Γεννήτρια λειτουργιών: 12 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Αυτό το εκπαιδευτικό περιγράφει το σχεδιασμό της γεννήτριας λειτουργιών με βάση το ενσωματωμένο κύκλωμα Maxim's Analog MAX038

Η λειτουργία γεννήτριας είναι πολύ χρήσιμο εργαλείο για τα ηλεκτρονικά φρικιά. Είναι απαραίτητο για τον συντονισμό κυκλωμάτων συντονισμού, τη δοκιμή εξοπλισμού ήχου και εικόνας, το σχεδιασμό αναλογικών φίλτρων και για πολλούς άλλους διαφορετικούς σκοπούς.

Σήμερα υπάρχουν δύο κύριοι τύποι γεννητριών συνάρτησης. ψηφιακές, (με βάση το DSP, DDS…) που χρησιμοποιούνται όλο και πιο συχνά και αναλογικές, οι οποίες ήταν οι καταβολές.

Και οι δύο τύποι έχουν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους. Οι ψηφιακές γεννήτριες μπορούν να παράγουν σήματα με πολύ σταθερή συχνότητα, αλλά έχουν προβλήματα με τη δημιουργία πολύ καθαρών ημιτονοειδών σημάτων (αυτό που δεν είναι πρόβλημα για το αναλογικό). Επίσης οι κύριες γεννήτριες συνάρτησης με βάση την προσέγγιση DDS δεν έχουν τόσο μεγάλο εύρος παραγωγής συχνοτήτων.

Από πολύ καιρό ήθελα να σχεδιάσω μια χρήσιμη γεννήτρια λειτουργιών, η οποία θα μπορούσε με κάποιο τρόπο να συνδυάσει μερικά από τα πλεονεκτήματα και των δύο τύπων (αναλογικών και ψηφιακών) γεννητριών. Αποφάσισα να βασίσω το σχέδιο στο τσιπ Maxim MAX038*

* Παρατήρηση - αυτό το τσιπ δεν παράγεται και πωλείται πλέον από το Maxim. Είναι ξεπερασμένο. Είναι ακόμα δυνατό να το βρείτε σε eBay, Aliexpress και άλλους ιστότοπους για ηλεκτρονικά εξαρτήματα.

Υπάρχουν και άλλα τσιπ γενικής γεννήτριας αναλογικών λειτουργιών (XR2206 από Exar, icl8038 από Intersil), αλλά είχα

ένα MAX038 διαθέσιμο και το χρησιμοποίησα. Τα ψηφιακά χαρακτηριστικά της γεννήτριας συνάρτησης εκτελέστηκαν από ένα τσιπ Atmega328. Οι λειτουργίες του είναι οι ακόλουθες:

• ελέγχει την επιλογή εύρους συχνοτήτων
• ελέγχει τον τύπο σήματος (ημιτονοειδές, ορθογώνιο, τριγωνικό, πριονωτό)
• μετρά το πλάτος του σήματος
• μετρά τη μετατόπιση DC
• μετρά τη συχνότητα του σήματος
• μετρά το THD του ημιτονοειδούς σήματος στην περιοχή ήχου (αυτό πρέπει ακόμα να εφαρμοστεί)
• εμφανίζει όλες αυτές τις πληροφορίες σε μια οθόνη LCD 16x2 χαρακτήρων.

Βήμα 1: MAX038 Περιγραφή

Έχω επισυνάψει το φύλλο δεδομένων MAX038. Μπορείτε να δείτε τις πιο σημαντικές παραμέτρους τσιπ:

♦ 0.1Hz έως 20MHz Εύρος Συχνοτήτων Λειτουργίας

♦ Μορφές κυμάτων τριγώνου, πριονόδοντου, ημιτόνου, τετράγωνου και παλμού

♦ Ανεξάρτητες προσαρμογές συχνότητας και κύκλου καθηκόντων

Εύρος σάρωσης συχνότητας 350 έως 1

♦ Κύκλος μεταβλητής λειτουργίας 15% έως 85%

Ff Ρυθμιστικό εξόδου χαμηλής αντίστασης: 0.1Ω

♦ Χαμηλή μετατόπιση θερμοκρασίας 200ppm/° C

Μια άλλη σημαντική απαίτηση είναι η ανάγκη για διπλή παροχή (± 5V). Το πλάτος εξόδου είναι σταθερό (~ 2 VP-P με 0 V DC offset).

Στη σελίδα 8 του φύλλου δεδομένων μπορείτε να δείτε το διάγραμμα μπλοκ του τσιπ. Στη σελίδα 11 φαίνεται το απλούστερο κύκλωμα, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία σήματος ημιτονοειδούς κύματος. Αυτό το κύκλωμα ελήφθη ως βάση για το σχεδιασμό της γεννήτριας συνάρτησης.

Βήμα 2: Το κύκλωμα…

Στην εικόνα παρουσιάζεται το κύκλωμα της γεννήτριας συνάρτησης Έκανα αυτήν την εικόνα με την υψηλότερη δυνατή ανάλυση για να εγγυηθεί ότι κάθε τιμή της συσκευής μπορεί να διαβαστεί σωστά. Τα σχήματα φαίνονται αρκετά περίπλοκα και για να γίνουν καλύτερα κατανοητά θα εξηγήσω τα κύρια μέρη του ξεχωριστά. Πολλοί αναγνώστες θα μπορούσαν να με κατηγορήσουν ότι το κύκλωμα είναι πολύ περιττό. Αυτό είναι αλήθεια. Στην αρχή μπορείτε να δείτε ότι περιέχει δύο μάρκες MAX038. Ο λόγος είναι ότι το PCB υποστηρίζει και τα δύο είδη πακέτων SO και DIP. Ο πλεονασμός φαίνεται επίσης σε ορισμένες συναρτήσεις -

1) Τα LED δείχνουν το τρέχον εύρος ενεργών συχνοτήτων, αλλά εμφανίζεται και στην οθόνη LCD.

2) Οι λυχνίες LED χρησιμοποιούνται επίσης για να υποδείξουν τον τύπο σήματος, αλλά και η οθόνη LCD εμφανίζει αυτές τις πληροφορίες

Ο σχεδιασμός γίνεται με αυτόν τον τρόπο για να επιτρέψει περισσότερη ευελιξία στον χρήστη - κατά βούληση δεν θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει την οθόνη LCD ή απλώς μπορεί να παραλείψει τη συγκόλληση των LED. Τα έχω κολλήσει για να μπορέσω να διορθώσω τη λειτουργικότητα κατά τις φάσεις σχεδιασμού.

Μπορεί επίσης να παρατηρηθεί ότι χρησιμοποιώ πολλά opamps. Ορισμένα από αυτά μπορούν να παραλειφθούν χωρίς προβλήματα - ειδικά τα buffer. Στη σημερινή εποχή τα opamps προσφέρουν από μόνα τους πλεονασμό - σε ένα πακέτο μπορείτε να βρείτε 2, 4 ακόμη και 8 ξεχωριστούς ενισχυτές, και αυτό σε σχετικά χαμηλή τιμή. Γιατί να μην τα χρησιμοποιήσω;

Περιττοί είναι και οι πυκνωτές φιλτραρίσματος - κάθε αναλογικό τσιπ που χρησιμοποιείται έχει τη δική του τράπεζα πυκνωτών (ταντάλιο + κεραμικοί πυκνωτές και για τις δύο παροχές). Ορισμένα από αυτά μπορούν επίσης να παραλειφθούν.

Βήμα 3: Επεξήγηση κυκλώματος - Τροφοδοσία (1)

Όπως είπα αυτή η γεννήτρια απαιτεί διπλή τροφοδοσία. Η θετική τάση δημιουργείται με τη χρήση γραμμικού ρυθμιστή τάσης 7805. Η αρνητική προσφορά δημιουργείται από τσιπ 7905. Το μεσαίο σημείο βρύσης του μετασχηματιστή 2x6V συνδέεται με το κοινό έδαφος της πλακέτας. Τα παραγόμενα τροφοδοτικά - τόσο το θετικό όσο και το αρνητικό διαχωρίζονται σε αναλογικά και ψηφιακά με τσοκ. Δύο LED δείχνουν την παρουσία κάθε τροφοδοσίας.

Βήμα 4: Επεξήγηση κυκλώματος - Έλεγχος εύρους συχνοτήτων (2)

Για την κάλυψη μεγάλου εύρους συχνοτήτων χρησιμοποιείται μια τράπεζα πολλαπλών πυκνωτών. Οι πυκνωτές έχουν διαφορετικές τιμές και ορίζουν διαφορετικές υποπεριοχές συχνοτήτων. Μόνο ένας από αυτούς τους πυκνωτές χρησιμοποιείται κατά τη διάρκεια της εργασίας - η κάτω πλάκα του είναι γειωμένη από διακόπτη τρανζίστορ MOS. Ποιο πυκνωτή που πρέπει να γειωθεί ελέγχεται από το Atmega328 με τη χρήση τσιπ αποπολυπλέκτη 74HC238. Ως διακόπτες MOS χρησιμοποίησα τρανζίστορ BSS123. Η κύρια απαίτηση για αυτόν τον διακόπτη είναι να έχει χαμηλό Ron και τη χαμηλότερη δυνατή χωρητικότητα αποστράγγισης. Ο ψηφιακός έλεγχος της τράπεζας πυκνωτών μπορεί να παραλειφθεί - το PCB περιέχει οπές για τη συγκόλληση των καλωδίων για μηχανικό περιστροφικό διακόπτη.

Βήμα 5: Επεξήγηση κυκλώματος - η προσαρμογή συχνότητας (3)

Στην εικόνα εμφανίζονται η κυκλικότητα ελέγχου συχνότητας και κύκλου λειτουργίας. Εκεί χρησιμοποίησα τον τυπικό opamp LM358 (διπλός ενισχυτής σε ένα πακέτο). Χρησιμοποίησα επίσης διπλά ποτενσιόμετρα 10Κ.

Το τσιπ MAX038 παράγει εσωτερική αναφορά τάσης 2.5V, η οποία χρησιμοποιείται κανονικά ως αναφορά για όλες τις ρυθμίσεις.

Αυτή η τάση εφαρμόζεται στην αντίστροφη είσοδο του IC8a και δημιουργεί αναφορά αρνητικής τάσης που χρησιμοποιείται για το DADJ (προσαρμογή κύκλου λειτουργίας). Και οι δύο τάσεις εφαρμόζονται στο ποτενσιόμετρο για το DADJ, το οποίο μεσαία βρύση ρυθμίζεται και εφαρμόζεται στον πείρο DADJ του τσιπ MAX038. Ο βραχυκυκλωτήρας JP5 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απενεργοποίηση της λειτουργίας DADJ, όταν είναι συνδεδεμένη στη γείωση. Ο έλεγχος συχνότητας "Course" προετοιμάζεται αλλάζοντας την τρέχουσα βύθιση / πηγή στην καρφίτσα MAX038 "IIN". Αυτό το ρεύμα ορίζεται από την αντίσταση R41 και την τάση εξόδου του opamp που ρυθμίζει τη μεσαία βρύση του ποτενσιόμετρου ελέγχου συχνότητας πορείας. Όλα αυτά μπορούν να αντικατασταθούν με ένα μόνο ποτενσιόμετρο (σε σύνδεση reostat) μεταξύ των ακίδων REF και IIN MAX038.

Βήμα 6: Επεξήγηση κυκλώματος - Έλεγχος εύρους, Δημιουργία σήματος SYNC… (4)

Όπως γράφεται στο φύλλο δεδομένων, το σήμα εξόδου pf του MAX038 έχει πλάτος ~ 1 V με τάση DC ίση με το δυναμικό γείωσης.

Wantedθελα να έχω τη δυνατότητα να ελέγξω το πλάτος του σήματος και να μπορώ να ορίσω μόνος μου τη μετατόπιση DC. Ως πρόσθετη λειτουργία ήθελα να έχω σήμα SYNC με επίπεδα CMOS παράλληλα με το σήμα εξόδου. Από προεπιλογή, το τσιπ MAX038 παράγει τέτοιο σήμα, αλλά στο φύλλο δεδομένων διάβασα ότι εάν αυτή η δυνατότητα είναι ενεργοποιημένη (τι σημαίνει - καρφίτσα DV+ συνδεδεμένη με 5V), μπορεί να παρατηρηθούν ορισμένες αιχμές (θόρυβος) στο αναλογικό σήμα εξόδου. Wantedθελα να κρατήσω ήταν όσο το δυνατόν πιο καθαρό και για το λόγο αυτό δημιούργησα το σήμα SYNC εξωτερικά. Το PCB γίνεται με τον τρόπο που το pin+ DV μπορεί να γεφυρωθεί εύκολα στην κύρια παροχή. Ο πείρος SYNC δρομολογείται στον σύνδεσμο BNC - πρέπει να συγκολληθεί μόνο αντίσταση 50 Ohm. Σε αυτήν την περίπτωση, το κύκλωμα παραγωγής σήματος SYNC μπορεί να παραλειφθεί. Εδώ όπως βλέπετε χρησιμοποιώ επίσης διπλά ποτενσιόμετρα, αλλά δεν συνδέονται παράλληλα. Ο λόγος για αυτό είναι - μετράω σχετικά το πλάτος. Η τάση στο μεσαίο σημείο ενός ποτενσιόμετρου ανιχνεύεται από το Atmega328 ADC και το πλάτος του σήματος υπολογίζεται με βάση αυτήν την τιμή. Φυσικά, αυτή η μέθοδος δεν είναι πολύ ακριβής (βασίζεται στην αντιστοίχιση και των δύο τμημάτων ποτενσιόμετρου, η οποία δεν συμβαίνει πάντα), αλλά είναι αρκετά ακριβής για τις εφαρμογές μου. Σε αυτό το κύκλωμα το IC2A λειτουργεί ως ρυθμιστικό τάσης. IC4A επίσης. Το IC2B opamp λειτουργεί ως αθροιστικός ενισχυτής - δημιουργεί το σήμα εξόδου της λειτουργικής γεννήτριας ως άθροισμα της τάσης μετατόπισης και το κύριο σήμα με προσαρμοσμένο πλάτος. Ο διαχωριστής τάσης R15. R17 παράγει κατάλληλο σήμα τάσης για τη μέτρηση της μετατόπισης του κύριου σήματος DC. Ανιχνεύεται από το Atmega328 ADC. Το εμπόριο IC4B λειτουργεί ως συγκριτικό - ελέγχει τον μετατροπέα γενιάς SYNC που πραγματοποιείται από τα δύο τρανζίστορ MOS (BSS123 και BSS84). Το U6 (THS4281 - Texas Instruments) μετατοπίζει το σήμα εξόδου που δημιουργείται από το MAX038 DC με 2,5 V και το ενισχύει 1,5 φορές. Το σήμα που δημιουργείται ανιχνεύεται από το AVR ADC και επεξεργάζεται περαιτέρω με αλγόριθμο FFT. Σε αυτό το μέρος χρησιμοποίησα σιδηροτροχιά υψηλής ποιότητας για να σιδηροτροπήσω opamps με εύρος ζώνης 130 MHz (TI - LMH6619).

Για να κατανοηθεί εύκολα πώς λειτουργεί η παραγωγή σήματος SYNC, συμπεριλαμβάνω μερικές φωτογραφίες από προσομοιώσεις LTSpice του κυκλώματος. Στην τρίτη εικόνα: το μπλε σήμα είναι η τάση μετατόπισης (είσοδος του IC2B). Το πράσινο είναι το σήμα εξόδου με προσαρμοσμένο πλάτος. Το κόκκινο είναι το σήμα εξόδου της λειτουργικής γεννήτριας, Η κυανή καμπύλη είναι το σήμα SYNC.

Βήμα 7: Σχεδιασμός PCB

Χρησιμοποίησα το "Eagle" για το σχεδιασμό του PCB. Παρήγγειλα τα PCB στο "PCBway". Χρειάστηκαν μόνο τέσσερις ημέρες για την παραγωγή των σανίδων και μια εβδομάδα για την παράδοση τους. Η ποιότητά τους είναι υψηλή και η τιμή είναι εξαιρετικά χαμηλή. Πλήρωσα μόνο 13 USD για 10 PCB!

Επιπλέον, θα μπορούσα να παραγγείλω PCB διαφορετικού χρώματος χωρίς αύξηση τιμής. Έχω επιλέξει κίτρινα:-).

Επισυνάπτω τα αρχεία gerber σύμφωνα με τους κανόνες σχεδιασμού "PCBway".

Βήμα 8: Συγκόλληση

Πρώτα κόλλησα τις συσκευές κυκλώματος τροφοδοσίας..

Μετά τη δοκιμή του μπλοκ τροφοδοσίας, έχω κολλήσει το τσιπ Atmega328 με τις υποστηρικτικές του συσκευές: κρύσταλλο χαλαζία, πυκνωτές, καπάκια φιλτραρίσματος και υποδοχή ISP. Όπως βλέπετε έχω έναν βραχυκυκλωτήρα στη γραμμή τροφοδοσίας του τσιπ AVR. Το αποσυνδέω όταν προγραμματίζω το τσιπ μέσω του ISP. Χρησιμοποιώ τον προγραμματιστή USBtiny για αυτόν τον σκοπό.

Ως επόμενο βήμα κόλλησα το τσιπ de-mux 74HC238, τα LED δείχνουν το εύρος συχνοτήτων. Φόρτωσα ένα μικρό πρόγραμμα Arduino στο τσιπ Atmega, το οποίο δοκίμαζε την πολυπλεξία. (δείτε το βίντεο στον παραπάνω σύνδεσμο)

Βήμα 9: Συγκόλληση…

Ως επόμενο βήμα, κόλλησα τα opamps που λειτουργούν σε λειτουργία DC (LM358) και τα ποτενσιόμετρα ρύθμισης συχνότητας και DADJ και έλεγξα όλες τις λειτουργίες τους.

Περαιτέρω κόλλησα τους διακόπτες BSS123, τους πυκνωτές προσδιορισμού συχνότητας και το τσιπ MAX039. Δοκίμασα τη λειτουργική γεννήτρια που ανιχνεύει το σήμα στην έξοδο σήματος εγγενών τσιπ. (Μπορείτε να δείτε το παλιό μου Σοβιέτ, παραγωγής 1986, που εξακολουθεί να λειτουργεί παλμογράφο σε δράση:-))

Βήμα 10: Περισσότερη συγκόλληση…

Μετά από αυτό, κόλλησα την πρίζα για την οθόνη LCD και τη δοκίμασα με το σκίτσο "Hello world".

Συγκόλλησα τα υπόλοιπα opamps, πυκνωτές, ποτενσιόμετρα και τους συνδετήρες BNC.

Βήμα 11: Λογισμικό

Για τη δημιουργία του υλικολογισμικού Atmega328 χρησιμοποίησα το Arduino IDE.

Για τη μέτρηση της συχνότητας χρησιμοποίησα τη βιβλιοθήκη "FreqCounter". Το αρχείο σκίτσων και η χρησιμοποιημένη βιβλιοθήκη είναι διαθέσιμα για λήψη. Δημιούργησα ειδικά σύμβολα για να αντιπροσωπεύσω την τρέχουσα λειτουργία (ημιτονοειδές, ορθογώνιο, τρίγωνο).

Στην παραπάνω εικόνα μπορείτε να δείτε τις πληροφορίες που εμφανίζονται στην οθόνη LCD:

• Συχνότητα F = xxxxxxx σε Hz
• Εύρος συχνοτήτων Rx
• Πλάτος σε mV A = xxxx
• Μετατόπιση σε mV 0 = xxxx
• τύπος σήματος x

Η γεννήτρια λειτουργιών διαθέτει δύο κουμπιά στο μπροστινό μέρος στην αριστερή πλευρά - χρησιμοποιούνται για την αλλαγή του εύρους συχνοτήτων (βήμα προς τα πάνω - προς τα κάτω). Στα δεξιά τους βρίσκεται ο διακόπτης διαφάνειας για τον έλεγχο της λειτουργίας, μετά από αριστερά προς τα δεξιά ακολουθήστε το ποτενσιόμετρο για τον έλεγχο της συχνότητας (πορεία, ωραία, DADJ), το πλάτος και το offset. Κοντά στο μετατοπισμένο ποτενσιόμετρο ρύθμισης τοποθετείται ο διακόπτης που χρησιμοποιείται για τη μετακίνηση μεταξύ του σταθερού στα 2,5V DC offset και του συντονισμένου.

Βρήκα ένα μικρό σφάλμα στον κώδικα "Generator.ino" στο αρχείο ZIP - τα σύμβολα για τις ημιτονοειδείς και τριγωνικές κυματομορφές άλλαξαν. Στο μεμονωμένο αρχείο "Generator.ino" που επισυνάπτεται εδώ, το σφάλμα διορθώνεται.

Βήμα 12: Να γίνει…

Ως τελευταίο βήμα, σκοπεύω να εφαρμόσω πρόσθετη λειτουργία - μέτρηση της THD του ηχοηλεκτρικού σήματος συχνότητας ήχου σε πραγματικό χρόνο χρησιμοποιώντας FFT. Αυτό είναι απαραίτητο, επειδή ο κύκλος λειτουργίας του ημιτονοειδούς σήματος μπορεί να διαφέρει από 50%, αυτό που μπορεί να προκληθεί από εσωτερικές αναντιστοιχίες τσιπ και άλλους λόγους και μπορεί να δημιουργήσει αρμονικές στρεβλώσεις. Ο κύκλος λειτουργίας μπορεί να ρυθμιστεί με το ποτενσιόμετρο, αλλά χωρίς να παρατηρηθεί το σήμα στον παλμογράφο ή τον αναλυτή φάσματος είναι αδύνατο να κοπεί το σχήμα του. Ο υπολογισμός του THD με βάση τον αλγόριθμο FFT θα μπορούσε να λύσει το πρόβλημα. Το αποτέλεσμα των υπολογισμών THD θα εμφανιστεί στην οθόνη LCD στον επάνω δεξιό κενό χώρο.

Στο βίντεο μπορείτε να δείτε το φάσμα του παραγόμενου από το ημιτονοειδές σήμα MAX038. Ο αναλυτής φάσματος βασίζεται στον πίνακα Arduino UNO + 2.4 TFT ασπίδα. Ο αναλυτής φάσματος χρησιμοποιεί τη βιβλιοθήκη SpltRadex Arduino που αναπτύχθηκε από τον Anatoly Kuzmenko για να εκτελέσει FFT σε πραγματικό χρόνο.

Ακόμα δεν αποφάσισα - να χρησιμοποιήσω αυτήν τη βιβλιοθήκη ή να χρησιμοποιήσω τη βιβλιοθήκη FHT που δημιουργήθηκε από το Musiclabs.

Σκοπεύω να χρησιμοποιήσω τις πληροφορίες που λαμβάνονται από τις μετρήσεις των μετρητών συχνοτήτων για τον υπολογισμό του κατάλληλου παραθύρου δειγματοληψίας και την αναστολή της χρήσης πρόσθετων παραθύρων κατά τη διάρκεια των υπολογισμών FFT. Χρειάζομαι μόνο να βρω λίγο ελεύθερο χρόνο για να συμβεί αυτό. Ελπίζω σύντομα να έχουμε κάποια αποτελέσματα….