Analogni signal generator za audio primene

[gorso69]

Video sam Branko sinoć taj grafikon pa sam promenio kond.Zamenio sam sad I Ct stavio sam 1n (X7R nemam drugi) I Rt na 1M I sad je opseg od 300Hz do 21kHz a R6 je ostao 10k.

[Braca]

Tek sada nadjoh vremena da se pozabavim temom...

@Gosha:
Dobro si uočio, ona "Kurzschluss" veza s masom je greška. U šemi oscilatora koju sam ranije okačio sve je bilo u redu, a onda sam odlučio da je vizuelno malo poboljšam. KiCad je pohlepan (verovatno i drugi programi te vrste), pa kada žicu dovedeš u blizinu neke tačke, ona se automatski "zalemi".

@Branko:
Koncept s povratnom spregom je takodje moguć, ali ne u varijanti sa skice. Pri dinamičkom opsegu sistema od 80dB potreban je drukčiji pristup, što ću objasniti u daljem tekstu.

Razmišljao sam ranije o varijanti sa povratnom spregom zasnovanoj na integratoru greške, ali sam je odbacio zbog osobina integratora izvedenih sa klasičnim opampom.
Problem je dinamički opseg regulacije generatora trouglova: za pokrivanje četiri dekade frekvencije, on iznosi 80dB. Drugim rečima, ako je integrator podešen za amplitudu od 2,5V na 20Hz, njegov izlazni napon na 200kHz je 0,25mV. S druge strane, opamp integratori su u praksi upotrebljivi u manje od dve dekade frekvencije - tu im je linearni deo, a posle se prenosna funkcija deformiše. Da dodam još i to da linearni deo prenosne funkcije ne počinje na kolenu: ako je potreban integrator od, recimo, 20 do 200Hz, koleno mora da leži niže od 10Hz.

Ovo gore znači da je za pokrivanje četiri dekade potrebno preklapanje unutar integratora, a to nisam hteo da radim. Doduše, to su bila razmišljanja pre nego što sam se uopznao sa mogućnostima OTA, koji preklapanje frekventnog opsega svode na regulaciu predstruje (bias), što bitno olakšava stvari.

Drugi deo problema je karakter signala greške. U konkretnom slučaju, nije potrebno porediti četvrtku i trougao jer je koncept da generatori četvrtke i trougla imaju istu amplitudu od 2,5V, pa je dovoljno porediti amplitudu trougla sa konstantnim naponom od 2,5V. Taj signal je pri jednostranom ispravljanju unipolarno trouglast i bez žestokog filtriranja neupotrebljiv za regulaciju. Prema tome, rešenje sa ispravljačem, odn. diodama ne ide, pa makar se koristila i neka od verzija "precision rectifier"-a. Ne pomažu ni integrisani "RMS to DC" konvertori jer i oni traže preklapanje, a o ceni da ne pričamo.

Izlaz je detektor vršne vrednosti - ima raznih, a najjednostavnija varijanta je implementirana u aktuelnoj šemi.

Dakle, neophodan je regulator koji će u opsegu od četiri dekade omogućiti varijaciju predstruje OTA od 80dB, što u slučaju LM13700 znači izmedju 1,5uA i 1,5mA. Regulacija bi morala da deluje na integrator, a ne na ulazni stepen.

Verzija sa povratnom spregom bi po broju aktivnih komponenata sigurno bila jednostavnija od "feedforward" varijante koju sam predstavio, ali bi morala da se napravi i testira. Obzirom na potreban dinamički opseg, nisam siguran da li bi prošlo bez preklapanja, uz ogradu da ovo pišem bez ikakvih prethodnih proračuna.

Передумать надо

Pozdrav

[branko tod]

Braco, već sam razmislio - Я думал. Umetnička sloboda postoji i u crtanju šema, tako da sam
mislio da se podrazumeva da ostane onaj tvoj deo sa preklapanjem otpora. Što se tiče da se
umesto poređenja četvrtki iskoristi neki referentni napon, može ali sam namerno ucrtao četvrtke
da bi bilo jasnio međusobno praćenje amplituda.
A što se filtera tiče nisi u pravu, jer je dovoljna samo jedna dioda.Onaj integrator će sa svoih 1 ili 2
sekunda ubiti sve varijacije u amplitudi i postojaće samo srednja vrednost u obliku ravne linije.

Verovatno da bi trebao da se doda i jedan pojačavač između prvog i drugog OTA, ali nisam se ni
ja upuštao u precizni razvoj cele šeme. Znači, onaj tvoj deo sa preklapanjem otpora za opsege
ostaje, a inegrator obračunava razliku negativne i pozitivne amplitude i održava tačnost.

[Braca]

Branko, biće na izlazu iz integratora prava linija, ali ne ona koja mi daje korektnu informaciju za dobijanje predstruje koja definiše koleno OTA integratora. Razlog za to je što prenosna funkcija integratora pada sa 20dB/dec, tako da je srednja vrednost koju dobijam na njegovom izlazu zavisna od frekvencije.
U prilogu su rezultati simulacije na 2 i 20kHz sa približnom amplitudom greške od nekih 600mV, koja je dobijena propuštanjem trouglastog signala kroz ispravljač sa diodom i opampom. Koleno integratora greške je na 1,6Hz (10K/10uF).

Vidimo da je izlazni napon iz integratora greške (zelena linija) različit za te dve frekvencije i zato u ovom sklopu ne mogu da ga upotrebim. Pri konstantnoj amplitudi četvrtki na ulazu u neregulisan OTA integrator, greška amplitude na njegovom izlazu će varirati od nekih 1mV na 20Hz do 2,5V na 200kHz, dakle sa 20dB/dec. Ako taj napon uvedem u linearan generator konstantne struje, dobijam na njegovom izlazu struju koja se menja po istom zakonu i koja, dovedena na kontrolni pin OTA, kompenzira grešku.
Zato mi je potreban detektor vršne vrednosti, a ne RMS.

Pozdrav

[vojinilic]

Braco,

na semi nije problem sa masom. U1A je postavljen u ogledalu. treba ga flipovati ili kako se to vec zove u tvom software-u za crtanje. Pogledaj i ulaze u amp.

Pozdrav

[Braca]

Braco,
na semi nije problem sa masom. U1A je postavljen u ogledalu. treba ga flipovati ili kako se to vec zove u tvom software-u za crtanje. Pogledaj i ulaze u amp.
Pozdrav

U pravu si, polaritet napajanja na OPA2134 nije korektan, a U1A je preslikan oko horizontalne ose. Do greške je došlo kada sam umesto 2xOPA134 prešao na OPA2134i pri tom zaboravio da korigujem orijentaciju opampa.
Tada je došlo do greške i sa masom.

Hvala na pažnji!

[Braca]

Evo još jedne verzije generatora trouglova...

Kao i u prethodnoj verziji, zasniva se na integratoru sa LM13700, ali je sada upravljanje integratorom u cilju održavanja konstantnog napona pri promeni frekvencije znatno uprošćeno.
U slučaju LM13700, struja za postavljanje strmine OTA (gm) mora da varira od nekih 1,9mA na najvišoj frekvenciji do 0,19uA na početku najniže dekade. Može to da se napravi, ali ako nema preklapanja kondenzatora u integratoru, trouglovi na početku i kraju frekventnog opsega generatora nisu perfektni.
Upravljanje integratorom je u otvorenom kolu jer je frekventna karakteristika bez devijacija u celom frekv. opsegu - imamo stabilan pad pojačanja od 20dB/dec, pa nema potrebe za povratnom spregom. Ako pogledamo šemu (prvi prilog), U4 (LM331) je linearni pretvarač frekvencije u napon, koji se onda dovodi naponski upravljanom generatoru konstantne struje. Ovaj poslednji se satoji od pojačavača, odn. atenuatora U5 i tranzistora BC557, u čijem kolektoru se nalazi upravljački ulaz integratora (U6A, pin 16). Integrator daje na izlazu trouglove od 2,5Vpp, koje U6C zatim pojačava za 6dB, tj. na 5Vpp. Ovakvo rešenje je usvojeno da bi se poboljšala linearnost trouglova jer OTA imaju manja izobličenja pri nižim ulaznim naponima.
Da rezimiramo: na najnižoj frekvenciji oscilatora imamo najniži napon na izlazu iz pretvarača frekvencije u napon, najnižu struju na kolektoru Q1 i koleno frekv. karakteristike inegratora na najnižoj frekvenciji. Povećavanjem frekvencije oscilatora raste napon na izlazu iz U4, raste predstruja na pinu 16  i koleno frekv. karakteristike se kontinualno pomera udesno (ka višim frekvencijama), tako da napon trouglova ostaje konstantan. Na taj način su elimisana preklapanja i regulacija pojačanja kombinacijom LED/fotootpornik iz prethodnog rešenja.

Preostala tri priloga prikazuju rezultate na 20Hz, 20kHz i na samom kraju regulacionog opsega, koji trenutno iznosi nekih 56kHz (struja od 1,9mA, 2mA je već Max. Abs. Ratings). To je najbolje što sam postigao na prototipskoj pločici jer na najnižem naponu na bazi Q1 dolaze do izražaja smetnje iz okoline, pa su trouglovi na najnižoj frekvenciji ponekad nestabilni. Pretpostavljam da će na "zvaničnoj" pločici biti moguće doći do nekih 100kHz, mada se postavlja i pitanje dokle uopšte treba ići.
Napominjem da integrator daje trouglove i iznad trenutne granice od 56kHz, jedino što na toj tački prestaje da radi ALC (autom. kontrola nivoa), pa amplituda trouglova opada s frekvencijom.

Pošto trenutno nemam ni jedan LM331, prikazani rezultati su dobijeni dovodjenjem napona iz lab. ispravljača na ulaz U5. Obzirom da LM331 poseduje linearnost konverzije frekvencije u napon bolju od 0,1%, nema nikakve sumnje da će to kolo funkcionisati kako treba.

Šema generatora nije još kompletna - nedostaje ograničenje napona na ulazu u gen. konstantne struje kako predstruja na pinu 16 integratora ne bi prešla 1,9mA, a takodje i još neke sitnice. Namera mi je da se zainteresovani što pre upoznaju sa novom varijantom generatora trouglova.

Pozdrav

  SigGen_AllGenerators_V2.pdf (Size: 144,2 KB / Downloads: 27)

[Braca]

Samo pola sata pošto sam završio gornji tekst palo mi je na pamet da se rešenje sa naponski upravljanim strujnim izvorom može primeniti na još jednostavniji sklop za generisanje trouglova, ali sam tek danas dobio vremena da ga napravim i izmerim.
Radi se o šemi iz DS-a za LM13700, str. 19, Fig. 33 (v. prvi prilog dole), koja prikazuje naponski upravljan generator četvrtki i trouglova (VCO). Medjutim, tu se zapravo radi o oscilatoru upravljanom strujom jer se promenom otpora od 30K na levom OTA pri konstantnom naponu Vc menja njegova predstruja (bias), odn. gm, odn. frekvencija oscilovanja. U DS se navodi frekv. opseg od 2Hz do 200kHz, što se idealno poklapa s našim sinusnim generatorom.
Jednostavnije teško da može biti - strujni izvor, jedan dvostruki IC, četiri otpornika i jedan kondenzator, i uz to još mogućnost da se eliminiše iz šeme generator četvrtki sa komparatorom i baferom.

Šema je odmah proradila, ali nisam bio zadovoljan merenjima. S preporučenim kondenzatorom od 200pF oscilator ide do preko 300kHz, ali oblik signala, pre svega četvrtki, nije bio dobar. Pored toga, na početku željenog frekv. opsega (20Hz) drastično se kvari simetrija signala po vremenu, tako da od simetrične četvrtke (50/50) nastaje signal sa 10% negativnog i 90% pozitivnog dela, što trougao takodje prati. Pored toga, četvrtka je na padnoj ivici stalno imala pregib na nekih 40% visine i smanjenu strminu u delu posle pregiba (v. drugi prilog, osciloskop povezan koaksijalnim kablom od 50R, DC ulaz).

Pošto sam se malo bolje upoznao sa LM13700, dobio sam rezultate kojima nisam stoprocentno zadovoljan, ali ih smatram prihvatljivim. Kao prvo, Darlington bafer je vrlo osetliv na kapacitet - četvrtka iz prethodnog oscilograma izgleda mnogo gore ako je osciloskop u AC modu. Signal na narednom oscilogramu snimljen je na izlazu iz OTA (pre Darlingtona) sondom 10x, minimalnim špicem i oprugom za kontakt mase, i sa padnom strminom od nekih 250ns (4 do 5 puta strmije nego s LM311) za mene je potpuno prihvatljiv kao neki krajnji rezultat ovog razvoja (tako izgleda u celom frekv. opsegu). U krajnjoj verziji za četvrtke će biti potreban poseban bafer s visokom ulaznom impedansom, priključen na izlaz iz OTA.
Povećanjem kapaciteta integracionog kondenzatora na oko 1200pF najviša ušestanost je ograničena na oko 140kHz, ali je zato bitno poboljšana simetrija signala na najnižim frekvencijama - na četvrtom prilogu je prikazana situacija na 20Hz, a na petom na 50Hz.
Izlazni nivo je konstantan u celom frekventnom opsegu generatora.

U pogledu koncepta celog instrumenta, sada imamo sledeću situaciju:

1. Postojeći generator četvrtki sa LM311 i baferom nije više potreban
   
2. Frekvencija svih signala se postavlja istim potenciometrom, nema dodatnih preklapanja u generatoru četvrtki i trouglova
   
3. Bez finog podešavanja izl. nivoa (potenciometar izmedju dva bafera), ceo generator bi se sastojao od dva dvostruka opampa (oscilator, bafer četvrtki i strujni generator), jednog LM13700, jednog LM331 i jednog BC557. Od preklopnika, jedan 3x4 za frekvenciju, jedan 2x3 za izbor vrste signala i jedan sa dva položaja za grubi atenuator. Kratak BOM, može se reći .
   

Da crtam definitivnu šemu?

Давай, говорите, я слушаю.
(Ovo gore je neka moja mala pobuna protiv dominacije engleskog u svakoj mogućoj prilici )

Pozdrav

[branko tod]

Braco, to li si izmenjo koncept ?

[emiSAr]

Читаю внимательно!
pOz

[Khadgar2007]

Bome kratak popis dijelova za ovako jedan vrlo dobar generator funkcija. Slobodno može šema i da se netko baci u crtanje PCBa.

[Braca]

Braco, to li si izmenjo koncept ?

Ne bih rekao - moj koncept je od početka bio da je sinusni signal osnova za generisanje ostala dva signala.
Tako je nastao generator četvrtki sa komparatorom, a integraljenjem četvrtki dobili bi se trouglovi. Ovo poslednje je evoluiralo od trouglova samo u jednoj fekventnoj dekadi, preko odvojenog generatora četvrtki i trouglova, pa preko dva koncepta integratora (sa i bez preklapanja opsega), do zasebnog generatora četvrtki i trouglova koji po frekvenciji prate glavni oscilator.
Jedino što se promenilo je da se sinusni signal koristi kao vodeći, a ne kao ulazni u generator preostala dva signala.

Pozdrav

[branko tod]

Braco, pa zar ti nije ovaj deo samostalan, ili ja grešim?

[Braca]

Braco, pa zar ti nije ovaj deo samostalan, ili ja grešim?

Da, on je samostalan u smislu da njegov izlazni signal nije direktno dobijen od sinusnog, već zavisi samo od struje koja mu se dovede na "bias" pin.
Medjutim, u varijanti koju predlažem ta struja je funkcija frekvencije sinusnog oscilatora jer se izlazni signal ovog poslednjeg preko LM331 pretvara u napon koji, odgovarajuće skaliran, upravlja generatorom konstantne struje. Na taj način se podešavanje frekvencije oba generatora vrši istim potenciometrom.
To se može interpetirati kao da je sinusni oscilator neka vrsta generatora takta (u obliku analognog napona) oscilatoru za četvrtke i trouglove (već osećam kako se digitalna generacija članova foruma smeška na pomen analognog takta ).

Pozdrav

[branko tod]

Lukavo i invetivno rešenje, Braco.
A što se digitalnih ljudi tiče, čekamo i njihovo rešenje.

Napomena
Biće malo podešavanja oko jurenja poklapanja frekvencija oscilatora.

[Braca]

U prilogu je prva verzija definitivne konfiguracije osnovnog dela generatora sva tri signala, tj. nedostaje još samo fina i gruba regulacija izlaznog nivoa, kao i izl. pojačavač. Koncept je prezentiran pre nedelju dana, a ovo je verzija ispitana na prototipskim pločicama (drugi prilog).

Brankov komentar da će biti posla oko sinhronizacije podešavanja frekvencije sinusa i "uglastih" signala se pokazao kao tačan, pri čemu je glavni razlog to što LM331 ne može da pokrije sve četiri dekade sa jednim ulaznim kondenzatorom, što nije pomenuto u DS. To znači da mora da bude preklapanja bar tog kondenzatora, a usput se ispostavilo da je potrebno i preklapanje prednapona na ulazu u gen. konstantne struje. Na svu sreću, izuzetak je samo najniža frekv. dekada, tako da je celokupno preklapanje realizovano samo jednim releom.

Ranije sam napisao da komparator za generisanje četvrtki iz prethodne verzije neće biti potreban, ali je ispalo drukčije. On ostaje, jer je njegov signal potreban za pogon displeja frekvencije kada je kao izlazni signal izabran sinus, i za taktovanje pretvarača frekv. u napon LM331 u slučaju ostala dva signala (LM331 neće da okida kada mu se dovede ispravljen sinusni signal, već zahteva četvrtke). Kada smo kod ovog poslednjeg, taj signal mu se dovodi preko C9 (tri više dekade), odn. preko paralelne veze C9 i C10 u prvoj dekadi, što se postiže kontaktima 5, 6 i 7 relea K2. Preostali kontakti tog relea preklapaju prednapon na ulaz u U4A, koji u prvoj dekadi iznosi 3,7V na klizaču RV6, odn. 4,3V na klizaču RV5 (tri više dekade).
Na trećem prilogu se može videti stepen poklapanja frekvencije sinusa i uglastih signala u sve četiri dekade. U idealnom slučaju, te linije bi se morale poklapati, mada to za praktičnu primenu generatora uopšte nije bitno. Cilj dizajna je da se istim dugmetom podešava frekvencija svih signala u celokupnom frekventnom opsegu, a pošto se na izlazu iz generatora uvek nalazi samo jedan signal, nije od značaja kolika je trenutna razlika izmedju sinusa i uglastih signala.
Na dijagramu vidimo da postoji prekrivanje opsega na počecima i krajevima dekada, što je poželjno jer je time zagarantovano odsustvo praznina, odn. odsustvo delova frekventnog opsega.

U vrhu šeme vidi se preklopnik označen sa "FreqCntr" (SW2/1), čiji je zadatak da izabrani signal vodi na brojač, odn. displej frekvencije. Mislim da taj brojač ne bi trebalo izostaviti, što je već ranije pominjano, a Khadgar2007 je okačio i kompletan projekat za njegovu samogradnju. Alternativa je kineski brojač za nekoliko dolara, koji sam već naručio.
Naravno, može se frekvencija očitavati i nekim spoljašnjim brojačem ili osciloskopom, ali tada generator, po mom mišljenju, ne predstavlja samostalan instrument.

Terminali SinOut, SqOut i TriOut biće povezani na selektor SW2/3 (nema ga još na šemi), koji će se nalaziti na ulazu u izlazni pojačavač, odn. kontinualni (fini) regulator izlaznog nivoa. Taj deo šeme sledi za para dana.
Neki moj grubi plan bi bio da se tada nacrta pločica, čiju bih prvu seriju onda naručio i napravio pravi prototip. Razlog za to je što sam na dosadašnjim pločicama došao do neke granice jer mi sinusni oscilator pri primeni bržih opampova (OPA627, LM4562) otkazuje na frekvencijama višim od oko 100kHz (dok je bio sam na pločici, radio je kako treba). Nije iznenadjenje ako se uzme u obzir da se radi o frekvencijama do 200kHz, mešanim siganlima, itd. Zato mi je bitno da dizajn proverim na pločici za koju mogu da budem siguran da će predstavljati pouzdanu podlogu za samogradnju.

Šema će doživeti još par manjih promena - usput sam video da bi paralelna veza jedne telefonske i jedni sijalice 327 u prvoj dekadi sinusnog oscilatora možda bila bolje rešenje nego dve telefonske paralelno. Pored toga, vidim sada da mi nedostaje i ograničenje napona na ulaz u gen. konst. struje (u cilju plafoniranja struje kroz Q1 na oko 1,8mA), ali to su sitnice.

Mislim da sada imamo dovoljno ispitan dizajn i da polako dolazi vreme da vidimo hoće li ovaj projekat ići u realizaciju.

Kao i obično, biću zahvalan za komentare i korekture eventualnih grešaka.

Pozdrav

  SigGen_AllGenerators_V3.pdf (Size: 154,52 KB / Downloads: 23)

[Khadgar2007]

Već sam možda rekao ali možda i nisam pa ću reći ponovo. Jeftini kineski brojač kojeg sam ja kupio i koji je zapravo kopija projekta kojeg sam okačio nema ulazno pojačalo tako da mu treba signal veće amplitude da uopće može očitati frekvenciju.

[Braca]

Pretpostavljam da će čevrtke s amplitudom od 2,5V biti dovoljne?

[Khadgar2007]

Mogu probati. Trebao bi napraviti neki atenuator da spustim kvadratni signal na 2,5V na svome generatoru funkcija pa spojiti na taj frekvencmetar. Da li misliš 2,5Vrms ili Vpp?

[Braca]

Kod četvrtastih signala je RMS jednak amplitudi, a sklop sa šeme daje Vpp od 5V.