Generatore sinusoidale a ponte di Wien da 1 kHz a bassa distorsione

Quando è necessario misurare la distorsione armonica (THD) di un circuito amplificatore, è necessario disporre di un generatore sinusoidale capace di produrre un segnale sinusoidale privo di armoniche (ovvero un tono puro), affinché sia possibile valutare con accuratezza la distorsione introdotta dal circuito in esame. Il circuito presentato permette di ottenere un segnale sinusoidale a bassissima distorsione con freqenza di 1 kHz ed ampiezza regolabile fino a circa 10 Vpp.

1. Il circuito

Il circuito su basa sullo schema classico dell’oscillatore a ponte di Wien. La frequenza d’oscillazione dipende dalle capacità C1, C2 e dalle resistenze (R1 + R2) e (R3 + R4). In particolare, i trimmer R2 ed R4 possono essere regolati con l’aiuto di un frequenzimetro affinché si ottenga la frequenza d’oscillazione di 1 kHz. C1 e C2 dovrebbero essere a film plastico metallizzato (MKT o MKP) e a bassa tolleranza (≤5 %) per ottenere una buona stabilità. In alternativa, questi condensatori possono essere selezionati manualmente da un lotto con tolleranza qualsiasi, scegliendo la coppia più simile al fine di minimizzare la distorsione armonica.

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Fig. 1 – Schema elettrico dell’oscillatore a ponte di Wien

L’amplificatore operazionale è un modello doppio (es. NE5532, LM833, TL082, ecc). Il potenziometro lineare P1 permette la regolazione dell’ampiezza d’uscita. Infine, R6 fissa l’impedenza d’uscita a 47 Ω, ed è utile per evitare che un eventuale cortocircuito dell’uscita possa danneggiare l’amplificatore operazionale (qualora non fosse protetto internamente).

La lampadina LP1 è un modello ad incandescenza da 12 V del tipo usato nelle luci natalizie. La sua funzione è quella di stabilizzare, in maniera dinamica, l’amplificazione del primo stadio al valore di 2 (condizione necessaria per mantenere un’oscillazione sinusoidale permanente). Questo è possibile grazie alla caratteristica I/V del filamento di tungsteno (caratteristica, peraltro, comune a tutti i metalli) di aumentare la sua resistenza all’aumentare della temperatura, ovvero della corrente che vi scorre. La curva caratteristica I/V di una generica lampadina è riportata nel grafico, confrontata con quella di un resistore ideale (dove la resistenza è costante e indipendente dalla corrente che vi scorre).

Fig. 2 – Caratteristiche I/V di una lampadina ed un resistore

In questo modo, si ottiene un meccanismo a retroazione negativa che funziona nel modo seguente: al momento dell’accensione il filamento non è percorso da alcuna corrente, e pertanto presenta una bassa resistenza e lo stadio oscillatore fornisce quindi un’elevata amplificazione (Av > 2) che innesca l’oscillazione. D’altro canto, quando il segnale all’uscita raggiunge un’ampiezza eccessiva, il filamento si surriscalda riducendo l’amplificazione dello stadio oscillatore (Av < 2). In pratica, il circuito si stabilizza rapidamente nella condizione in cui Av = 2, e si ha un’oscillazione sinusoidale permanente.

Fig. 3 – Il segnale generato dall’oscillatore

C3 e C5 sono condensatori ceramici di bypass, pertanto vanno posizionati nelle immediate vicinanze dell’amplificatore per prevenirne autoscillazioni. L’alimentazione è duale e viene fornita da due batterie da 9 V.

1. Montaggio e messa a punto

Il circuito può essere realizzato su una scheda a singola faccia e montato in un contenitore metallico. Per l’uscita è possibile impiegare un connettore di tipo BNC. Il potenziometro dovrebbe essere di buona qualità per garantire la completa escursione della regolazione d’ampiezza del segnale.

Fig. 4 – Schema di montaggio

La scheda va alimentata con una tensione duale compresa tra ±9 e ±15 V; i condensatori C3 e C4 sono ceramici da 100 nF per il bypass dell’alimentazione. I trimmer sono in versione miniaturizzata e vanno regolati di pari passo (sono sufficienti pochi tentativi) servendosi di un frequenzimetro collegato all’uscita, fino a misurare la frequenza di 1 kHz; in mancanza di un frequenzimetro, può essere impiegato un oscilloscopio o uno dei numerosi software che permettono di impiegare la scheda audio del PC a questo scopo. Completata la taratura, il dispositivo non presenta armoniche di ampiezza considerevole.

Fig. 5 – Analisi FFT del segnale generato dall’oscillatore

Una regolazione sbilanciata dei trimmer può portare alla comparsa di una certa distorsione. In questo caso, sarà sufficiente ripetere la regolazione.

Fig. 6 – La scheda è stata fissata con della colla per prevenire danni dovuti agli urti

Il circuito può essere alimentato direttamente da una coppia di batterie da 9 V, che possono essere racchiuse nello stesso contenitore. In tal caso, sarà necessario impiegare un doppio interruttore per l’accensione del circuito.

Fig. 7 – L’oscillatore nel suo contenitore

La scheda ha dimensioni molto contenute, e può essere pertanto collocata in un contenitore abbastanza compatto.


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Autore: bsproj

Appassionato di musica e progettazione elettronica.

0 pensieri riguardo “Generatore sinusoidale a ponte di Wien da 1 kHz a bassa distorsione”

  1. Tenterò… a me esce un segnale addirittura più ampio di quello in uscita al secondo stadio…
    E per la frequenza che mi arriva a max 300Hz? Si aggiusterà quando avrò risolto il problema con LP1?…

    1. Se non ci sono errori nel montaggio, la sostituzione di LP1 e la ricerca empirica della relativa R5 dovrebbe essere risolutiva.
      Invito anche a controllare che C3 e C4 (ceramici da ~100 nF) siano montati nella scheda che l’opamp sia correttamente alimentato da una tensione [b]duale [/b]di ±9/12 V.

  2. Buonasera
    Ho montato questo circuito ma quello che ottengo è un’onda quadra con uno degli spigoli rialzato ad uan frequenza massima (ruotando i trimmer) di 280Hz…
    Uso un NE5532.
    In particolare non capivo R8 ed R9 nel master.
    Non ci sono nello schema…
    Mi potete aiutare?

    1. Salve Giulio,
      grazie per avermi fatto notare che lo schema caricato non corrispondeva al master. Ora è presente lo schema corretto: ho anche arrotondato alcuni valori in modo da facilitarne la reperibilità (anche quelli indicati in precedenza andavano bene).

    2. R8 può avere qualsiasi valore compreso tra zero e alcuni kohm. La funzione del secondo stadio è solo quella di amplificare l’oscillazione prodotta dal primo: per iniziare, si può provare ad usarne una da 4,7k, ed eventualmente ridurla se l’ampiezza fosse eccessiva al punto che la sinusoide in uscita avesse le creste tagliate.

    3. Montato con componenti del valore esatto ed ottengo un’onda quadra a massimo 300Hz con i trimmer a 0Ohm…

    4. Con i componenti illustrati nello schema, i trimmer permettono di regolare la frequenza d’oscillazione tra circa 0,88 e 1,25 kHz. Per capire quale possa essere il problema, suggerirei di controllare se all’uscita del primo stadio (oscillatore) sia presente la sinusoide.
      Se sì, il malfunzionamento è dovuto al secondo stadio.
      Se no, è probabile che ci sia un errore nei collegamenti del primo stadio, oppure la combinazione R5/LP1 non è stata scelta opportunamente. Che lampadina è stata usata?

    5. Fuori dal primo stadio ho la stessa forma d’onda…
      Ho usato il master del sito…
      Comunque controllerò un’altra volta…
      Come lampadina ho preso una di quelle per le luci di natale a 12V. Unica cosa mi è stato detto che ha il filamento di corto circuito… Che sia quello? Comunque di quelle di una volta che quando se ne bruciava una si spegnava tutto non se ne trovano…

    6. In sostituzione di LP1 può essere usata una qualsiasi lampadina da 12 V in miniatura e di bassa potenza, come quelle impiegate nelle vecchie autoradio. In tal caso, potrebbe essere necessario aggiustare il valore di R5 (che si può sostituire momentaneamente con un potenziometro per valutare empiricamente il valore ottimale, ovvero quello che assicura uns segnale d’uscita non distorto, indicativamente di circa 1-2 Vrms).

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