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 V_pp.

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.

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).

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 (A_v > 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 (A_v < 2). In pratica, il circuito si stabilizza rapidamente nella condizione in cui A_v = 2, e si ha un’oscillazione sinusoidale permanente.

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.

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.

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

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.

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