Модуль аттенюатора ATT01
Часть 1 - разработка схемы модуля
Обсуждаем назначение модуля и технические требования
Прежде чем перейти к рассмотрению схемы модуля аттенюатора, попробуем определить, что именно мы бы хотели получить в результате. Желающие прочесть объяснение, для чего вообще нужны аттенюаторы в звукотехнических измерениях, могут найти его под спойлером ниже, а для остальных просто перечислим те характеристики, которые предполагалось получить при разработке модуля и кратко отметим, какими именно соображениями автор руководствовался, выбирая их величины.
Начнем с того, что практически при любом измерении в звукотехнических системах требуется как минимум дважды привести уровень сигнала к определенному диапазону напряжений. Во-первых, при подаче тестового сигнала на вход исследуемого устройства необходимо установить номинальное значение сигнала, например, на вход микрофонного усилителя подать единицы милливольт, на вход гитарного предусилителя - десятки милливольт, на линейный вход эквалайзера - сотни милливольт. Во-вторых, выходное напряжение исследуемого устройства также может меняться в самых широких пределах и должно быть приведено к определенному уровню, требуемому для измерения его параметров.
В обоих случаях в качестве устройств, изменяющих уровень электрических сигналов, чаще всего применяются ступенчатые аттенюаторы - устройства, уменьшающие амплитуду сигнала без изменения его формы. Один из них, как правило, входит в состав генератора испытательного сигнала, другой - в состав приборов, измеряющих параметры выходного сигнала, вроде показанного на фото справа популярнейшего милливольтметра 70-х – 80-х годов прошлого века В3-38.
Таким образом, имеет смысл создать унифицированный модуль ступенчатого аттенюатора, который можно было бы использовать как на выходе различных генераторов испытательных сигналов, так и на входе всевозможных измерителей параметров сигнала. Только в отличие от приборов прошлого века, мы предполагаем переключать ступени аттенюатора не при помощи ручки и механического переключателя, как в нашем любимом В3-38, а логическими сигналами, поступающими от микроконтроллера. В сочетании с другими модулями нашего набора, также управляемыми программно, это позволит автоматизировать процесс измерений и “на лету” переключать уровни тестовых сигналов и диапазоны измерений.
Число ступеней ослабления сигнала - 8, шаг ступеней - 10 дБ. В принципе, динамический диапазон в 80 дБ выглядит не вполне достаточным для всех случаев жизни, но, как уже неоднократно говорилось, мы стараемся сделать наши модули максимально дешевыми и доступными для повторения, а увеличение числа ступеней более 8-ми и соответствующее расширение динамического диапазона сразу потребует более дорогой и малодоступной элементной базы, чего хотелось бы избежать. В целом выбранного числа ступеней и диапазона ослабления сигнала хватает для 99% ситуаций, встречающихся в радиолюбительской практике, а в отдельных редких случаях, когда его будет не хватать, можно добавить внешний делитель напряжения.
Входное сопротивление модуля желательно иметь как можно больше, с тем чтобы вход аттенюатора не нагружал источник сигнала, к которому он подключен, но надо иметь в виду, что чем выше входное сопротивление устройства, тем оно чувствительнее к наводкам и тем более тщательного экранирования требуют и само устройство, и подводящие сигнал цепи. Кроме того, чем выше сопротивление резисторов ступенчатого аттенюатора, тем больше его АЧХ начинает "заваливаться" на верхних частотах звукового диапазона за счет паразитных емкостей элементов и монтажа. В этом случае, чтобы вернуть АЧХ к горизонтальному виду, приходится вводить в схему аттенюатора корректирующие конденсаторы, которые требуют трудоемкой подгонки и регулировки. Во избежание всех этих затруднений выберем компромиссное значение входного сопротивления модуля на уровне 100 кОм, что достаточно велико чтобы не нагружать источник входного сигнала, но не слишком велико чтобы понадобились специальные меры по экранированию и корректировке АЧХ.
Выходное сопротивление модуля, наоборот, должно быть как можно ниже, на уровне единиц Ом, а выходная мощность должна обеспечивать работу на достаточно низкоомную нагрузку без заметного ослабления сигнала или искажения его формы. Исходя из этого становится понятно, что модуль не может представлять собой пассивное устройство, а должен содержать буферный усилитель мощности сигнала.
Рассматриваем принципиальную схему модуля
Принципиальная электрическая схема модуля аттенюатора ATT01 показана на рисунке ниже.
Резистор R16 на входе модуля и стабилитроны D1-D2 с напряжением стабилизации 6,2 В защищают модуль от перегрузки. Приходится мириться с небольшой погрешностью коэффициента передачи модуля (около 0.33%), которую вносит этот резистор. Погрешность эту далее можно будет скомпенсировать в других функциональных узлах измерительного прибора, зато наличие защиты по входу позволяет гарантировать, что с модулем ничего плохого не случится, даже если на него подадут напряжение, многократно превышающее допустимое.
Резисторный делитель R1 - R12 ослабляет входной сигнал модуля ступенями по 10 дБ, аналоговый мультиплексор IC1 типа CD4051 подключает одну из ступеней ко входу буферного усилителя IC2 - Q1 - Q2, а какая именно ступень будет выбрана, зависит от логических уровней на входах A, B и C мультиплексора.
Погрешность аттенюатора зависит в первую очередь от того, насколько точно вы сумеете подобрать резисторы R1 - R12 для использования в делителе. Для облегчения подбора нужных значений сопротивлений некоторые ступени делителя выполнены из двух резисторов, включенных параллельно. Требуемые величины сопротивлений этих пар резисторов указаны на рис.1 в нижней части схемы.
Дело в том, что резисторы R1, R4, R7 и R10 имеют сопротивления, совпадающие с одним из стандартных номиналов - 68 кОм, 6,8 кОм и так далее. Подобрать резистор, имеющий сопротивление ровно 68 кОм с отклонением в десятые доли процента из дюжины резисторов соответствующего номинала обычно бывает довольно легко. А вот для второй ступени аттенюатора требуется сопротивление 21,5 кОм, которое даже из большого количества резисторов ближайшего стандартного номинала (22 кОм) подобрать чаще всего не удается. Поэтому в схеме и на плате предусмотрены два резистора (R2 - 75кОм и R3 - 30кОм) параллельное включение которых и дает искомую величину сопротивления. При этом, подбирать надо будет не каждый из этих двух резисторов по отдельности, а именно пару включенных параллельно резисторов. Можно для пары R2-R3 использовать и другие сочетания номиналов, например, два параллельно соединенных резистора по 43 кОм дадут то же самое сопротивление 21,5 кОм, которое требуется для второй ступени аттенюатора.
Аналогичным образом подбираются и другие пары резисторов аттенюатора, а также пара резисторов R18-R19 общим сопротивлением 3,145 кОм в цепи обратной связи буферного усилителя. Главное, чтобы итоговое сопротивление каждой из ступеней делителя соответствовало указанному на рис.1 с минимальной погрешностью
В цепь обратной связи буферного усилителя включен переключатель SV1, который позволяет изменить коэффициент передачи модуля перестановкой перемычки в одно из двух положений. Если перемычка замыкает контакты 1 и 2, буферный усилитель работает в качестве повторителя и его коэффициент передачи равен 1 (0 дБ), если же переставить перемычку в положение 2-3, вступает в дело делитель R18, R19, R20 в цепи обратной связи и коэффициент передачи повышается до 3,16 (+10 дБ). Это в некоторых случаях может быть удобно, если необходимо повысить уровень сигнала на выходе модуля.
В таблице показаны уровни ослабления (усиления) сигнала в dB и напряжение выходного сигнала в mV в зависимости от логических уровней на входах A, B и C и от положения перемычки SV1.
| C | B | A | SV1 в положении 1-2 | SV1 в положении 2-3 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 dB / 1000 mV | +10 dB / 3160 mV |
| 0 | 0 | 1 | -10 dB / 316 mV | 0 dB / 1000 mV |
| 0 | 1 | 0 | -20 dB / 100 mV | -10 dB / 316 mV |
| 0 | 1 | 1 | -30 dB / 31,6 mV | -20 dB / 100 mV |
| 1 | 0 | 0 | -40 dB / 10 mV | -30 dB / 31,6 mV |
| 1 | 0 | 1 | -50 dB / 3,16 mV | -40 dB / 10 mV |
| 1 | 1 | 0 | -60 dB / 1 mV | -50 dB / 3,16 mV |
| 1 | 1 | 1 | -70 dB / 0.316 mV | -60 dB / 1 mV |
Входы A, B и C мультиплексора имеют подтяжку к уровню 0 через резисторы R13 - R15, поэтому, если разъем JP3 - Att модуля никуда не подключать, состояние мультиплексора будет соответствовать первой строке таблицы.
Выходной каскад буферного усилителя собран по схеме двухтактного эмиттерного повторителя на комплементарной паре транзисторов Q1 и Q2.
Конденсатор C7 на выходе модуля в принципе не очень нужен, поскольку буферный усилитель питается от двухполярного источника и постоянное напряжение в точке соединения эмиттеров отсутствует. Этот конденсатор даже может быть вреден - если модуль работает на низкоомную (порядка десятков ом) нагрузку, то он вызовет существенную неравномерность АЧХ модуля в области самых низких частот звукового диапазона. Однако мы все-таки решили его оставить с целью защиты транзисторов буферного усилителя от постоянной составляющей, которая может присутствовать в той точке схемы, куда мы подключаем выход модуля. Если модуль работает на низкоомную нагрузку и при этом есть уверенность, что такой постоянной составляющей в точке подключения модуля не будет, то лучше заменить этот конденсатор перемычкой или по крайней мере сильно увеличить его емкость чтобы избежать завала низких частот.
Подбираем компоненты для сборки
Стабилитроны D1 и D2 типа 1N4735A можно заменить другими аналогичными с напряжением стабилизации 5,8...6,4 В, однако, до установки их на плату модуля необходимо проверить их обратный ток утечки на начальном участке вольт-амперной характеристики. Для чего это нужно и как это сделать, вы прочитаете под спойлером ниже.
Когда мы начнем использовать модуль аттенюатора в различных измерительных приборах, мы увидим, что резисторный делитель R1-R12 может оказаться частью другого делителя напряжения, включающего также и внешние по отношению к модулю резисторы. В такой ситуации крайне важно, чтобы суммарное сопротивление резисторов R1-R12 имело точное и заранее известное значение. Стабилитроны D1 и D2 при входном напряжении модуля, не превышающем их напряжение стабилизации, имеют некоторый ток утечки и в схеме модуля их можно представить как неизвестное сопротивление (к тому же еще и сугубо нелинейное, то есть изменяющееся в зависимости от поданного на них напряжения), включенное параллельно резисторам аттенюатора. Для того, чтобы это неизвестное сопротивление не вносило заметной погрешности в работу прибора, необходимо чтобы оно было как можно больше, многократно больше чем суммарное сопротивление резисторов R1-R12, а это значит, что для работы в качестве D1 и D2 требуются стабилитроны с минимально возможным током утечки.
Для измерения этого тока на каждый стабилитрон до установки его на плату подают обратное напряжение (плюс - к катоду, минус - к аноду), величиной на несколько вольт меньше напряжения стабилизации и измеряют протекающий через стабилитрон ток. В нашем случае будем подавать напряжение 3,5...4 В и желательно, чтобы ток утечки при этом не превышал 1 мкА. Имевшиеся в распоряжении автора стабилитроны 1N4735A имели при таком измерении ток утечки 0,2...0,3 мкА, в то время как близкие им по параметрам КС156А - 8...10 мкА. Ясно, что устанавливать на плату нужно первые, а не вторые.
Как уже говорилось, резисторы входного делителя R1-R12 и делителя напряжения в цепи обратной связи R18-R20 должны быть подобраны с максимально возможной точностью поскольку от этого напрямую зависит точность тех измерительных приборов, в состав которых модуль будет входить. Если в вашем распоряжении имеется лабораторный цифровой омметр высокого класса точности, то перебрав пару десятков резисторов близкого к требуемому номинала, вы скорее всего сможете найти то, что требуется. Хуже, если лабораторного цифрового омметра нет и у вас имеется только простенький мультиметр неизвестного происхождения, который никакого доверия в смысле точности показаний не вызывает. Однако вы и в этом случае сможете подобрать резисторы с необходимой точностью. Для этого вам надо будет воспользоваться советом под спойлером ниже.
Если из всех приборов для измерения сопротивлений у вас есть только простейший мультиметр весьма сомнительной точности, то вы можете подобрать резисторы для модуля аттенюатора, воспользовавшись методом сравнения с заведомо точными резисторами с известным сопротивлением.
Лучше всего, если вы для этого сможете раздобыть какой-нибудь магазин сопротивлений. Магазин сопротивлений, вопреки своему названию, вовсе не является предприятием торговли, а представляет собой коробку с двумя клеммами для подключения и несколькими ручками, вроде той, что показана на фото слева. Вращая ручки, вы можете выставить любое значение сопротивления между клеммами с очень высокой точностью, вплоть до десятых или даже сотых долей процента.
Если же и такого устройства вам разыскать не удалось, то в известных интернет-магазинах можно совсем недорого приобрести упрощенный вариант магазина сопротивлений (фото справа), где на небольшой печатной платке размещены SMD-резисторы, а их суммарное сопротивление в диапазоне от 1 Ом до 10 МОм с шагом в 1 Ом выставляется путем втыкания перемычек. Измерения показали, что даже такое примитивное и достаточно дешевое устройство обладает весьма высокой точностью, многократно превышающей точность простого бытового мультиметра.
Обзаведясь одним из таких устройств вы сможете подбирать резисторы с необходимым сопротивлением, пользуясь даже тем неточным омметром, который у вас имеется. Предположим, вам нужно из двух десятков резисторов с номиналом 6.8 кОм выбрать тот, сопротивление которого наиболее близко к этой цифре. Выставляете ровно 6.8 кОм с помощью ручек или перемычек магазина сопротивлений, измеряете его сопротивление своим неточным омметром и запоминаете его показания. Предположим, он показал 6.87 кОм. Теперь, измеряя сопротивление своих резисторов, выбираете тот, который тоже покажет 6.87 кОм. Можете быть уверены, что его истинное сопротивление будет равно 6.8 кОм!
Операционный усилитель LF411 можно заменить на другой ОУ со входным каскадом на полевых транзисторах и, желательно, с такой же нумерацией выводов, например, на TL071, LF351 или CA3140, однако, следует отдать предпочтение микросхемам с более высокой скоростью нарастания выходного напряжения, поскольку они лучше компенсируют искажения типа "ступенька" в выходном каскаде. В результате нелинейные искажения сигнала, особенно на верхних частотах звукового диапазона, у более быстродействующих ОУ будут меньше. Обратите также внимание на уровень шумов различных типов ОУ. Если в вашем распоряжении имеются несколько разных операционных усилителей, подходящих по параметрам и по цоколевке, можно запаять в печатную плату панельку и, последовательно переставляя в нее всех имеющихся кандидатов на эту позицию, выбрать тот экземпляр, который покажет наименьший уровень шумов и искажений сигнала.
Транзисторы выходного каскада могут быть практически любыми маломощными кремниевыми транзисторами с соответствующими типами проводимости, желательно с близкими параметрами.
ВАЖНО! Обратите внимание на использование диодов Шоттки (D3 и D4) в цепи баз транзисторов. Можно также использовать германиевые диоды, если они найдутся в вашем радиолюбительском хозяйстве, но ни в коем случае не кремниевые. Попытка использовать в качестве D3 и D4 кремниевые диоды в данном случае неминуемо приведет к выходу из строя транзисторов выходного каскада из-за отсутствия температурной стабилизации их тока покоя.
Теперь переходим ко 2-й части этой публикации, где мы будем изготавливать и настраивать модуль аттенюатора ATT01.