爱好函数发生器


16

我是物理学家,对电子学的了解有限。在寻求帮助之前,我通常会在Internet上广泛研究我的问题。这意味着在这里我将同时提出问题和可能的解决方案,并希望您确认纠正我写的内容。

我想获得一个相对便宜的爱好信号发生器,最高可达cca。10MHz。我有两个要求:

  1. 它必须发出浮动信号。
  2. 必须有可能将光圈内的输出接地,并且仍然获得没有直流分量的信号。

广告1:只有在电源和信号发生器电气隔离的情况下才能满足此条件,这可以通过使用变压器来实现。因此,任何由直流电源供电(或具有外部直流电源)的信号发生器都是不可能的。

广告2:满足此条件的合理方法是,信号发生器使用带有两个次级绕组的变压器,例如12V-0V-12V。当次级绕组的公共线接地时,有可能获得真正的负电压和正电压。

似乎几乎所有廉价的信号发生器都使用直流电源(由于条件1会自动将其排除)。值得注意的一个例外是FY3200S型。但是,根据此视频,信号发生器FY3200没有真正的浮动输出(对于110V线路电压,50V和100uA的浮动接地!)。幸运的是,次级需要-12V,5V和+ 12V输入,这可能意味着它应该能够产生没有直流分量的信号(条件2)。

该视频的作者认为,问题在于该设备使用了不太合适的开关模式电源,而不是更好的线性电源,并建议更换电源。[我怀疑使用不太方便的开关模式电源,以便可以在220V和110V电源线上使用该设备。]但是,没有关于线性电源设计或更换电源的好处的信息。提供。

由于线性电源应该不难制造,因此在我看来,最好的选择确实是用以下方法代替原始电源: 在此处输入图片说明

我可以轻松而廉价地生产出类似的东西,并且还可以在次级绕组的公共线与地面之间的连接处添加一个开关。使用FY3200S的第二级(及其包装箱),我将避免处理功能生成的更为复杂的电子设备。

这似乎是个好主意吗?如果不能完全消除杂散电流,至少可以减少杂散电流吗?上面的电源是否适合该应用?


评论不作进一步讨论;此对话已转移至聊天。得出的任何结论都应重新编辑成问题和/或任何答案。
戴夫·特威德

@marcelm我不清楚。视频的主持人警告说,原始的100 uA杂散电流(实际地和输出地之间的电流)可能会损坏其他电子设备。使用线性电源会减少功耗吗?这就是为什么我急于寻找解决方案的原因-线性电源的设计以及杂散电流减少了多少。
皮格马利翁19'Sep

我不明白为什么您不能使用带有直流电源输入的函数发生器。只需使用电隔离的直流电源即可运行它。几乎任何现代的“壁式电源适配器”都可以满足要求,也许可以借助共模扼流圈来减少交流电耦合到电源地线。
pericynthion

@Pygmalion您在问题中添加了“高达 cca。10MHz ;您可能要检查对我的答案的更新。可能令人失望,取决于您的期望...
marcelm

@marcelm我知道方波和三角波由高次谐波组成,因此我希望我的信号发生器主要对上一个频率十年的正弦波有用。
皮格马利翁19'Sep

Answers:


22

我实际上拥有一个FY3200S信号发生器。当我购买它时,我已经知道它内部的开关电源质量有问题,并且据报道有大的漏地电流。因此,我用一个简单的稳压线性电源(对于这些单元来说是相当常见的模块)代替了内置开关模式电源。如果您想走这条路,请注意,您需要提供+ 12V,-12V和+ 5V。

我设法找到了信号发生器的原始开关模式PSU,因此我将其备份,并使用原始开关和新的线性电源进行了多次测量。在构建线性电源时,我可能应该这样做,但是嘿\ _(ツ)_ /¯

电源设计

线性电源非常简单:

原理图

模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图

LED有助于调试,并有助于确保空载条件下的导轨处于调节状态。在进行此操作时,我针对当前需求进行了测量,但是我忘记了结果,也找不到关于该项目的注释。变压器分别具有133mA(每个+ 12V和-12V)和425mA(+ 5V)的能力。我记得我的设计没有多少净空,所以也许这些数字对您有所帮助。

您的问题中的电源电路对我来说似乎可以接受(尽管我没有计算数字)。除了使用单个变压器并从+ 12V电源轨获得+ 5V之外,其他方法相似。我希望它能很好地工作,只要确保变压器可以提供足够的电流,即可为一条支路同时为+ 12V和+ 5V供电。研究如何确定变压器和电容器的尺寸;关于该主题应该有很多信息。这些 答案可能是一个很好的起点。

该实现比原理图更混乱,因为我必须处理周围放置的任何部件。特别是,5V电源由两个互为桥式变压器并联的变压器供电,我不得不在±12V电源上使用串联电容器(带有平衡电阻)以获得适当的额定电压(整流后的变压器输出为24VDC)空载情况下接地)。

线性PSU顶视图 线性PSU底视图

测试设置说明

请注意,我的测试设置可能很糟糕。我的主电源插座都没有安全接地(我知道☹...),因此这些测量的接地参考是一根连接到中央加热管(金属并在中央加热器处接地)的电线。另外,到处都有长电线,会拾取噪音,等等。

使用Rigol DS1104Z捕获波形;万用表测量使用EEVBlog 121GW(我先尝试了Fluke 17B +,但是在测量> 500Hz AC时很糟糕)。

对于测试,我仅测试了FY3200S的通道1。其输出设置为10Vpp 1kHz正弦波。我还使用10Vpp 1kHz方波执行了所有测试,但是没有产生任何新信息,因此省略了这些结果。我还使用0V DC信号进行PSU噪声测量。

测量

在以下结果中,我将始终在左侧具有原始的开关模式PSU,在右侧具有替换的线性PSU。

![原装开关电源 ![线性更换电源

波形图

首先捕获测试波形。看起来很干净,PSU之间没有区别。

正弦波切换PSU 线性PSU上的正弦波

电源开关噪音

将信号发生器设置为产生0V DC“信号”,这就是信号的捕获(50mV / div,5µs / div)。左图显示了约37kHz的开关纹波,右图则没有:

切换PSU噪音1 线性PSU噪声1

开关纹波的特写(50mV / div,50ns / div)。左图显示了开关纹波。正确的图像似乎只是具有随机噪声(有时示波器会触发,有时不会触发):

切换PSU噪声2 线性PSU噪声2

波形测量

万用表在999.9Hz处测量的正弦波为3.515VAC RMS(适用于10Vpp)。

方波在999.9Hz处测得4.933VAC RMS(足够接近)。

两个PSU之间没有显着差异。

直流偏移

用万用表在直流模式下测量信号中的直流偏移。结果:

            |  switching PSU |  linear PSU
------------+----------------+-------------
  sine wave |        17.9 mV |     20.7 mV
square wave |        19.1 mV |     23.8 mV

支持切换PSU的差异很小。我怀疑这可能是由于我用于线性PSU的7812/7912线性调节器中的不对称引起的,但是我没有做进一步的研究。

漏电电压

这是问题的核心,也是在这些信号发生器中更换PSU的最常见原因。通过将示波器或万用表挂在我的接地参考(中央加热管)和信号发生器的接地之间来进行测量。信号发生器输出信号本身(10Vpp 1kHz正弦波)未连接。

显然,由于变压器中的电容耦合以及可能的布线,线性PSU仍然会漏电,但它看起来比开关PSU更好(均为50V / div,5ms / div图像):

切换PSU地波 线性PSU地波

万用表的测量结果证实,线性PSU(39VAC RMS)的开路接地电压确实比开关PSU(92VAC RMS)的低:

切换PSU接地电压 线性PSU接地电压

漏电电流

但是真正的区别在于漏电电流。在5.5µA时,这里的线性PSU性能让我有些失望,但是它比334µA的开关PSU好两个数量级!

在此处输入图片说明 在此处输入图片说明

各种结论

是的。这些东西都配有cr脚的电源。我对其安全性一无所知,在敏感电路上,约0.3mA的泄漏电流会毁掉您的一天。从我在网上阅读的内容来看,一些样品的泄漏电流> 1mA。

但是,用线性电源代替PSU可以大大改善这一点,这可能是一个有趣的小项目。我为每个电源轨使用了线性电源(这也很容易消除开关纹波),但是我听说其他一些使用DC-DC转换器从单个外部12VDC或5VDC电源获得必要的电源轨的人。

如果您想走这条路,还请考虑对不隔离的USB端口进行的操作。

最后,用我的替代线性PSU,结果看起来可以接受。无开关纹波,5µA泄漏电流,30VAC地对地开路(仍然要小心)。它并不完美,但是对于<$ 100美元的用户来说,在业余爱好水平上还可以。

高频信号质量

在最新的编辑中,您添加了“ ...最高可达10MHz”。请注意,这些便宜的信号发生器在较高的频率下效果不佳。例如,如果您需要10MHz的方波,则可能需要花费更多的钱。我添加了FY3200S 10Vpp方波在10kHz,1MHz,6MHz和10MHz处的一些捕获:

FY3200S方波在各种频率下

我什至不确定10MHz的情况。也许合成器的频率不能被10MHz均分,所以并不是所有的方波脉冲都具有相等的长度,从而导致您可以在此处看到重影。

正弦波更容易,因此它们看起来要好得多,但是在较高的频率下,它们还会显示一些小的失真。


我喜欢这种解决方案,我想我会效法您的榜样。您的电源看起来有点复杂,也许很昂贵-为什么要使用三个变压器?您能分享一下它的电路图吗?
皮格马利翁19'Sep

我没有很多闲逛,所以我将购买大多数组件。如果考虑我在问题中展示的电路并最终为可能的更改提供建议,也许会更容易-可能是变压器的功率更大,+ 5V线路的单独变压器...
Pygmalion

顺便说一句,Reroute还建议使用Y电容器。如果您尚未将其包括在设置中,则杂散电流可能会更小。
皮格马利翁19'Sep

@Pygmalion Y电容对于市电变压器中的EMI并不是必需的。如果将其接地,它们可能会降低一点泄漏,但是我的FY3200S用可逆的2针插头进行了布线,因此我没有接地,也无法保证哪个端子是中性的。因此,我将跳过Y上限:)
marcelm

@Pygmalion我用电路上的一些反馈更新了答案!(顺便说一句,我以前购买的那些印刷变压器大约为3欧元,因此,除了使用我所拥有的印刷变压器外,它并不算贵;但是,如果我购买适当的零件,我肯定会做的不一样)
marcelm

8

听起来好像技术含量低,我建议使用两个9V锂电池。它简单,便宜,便携式,没有电源,也没有降压转换器。它可以在您的书架上放置数年,并且可以在需要时随时随地使用。


3

对于您的原始断言,

AD1,电气隔离是常态,假设您使用直流输出插头为电源供电,只要您的直流电源为如果没有像计算机电源一样参考接地,则直流电压会在合理的范围内浮动(除非另有说明,否则通常会从主电源接地端产生+ -500V的电压)

AD2,对于低复杂度,是的,您可以使用该布置来纠正正负电源轨。切换模式也可以通过很多方法来完成,但是除非您想了解更多信息,否则我将其留给变压器。

既然我已经弄清楚了直流电源可以与电源电压电气隔离,那么我应该讨论下一部分,即您对FY3200S的评论,这是与电源隔离的副作用,就像线性电源一样,开关模式电源可以建立隔离

问题是,连接两边的东西,例如变压器本身,是用于线性电源的60Hz变压器,还是用于开关模式的更高频率的变压器,它在两个绕组之间有一点电容,通常这个电容最终会在非常低的电流上叠加在隔离的两边“地”上留下大约一半的电源电压,这是我从视频链接中看到的,线性电源也存在同样的问题。

我还应该指出,他说“ 100uA”不是50mA,50mA对任何人来说都是致命的。

出于完整性考虑,您使用的原理图显示了电源接地连接到输出接地的原因,但这会破坏您对电流隔离的要求。真正的解决方案是在连接信号之前连接参考线

降低它的惰性方法通常是在输出接地和干线接地之间使用一个100K或1兆欧的电阻,这样叠加干线的幅度会更低,但仍可以在需要时将其拉离该点。


正如我在问题中指出的那样,我将通过在次级绕组的公共线与地面之间的连接处添加一个开关来适应原始电路,因此可以选择浮动或接地。从对问题的讨论中我也了解到,仅替换线性电源开关就不会消除基准电压下的杂散电压和电流问题。但是,是否可以将其从对电子设备有害的100 uA降低到更安全的值,也许是1 uA?
皮格马利翁19'Sep

对于大多数设备而言,100uA仍然不构成危险,如今,大多数IC的输入和电源轨之间都有ESD二极管,可以轻松分流多个mA。是的,可能会损坏mosfet闸极,但通常的做法是在mosfet闸极上上拉/下拉,这会分流该电流。至于更换电源,这不会有太大变化,您可以做的是在此链路中安装一个“ Y”电容器,以分摊其幅度,例如电阻器选项。 electronics.stackexchange.com/questions/268597/…–
重新路由

如果我理解正确,则使用Y电容器可以缓解此问题。如果是这样,您可以将其包括在答案中吗:这可能是答案中最有趣的部分。至于使用线性电源,您可以从marcelm的答案中看到这也是有帮助的(较小的电流将近两个数量级)。
皮格马利翁19'Sep

3

有时蛮力有其吸引力。

存在一类称为隔离变压器的变压器。它们旨在通过将设备与电源完全隔离来完全满足您的要求。

如果您使用Digi-key并使用其搜索功能,则可以找到不到50美元的50 VA 120/240至120 VAC隔离变压器。


如果我理解正确的问题,则泄漏电流是由于220V至12V变压器的初级绕组上的220 pp电压振荡引起的。因此,我不明白为什么隔离变压器会有所帮助-如果将其放置在电源线和变压器之间-初级绕组上仍然会有220 pp的电压振荡。除非有隔离变压器220V至12V。
皮格马利翁19'Sep

3

实现隔离的另一种方法是使用普通的函数发生器,并将隔离变压器置于输出端。在狭窄的频率范围内,变压器易于制造。随着频率范围变大,制作信号隔离变压器变得越来越困难。

由于电源整流器中产生的电源频率谐波,线性电源也会产生大量高频噪声。这些谐波通常会在高达约20MHz的系统中存在并可以测量。它们通常在线性电源和开关的产品EMI报告中可见。通过使用具有更快开关速度的功率整流器可以减少谐波。更快的整流器存储较少的电荷。产生高频的机制是,在二极管中存储的电荷被反向电流耗尽之后,整流器电流会迅速跳断。当二极管关闭时,反向电流会流过一小段时间。

关断期间二极管电流的这种快速变化会产生更高的频率。例如,快速折断的专用二极管用于产生微波信号。它们被称为分步恢复二极管。

这些高频将通过桥接隔离栅的小电容。在音频系统中,这可能会导致嗡嗡声,很难消除。


By using our site, you acknowledge that you have read and understand our Cookie Policy and Privacy Policy.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.