Генератор для проверки линий связи на LM358 и мосте Вина
Скажу прямо генератор понадобился для моей профессиональной деятельности. Не всегда удобно возить с собой громоздкие приборы, искать ближайшие розетки. Цель была сделать компактный генератор от аккумулятора с напряжением питания от 3,2 до 4 вольт, с частотой генерации 800 Гц, с согласованием по линии 600 Ом и настраиваемой амплитудой на выходе. Такой прибор всегда удобно иметь под рукой, также как тестер или другой подобный прибор.
Генератор, как следует из названия статьи, основан на операционном усилителе LM358 с частотно-задающей частью, выполненной на емкостно-резистивном полосовом фильтре, так называемом мосте Вина. В теории при перестройке параметров моста Вина прибор может генерировать синусоидальное напряжение в широком диапазоне частот с малыми отличиями от идеального.
Дайте разберем что к чему, глядя на схему.
Мост Вина по схеме состоит из резисторов R2, R4 и конденсаторов C1, C3. Частота генератора обычно вычисляется из следующих соображений R2=R4 =R, C1=C3=C.
т.е. частота f = 1/2πRC
Исходя из таких расчетов можно подобрать номиналы элементов схемы для требуемой частоты, по крайней мере предварительно.
В моем случае частота должна быть близкой к 800Гц. Из доступных мне компонентов емкость конденсаторов C1 и C3 установил 22нФ, а вот с резисторами R2 и R4 пришлось поэкспериментировать. Два по 10 кОм давали слишком низкую частоту, а два по 9,1 кОм слишком высокую. Установка R2 в 9,1 кОм, а R4 – 10 кОм дали частоту 830Гц, что вполне приемлемо.
Немного теории. На требуемой нам частоте фазовый сдвиг выходной сигнал моста Вина относительно входного равен нулю. Происходит так называемый квазирезонанс. На других же частотах сдвиг отличен от нуля.
С помощью моста Вина сигнал с выхода операционного усилителя подается на его неинвертирующий вход. При этом происходит ослабление сигнала в три раза. Поэтому для возбуждения генератора коэффициент усиления К операционного усилителя должно быть не менее 3.
Этот коэффициент усиления в моем случае определяется резисторами R5 и R6, а точнее следующим соотношением К=1+R5/R6.
Практические эксперименты показали, что при фиксированном R6 = 100 кОм, генерация начинается при R5 = 207 кОм. Увеличивая R5 до 253 кОм, увеличивается коэффициент усиления и происходит рост амплитуды. При больших значения R5 вершина синусоиды начинает плавно превращаться в трапецию, синусоида искажается. Таким образом значение R5, не приводящее к искажению синусоиды, может быть в диапазоне от 207 до 253 кОм. (Максимальные значения могут зависеть от типов применяемых диодов). Я установил два резистора на 200 и 39 кОм. Амплитудное значение на выходе генератора составило 0,25 вольт, среднеквадратичное ~ 0,17 вольт.
Для поддержания стабильной амплитуды в схеме присутствуют два встречно включенных диода, в моем случае КД522. (здесь не особо критично какие, но германиевые и Шоттки, думаю, лучше не брать). Как только амплитуда сигнала превысит определенное значение диоды начнут открываться, коэффициент усиления начнет уменьшаться, и амплитуда колебаний стабилизируется около определенного значения.
Резисторы R1 и R3 в теории должны быть одинаковыми и должны устанавливать среднюю точку по напряжению, половину напряжения между общей шиной и шиной питания. Но так как напряжение питания и так низкое (напомню, что цель была запитать схему от обычного литий-ионного аккумулятора), то среднюю точку пришлось немного опустить. Методом подстройки выявил оптимальное соотношение между резисторами
R1/R3=4/3
В результате R1 – 20 кОм, R2 – 15 кОм.
Вторую половину микросхемы LM358 использовал для усиления сигнала с возможностью подстройки коэффициента усиления, т.е. регулировки амплитуды. Стоит сказать несколько слов о выходном напряжении. Для проверки линий с выхода генератора обычно подается -13 dB, что соответствует среднеквадратичному напряжению 0,17 вольт при подключенной нагрузке в 600 Ом. Именно такое значение потребуется предварительно отрегулировать.
Конденсаторы С2, С4, С5 выполняют роль фильтров для лучшей помехоустойчивости. Причем конденсатор С4 пришлось установить для борьбы с небольшой ступенькой в месте перехода через ноль синусоиды. Ступенька появилась после прохождения усилительного каскада. Ее природу так окончательно установить не удалось. Но удалось существенно сгладить.
Резистор R9 нужен для согласования с нагрузкой 600 Ом. Ближайший по номиналу 620 Ом.
Следует также обратить внимание на температурную зависимость элементов. Особенно это касается моста Вина. Чтобы частота не плавала в зависимости от температуры обратите внимание на ТКЕ (температурный коэффициент емкости) конденсаторов. Распространённые керамические точно не стоит ставить. Честно говоря, температурную зависимость такого генератора можно смело отнести к его недостаткам. Если частоту более или менее удается зафиксировать, то с амплитудой дела обстоят хуже. Если занести прибор с улицы придется подождать некоторое время пока он адаптируется. Так при температуре в 5 градусов по Цельсию среднеквадратичное напряжение подымается до 0,22 вольт. При повышении температуры значение выходного напряжения соответственно понижается. При необходимости регулировку всегда можно провести с помощью построечного резистора R8. Для контроля уровня выходного сигнала я использую карманный осциллограф, который тоже работает от аккумулятора.
Кстати, аккумулятор можно подключить через зарядный модуль от китайских товарищей. В таком случае у прибора появится microUSB порт и возможность заряжать аккумулятор практически от любой телефонной зарядки. Схема подключения аккумулятора проста. Кому нужно привожу ниже.
Все содержимое легко поместилось в корпус от старого роутера. Теперь генератор всегда под рукой.
