НЧ генератор для калибровки звуковой карты

Для калибровки звуковой карты в программе SpectraLAB (SpectraPLUS) по шкале dBVrms (или dBu) требуется генератор звуковой частоты со среднеквадратичным значением выходного напряжения 1 В (или 0,775 В для калибровке по шкале dBu). Дело не сложное, когда под рукой есть Г3-118 или что-то подобное. А если его нет и взять негде? Нельзя ли для любительских целей самому собрать что-то несложное? Допустим, с точностью до 10-15%?

А давайте попробуем…

Итак, допустим, стоит задача получить переменное напряжение частотой около 1 кГц и уровнем 1 В среднеквадратичного (эффективного) значения. Для того чтобы этот уровень контролировать, можно применить какой-то узел сравнения с образцовым напряжением и пусть выходной сигнал этого узла управляет коэффициентом усиления в задающем НЧ генераторе (рис.1).

Рис.1

В принципе, вроде, несложно… Можно переходить к конкретному исполнению абстрактных узлов и цепей.

Образцовое напряжение может быть постоянным, но должно быть максимально стабильным, так как от него во многом зависит точность поддержания уровня 1 В. Самый простой выход – выбрать что-нибудь из микросхем-стабилизаторов напряжения. Можно, конечно, взять серию 78Lхх, но лучше обратить внимание на программируемые регуляторы TL431 с заявленной в даташите точностью поддержания напряжения 1% для экземпляров с маркировкой «А» и 0,5% для маркировки «С». Там же, в даташите, указано, что выходное напряжение может быть установлено на любое значение между Vref (приблизительно 2,5 В) и 40 В с двумя внешними резисторами.

Если нужно контролировать 1 В среднеквадратичного значения, то это означает, что амплитудные значения полуволн сигнала будут достигать уровней 1,41421 В (округлим до 1,41 В). Т.е., если взять выходное напряжение TL431 равное 2,495 В и «поделить» резисторным делителем до значения 1,41 В, то его можно использовать как «образцовое» для одного из входов компаратора. На второй вход, соответственно, следует подать переменное напряжение с генератора и тогда по состоянию выходного уровня компаратора можно узнать уровень НЧ сигнала – пока амплитуды полуволн меньше значения 1,41 В, на выходе компаратора будет постоянный уровень напряжения (допустим, «низкий» по терминологии цифровой логики). А как только амплитуды полуволн превысят 1,41 В – на выходе компаратора появятся импульсы («высокий» уровень). И длительность этих импульсов будет зависеть от того, насколько амплитуды полуволн превышают образцовое напряжение, что очень хорошо, так как после интеграции этих импульсов простой RC цепочкой получаем постоянное напряжение, уровень которого зависит от уровня переменного.

Теперь нужно разобраться с возможностью регулировки уровня выходного напряжения генератора.

А на этот случай есть достаточно интересная версия схемы НЧ-генератора с мостом Вина, собираемая на операционном усилителе и с полевым транзистором в цепи отрицательной обратной связи, выполняющим роль регулируемого резистора. Сопротивление перехода «исток-сток» этого транзистора зависит от уровня напряжения, подаваемого на затвор. Оригинальная схема (рис.2) выдаёт стабильное переменное напряжение, контролируя его выпрямителем, но так как нам нужно не просто получить стабильный уровень, а нужно, чтобы он был «привязан» к образцовому уровню 1,41 В, то схема должна получиться примерно такой, как показано на рисунке 3.

Рис.2

Рис.3

При быстрой проверке работоспособности «принципа сравнения» (рис.4) использовалось однополярное питание и схема приобрела несколько другой вид (рис.5).

Рис.4

Рис.5

Введение искусственной средней точки сдвинуло контролируемый уровень на половину напряжения питания, что потребовало соответствующего смещения и образцового напряжения, поэтому применено два программируемых регулятора TL431 – VR1 и VR2. Контролируются амплитуды отрицательных полуволн.

Указанные в схеме значения постоянных напряжений были измерены стареньким мультиметром ВР-11А и, конечно, несут в себе некоторую погрешность, но так как всё измерялось на одном рабочем диапазоне мультиметра, то погрешность одинакова. И, в основном, нас интересует только разница между прямым и инверсным входами компаратора, собранного на ОР1.2, а она составляет требуемые 1,41 В.

Питание всей схемы осуществляется стабилизатором VR3. Резисторы R1 и R2 вместе с конденсаторами С1 и С2 создают искусственную среднюю точку, примерно равную половине напряжения питания. На ОР1 и элементах R3C3R6C7, стоящих в цепи положительной обратной связи собран сам генератор НЧ с частотой возбужения около 960 Гц. Из-за применения искусственной средней точки, в цепи отрицательной обратной связи, состоящей из VT1 и R4R5R7R8 установлен конденсатор С5. Так как при однополярном питании работа компаратора сравнения, собранного на ОР2, подразумевает только положительное значение выходного напряжения, то для регулировки коэффициентом усиления генератора НЧ был выбран полевой транзистор с каналом р-типа – при увеличении потенциала на затворе он закрывается и этим увеличивает сопротивление цепи, состоящей из VT1R4R5, что уменьшает уровень выходного НЧ сигнала.

Сигнал с выхода генератора был подан на вход звуковой карты компьютера (рис.6). Карта проверялась давно, но показала, что уровень поданного сигнала достаточно близок к 1 В. Вид «хвоста» гармоник, конечно, оставляет желать лучшего, но это не особо критично, так как генератор собирался не для проверки чистоты спектра. Большой уровень 50-тигерцовой помехи и её производных – это наводки на элементы схемы и подходящие проводники.

Рис.6

По мотивам проверенной схемы была нарисована новая – под монтаж SMD-элементами и, опять же, она получилась с небольшими переделками (рис.7). Основное отличие – замена двух операционных усилителей на один и замена интегрального стабилизатора питающего напряжения 78L12 на 4 штуки TL431A (VR1…VR4) для возможности использования схемы с внешним блоком питания, имеющим на выходе +12 В.

Рис.7

Печатная плата получилась размерами 42х22,3 мм (рис.8) (файл разводки платы в формате программы Sprint-Layout находится в приложение, рисунок при ЛУТ надо «зеркалить»). Частота генерации около 1020 Гц, выходное напряжение и искажения в сигнале несколько больше, чем в первой схеме (рис.9), но думается, что для любительских целей это не очень критично (0,3 dB – это 35 мВ – 3,5% от 1 В).

Рис.8

Рис.9

Пробная замена операционного усилителя TL072 на другой экземпляр привела к тому, что уровень выходного сигнала сильно уменьшился – оказалось, что постоянное напряжение на выходе элемента ОР1.1 понизилось до +4,6 В и, естественно, амплитуды стабилизировались на другом уровне. Пересчитывать делитель для получения другого образцового напряжения не стал, а просто заменил этот TL072 на SM4558 и выходной сигнал опять стал «нужного» уровня и с частотой 997 Гц (рис.10).

Рис.10

Оценивая схему, можно сказать, что она достаточно критична к применяемым элементам и избежать лишней погрешности можно, применяя активные компоненты с более стабильными характеристиками. Думается, что можно и улучшить точность, поставив в схему операционный усилитель с меньшим значением напряжения смещения на входе (например, LM833) и заменив TL431A на экземпляры с буквой «С» (или на TL1431AC с минимальным выходным 2,5 В).

Кстати, по выходному напряжению программируемых регуляторов можно проверить правильность показаний вольтметра при измерении постоянного напряжения. На рисунке 11 видны показания мультиметра ВР-11А при проверке микросхемы 1431С, имеющейся, к сожалению, в единственном экземпляре.

Рис.11

При расчёте значений сопротивлений резисторного делителя использовалась программа RFSim99 и мелкая таблица децибел (в приложении).

Номинальные значения большинства пассивных элементов можно менять – например, в схеме на рисунке 7 конденсаторы C1, C4, C5, C8 и C10 можно взять электролитические на 10 мкФ, а резисторы R4, R5, R6, R8 все на 75 кОм. Применение же указанных в схеме номиналов обосновано их наличием (т.е., резистор на 100 Ом нашёлся только один, а было бы два – поставил бы второй на место R1).

Впрочем, и сама схема не является единственно правильной и верной – при желании можно многое поменять (вплоть до принципа :-)). Или, к примеру, если уже имеется какой-либо генератор низкой частоты, то схему сравнения можно просто ввести в него.

Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим, март 2019

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}