НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ГКЧ
Анализ АЧХ какого-либо устройства можно проводить как с помощью генератора тональных посылок (ГТП), так и с помощью генератора качающейся частоты (ГКЧ). Снятие АЧХ с помощью этих приборов имеет как достоинства, так и недостатки, связанные со спецификой работы этих приборов. Например, с помощью ГТП удобно измерять параметры звуковых трактов, имеющих равномерную АЧХ (линейные усилители, магнитофоны и т.п.). Достоинством этого метода является так же то, что нет необходимости калибровки горизонтальной развертки осциллографа по частоте, так как частоты отдельных тональных посылок дискретны и их частота заранее известна. Но это же достоинство обращается в недостаток, если необходимо снять АЧХ какого-либо устройства, заметно отличающейся от линейной (фильтра НЧ и ВЧ высоких порядков, фильтры с высокой добротностью, корректоры АЧХ, в т.ч. и эквалайзеры).
В этом случае целесообразно применять ГКЧ, частота которого непрерывно изменяется либо по линейному (lin), либо по логарифмическому (log) закону. Выбор режима развертки по частоте зависит от того, в каком диапазоне производятся измерения АЧХ. В режиме lin удобнее анализировать АЧХ на высоких частотах, но при этом частотный диапазон анализа не превышает 2-3 октав. В режиме log диапазон обзора АЧХ значительно расширяется: до 7-8 октав (при низких скоростях качания).
В принципе ГКЧ, работающий в режиме lin, можно получить из ГТП, подав на вход ГУНа пилообразное напряжение с осциллографа. Но при этом фиксация ГУНа отсутствует, поэтому начальная фаза ГУНа меняется непредсказуемым образом на 180° (да и то, при удачно выбранном режиме) и огибающая сигнала нелинейна, особенно в низкочастотной области, и так же изменяется в такт с начальной фазой. Поэтому такой вариант можно рекомендовать, если нижняя частота обзора не менее 0,4...1кГц.
ГУН, описанный в [Л] , можно применить в составе ГКЧ, если верхняя частота не превышает 20...30 кГц. "Узкое" место в этом ГУНе - каскад А1, работающий в режиме инвертора/повторителя, от которого требуется очень высокая крутизна фронтов, да еще и в линейном режиме. ГУН, предлагаемый в этой статье, имеет значительно больший частотный диапазон (до 200... ЗООкГц) и может быть использован как в ГТП, так и в ГКЧ. Можно предложить объединить эти два устройства в одном корпусе, так как для ГКЧ нужен только другой формирователь управляющего напряжения для ГУНа, но это уже выходит за рамки статьи.
Описания различных ГКЧ неоднократно приводились в литературе. Схемотехника ГКЧ не вызывает затруднений, если предполагается работа в линейном масштабе частот. Для работы ГКЧ в логарифмическом масштабе обычно предлагаются всевозможные устройства, в основу работы которых положены нелинейные свойства p-n переходов диодов или транзисторов. Существенный недостаток таких устройств - малый динамический диапазон (что приводит к сужению полосы обзора) и сильная зависимость характеристики p-n переходов от температуры, в связи с чем необходимо применять схемы термокомпенсации, которые сильно усложняют как само устройство, так и его настройку.
Для того, чтобы частота ГУНа изменялась в логарифмическом масштабе на его вход необходимо подать обратно-экспоненциальное напряжение. В предлагаемом устройстве используется естественная экспонента, образующаяся при заряде или разряде простой RC-цепи (
рис.1). Для получения управляющего напряжения необходимой формы следует применить устройство, выполняющее математическую операцию y=k/x, в результате чего получается "зеркальное" изображение относительно оси "У" (рис.2 и 3). Выполнение этой операции производится аналоговым перемножителем, включенного соответствующим образом. Полученное напряжение в этом случае очень мало отличается от идеального, практически не зависит от температуры, имеет большой динамический диапазон и определяется параметрами аналогового перемножителя. Схема формирователя обратно-экспоненциального напряжения получается в этом случае очень простой.Предлагаемый ГКЧ позволяет наблюдать АЧХ как в линейном, так и в логарифмическом режиме, в полосе частот до 200кГц (на трех диапазонах: 2, 20, 200кГц). Возможна так же ручная перестройка по частоте (в пределах выбранного диапазона). Нижняя частота обзора зависит от выбранного режима работы и может быть в пределах 10...20Гц. Для облегчения разметки шкалы осциллографа по частоте (особенно в логарифмическом режиме) предусмотрена возможность введения в сигнал подвижной метки. Предусмотрено так же несколько режимов синхронизации осциллографа: синхронный режим работы (развертка по "Х" от ГКЧ), внешняя синхронизация осциллографа и синхронизация с помощью специального синхроимпульса, вводимого в сигнал ГКЧ. Об особенностях каждого режима будет описано ниже. Амплитуда выходного сигнала - 1,5В, Кг на средних частотах (0,4...2кГц) 0,6%.
На взгляд автора существует широкораспространенное заблуждение относительно полосы обзора ГКЧ. Предполагается, что если ГУН имеет полосу 20...20000Гц, и если на его вход подать пилообразное напряжение, соответствующее пределам измерения частоты ГУНа, то мы получим такую же полосу обзора АЧХ. Реально дело обстоит иначе: полоса обзора будет начинаться с 1...2кГц. Объяснить это можно следующим: допустим период качания выбран 200мс, таким образом цена деления масштабной сетки осциллограф будет 20мс (10 делений). С другой стороны - при верхней частоте 20кГц (10 делений) на одну клетку шкалы приходится 2кГц. Отметка шкалы, соответствующая 200Гц будет находиться от начала на 0,6мм (обычно деление шкалы равно 6мм). Но и это еще не все. ГУН все равно не начнет работать с частоты 20Гц, так как период частоты 20Гц длится 50мс, а выбранное нами время развертки слишком мало (200мс). Для достоверного анализа АЧХ необходимо, чтобы прошло хотя бы несколько периодов низшей частоты. Таким образом необходимо время развертки, как минимум 250мс/дел, что даст нам период развертки 2,5с. Очевидно, что применение обычного осциллографа (C1-94, C1-73,C1-112) с максимальным временем развертки 50мс/дел делает невозможным наблюдение АЧХ, начиная с 20Гц. Положение можно несколько облегчить, если снизить верхнюю частоту обзора (например до 2кГц). Именно для этого в данном ГКЧ предусмотрен такой диапазон.
Функционально (и конструктивно ) ГКЧ состоит из 2х узлов: ГУНа и блока управления. Принципиальная схема блока управления приведена на
рис.4. Формирование экспоненты производится цепью RЗR4.1. На транзисторе VT1 собран ключ, открывающийся сигналом лог."0". В этот момент происходит быстрый заряд C1 до напряжения примерно 10В. Форма напряжения на C1 показана на рис.2. Затем происходит разряд C1 (по экспоненте) через цепочку R3 R4.1. Это напряжение подается на вход перемножителя DA1, выполняющего операцию y=10Z/x. На выходе DА1 напряжение имеет обратно-экспоненциальную форму (рис.3). Зависимость этого напряжения от величины Z приведена на рис.5. В связи с применением в качестве DА1 перемножителя с лазерной подгонкой К525ПСЗ отпадает небходимость в его балансировке, благодаря чему существенно упрощается как схема этого узла, так и его настройка. Напряжение с выхода DA1 (через ключи) подается (в режиме log) на вход компаратора DA4. На другой вход DА4 подано опорное напряжение +10B. При достижении напряжения DА1 порога срабатывания (+10B) компаратор DA4 выдает положительный импульс. Запускается устройство формирования пауз D1.1 и D2.2 (ждущие мультивибраторы), вырабатывается открывающий импульс для ключа VT1, и весь процесс повторяется сначала. На интеграторе DА2 собран генератор пилообразного напряжения. Входной ток DА2 создается резисторами R14 R13 R4.2 R12. Время интеграции задается конденсатором С4. В режиме lin пилообразное напряжение (через ключи) подается на вход компаратора DА4, устройство формирования пауз выдает импульс, открывающий ключ VT3, конденсатор С4 разряжается, и процесс повторяется сначала.В любом режиме (lin или log) оба генератора DА.1 и DА2 ) работают в синхронном режиме, разница заключается в том, какой из них является ведущим. С выхода DА2 сигнал через резистор R17 можно подать на вход "X" осциллографа, благодаря чему достигается синхронность развертки осциллографа, независимо от скорости качания частоты ГУНа. Скорость качания задается резистором R4 (плавно). При изменении скорости качания в режиме log лишь незначительно изменяется конечное положение линии развертки, так как в этом случае ведущим является формирователь DА.1.
Желательно использовать осциллографы C1-68 и C1-83. Кратность изменения частоты резистором R4 - порядка 5. Более высокую кратность выбирать нецелесообразно, так как в этом случае (в области малых значений R4) происходит слишком резкое увеличение частоты качания. Применять в качестве R4 резисторы с обратно-логарифмической зависимостью не следует, так как они имеют большое рассогласование между собой. Понижение частоты качания (примерно в 5 раз) производится путем увеличения емкости времязадающих конденсаторов. Так к C1 подключается С2 через ключ S1.1, а к С4 подключается СЗ транзистором VT2. Этот режим применяется, если необходимо понизить начальную частоту обзора.
Сигнал, выдаваемый ГУНом, изображен на
рис.6. Как уже говорилось, в момент достижения управляющего напряжения порога (+10B), срабатывает компаратор DA4. Положительный импульс DA4 запускает ждущий мультивибратор DD1.1, который вырабатывает сигнал 1й паузы (P1), по истечении времени P1 запускается формирователь 2й паузы (Р2) на триггере DD2.2. Во время действия P1 и Р2 VT1 открыт, через R2 и диоды VD8, VD9. Положительный сигнал P1+P2 подается так же через открытый транзистор VT5 в ГУН для его фиксации. Если ключ S7 разомкнут, то в ГУНе происходит формирование синхроимпульса. Для формирования синхроимпульса служит элемент DD1.2, который запускается после окончания сигнала P1. На время действия синхроимпульса закрывается транзистор VТ5, тем самым снимается и фиксация ГУНа. С делителя R41 R42, которым задается частота заполнения синхроимпульса, сигнал подается через диод VD9 на вход ГУНа.Формирование подвижной метки производится следующим образом. С резистора R15 снимается некоторое положительное напряжение, которое через повторитель DA3 подается на компаратор DA6. На другой вход компаратора подается управляющее напряжение ГУНа. В момент их равенства срабатывает компаратор DA6, который запускает ждущий мультивибратор DD2.1 (если ключ S6 разомкнут). На время действия этого импульса закорачивается выходной сигнал ГУНа, в сигнале образуется пропуск, начало которого совпадает с моментом переключения DA6. Изменяя потенциал резистором R15 можно перемещать метку по всему полю экрана. Если переключатель S5 перевести в левое (по схеме) положение, то ГУН будет выдавать сигнал с частотой, соответствующей положению метки на экране. При этом будут сформированы так же паузы и синхроимпульс. Если замкнуть ключ S4, то будет выдаваться непрерывный синусоидальный сигнал, частоту которого можно изменять резистором R15. Этот режим очень удобно использовать при разметке шкалы осциллографа. Процессы, происходящие при формировании метки поясняются на
рис.7.Управление девиацией частоты ГУНа в режиме log имеет свои особенности. В этом режиме управляющий сигнал должен быть только обратно-экспоненциальным. Наличие даже небольшой постоянной составляющей в этом сигнале значительно нарушает "логарифмичность" масштаба. Для регулировки верхней частоты обзора используется резистор R24. Нижнюю частоту обзора (в режиме log) можно регулировать только резистором R5. При этом изменяется кривизна обратно-экспоненциального напряжения, как это показано на
рис.5. Резистором R29 в режиме log компенсируется небольшая постоянная составляющая на выходе DA1 (порядка ЗОмВ). Резистором R27 можно установить Fн в режиме lin. При замыкании S4 резистором R15 можно произвести ручную перестройку частоты ГУНа в установленных пределах (Fн-Fв), при этом переключатель S5 должен находиться в нижнем (по схеме) положении. Контролируя напряжение на перекидном контакте S5 измерительным прибором (внешним), можно судить о частоте ГУНа, так как последний является преобразователем напряжение-частота.Если осциллограф не имеет входа "X", то его можно синхронизировать сигналом Р2. Частота развертки осциллографа в этом случае устанавливается приблизительно равной частоте качания. Если устройство имеет небольшую неравномерность АЧХ, то осциллограф можно синхронизировать и синхроимпульсом, входящим в состав сигнала ГКЧ. Синхронизация осциллографа в этом режиме - внутренняя, развертка - ждущая. Ручкой уровня синхронизации осциллографа добиваются устойчивой картинки.
Принципиальная схема ГУНа приведена на
рис.8. Входной сигнал управления подается на повторитель DA1, с выхода которого он подается также на инвертор DA2. Формирование треугольного напряжения производится следующим образом. Когда ключ VT1 разомкнут, на вход интегратора DАЗ воздействует вытекающий из DA3 (через резистор R8) ток. Начинается интегрирование в положительную сторону. Когда это напряжение достигнет порога срабатывания компаратора DA4, то включается ключ VT1 и формируется втекающий ток (через VT1 и R9) равный 2I. В результате на интегратор воздействует их разность, и под влиянием втекающего тока I начинается интегрирование в отрицательную сторону. Такое схемное решение значительно повысило верхнюю рабочую частоту ГУНа (до 200...ЗООкГц), которая определяется только быстродействием компаратора А4.Самые лучшие результаты были получены при применении в качестве компаратора микросхемы К544УД2. Обычно, при повышении частоты генерации, происходит нарушение симметричности порогов срабатывания по положительному и отрицательному уровню комппаратора, что приводит к росту Кг. С указанной микросхемой это явление практически не наблюдается до частоты 100 кГц, Выше этой частоты незначительно меняется отрицательный уровень, с чем можно вполне мириться. Подстроечником С4 можно скомпенсировать задержку срабатывания компаратора на высоких частотах, а значит и минимизировать колебания амплитуды на этих частотах.
Фиксация уровня ГУНа служит для синхронизации его по частоте с частотой качания. При подаче фиксирующего импульса с блока управления открываются транзисторы VT3 и VT2. Последним производится сброс интегратора. Кроме того, фиксируется в определенном состоянии и компаратор, через цепи R13 VD2. После снятия импульса фиксации интегрирование начинается с нуля и только в положительную сторону.
Треугольный сигнал далее поступает на усилитель-ограничитель DА5. В нем происходит усиление сигнала до величины, необходимой для нормальной работы узла формирования синусоиды (каскад на транзисторе VT4). Резисторами R22 и R25 устанавливаются пороги ограничения треугольного напряжения, что несколько "скругляет" вершины треугольников, в результе чего исчезают характерные небольшие выбросы на вершинах синусоиды, что так же несколько снижает Кг ГУНа.
С выхода VT4 сигнал подается через R38 на линейный усилитель DA6. Транзистор VT5 закорачивает выход каскада на VT4, что используется для формирования метки. С помощью транзистора VT6 происходит управление коэффициентом усиления DA6. В момент действия синхроимпульса VT6 открывается, параллельно R41 подключается резистор R40, коэффициент усиления DA6 возрастает примерно на 16...20дБ. К выходу DA6 подключен каскад умощнения (VT7, VT8). Резисторы R46 R47 служат для ограничения тока через транзисторы при к.з. в нагрузке.
Генератор полезно дополнить аттенюатором (
рис.9). Вход и выход такого аттенюатора равнозначны, то есть их можно менять местами. Входное и выходное сопротивления постоянны и зависят от величины выбранных резисторов. При указанных номиналах каждая ступень дает затухание 10дБ, входное (выходное) сопротивление 420 Ом. Такой аттенюатор можно наращивать или укорачивать, в зависимости от нужного количества ступеней.Конструктивно ГКЧ выполнен в виде 2х отдельных печатных плат (блока управления и ГУНа), помещенных в небольшой корпус. Для питания всего устройства применяются 2 стабилизатора, выполненные на микросхемах KP142EH8B. На передней панели находятся органы управления и выходное гнездо. На задней стенке расположен разъем, куда выведены сигналы контроля и управления осциллографом. Все переключатели - с независимой фиксацией (например П2К). Резистор
R5 (рис.4) выводится на переднюю панель. В качестве резистора R15 целесообразно применить 2 резистора (или один сдвоенный, но с раздельными осями) с тем, чтобы можно было регулировать положение метки грубо и плавно. В качестве R2 и R7 (рис.8) необходимо применить многооборотные резисторы СП5-2. Остальные подстроечные резисторы - обычные.Настройку блока управления начинают с проверки режима lin. Для этого замыкают S3 и проверяют работу узла DA2. На выходе должно быть линейно-нарасающее пилообразное напряжение с амплитудой 10B, частота которого регулируется с помощью R4.2. Движок резистора R13 должен быть в среднем положении. При замыкании ключа S1 частота пилы должна снизиться примерно в 5 раз. Проверяется напряжение пилы на выходе DA5. Амплитуда пилы должна регулироваться резистором R24, а начальное положение - R27. Далее производится настройка узла DА1. Для этого замыкается ключ S2, a S3 и S4 размыкаются. Резистором R6 добиваются появления обратной экспоненты (в дальнейшем слово "обратная" для краткости будет опускаться) на выходе DA1. При некотором положении R6 экспонента уходит в отрицательную область, как это показано на
рис.5 пунктиром. С прогревом кривизна экспоненты несколько изменяется. При "холодном" включении она может уйти сразу в отрицательную область, поэтому необходим некоторый прогрев (в течение 15...20 мин.). Резистором R6 устанавливают максимальную кривизну экспоненты, при нижнем (по схеме) положении движка R5, следя при этом, чтобы она не заходила в отрицательную область, и имела начальный потенциал около ЗОмВ. Амплитуда экспоненты должна быть 10В. Частота повторения должна регулироваться резистором R4.1. При замыкании ключа S1 частота экспоненты должна снизиться так же в 5 раз. Затем резистором R4 устанавливается максимальная частота (в режиме log), а резистором R13 устанавливается амплитуда пилы на выходе DA2 равная 10В. Проверяют синхронность работы DA1 и DA2 при различных положениях движка R4. При этом амплитуда на выходе DА2 несколько изменяется (так как в этом случае ведущим является генератор DА1), в пределах +0,2...0,5В. Скорректировать амплитуду на выходе DA2 при R4 =max при необходимости можно путем подключения параллельно R4.2 резистора 0,5...1М0м. Проверяется наличие экспоненты на выходе DА5. Постоянная составляющая экспоненты компенсируется подстроечником R29.Цифровая часть устройства в наладке практически не нуждается. Может лишь потребоваться корректировка длительностей импульсов.
Настройка ГУНа производится следующим образом. Все подстроечные резисторы устанавливаются в среднее положение. На вход DA1 подается регулируемое напряжение (можно взять с выхода DАЗ,
рис.4). Устанавливается напряжение около 5B, а на выходе DA3 (рис.8) осциллографом (через делитель 1:10, чтоб не возбудилась микросхема DAЗ) наблюдается напряжение. При исправных деталях должны наблюдаться колебания треугольной формы. Вначале производится симметрирование треугольников в ВЧ области диапазона 20кГц, резистором RЗ, затем входное напряжение снижается почти до "0" и производят симметрирование в НЧ-области резистором R7. Эта операция повторяется несколько раз. Затем, при Uвх=0 резистором R2 добиваются минимальной частоты генерации. При этом потребуется корректировка резистором R7 симметрии треугольников. Затем переключаемся на диапазон 200кГц, и подстроечным конденсатором С4 добиваемся неизменности амплитуды треугольников при перестройке по диапазону. Затем производим настройку узла формирования синуса. Движки R22 и R25 устанавливаются в верхнее (по схеме) положение, а движками R19 и R21 производится установка синусоидального напряжения на резисторе R33. Эту операцию лучше всего проводить с помощью измерителя нелинейных искажений. При определенных навыках эту установку можно произвести и на слух. Если не хватает пределов регулировки R19, то нужный коэффициент усиления (в зависимости от конкретного экземпляра VT4) подбирается резистором R24. Затем регулируются пороги ограничения (R22, R25) с таким рассчетом, чтобы убрались небольшие выбросы на верхушках синусоиды. После регулировки может возникнуть небольшая постоянная составляющая на выходе VT4, которая компенсируется резистором R37. Каскад DA6 в настройке не нуждается. Амплитуду синхроимпульса можно скорректировать резистором R40. Корректировку частоты заполнения синхроимпульса (2...4 кГц) можно произвести резистором R41 (рис.4).Проверяется совместная работа блоков во всех режимах. На
рис.10 показано выходное напряжение ГКЧ при правильно настроенном ГУНе (кривая "а"). Колебания должны начинаться с положительного полупериода. На рис.10б, в показан сигнал при неправильной настройке. В этом случае необходимо скорректировать положение движка R2 ГУНа в режиме lin или R5 (рис.4) в режиме log. В режиме log (при "холодном" включении) может наблюдаться небольшая отрицательная область (рис.10б), которая по мере прогрева перемножителя исчезает.ЛИТЕРАТУРА
Лукин Е."Генератор тональных посылок".//Радиохобби-1998-№2-стр.21-22.
При цитировании или использовании этого материала обязательна ссылка на первоисточник!
BONUS Экскиз лицевой можно посмотреть здесь.Чертеж печатной платы управления можно посмотреть здесь. Чертеж платы ГУНа можно посмотреть здесь. Один из рабочих набросков ГУНа здесь. Чертежи печатных плат могут не соответствовать принципиальным схемам, однако это несоответствие небольшое. Объясняется это тем, что после изготовления прибора производилась его доводка. Ну а печатные платы было лень делать по-новой из-за небольших изменений. На рисунке приведена примочка к интегратору ГУНа, значительно расширяющая стабильность частоты на самых низких частотах. Как работает - не знаю, но результат очень ощутимый. Взята с какой-то схемы функционального генератора. Подключается к точкам a и b рис.8. 3я ножка DA3 при этом, естественно, не землится. |