Ultra low distortion Hifi Oszillator die unendliche Suche nach dem reinen Sinus

Ultra Low Harmonic Distortion 10kHz Oszillator mit -160dBc

Vorgestellt wird ein Selbstbau Sinusgenerator, der nur ungewöhnlich niedrige Verzerrungen hat. Die Verzerrungen liegen in einem Bereich, der kaum noch meßbar ist. Er dient als sehr saubere Signalquelle für Klirrfaktor Messungen für Operationsverstärker und auch Hifi Verstärker im Audio Bereich.

Sinusgenerator - Frontansicht.jpg (18885 Byte)

Sinusgenerator_Leiterplatte.JPG (35249 Byte) Sinus Generator - Unterseite.jpg (34451 Byte)

Frontansicht im Aluminium Gehäuse mit dem "Keks" Batteriegehäuse.

Leiterplatte mit Verstärker, RC Brücke, Temperaturkompensation und Spannungsreglern

Unterseite, gut sichtbar der mehrschichtige Masseaufbau.

Sinusgenerator - Rückseite.jpg (28603 Byte) Stromversorgung durch - Batterie.jpg (29799 Byte) Erster Versuchsaufbau, fotographiert mit 16mm Objektiv - Fischauge.jpg (40816 Byte)

Rückansicht mit Power Supply Input und Ausgang des Regelsignals.

Batteriegehäuse mit 2 * 20 V NiCd Akkus in Schirmdose. Die Kekse waren vorzüglich.

Erster lauffähiger Versuchsaufbau, (Foto mit 16mm Fischaugen Objektiv).

"Ein sauberer Sinus ist eine Suche die niemals enden wird".

Technische Berichte aus der Elektronik

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Endlich ein Schritt in die richtige Richtung - zur Schwingung in Reinkultur

Dies ist ein Aufbau einer Schaltung aus einer Application Note von Linear Technology, ein äußerst interessanter Sinusgenerator. Beschrieben wird er im Application Note 67 auf Seite 62 www.linear.com . Darin ist es einem Entwickler gelungen einen 10kHz Generator zu entwickeln, der eine Unterdrückung der Harmonischen im Bereich ppb – Parts per billion aufweist, also etwa 160 – 180dB. Respekt! Ich habe schon viele Schaltungen von Generatoren untersucht, diese jedoch begeisternd in die Tat umgesetzt. Besonderheit ist die hohe offene Schleifenverstärkung, für jeden Regelkreis eine elementare Größe. Diesen Faktor möglichst groß zu machen, ist in aller Regel ein lohnenswertes Ziel. Eine kleine Regelabweichug ist schön, wäre da nicht das Übel mit der Stabilität, sie hat deswegen ihre Grenzen. Eine riesige offene Schleifenverstärkung senkt den Klirrfaktor der Harmonischen in der beschriebenen Wienbrücke dramatisch. So hat es der Entwickler geschafft drei Verstärker mit je 60dB @10kHz stabil in Serie zu schalten, die Gesamtschaltung schwingt auf dieser Sollfrequenz. Ein selektiver Amplifier mit 180dB bei 10 kHz ist entstanden. Ein Oszillator ideal zum Klirrfaktor Messen für Hifi Verstärker und andere Audio Anwendungen.

Wichtig ein präziser Aufbau nach allen Regeln der Kunst

Aufbau und Masseführung geschieht auf einem hohen Niveau. Großflächige Masse, deren Anschlußpunkte so ausgelegt sind, das die entscheidenden Ströme kaum miteinander galvanisch verkoppelt sind. Dies ist ein wesentlicher Punkt, um die theoretisch mögliche Performace der Schaltung auch real erreichen zu können. Die geschirmte Batterieversorgung und die durchgängig geschirmte Auslegung sorgen für eine gute Störempfindlichkeit, insbesondere gegen die Netzfrequenzen.

HP3580A und Audio_Sinus_Generator.JPG (19159 Byte) Einstellungen_der_Messung_Spektrum__Audio_Generator.JPG (22329 Byte) 10kHz Audio Generator Signal mit 0dBVrms an HP3580A Analyzer Spektrum_Audio_Sinus_Generator.JPG (17004 Byte)

Messaufbau HP3580A low frequency Spektrumanalyzer mit dem 10 kHz Audio Sinusgenerator.

Einstellung am Spektrumanalyzer, zur Erhöhung des Röhrenkontrastes wurde die Raumbeleuchtung stark abgesenkt.

Zeigt ein Traumspektrum, 1Vrms am Eingang. Dynamikumfang des Analyzer 90 dB. Messung dauert 2000 Sekunden.

Sauberes Spektrum bei 10 Volt rms und 1kOhm Belastung Hohe_Ausgangsspannung_10Volt.JPG (23264 Byte) Sinus_13V.JPG (14059 Byte) Sinus_100mV.JPG (9623 Byte)

Eine Erhöhung der Amplitude auf 10 Vrms und Last von 1 kOhm, immer noch innerhalb des Dynamikumfangs.

Am Oszilloskope ist natürlich nur eine perfekte Schwingung zu sehen.

Bei der kleinsten einstellbaren Spannung 100 mV wird der Strahl dicker, die Amplitudenschwankung sichtbar.

"Die Harmonischen dieser Schaltung genau zu bestimmen ist fast unmöglich".

Die Harmonischen lassen sich nur noch theoretisch berechnen: Eine offene Schleifenverstärkung von 180dB läßt theoretisch auch einen Klirrfaktor der Harmonischen in dieser Größenordnung zu. Natürlich unter der Vorraussetzung von idealen linearen passiven Brückenelementen und einer ungekoppelten Leiterplatte, die es nicht gibt. An einer Stelle der Schaltung, da wo der Amplitudenregler eingreift, ist das 10kHz Ausgangssignal um 60dB bedämpft, die Harmonischen sind jedoch nicht. Es ist zu vergleichen mit einer klirrfreien 10 kHz Bandsperre. An diesem Meßpunkt ist gerade noch eine Harmonische erkennbar. Ich kann nur noch spekalutiv vermuten die zweite Harmonische der Schaltung liegt bei 150 bis 160 dB unterhalb der Grundwelle.

Wieviel sind 160dB eigentlich? Verdammt wenig. Entspricht einem Verhältnisfaktor von Einhundert Millionen zu Eins. Stell Dir mal vor die Amplitude der zweiten Harmonischen (20kHz) hätte eine Länge von nur einem Zentimeter, die Grundwelle (10kHz) hätte dann eine Länge von 1000 Kilometern. Einmal vom Süden bis in den Norden der Bundesrepublik Deutschland.

1000 Kilometer Grundwelle und dabei nur 1 Zentimeter Harmonische Verzerrungen

"Zu schön um wahr zu sein, wären es die einzigen Verzerrungen".

Die Bilder entstanden von einer Messung mit einer 24bit ADC PCI Soundkarte und einem Programm, daß ich mit LabView geschrieben habe. Leider unterstützt LabView Soundkarten Messungen nur im 16 Bit Modus, d.h.die übrigen Bits sind ausmaskiert. Wer weiß wie dieses Problem umgangen werden kann, ich freue mich über jede Unterstützung (Mail). Bei allen Messungen am Ausgang wurde der Wandler zu 89% ausgesteuert, d.h. ein vernüftiger Kompromiß aus Dynamik und Kennlinien Nichtlinearität der Karte insbesondere am Aussteuerungsende. Ein steilflankiger AntiAliasing ist integriert. Der Wandler arbeitet auf einer Abtastrate von 44.1kHz, dadurch ist die dritte Harmonische 30kHz leider nicht mehr darstellbar. Die Ergebnisse zeigen in erster Linie das Spektrum des Wandlers, es hat den dominierenden Anteil. Die gemessenen -115dBc sind ausgezeichnete geringe Nichtlinearitäten für einen Audio Wandler der sogar nur im 16 bit Modus arbeitet. Die Meßzeiten wurden sehr hoch angesetzt, um weiß verteiltes Rauschen möglichst herauszumitteln, kleinste periodische Signale werden dadurch noch sichtbar.

Spektrum_FFT_6dBV_84mHz.gif (54140 Byte) Spektrum_FFT_8dBV_10k_zoom.gif (54529 Byte) Spektrum_FFT_6dBV_20k_84mHz.gif (52308 Byte)

Input signal 10kHz 2V BW 84mHz, die Messung ergibt eine zweite Harmonische, die -115dBV unterhalb der Grundwelle liegt. Die Nichtlinearität des Wandlers verursacht die Harmonische. Durch die lange Meßzeit und die geringe Meßbandbreite werden die zufälligen Rauschsignal stark gedämpft.

Input signal 10kHz 2V BW 84mHz. Ein Zoom innerhalb der Frequenzachse, zeigt die zwei entstandenen Mischprodukte nahe dem Träger, deren Amplituden klein sind. Viele Analyzer haben jedoch Probleme mit hoher Dynamik von 90dB und z.B. 1 Hz direkt am Träger zu messen.

Input signal 10kHz 2V 84mHz. Ein Zoom innerhalb der Frequenzachse, zeigt die zwei entstandenen Mischprodukte nahe der zweiten Oberwelle, deren Amplituden gering sind. Es kann wegen des Frequenzabstands nur vermutet werden, es sind Mischprodukte mit Oberwellen der Netzfrequenz.

Spektrum_FFT_6dBV_40mHz.gif (57993 Byte) Spektrum_FFT_6dBV_10k_zoom_42mHz.gif (53558 Byte) Spektrum_FFT_6dBV_DC_zoom_42mHz.gif (57430 Byte)

Ein traumhaft schönes Spektrum Input signal 10kHz 2V BW 42mHz. Messbedingungen wie bei der ersten Messung, nur die Messbandbreite wurde halbiert. Die nicht periodischen Rauschanteile werden so um nochmals 10dB auf -146dB unterhalb der Grundwelle gedämpft.

Input signal 10kHz 2V BW 42mHz. Durch die halbierte BW verglichen zur vorherigen Messung verbessert sich die Sichtbarkeit ein wenig. Ein Zoom innerhalb der Frequenzachse, zeigt die zwei entstandenen Mischprodukte nahe dem Träger.

Input signal 10kHz 2V BW 42mHz. Zoom in unteren Frequenzbereich. Zu sehen die sehr geringe Einstreuung durch die Netzfrequenz. Nahe DC ist eine erhöhte Rauschleistungsdichte erkennbar, möglicherweise durch Amplitudenregelung oder Halbleiterrauschen.

Spektrum_FFT_am_Fehlersignal_8dBV.gif (54523 Byte) HP3325A_Spektrum.gif (47070 Byte) HP3325A_Spektrum_2k.gif (54962 Byte)

Eine andere Messung. Input signal 10kHz 7,5dB BW 672mHz Messung ist abgeriffen auf der Geräterückseite am Fehlersignal, anhand diesem Signals läßt sich der tatsächliche THD der Schaltung erahnen.

Spektrum des Hewlett Packard HP 3325A Frequenz Generators im Vergleich. Dieses erstklassige 1A General Purpose Arbeitspferd ist für Klirrmessungen ungeeignet. Die Harmonischen sind zu hoch. Input signal 1kHz 2V BW 42mHz.

Spektrum des Hewlett Packard HP3325A im Frequenz Zoom. Deutlich zu sehen die Parade der Mischprodukte am Träger, und die sehr hohen Netzeinstreuungen mit Oberwellen. Rauschanteile um 20dB größer. Input signal 1kHz 2V BW 42mHz.

Für was ist dieses Ding zu gebrauchen?

Für eine Messung der THD + Noise + other Distortion ist er nur durchschnittlich. Die Quelle ist zwar wenig mit Mischprodukten belastet aber rauscht etwas nahe DC. Jedoch ideal geeignet und bis jetzt Spitzenreiter als Quelle für Messungen, die nur wenig Harmonische in der Quelle akzeptieren. Ideal um harmonische Verzerrungen von Verstärkern zu bestimmen oder excellent geeignet um die Nichtlinearität von AD-Wandlern zu messen, wie in den Bildern gezeigt. Topanwendungen sind Klirrfaktor Messungen an Audio Verstärker. Welcher Hifi Amplifier freut sich nicht bei diesem sauberen Signal. Gerade für das Messen von Vorverstärker sind Low Distortion Oszillatoren nötig, im Vergleich zu Endstufen hat ein Vorverstaerker einen sehr niedrigen Klirrfaktor und stellt die große Anforderungen an ein sauberes Audiotestsignal.

 "Hohe Schleifenverstärkung bringt auch Probleme"

"Wie gehts weiter?"

Bei einer Schaltung mit einer derartig hohen Schleifenverstärkung wird es zunehmend schwierig die Amplitude zu regeln, obwohl massiver intelligenter Aufwand betrieben worden ist. Schon die kleinste unkontrollierte Regelabweichung im Amplitudenregler genügt - und der Schleifenverstärker geht auf Anschlag. Eine vorhandene Amplitudenschwankung (mathematisch ist es eine Amplitudenmodulation) ist dann im Spektrum als Mischprodukt sichtbar, als zwei dünne kleine Linien, links und rechts von der Grundwelle und der DC Linie. Der sehr geringe Frequenzabstand Mischprodukt zur Grundwelle und auch DC entspricht der Modulationsfrequenz der Amplitude. Die meisten Spektrumanalyzer (sie sind nicht für diese Detailmessung gebaut) aber auch viele FFT-Analysatoren sind nicht in der Lage diese Mischprodukte darzustellen. Vorraussetzung dazu ist eine geringe Resolutionbandbreite (mindestens 1 bis 3 Hertz noch besser kleiner) in Verbindung mit einem hohen Dynamikbereich. Leider ist es auch insbesonders vielen Wave und Audio Analyzern nicht möglich diese Mischprodukte nahe am Träger in ihre Messung miteinzubeziehen, es führt zu einem besseren Meßwert THD + Noise + other Distortion als tatsächlich vorhanden. Die hohe Schleifenverstärkungführt zu einer höhen Empfindlichkeit gegenüber externen Störungen, seien es Betriebsspannungsstörungen oder Netzeinstrahlungen. Der höchstempfindliche Schleifenverstärker verstärkt nun mal jeglichen Mist, den er an seinem Eingang sieht und wenn er noch so klein ist. Jetzt's macht auch "klick" weshalb dieser scheinbar unnötige Riesenaufwand in Schirmung und Spannungsversorgung notwendig wird, um bei diesem Teil die Angabe+other Distortion erträglich zu halten.

Der Reiz ist gegeben die Schaltung zu verbessern, aber für was ? Die harmonischen Verzerrungen noch weiter zu reduzieren, macht keinen Sinn mehr, kein gewöhnlicher Hifi Verstärker erreicht dieses Qualitätsniveau. Sinn machen würde vielleicht eine andere Amplitudenregelung. Ich habe es noch nicht probiert, tue es in nächster Zeit auch nicht, der Aufwand dazu naja, wahrscheinlich heftig und für was? Wer trotzdem gute Ideen dazu hat, sende mir gern eine Nachricht. Auch mit einer verbesserten Frequzenzstabilität vs. Temperatur hatte ich mich beschäftigt, ich versuchte die RC-Zeitkonstante in ihrem Temperaturkoeffizienten zu korrigieren. Was ich erreicht habe sind 10000 Hz +/-3 Hz über ein Temperatur Delta der Umgebungstemperatur von 15° Celsius. Das genügt vollkommen. Die sichtbaren Drähte um den Kondensator sind eine Heizung aus Widerstandsdraht und das Ergebnis eines kleinen Spielchen. Ich hatte eine PLL Regelschaltung aus Heizung und Lüfter entwickelt um 10 kHz über Temperatur zu regeln. Hatte fast geklappt, jedoch ein größerer Aufwand um es richtig auszutesten. Außerdem spuckte der Lüfter "elektrisch rein". Und anstatt dessen ein Peltier-Element oder ein Quartzofen für die RC-Brücke, nein. Probier es nicht, hör auf, es ist ein sinnloser Wahnsinn. Bau lieber einen schönen Verstärker, Du hast mehr davon, der macht nicht immer nur denselben Ton.

"Ein sauberer Sinus ist eine Suche die niemals enden wird"

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