Generator Fungsi: 12 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:53

Instruksi ini menjelaskan desain generator fungsi berdasarkan rangkaian terintegrasi Analog Maxims MAX038

Generator fungsi adalah alat yang sangat berguna untuk orang-orang aneh elektronik. Ini diperlukan untuk menyetel sirkuit resonansi, menguji peralatan audio dan video, merancang filter analog dan untuk banyak tujuan berbeda lainnya.

Saat ini ada dua jenis utama generator fungsi; digital, (berbasis DSP, DDS…) yang semakin sering digunakan dan analog, yang merupakan asal-usulnya.

Kedua jenis tersebut memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing. Generator digital dapat menghasilkan sinyal dengan frekuensi yang sangat stabil, tetapi mereka memiliki masalah dengan menghasilkan sinyal sinus yang sangat murni (apa yang tidak masalah untuk analog). Juga generator fungsi menyebar terutama berdasarkan pendekatan DDS memiliki rentang pembangkitan frekuensi yang tidak begitu besar.

Sejak lama saya ingin merancang generator fungsi yang berguna, yang entah bagaimana dapat menggabungkan beberapa keunggulan dari kedua jenis generator (analog dan digital). Saya memutuskan untuk mendasarkan desain pada chip Maxim MAX038*

* Catatan - chip ini tidak lagi diproduksi dan dijual oleh Maxim. Ini sudah usang. Masih mungkin untuk menemukannya di eBay, Aliexpress dan situs lain untuk komponen elektronik.

Ada juga chip generator fungsi analog lainnya (XR2206 dari Exar, icl8038 dari Intersil), tapi saya punya

satu MAX038 tersedia, dan saya menggunakannya. Fitur digital dari generator fungsi dilakukan oleh satu chip Atmega328. Fungsi-fungsinya adalah sebagai berikut:

• mengontrol pemilihan rentang frekuensi
• mengontrol jenis sinyal (sinus, persegi panjang, segitiga, gigi gergaji)
• mengukur amplitudo sinyal
• mengukur offset DC
• mengukur frekuensi sinyal
• mengukur THD sinyal sinus dalam rentang audio (ini masih harus diterapkan)
• menampilkan semua informasi ini pada layar LCD karakter 16x2.

Langkah 1: Deskripsi MAX038

Saya telah melampirkan lembar data MAX038. Dapat dilihat parameter chip yang paling penting:

Rentang Frekuensi Operasi 0,1Hz hingga 20MHz

Bentuk Gelombang Segitiga, Gigi Gergaji, Sinus, Kotak, dan Pulsa

Penyesuaian Frekuensi dan Siklus Tugas Independen

Rentang Sapu Frekuensi 350 hingga 1

15% hingga 85% Siklus Tugas Variabel

Buffer Output Impedansi Rendah: 0,1Ω

Penurunan Suhu 200ppm / °C Rendah

Persyaratan penting lainnya adalah kebutuhan suplai ganda (±5V). Amplitudo keluaran tetap (~ 2 VP-P dengan 0 V DC offset).

Pada halaman 8 datasheet dapat dilihat diagram blok dari chip tersebut. Pada halaman 11 dapat dilihat rangkaian paling sederhana yang dapat digunakan untuk pembangkitan sinyal gelombang sinus. Rangkaian ini diambil sebagai dasar untuk desain generator fungsi.

Langkah 2: Sirkuit …

Pada gambar disajikan rangkaian generator fungsi saya membuat gambar ini dengan resolusi setinggi mungkin untuk menjamin bahwa setiap nilai.device dapat dibaca dengan benar. Skema terlihat cukup kompleks dan untuk dipahami lebih baik saya akan menjelaskan bagian-bagian utamanya secara terpisah. Banyak pembaca bisa menyalahkan saya bahwa sirkuit ini terlalu berlebihan. Itu benar. Pada awalnya Anda dapat melihat bahwa itu berisi dua chip MAX038. Alasannya adalah karena PCB mendukung kedua jenis paket SO dan DIP. Redundansi dapat dilihat juga di beberapa fungsi -

1) LED menunjukkan rentang frekuensi aktif saat ini, tetapi juga ditampilkan di LCD;

2) LED juga digunakan untuk menunjukkan jenis sinyal, tetapi LCD juga menunjukkan informasi ini

Desain dilakukan dengan cara ini untuk memberikan lebih banyak fleksibilitas kepada pengguna - di bawah keinginan dia tidak dapat menggunakan LCD, atau hanya dapat menghilangkan penyolderan LED. Saya telah menyoldernya untuk dapat men-debug fungsionalitas selama fase desain.

Dapat diperhatikan juga bahwa saya menggunakan banyak opamps. Beberapa dari mereka dapat dihilangkan tanpa masalah - terutama buffer. Saat ini opamps dengan sendirinya menawarkan redundansi besar - dalam satu paket Anda dapat menemukan 2, 4 bahkan 8 amplifier terpisah, dan ini dengan harga yang relatif rendah. Mengapa tidak menggunakannya?

Kapasitor pemfilteran juga redundan - setiap chip analog yang digunakan memiliki bank kapasitor sendiri (tantalum + kapasitor keramik untuk kedua suplai). Beberapa dari mereka juga dapat dihilangkan.

Langkah 3: Penjelasan Sirkuit - Catu Daya (1)

Seperti yang saya katakan generator ini membutuhkan pasokan ganda. Tegangan positif dibuat dengan menggunakan regulator tegangan linier 7805. Pasokan negatif dihasilkan oleh 7905 chip. Titik keran tengah transformator 2x6V terhubung ke landasan bersama papan. Catu daya yang dihasilkan - baik positif maupun negatif dipisahkan ke analog dan digital dengan chocks. Dua LED menunjukkan keberadaan setiap pasokan.

Langkah 4: Penjelasan Sirkuit - Kontrol Rentang Frekuensi (2)

Untuk menutupi rentang frekuensi yang besar digunakan beberapa kapasitor bank. Kapasitor memiliki nilai yang berbeda dan mereka menentukan sub-rentang frekuensi yang berbeda. Hanya satu dari kapasitor ini yang digunakan selama bekerja - pelat bawahnya diarde oleh sakelar transistor MOS. Pelat bawah kapasitor mana yang akan diarde dikendalikan oleh Atmega328 dengan menggunakan chip demultiplexer 74HC238. Sebagai sakelar MOS, saya menggunakan transistor BSS123. Persyaratan utama untuk sakelar ini adalah memiliki Ron yang rendah dan kapasitansi saluran serendah mungkin. Kontrol digital bank kapasitor dapat dihilangkan - PCB berisi lubang untuk menyolder kabel untuk sakelar putar mekanis.

Langkah 5: Penjelasan Sirkuit - Penyesuaian Frekuensi (3)

Pada gambar ditunjukkan rangkaian kontrol frekuensi dan duty cycle. Di sana saya menggunakan opamp LM358 standar (penguat ganda dalam satu paket). Saya juga menggunakan potensiometer ganda 10K.

Chip MAX038 menghasilkan referensi tegangan internal 2.5V, yang biasanya digunakan sebagai referensi untuk semua penyesuaian.

Tegangan ini diterapkan pada input pembalik IC8a dan menghasilkan referensi tegangan negatif yang digunakan untuk DADJ (penyesuaian siklus kerja). Kedua tegangan diterapkan pada potensiometer untuk DADJ, yang keran tengah disangga dan diterapkan ke pin DADJ dari chip MAX038. Jumper JP5 dapat digunakan untuk menonaktifkan fungsi DADJ, saat terhubung ke ground. Kontrol frekuensi "Kursus" dibentuk sebelumnya dengan mengubah arus yang tenggelam / bersumber pada pin MAX038 "IIN". Arus ini ditentukan oleh resistor R41 dan tegangan keluaran opamp buffering tap tengah dari potensiometer kontrol frekuensi kursus. Semua ini dapat diganti dengan potensiometer tunggal (dalam koneksi reostat) antara pin REF dan IIN MAX038.

Langkah 6: Penjelasan Sirkuit - Kontrol Amplitudo, Pembangkitan Sinyal SYNC… (4)

Seperti yang tertulis pada datasheet sinyal keluaran pf MAX038 memiliki amplitudo ~1 V dengan tegangan DC sama dengan potensial ground.

Saya ingin memiliki kemungkinan untuk mengontrol amplitudo sinyal dan dapat menentukan offset DC sendiri. Sebagai fitur tambahan saya ingin memiliki sinyal SYNC dengan level CMOS secara paralel dengan sinyal output. Secara default chip MAX038 menghasilkan sinyal seperti itu, tetapi dalam lembar data saya membaca bahwa jika fitur ini diaktifkan (apa artinya - pin DV+ terhubung ke 5V), beberapa puncak (noise) dapat diamati pada sinyal analog keluaran. sebersih mungkin dan untuk alasan itu saya menghasilkan sinyal SYNC secara eksternal. PCB dilakukan sedemikian rupa sehingga pin DV+ dapat dijembatani dengan mudah ke suplai utama. Pin SYNC dirutekan ke konektor BNC - hanya resistor 50 Ohm yang harus disolder. Dalam hal ini, sirkuit pembangkit sinyal SYNC dapat dihilangkan. Di sini seperti yang Anda lihat, saya juga menggunakan potensiometer ganda, tetapi mereka tidak terhubung secara paralel. Alasannya adalah - saya mengukur amplitudo secara relatif. Tegangan pada titik tengah satu potensiometer dirasakan oleh ADC Atmega328 dan amplitudo sinyal dihitung berdasarkan nilai ini. Tentu saja metode ini tidak terlalu tepat (bergantung pada pencocokan kedua bagian potensiometer, yang tidak selalu terjadi), tetapi cukup tepat untuk aplikasi saya. Pada rangkaian ini IC2A berfungsi sebagai penyangga tegangan. IC4A juga. Opamp IC2B bekerja sebagai penguat penjumlahan - ia menciptakan sinyal keluaran dari generator fungsional sebagai penjumlahan dari tegangan offset dan sinyal utama dengan amplitudo yang disesuaikan. Pembagi tegangan R15. R17 menghasilkan sinyal tegangan yang sesuai untuk mengukur offset sinyal utama DC. Hal ini dirasakan oleh Atmega328 ADC. Opamp IC4B berfungsi sebagai pembanding - ia mengontrol inverter generasi SYNC yang direalisasikan oleh dua transistor MOS (BSS123 dan BSS84). U6 (THS4281 - Texas Instruments) menggeser sinyal output yang dihasilkan oleh MAX038 DC dengan 2,5 V dan menguatkannya 1,5 kali. Sehingga sinyal yang dihasilkan diindera oleh AVR ADC dan diproses lebih lanjut dengan algoritma FFT. Pada bagian ini saya menggunakan opamp rail to rail kualitas tinggi dengan bandwidth 130 MHz (TI - LMH6619).

Agar mudah memahami bagaimana sebenarnya pembangkitan sinyal SYNC, cara kerjanya saya menyertakan beberapa gambar simulasi rangkaian LTSpice. Pada gambar ketiga: sinyal biru adalah tegangan offset (input dari IC2B). Yang hijau adalah sinyal keluaran dengan amplitudo yang disesuaikan. Yang merah adalah sinyal output dari generator fungsional, Kurva cyan adalah sinyal SYNC.

Langkah 7: Desain PCB

Saya menggunakan "Eagle" untuk mendesain PCB. Saya memesan PCB di "PCBway". Mereka hanya membutuhkan waktu empat hari untuk memproduksi papan dan seminggu untuk mengirimkannya. Kualitas mereka tinggi, dan harganya sangat rendah. Saya hanya membayar 13 USD untuk 10 PCB!

Selain itu saya bisa memesan PCB warna yang berbeda tanpa kenaikan harga. Saya telah memilih yang kuning:-).

Saya melampirkan file gerber sesuai dengan aturan desain "PCBway".

Langkah 8: Menyolder

Pertama saya menyolder perangkat sirkuit catu daya..

Setelah menguji blok suplai, saya telah menyolder chip Atmega328 dengan perangkat pendukungnya: kristal kuarsa, kapasitor, tutup filter dan konektor ISP. Seperti yang Anda lihat, saya memiliki jumper di jalur suplai chip AVR. Saya memutuskannya ketika saya memprogram chip melalui ISP. Saya menggunakan programmer USBtiny untuk tujuan itu.

Sebagai langkah selanjutnya saya menyolder chip de-mux 74HC238, LED menunjukkan rentang frekuensi. Saya memuat program Arduino kecil di chip Atmega, yang sedang menguji multiplexing. (lihat video di bawah tautan di atas)

Langkah 9: Menyolder…

Sebagai langkah selanjutnya saya menyolder opamp yang bekerja dalam mode DC (LM358) dan potensiometer penyesuaian frekuensi dan DADJ dan memeriksa semua fungsinya.

Selanjutnya saya menyolder sakelar BSS123, kapasitor penentu frekuensi dan chip MAX039. Saya menguji generator fungsional yang memeriksa sinyal pada output sinyal chip asli. (Anda dapat melihat Soviet lama saya, diproduksi tahun 1986, osiloskop masih berfungsi:-))

Langkah 10: Lebih Solder…

Setelah itu saya menyolder soket untuk layar LCD dan mengujinya dengan sketsa "Hello world".

Saya menyolder sisa opamp, kapasitor, potensiometer, dan konektor BNC lainnya.

Langkah 11: Perangkat Lunak

Untuk membuat firmware Atmega328 saya menggunakan Arduino IDE.

Untuk pengukuran frekuensi saya menggunakan perpustakaan "FreqCounter". File sketsa dan perpustakaan yang digunakan tersedia untuk diunduh. Saya telah membuat simbol khusus untuk mewakili mode yang saat ini digunakan (sinus, persegi panjang, segitiga).

Pada gambar diatas dapat dilihat informasi yang ditampilkan pada LCD:

• Frekuensi F = xxxxxxxxx dalam Hz
• Rentang frekuensi Rx
• Amplitudo dalam mV A=xxxx
• Offset dalam mV 0=xxxx
• jenis sinyal x

Generator fungsi memiliki dua tombol tekan di bagian depan di sisi kiri - mereka digunakan untuk mengubah rentang frekuensi (menaikkan -turun). Di sebelah kanannya adalah sakelar geser untuk mengendalikan mode, setelah itu dari kiri ke kanan mengikuti potensiometer untuk mengendalikan frekuensi (tentu saja, halus, DADJ), amplitudo dan offset. Dekat dengan potensiometer penyesuaian offset ditempatkan sakelar yang digunakan untuk berpindah antara offset tetap pada 2.5V DC dan yang disetel.

Saya telah menemukan kesalahan kecil dalam kode "Generator.ino" dalam file ZIP - simbol untuk bentuk gelombang sinus dan segitiga ditukar. Dalam satu file "Generator.ino" yang dilampirkan di sini, kesalahan diperbaiki.

Langkah 12: Selesai…

Sebagai langkah terakhir saya bermaksud untuk menerapkan fitur tambahan - pengukuran THD sinyal sinus frekuensi audio secara real time menggunakan FFT. Ini diperlukan, karena siklus kerja sinyal sinus dapat berbeda dari 50%, yang dapat disebabkan oleh ketidakcocokan chip internal dan alasan lain dan dapat menyebabkan distorsi harmonik. Siklus kerja dapat diatur oleh potensiometer, tetapi tanpa mengamati sinyal pada osiloskop atau penganalisis spektrum, tidak mungkin untuk memotong bentuknya dengan baik. Menghitung THD berdasarkan algoritma FFT bisa memecahkan masalah. Hasil perhitungan THD akan ditampilkan pada LCD di ruang kosong kanan atas.

Pada video dapat dilihat spektrum yang dihasilkan oleh sinyal sinus MAX038. Penganalisis spektrum didasarkan pada papan Arduino UNO + pelindung TFT 2,4 . Penganalisis spektrum menggunakan perpustakaan SpltRadex Arduino yang dikembangkan oleh Anatoly Kuzmenko untuk melakukan FFT secara real time.

Saya masih belum memutuskan - untuk menggunakan perpustakaan ini atau menggunakan perpustakaan FHT yang dibuat oleh Musiclabs.

Saya bermaksud menggunakan informasi yang diambil dari pengukuran pengukur frekuensi untuk menghitung jendela pengambilan sampel yang tepat dan untuk menangguhkan penggunaan jendela tambahan selama perhitungan FFT. Saya hanya perlu mencari waktu luang untuk mewujudkannya. Semoga segera ada hasilnya….