Ich bin ein Physiker mit begrenzten Kenntnissen der Elektronik. Normalerweise lerne ich meine Probleme ausführlich im Internet, bevor ich um Hilfe bitte. Dies bedeutet, dass ich hier sowohl die Fragen als auch die wahrscheinlichen Lösungen vorstelle und Sie bitten sollen, meine Angaben zu bestätigen oder zu korrigieren .

Ich möchte einen relativ günstigen Hobby-Signalgenerator bis ca. 10 MHz. Ich habe zwei Anforderungen:

1. Es muss ein schwebendes Signal geben.
2. Es muss möglich sein, den Ausgang innerhalb der Blende zu erden und dennoch ein Signal ohne Gleichstromkomponente zu erhalten.

Zu 1: Diese Bedingung kann nur erfüllt werden, wenn Leistung und Signalgeber galvanisch getrennt sind, was durch die Verwendung eines Transformators erreicht werden kann. Daher kommt kein Signalgenerator in Frage, der mit Gleichstrom betrieben wird (oder eine externe Gleichstromquelle hat).

Zu 2: Die vernünftige Möglichkeit, diese Bedingung zu erfüllen, besteht darin, dass der Signalgenerator einen Transformator mit zwei Sekundärwicklungen verwendet, z. B. 12V-0V-12V. Wenn der gemeinsame Draht der Sekundärwicklungen geerdet ist, ist es möglich, echte negative und positive Spannungen zu erhalten.

Es scheint, dass praktisch alle billigen Signalgeneratoren eine Gleichstromquelle verwenden (was sie aufgrund der Bedingung 1 automatisch ausschließt). Eine besondere Ausnahme bildet das Modell FY3200S . Laut diesem Video verfügt der Signalgenerator FY3200 jedoch nicht über einen schwebenden Ausgang (für 110 V Netzspannung, 50 V und 100 uA auf schwebendem Boden!). Glücklicherweise benötigt die Sekundärstufe Eingänge mit -12 V, 5 V und +12 V, was wahrscheinlich bedeutet, dass sie Signale ohne Gleichstromkomponente erzeugen kann (Bedingung 2).

Der Autor des Videos schlägt vor, dass das Problem darin besteht, dass das Gerät ein weniger geeignetes Schaltnetzteil anstelle eines besseren linearen Netzteils verwendet, und schlägt vor, das Netzteil auszutauschen. [Ich vermute, dass das weniger zweckmäßige Schaltnetzteil verwendet wird, damit das Gerät sowohl an 220-V- als auch an 110-V-Stromleitungen verwendet werden kann.] Es gibt jedoch keine Informationen über den Aufbau des linearen Netzteils oder den Vorteil des Austauschs des Netzteils unter der Voraussetzung.

Da eine lineare Stromversorgung nicht zu schwierig sein sollte, scheint es mir die beste Option zu sein, die ursprüngliche Stromversorgung durch etwas Ähnliches zu ersetzen:

Ich könnte so etwas einfach und billig produzieren und auch eine hinzufügen Schalter an der Verbindung zwischen dem gemeinsamen Draht der Sekundärwicklungen und der Erde anbringen . Und mit der zweiten Stufe des FY3200S (und seiner Box) würde ich es vermeiden, mich mit viel komplexerer Elektronik der Funktionserzeugung zu befassen.

Scheint dies eine gute Idee zu sein? Würde dies zumindest die Streuströme verringern, wenn sie nicht vollständig beseitigt würden? Ist das oben angegebene Netzteil für die Anwendung geeignet?

Ich besitze tatsächlich einen FY3200S-Signalgenerator. Als ich es kaufte, war ich mir bereits der fragwürdigen Qualität des darin enthaltenen Schaltnetzteils und der hohen gemeldeten Erdschlussströme bewusst. Aus diesem Grund habe ich das eingebaute Schaltnetzteil durch ein einfaches geregeltes lineares Netzteil ersetzt (ein für diese Geräte üblicher Mod). Wenn Sie diese Route einschlagen möchten, müssen Sie +12 V, -12 V und +5 V bereitstellen.

Es gelang mir, das ursprüngliche Schaltnetzteil für den Signalgenerator zu finden, also habe ich es wieder angeschlossen und mehrere Messungen sowohl mit dem ursprünglichen Umschalter als auch mit dem neuen linearen Netzteil durchgeführt. Ich hätte das wahrscheinlich tun sollen, als ich die lineare Versorgung aufgebaut habe, aber hey ¯ \ _ (ツ) _ / ¯

Netzteil Design

Die lineare Stromversorgung ist sehr einfach:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Die LEDs helfen beim Debuggen und stellen sicher, dass sich die Schienen im Leerlauf in der richtigen Position befinden. Zu der Zeit, als ich das gemacht habe, habe ich Messungen für die aktuellen Anforderungen durchgeführt, aber ich habe die Ergebnisse vergessen und kann meine Notizen zu diesem Projekt nicht finden. Die Transformatoren sind für 133 mA (+12 V und -12 V) bzw. 425 mA (+5 V) ausgelegt. Ich erinnere mich, dass mein Design nicht viel Kopffreiheit hat. Vielleicht helfen Ihnen diese Zahlen.

Der Stromkreis in Ihrer Frage sieht für mich akzeptabel aus (obwohl ich die Zahlen nicht angegeben habe). Es ist ähnlich, außer dass es einen einzelnen Transformator verwendet und die + 5V von der + 12V-Schiene ableitet. Ich würde davon ausgehen, dass es einwandfrei funktioniert. Stellen Sie nur sicher, dass der Transformator genug Strom liefert, um sowohl +12 V als auch +5 V auf einem Bein zu versorgen. Erforschen Sie, wie Sie den Transformator und die Kondensatoren dimensionieren können. Es sollte genügend Informationen zu diesem Thema geben. Diese Antworten können ein guter Ausgangspunkt sein.

Die Implementierung ist chaotischer als der Schaltplan, weil ich mit den Teilen auskommen musste, die ich herumliegen hatte. Insbesondere wird die 5-V-Schiene von zwei Transformatoren gespeist, die nach ihren Brücken parallel geschaltet sind, und ich musste Kondensatoren in Reihe (mit Ausgleichswiderständen) auf den ± 12-V-Schienen verwenden, um die entsprechende Nennspannung zu erhalten (der gleichgerichtete Transformatorausgang entspricht 24 VDC) im Leerlauf erden).

Setup-Hinweise testen

Bitte beachten Sie, dass mein Testaufbau wahrscheinlich schrecklich ist. Keine meiner Steckdosen ist geerdet (ich weiß ☹ ...), daher war meine Erdungsreferenz für diese Messungen ein Draht, der an den Zentralheizungsrohren (die aus Metall bestehen und an der Zentralheizung geerdet sind) angeschlossen war. Außerdem gab es überall lange Drähte, die Geräusche usw. auffingen.

Die Wellenformen wurden mit einem Rigol DS1104Z aufgenommen. Multimeter-Messungen wurden mit einem EEVBlog 121GW durchgeführt (ich habe zuerst mein Fluke 17B + ausprobiert, aber es ist schrecklich,> 500 Hz Wechselstrom zu messen).

Für die Tests habe ich nur Kanal 1 des FY3200S getestet. Sein Ausgang wurde auf eine 1-kHz-Sinuswelle von 10 Vpp eingestellt. Ich habe auch alle Tests mit einer 10Vpp 1kHz Rechteckwelle durchgeführt, aber das ergab keine neuen Informationen, so dass diese Ergebnisse weggelassen wurden. Ich habe auch ein 0-V-DC-Signal für die Rauschmessungen des Netzteils verwendet.

Messungen

In den Ergebnissen unten werde ich immer das ursprüngliche Schaltnetzteil links und das lineare Ersatznetzteil rechts haben.

Wellenform

Zuerst eine Aufnahme der Testwellenform. Sieht sauber aus, kein Unterschied zwischen den Netzteilen.

Schaltrauschen des Netzteils

Wenn der Signalgenerator so eingestellt ist, dass er ein "Signal" von 0 V DC erzeugt, ist dies eine Erfassung des Signals (50 mV / div, 5 us / div). Das linke Bild zeigt die Schaltwelligkeit bei etwa 37 kHz, die auf dem rechten Bild fehlt:

Eine Nahaufnahme der Schaltwelligkeit (50 mV / div, 50 ns / div). Das linke Bild zeigt die Schaltwelligkeit. Das rechte Bild schien nur zufälliges Rauschen zu haben (auf das der Bereich manchmal auslösen würde, manchmal nicht):

Wellenformmessungen

Das Multimeter hat die Sinuswelle mit 3,515 VAC (berechnet für 10 Vpp) bei 999,9 Hz gemessen.

Die Rechteckwelle maß 4,933 VAC RMS (nahe genug) bei 999,9 Hz.

Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen den beiden Netzteilen.

DC-Offsets

Der DC-Offset im Signal wurde mit dem Multimeter im DC-Modus gemessen. Ergebnisse:

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

Es gibt einen kleinen Unterschied zugunsten des Schaltnetzteils. Ich vermute, dass dies an der Asymmetrie der Linearregler 7812/7912 liegt, die ich für das Linearnetzteil verwendet habe, aber ich habe nicht weiter nachgeforscht.

Erdschlussspannung

Dies ist der Kern der Frage und der häufigste Grund, das Netzteil in diesen Signalgeneratoren zu ersetzen. Sie wurde gemessen, indem das Oszilloskop oder Multimeter zwischen meiner Erdreferenz (Zentralheizungsrohre) und der Masse des Signalgenerators angeschlossen wurde. Das Signalgenerator-Ausgangssignal selbst (10 Vss 1 kHz Sinus) wurde nicht angeschlossen.

Das lineare Netzteil weist aufgrund der kapazitiven Kopplung in den Transformatoren und möglicherweise der Verkabelung noch Erdschluss auf, sieht jedoch besser aus als das Schaltnetzteil (beide Bilder 50 V / Div, 5 ms / Div):

Multimeter-Messungen bestätigen, dass die Leerlauf-Erdungsspannung für das lineare Netzteil (39 VAC RMS) tatsächlich niedriger ist als für das Schaltnetzteil (92 VAC RMS):

Erdschlussstrom

Der wirkliche Unterschied liegt jedoch im Erdableitstrom. Mit 5,5 µA bin ich etwas enttäuscht von der Leistung des linearen Netzteils, aber es ist zwei Größenordnungen besser als das Schaltnetzteil mit 334 µA!

Abschluss der Art

Also ja. Diese Dinge kommen mit einem beschissenen Netzteil. Ich habe wenig Vertrauen in seine Sicherheit, und ~ 0,3 mA Ableitstrom können Ihren Tag in empfindlichen Stromkreisen ruinieren. Und nach dem, was ich online gelesen habe, weisen einige Proben einen Leckstrom von> 1 mA auf.

Das Ersetzen des Netzteils durch ein lineares Netzteil kann dies jedoch erheblich verbessern und es kann ein unterhaltsames kleines Projekt sein. Ich habe für jede Schiene lineare Stromversorgungen verwendet (was es auch leicht macht, Schaltwelligkeiten zu beseitigen), aber ich habe von anderen gehört, die DC-DC-Wandler verwenden, um die erforderlichen Schienen von einer einzelnen externen 12-VDC- oder 5-VDC-Stromversorgung abzuleiten.

Wenn Sie diesen Weg gehen möchten, überlegen Sie auch, was Sie mit dem nicht isolierten USB-Anschluss tun möchten.

Letztendlich sehen die Ergebnisse mit meinem linearen Ersatznetzteil akzeptabel aus. Keine Schaltwelligkeit, 5µA Ableitstrom, 30VAC Leerlauf gegen Erde (was immer noch zu beachten ist). Es ist nicht perfekt, aber für etwa 100 US-Dollar ist es auf Hobbyebene in Ordnung.

Signalqualität bei höheren Frequenzen

In Ihrer letzten Bearbeitung haben Sie "... bis zu ca. 10 MHz" hinzugefügt . Beachten Sie, dass diese billigen Signalgeneratoren bei höheren Frequenzen nicht besonders gut sind. Wenn Sie beispielsweise gute Rechteckwellen bei 10 MHz benötigen, müssen Sie wahrscheinlich mehr Geld ausgeben. Ich habe einige Aufnahmen der 10-Vpp-Rechteckwelle des FY3200S mit 10 kHz, 1 MHz, 6 MHz und 10 MHz hinzugefügt:

Ich bin mir nicht mal sicher, was bei 10MHz los ist. Möglicherweise ist die Synthesizerfrequenz nicht gleichmäßig durch 10 MHz teilbar, sodass nicht alle Rechteckimpulse gleich lang sind. Dies führt zu den dort sichtbaren Geisterbildern.

Sinuswellen sind einfacher, sehen also deutlich besser aus, weisen aber bei höheren Frequenzen auch leichte Verzerrungen auf.

So einfach es sich anhört, ich empfehle die Verwendung von zwei Lithium-9V-Blöcken. Es ist einfach, billig, tragbar, hat keine Artefakte von Netz- oder Buck-Konvertern. Und es kann jahrelang in Ihrem Regal stehen und funktioniert immer und überall.

Für Ihre ursprünglichen Behauptungen,

AD1, Galvanische Trennung ist die Norm. Nehmen wir an, Sie schalten das Gerät über einen Gleichstromstecker aus, der einen Netztransformator in dem Teil enthält, der im Stecker steckt, gefolgt von einem Gleichrichter und einem Kondensator. Solange Ihre Gleichstromquelle angeschlossen ist Wenn die Erdung nicht wie bei einem Computer-Netzteil angegeben ist, kann die Gleichspannung innerhalb des zulässigen Bereichs schweben (im Allgemeinen + -500 V von der Netzerdung, sofern nicht anders angegeben).

AD2: Bei geringer Komplexität können Sie diese Anordnung verwenden, um eine positive und eine negative Versorgungsschiene zu korrigieren. Es gibt viele Möglichkeiten, dies auch mit Schaltmodi zu tun, aber es sei denn, Sie möchten weitere Informationen dazu, überlassen wir dies den Transformatoren.

Nachdem ich geklärt habe, dass eine Gleichstromversorgung von der Netzspannung galvanisch getrennt werden kann, möchte ich den nächsten Teil behandeln, Ihren Kommentar zum FY3200S. Dies ist ein Nebeneffekt der Trennung von der Netzspannung gebaut, um isoliert zu sein,

Das Problem ist, das Ding, das die 2 Seiten verbindet, z. B. der Transformator selbst, sei es ein 60-Hz-Transformator für eine lineare Versorgung oder ein Hochfrequenztransformator für einen Schaltmodus. Es hat ein wenig Kapazität zwischen den 2 Wicklungen, diese Kapazität im Allgemeinen Am Ende verbleibt etwa die Hälfte der Netzspannung bei einem sehr geringen Strom, der auf den isolierten Seiten "Masse" überlagert ist. Dies ist, was ich aus dem Überfliegen dieser Videoverbindung ersehen kann. Lineare Netzteile haben das gleiche Problem.

Ich sollte auch darauf hinweisen, dass er sagt, dass "100uA" nicht 50mA, 50mA für jeden tödlich wäre.

Der Vollständigkeit halber zeigt der von Ihnen verwendete Schaltplan die Netzmasse, die aus diesem Grund mit der Ausgangsmasse verbunden ist, würde aber Ihren Wunsch nach galvanischer Trennung zunichte machen. Die echte Lösung besteht darin, Ihr Referenzkabel anzuschließen, bevor Sie Ihr Signal anschließen

Die träge Herangehensweise zur Reduzierung ist im Allgemeinen ein Widerstand von 100 K oder 1 Mega-Ohm zwischen Ausgangsmasse und Netzmasse. Auf diese Weise ist die Amplitude des überlagerten Netzes geringer und kann bei Bedarf immer noch von diesem Punkt weggezogen werden.

Manchmal hat rohe Gewalt ihre Reize.

Es gibt eine Klasse von Transformatoren, die als Trenntransformatoren bezeichnet werden. Sie sollen genau das tun, was Sie wollen, indem sie das Gerät vollständig vom Stromnetz trennen.

Wenn Sie zu Digi-key gehen und die Suchfunktion verwenden, können Sie einen 50 VA 120/240 bis 120 VAC-Trenntransformator für weniger als 20 USD finden.

Eine andere Möglichkeit, eine Isolation zu erzielen, besteht darin, einen normalen Funktionsgenerator zu verwenden und den Isolationstransformator am Ausgang zu platzieren. Transformatoren sind in engen Frequenzbereichen einfach zu bauen. Je größer der Frequenzbereich wird, desto schwieriger wird es, einen Signalisolationstransformator herzustellen.

Lineare Netzteile verursachen aufgrund der Harmonischen der Netzfrequenzen, die in den Leistungsgleichrichtern erzeugt werden, auch ein hohes Frequenzrauschen. Diese Harmonischen sind typischerweise in Systemen bis zu etwa 20 MHz vorhanden und messbar. Sie werden häufig in Produkt-EMI-Berichten für lineare Netzteile und Umschalter angezeigt. Die Oberschwingungen werden durch die Verwendung von Leistungsgleichrichtern mit höheren Schaltgeschwindigkeiten reduziert. Die schnelleren Gleichrichter speichern weniger Ladung. Der Mechanismus zur Erzeugung der hohen Frequenzen besteht darin, dass der Gleichrichterstrom schnell abbricht, nachdem die in der Diode gespeicherte Ladung durch den Sperrstrom erschöpft ist. Der Rückstrom fließt kurz, wenn die Diode ausschaltet.

Diese schnelle Änderung des Diodenstroms während des Ausschaltens kann noch höhere Frequenzen erzeugen. Beispielsweise werden spezialisierte Dioden, die schnell abbrechen, verwendet, um Mikrowellensignale zu erzeugen. Sie werden als Step Recovery Dioden bezeichnet.

Diese hohen Frequenzen passieren kleine Kapazitäten, die die Isolationsbarriere überbrücken. In Audiosystemen kann dies zu einem summenden Geräusch führen, das nur schwer zu beseitigen ist.