ウィーンブリッジ発振回路の出力

質問

次のような回路を組みました。
　　　　　　　　┌─R6─т──т─т──┐
　　　　　　　　｜　　　｜　　｜　｜　　｜
　　　　　　　　｜　　　▽D1　R4　△D2　｜
　　　　　　　　｜　　　｜　　｜　｜　　｜　　┌────┐
　　　　　　　　｜┏━┓｜　　｜　｜　　｜　　｜┏━┓　｜　Vout
　　　┌──R1─┴┨- ┠＋──┴─┘　　｜　　┴┨- ┠─┴R5─
　　　├──R2─┌┨+ ┃│　　　　　　　R0←──┨+ ┃
　　　｜　　　　｜┗━┛│　　　　　　　｜　　　┗━┛
　　　├──C3─┴R3--C4┘　　　　　　　┷
　　　┷　　　　　

D1,D2:ダイオード(2SC1815)
R4,R6:5kΩ
R5:720Ω
R0:100kΩの可変抵抗
R1:2.2kΩ
R2,R3:16kΩ　　　　　　　　　　
C3,C4:1000pF

で構成しているウィーンブリッジ発振回路なのですが
この回路は普通、正弦波を作る回路だとおもうのですけど
なぜか実験でこの回路を組んでみたときオシロで観測した波形は
三角波になっていました。これは回路の設計ミスなのか
この回路だとその波形を出力するのかわからなくて困っています。

また、この回路を用いた応用例とはどんなものなのかも教えていただけると助かります。

よろしくおねがいします。

回答No.3

inara · ベストアンサー

電子回路シミュレータで出力波形の振幅と歪率を計算してみました。R6 = 200Ω、R4 = 4.5kΩで最低歪率 3% となりました。
発振周波数は f = 9000 [Hz] 程度、振幅が A = 1 [Vpp] 程度なので、最低限必要なスルーレートは π*f*A/10^6 = 0.03 「V/μs」 です。普通のOPアンプなら問題ないと思います。

シミュレーションした回路は以下の通りです（バッファは省略）。OPアンプと電源電圧が書かれていないので、一般的な LM358 を 5V の片電源で動作させた回路としました（片電源のため、pferd さんの回路図のGND部分を 2.5V に固定しています）。

　　　　　　　　　　　┌─ R6 ─┬──┬─┬── 出力
　　　　　　　　　　　│　　　　　 ▽D1　R4　 △D2
　　　　　　　　　　　│　 5V　　 ├──┴─┘
　　　　　　　　　　　│┏┷┓　 │
　　　　　　　┌ R1 ┴┨- ┠─┤ LM358
　　　　　　　├ R2 ┬┨+ ┃　 │
　　　　　　　│　　 │┗┯┛　C4
　　　　　　　├ C3 ┴─）─R3┘
　　　　　　2.5V　　　　　┷ 0V

D1,D2 = 標準ダイオード（一般的な小信号用）
R1 = 2.2kΩ
R2,R3 = 16kΩ
C3,C4 = 1000pF

上の抵抗・容量で、R4 と R6 の値を振ったときの歪率と振幅のシミュレーション結果は以下の通りです。R6 を小さくしていくと、振幅が安定するまでの時間が結構かかるので、以下の歪率と振幅は、電源投入後 100ms 以降の波形から求めたものです。あくまでシミュレーションの結果ですが、R4 = 4.5kΩ、R6 = 200Ωで最低歪率 3% となります。R4 をこれより小さくすると波形が急激に乱れますので、ダイオードの特性によって最適ポイントが若干変わるかもしれません。R6 が大きすぎるとダイオードによる振幅制限が効きすぎて波形が歪むのかもしれません（しかし、そのときの波形は三角波状になるだけで、台形にはなりませんでした）。歪率が最低となる R6 の値が小さすぎるような気もしますが（R=0でも低歪）、これと直列にダイオードの内部抵抗が入っているので、全体の帰還抵抗は大きいのかもしれません。なお、OPアンプに両電源タイプのものを使い、電源電圧を±15Vにしてシミュレーションしてみましたが、ほぼ同じ結果になりました。

（R4 = 5kΩの場合）
R6 [Ω]　歪率 [%]　振幅 [Vpp]
　2k　　　　23.7　　　　1.00
　1k　　　　16.0　　　　0.83
　800　　　12.8　　　　0.78
　600　　　10.7　　　　0.76
　550　　　10.9　　　　0.73
　500　　　　6.3　　　　0.86
　450　　　　5.4　　　　0.85
　400　　　　4.7　　　　0.82
　350　　　　4.2　　　　0.82
　300　　　　4.7　　　　0.81
　200　　　　4.3　　　　0.74
　100　　　　4.3　　　　0.69
　　50　　　　4.5　　　　0.67
　　 0　　　　5.0　　　　0.63

（R6 = 200Ωに固定した場合）
R4 [Ω]　歪率 [%]　振幅 [Vpp]
　6k　　　　　7.1　　　　0.75
　5k　　　　　4.3　　　　0.74
　4.7k　　　　4.6　　　　0.70
　4.5k　　　　3.0　　　　0.67
　4.3k　　　　3.2　　　　0.61
　4k　　　　波形乱れる

お礼

わざわざシュミレートしていただき誠にありがとうございます。
勉強になりました。

回答No.2

anachrockt

波形が三角波とゆうことですが，どんな三角波でしょう．
台形に近いか，本当の三角か．
本当の三角だったら，オペアンプのスルーレート不足でしょう．
台形だったら，定数設定の不備でしょう．
定数見ると，R6が大きすぎるみたいです．
R4とR6は5kのポット（可変抵抗）にして調整しないとうまくいかなでしょう．

応用例ですが，いまどきこんな発振器を実用的な機器に採用するところはどこもありません．
発振器だったら，DDS（ダイレクト・デジタル・シンセシズ）です．
使われているのは学生実験だけでしょう．

お礼

R2,R3を変化させて波形観測をしていたので
三角のときもあり台形のときもありました。
R4とR6は5kの可変抵抗がなかったために通常抵抗を用いました。

理由がよく理解できました。ありがとうございます。

補足

スルーレート不足とありますが正弦波を出すには
どのくらいのスルーレートが必要になるでしょうか？

回答No.1

Denkigishi

Wienbridge発信器の増幅器の増幅率は３+αの時に理想的な正弦波となります。そのために貴殿の回路ではダイードの非直線性を使って制御しているのですが、信号レベルが低いとき（ダイオードがOFF）の増幅率が(5+5)/2.2≒4.5となっていて高すぎます。私の勘ではR6は３kΩ前後くらいになると思いますが、ボリウムを付けて最適な値を実験的に求めるほうがいいと思います。
私もずっと以前にWienbridge発信器を自作したことがあります。このときの図面を見ると、R4＋R5のところには1kΩの可変抵抗のみでダイーオードはなし。その代わりに、R1に電球(100V5W)を使ってこれで増幅率の調整をさせています。

お礼

増幅率の問題を考慮していませんでした。
ご回答ありがとうございます。