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Elettronica 10 Mag 2016

 

Oscillatori a ponte di Wien
Gli oscillatori a ponte di Max Wien sono i generatori concetto di Osc Wiendi segnali audio più noti da sempre a buon diritto
Sono flessibilissimi ed uniscono costi bassi ed una linearità concettuale semplice a prestazioni molto valide

In pratica si tratta di un partitore costituito da una coppia di resistenza-condensatore in serie con una in parallelo a formare un filtro con guadagno di 1/3 e fase 0° ad F=1/(2 π RC)
Questo ramo della rete viene bilanciato con un partitore resistivo puramente ohmico in grado di mostrare la stessa perdita
Ponendo un sistema non lineare(tanto statico quanto dinamico) al posto di una delle resistenze della rete di controllo del guadagno si potrà facilmente controllare l'ampiezza della sinusoide d'uscita e si vedrà nel resto della pagina quanto il sistema di CAG possa interferire con la purezza del segnale prodotto

Dividendo in 2 la resistenza R1 e ponendo in parallelo ad una di esse una coppia di diodi in antiparallelo si avrà una distorsione nonlinare tale da stabilizzare in modo a volte decente l'ampiezza sia pure a spese di una distorsione non sempre tollerabile
Siccome il sistema di CAG nonlineare statico distorce,il sistema dinamico è quasi sempre quello preferito

Meacham della Bell Telephone usò nel 1937 una resistenza PTC costituita da una semplice lampada come sistema di regolazione di un oscillatore al quarzo e Bill Hewlett nel 1939 sfruttò l'idea sia per scrivere la sua tesi,sia per fondare con Packard la HP col generatore sinusoidale a ponte di Wien HP200
Come è noto,l'inerzia termica di un sensore NTC-PTC (fosse pure un filo sottilissimo di Tungsteno) è molto più lenta di quella del segnale generato e questo fa cambiare la resistenza con variazioni non percepibili dall'uscita se non alle frequenze bassissime pur restando sensibile all'ampiezza dell'inviluppo

Esistono delle altre topologie di cui ho parlato nella pagina dedicato alla condizione di Barkhausen in cui approfondisco i vari tipi di CAG


Il circuito di Wien si comporta bene fin quando non si pretendano distorsioni davvero basse
In questa circostanza si deve passare a configurazioni diverse per cancellare gli errori di modo comune
(Sulla voce degli oscillatori a ponte di Wien della Wiki in Italiano ho scritto:
La reiezione del modo comune degli amplificatori (sia operazionali sia a transistor discreti) non solo è finita, ma è soprattutto fortemente non lineare e, questo limita l'errore a livelli di 15 ÷ 50 ppm usando operazionali di qualità estrema, e quindi costosi, vedendola salire ad oltre 100 ppm con i più diffusi TL 071/72/81/82
...E continuo a mantenere costante la mia opinione dopo le prove)

John Linsley-Hood ha progettato una versione Wien_Linsley-Hoodmodificata del Wien in modo da cancellare il modo comune relegando il ramo resistivo col CAG ad un 2° amplificatore
Siccome entrambi gli operazionali lavorano in modo negante la fase è corretta,e l'ingresso vero di entrambi è posto a massa fornendo valori di distorsione fino a 3 ppm in un generatore di Jim Williams con CAG a controllo LED-fotoresistenza mostrato nella AN43 della Linear a pag 33 figura 48 per il circuito e la fig 49 in cui mostra i residui di distorsione e la piccola modulazione del LED è ben più veloce di quella di recupero della fotoresistenza
Non costruirò una copia esatta del generatore di Jim per l'irreperibilità degli integrati Linear critici ma nel test degli oscillatori userò il suo sistema di CAG a fotoresistenza
Un altro generatore concettualmente più semplice e sempre caratterizzato (nella didascalia della fig 2) da una distorsione di 3 ppm è nell'AN132 della Linear sul testing dei convertitori ADC audio a 18 bit e riproposto in questo articolo per la rivista EDN

1^ di costruirlo

Da tecnico sono solito prevedere il comportamento di un circuito a mente (come del resto farete pure voi progettisti) ed immagino di dovermi aspettare un notevole errore nel ponte di Wien tradizionale di Hewlett causato dalla distorsione da modo comune mentre nel Wien di Linsley-Hood mi aspetto una ridottisssssssima presenza armonica sempre sotto i 110 dB con al max la visibilità della 7^ armonica (se pure) oltre l'erba del rumore di sistema

Il motivo di questa convinzione è dovuto al principio di funzionamento della versione di Linsley-Hood:
Entrambi gli operazionali sono neganti e questo elimina la distorsione di modo comune lasciando solo quella interna all'integrato destinata ad essere fortemente attenuata dal feedback


Vedremo! 

I risultati



Una nota a margine...
21 Giu 2016

La rete di Wien viene usata in una configurazione. degenere nel filtro notch passa alto di Boctor (Boctor high pass filter visibile qui a pag 88 del PDF ed 8.84 dell'operato di Hank Zumbahlen fig 8.61 corrispondente a pag 5-60 di pag 5.77 del manuale cartaceo) in cui gli ingressi dell'operazionale sono posti ai vertici del ponte con l'ingresso del segnale alla giunzione delle 2 reti RC e l'uscita al punto centrale del partitore resistivo

Qui c'è il link al suo brevetto del 23 Nov 1974

Purtroppo il Kicad Linux .con cui ho ridisegnato il circuito non permette il posizionamento obliquo dei componenti per potervi mostrare meglio la struttura a ponte e me ne scuso aggiungendo la foto della pagina originale da me modificata (in cui avevo invertito gli ingressi dell'opamp...)

La configurazione l'ho vista quando mi sono studiato l'utilissimo manuale cartaceo Opamp Applications del 2002 ricevuto alla conferenza Analog Devices di Roma del Novembre 2004
Ho cercato un minimo in Rete e non ho trovato alcun legame tra Wien e Boctor N-HPF (concetto assente persino nel brevetto)...
Forse nessuno se n'è ancora accorto e per questo motivo avviso subito James Bryant della Analog(l'ho conosciuto alla conferenza di Roma) ed il sito Analog in modo da farmi detenere la paternità dell'idea della connessione tra Boctor Notch HPF e Wien


 





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