Далее будет описание процесса создания генератора ВЧ/НЧ для домашней лаборатории с правкой по мере его развития.
Изначально была взята схема из книжки "Осциллограф Ваш помощник" (рис. 1). Схема привлекла своей простотой, поэтому было решено сваять её побыстренькому. Будучи запаяной в монтажку обнаружилась одна проблема: настроить генератор в соответствии с книжкой не получилось. Причина состояла в том что: у генератора не было АРУ, генератор был собран на базе моста Вина, использовал сдвоенный переменный резистор (очевидно) неидеальный. Я было попробовал прикупить на рынке с десяток таких переменников, и мультиметром отобрать те, которые имели наиболее близкие характеристики. Увы, затея не увенчалась успехом. Даже если подобрать такой переменник, у которого обе подковки имеют практически идентичное сопротивление, неравномерность вылезет где-нибудь в середине. Короче, на практике проблема выливалась в тот факт, что в пределах диапазона выходная синусоида изменялась почти от прямоугольника (шутка) до полного срыва генерации. Проще говоря, мост Вина вместо обещанного коэффициента передачи в 1/3 имел коэффициент, изменяющийся в достаточно широких пределах.
Рис. 1
Схема в вектореВторая попытка происходила так: была взята схема, предложенная в ХиХ. На самом деле, схема состояла из трех частей: собственно, моста Вина с АРУ, выходного усилителя, схемы питания от однополярного источника питания.
Выходной усилитель
Однополярное питание
Мостовой генератор Вина
Рис. 2
Схема в вектореВ результате была получена плата, которую можно увидеть на фото:
Правда, в данном случае идеала тоже не получилось. Минусы:
С целью улучшить работу АРУ в ЧипДипе были найдены лампочки на самый маленький ток (20мА). Вольт-Амперная Характеристика (ВАХ) лампы СМН-6,3-20-2:
Рис. 3
Простейшая схема АРУ собранная на базе этой лампы привела вот к таким результатам:
Здесь по вертикальной оси отложено выходное напряжение, а по горизонтальной - входное. В результате получилась какая-то прямая. Хотя должна быть кривая :(
Некоторые размышления над полученными цифрами привели к построению графиков, которые на картинке выше. Здесь приведена зависимость коэффициента усиления (по вертикали) от входного напряжения (по горизонтали). Кроме экспериментального коэффициента усиления (получены рассчетом из предыдущего графика) приведены также полностью рассчетные коэффициенты для инвертирующего и неинвертирующего включения ОУ (вычислено на основе графика ВАХ лампы). У меня возник только один вопрос: почему же в ХиХ приведена схема неинвертирующего усилителя, если инвертирующий дает гораздо лучшее "регулирование"? Загадка... (Может потому, что тогда пришлось бы городить мощный источник сигнала, ибо входное сопротивление было бы равным сопротивлению лампочки?)
Краткий итог: будучи собранной на макетке и после продолжительных танцев с бубнами генератор завелся. Не понятно, что ему мешало до этого (подозреваю, что банальная ошибка при сборке моста Вина). АРУ держит выходное напряжение около 2.4В, при этом изменяется оно примерно на 10%. В качестве лампы используется СМН-6.3-20-2, резистор ОС - переменный 1К, ОУ - uA741. Напряжение питания - 9В. Правда, запускается генератор долго - десятки секунд.
Так как тот же генератор, но собранный на базе лампы от автомагнитолы давал выходное напряжение, изменяющееся в бОльших пределах, я решил измерить также и её ВАХ:
Для сравнения, второй (розовой, нижней) линией на графике нарисована ВАХ СМН-6.3-20-2 (ток умножен на 4, дабы графики оказались рядом). Интересно, что точка перегиба графиков находится в одном месте. Почему стабильность стала лучше - не понятно. Возможно потому, что в изначальной версии было 4 лампы, включенные последовательно (правда, их было взято четыре потому, что с ними получился наилучший результат).
При попытке отградуировать полученное устройство возникла небольшая проблема. Первая половина шкалы приходилась на низкочастотную область, частота менялась от 500 до 700Гц. А на второй части шкалы частота резко прыгала с 700 до 2500Гц, причём, рассмотреть на полученной шкале, например, 1кГц было нереально.
Заинтересовавшись таким поведением железки я померил переменный резистор. Он оказался линейным (А).
|
| А - линейная, Б - логарифмическая, В - обратнологарифмическая |
Для того, чтобы не паять три разных резистора, и не градуировать генератор три раза подряд было решено написать программу, которая моделировала бы его. Программа нарисовала две картинки. Первая, для линейного резистора:
Как уже говорилось, большая часть шкалы соответствует низкочастотной части диапазона.
А вот вариант градуировки для резистора с характеристикой В (на рынке такие резисторы почему-то называются логарифмическими):
Лично мне, такой вариант нравится больше, так как является более "равномерным".
Правда, на рынке нашелся только правильный резистор в 10К, поэтому шкалу пришлось перерисовать... Чтобы добиться нормального шага я взял дополнительный резистор в 1.5К, и конденсатор на 0.047мкф. Шкала:
А вот такая она получилась в реальной жизни:
Третья попытка реализовать ГНЧ, на этот раз вот по такой схеме:
Рис. 4
Схема в вектореСобственно, отличий от предыдущего варианта немного. Другая лампа в ОС, другой переменный резистор, немного другие параметры моста Вина.
В процессе экспериментов я опробовал несколько разных схем. Первой была схема их ХиХ, правда, на основе ОУ uA741:
Увы, у этого ОУ не хватило скорости, чтобы за счет ОС скомпенсировать наличие ступеньки на выходе (желтая линия - выход ОУ, фиолетовая - выход пушпульного каскада, на выходе ОУ видна ступенька с уклоном под 45 градусов).
Потом я взял LM318, прям как в ХиХ.
Получилось гораздо лучше, но! На генераторе стали появлятся странные высокочастотные помехи (что было хорошо заметно при старте).
В результате я оставил uA741, а ступеньку скомпенсировал парой диодов между базами транзисторов. Получился замечательный синус:
Ток покоя выходных транзисторов получился в 5мА. (Если один из диодов заменить на переменный резистор и начать его крутить, то можно обнаружить, что уже при токе в 0.2мА ступенька исчезает... однако на плате диод занимает места меньше чем переменный резистор :))
Вот такое оно наверное будет:
Вот такое оно в итоге получилось:
Схема была взята всё из той же книжки "Осциллограф Ваш помощник". Единственное, что я сделал, это добавил туда усилитель и эммитерный повторитель, дабы нагрузка не влияла на генератор. Также пришлось подобрать значения резисторов, т.к. у транзисторов КТ3102А несколько больший h21Э.
Собственно, внешний вид железки... Ещё до попытки отградуировать, и до того, как я отломал ручку переменного резистора.
 |
 |
 |
 |
После отладки железной части и градуировки получилась вот такая морда:
Собственно, при наличии цифрового осциллографа с функцией измерения всяких параметров градуировать не сложно. Пожалуй единственная проблема была с шкалой модуляции: чтобы поставить риску в нужном месте нужно долго елозить ручкой, снимать с экрана два значения напряжения, а потом уже вычислять значение модуляции. Учитывая, что хочется ставить риски так, чтобы они были красивыми (10%, 20%...), елозить приходится долго. Дабы упростить себе жизнь, я преобразовал формулу m=(a-b)/(a+b), и у меня получилось a/b=(1-m)/(1+m). Учитывая, что напряжение a - фиксированное, мне осталось только подставить понравившееся значение m и найти по нему значение b. После чего я крутил ручку, находил нужное напряжение и ставил риску :)
А вот более приличная картинка, полученная путем обведения в рисовалке исходной фотки:
Вектор (для программы Inkscape)
Вариант 2:
Собственно, напоследок я прикрутил крышку и разъем питания, спаял кабель и получил конечный результат :)
Кабель:
Пожалуй, наибольшее количество проблем возникло с механической частью генератора. Готовый корпус удалось найти в Чип&Дипе. Для крепления переменных резисторов подошел огрызок стеклотекстолита. А вот с переменным конденсатором возникла проблема. Дело в том, что у него очень короткая ручка, длиной около 5мм и диаметром около 6мм. Причем, на ручке есть небольшой запил, видимо для более простого крепления. С торца нарезана резьба. Выглядит оно примерно так:
Я так и не смог найти в продаже приличной ручки для КПЕ, пришлось изворачиваться самому. Я пробовал отрывать ручку от переменного резистора, нарезать в ней резьбу и вкручивать в торец. Получалось ненадежно. Пробовал склеивать из оргстекла переходник. Получалось неровно. Остановился я вот на таком варианте:
Трубка подобрана так, чтобы её внутренний диаметр относительно точно соответствовал диаметру ручки КПЕ. Трубку я прикупил в Леруа-Мерлен. Далее я отрезал нужный кусок ножовкой, после чего зажал в электродрель (токарного станка нема) и доработал напильником (натурально!) до приличного внешнего вида. Черная пластиковая фигня - это ручка от переменного резистора (был у меня в одном из китов резистор с длинной ручкой... а теперь с короткой ручкой). Что приятно, ручка переменного резистора очень плотно входит в трубку. Ну и для фиксации этого всего я нарезал резьбу М3 с одной стороны трубки (для фиксации собственно КПЕ) и просверлил отверстие с другой стороны (ручка переменного резистора просто фиксируется винтом). Ну и для крепления КПЕ к плате используется обычный уголок, купленный там же, и пропиленый в нужных местах. Вуаля!
(c) JustMoose, 2008.
