Danas je nabavljen RC oscilator sinunsnog signala TG200M engleskog proizvođača LEVELL s početka 1970-tih godina. Oscilatori serije TG200 proizvodili su se u pet inačica. Osnovna inačica TG200 generirala je sinusni signal ali za razliku od naše inačice nije bila opremljena mjernim instrumentom na prednjoj ploči. Ostale inačice imale su prefikse D, M i P (TG200D, TG200M, TG200DM i TG200DMP) gdje je slovo D označavalo da generator uz sinusni generira i kvadratni izlazni signal, slovo M je označavalo da je na prednjoj ploči ugrađen kontrolni instrument, a slovo P je označavalo mogućnost kalibracije frekvencije na veću točnost (do 1% za razliku od 1,5-2% kod ostalih inačica).
RC oscilator TG200M generira sinusni signal napona do 7 V RMS (20 V od vrha do vrha) u ukupnom frekvencijskom opsegu 1 Hz – 1 MHz. Ovaj frekvencijski opseg podijeljen je na 12 podopsega unutar kojih se željena frekvencija podešava potenciometrom. Potenciometar je baždaren sa širokom skalom čime je omogućen precizan odabir željene frekvencije u čitavom opsegu. Također se pažnja posvetila i preciznom odabiru amplitude signala pomoću 8-položajne sklopke (atenuator u koracima od 10 dBm) u kombinaciji sa potenciometrom za fino podešavanje. Efektivni izlazni napon i snaga signala može se pratiti na ugrađenom instrumentu sa skalama u voltima i dBm.
Prema električnoj shemi vidimo da se ovdje radi o nešto složenijoj tranzistorskoj izvedbi NF RC oscilatora od onih kakve smo do sada sretali u našim objavama. Kad govorimo o generatorima NF (audio) signala sa mogućnošću kontinuirane promjene frekvencije do cca 1 MHz onda se tu u 90% slučajeva radi o RC oscilatorima baziranima na Wienovom mostu. U klasičnim shemama oscilatora sa Wienovim mostom, kao regulacijski element, nužna je upotreba dvostrukog potenciometra ili dvostrukog promjenjivog kondenzatora, koji su dakle spojeni na istu osovinu i koji bi trebali davati potpuno iste otpore (kapacitete) na svim položajima osovine, kako bi se zadržao omjer, a time i ravnoteža mosta u cijelom promjenjivom opsegu. U praksi je teško pronaći takve idealno uparene promjenjive komponente, što onda rezultira određenim izobličenjima ili nestabilnostima amplitude oscilacija, a u krajnjem slučaju razdešenosti oscilacije mogu čak i prestati. To je i najveći nedostatak u praktičnoj izvedbi oscilatora sa Wienovim mostom.
Da bi se ta pojava ublažila mogu se koristiti tvornički posebno upareni dvostruki potenciometri (koji su rijetki i skupi za nabavu) ili neke izvedbe preciznih digitalnih potenciometara. Također postoje pokušaji da se kondenzatori zamijene varikap diodama ili da se tranzistori (FET) koriste kao naponski upravljani otpornici. Ovdje se onda objema komponentama upravlja naponom preko samo jednog potenciometra. No ovdje se pojavljuje problem linearnosti poluvodiča u radnom području, a također i tu u oba slučaja treba koristiti dobro uparene (identične) komponente (varikap diode ili FET-ove) ili na neki način kompenzirati njihove električne razlike kako bi promjene u obje grane mosta bile identične. Još jedan način bio bi promjena vrijednosti otpornika ili kondenzatora samo u jednoj grani mosta, dok se onda druga grana kompenzira pozitivnim i negativnim povratnim vezama preko diferencijalnih pojačala. Zbog složenosti ukupnog sklopovlja, sve navedene izvedbe RC oscilatora sa Wienovim mostom gdje se promjena frekvencije želi postići samo jednim regulacijskim elementom rijetko se susreću u praksi te gotovo nigdje ne nalazimo opise konkretnih rješenja.
Drugi najčešće korišten RC oscilator je RC oscilator sa pomakom faze koji smo također već nalazili u uređajima i opisivali u našim objavama, no ovaj tip oscilatora nikako nije pogodan za VFO izvedbu zbog velikog broja RC komponenti koje bi se morale paralelno mijenjati za svaku promjenu frekvencije. Kao jedina praktična alternativa ostaju oscilatori koji se temelje na RC filtrima, odnosno kombinaciji niskopropusnih(NPF) i/ilivisokopropusnih (LPF) RC filtera. Vidjeli smo do sada u našim objavama da i sam Wienov mosni oscilator možemo promatrati kroz kombinaciju NPF i LPF filtra, no postoje i drugi načini implementacije ovih RC filtera u oscilatorskim sklopovima.
Za RC oscilator TG200M nigdje nismo pronašli podatke ili objašnjenja o vrsti i načinu rada samog oscilatora. Gledajući priloženu shemu možemo primijetiti kako se za regulaciju frekvencije ne koristi dvostruki potenciometar (kako je to uobičajeno kod oscilatora sa Wienovim mostom) već linearni potenciometar sa samo jednom stazom. Također se i promjena samih opsega vrši promjenom otpornika (a ne kondenzatora) u RC krugovima. Time možemo zaključiti da se ovaj oscilator ne bazira na Wienovom mostu, a sasvim sigurno ne ni na oscilatoru sa pomakom faze, dakle niti na jednom od uobičajenih tipova oscilatora u takvim uređajima. Za daljnju analizu možemo priloženu električnu shemu razložiti na osnovne blokove.
Ovakvu implementaciju RC oscilatora opisno bi mogli nazvati: harmonični oscilator sa RC filtrima drugog reda sa realnim polovima i jednom nulom. Zvuči komplicirano, a komplicirano i jest, pa idemo redom. Kad kažemo da je oscilator harmonični to znači da proizvodi sinusne oscilacije. Kad kažemo da radi sa filtrima drugog reda to znači da se sam filtar sastoji od dva RC stupnja filtriranja. Kad krenemo govoriti o polovima i nulama filtera tu stvari postaju malo složenije.
Ono što nas najviše zanima kod svakog filtra to je njegova prijenosna karakteristika, odnosno kako će se ulazni signal doveden na filtar promijeniti na njegovom izlazu. Najpoznatija prijelazna karakteristika je amplitudno-frekvencijska karakteristika filtra i ona nam grafički pokazuje koliko filtar pojačava ili guši određene frekvencije. Nju možemo snimiti kombinacijom frekvencijskog generatora i spektralnog analizatora. No, kako bi se mogla napraviti potpuna analiza odziva nekog filtra (ili bilo kojeg drugog sustava) osim ovog nam dobro poznatog grafa frekvencijskog odziva potrebno je napraviti i neke druge matematičke transformacije elemenata filtra. Produkt takvih kompleksnih prijenosnih matematičkih funkcija je tzv. dijagram polova i nula koji komponente filtra razlaže na njihove realne i imaginarne vrijednosti. Broj polova nekog filtra jednak je broju komponenti koji pohranjuju energiju (kondenzatori i induktiviteti), a broj nula je uvijek jednak ili manji od broja polova. No shvatiti sam pojam polova i nula nije jednostavno, pa ćemo ostati na tome da se sve se svodi na vrijednosti realnog i imaginarnog dijela ukupnog rezultata prijenosnih funkcija.
Prilikom projektiranja filtera prvo se matematički specificiraju brojevi i lokacije polova i nula kako bi dobili željeni frekvencijski odziv, a zatim se gradi sam filtar (elektronički sklop) koji omogućava postizanje tih specifikacija. Pri tome se može izvesti više različitih konfiguracija koje će sve imati iste specifikacije glede dijagrama polova i nula. Naravno, lakše je ići obrnutim postupkom, pa ako imamo gotovu shemu nekog aktivnog filtra onda se lokacije polova mogu izračunati na osnovu vrijednosti komponenti filtra i pojačanja aktivne komponente filtra (formule nisu pretjerano složene). Pri tome, ako polovi prelaze na imaginarnu os dijagrama, tada se aktivni filtar pretvorio u oscilator. U našem su oscilatoru polovi implementirani preko dva odvojena niskopropusna filtra, a nula je formirana u diferencijalnom pojačalu. Pozitivna povratna sprega kao temelj rada svakog oscilatora jasno se vidi na blok shemi (vodi sa izlaza sumirajućeg pojačala na ulazne NPF oscilatora) i dalje od toga nema potrebe analizirati ovaj sklop. Da završimo ovu temu, glede projektiranja analognih filtera i oscilatora baziranih na njima, vrijedi pravilo da cijela procedura zahtijeva 90% matematike, a samo 10% elektronike.
RC oscilatorom TG200M pokušali su se dakle izbjeći praktični nedostaci Wienovog mosta, no time je nastao puno složeniji sklop. Dok se uobičajeni oscilator sa Wienovim mostom bazira na dva tranzistora, u našem sklopu upotrijebljeno ih je čak trinaest. Također, zbog specifične izvedbe ovog oscilatora, na tiskanoj pločici nalazimo čak deset promjenjivih elemenata (sedam trimerskih otpornika i tri trimerska kondenzatora) kojima se uRC mrežama podešavaju određeni parametri sklopa kako bi isti oscilirao prema zadanim specifikacijama (tri podešavanja amplitude i sedam podešavanja frekvencije unutar podsklopova oscilatora). No s druge strane, tim podešavanjima se mogu precizno dotjerati širine pojedinih frekvencijskih opsega tako da su stvarne frekvencije oscilatora dobro usklađene sa skalom, a također se može i dobro podesiti sinusni oblik te stabilizirati amplituda izlaznog signala.
Aktivni filtri baziraju se na dvostrukim komplementarnim parovima tranzistora u spoju emiterskog slijedila (T1-T2 i T3-T4). Takav spoj nema naponsko pojačanje (ono je čak manje od 1) ali njime se prilagođava ulazno-izlazna impedancija i poništava izlazni offset napon (kada je tranzistor zatvoren) kao i temperaturna ovisnost tranzistora o izlaznom naponu, a sve uz minimalna harmonična izobličenja. Slijedi stupanj diferencijalnog spoja tranzistora (T6-T7) koji upravlja pojačalom sa komplementarnim Darlingtonovim parom tranzistora (Sziklai par) T8-T9. Ovakav spoj diferencijalnog pojačala često susrećemo u različitim shemama. Prepoznaje se po emiterima spojenima na zajednički otpornik. Na ovaj otpornik dolazi stabilizirani napon -8,2V i isti služi za određivanje radne točke i temperaturnu stabilizaciju ali svojim reakcijskim naponom ujedno i simetrira izmjenične struje. Vidimo da je prvi tranzistor u spoju zajedničkog emitera, a drugi je u spoju zajedničke baze. Na izlazu iz ovog sklopa dobiva se pojačan protufazni signal (u odnosu na masu) doveden na bazu T6.
U zadnjem stupnju oscilatora(sumirajuće pojačalo) negativna povratna veza sa pojačala (T10 do T13) ostvaruje se preko NTC termistora R54. Ovaj termistor (negdje je označen i sa RA54) po svojoj brzini odziva dizajniran je isključivo za upotrebu u audio oscilatorima za stabilizaciju amplitude signala i nije zamjenjiv sa sličnim termistorima koji su dizajnirani za temperaturne senzore. Vidjeli smo u prijašnjim objavama da se ponekad za stabilizaciju izlaznih napona (vintage) oscilatora koriste žaruljice, koje su u naravi PTC otpornici, no princip rada obje komponente je izravno usporediv.
Izlazno pojačalo je klasični spoj simetričnog protufaznog (protutaktnog) pojačala sa komplementarnim tranzistorima. Tranzistori T14 i T15 čine diferencijalno pojačalo na čije baze se dovodi ulazni signal (T14) i dio izlaznog signala (negativna povratna sprega). Razlika ova dva signala se pojačava i sa kolektora T14 dovodi na tranzistor T16 u spoju zajedničkog emitera koji dodatno pojačava signal i određuje DC prednapon (bias) za izlazni komplementarni par tranzistora T17 i T18 koji rade u protufaznom (push-pull) spoju u AB klasi. Diode D3 i D4 osiguravaju stalni mali prednapon za izlazne tranzistore kako bi se umanjilo izobličenje (crossover) i one u principu pomiču radnu točku tranzistora iz čiste B klase u AB klasu.
Pojačalo kao i čitav oscilator napaja se simetričnim naponom 2 x 18 V. Ovo je dobro rješenje za napajanje oscilatora i općenito generatora raznih valnih oblika jer se na izlazu dobije simetričan izmjenični napon u odnosu prema nultoj točki sklopa. Izlaz iz pojačala preko atenuatora vodi na izlazne priključnice.
Vidimo kako na zadnji stupanj oscilatora vodi priključnica označena sa SYNC. Preko ove priključnice možemo uzeti izlazni signal iz oscilatora, odnosno pojačani sinusni izlaz iz oscilatora konstantne amplitude oko 1,5 V RMS. Ovaj signal može se zatim koristiti za sinkronizaciju nekog vanjskog uređaja, npr. vanjsku sinkronizaciju vremenske baze osciloskopa (priključnica na osciloskopima obično označena sa EXT. TRIGGER). Također, preko ove priključnice možemo i uvesti neki vanjski signal sa drugog oscilatora gdje ćemo na izlazu dobiti modulaciju internog i vanjskog signala.
Prilično zamršenu shemu ovog oscilatora prati i sama praktična izvedba sklopa na tiskanoj pločici. Elementi su dosta tijesno i sa obje strane lemljeni na jednoslojnu tiskanu pločicu, te bi bez bilo kakve servisne dokumentacije popravak ovog uređaja bio priličan izazov, posebice što se svih 18 tranzistora dijeli na samo tri tipa (ME4102, ME0412 i ME0411) od kojih svi imaju isti tip kućišta.
Za testiranje ovog oscilatora potrebno je osigurati adekvatni izvor simetričnog napajanja od dosta visokih 2 x 18V. Vidimo kako je i prijašnji vlasnik imao problema sa nabavkom 4 komada originalnih 9V baterija tip PP9 koje se ugrađuju u kućište uređaja pa je izvode napajanja provukao iz kućišta tako da su dostupni za raspoložive kombinacije. Mi smo se odlučili na izradu simetričnog mrežnog ispravljača temeljenog na regulatorima 7818 i 7918 koji će se ugraditi u kućište uređaja i time za sva vremena riješiti problem napajanja ovog RC oscilatora.
Testiranje je pokazalo da je naš primjerak RC oscilatora TG200M ispravan i izlazni naponi su u granicama tehničkih specifikacija. Sinusni napon je čist i bez izobličenja. Skala instrumenta je doista vrlo precizna i možemo se pouzdati u obilježene vrijednosti kod namještanja izlazne frekvencije. Stabilizacija amplitude na najnižim frekvencijama traje sekundu ili dvije, dok se na višim frekvencijama stabilizacija postiže i brže od toga. Mogli bi zaključiti da je stabilizacija amplitude pomoću specijalnih termistora nešto brža nego sa žaruljicama. No, kad se sve zbroji i oduzme, razlike između jednostavnih oscilatora baziranih na Wienovom mostu koje smo do sada testirali i ovog Levell-ovog RC oscilatora TG200M, nisu toliko velike da bi to opravdalo znatno složeniju konstrukciju sklopa. Simetrično napajanje ima svoje prednosti, no treba uzeti u obzir da će i najmanje razlike napona između pozitivne i negativne grane napajanja imati utjecaj na centriranje izlazne amplitude (offset). Najveća prednost ovog RC oscilatora je snažno linearno pojačalo na izlazu kojim se dobiva efektivni napon signala na izlazu od preko 7 V u čitavom frekvencijskom opsegu. Regulacija frekvencije samo otpornicima (fiksnim i promjenjivim) svakako daje šire mogućnosti odabira jeftinih komponenti niskih tolerancija u kritičnim RC mrežama oscilatora, no opet ponavljamo, kvaliteta izlaznih signala iz uređaja istih godišta baziranima na Wienovom mostu koje smo do sada testirali, pa čak i onih sa elektronskim cijevima, ne zaostaje značajno za ovim primjerkom RC oscilatora sa nešto, uvjetno rečeno, naprednijim rješenjem.
Za potrebe amaterske elektroničke radionice danas su dobavljivi različiti jeftini digitalni generatori signala sa širokom frekvencijskim opsezima, koji mogu generirati nekoliko vrsta različitih valnih oblika, obično imaju barem dva nezavisna izlazna kanala, a sva podešavanja vrše se preko jednostavnih kontrola uz izravan prikaz svih vrijednosti na nekom tipu displeja. Nećemo ulaziti u rasprave o čistoći i stabilnosti signala iz pojedinih generatora, naravno da za sve vrijedi pravilo “koliko para toliko muzike”, no za popravke i eksperimentiranja sa NF sklopovima u nekoj amaterskoj radionici svaki generator će zadovoljiti osnovne potrebe. Ono što će nas vjerojatno razočarati kod neke internetske nabavke jeftinog generatora signala to su marketinške sklonosti pretjerivanju glede pokrivanja frekvencijskog opsega i jačine izlaznog signala. Naime, jeftini generatori će navedene specifikacije zadovoljiti samo u određenom opsegu frekvencija, a kako ćemo se približavati graničnim vrijednostima tako će se oblik i jačina signala degradirati, posebno ako se radi o pravokutnom izlaznom signalu. Za razliku od toga, ovdje opisani RC oscilator TG200M zadržava i kvalitetu i jačinu sinusnog signala u čitavom deklariranom opsegu od 1 Hz – 1 MHz, te ga kao takvog rado ostavljamo na radnoj radioničkoj polici gdje bi još mogao poslužiti za kakve eksperimente svrhe 🙂