Oscillatore audio da laboratorio

Usando una particolare versione dell’oscillatore a ponte di Wien, è possibile ottenere un ottimo generatore sinusoidale usando un potenziometro singolo per la regolazione della frequenza.

Nel campo delle misure audio, l’oscillatore a ponte di Wien è probabilmente il circuito più usato quando è necessario ottenere segnali sinusoidali con una bassa distorsione. Tuttavia, se si desidera variare la frequenza di oscillazione è necessario regolare contemporaneamente le due resistenze o i due condensatori che costituiscono il ponte affinché si ottengano oscillazioni stabili. A questo scopo è necessario ricorrere a potenziometri doppi di precisione (o condensatori variabili doppi di precisione), che sono costosi e difficili da reperire.

Impiegando un solo amplificatore operazionale in più è possibile modificare l’oscillatore a ponte di Wien affinché si possa regolare la frequenza d’oscillazione servendosi di un comune potenziometro singolo.

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Fig. 1 – L’oscillatore audio a ponte di wien con potenziometro singolo.

Il circuito presentato in quest’articolo permette di ottenere segnali sinusoidali a bassa distorsione in una gamma di frequenze compresa tra 10 Hz e 100 kHz, con un’eccellente stabilità d’ampiezza (±0,025 dB) in tutta la banda audio. Quest’ultima caratteristica rende il circuito un valido candidato per effettuare misure significative della risposta in frequenza dei dispositivi audio.

1. Schema elettrico

Lo schema elettrico dello stadio oscillatore variabile a ponte di Wien a singolo potenziometro è illustrato di seguito.

Fig. 2 - Schema dell'oscillatore a ponte di Wien a singolo potenziometro.
Fig. 2 – Schema dell’oscillatore a ponte di Wien a singolo potenziometro.

Il controllo automatico del guadagno (ACG) si occupa di assicurare che il circuito oscilli stabilmente. Qui, un convertitore veloce da alternata a continua a doppia semionda (il blocco intorno a IC2) fornisce una tensione continua proporzionale all’ampiezza del segnale sinusoidale generato dal circuito. Tramite l’optoisolatore resistivo LDR1, questa tensione agisce modificando l’amplificazione di IC1B, formando un percorso di retroazione negativa che stabilizza con precisione l’ampiezza dell’oscillazione. Il riferimento di tensione TL431 fa sì che l’ampiezza del segnale d’uscita sia di ~1 VRMS.

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Fig. 3 – Il dispositivo è costituito da un oscillatore regolabile (a destra), uno stadio uscita (in alto) ed un attenuatore regolabile (in basso).

L’optoisolatore resistivo LDR1 (mod. VTL5C9) può essere sostituito accoppiando otticamente un comune LED rosso o giallo con un fotoresistore (LDR) che abbia una resistenza di almeno 100 kΩ al buio. Il tutto deve essere racchiuso in un contenitore del tutto opaco alla luce ambientale, che può essere realizzato usando una guaina termoretraibile.

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Fig. 4 – Stadio oscillatore: sotto ai cavi rossi del potenziometro è possibile notare l’optoisolatore fatto in casa.

Per un controllo agevole della frequenza, il potenziometro singolo da 22 kΩ deve essere di tipo logaritmico e va connesso dal lato CCW (ovvero devono essere usati il primo ed il secondo terminale). Questo fa sì che ruotando il cursore in senso orario, la frequenza diminuisca. Purtroppo, l’unico modo per ottenere un aumento di frequenza ruotando il cursore in senso orario, come si ha usualmente, è quello di impiegare un potenziometro logaritmico inverso connesso dal lato CW (secondo e terzo terminale). Purtroppo questo tipo di potenziometro non è facilmente reperibile.

Un amplificatore d’uscita realizzato con un amplificatore operazionale ed un inseguitore di tensione in classe AB permette di pilotare carichi da 50 Ω. Agendo sul trimmer nella rete di retroazione (R6, Fig. 5) è possibile calibrare con accuratezza l’ampiezza del segnale d’uscita a 2,5 VRMS su un carico di 50 Ω. Mediante un secondo trimmer (R8, fig. 5) è possibile annullare l’offset in uscita. Nella stessa scheda è presente anche lo stadio alimentatore di entrambe le schede.

Alimentatore e amplificatore d'uscita
Fig. 5 – Alimentatore e amplificatore d’uscita

Per ottenere un agevole controllo d’ampiezza, è stato inserito un potenziometro lineare tra lo stadio oscillatore e lo stadio d’uscita. Inoltre, in serie all’uscita è presente un attenuatore variabile di precisione che, opportunamente regolato, permette di ottenere attenuazioni di 0 dB, -20 dB, -40 dB e -60 dB. È inoltre presente una terminazione interna da 50 Ω, anch’essa attivabile mediante un interruttore, utile quando si desidera applicare il segnale direttamente ad un circuito ad alta impedenza.

Fig. 6 - Schema a blocchi dell’oscillatore audio e attenuatore d’uscita.
Fig. 6 – Schema a blocchi dell’oscillatore audio e attenuatore d’uscita.

L’attenuatore d’uscita permette di eseguire agevolmente misure su amplificatori ad elevato guadagno, come i preamplificatori microfonici o fonografici, senza ricorrere ad ulteriori attenuatori e terminazioni esterni.

2. Prestazioni

Il circuito è in grado di assicurare un’ottima stabilità d’ampiezza, migliore di ±0,025 dB in tutta la banda audio e migliore di ±0,2 dB da 10 Hz a 100 kHz.

Frequency = 1 Frequency = 2 Frequency = 10
Range = × 10 Hz +0,017 dB +0,013 dB +0,023 dB
Range = × 100 Hz -0,005 dB 0,000 dB +0,005 dB
Range = × 1 kHz 0,000 dB (ref) +0,002 dB +0,017 dB
Range = × 10 kHz +0,005 dB +0,014 dB -0,153 dB

Di seguito sono riportati gli spettri FFT che descrivono l’andamento della distorsione armonica totale misurata a varie frequenze. L’accuratezza delle misure è limitata (specialmente alle alte e basse frequenze) dalle prestazioni del convertitore A/D impiegato (basato sul codec Realtek ALC889).

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Fig. 7 – THD+N a 10 Hz.
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Fig. 8 – THD+N a 100 Hz.
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Fig. 9 – THD+N a 1 kHz.
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Fig. 10 – THD+N a 10 kHz.

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Autore: bsproj

Appassionato di musica e progettazione elettronica.

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