ფუნქციის გენერატორი: 12 ნაბიჯი (სურათებით)

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:15

ეს ინსტრუქცია აღწერს ფუნქციის გენერატორის დიზაინს Maxims– ის ანალოგური ინტეგრირებული წრის MAX038 საფუძველზე

ფუნქციის გენერატორი არის ძალიან სასარგებლო ინსტრუმენტი ელექტრონიკის ფრეკებისათვის. ის საჭიროა რეზონანსული სქემების დასარეგულირებლად, აუდიო და ვიდეო აღჭურვილობის შესამოწმებლად, ანალოგური ფილტრების შემუშავებისთვის და მრავალი სხვა განსხვავებული მიზნისთვის.

დღეს ფუნქციონირების გენერატორების ორი ძირითადი ტიპი არსებობს; ციფრული, (DSP დაფუძნებული, DDS…) რომლებიც უფრო და უფრო ხშირად გამოიყენება და ანალოგური, რომლებიც წარმოიშვა.

ორივე ტიპს აქვს თავისი დადებითი და უარყოფითი მხარეები. ციფრულ გენერატორებს შეუძლიათ შექმნან სიგნალები ძალიან სტაბილური სიხშირით, მაგრამ მათ აქვთ პრობლემები ძალიან სუფთა სინუსური სიგნალების წარმოქმნასთან (რაც არ არის პრობლემა ანალოგისთვის). ასევე ძირითადად გავრცელებული ფუნქციის გენერატორებს DDS მიდგომის საფუძველზე აქვთ არც ისე დიდი სიხშირის გენერაციის დიაპაზონი.

დიდი ხანია მინდოდა შემექმნა სასარგებლო ფუნქციის გენერატორი, რომელსაც როგორმე შეერწყა ორივე ტიპის (ანალოგური და ციფრული) გენერატორების ზოგიერთი უპირატესობა. მე გადავწყვიტე დიზაინი დამემყარებინა Maxim ჩიპზე MAX038*

* შენიშვნა - ეს ჩიპი აღარ არის წარმოებული და გაყიდული მაქსიმის მიერ. ის მოძველებულია. მისი პოვნა ჯერ კიდევ შესაძლებელია eBay, Aliexpress და სხვა საიტებზე ელექტრონული კომპონენტებისათვის.

ასევე არსებობს სხვა ანალოგური ფუნქციის გენერატორის ჩიპები (XR2206 Exar– დან, icl8038 Intersil– დან), მაგრამ მე მქონდა

ერთი MAX038 ხელმისაწვდომია და მე გამოვიყენე. ფუნქციის გენერატორის ციფრული მახასიათებლები შესრულდა ერთი Atmega328 ჩიპით. მისი ფუნქციები შემდეგია:

• აკონტროლებს სიხშირის დიაპაზონის შერჩევას
• აკონტროლებს სიგნალის ტიპს (სინუსური, მართკუთხა, სამკუთხა, ხერხი)
• ზომავს სიგნალის ამპლიტუდას
• ზომავს DC ოფსეტს
• ზომავს სიგნალის სიხშირეს
• ზომავს სინუსის სიგნალის THD აუდიო დიაპაზონში (ეს ჯერ კიდევ უნდა განხორციელდეს)
• აჩვენებს მთელ ამ ინფორმაციას პერსონაჟის 16x2 LCD ეკრანზე.

ნაბიჯი 1: MAX038 აღწერა

მე დავამატე MAX038 მონაცემთა ცხრილი. აქ ჩანს ყველაზე მნიშვნელოვანი ჩიპის პარამეტრები:

♦ 0.1Hz to 20MHz ოპერაციული სიხშირის დიაპაზონი

♦ სამკუთხედი, ხერხი, სინუსი, კვადრატი და პულსის ტალღების ფორმები

♦ სიხშირისა და მოვალეობის ციკლის დამოუკიდებელი რეგულირება

♦ 350 -დან 1 სიხშირის გაშვების დიაპაზონი

♦ 15% -დან 85% -მდე ცვლადი მოვალეობის ციკლი

♦ დაბალი წინაღობის გამომავალი ბუფერი: 0.1Ω

♦ დაბალი 200ppm/° C ტემპერატურის დრიფტი

კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი მოთხოვნაა ორმაგი მიწოდების საჭიროება (± 5V). გამომავალი ამპლიტუდა ფიქსირდება (2 VP-P 0 V DC ოფსეტურით).

მონაცემთა ცხრილის 8 გვერდზე ჩანს ჩიპის ბლოკ-დიაგრამა. მე –11 გვერდზე ჩანს უმარტივესი წრე, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას სინუსური ტალღის სიგნალის წარმოქმნისათვის. ეს სქემა საფუძვლად დაედო ფუნქციის გენერატორის დიზაინს.

ნაბიჯი 2: წრე…

სურათზე წარმოდგენილია ფუნქციის გენერატორის წრე, მე გავაკეთე ეს სურათი უმაღლესი რეზოლუციით, რათა უზრუნველვყოთ თითოეული მოწყობილობის მნიშვნელობის სწორად წაკითხვა. სქემები საკმაოდ რთულად გამოიყურება და უკეთ გასაგებად ცალკე განვმარტავ მის ძირითად ნაწილებს. ბევრმა მკითხველმა შეიძლება დამადანაშაულოს, რომ წრე ძალიან ზედმეტია. Ეს სიმართლეა. თავიდან ხედავთ, რომ ის შეიცავს ორ MAX038 ჩიპს. მიზეზი ის არის, რომ PCB მხარს უჭერს ორივე ტიპის პაკეტს SO და DIP. ჭარბი რაოდენობა ასევე ჩანს ზოგიერთ ფუნქციებში -

1) LED- ები აჩვენებს მიმდინარე აქტიური სიხშირის დიაპაზონს, მაგრამ ის ასევე ნაჩვენებია LCD- ზე;

2) LED- ები ასევე გამოიყენება სიგნალის ტიპზე, მაგრამ ასევე LCD აჩვენებს ამ ინფორმაციას

დიზაინი კეთდება ისე, რომ მომხმარებელს მეტი მოქნილობა მისცეს - სურვილისამებრ მას არ შეეძლო LCD- ის გამოყენება, ან უბრალოდ გამოტოვებულიყო LED- ების შედუღება. მე გავამაგრე ისინი, რომ შეძლონ ფუნქციონირების გამართვა დიზაინის ფაზების დროს.

ასევე შეიძლება აღინიშნოს, რომ მე ბევრ ოპამპს ვიყენებ. ზოგიერთი მათგანი შეიძლება გამოტოვდეს უპრობლემოდ - განსაკუთრებით ბუფერები. დღევანდელ დროში opamps საკუთარი თავის მიერ გვთავაზობს დიდ გადაჭარბებას - ერთ პაკეტში შეგიძლიათ იპოვოთ 2, 4 და 8 ცალკეული გამაძლიერებელი და ეს შედარებით დაბალ ფასად. რატომ არ გამოვიყენოთ ისინი?

ზედმეტია ფილტრაციის კონდენსატორებიც - თითოეულ ანალოგიურ ჩიპს აქვს თავისი კონდენსატორების ბანკი (ტანტალი + კერამიკული კონდენსატორები ორივე მარაგისათვის). ზოგიერთი მათგანის გამოტოვებაც შესაძლებელია.

ნაბიჯი 3: მიკროსქემის ახსნა - ელექტრომომარაგება (1)

როგორც ვთქვი, ეს გენერატორი მოითხოვს ორმაგ მიწოდებას. დადებითი ძაბვა იქმნება 7805 ხაზოვანი ძაბვის რეგულატორის გამოყენებით. უარყოფითი მიწოდება წარმოიქმნება 7905 ჩიპით. 2x6V ტრანსფორმატორის შუა ჩამოსასხმელი წერტილი უკავშირდება დაფის საერთო ადგილს. გამომუშავებული ელექტრომომარაგება - დადებითიც და უარყოფითიც გამოყოფილია ანალოგურ და ციფრულ ბლოკად. ორი LED მიუთითებს თითოეული მარაგის არსებობაზე.

ნაბიჯი 4: მიკროსქემის ახსნა - სიხშირის დიაპაზონის კონტროლი (2)

დიდი სიხშირის დიაპაზონის დასაფარავად გამოიყენება მრავალჯერადი კონდენსატორის ბანკი. კონდენსატორებს აქვთ განსხვავებული მნიშვნელობები და ისინი განსაზღვრავენ სხვადასხვა სიხშირის ქვე -დიაპაზონს. მუშაობის დროს გამოიყენება მხოლოდ ერთი კონდენსატორი - მისი ქვედა ფირფიტა დასაბუთებულია MOS ტრანზისტორი გადამრთველით. რომელი კონდენსატორების ქვედა ფირფიტაა დასაბუთებული აკონტროლებს Atmega328 დემულტიპლექსერის ჩიპის 74HC238 გამოყენებით. როგორც MOS კონცენტრატორები მე გამოვიყენე BSS123 ტრანზისტორი. ამ გადართვის მთავარი მოთხოვნა არის დაბალი რონი და რაც შეიძლება დაბალი სანიაღვრე ტევადობა. კონდენსატორის ბანკის ციფრული კონტროლი შეიძლება გამოტოვებული იყოს - PCB შეიცავს ხვრელებს მექანიკური მბრუნავი გადამრთველისთვის მავთულის შესადუღებლად.

ნაბიჯი 5: მიკროსქემის ახსნა - სიხშირის რეგულირება (3)

სურათზე ნაჩვენებია სიხშირისა და სამუშაო ციკლის კონტროლის წრე. იქ გამოვიყენე სტანდარტული LM358 opamp (ორმაგი გამაძლიერებელი ერთ პაკეტში). მე ასევე გამოვიყენე ორმაგი 10K პოტენომეტრი.

MAX038 ჩიპი ქმნის შიდა ძაბვის მითითებას 2.5V, რომელიც ჩვეულებრივ გამოიყენება როგორც მითითება ყველა კორექტირებისთვის.

ეს ძაბვა გამოიყენება IC8a– ს ინვერსიული შეყვანისას და ის წარმოქმნის უარყოფით ძაბვას, რომელიც გამოიყენება DADJ– სთვის (სამუშაო ციკლის რეგულირება). ორივე ძაბვა გამოიყენება პოტენომეტრზე DADJ– სთვის, რომლის შუა ონკანი ბუფერულია და გამოიყენება MAX038 ჩიპის DADJ პინზე. Jumper JP5 შეიძლება გამოყენებულ იქნას DADJ ფუნქციის გამორთვისთვის, როდესაც მიწასთან არის დაკავშირებული. "კურსის" სიხშირის კონტროლი მზადდება MAX038 "IIN" პინში არსებული ჩაძირული / წყაროს შეცვლით. ეს დენი განისაზღვრება რეზისტორი R41 და გამავალი ძაბვით, რომელიც ამცირებს კურსის სიხშირის კონტროლის პოტენომეტრის შუა ონკანს. ეს ყველაფერი შეიძლება შეიცვალოს ერთი პოტენომეტრით (რეოსტატის კავშირში) REF და IIN MAX038 ქინძისთავებს შორის.

ნაბიჯი 6: მიკროსქემის ახსნა - ამპლიტუდის კონტროლი, SYNC სიგნალის წარმოქმნა… (4)

როგორც მონაცემთა ფურცელში წერია, MAX038 გამომავალი სიგნალი აქვს ამპლიტუდა 1 V DC ძაბვით ტოლი გრუნტის პოტენციალთან.

მინდოდა მქონოდა სიგნალის ამპლიტუდის გაკონტროლების შესაძლებლობა და მე თვითონ შემეძლო გამერკვია DC კომპენსაცია. როგორც დამატებითი ფუნქცია, მინდოდა მქონოდა SYNC სიგნალი CMOS დონეზე, გამომავალი სიგნალის პარალელურად. სტანდარტულად MAX038 ჩიპი წარმოქმნის ასეთ სიგნალს, მაგრამ მონაცემთა ცხრილში ვკითხულობ, რომ თუ ეს ფუნქცია ჩართულია (რას ნიშნავს - DV+ pin დაკავშირებულია 5V), ზოგიერთი მწვერვალი (ხმაური) შეიმჩნევა გამომავალ ანალოგურ სიგნალში. მინდოდა შეენარჩუნებინა ის მაქსიმალურად სუფთა იყო და ამ მიზეზით გარედან წარმოქმნიდა SYNC სიგნალს. PCB კეთდება ისე, რომ DV+ pin შეიძლება ადვილად გადალახოს მთავარ წყაროს. SYNC pin მიმაგრებულია BNC კონექტორზე - მხოლოდ 50 Ohm რეზისტორი უნდა იყოს soldered. ამ შემთხვევაში, SYNC სიგნალის წარმოქმნის სქემის გამოტოვება შესაძლებელია. როგორც ხედავთ, მე ასევე ვიყენებ ორმაგ პოტენომეტრებს, მაგრამ ისინი პარალელურად არ არის დაკავშირებული. ამის მიზეზი არის - მე შედარებით ვზომავ ამპლიტუდას. ძაბვა ერთი პოტენომეტრის შუა წერტილში იგრძნობა Atmega328 ADC და სიგნალის ამპლიტუდა გამოითვლება ამ მნიშვნელობიდან გამომდინარე. რა თქმა უნდა, ეს მეთოდი არ არის ძალიან ზუსტი (ის ემყარება ორივე პოტენომეტრის მონაკვეთის თანხვედრას, რაც ყოველთვის არ ხდება), მაგრამ ის საკმაოდ ზუსტია ჩემი გამოყენებისთვის. ამ წრეში IC2A მუშაობს როგორც ძაბვის ბუფერი. IC4A ასევე. IC2B opamp მუშაობს როგორც შემაჯამებელი გამაძლიერებელი - ის ქმნის ფუნქციური გენერატორის გამომავალ სიგნალს, როგორც ოფსეტური ძაბვის ჯამი და ძირითადი სიგნალი მორგებული ამპლიტუდით. ძაბვის გამყოფი R15. R17 ქმნის შესაბამის ძაბვის სიგნალს DC ძირითადი სიგნალის ოფსეტური გაზომვისთვის. ის იგრძნობა Atmega328 ADC– ით. IC4B opamp მუშაობს როგორც შედარება - ის აკონტროლებს SYNC თაობის ინვერტორს, რომელიც განხორციელებულია ორი MOS ტრანზისტორით (BSS123 და BSS84). U6 (THS4281 - Texas Instruments) ცვლის MAX038 DC– ით გამომუშავებულ სიგნალს 2.5 V– ით და აძლიერებს მას 1.5 – ჯერ. ასე წარმოქმნილი სიგნალი იგრძნობა AVR ADC– ით და შემდგომ დამუშავდება FFT ალგორითმით. ამ ნაწილში მე გამოვიყენე მაღალი ხარისხის სარკინიგზო მაგისტრალები 130 MHz გამტარუნარიანობით (TI - LMH6619).

იმის გასაგებად, თუ როგორ მუშაობს ზუსტად SYNC სიგნალის წარმოქმნა, მე ჩავრთავ სქემის LTSpice სიმულაციების რამდენიმე სურათს. მესამე სურათზე: ლურჯი სიგნალი არის ოფსეტური ძაბვა (IC2B შეყვანა). მწვანე არის გამომავალი სიგნალი მორგებული ამპლიტუდით. წითელი არის ფუნქციური გენერატორის გამომავალი სიგნალი, ციანური მრუდი არის SYNC სიგნალი.

ნაბიჯი 7: PCB დიზაინი

მე გამოვიყენე "არწივი" PCB- ის დიზაინისთვის. მე შევუკვეთე PCB ის "PCBway" - ში. მათ მხოლოდ ოთხი დღე დასჭირდათ დაფების წარმოებისთვის და ერთი კვირა მათ გადასაცემად. მათი ხარისხი მაღალია, ფასი კი ძალიან დაბალი. მე გადავიხადე მხოლოდ 13 აშშ დოლარი 10 PCB- ში!

გარდა ამისა, შემიძლია შეკვეთა სხვადასხვა ფერის PCB, ფასის გაზრდის გარეშე. მე ავირჩიე ყვითლები:-).

მე ვამაგრებ გერბერის ფაილებს "PCBway" დიზაინის წესების შესაბამისად.

ნაბიჯი 8: შედუღება

ჯერ შევაერთე ელექტრომომარაგების მიკროსქემის მოწყობილობები..

მიწოდების ბლოკის შესამოწმებლად, მე გავამყარე Atmega328 ჩიპი მისი დამხმარე მოწყობილობებით: კვარცის ბროლი, კონდენსატორები, ფილტრაციის ქუდები და ISP კონექტორი. როგორც ხედავთ, მე მაქვს მხტუნავი AVR ჩიპის მიწოდების ხაზში. მე გავთიშავ მას, როდესაც ჩიპს ვპროგრამებ პროვაიდერის საშუალებით. მე ვიყენებ USBtiny პროგრამისტს ამ მიზნით.

როგორც მომდევნო ნაბიჯი მე შევაერთე de-mux ჩიპი 74HC238, LED- ები მიუთითებს სიხშირის დიაპაზონს. მე ჩავტვირთე პატარა არდუინოს პროგრამა ატმეგას ჩიპში, რომელიც მულტიპლექსის გამოცდას ახდენდა. (იხილეთ ვიდეო ზემოთ მოცემულ ბმულზე)

ნაბიჯი 9: შედუღება…

მომდევნო საფეხურზე შევაერთე DC რეჟიმში მომუშავე ოპამპები (LM358) და სიხშირის და DADJ რეგულირების პოტენომეტრები და შევამოწმე მათი ყველა ფუნქცია.

გარდა ამისა, მე შევაერთე BSS123 კონცენტრატორები, სიხშირის განსაზღვრის კონდენსატორები და MAX039 ჩიპი. მე გამოვცადე ფუნქციური გენერატორი, რომელიც აფიქსირებს სიგნალს მშობლიურ ჩიპ სიგნალის გამომუშავებაზე. (თქვენ შეგიძლიათ ნახოთ ჩემი ძველი საბჭოთა, წარმოებული 1986 წელს, რომელიც ჯერ კიდევ მუშაობს ოსცილოსკოპი მოქმედებაში:-))

ნაბიჯი 10: მეტი შედუღება…

ამის შემდეგ გავამახვილე სოკეტი LCD დისპლეისთვის და გამოვცადე ეს "ესკიზის სამყარო" ესკიზით.

შევაერთე დანარჩენი გამათბობლები, კონდენსატორები, პოტენომეტრი და BNC კონექტორები.

ნაბიჯი 11: პროგრამული უზრუნველყოფა

Atmega328 ფირმის შესაქმნელად გამოვიყენე Arduino IDE.

სიხშირის გაზომვისთვის გამოვიყენე "FreqCounter" ბიბლიოთეკა. ესკიზის ფაილი და გამოყენებული ბიბლიოთეკა ხელმისაწვდომია ჩამოსატვირთად. მე შევქმენი სპეციალური სიმბოლოები, რომლებიც წარმოადგენენ ამჟამად გამოყენებულ რეჟიმს (სინუსი, მართკუთხა, სამკუთხედი).

ზემოთ მოცემულ სურათზე ჩანს LCD ეკრანზე ნაჩვენები ინფორმაცია:

• სიხშირე F = xxxxxxx in Hz
• სიხშირის დიაპაზონი Rx
• ამპლიტუდა mV A = xxxx
• ოფსეტური mV 0 = xxxx
• სიგნალის ტიპი x

ფუნქციის გენერატორს აქვს ორი ღილაკი წინა მარცხენა მხარეს - ისინი გამოიყენება სიხშირის დიაპაზონის შეცვლისთვის (ნაბიჯი ზემოთ - ქვემოთ). მათ მარჯვნივ არის სლაიდების გადამრთველი რეჟიმის გასაკონტროლებლად, მას შემდეგ რაც მარცხნიდან მარჯვნივ მიჰყევით პოტენომეტრს სიხშირის (რა თქმა უნდა, ჯარიმა, DADJ), ამპლიტუდისა და ოფსეტის გასაკონტროლებლად. ოფსეტური კორექტირების პოტენომეტრის მახლობლად არის მოთავსებული გადამრთველი, რომელიც გამოიყენება 2.5V DC ოფსეტში დაყენებულს შორის დაყენებულს შორის გადასასვლელად.

ZIP ფაილში "Generator.ino" კოდში აღმოვაჩინე მცირე შეცდომა - სინუსის და სამკუთხედის ტალღის ფორმების სიმბოლოები შეიცვალა. აქ მიმაგრებულ ერთ "Generator.ino" ფაილში შეცდომა გამოსწორებულია.

ნაბიჯი 12: შესასრულებელი…

როგორც ბოლო ნაბიჯი ვაპირებ განვახორციელო დამატებითი ფუნქცია - აუდიო სიხშირის სინუსური სიგნალის THD გაზომვა რეალურ დროში FFT გამოყენებით. ეს აუცილებელია, რადგან სინუსური სიგნალის ფუნქციური ციკლი შეიძლება განსხვავდებოდეს 50%–ისაგან, რაც შეიძლება გამოწვეული იყოს შიდა ჩიპების შეუსაბამობით და სხვა მიზეზებით და შეიძლება შეიქმნას ჰარმონიული დამახინჯება. მოვალეობის ციკლი შეიძლება მორგებული იყოს პოტენომეტრით, მაგრამ ოსცილოსკოპზე ან სპექტრის ანალიზატორზე სიგნალის დაკვირვების გარეშე შეუძლებელია მისი ფორმის დახვეწა. THD– ის გაანგარიშება FFT ალგორითმის საფუძველზე შეიძლება გადაჭრას პრობლემა. THD გამოთვლების შედეგი გამოჩნდება LCD ზედა მარჯვენა ცარიელ სივრცეში.

ვიდეოზე ჩანს MAX038 სინუსური სიგნალით გენერირებული სპექტრი. სპექტრის ანალიზატორი დაფუძნებულია Arduino UNO დაფაზე + 2.4 TFT ფარი. სპექტრის ანალიზატორი იყენებს SpltRadex Arduino ბიბლიოთეკას, რომელიც შემუშავებულია ანატოლი კუზმენკოს მიერ რეალურ დროში FFT შესასრულებლად.

მე ჯერ კიდევ არ გადამიწყვეტია - გამოვიყენო ეს ბიბლიოთეკა თუ გამოვიყენო მუსიკლაბების მიერ შექმნილი FHT ბიბლიოთეკა.

მე ვაპირებ გამოვიყენო სიხშირის მრიცხველის გაზომვებიდან მიღებული ინფორმაცია შერჩევის სწორი ფანჯრის გამოსათვლელად და FFT გამოთვლების დროს დამატებითი ფანჯრების გამოყენების შეჩერების მიზნით. მე მჭირდება მხოლოდ თავისუფალი დროის გამონახვა, რომ ეს მოხდეს. ვიმედოვნებ, მალე მივიღებ რაიმე შედეგს …