30_35.pdf

Generator funkcyjny 10MHz

Generator funkcyjny

10MHz, czêæ 1

kit AVT-360

Jest to pierwsza czêæ

artyku³u powiêconego

omówieniu konstrukcji

nowoczesnego generatora

funkcyjnego z uk³adem

MAX038. Urz¹dzenie tego

typu jest niezbêdne

w pracowni elektronicznej,

czego dowodem jest ogromna

popularnoæ kitu AVT-30

i jego pochodnych.

W tej czêci przybli¿amy

najwa¿niejsze podzespo³y

zastosowane w generatorze,

opisujemy jego mo¿liwoci

i konstrukcjê. Drug¹ czêæ

powiêcimy omówieniu zasad

obowi¹zuj¹cych podczas

monta¿u i uruchomienia

uk³adu.

Jest to pierwszy opis

kompletnego urz¹dzenia

wykorzystuj¹cego uk³ad

MAX038, jaki pojawi³ siê

w krajowej literaturze

i czasopismach. Ale nie jest

to jedyny powód dla którego

warto ten artyku³ przeczytaæ!

Artyku³ rozpocznê od silnego

uderzenia siê w piersi. Od kilku

miesiêcy zapowiadalimy bo-

wiem publikacjê (przyczyni³em

siê do tego!) artyku³u o labora-

toryjnym generatorze funkcyj-

nym, który mia³ generowaæ syg-

na³y a¿ do 20MHz. O ile wyko-

nanie takiego generatora nie sta-

nowi obecnie zbyt du¿ej trud-

noci, to ogromne k³opoty na-

potka³em podczas projektowania

wyjciowego stopnia mocy. Nie

chc¹c przek³adaæ na kilka kolej-

nych miesiêcy publikacji arty-

ku³u prezentuj¹cego konstrukcjê

urz¹dzenia tak bardzo potrzeb-

nego w laboratorium elektroni-

ka, zdecydowa³em siê na nie-

wielk¹ modyfikacjê projektu -

w ten sposób powsta³ artyku³

pod tytu³em Generator funkcyj-

ny 10MHz.

Nie oznacza to, ¿e broñ

zosta³a z³o¿ona. Wady pierwot-

nej wersji wzmacniacza, wyko-

nanego w technice dyskretnej,

nie s¹ na tyle istotne, aby

zarzuciæ tak¹ koncepcjê realiza-

cji stopnia wyjciowego. Do-

pieszczenie tej konstrukcji po-

ch³onie jednak jeszcze trochê

czasu. Przy okazji mo¿liwoci

kolejnej wersji zostan¹ nieco po-

wiêkszone.

Tyle tytu³em wstêpu, prze-

jdmy zatem do prezentacji dwóch

najwa¿niejszych bohaterów nasze-

go artyku³u.

Podstawowe cechy generatora AVT-360

generuje on trzy podstawowe przebiegi

funkcyjne: sinusoidê, trójk¹t i prostok¹t.

Dziêki mo¿liwoci regulacji wspó³czynnika

wype³nienia mo¿na uzyskaæ tak¿e przebiegi

pi³okszta³tne narastaj¹ce lub opadaj¹ce,

istnieje mo¿liwoæ regulacji nastêpuj¹cych

parametrów przebiegu wyjciowego:

czêstotliwoci, amplitudy, sk³adowej sta³ej,

wspó³czynnika wype³nienia (nie dotyczy

przebiegu sinusoidalnego),

istnieje mo¿liwoæ zastosowania miernika

czêstotliwoci sygna³u wyjciowego, który

mo¿na wykorzystaæ tak¿e do mierzenia

sygna³ów zewnêtrznych,

wzmacniacz wyjciowy jest wyposa¿ony

w zabezpieczenie antyzwarciowe.

Elektronika Praktyczna 10/97

P R O J E K T Y

Generator funkcyjny 10MHz

Rozwa¿ania wstêpne

Opracowanie konstrukcji gene-

ratora funkcyjnego wymaga³o roz-

wi¹zania dwóch istotnych proble-

mów:

1. W jaki sposób kszta³towaæ

w bardzo szerokim zakresie

czêstotliwoci sygna³ sinusoi-

dalny.

2. Jaki stopieñ koñcowy zastoso-

waæ, aby uzyskaæ na jego wy-

jciu du¿¹ amplitudê sygna³u

sinusoidalnego bez zniekszta³-

ceñ oraz krótkie czasy narasta-

nia zboczy sygna³u prostok¹tne-

go.

Pierwszy problem wynika

z faktu, ¿e standardowe uk³ady

aproksymuj¹ce (z diodami

i dzielnikami napiêcia) mo¿na

zoptymalizowaæ dla niewielkiego

zakresu amplitud sygna³u wy-

jciowego i stosunkowo w¹skiego

zakresu czêstotliwoci. Problem

ten da³ siê jednak rozwi¹zaæ

w prosty sposób - alternatyw¹

dla standardowego uk³adu gene-

racyjnego oraz uk³adów formuj¹-

cych przebiegi wyjciowe by³o

zastosowanie scalonego generato-

ra funkcji - uk³adu MAX038

firmy Maxim.

Jego schemat blokowy przedsta-

wiono na rys.1 . W strukturze tego

uk³adu znajduj¹ siê wszystkie ele-

menty niezbêdne do wytworzenia

przebiegu sinusoidalnego, pi³oksz-

ta³tnego (trójk¹tnego) oraz prostok¹t-

nego, w zakresie czêstotliwoci od

ok. 0,01Hz do ponad 20MHz (a

nawet 40MHz).

Dziêki przemylanej konstruk-

cji uk³adów formuj¹cych prze-

biegi wyjciowe mo¿liwa jest

regulacja wype³nienia generowa-

nych przebiegów. Sygna³y

z wyjæ uk³adów formuj¹cych po-

dawane s¹ na wejcia multiplek-

sera analogowego i nastêpnie na

bufor wyjciowy. Na jego wy-

jciu otrzymujemy sygna³

o kszta³cie wybranym przy po-

mocy wejæ cyfrowych, oznaczo-

nych A0 i A1 ( tab.1 ). Amplituda

sygna³u, niezale¿nie od jego

kszta³tu i czêstotliwoci, wynosi

ok. 2V pp .

W strukturze uk³adu MAX038

zintegrowano tak¿e ród³o na-

piêcia odniesienia (wartoæ na-

piêcia referencyjnego wynosi

2,5V) oraz detektor fazy, który

mo¿na wykorzystaæ jako uk³ad

detekcyjny w pêtli PLL stabili-

zuj¹cej czêstotliwoæ sygna³u

wyjciowego. Sygna³ z buforo-

wanego wyjcia uk³adu MAX038

wymaga wzmocnienia, aby mo¿-

liwe by³o wykorzystanie go w la-

boratoryjnym generatorze funk-

cji.

Jednym z najprostszych wyjæ

jest zastosowanie bardzo szybkie-

go wzmacniacza operacyjnego

z wyjciowym stopniem o du¿ej

mocy. W ten sposób rozwi¹zuje-

my drugi z wymienionych prob-

lemów.

Oprócz odpowiednio szerokie-

go pasma przenoszenia wzmac-

niacz ten powinien charakteryzo-

waæ siê du¿¹ szybkoci¹ narasta-

Parametry i mo¿liwoci generatora

zakres generowanych czêstotliwoci:

0,25Hz..10MHz,

iloæ podzakresów: 5,

maksymalna amplituda sygna³u

wyjciowego: 10V pp ,

zakres regulacji sk³adowej sta³ej sygna³u

wyjciowego: -4,8..+4,8V,

zakres regulacji wspó³czynnika wype³nienia:

25..75%,

impedancja wyjciowa: 50

maksymalny pr¹d wyjciowy: 100mA,

dopuszczalny pr¹d wyjciowy: 150mA,

zalecane napiêcie zasilania: 2x15VAC/50W.

nia sygna³u na wyjciu. Ograni-

czenie szybkoci narastania mog-

³oby spowodowaæ zniekszta³cenie

sygna³u prostok¹tnego przy wiêk-

szych czêstotliwociach wyjcio-

wych, co jest niedopuszczalne

w przypadku generatorów funk-

cyjnych.

Po analizie parametrów dostêp-

nych na naszym rynku wzmacnia-

czy operacyjnych wybór pad³ na

uk³ad OPA603, produkowany

przez firmê Burr Brown. Oto

najwa¿niejsze motywy takiego wy-

boru:

wydajnoæ pr¹dowa stopnia

koñcowego tego uk³adu jest bar-

dzo du¿a (150mA), przy czym

zakres zmian napiêcia wyjcio-

wego jest bardzo stabilny w fun-

kcji rezystancji obci¹¿enia

( rys.2 ),

stopieñ koñcowy wyposa¿ony

jest w ogranicznik pr¹dowy,

który zabezpiecza go przed

uszkodzeniem wywo³anym

zwarciem,

wzmacniacz ten ma bardzo du¿¹

szybkoæ narastania sygna³u na

wyjciu (min. 1000V/

s), co za-

pobiega powstawaniu zniekszta³-

ceñ podczas wzmacniania syg-

na³u prostok¹tnego,

uk³ad cechuje stabilne wzmoc-

nienie w bardzo szerokim pas-

mie czêstotliwoci, dziêki cze-

mu amplituda napiêcia wy-

jciowego jest niezmienna tak-

¿e dla du¿ych sygna³ów

( rys.3 ),

obszar bezpiecznej pracy jest

stosunkowo du¿y ( rys.4 ) -

w typowych warunkach ter-

micznych mo¿liwe jest bez-

pieczne wytracenie w struktu-

rze uk³adu mocy ok.

1,25..1,5W.

Rys. 1. Budowa wewnêtrzna uk³adu MAX038.

Elektronika Praktyczna 10/97

Generator funkcyjny 10MHz

pomocy tego prze-

³¹cznika do wejcia

COSC (wyprowa-

dzenie 5) uk³adu

US1 do³¹czane s¹

kondensatory

C24..29, które decy-

duj¹ o przedziale

generowanych czês-

totliwoci.

Drugim paramet-

rem, od którego za-

le¿y czêstotliwoæ

sygna³u wyjciowe-

go, jest pr¹d wp³y-

waj¹cy do wejcia

uk³adu US1, które

jest oznaczone IIN . Pr¹d ten jest

zale¿ny od napiêcia na suwaku

potencjometra P4. Napiêcie to

jest buforowane przez wzmac-

niacz US4, który pracuje w uk³a-

dzie wtórnika napiêciowego. Re-

zystor R12 dob-

rano tak, aby

pr¹d zasilaj¹cy

wejcie IIN

mieci³ siê

w granicach do-

puszczonych

przez producen-

ta.

Tabela 1. Tabela prawdy dla wejæ A0,

A1 uk³adu MAX038.

Kszta³t przebiegu

Prostok¹t

Trójk¹t

Sinus

Rys. 2. Wykres zale¿noci napiêcia wyjciowego

od obci¹¿enia w funkcji temperatury.

wymaga³o zastosowania dodatko-

wego inwertera (wzmacniacza od-

wracaj¹cego). Jego rolê spe³nia

wzmacniacz operacyjny US3B,

pracuj¹cy w konfiguracji odwra-

caj¹cej o wzmocnieniu równym -

1V/V (jest ono ustalone przez

wartoci rezystorów R7/R6). Ta-

ka konfiguracja wzmacniacza po-

woduje, ¿e na jego wyjciu otrzy-

mujemy napiêcie o wartoci bar-

dzo bliskiej napiêciu wejciowe-

mu, lecz o odwróconej polaryza-

cji.

Argumentem, który przewa¿y³

szalê podczas podejmowania de-

cyzji o wyborze uk³adu by³a tak-

¿e jego cena. Wzmacniacz

OPA603 okaza³ siê byæ najbar-

dziej ekonomicznym rozwi¹za-

niem, sporód uk³adów dostêp-

nych na rynku.

Potencjometr P1 wraz z rezys-

torami R8, R9 w³¹czony jest wiêc

Opis uk³adu

Schemat elektryczny generatora

przedstawiony zosta³ na rys.5 .

Jest to, jak widaæ, urz¹dzenie

doæ rozbudowane i zawiera bar-

dzo wiele podzespo³ów cyfro-

wych. Spe³niaj¹ one przede

wszystkim funkcje pomocnicze,

a najwa¿niejszym elementem urz¹-

dzenia jest uk³ad US1.

Jak ju¿ wczeniej zasygnali-

zowano, w jego wnêtrzu zinteg-

rowane s¹ wszystkie elementy

niezbêdne do prawid³owej gene-

racji sygna³ów: prostok¹tnego,

trójk¹tnego i sinusoidalnego.

Prze³¹cznik obrotowy Po1 spe³-

nia rolê selektora zakresu gene-

rowanych czêstotliwoci. Przy

Wype³nienie

przebiegu mo¿-

na modyfikowaæ

przy pomocy

napiêcia przy-

k³adanego do

wejcia DADJ .

Wa¿na jest nie

tylko wartoæ tego napiêcia, lecz

tak¿e jego polaryzacja. Zalecany

przez firmê Maxim zakres zmian

tego napiêcia wynosi ok. -

2,3..+2,3V. O ile uzyskanie sta-

bilnego napiêcia

dodatniego nie

stanowi zbytnie-

go problemu

(mamy przecie¿

do dyspozycji

wysokostabilne

ród³o napiêcia

odniesienia

o wartoci 2,5V,

które znajduje

siê we wnêtrzu

uk³adu

MAX038), to

uzyskanie napiê-

cia ujemnego

Rys. 4. Obszar SOAR dla uk³adu OPA603.

pomiêdzy potencja³y -2,5V i +2,5V

(wzglêdem masy uk³adu), umo¿-

liwiaj¹c p³ynn¹ zmianê wartoci

napiêcia na suwaku P1. Wzmac-

niacz US3A pracuje jako wtórnik

napiêciowy, a jego zadaniem jest

zmniejszenie impedancji wyjcio-

wej ród³a zasilaj¹cego wejcie

DADJ .

Jak widaæ na schemacie elek-

trycznym z rys.5, napiêcie z wy-

jcia wtórnika US3A podawane

jest na wejcie DADJ poprzez

klucz analogowy US2B. Klucz

ten wraz z US2D, spe³nia rolê

multipleksera analogowego, któ-

ry umo¿liwia sterowanie wejcia

DADJ napiêciem regulowanym

(co powoduje zmianê wspó³-

czynnika wype³nienia) lub zwie-

ra to wejcie do masy. Zasto-

Rys. 3. Wykres zale¿noci amplitudy napiêcia

wyjciowego od czêstotliwoci.

Elektronika Praktyczna 10/97

Generator funkcyjny 10MHz

Rys. 5. Schemat elektryczny generatora.

Elektronika Praktyczna 10/97

Generator funkcyjny 10MHz

ników US9A i US9B.

Kondensator C33 po-

woduje, ¿e po w³¹-

czeniu zasilania licz-

nik US9A/B ustawia

siê zawsze takim sa-

mym stanie.

Uk³ad US12A jest

dekoderem 2-bitowe-

go kodu dwójkowego

na 1 z 4. Jego wyjcia

zasilaj¹ diody wiec¹-

ce D11..13 sygnalizu-

j¹c, jaki przebieg

w danej chwili jest

generowany. Wejcia adresowe

tego uk³adu s¹ do³¹czone do

wyjæ Q licznika US9A/B. Rezys-

tory R32..34 ograniczaj¹ pr¹d

Rys. 7. Sposób zasilania uk³adów

scalonych generatora.

Rys. 6. Dzia³anie przerzutników t³umi¹cych

drgania styków.

p³yn¹cy przez diody wiec¹ce

D11..13.

Wejcia A0 i A1 uk³adu US1

nie s¹ sterowane bezporednio

z wyjæ licznika US9A/B. Wyni-

ka to z faktu, ¿e na s¹ one

przystosowane do sterowania po-

ziomami logicznymi zgodnymi

sowanie takiego rozwi¹zania jest

konieczne, poniewa¿ regulacja

wype³nienia nie zawsze jest wy-

korzystywana podczas prac la-

boratoryjnych, a w przypadku

korzystania z sygna³ów sinusoi-

dalnych jej wp³yw jest wrêcz

szkodliwy.

Odpowiednie sterowanie pra-

c¹ tych kluczy umo¿liwia pros-

ty uk³ad logiczny, sk³adaj¹cy

siê z: bramek NAND US11B,

US11C, US11D i przerzutnika

US8A. Bramki tworz¹ uk³ad

logiczny zapobiegaj¹cy mo¿li-

woci w³¹czenia regulatora wy-

pe³nienia wtedy, gdy wybrano

jako przebieg wyjciowy sinu-

soidê. Dzia³anie tej czêci uk³a-

du polega na wykrywaniu stanu

1 na wyjciu US9B i bloko-

waniu bramki US11C przez po-

ziom 0 z wyjcia bramki

US11B.

O kszta³cie generowanego prze-

biegu decyduj¹ stany logiczne

wejæ A0 i A1 uk³adu US1 (tab.1).

Wejcia te sterowane s¹ z wyjæ

przerzutników US9A i US9B. Prze-

rzutniki skonfigurowano jako

dwójki licz¹ce po³¹czone kaskado-

wo. Uzyskano w ten sposób 2-

bitowy licznik licz¹cy w cyklu

0..2.

W chwili pojawienia siê sta-

nu 3 (czyli jedynek na wy-

jciach Q US9A i US9B) obydwa

przerzutniki s¹ zerowane. De-

tekcja stanu 3 oraz zerowanie

przerzutników jest mo¿liwe

dziêki zastosowaniu bramki lo-

gicznej AND, wykonanej

z dwóch diod impulsowych - D5

i D6. Rezystor R26 umo¿liwia

pojawienie siê logicznej 1 na

wejciach zeruj¹cych przerzut-

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

P1, P3, P4: 10k

C25: 4,7nF

C26: 100nF

C27: 4,4

R6, R7, R30, R31: 1k

F (2,2

F+2,2

R1, R2, R13, R28, R29: 4,7k

C28, C29: 220

F/10V

C33: 2,2nF

C34: 470nF

C51, C52, C53, C54, C55, C56,

C57, C58, C59: 22

R3, R4: 4,3k

R8: 2,7k

R10: 330

CT: 2..18pF trymer

Pó³przewodniki

D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7:

1N4148

D9, D10, D11, D12, D13: LED

R11: 6,8k

R12: 4,7k

R15, R16, R17, R18, R19, R20,

R21, R22: 3,6k

D8, D9, D10, D11: 1N5401

T1: BS107

T2, T3, T4: BC547

US1: MAX038CPP

US2: 4066

US3: LM358

US4, US6: LMC6041

US5: OPA603

US7: 4044

US8, US9, US10: 4013

US11: 4011

US12: 4555

US13, US14: 7805

US15: 7905

US16: 7815

US17: 7915

Ró¿ne

Gn1, Gn2: BNC50 (przykrêcane

do obudowy)

Po1: Mikrostyk

Prz1: Przekanik G6H-2-U Omron

(lub podobny)

SW1, SW2, SW3, SW4:

mikroprze³¹czniki

R23, R24, R25: 30k

R27: 4,3k

R32, R33, R34: 910

R36, R37: 220

R38: 620

R41: 50

R42: 510

Kondensatory

C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7,

C8, C9, C10, C11, C23, C30,

C31, C32, C37, C38, C39, C41,

C42, C45, C46, C47, C48, C49,

C50: 100nF

C12, C13, C14, C15, C17, C19,

C21, C38, C39, C40: 47

F/25V

F/35V

C16, C18, C35, C36: 100

F/25V

C20: 10

F/25V

F/16V

C24: 30pF

Elektronika Praktyczna 10/97

P2: 1k

R5: 12k

R9: 820

R14: 2,2k

lub

R26: 18k

R35: 47

R39: 3k

C1, C2: 2200

C22: 2,2

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: