Схема генератора синусоидальных колебаний на режекторных фильтрах — не нова, и известна с дотранзисторных времен. С появлением ОУ схема обрела новую актуальность, которой способствовали малые габариты, низкое напряжение питания.

Плюсы схемы генератора с режекторным фильтром — невысокий процент гармонических искажений (если говорить о синусоидальной форме сигнала), малое время восстановления при перестройке частоты (в отличии от схемы генератора с мостом Вина), отсутствие необходимости в сдвоенном потенциометре для плавной перестройки в пределах диапазона.

Минус схемы — более узкие диапазоны перестройки (не более 4 крат) в отличии от генераторов с мостом Вина (до 10 крат).

Схема описываемого в статье генератора явилась модернизацией схемы прототипа, выложенной в сети из спецификации (даташита), по всей видимости, к микросхеме LM101 (рис.1).

Рис.1 Принципиальная (исходная) схема генератора синусоидальных колебаний на микросхеме LM101 

Принцип работы схемы прост, как и принцип работы всех генераторов, построенных на инвертирующих каскадах, охваченных петлей положительной обратной связи (R5 в схеме на рис.1). Для формирования синусоиды в цепи ОС одного из каскадов (с коэффициентом усиления больше единицы) применен режекторный фильтр на элементах C1, C2, R3, R4 (см. схему рис.1), возбуждаемый сигналом второго каскада на частоте собственного резонанса, где R2, замыкая ПОС, регулирует ее глубину и, как следствие, амплитуду сигнала, оказывая влияние на форму выходного сигнала. Плавная регулировка в пределах диапазона осуществляется с помощью R3 при подобранных элементах цепи ПОС и режекторного фильтра. Сигнал возбуждения в момент запуска генератора может быть практически любой формы. В данном случае ОУ, формирующий сигнал возбуждения в схеме прототипа, собран по схеме инвертирующего повторителя и на его выходе, так же, как и на выходе «правого» ОУ формируется синусоида, отнесенная на 180о относительно основного сигнала. Схема-прототип была собрана и проверена в нескольких вариантах на макетной плате в процессе подбора схемы генератора под определенные задачи. К генератору предъявлялись следующие требования:

1. Стабильность установленной частоты во времени
2. Стабильный запуск
3. Рабочий диапазон частот генератора 10-20000Гц
4. Минимальное время восстановления при перестройке частоты
5. Работа от однополярного источника питания
6. Широкий диапазон питающих напряжений
7. Минимальный уход частоты при изменении напряжения питания
8. Работа с различными ОУ

Генератор-прототип легко справился с частью требований: широкий диапазон питающих напряжений, надежный запуск в диапазоне питающих напряжений от +/-3В…+/-12В, работа с различными ОУ (см. список используемых ОУ ниже), требуемый диапазон генерируемых частот был достигнут, срывов сигнала при плавной перестройке диапазона замечено не было.

Недостатки схемы-прототипа выражались в относительно большой неравномерности амплитуды, резкое падение которой начиналось в высокочастотной части диапазона (приблизительно после 2/3 от начала перестройки вверх) и составляло 35-40% от амплитуды начала диапазона. При напряжении питания +/-12В…+/-15В этот недостаток действительно можно устранить вводом стабилитронов (D1, D2 на рис.1), выравнивающих амплитуду выходного сигнала при перестройке по диапазону, но при малых значения питающего напряжения такой меры явно недостаточно.

Рис.2 Принципиальна схема генератора ЗЧ

«Новый» генератор изначально предназначен для работы с разрабатываемыми устройствами и был изготовлен в качестве модуля для контактной макетной платы (рис.3).

Рис.3 Вид генератора, смонтированного на макетной плате

Схема «нового» генератора (рис.2) была оснащена простейшей АРУ, искусственной средней точкой, коммутацией местной ООС одного из ОУ (U1.1).

Схема была испытана в диапазоне питающих напряжений +4,2…+24В (15В – для некоторых ОУ) с множеством ОУ, устанавливаемых в схему в любых сочетаниях.

В результате параметры генератора, собранного по схеме на рис.2 получились следующие

1. Минимальная генерируемая частота (при использовании конденсаторов С6, С7=1мкФ и максимальным сопротивлением потенциометра PR2) — 10Гц
2. Максимальная частота (при использовании конденсаторов С6, С7=680пФ и минимальным сопротивлением потенциометра PR2)
3. Устойчивое перекрытие диапазона при разомкнутой ОС каскада на U1.1 (переключатель S1 – 3,8 крат)
4. Устойчивое перекрытие диапазона при замкнутой ОС каскада на U1.1 (переключатель S1 – 2 крат)
5. Максимальный размах амплитуды неискаженного синусоидального сигнала при напряжении питания +6В на выходе Sine – 1,4В; +9В – 1,8В; +12В – 2,2В; +15В – 2,4В; +24В – 3,3В
6. Максимальный уровень прямоугольного сигнала на выходе Sqr/Sine равен практически разности напряжения питания и падении напряжения на выходных транзисторах ОУ (Vss-Vsat)
7. Уход частоты при изменении напряжения питания от +6В до +20В – 7%.

Схемных отличий модернизированного генератора от схемы прототипа совсем немного: искусственная средняя точка на резисторах R4, R5; узел АРУ на диодах VD1, VD2, транзисторе VT1, включенным вместо стабилитронов; выходные эмиттерные повторители на транзисторах VT2, VT3; измененные (в пользу универсальности применения схемы с различными ОУ) номиналы резисторов; введен переключатель режимов S1 для ОУ U1.1; переключатель на два диапазона S2.

Применение АРУ практически устранило неравномерность амплитуды внутри диапазонов и позволило достичь минимума искажений без постоянной подстройки потенциометра PR3 (при необходимости этой процедуры в генераторе-прототипе). Эмиттерные повторители улучшили нагрузочную способность выходов генератора.

Для генератора были разработаны две печатные платы, одна из которых рассчитана на установку сдвоенного ОУ (в DIP или SOIC исполнении), вторая на установку либо компаратора LM311 и любого одиночного ОУ (из списка см. ниже), либо двух одиночных ОУ. Обе платы имеют посадочные места, как под переменные резисторы, так и для подстроечных резисторов, используемых для регулировки частоты и уровней выходных сигналов. Плата для сдвоенного ОУ показана на рис.3, для двух одиночных ОУ (или компаратора и ОУ) – на рис.4.

Не обязательно, что безошибочно собранный генератор сразу начнет работать. Для настройки генератора следует переключатель S1 установить в состояние, соответствующее режиму компаратора (разомкнув цепь ООС для U1.1), выставить потенциометр PR2 в положение, соответствующее минимальному сопротивлению и, плавно вращая ручку потенциометра PR3, добиться появления на выходе «Sqr/Sine» появления меандра с размахом, близким по уровню к напряжению питания. При этом на выходе «Sine» должны появиться синусоидальные колебания. При указанном начальном положении потенциометра PR2 (минимальное сопротивление) возможно возбуждение каскада на U1.2 на резонансной частоте фильтра (С6, С7, R1, PR2), которое устраняется увеличением сопротивления R1. С помощью PR3 на выходе «Sine» необходимо выставить амплитуду сигнала 1,8-2,0В (при напряжении питания +9В или другие значения при иных значения напряжения питания – см. выше). Настроив, таким образом, высокочастотную границу диапазона, можно не опасаться, что генератор не запустится при следующем включении питания. Плавно перестраивая частоту к нижней границе диапазона, необходимо убедиться в стабильности амплитуды и отсутствии искажений, появление которых все же возможно в нижней части диапазона. Устранение искажений производится подбором сопротивлений R1, PR3, с возможным ущербом для амплитуды сигнала на выходе «Sine» и перекрытия диапазона. Однако, как показала практика, при указанном значении амплитуды выходного сигнала, искажения практически отсутствуют во всем диапазоне. Для настройки работы генератора в режиме парафазного синусоидального сигнала, следует восстановить ООС нажатием переключателя S1. При этом в состав режекторного фильтра вводится дополнительная цепь настройки R3, PR1, позволяющая скорректировать устойчивую работу генератора в этом режиме. Добившись идентичности амплитуд на разных выходах генератора (с помощью PR3) и определив границы диапазона устойчивой генерации (PR1), настройку заканчивают.

Осциллограммы работы генератора, собранного на макетной плате при напряжении питания +9В, приведены на рис.4-рис.7.

Рис.4 Осциллограмма сигналов генератора на частоте около 6кГц

Рис.5 Осциллограмма сигналов генератора на частоте около 8кГц

Рис.6 Осциллограмма сигналов генератора на частоте около 21кГц

Рис.7 Осциллограмма сигналов генератора на частоте около 25Гц

Генератор испытывался при различных напряжениях питания с разными ОУ широкого применения. Практически все ОУ, примененные при тестах, показали одинаковые результаты в указанном диапазоне частот.

Из сдвоенных ОУ были испытаны в схеме генератора при напряжении питания +4,2…+24В:

• LM358 – без нареканий;
• LM833 – неустойчивый запуск при напряжении питания ниже +9В
• NE5532 – без нареканий
• OPA2604 – без нареканий
• OPA2134 – без нареканий
• TL062 – неустойчивый запуск при напряжении питания ниже +9В
• TL072 – без нареканий
• Пары из одиночных усилителей, где первый – в роли компаратора, второй – каскад фильтра, включались в следующих сочетаниях
• NE5534 / NE5534 – без нареканий
• TL081 / TL081 – неустранимые искажения
• CA3130 / CA3130 – неустранимое возбуждение
• CA3130 / NE5534 – без нареканий (проверено при напряжении до +15В)
• CA3130 / К140УД608 – без нареканий (до +15В)
• CA3130 / К574УД1А – без нареканий (до +15В)
• CA3130 / К544УД2А – без нареканий (до +15В)
• CA3130 / К140УД8А — без нареканий (до +15В)
• К544УД2А / К140УД608 – без нареканий
• К574УД1А / К140УД608 – без нареканий
• К544УД2А / К574УД1А — без нареканий
• К544УД2А / К544УД2А — без нареканий
• LM311 / К140УД8А — без нареканий
• LM311 / К140УД608 – без нареканий
• LM311 / К544УД2А – искаженный меандр (выпуклость нижней полки)
• LM311 / К574УД1А — искаженный меандр (выпуклость нижней полки)
• LM311 / NE5534 — без нареканий

Все испытуемые микросхемы тестировались без внесения схемных изменений (как есть), без рекомендуемых цепей коррекций ОУ и схем балансировки. Наилучшие сочетания по таким параметрам, как

1. минимальные искажения без предварительной подстройки,
2. стабильность амплитуды при перестройке в пределах диапазона, выделены в списке жирным шрифтом.

Номиналы и порядковые номера компонентов для обеих плат – одинаковы (за исключением корпусов ОУ). На плате для одиночных ОУ U1 – только для установки ОУ (каскад фильтра); посадочное место U2 – под компаратор, посадочное место U2` — под одиночный ОУ. Резистор R7 обязателен к установке только при использовании компаратора. Т.к. для переключения диапазонов используется двухпозиционный переключатель (как на макетной плате, так и на разработанных печатных платах), то диапазонов, соответственно, всего — 2, выбираемых для текущих задач. Для изменения частотных параметров диапазонов может быть произведена замена конденсаторов фильтра. На плате для этой цели предварительно устанавливаются цанговые разъемные контакты.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
R2, R9	Резистор	10 кОм	2
R4, R5	Резистор	100 кОм	2
R6	Резистор	5.1 кОм	1
R7, R11	Резистор	2.2 кОм	2
R1	Резистор	750	1
R3	Резистор	100	1
R8, R10	Резистор	330 кОм	2
PR1	Подстроечный резистор	2k	1
PR3	Подстроечный резистор	1M	1
PR4, PR5	Переменный резистор	10k	2
PR2	Переменный резистор	5k	1
VD1, VD2	Выпрямительный диод	1N4148	2
C4, C5	Конденсатор	1 мкФ	2
C6, C7	Конденсатор	1 нФ	1
C1, C3, C8…C10	Электролитический конденсатор	47uF	5
C2	Электролитический конденсатор	1uF	1
VT1…VT3	Биполярный транзистор	2SC945	3