正弦波発振回路のひずみ率周波数特性

質問

ウィーンブリッジを用いた正弦波発振回路で発振した正弦波のひずみ率を測定し、縦軸ひずみ率、横軸周波数(対数目盛)の周波数特性のグラフにしたところ、周波数が高くなるにつれ波のように変化しながら0.2％前後に収束していきました。ただ単に指数関数的に減少しているとは考え難く、原因が見当もつきません。どなたかご存知でしたら教えてください。お願いします。

回答No.3

inara · ベストアンサー

回路に見覚えがあると思ったら、「三角波発振回路及び正弦波発振回路について（http://oshiete1.goo.ne.jp/qa2996921.html）」で質問された方ですね。私はANo.2で回答した者です。

>OPアンプはおそらくμA741だとおもわれます

回路は「振幅制御回路」に出ている全波整流回路とAGC回路を使ったものですか？そのURL（http://www.hobby-elec.org/ckt18_2.htm#2）には、TL082のデータシートが出ていますが、μA741とは古いOPアンプですね。このOPアンプはセカンドソースが多く、AD741(アナログデバイセズ）、NJM741(新日本無線)、MC1741(モトローラ)、LM741(ナショナルセミコンダクタ、フェアアチャイルド)、μA741(テキサスインスツツメンツ)などがありますが、μA741という型番ならテキサスインスツツメンツでしょう。データシート [1] を見ると、Open Lo0p利得が100kHzで20dBあるので、まあ、問題ないでしょう（ウイーンブリッジ発振回路の最低利得は3倍=9.54dB）。

>発振波形の振幅は確か±15[V]だったと思います。

±15V電源だと±15Vの振幅は出ません（データシート [1] の Figure 6 参照）。電源電圧の絶対最大定格は、μA741Cで±18V、μA741Mで±22Vですので、電源電圧をこれ未満にまで大きくすれば±15Vの振幅は出るかもしれませんが、普通、こんな大振幅は出しませんし（せいぜい±10V）、この振幅で歪率0.2%というのは疑問です。μA741のスルーレートは標準で 0.5V/μs ですが（データシートの5ページ）、20kHzで±15Vの振幅は、スルーレートに換算すると1.88V/μsですのでOPアンプの能力を越えています。20kHzで±15Vの振幅は出せないと思います（しかも波形は三角波になって0.2%の歪率どころではないと思います）。本当に発振波形の振幅は±15Vなのですか？

「振幅制御回路」に出ている全波整流回路やAGC回路に使われている抵抗とコンデンサの値も聞きたかったのですが、発振波形の振幅が±15Vというのを聞いて、「本当に測定した結果なのかな」という疑問が涌いてきました。私がこれを書いているPCに回路シミュレータが入っているので、「振幅制御回路」に出ている全波整流回路やAGC回路に使われている抵抗とコンデンサの値が分かれば出力波形をシミュレーションできますが、抵抗とコンデンサの値はいくつでしょうか？

[1] μA741データシート（英語）　http://focus.tij.co.jp/jp/lit/ds/symlink/ua741.pdf

お礼

前回に引き続き丁寧な回答ありがとうございます。
OPアンプについてですが、型番を記録するのを忘れてしまったため、前回別の実験で使用したものと同じものを使っていると思いμA741とさせていただきました。なので、かなりあいまいです。振幅に関しても波形を記録せずにひずみ率のみを記録したため、オシロスコープの値をうろ覚えで書いております。質問しているものがこのようなあいまいなデータを提供してしまい大変申しわけありません。
振幅制御回路に関してなのですが、自分が組んだ回路にはそのような回路はありませんでした。そのため、振幅制御回路に使われている抵抗とコンデンサの数値はわかりません。
自分が実験で行ったのは正弦波発振回路を組み、それをひずみ率を測定する機器につなげ、数値を読んだだけでした。
inaraさんを含め回答してくださった皆さんのおかげで自分の中に少しひらめくところがありましたのでその部分をもう少し考えてみようと思います。みなさん、本当にありがとうございました。引き続き、何か助言していただけるようでしたらよろしくお願いいたします。

回答No.2

himara-hus

ＣＲ発信器（Ｑが低い）で、（多分ノイズを含んだ）ひずみ率０．２％のレベル（－５０ｄＢ）の測定と言うのは、非常に難しいです。
ポイントは
回路で言えば、
１　周波数を設定するためのＣ，Ｒの設定方法がどのようなものか。
　　これにより、ノイズ量が変わる。
２　振幅制限をどのようにやっているか？

測定方法で言えば、
１　ひずみの正体がノイズなのか本当のひずみなのかのみきわめ
　　スペクトラム測定ができると良いのですが
２　ひずみ率測定器の精度と原理を確認しましょう

測定結果について
１　ひずみ率が変動するのは、周波数設定方法又は測定方法（測定器の精度または電源など環境ノイズ）に問題が有りそうです。（変動する他の理由が有れば別ですが）
２　周波数が高い程よくなるのは、オペアンプの周波数特性及びノイズのせいだと思います。

　実際のものを見ていないので、推測で書いていますが、参考にしてみてください。

お礼

回答ありがとうございます。参考にして考えてみます。

回答No.1

inara

ご質問の状況だけでは原因の推定ができないので以下の情報を教えてもらえないでしょうか。

（１）ウィーンブリッジ発振回路全体の回路形式
（２）使っているOPアンプと、基本波の周波数範囲と発振波形の振幅
（３）歪というのは全高調波歪率（THD)？それとも基本波より周波数の低い成分も入れた歪率（THD+N)？

（１）について
何らかの振幅制限回路または自動利得制御回路（AGC)が入っていると思いますが、その回路形式によっては、高周波ほど性能が向上し、結果的に歪が低減されることがあります。

（２）について
OPアンプの高周波特性が良くない場合、基本波の周波数が高いほど高調波成分の利得が小さくなるので、歪率が小さくなることもあるかもしれません。基本波の周波数が、増幅回路全体の利得の減衰部分に入ってくると、高調波の減衰率が同じになってくるので、歪率がそれより下がらないということも考えられます。

（１）と（２）は高調波についてだけ考えたものですが外来ノイズの影響も考えられます。基本波の周波数が電灯線の周波数(50/60Hz）より高いか低いかで、電灯線の周波数成分が歪として入ってくるかどうかが違います。発振波形の周波数スペクトルを観測すれば、歪の主成分が高調波なのかそうないのか分かると思います。

補足

回答ありがとうございます。ご指摘いただいた点を補足させていただきます。

(1)についてですが、http://www.hobby-elec.org/ckt18_2.htm#2の基本構成と同じものを使っております。

(2)についてですが、OPアンプはおそらくμA741だとおもわれます。周波数は20[Hz]から20[kHz]まで測定しました。発振波形の振幅は確か±15[V]だったと思います。

(3)についてですが、測定機器にただ単につなげて測っただけなので、どちらを測定したのかはわかりません。申し訳ありません。

教えていただいた点を踏まえながら自分なりにもう一度考えてみますが、なにとぞ助言のほうをよろしくお願いします。