Функционалды генератор: 12 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:22

Бұл нұсқаулық MAX038 Maxims's Analog интегралды схемасына негізделген функция генераторының дизайнын сипаттайды

Функция генераторы - электрониканың тентектері үшін өте пайдалы құрал. Ол резонанстық тізбектерді баптауға, аудио және бейнежабдықтарды тексеруге, аналогтық сүзгілерді жобалауға және басқа да әр түрлі мақсаттарға қажет.

Бүгінгі таңда функционалды генераторлардың екі негізгі түрі бар; цифрлық, (DSP негізіндегі, DDS…) олар жиі қолданылады және аналогы, олар шығу тегі болды.

Екі түрдің де артықшылықтары мен кемшіліктері бар. Цифрлық генераторлар өте тұрақты жиіліктегі сигналдарды шығара алады, бірақ оларда өте таза синус сигналдарын шығаруда проблемалар бар (бұл аналогтық үшін проблема емес). Сондай -ақ, DDS әдісіне негізделген негізінен таралған функционалды генераторлар жиілік генерациясының үлкен диапазонына ие емес.

Ұзақ уақыттан бері мен генератордың екі түрінің де (аналогтық және цифрлық) кейбір артықшылықтарын біріктіре алатын пайдалы функционалды генераторды құрғым келді. Мен дизайнды MAX038 чипіне негіздеуді шештім*

* Ескерту - бұл чипті енді Максим өндірмейді және сатпайды. Ол ескірген. Оны eBay, Aliexpress және электронды компоненттерге арналған басқа сайттардан әлі де табуға болады.

Басқа аналогтық функция генераторларының чиптері де бар (Exar XR2206, Intersil icl8038), бірақ менде

бір MAX038 қол жетімді, мен оны қолдандым. Функционалды генератордың цифрлық мүмкіндіктерін бір Atmega328 чипі орындады. Оның функциялары келесідей:

• жиілік диапазонын таңдауды басқарады
• сигнал түрін басқарады (синус, тікбұрышты, үшбұрышты, аралау тісі)
• сигналдың амплитудасын өлшейді
• тұрақты токтың ығысуын өлшейді
• сигнал жиілігін өлшейді
• синус сигналының THD дыбыс диапазонында өлшейді (бұл әлі де орындалуы керек)
• барлық ақпаратты таңбалы 16x2 дисплейде көрсетеді.

1 -қадам: MAX038 сипаттамасы

Мен MAX038 мәліметтер кестесін тіркедім, онда чиптің ең маңызды параметрлерін көруге болады:

♦ 0,1 Гц - 20 МГц жұмыс жиілігі диапазоны

♦ Үшбұрыш, ағаш тіс, синус, шаршы және импульстік толқындар

♦ Тәуелсіз жиілік пен кезекшілік циклді түзету

♦ 350 -ден 1 -ге дейінгі жиіліктер ауқымы

♦ 15% -дан 85% -ға дейін ауыспалы қызметтік цикл

♦ Төмен кедергісі бар шығыс буфері: 0.1Ω

♦ Төмен 200 ppm/° C Температура дрейфі

Тағы бір маңызды талап - қосарлы жеткізу қажеттілігі (± 5В). Шығу амплитудасы бекітілген (0 В тұрақты токтың ығысуымен ~ 2 VP-P).

Мәліметтер парағының 8-бетінде чиптің блок-схемасын көруге болады. 11 -бетте синусоидалық сигналды генерациялауға болатын ең қарапайым схеманы көруге болады. Бұл схема функционалды генераторды жобалау үшін негіз болды.

2 -қадам: Цикл …

Суретте функцияның генераторының тізбегі берілген. Мен бұл суретті мүмкіндігінше жоғары ажыратымдылықпен жасадым. Схемалар өте күрделі болып көрінеді және жақсы түсіну үшін мен оның негізгі бөліктерін бөлек түсіндіремін. Көптеген оқырмандар мені тізбек тым артық деп кінәлауы мүмкін. Бұл шындық. Алдымен оның құрамында MAX038 екі чипі бар екенін көруге болады. ПХД SO және DIP пакеттерінің екеуін де қолдайды. Қысқартуды кейбір функцияларда да көруге болады -

1) жарық диодты шамалар ағымдағы белсенді жиілік диапазонын көрсетеді, бірақ ол СКД дисплейінде де көрсетіледі;

2) Жарық диодтары сигнал түрін көрсету үшін де қолданылады, сонымен қатар СКД бұл ақпаратты көрсетеді

Дизайн пайдаланушыға икемділік беру үшін осылай жасалған - қалауы бойынша ол СКД -ды қолдана алмады немесе жарықдиодты дәнекерлеуді өткізіп жіберуі мүмкін. Мен оларды дизайн кезеңдерінде функционалдылықты түзету үшін дәнекерледім.

Опамдарды көп қолданатынымды байқауға болады. Олардың кейбіреулерін проблемасыз алып тастауға болады - әсіресе буферлер. Қазіргі уақытта опампалар үлкен резервті ұсынады - бір пакетте сіз 2, 4, тіпті 8 бөлек күшейткішті таба аласыз, бұл салыстырмалы түрде төмен бағамен. Неге оларды пайдаланбасқа?

Фильтрлеу конденсаторлары да артық - әр аналогты чиптің өзінің конденсаторлық банкі бар (тантал + керамикалық конденсаторлардың екеуі де). Олардың кейбіреулерін елемеуге де болады.

3 -қадам: Схеманың түсіндірмесі - қуат көзі (1)

Мен айтқанымдай, бұл генератор қосарлы жеткізуді қажет етеді. Оң кернеу 7805 желілік кернеу реттегішін қолдану арқылы жасалады. Теріс жеткізу 7905 чипі арқылы жасалады. 2х6В трансформатордың орта шүмегі тақтаның ортақ жеріне қосылған. Өндірілетін қуат көздері - оң да, теріс те аналогты және цифрлық болып ажыратылады. Екі жарық диоды әр қоректендірудің болуын көрсетеді.

4 -қадам: Циклды түсіндіру - жиілік диапазонын басқару (2)

Үлкен жиіліктегі диапазонды жабу үшін конденсаторлық бірнеше банк қолданылады. Конденсаторлардың әр түрлі мәндері бар және олар әр түрлі жиілік диапазондарын анықтайды. Жұмыс кезінде осы конденсаторлардың біреуі ғана қолданылады - оның төменгі тақтасы MOS транзисторлық қосқышымен жерге тұйықталған. Жерге қосылатын конденсаторлардың қайсысы 74HC238 демультиплексорлық чиптің көмегімен Atmega328 көмегімен басқарылады. MOS қосқыштары ретінде мен BSS123 транзисторларын қолдандым. Бұл коммутаторға қойылатын негізгі талап - төмен Рон мен ағызу сыйымдылығының ең төмен болуы. Конденсатор банкінің цифрлық бақылауын алып тастауға болады - ПХД -да механикалық айналмалы қосқышқа сымдарды дәнекерлеуге арналған тесіктер бар.

5 -қадам: Циклды түсіндіру - жиілікті реттеу (3)

Суретте жиілікті және жұмыс циклін басқару циклін көрсетеді. Онда мен стандартты LM358 опампты қолдандым (бір пакеттегі қос күшейткіш). Мен қосарланған 10K потенциометрлерді де қолдандым.

MAX038 чипі 2,5 В ішкі кернеуге сілтеме жасайды, ол әдетте барлық реттеулерге сілтеме ретінде қолданылады.

Бұл кернеу IC8a инверторлы кірісінде қолданылады және ол DADJ үшін қолданылатын кернеудің теріс сілтемесін жасайды (жұмыс циклін реттеу). Екі кернеу де DADJ потенциометрінде қолданылады, оның ортаңғы шүмегі буферленген және MAX038 чипінің DADJ түйреуішіне қолданылады. JP5 қосқышы жерге қосылған кезде DADJ функциясын өшіру үшін қолданыла алады. «Курс» жиілігін басқару MAX038 «ЖСН» түйреуішінің ағымдағы батырмасын / көзін өзгерту арқылы алдын ала жасалады. Бұл ток R41 резисторымен және оптикалық буферлік шығыс кернеуімен курстық жиілікті бақылау потенциометрінің ортаңғы шүмегімен анықталады. Осының барлығын REF пен IIN MAX038 түйреуіштері арасындағы бір потенциометрмен (реостат байланысында) ауыстыруға болады.

6 -қадам: Циклды түсіндіру - амплитудасын бақылау, SYNC сигнал генерациясы … (4)

Мәліметтер кестесінде жазылғандай, px MAX038 шығыс сигналы ~ 1 В амплитудасы бар, кернеуі жердегі потенциалға тең.

Мен сигнал амплитудасын басқаруға және тұрақты токтың ығысуын өзім анықтай алатын мүмкіндікке ие болғым келді. Қосымша функция ретінде мен шығыс сигналына параллель CMOS деңгейлері бар SYNC сигналын алғым келді. Әдепкі бойынша MAX038 чипі осындай сигналды шығарады, бірақ мен деректер парағында оқыдым, егер бұл мүмкіндік қосылған болса (5В қосылған DV+ түйіні), аналогтық шығыс сигналында кейбір шыңдарды (шу) байқауға болады. ол мүмкіндігінше таза, сондықтан мен SYNC сигналын сырттан жасадым. ПХД DV+ түйреуішін негізгі жеткізілімге оңай қосылатындай етіп жасалған. SYNC түйрегіші BNC қосқышына бағытталады - тек 50 Ом резисторды дәнекерлеу керек. Бұл жағдайда SYNC сигналын генерациялау схемасын алып тастауға болады. Көріп отырғаныңыздай, мен қос потенциометрді қолданамын, бірақ олар параллель қосылмайды. Мұның себебі - мен амплитудасын салыстырмалы түрде өлшеймін. Бір потенциометрдің ортаңғы нүктесіндегі кернеуді Atmega328 ADC сезеді және осы шаманың негізінде сигнал амплитудасы есептеледі. Әрине, бұл әдіс өте дәл емес (ол әрқашан бола бермейтін потенциометрдің екі бөлімінің сәйкестігіне сүйенеді), бірақ бұл менің қосымшаларым үшін жеткілікті дәл. Бұл тізбекте IC2A кернеу буфері ретінде жұмыс істейді. IC4A сонымен қатар. IC2B опампасы жинақтау күшейткіші ретінде жұмыс істейді - ол функционалды генератордың шығыс сигналын офсеттік кернеудің қосындысы ретінде және реттелетін амплитудасы бар негізгі сигнал ретінде жасайды. R15. R17 кернеу бөлгіші тұрақты токтың негізгі сигналының ығысуын өлшеуге қолайлы кернеу сигналын шығарады. Оны Atmega328 ADC сезеді. IC4B опампары компаратор ретінде жұмыс істейді - ол екі MOS транзисторы (BSS123 және BSS84) жүзеге асыратын SYNC генераторлық инверторын басқарады. U6 (THS4281 - Texas Instruments) MAX038 DC шығаратын шығыс сигналын 2,5 В кернеумен ауыстырады және оны 1,5 есе күшейтеді. Осылайша алынған сигнал AVR ADC арқылы сезіледі және одан әрі FFT алгоритмімен өңделеді. Бұл бөлімде мен өткізу қабілеті 130 МГц (TI - LMH6619) бар опампалар үшін жоғары сапалы рельсті қолдандым.

SYNC сигналының генерациясы қалай жұмыс істейтінін түсіну оңай болуы үшін мен LTSpice схемасының кейбір модельдерін қосамын. Үшінші суретте: көк сигнал - ығысу кернеуі (IC2B кірісі). Жасыл - амплитудасы реттелген шығыс сигналы. Қызыл - функционалды генератордың шығыс сигналы, Көгілдір қисық - SYNC сигналы.

7 -қадам: ПХД дизайны

Мен ПХД жобалау үшін «Бүркітті» қолдандым. Мен ПХД -ны «PCBway» -ге тапсырыс бердім. Оларға тақталарды шығаруға төрт күн, ал жеткізуге бір апта уақыт кетті. Олардың сапасы жоғары, бағасы да өте төмен. Мен 10 ПХД үшін 13 АҚШ долларын ғана төледім!

Бұған қоса, мен бағаны көтерместен әр түрлі түсті ПХД тапсырыс бере аламын. Мен сары түстерді таңдадым:-).

Мен gerber файлдарын «PCBway» дизайн ережелеріне сәйкес тіркеймін.

8 -қадам: дәнекерлеу

Алдымен мен электрмен жабдықтаудың схемалық құрылғыларын дәнекерледім.

Жеткізу блогын тексергеннен кейін мен Atmega328 чипін оның тірек құрылғыларымен дәнекерледім: кварц кристалы, конденсаторлар, сүзгі қақпақтары және ISP қосқышы. Көріп отырғаныңыздай, менде AVR чипінің жеткізу желісінде секіргіш бар. Мен чипті провайдер арқылы бағдарламалаған кезде оны ажыратамын. Мен USBtiny бағдарламашысын осы мақсатта қолданамын.

Келесі қадам ретінде мен 74HC238 de-mux чипін дәнекерледім, диодты диод жиілік диапазонын көрсетеді. Мен мультиплекстеуді тексеретін Atmega чипіне шағын Arduino бағдарламасын жүктедім. (жоғарыдағы сілтемедегі бейнені қараңыз)

9 -қадам: дәнекерлеу…

Келесі қадам ретінде мен DC режимінде (LM358) жұмыс істейтін опампаларды, жиілікті және DADJ реттеу потенциометрлерін дәнекерледім және олардың барлық функцияларын тексердім.

Содан кейін мен BSS123 қосқыштарын, жиілікті анықтайтын конденсаторларды және MAX039 чипін дәнекерледім. Мен сигналды жергілікті чип сигналының шығысында тексеретін функционалды генераторды сынап көрдім. (Сіз менің ескі кеңесті көре аласыз, 1986 жылы шығарылған, әлі де жұмыс істейтін осциллограф:-))

10 -қадам: Қосымша дәнекерлеу…

Осыдан кейін мен СКД дисплейінің розеткасын дәнекерлеп, оны «Сәлем әлемі» эскизімен сынап көрдім.

Мен қалған қалған опампаларды, конденсаторларды, потенциометрлер мен BNC коннекторларын дәнекерледім.

11 -қадам: Бағдарламалық қамтамасыз ету

Atmega328 микробағдарламасын жасау үшін мен Arduino IDE қолдандым.

Жиілікті өлшеу үшін мен «FreqCounter» кітапханасын қолдандым. Эскиздік файл мен пайдаланылған кітапхананы жүктеуге болады. Мен қазіргі кездегі режимді (синус, тікбұрышты, үшбұрыш) бейнелеу үшін арнайы белгілер жасадым.

Жоғарыдағы суретте СКД көрсетілген ақпаратты көруге болады:

• Жиілік F = xxxxxxxx Гц
• Rx жиілік диапазоны
• АмВлитудасы mV A = xxxx
• MV 0 = xxxx бойынша ығысу
• x түрінің сигналы

Функционалды генератордың алдыңғы жағында сол жақта екі түйме бар - олар жиілік диапазонын өзгерту үшін қолданылады (жоғары -төмен қадам). Олардың оң жағында режимді басқаруға арналған сырғытқыш бар, содан кейін солдан оңға қарай жиілікті (курс, жақсы, DADJ), амплитудасы мен ығысуын бақылау үшін потенциометрді ұстаныңыз. Айнымалы реттеу потенциометрінің жанында тұрақты ток кернеуі 2,5 В және реттелген арасындағы ауысу үшін қолданылатын қосқыш орналастырылған.

Мен ZIP файлындағы «Generator.ino» кодында кішкене қате таптым - синус және үшбұрышты толқын формаларының таңбалары ауыстырылды. Мұнда тіркелген жалғыз «Generator.ino» файлында қате түзетіледі.

12 -қадам: Орындалуы керек …

Соңғы қадам ретінде мен FFT көмегімен нақты уақыт режимінде дыбыстық жиіліктің синусын сигналының THD -ін өлшеуді ұсынамын. Бұл қажет, себебі синус сигналының жұмыс циклы 50%-дан өзгеше болуы мүмкін, бұл ішкі чиптің сәйкессіздігі мен басқа себептерге байланысты болуы мүмкін және гармоникалық бұрмаланулар тудыруы мүмкін. Жұмыс циклын потенциометр көмегімен реттеуге болады, бірақ осциллографтағы немесе спектрлік анализатордағы сигналды байқамай оның пішінін кесу мүмкін емес. FFT алгоритміне негізделген THD есептеу мәселені шешуі мүмкін. THD есептеулерінің нәтижесі СКД дисплейінде оң жақ жоғарғы бос кеңістікте көрсетіледі.

Бейнеде MAX038 синус сигналының генерацияланған спектрін көруге болады. Спектр анализаторы Arduino UNO тақтасы + 2,4 «TFT қалқанына негізделген. Спектр анализаторы Анатолий Кузьменко әзірлеген SpltRadex Arduino кітапханасын FFT нақты уақытта орындау үшін пайдаланады.

Мен әлі шешкен жоқпын - бұл кітапхананы пайдалану немесе Musiclabs жасаған FHT кітапханасын пайдалану.

Мен жиілікті өлшеуіштерден алынған ақпаратты іріктеудің тиісті терезесін есептеу үшін және FFT есептеулері кезінде қосымша терезені пайдалануды тоқтату үшін қолданғым келеді. Мұны істеу үшін маған бос уақыт керек. Жақында кейбір нәтижелер болады деп үміттенемін ….