Oscillatore sinusoidale per uso audio

Un oscillatore audio da laboratorio è uno strumento essenziale per generare segnali sinusoidali a bassa distorsione, indispensabili nelle misurazioni audio e nella calibrazione di apparecchiature elettroniche. Questo articolo propone un generatore basato su una speciale variante dell’oscillatore a ponte di Wien capace di usare un potenziometro singolo per il controllo della frequenza. Lo strumento è ideale per le misure di precisione di risposta in frequenza e per il controllo dei dispositivi audio, in quanto permette di coprire l’intera gamma di frequenze audio, operando da 10 Hz a 100 kHz, con un’eccellente stabilità d’ampiezza (±0,025 dB) e una bassa distorsione.

Generatore sinusoidale a ponte di Wien per uso audio.

Introduzione

Nel campo delle misure audio, l’oscillatore a ponte di Wien è un’opzione consolidata per ottenere segnali sinusoidali a bassa distorsione. Tuttavia, la regolazione della frequenza richiede normalmente doppi potenziometri o condensatori variabili di precisione, assai costosi e difficili da reperire.

Adottando una particolare soluzione tecnica, il circuito permette di regolare la frequenza con un comune potenziometro singolo. Il risultato è uno strumento performante ma facile da realizzare, ideale per le applicazioni di laboratorio audio.

Schema elettrico

Il cuore del circuito è un oscillatore a ponte di Wien che grazie ad un efficiente sistema di controllo automatico del guadagno (AGC) permette di ottenere oscillazioni stabili. Di seguito sono illustrate le soluzioni circuitali adottate.

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

Controllo automatico del guadagno (AGC)

Un convertitore rapido da alternata a continua a doppia semionda genera una tensione continua proporzionale all’ampiezza del segnale. Questa tensione regola l’amplificazione dell’operazionale IC1B tramite un optoisolatore resistivo (LDR1), stabilizzando con precisione l’ampiezza delle oscillazioni.

L’optoisolatore resistivo di tipo VTL5C9 non è particolarmente critico, al punto che può anche essere facilmente realizzato racchiudendo in un tubetto di guaina opaca alla luce ambientale un comune LED rosso o giallo con un fotoresistore che abbia una resistenza al buio di almeno 100 kΩ (vedi foto).

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Stadio oscillatore: l’optoisolatore fatto in casa si trova sotto i cavi rossi del potenziometro.

Il riferimento di tensione TL431 stabilizza l’ampiezza del segnale prodotto dall’oscillatore a ponte di Wien a circa 1 VRMS (1,4 VPP), che viene poi amplificata dall’amplificatore d’uscita per ottenere esattamente 5 VRMS (7,1 VPP) a vuoto o 2.5 VRMS (3,5 VPP) sul carico nominale di 50 Ω.

Controllo della frequenza

Per ottenere un controllo della frequenza agevole, il potenziometro 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 la frequenza aumenti ruotando il cursore in senso antiorario (un aumento della frequenza in senso orario sarebbe stato possibile usando un potenziometro di tipo “logaritmico inverso”, decisamente più difficile da reperire).

Stadio d’uscita

Al fine di poter pilotare carichi da 50 Ω, il generatore di segnali dispone di uno stadio d’uscita in classe AB pilotato con un amplificatore operazionale capace di fornire una risposta in frequenza piatta e una bassa distorsione. La rete di retroazione include un trimmer per una calirbazione precisa dell’ampiezza del segnale d’uscita come indicato in precedenza, oltre a un trimmer per l’annullamento dell’offset.

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

Alimentatore

Nella stessa scheda dell’amplificatore, si trova anche il circuito di alimentazione capace di fornire tutta la potenza necessaria per il perfetto funzionamento dell’intero generatore sinusoidale.

Attenuatore variabile di precisione

Molto spesso, i generatori sinusoidali vengono usati per eseguire misure su circuiti ad alta sensibilità come preamplificatori phono o microfonici. Pertanto, lo stadio d’uscita è completato da un attenuatore regolabile capace di offrire attenuazioni precise di 0 dB, -20 dB, -40 dB, e -60 dB. In questo articolo è descritto nel dettaglio il circuito di attenuazione, che può essere impiegato anche per altri scopi.

Alimentatore e amplificatore d'uscita
Alimentatore (a sinistra) e amplificatore d’uscita (a destra).

Il controllo continuo dell’ampiezza si ottiene tramite un semplice potenziometro lineare interposto tra lo stadio oscillatore e l’amplificatore d’uscita.

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

Caratteristiche tecniche

Il circuito è in grado di assicurare una stabilità in ampiezza migliore di ±0,025 dB in tutta la banda audio e migliore di ±0,2 dB da 10 Hz a 100 kHz: un risultato eccezionale, se comparato con quello di molti oscillatori audio commerciali. Grazie a questa elevatissima stabilità, lo strumento permette di eseguire misure precise in circuiti come i preamplificatori phono, i controlli di tono, e gli equalizzatori.

 Frequency = 1Frequency = 2Frequency = 10
Range = × 10 Hz+0,017 dB+0,013 dB+0,023 dB
Range = × 100 Hz-0,005 dB0,000 dB+0,005 dB
Range = × 1 kHz0,000 dB (ref)+0,002 dB+0,017 dB
Range = × 10 kHz+0,005 dB+0,014 dB-0,153 dB

L’analisi spettrale permette di apprezzare l’andamento della distorsione armonica totale misurata a varie frequenze (sfortunatamente, il convertitore ADC Realtek ALC889 usato per le misure non permette una stima accurata della distorsione alle frequenze limite).

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THD+N a 10 Hz.
spw1408151742
THD+N a 100 Hz.
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THD+N a 1 kHz.
spw1408151744
THD+N a 10 kHz.

Commenti

7 risposte

  1. ciao, ottimi progetti, posso chiederti come fai a fare la serigrafia o scritte sui pannelli in alluminio o metallo ?
    grazie

  2. Buongiorno, entrambi gli integrati indicati sono adatti.

  3. Avatar Ermenegildo Dell'Angelo
    Ermenegildo Dell’Angelo

    Buonasera:

    disturbo solo per chiedere cortesemente quali sono le sigle degli integrati IC1A/IC1B e degli IC2A/IC2B

    relativi all’oscillatore (NE5532, TL082, ………..)

    Grazie

    Ermenegildo

    1. Avatar Vinicio Giovanelli
      Vinicio Giovanelli

      Buon giorno, chiedo cortesemente le sigle dei due ic1 / ic2,
      (sono anch’essi TL082 ?).
      Inoltre vi chiedo dove vanno collegati i due JP1 e JP2 ?

  4. Avatar Igor Pagnini
    Igor Pagnini

    Ho un problema con il circuito, non mi funziona la parte dell’AGC, nella fattispecie il raddrizzatore a doppia semionda non lavora e non accende il led, infatti lo stadio oscillatore mi esce con un segnale di ampiezza eccessiva e squadrato, sto cercando di risolvere, ma nel frattempo mi spiegheresti la funzione dei due jumper? Grazie

  5. Avatar mectronicsinc
    mectronicsinc

    Ciao davvero un bel progetto.

    Ho un consiglio. E’ possibile realizzare, o meglio, simulare (ma con una ottima approssimazione), un potenziometro antilog usando un semplice potenziometro lineare  con una resistenza (usualmente di valore Rpot/9) collegata tra il cursore e il terminale CCW.

    La resistenza tra questi due punti sarà data dal parallelo, che varrà:

    Req = RRpot /(R+Rpot) = (R/9* xR)/(R/9+ xR)

    dove R è il valore del potenziometro e x, compreso tra 0 e 1, rappresenta la posizione del cursore. Con due passagi matematici è facile trovare che alla fine:

    Req = R * (x/(9x + 1))

    che ha proprio un andamento molto vicino a quello di un potenziometro antilog.

    Scambiando il terminale CCW con quello CW invece si avrà (semplicemente ponendo (1-x) al posto di x) che:

    Req = R*(1-x)/(10-9x)

    che è complementare, lungo x, alla precendente.

    Ovviamente andando ad agire sul valore della resistenza accessoria (e quindi sul rapporto Rpot/R) è possibile andare a “appiattire” o “spanciare” più o meno l’approssimazione. Il valore 9 fa si che la resistenza finale equivalente sia pari a Rpot/10.

    Nel tuo caso quindi si può usare un potenziometro lineare da 220k e una resistenza da 220k/9 = 24.43k (24k + 430) e ottenere un valore finale di 22k

    Spero sia di aver fatto cosa gradita!

    Un saluto,

    Francesco

  6. Avatar Igor Pagnini
    Igor Pagnini

    Ciao, bel progetto, ma perché non pubblichi anche i layout dei circuiti stampati?

    Io personalmente me li sono fatti, ma li avrei trovati comodi…

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