheet Texas Instruments LM828
6. Datasheet Texas Instruments LMH6723
7. Datasheet Maxim LMX331
8. Datasheet Analog Devices LT1004
9. Datasheet Analog Devices LTC1043
10. Datasheet Analog Devices LTC6900
11. Datasheet Maxim MAX297C/D
12. Datasheet Texas Instruments CD74HC390
13. Datasheet Texas Instruments CD4018B