超低失真振荡器将向 双二阶滤波器添加无失真反馈以产生纯正弦波

出处:维库电子市场网时间:2024-06-20

  让我们回到光电导光隔离器,我们在第 1 部分中用它来稳定维恩电桥电路。它的 LDR 或光敏电阻部分当然是线性的,但 LED 需要小心驱动,以防止任何明显的纹波馈通,因为纹波会调节反馈,从而增加失真。图 1显示了添加到基本双二阶模块的控制环路,它采用了一种巧妙的方法,可以在保持合理环路动态的同时限度地减少纹波。(该模块在第 1 部分的图 4 中完整显示。)

  图 1使用合适的控制回路进行反馈可以稳定振荡水平,而不会增加明显的失真。
  由于双二阶电路具有两个反相输出(HP 和 LP),因此我们可以轻松实现全波整流,但我们可以做得更好。BP 输出与这两个输出成 90° / 270°,因此我们还可以同时使用它及其逆输出来实现 4 相整流,将纹波削减至单相值的四分之一。该纹波也将是基频的四倍,因此我们比使用文氏电桥的效果好(大约)十六倍。
  在双二阶中,时间常数匹配时,所有三个输出在谐振时具有相同的信号电平,但任何偏移或不匹配都会引入 4× 分量的次谐波纹波(如果有意义的话)。二极管必须匹配良好,运算放大器需要具有较低的电压偏移,或至少低于任何二极管不匹配。需要在调谐电位器部分之间进行良好的跟踪;通常,与较高值一半并联一个额外的电阻器,使各部分均衡,即可获得足够的结果。
  R16、C3 和 C4 组成稳定运行所需的环路滤波器,而 R17 和 C5 提供 4× 分量的额外滤波。这些值是折衷的;环路有些欠阻尼,但在整个调谐范围内性能不错,并且稳定时间不到 500 毫秒。A5 将滤波后的电压转换为电流来驱动 LED,从而控制 LDR 的电阻。使用的光隔离器是 Silonex NSL-32SR3;由(回收的)NSL-19M51、透明白色 T-1 LED 和厚黑色热缩管制成的自制设备效果很好,尽管灵敏度只有一半左右。(我在试验压缩三波时使用了它,尽管终剪辑中不需要它。)R18(需要的调整)设置 LED 驱动,从而设置 AF 输出电平。
  反馈环路通过 R10、R11 和 LDR 的网络闭合。启动时,LDR 具有高电阻,但有足够的反馈来启动振荡,之后它逐渐短路 R11 以提供所需的信号电平。
  LDR 的响应时间相当缓慢。在我们的驱动级别下,这款 LDR 的电阻约为 1.7k,对亮光的响应时间约为 6 毫秒,对暗光的响应时间约为 30 毫秒(测量值为 63%)。这为我们提供了有用的额外纹波过滤,同时也影响了控制环路动态。

  所有关键运算放大器均显示为 LM4562,这是我目前喜欢的用于一般音频工作的放大器,因为它们在低噪音、失真和偏移数字方面达到了平衡,而且作为 DIP-8 易于获得。(但您说它们听起来像什么?不知道;甚至听不到它们中的八个,它们连接在唱头输入和混音器输出之间。)它们标称的 THD+N 为 0.00003% / -130 dB,这将为我们的性能设定极限:是时候看看一些结果了(图 2)。

  图 2经过单位增益缓冲后的低通输出的频谱。

  不是很令人印象深刻!但请记住第 1 部分的内容:如果输入动态范围 >~90+ dB,我不相信我的 FFT,因此请先尝试去除大部分基波。(96 dB ≈ 2 16? : 1,这是巧合吗?)将信号通过现在更深的陷波滤波器,如图 3所示:

  图 3去除大部分基波后的频谱,谐波显示得更加清晰。
  好多了!请注意,这些频谱涉及非常长的运行时间,对数万个样本的信号进行平均。这是为了避免丢失有效峰值或消除虚假峰值,以及让我们看到原本会被噪声淹没的内容。所有测试均使用 12 V 蓄电池供电(无电源嗡嗡声或其他干扰),使用运算放大器作为轨道分配器,并放置在接地的法拉第蛋糕盒中。
  我选择使用 20 dBV 的工作电平,这是失真和可用性之间的良好折衷。我的终设备具有额外的输出增益,由虚拟接地/伪对数电位器级(当然是 LM4562)提供。图 4显示了从该设备测得的缺口频谱,测量值为 +6 dBu(~+4 dBV,或 ~1.54 V RMS,或 ~4.4 V pk-pk),THD 接近 -120 dB 或 1 ppm,其中大部分是二次谐波(来源尚未确定)。

  我认为,就扭曲程度而言,我们已经做到了。

  图 4放大至 +6dBu 后的频谱(缺口)。请注意改变的比例。

  因为我使用了 A1-A4 的插座,这是一个已停用的单元的重建,所以尝试其他运算放大器很容易。图 5显示了 KA5532(以前在音频工作中备受推崇)、TL072/TL082(或 TL0 n 4 四重装)、LM358(在输出端附加了额外的 10k 电阻到 Vs-)以及备受推崇的 MC1458(本质上是双 741)的结果。每次运行都会调整频率和输出电平,以便进行适当的比较。LM358 让我感到惊讶;我不得不再检查一下。我一直不喜欢它们的声音,现在我知道为什么了。

  图5其他各种设备的失真频谱。
  所有这些工作都是在标称 1 kHz(实际上是 1003.4 Hz)下进行的。我无法代表其他频率,因为缺少合适的陷波滤波器,尽管它们的未陷波频谱在按频率缩放后看起来与 1 kHz 的频谱非常相似。如图所示,振荡器将在单个范围内从 <500 Hz 调谐到 >5 kHz,这使其成为一个非常有用的工具。对于其他范围,需要更改环路滤波器以保持足够的环路稳定性,同时保持良好的滤波效果。
  这些结果可能显示 THD 水平低于 -140 dBc,即 0.00001%,或 100 ppb,但它们仍将被噪声淹没,而迄今为止一直被忽略的 THD+N 数字看起来比简单的 THD 数字要糟糕得多。在我们的条件下使用 LM4562 数据表数字进行计算意味着输出缓冲器(反相、单位增益)的噪声在 20 kHz 带宽内约为 -114 dBV 或 -112 dBu,其中(电阻)约翰逊噪声占主导地位,因此我们可能只剩下“仅”约 92 dB 的 THD+N,即 0.0025%,或 25 ppm。交流微伏表(BW = 10 kHz)连接到输出,双四极管中的 R5/6 断开连接,C2 短路,测量值为 -113 dBu,与计算结果一致。
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