Breedbandoscillator
In dit ontwerp wordt een sinusoscillator met lage vervorming beschreven. Het frequentiegebied bestrijkt zes decaden (van 1 Hz tot 1MHz), waarbij de signaalamplitude binnen ±25% constant blijft. Tevens is er een TTL-uitgang beschikbaar, waarmee bijvoorbeeld een frequentieteller kan worden gestuurd. De oscillator is verder kortsluitvast en heeft een uitgangsimpedantie van 50 Ω.
Algemeen principe
Gezien het frequentiegebied (1 Hz t/m 1 MHz) en de eis van de gewenste lage vervorming kan geen gebruik worden gemaakt van een kant en klaar IC zoals de XR2206 (zie literatuur, punt 1). Verder moeten alle componenten goedkoop zijn en eenvoudig verkrijgbaar zijn. Het blokschema van de hier ontworpen oscillator staat in afb. 1. De oscillator heeft een Wienbrug-terugkoppel-netwerk. De amplitude van het oscillatorsignaal wordt gemeten en vergeleken met een referentie. Het verschilsignaal dat hieruit ontstaat stuurt, na filtering een FET. Deze FET staat als regelbare weerstand ingesteld en regelt indien nodig de amplitude bij. Het aldus ontstane oscillatorsignaal wordt via een potmeter naar de eindversterker geleid. Deze versterker wordt belast met een verzwakkernetwerk met een uitgangsimpedantie van 50 Ω.
Afb. 1 Blokschema van de oscillator.
Voor de TTL-uitgang wordt gebruik gemaakt van de tweede harmonische van het oscillatorsignaal (beschikbaar na de LM1496). Dit signaal wordt na buffering een TTL-schmitttrigger ingestuurd. Vervolgens wordt het met behulp van een flip-flop door twee gedeeld. Hierdoor wordt een symmetrisch uitgangssignaal verkregen.
Om praktische redenen wordt de gehele schakeling op twee aparte printen gebouwd. De uitgangsverzwakker wordt direct met de schakelaar op de front gemonteerd. Het resultaat is dat slechts een minimale bedrading behoeft te worden aangebracht.
Theoretische beschouwingen
Afb. 2 Dubbelgebalanceerde mengtrap.
Voor een constante signaalamplitude over zes decaden tot 1 MHz wordt gebruik gemaakt van een als gemiddelde waarde-detector geschakelde dubbelgebalanceerde meng-IC LM1496. Afb. 2 geeft het schema van zo'n mengtrap. In afb. 3 zijn de in- en uitgangssignalen in het ideale geval getekend. Iuit heeft een gelijkstroom-component die recht evenredig is met de ingangsspanning Uin2. Met behulp van simpele goniometrie volgt voor deze conversieversterking:
Afb. 3 In- en uitgangssignalen van de dubbelgebalanceerde mengtrap.
Deze formule geldt voor top-top-ingangsspanning Uin2 van een onvervormde sinus. Aangezien op de gelijkstroom ook nog een signaal met onder andere een frequentie van tweemaal het ingangssignaal staat is filtering noodzakelijk. Voor de amplituderegellus, die alle afwijkingen van de ingestelde amplitude moet wegregelen, is de lusversterking te berekenen. Als een filter met een enkele pool (zie afb. 4A) wordt toegepast volgt met behulp van gegevens uit de boeken van literatuurlijst punt 2 of 3 dat:
Hierin is Alus de lusversterking, Ac de reeds genoemde conversieversterking, ωo = 2πfo de oscillatiefrequentie, P de Laplace-variabele, P1 de filterpool in het filter (p,co) en B deconstante waarin alle overige versterkingen in de lus zijn verwerkt.
Uit de uitdrukking voor Alus volgt dat de amplituderegeling een tweede orde-systeem is. De lusversterking is afhankelijk van de oscillatiefrequentie. Dit houdt in dat bij variatie van fo van 1 Hz tot 1 MHz de lusversterking 1000000x varieert. Uit de berekende lusversterking is met behulp van regeltechniek (zie literatuur, punt 4) de demping ξ en de lusbandbreedte w" te berekenen:
Een tweede orde-systeem is goed gedempt als de demping groter of gelijk aan 0,7 is. Uit formule 3 volgt direct dat bij toenemende oscillatiefrequentie de demping afneemt. Hoe laagfrequenter de filterpool (gunstig in verband met vervorming) des te slechter is het systeem gedempt (veel bouncing). Omdat ω0 vrij fors varieert (1000000x) blijkt uit exacte berekeningen dat de demping te klein wordt. Een oplossing hiervoor is het toepassen van een nulpunt u in het filter. Afb. 4B geeft dan de filterkarakteristiek en volgende formule de demping:
Afb.4 Filterkarakteristieken.
A. Alleen één pool Pl.
B. Met één pool Pl en één nulpunt n.
Voor grote w0 wordt de demping nu weer groter. Het begrip lusbandbreedte (formule 4) is te vertalen als de snelheid waarmee de regellus verstoringen van de amplitude wegre-gelt. Een kleine ion geeft dus een traag systeem en een grote wn een zeer snel systeem. Dit houdt tevens in dat alle amplitudeverstoringen met een frequentie kleiner dan ωn/2π wel worden weggeregeld. Verstoringen met een frequentie groter dan ωn/2π worden niet weggeregeld. Met behulp van formule 4 en 5 en met een prototype van de oscillator zijn de componentwaarden van het filter bepaald. Het uiteindelijke filter is een compromis tussen demping, regelsnelheid en vervorming.
Het uiteindelijke schema
Afb. 5 Principeschema van print 1.
Afb. 5 geeft het totale schema van de eerste print. Het Wienbrug-meekoppelnetwerk is een uitgebreide versie van het netwerk reeds eerder in RB vermeld, zie literatuur punt 5. De versterker is een tweetraps tegengekoppelde versterker. Drie stroombronnen verzorgen de instelling van deze versterker. Enige specificaties zijn een bandbreedte van minstens 10 MHz en een vervorming kleiner dan 0,1 % bij 1 MHz. Voor het ontwerp van deze versterker wordt verwezen naar de Literatuur (bijv. punt 6). Met behulp van de instelpotmeter P3 is de offset weg te regelen. Rond het meng-IC LM1496 zijn de benodigde weerstanden voor de instelling gegroepeerd. Het laagdoorlaatfilter (470 Ω en 10 pF) op de lineaire ingang van dit IC onderdrukt hoogfrequente oscillaties (rond de 300 MHz in het prototype). De' uitgangsstroom van de LM1496 wordt na de CB-trap (T11) vergeleken met een referentiestroom. Met de referentiestroombron is tevens de amplitude van het signaal af te regelen (P4). De verschil-stroom wordt door middel van R30 omgezet in een spanning. Hierna volgt het filter. In dit filter is met behulp van C22 een extra pool aangebracht om bij hoge frequenties de vervorming te verminderen. De specificatieligging van deze extra pool heeft nagenoeg geen invloed op de demping en de lusbandbreedte. Het filter wordt gebufferd met behulp van een opamp (IC2). Deze opamp stuurt de gelineariseerde FET. De spanning aan de ingang van het filter wordt gebufferd door een breed-band opamp (IC3). Met behulp van deze spanning wordt het TTL-signaal op print 2 gevormd. Twee spanningsregelaars zorgen voor een symmetrische voedingsspanning van ± 15 V. Door middel van R16 in serie met de amplitudepotmeter is de dynamiek in de uitgangsspanning beperkt tot ruim 20 dB.
Afb. 6 Principeschema van print 2.
Afb. 6 geeft het totale schema van de tweede print. De versterker is een drietaps versterker met een klasse A ingestelde eindtrap (Irust ≈ 180 mA). De versterking is 11-maal. In verband met eisen aan de vervorming en stabiliteit is de eerste trap lokaal tegengekoppeld. Deze lokale tegenkoppeling maakt een instelpotmeter (P5) voor de offset noodzakelijk. De condensatoren C35 en C36 beperken de op-slingering rond 10 MHz (zie ook Literatuur punt 6). Deze versterker is zodanig ontworpen dat bij een belastingsweerstand tussen 64 en 200 S2 maximaal +5 dB opslingering optreedt (64 tot 200 Ω is de ingangsimpedantie van de verzwakker, bespreking volgt hierna). Het -3dB-punt ligt rond de 15 MHz. De vervorming bij 1 MHz ligt rond de 0,1 % bij 20 Vtt over een belastingsweerstand van 64 Ω. Bij lagere frequenties is 0,01 % gemeten. De voedingsspanningen voor deze versterker (+18 en -15 V) worden geleverd door twee spanningsstabilisatoren: de 7818 en de 7915. Een brugcel, zekeringen en elco's zorgen ervoor dat direct een transformator kan worden aangesloten. In verband met de dissipatie dienen beide eindtransistoren en de spanningsstabilisatoren te worden gekoeld. Een koellichaam met een thermische weerstand van 3 K/W of kleinere thermetische weerstand voldoet.
Het TTL-gedeelte bestaat uit een TTL-schmitt-trigger en een als tweedeler geschakelde flipflop. Voor dit TTL-gedeelte wordt een aparte voe-, ding gebruikt om doorspraak van schakelpulsen via de voeding te vermijden.
Afb. 7 geeft het schema van de uitgangsverzwakker. Afgezien van de bovenste stand bestaat deze ver-zwakker uit een karakteristiek afgesloten lijn met een karakteristieke impedantie van 100 Ω. Elke stap geeft 10 dB verzwakking. De verzwakker is in principe uit te breiden tot meer stappen dan in de afbeelding gegeven. Bij hoge frequenties gaat dan echter de directe overspraak overheersen. Bovendien gaat de ruis van de verzwakker een grotere rol spelen.
Afb.7 Verzwakker.
Bouw
Afb. 8 geeft het ontwerp van print 1, afb. 9 de componentenopstelling en afb. 10 de gemonteerde print. De condensatoren in die Wienbrug dienen bij voorkeur per stel te worden uitgezocht op gelijke capaciteit. Dit komt de amplitudeconstantheid versus frequentie ten goede. Hetzelfde geldt in principe voor Pl maar dit is in de praktijk moeilijk te realiseren. C8 is met opzet 68 pF gekozen in verband met de ingangscapaciteit van de versterker. Als het frequentiegeluid niet helemaal klopt kan eventueel 2 tot 15 pF extra worden aangebracht. Pl wordt zodanig gemonteerd dat bij het linksom draaien de frequentie toeneemt. De hoekverdraaiing is dan nagenoeg recht evenredig met de logaritme van de frequentie. Dit linksom draaien is overeenkomstig alle ons bekende (professionele) apparatuur. De FET's T1 en T2 dienen bij voorkeur op gelijke Ugs te worden geselecteerd. Dit is direct in de schakeling te meten. Door R8 (390 Ω) moet ongeveer 7 mA (±2 mA) lopen. (De oscillator moet hiervoor in normaal bedrijf zijn.) IC1 t.e.m. IC3 worden in voetjes gemonteerd. Let op de draadbrug bij R18, R20 en R21. R15 en R16 worden direct met één zijde aan de potmeter gesoldeerd. Als potmeters met metalen behuizing worden gebruikt moet deze behuizing worden geaard. Het verdient de aanbeveling om T1 en T2 onderling en T9 en T10 onderling tegen elkaar te monteren, met wat siliconenpasta ertussen (zie afb. 10). Deze print 1 wordt met vier M3-boutjes tegen de voorkant van de kast gemonteerd. Afb. 11 geeft het ontwerp van de print 2, afb. 12 de componentenopstelling en afb. 13 de gemonteerde print. T13 en T14 worden weer tegen elkaar gemonteerd, met wat siliconenpasta ertussen. De eindtransistoren en spanningsregelaars worden geïsoleerd op een gezamenlijk koellichaam gemonteerd. De thermische weerstand van het koellichaam mag maximaal 3 K/W bedragen. IC8 en IC9 worden in voetjes gemonteerd. De elco's C43 en C44 worden elk vastgezet met twee tyraps. Deze print werd in het prototype tegen een zelfgemaakte koelplaat geschroefd (zie afb. 13). De verzwakkerweeratanden worden direct op de schakelaar gemonteerd. Voor de tra-fo wordt een type van 2x 18 V en 2x 1 A gebruikt met in de primare een trage zekering van 250 mA. Speciale aandacht moet aan de aarding worden besteed in verband met vermijding van aardlussen, (zie afb. 14). Deze aarding is experimenteel vastgesteld en geeft een minimale overspraak van TTL-schakelpulsen op het signaal. Voor de afgeschermde verbindingen wordt 50Ω-montagecoax gebruikt. Voor de niet afgeschermde verbindingen gebruiken we enkel dik draad (minstens 1 mm2).
Afb. 8 Ontwerp van print 1, schaal 1 : 1.
Afb. 9 Componentenopstelling van print 1.
Afb. 10 Print 1 klaar voor montage in de kast.
Afb. 11 Ontwerp van print 2, schaal 1 : 1.
Afb. 12 Componentenopstelling van print 2.
Afb. 13 Print 2 klaar voor montage in de kast.
Afb. 14 Bedradingsschema. Let vooral op de aarding!
Afregelprocedure
a. P2, P4 en P5 in middenstand. Loper P3 naar R16 toe. De frequentie instellen op 1kHz. LM1496 verwijderen. (Als de offset van de versterker te groot is kan dit IC defect raken). b. Voeding aanzetten. Als er oscillatie bij 1 kHz optreedt dan deze met P4 wegregelen. c. De offset van de Wien-brugversterker wegregelen met P2. De offset van de eindversterker wegregelen met P5. d. De voeding uitzetten en de LM1496 aanbrengen. e. De voeding weer aanzetten. P3 voluit zetten. Met behulp van P4 de uitgangsspanning van de eindversterker (collectoren van de BD139 en de BD140) op 20 Vtt ≡ 7,07 Vtt afregelen. f. Na één uur opwarmen P2, P5 en P4 iets bijregelen, mocht dit nodig zijn.Meetgegevens
Alle specificaties zijn gemeten na 5 minuten opwarmtijd. Tabel 1 geeft de gemeten vervorming bij maximale uitsturing en een belasting van 50 Ω. Bij lage frequenties wordt de vervorming veroorzaakt door het niet geheel wegfilteren van de wisselspanning na de LM1496. Bij hoge frequenties is de FET de oorzaak van de vervorming. De opgegeven stabilisatietijd is de tijd die het systeem nodig heeft om na een verstoring binnen ±2,5 % van de eindwaarde te komen. De gemeten amplitudeafwijkingen zijn kleiner dan ±2,5 %. Het frequentieverloop is kleiner dan 100 p.p.m. in 30 seconden meettijd. De signaal-ruisverhouding is minimaal 60 dB waarbij de ruis over een bandbreedte van 1 MHz is gemeten. Brom is maximaal 0,6 % van het uitgangssignaal. De uitgangsimpedantie is nauwkeurig op ±2,5 %. De onnauwkeurigheid in de stappenverzwakker bedraagt maximaal ±0,2 dB. Tenslotte moet nog worden vermeld dat de oscillator wel kortsluitend is, doch niet alle specificaties zijn geldig bij kortsluiting van het uitgangssignaal. De kosten van het gehele ontwerp, exclusief frontplaat en kast liggen rond de 250 gulden.
| f | Vervorming in % | Stabilisatietijd in s |
|---|---|---|
| 1 Hz | 1,8 | ≤ 10 |
| 10 Hz | 1,3 | ≤ 7 |
| 100 Hz | 0,7 | ≤ 0,5 |
| 1 kHz | 0,2 | ≤ 0,5 |
| 10 kHz | 0,1 | ≤ 0,5 |
| 100 kHz | 0,1 | ≤ 0,5 |
| 1 MHz | 0,3 | ≤ 0,5 |
Literatuur
- J. Verstraten "De toonfiets der jaren tachtig". RB nr. 2 t.e.m. nr. 5, 1980.
- "Postacademische cursusboek PLL". TH Delft, afdeling Elektrotechniek, 1985.
- E.H. Nordholt "Handleiding bij de blokcursus voortgezette electronics". TH Delft, afdeling Elektrotechniek, 1980.
- R.C. Dorf "Modern Control Systems", 1980.
- L. Boullart, "Een semi-professionele lf-generator". RB nr. 10, 1982.
- E.H. Nordholt "The Design of High Performance Negative Feedback Amplifiers". Elsevier (Amsterdam), 1983.
Onderdelenlijst
| Weerstanden | |
| R1, R3, R10, R27, R31, R37 | 1,5 kΩ |
| R2, R4 | 22 kΩ |
| R5, R38 | 820 Ω |
| R6 | 3,9 kΩ |
| R7, R18, R24, R25 | 470 Ω |
| R8 | 390 Ω |
| R9, R34 | 3,9 kΩ |
| R11 | 220 Ω |
| R12 | 270 Ω |
| R13, R14, R20, R21, R22, R23 | 10 kΩ |
| R15, R16 | 100 Ω |
| R17 | 12 kΩ |
| R19, R32 | 1,2 kΩ |
| R26, R33, R36, R37, R41, R46 | 1 kΩ |
| R28 | 2,7 MΩ |
| R29 | 56 kΩ |
| R30 | 12 kΩ |
| R35 | 100 kΩ |
| R39, R42 | 1kΩ, 1/2W |
| R40 | 22 Ω, 5 W |
| R43 | 2,2 kΩ |
| R44, R45 | 100 Ω |
| R47, R48, R49, R50, R51, R52 | 200 Ω, 1% |
| R53 | 174 Ω, 1% |
| R54 | 36,5 Ω,1% |
| R55, R57, R58, R60, R61, R63, R64, R66 | 52,3 Ω, 1% |
| R56, R59, R62, R65 | 69,8 Ω, 1% |
| R67 | 1000 Ω, 1% |
| Alle R's 1/4 W, tenzij anders vermeld | |
| Potmeters | |
| P1 | 50 kΩ, log., stereopotmeter |
| P2 | 2 kΩ, meerslagen instelpotmeter |
| P3 | 1 kΩ, lin., monopotmeter |
| P4, P5 | 1 kΩ, meerslagen instelpotmeter |
| Condensatoren | |
| C1, C8 | 6,8µF, MKH |
| C2, C10, C23, C27 | 2,2 µF, MKH |
| C3, C4, C11, C12 | 1,0 µF, MKH |
| C5, C13, C17, C18, C19, C24, C25, C26, C28, C31, C34, C37, C39, C41, C44, C47 | 100 nF, MKH |
| C6, C14 | 10 nF, MKH |
| C7, C15 | 1 nF, MKH |
| C8 | 68 pF (zie tekst) |
| C6 | 100 pF |
| C20 | 10 pF |
| C21 | 100 µF, 10 V, elco |
| C22 | 27 µF, MKH |
| C29 | 20 pF |
| C30, C32, C33, C35, C46, C48 | 3,3 µF, 35 V, tan. |
| C36 | 6,8 pF |
| C38 | 15 pF |
| C40, C43 | 10 µF, 35 V, tantaal |
| C42, C45 | 2200 µF, 63 V, elco |
| Halfgeleiders | |
| D1, D4, D5, D11 | 4,7 V, 1/4 W |
| D2, D3, D7, D10 | 5,6 V, 1/4 W |
| D6 | 9,1 V, 1/4 W |
| D8, D9, D12, D13 | 1N4148 |
| D14, D15, D16, D17 | B40C1500/1000, rond of vierkant |
| T1, T2, T8 | 2N3819 |
| T3, T4, T9, T10, T11, T13, T14, T19 | 2N3906 |
| T5, T6, T12, T17, T18 | 2N3904 |
| T7 | BC550C |
| T16 | BD140 |
| T20 | BD139 |
| IC1 | LM1496 |
| IC2 | LF356 |
| IC3 | CA3100 |
| IC4 | 78L15 |
| IC5 | 79L15 |
| IC6 | 7818 |
| IC7 | 7915 |
| IC8 | 74LS13 |
| IC9 | 74LS109 |
| IC10 | 78L05 |
| Diversen | |
| S1 | 6 standen, 2 moedercontacten (printuitvoering) |
| S2 | 12 standen, 1 moedercontact (blokkeren op 6 standen) |
| 2 zekeringhouders | |
| 2 zekeringen 1A, traag | |
| BNC-bus, gewoon | |
| BNC-bus, geïsoleerd | |
| Trafo, 2 x 18 V, 2x 1 A | |
P. T. M. van Zeyl, L. F. P. Warmerdam.