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超低失真振荡器,第1部分:优化方案的难点和问题

2024-06-27 17:04:09 NICK CORNFORD 阅读:
多年来,“设计实例(DI)”专栏介绍了许多有趣的振荡器,但在我的印象中,没有一个是专门用来产生真正干净的正弦波的。由于以前没有,再加上我需要重建我的老式0.01%以下正弦发生器,这就给了我一个绝佳的借口去做一些探索···

多年来,“设计实例(DI)”专栏介绍了许多有趣的振荡器,但在我的印象中,没有一个是专门用来产生真正干净的正弦波的。由于以前没有,再加上我需要重建我的老式0.01%以下正弦发生器,这就给了我一个绝佳的借口去做一些探索,最终得到了这个DI,它分为两部分。首先,我们将介绍优化方案的难点和问题,然后第2部分将展示如何以RadioShack的价格获得Audio Precision®的失真水平。QKQednc

替代方案

我们甚至不会考虑压缩三角波来获得合理的正弦波,因为0.3%的THD(总谐波失真)是这种方法在没有复杂的多断点“压缩”网络的情况下所能达到的最佳值。同样,相移振荡器也不行,它们的Q值很低,而且三联电位器也不是目录项。如果我要为现代生产设计某种东西,那么应该从一个24位DAC开始,其由一个包含大型查找表的小型处理器提供数据,但这并不是一个下午就能用现有组件完成的东西。QKQednc

那么,老式的文氏电桥电路到底有什么问题呢?相关的维基百科页面包含大量历史、实践和数学细节,并报告称失真水平可以达到0.0003%(3ppm),因此我们有了一个基准,尽管这很可能是针对某个定点的频率,而不是针对多范围、完全可调的设备。实际目标是96dB或0.0015%,这是CD类型16位线性PCM音频的绝对极限,而更随意的目标是120dB或1ppm。在这些水平下,THD可能会受到电路噪声的影响,我们暂时不考虑这个问题。QKQednc

文氏电桥振荡器

为了验证这一点,我使用LM4562运算放大器、精心匹配的电阻器和聚苯乙烯电容器搭建了一个基本电路,并使用光电导光隔离器(本质上是一个LED和一个LDR)进行振幅稳定,该隔离器由一些重型滤波驱动。(热敏电阻仅适用于较高的输出水平,并且非常不稳定。)图1显示了原理图,图2显示了接近1kHz的输出频谱,电平为-20dBV(约-22dBu,或0.283Vpk-pk)。QKQednc

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图1:一个简单的文氏电桥振荡器,使用光电导光隔离器来帮助稳定振幅。QKQednc

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图2:振荡器的频谱运行频率为~1kHz,其输出为-20dBV。QKQednc

频谱表明THD约为-76dB或0.02%:只能算马马虎虎。但是,我已经学会了在要检查的信号的动态范围超过90dB时谨慎使用FFT,并且更喜欢去除大部分基波,以便更清楚地看到谐波。图3显示了这样做的结果:效果好多了,THD可能为-88dB,或0.004%。QKQednc

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图3:同一信号的频谱,但基波大部分被去除,以更准确地显示谐波。QKQednc

效果更好,作为应急方案来说也不错,但仍然偏离目标。(请注意,刻度现在显示谐波的相对水平,单位为dBc,因为振荡器的输出为20dBV,陷波滤波器的电压增益为10dB或20dB。)再多考虑一下,再多摆弄一下,我们可能可以将其性能提高到基准水平,但其他的思路看起来更有希望。最大的问题是幅度控制回路,因为消除所有纹波会严重影响阻尼,增加回路稳定时间。文氏电桥的低Q值(只有1/3),对我们没有任何好处。QKQednc

双二阶滤波器

我最喜欢的综合滤波器和振荡器电路一直是双二阶、状态可变或双积分器回路配置,其中一种拓扑如图4所示。QKQednc

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图4:经典的双二阶或双积分器回路滤波器,具有高通、带通和低通输出。QKQednc

这东西非常常见,我认为,它的基础可以追溯到20世纪50年代,当时“运算放大器”通常意味着一排排发光的瓶子。它用途广泛、可设计且可控制,此版本的Q值约为16,增益约为10。我们现在用虚线将其封装起来,并将其视为一个模块。假设电源为±5V至±15V,带有大量去耦电容。QKQednc

为了使其振荡,我们将带通(BP)输出以合适的电平反馈到输入。这通常是通过使用一对背对背二极管来限制BP信号实现的,如图5所示。QKQednc

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图5:添加二极管限制反馈的滤波器变成振荡器,但有大量谐波,导致THD约为0.08%。QKQednc

在所示值下,二极管将信号压缩至输出电平的约2/3。低于此值,稳定性就会下降;高于此值,谐波就会变得过多。所示反馈网络使二极管周围的阻抗保持较低水平,从而允许高达100kHz及以上的正常工作,而添加的热敏电阻则可改善振幅随温度变化的稳定性。匹配二极管的正向电压,以最大限度地减少偶次谐波失真。二极管产生的第三谐波在到达LP输出时会降低约22dB,高次谐波会衰减更多。QKQednc

原始(LP)输出的频谱显示THD约为0.08%,这大约是此方法所能达到的最佳值。(“缺口”频谱(未显示)显示峰值更少且更低,但第三谐波(限制因素)仍处于同一水平。)由于没有控制回路,因此不会出现回路稳定性问题,尽管在低频下稳定时间是可观的。它是多范围通用AF振荡器的良好基础。QKQednc

通过使用相应更大的电容器和电阻器,它在极低频率下也能很好地工作,尽管需要FET输入运算放大器来避免泄漏。使用5µ7(=4µ7+1µ0;PET电介质)的调谐元件和3M3电阻器,并使用TL072代替LM4562,在~8mHz或计算出的118.2s/cycle下的波形如图6所示。QKQednc

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图6:使用µF和MΩ进行调谐,二极管稳定双二阶滤波器将轻松在mHz区域内工作,在本例中为约8mHz。QKQednc

我不知道为什么有人会想用纯模拟方法来生成这种低频信号,但尝试一下也无可厚非,即使要花一个小时左右才能正常稳定下来。(我没有耐心尝试更大的定时组件值,也别想问我要频谱。)QKQednc

待续…

在第2部分中,我们将采用双二阶滤波器并添加无失真反馈,类似于文氏电桥所使用的反馈,但更为强大,从而产生真正纯净的正弦波。QKQednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Ultra-low distortion oscillator, part 1: how not to do it.,由Ricardo Xie编译)QKQednc

责编:Ricardo
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