Aprill 2018 kirjutasin artikli PWM generaatorist, mis on sisuliselt nelinurksignaali generaator. Samas artiklis saab näha ka saehammaspinge generaatorit. Saehammaspinge generaatorist on aga ainult õige väike samm kolmnurksignaali generaatorini. Puudu on siinussignaal (allolev pilt Wikipediast).
Kes mäletab signaalimuunduri postitust teab, et siinussignaal on igas signaalis olemas. Tarvis oleks lihtsalt üleliigne välja filtreerida. Jama on aga selles, et filter paneks meid kinni küllalt väikesesse sagedusvahemiku. Õige pea hakkaks meie filter summutama ka seda kandesagedust, mille siinust me kätte tahame saada.
Palju huvitavam oleks tekitada generaator, mis tekitab puhast siinust ning mille saaks soovi korral muuta reguleeritavaks. Esialgu aga üritan ehitada generaatori sagedusele 1000Hz. Generaatori väljundpinge huvitab mind esialgu pisut vähem. Selle muutmine võimendite või pingejaguritega on üsna lihtne.
1000Hz on mingit sorti ajalooline etalon. Kõlarite ja helivõimendite nimivõimsused antakse sellel sagedusel. Samuti kondensaatorite mahtuvused ja poolide induktiivsused. Seega helitehnikaga tegeleja jaoks oluline.
Teooria
Mis oleks parem allikas, kui Lembit Abo “Raadiolülitused”? See on retooriline küsimus.
Siin raamatus on järgmine skeem, mida kõigepealt analüüsime ja seejärel ehitame.
Wieni sild
Tähelepanelik märkab, et skeemil on kaks tagasisideahelat. Alustame keerulisemast, sellest, mis on tagasiside mitteinverteeriva (ülemise) sisendi külge. Selle ahela nimeks on Wieni sild ja siin töötab see selektiivahelana. Allolev pilt on L. Abo raamatust.
Selle ahela omaduseks on see, et see töötab selektiivfiltrina. See on ribafilter ja laseb läbi ainult kitsast sagedusvahemiku. Antud juhul on tarvis, et see vahemik oleks 1000Hz. L. Abo raamat pakub arvutamiseks valemit:
See valem eeldab, et R1=R2=R ja C1=C2=C. Ehk siis mõlemad kondensaatorid ja mõlemad takistid on ühe suurused. Kui võtta kondensaatoriks 10 nF, saame takisti väärtuseks 16 kΩ.
Ülalolev pilt ütleb veel, et resonantssagedusel on väljundpinge üks kolmandik sisendpingest. Ma ei oska seda nähtust seletada viisil, mis oleks lugejale arusaadav, kuid simulatsioon annab väitele kinnitust.
Pusisin sellega kaua, kuid sain matemaatilisel teel õige tulemuse, kui arvutasin hoolega välja sillast tekkiva pingejaguri kompleksimpedantsid sagedusel 1000Hz. Kompleksimpedants tähendab seda, et me toome mängu ka faasinihke, mis kondensaatorites tekib. Mul ei ole tuju hakata valemeid kirjutama, seega kasutan paari internetis olevat kalkulaatorit. Neil lehtedel on arvutusmeetodid näidatud. Julgustan läbi arvutama.
Ülemises õlas on takisti ja kondensaator järjestiku. Nende summaarse takistuse arvutamiseks kasutan siin lehel olevat kalkulaatorit. Alumises õlas on takisti ja kondensaatot paralleelselt ning nende summaarse takistuse arvutamiseks kasutan siin lehel olevat kalulaatorit. Pea meeles, et saadud takistuste väärtused on sagedusel 1000 Hz.
Kalkulaatoritest saame ülemise õla takistuseks 22568 Ω ja alumise õla takistuseks 11284 Ω. Seega siinuspingele sagedusega 1000 Hz on ülemine õlg kaks korda suurem takistus, kui alumine õlg. Kogu ahela takistusest moodustab alumine õlg ühe kolmandiku. Seega jääb sellele ka ühe kolmandiku suurune pingelang.
Võimendi
Võimendit on vaja selleks, et õige sagedusega energia, mis wieni sillast välja tuleb, uuesti ja võimsamana sisendisse saaks sööta.
Kui wieni sild pistab nahka ühe kolmandiku pingest, mis tema sisendile antakse, peab võimendi pingevõimendus olema 3 korda.
Kuidas see võimendi pool töötab loe kõrvaklapivõimendi postitusest. Mida L. Abo hoiatas on järgmine: Sellise skeemi puhul jookseb väljund suure tõenäosusega ühe või teise toitepingeni, võngub järsult nende kahe vahel või ei käivitu üldse. Mure on selles, et täpselt kolmekordsele pingevõimendusele on tohutult keeruline pihta saada. Takistitel on tolerantsid. Kui võimendus on 2,99, ei ole lisatud energia piisav võnkumise käivitamiseks. Kui võimendus on 3,01, lisatakse iga tsükliga energiat pisut juurde ja väljund lähebki toitepingeni. Tekib mittelineaarne moonutus.
Kõige lihtsam lahendus selle vastu on panna tagasisideahelasse ühe kümnekilose takisti asemele kümne kiloomise negatiivse temperatuurikoefitsendiga termotakisti. Kui väljundisse tekib piisava tugevusega signaal kasvab ka vool läbi termotakisti. Suurem vool tähendab suuremat võimsuskadu takistil, mis aga tähendab takisti temperatuuri kasvu. Kui negatiivse temperatuurikoefitsendiga termistori temperatuur kasvab, siis tema takistus väheneb. Takistuse vähenemine tagasisideahela ülemises õlas aga tähendab kogu võimenduse vähenemist. Seega suurem signaal kutsub esile võimenduse väikese vähenemise. Tekkima peaks tasakaal ning konstantse suurusega väljundsignaal.
See aga ei lahenda probleemi täielikult nagu eksperimendi käigus selgub. Vahepeal aga tahaksin teha katse lahti seletada kuidas generaator ikkagi siinust genereerib. Kahtlustan, et see ei ole siiani eriti ilmne. Ja vabandan ette, kui seletus saab kohmakas. Üritan ka ise seda esimest korda läbi mõelda.
Generaator
Niisiis. Kui sa seadme pingestad ei juhtu esimese hooga kohe mitte midagi. Mõlema sisendi pinge on null ning seega on ka väljundi pinge null. Igas süsteemis on aga mingi kogus müra. See on kas toiteplokist, kiirgusena mõnest teisest seadmest, molekulide soojusliikumisest või misiganes muust allikast. See müra on niinimetatud “valge müra”. Inglise keeles “white noise”. Analoogia on selles, et täpselt nii nagu valges värvis on olemas kõik valguse värvid on valges müras olemas kõikvõimalikud elektromagnetlaine sagedused.
Ja kui kõik sagedused on olemas, on olemas ka see sagedus, millele meie selektiivahel häälestatud on. Sedapuhku 1000 Hz. Nüüd. Selleks, et võimendi oleks stabiilne peab võimendustegur olema kolm. Selleks, et see aga käima läheks, peaks see olema veidi suurem kui kolm. Kui signaal läbi selektiivahela võimendi sisendisse jõuab, annab võimendi sellele veidi suurema amplituudi, kui oli sellel signaalil, mis eelmises tsüklis selektiivahelast läbi läks. Seega on igal perioodil amplituut pisut suurem, kui eelmisel. Ning seda siis seni kuni varem mainitud termistor võimendust piirama hakkab.
Wieni sild aga on lähemalt vaadates justkui kokku keeratud madalpääs ja kõrgpääs filtritest.
Järjestikkondensaator laseb läbi ainult mingist sagedusest kõrgema sagedusega signaalid. Paralleelkondensaator seevastu lühistab kõik sagedused, mis on üle mingi kindla piiri. Kui nüüd komponendid õigesti valida, saavutamegi olukorra, kus ahelast pääseb läbi vaid täpselt meile vajalik sagedus.
Siin on ostsilloskoobi ekraanipilt, mis näitab kuidas generaator käivitub
Eksperiment
Nagu ma märkisin ei lahendanud temperatuuritundlik takisti probleemi võimendi tagasiside ja võimendusteguriga. Mulle sai valusalt selgeks selle skeemi suurim viga: temperatuuritundlikus. Juuni 2019 oli palavapoolne. Ehitasin skeemi ennelõunal, kui päike minu elutoas temperatuuri 30 kraadi lähedale tõstis. Termotakisti nominaal on aga antud 25 kraadi juures ning minu 10kΩ NTC takistus oli langenud ~ 9kΩ kanti. Mul ei õnnestunud leida püsitakistite kombinatsiooni, mis annaks koos termistoriga sobiva tagasiside. Selletõttu võtsin kasutusele potentsiomeetri. Lõplik skeem sai selline:
Sagedus millega ma selle tööle sain oli ~960 Hz.
Kokkuvõte
Kokkuvõtteks olen veidi pettunud. Olgugi, et projekt oli hariv, näib selle skeemikese praktiline väärus tõsiselt kaheldav. Täpsus mind niivõrd ei sega. Selle saab lahendada, kui asendad R1 ja R2 potentsiomeetriga, millel on ühe võlli küljes kaks eraldiseisvat takistit. Sellisel viisil saad generaatori võnkesagedust sujuvalt muuta.
Mind segab selle seadme kapriis temperatuuri suhtes. Põhimõtteliselt vajab see seade häälestamist, kui toa temperatuur muutub. Abo raamatus olevad alternatiivsed võimendusteguri muutmise lahendused ei lahenda temperatuuriprobleemi. Kuigi vist siiski leevendaksid seda tuntavalt. Tuleb katsetada.
See eksperiment pani mind täiesti uuel tasemel lugu pidama digitaalahelatest. Digita-Analoog muundur annab temperatuurist sõltumatu ja lihtsasti kontrollitava väljundpinge amplituudiga signaali. Võib kasutada ka PWM signaali ja signaalimuunduri postitusest tuttavat filtrit. Möönan, et digitaallülitustes tekkiv müra ja digitaalsignaali väärtuse kõrvalekalle ideaalist annavad kehvema kvaliteediga siinuse. Eks see jääb nüüd igaühe otsustada, kas tema rakenduses on need kvaliteediprobleemid aktsepteeritavad või mitte.