Amatorski oscyloskop cyfrowy.pdf

Tani generator funkcyjny

AVT−823

Generator funkcyjny jest

podstawowym wyposaøeniem

laboratorium elektronicznego.

Jest niezbÍdny podczas

wykonywania wielu prac

zwi¹zanych z†budow¹

i†testowaniem urz¹dzeÒ

elektronicznych. To, øe

musimy go posiadaÊ

w†naszym warsztacie jest

bezdyskusyjne.

Na ³amach Elektroniki Prak-

tycznej (EP 10/97) zosta³ opisany

generator funkcyjny, ktÛry moim

zdaniem jest przyrz¹dem w†zasa-

dzie doskona³ym. Zakres czÍstot-

liwoúci generowanych przebie-

gÛw wynosi 10MHz, ma on re-

gulacjÍ czÍstotliwoúci, wype³nie-

nia impulsÛw i†offsetu, a†takøe

wbudowany miernik czÍstotli-

woúci o†doskona³ych paramet-

rach.

Posiada jednak istotn¹ wadÍ:

doúÊ wysok¹, cenÍ wynikaj¹c¹

z†koniecznoúci uøycia w†uk³adzie

o†tak doskona³ych parametrach

doúÊ kosztownych podzespo³Ûw.

Tymczasem, dla niektÛrych z†nas

doskona³y generator funkcyjny

by³by jedynie piÍkn¹ ozdob¹ sto³u

warsztatowego. Zbudowa³em sobie

taki generator, z†radoúci¹ stwier-

dzi³em, øe dzia³a zgodnie z†opi-

sem podanym przez autora i†wy-

korzystujÍ go tylko na najniøszych

zakresach, do ok. 100kHz.

Przyczyna jest prosta: w†mojej

praktyce konstruktora zajmujÍ siÍ

g³Ûwnie uk³adami cyfrowymi

i†analogowymi audio i†taki zakres

czÍstotliwoúci wyjúciowych gene-

ratora funkcyjnego jest dla mnie

ca³kowicie wystarczaj¹cy. Uzna-

³em wiÍc, øe konieczne jest zbu-

dowanie dla CzytelnikÛw EP dru-

giego generatora ìdla ubogichî,

o†znacznie gorszych, a†w³aúciwie

ograniczonych parametrach, ale za

to o†zdecydowanie niøszej cenie

zakupu potrzebnych do jego wy-

konania podzespo³Ûw. Uk³ad taki

zosta³ przeze mnie zbudowany,

przetestowany i†obecnie przekazu-

jÍ Czytelnikom jego opis.

Zanim jednak zaczniecie lektu-

rÍ tego opisu, musicie wiedzieÊ,

czy w†ogÛle warto to czyniÊ.

Dlatego teø w† tab. 1 znajduj¹ siÍ

podstawowe parametry propono-

wanego uk³adu.

Opis dzia³ania

Schemat elektryczny uk³adu ge-

neratora funkcyjnego i†zblokowa-

nego z†nim miernika czÍstotliwoú-

ci przedstawiono na rys. 1 . Dolna

czÍúÊ rysunku przedstawia uk³ad

generatora funkcyjnego wraz

z†prze³¹cznikiem rodzaju przebie-

gu, wzmacniaczem wyjúciowym

i†uk³adem zasilania, a†gÛrna to

prosty miernik czÍstotliwoúci.

AnalizÍ schematu rozpoczniemy

od pozornie bardziej skompliko-

wanego fragmentu uk³adu, jakim

wydaje siÍ byÊ miernik czÍstot-

liwoúci.

Podstawowym elementem uk³a-

du miernika czÍstotliwoúci jest

trÛjdekadowy licznik typu 4553.

Uk³ad 4553 zawiera w†swojej

strukturze trzy po³¹czone ze sob¹

kaskadowo liczniki dziesiÍtne, trzy

czterobitowe zatrzaski i†uk³ad ste-

ruj¹cy wyúwietlaniem multiplek-

sowanym. Uk³ad posiada wbudo-

wany oscylator, tak øe ìdo øyciaî

potrzebny jest mu jedynie jeden

zewnÍtrzny element - kondensator

o†pojemnoúci 10nF.

Elektronika Praktyczna 9/99

P R O J E K T Y

Tani generator funkcyjny

Rys. 1. Schemat elektryczny generatora.

Tab. 1. Podstawowe parametry

i właściwości generatora.

Zakres częstotliwości wyjściowych:

20Hz..20000Hz, z możliwością zmiany lub

rozbudowy o przełącznik zakresów.

Kształt przebiegów wyjściowych: sinusoidalny,

trójkątny i prostokątny, zmieniany za pomocą

przełącznika.

Sygnalizacja za pomocą diody LED aktualnie

włączonego kształtu przebiegu wyjściowego.

Płynna regulacja amplitudy sygnału

wyjściowego.

Wbudowany wewnętrzny miernik częstotliwości

o zakresie pomiarowym do 1MHz (999999Hz).

Zasilanie: ±15VDC lub 2x10VAC.

W†naszym uk³adzie liczniki

4553 (IC5 i†IC6) po³¹czone s¹

kaskadowo, tworz¹c w†sumie kas-

kadÍ szeúciu licznikÛw dziesiÍt-

nych, co umoøliwia szeúciocyfro-

w¹ prezentacjÍ wynikÛw pomiaru.

Poniewaø kaødy z†4553 pracuje

w†uk³adzie ìna w³asn¹ rÍkÍî -

po³¹czenie asynchroniczne - ko-

nieczne by³o zastosowanie dwÛch

dekoderÛw BCD - kod wyúwiet-

lacza siedmiosegmentowego typu

4543: IC1 i†IC4. Rodzaj wyjúÊ

steruj¹cych wyúwietlaniem multi-

pleksowanym narzuca nam rodzaj

zastosowanych wyúwietlaczy: ze

wspÛln¹ anod¹. Jest to rozwi¹za-

nie najwygodniejsze, w†ktÛrym

sterowane z†wyjúÊ DS1\..DS3\

tranzystory PNP w³¹czaj¹ potrzeb-

ny aktualnie wyúwietlacz.

Przejdümy teraz do analizy

czÍúci uk³adu odpowiedzialnej za

bramkowania miernika i†sterowa-

Elektronika Praktyczna 9/99

Tani generator funkcyjny

Rys. 2. Konfiguracja układu ICL8038.

6 impulsy, ktÛre na-

stÍpnie kierowane s¹

na wejúcie pierwszego

z†kaskady licznikÛw

i†zliczane. Po pojawie-

niu siÍ na tym wyjúciu

stanu niskiego, bramka

IC3B zostaje zamkniÍta

i†zachodz¹ nastÍpuj¹ce

zjawiska:

1. Dodatnie zbocze

na wyjúciu !Q-IC7B po-

woduje krÛtkotrwa³e

wymuszenie stanu wy-

sokiego na po³¹czonych

ze sob¹ wejúciach

bramki IC3D. Impuls

z†wyjúcia tej bramki do-

prowadzony do wejúÊ LE oby-

dwÛch licznikÛw powoduje prze-

pisanie ich zawartoúci do rejes-

trÛw wyjúciowych. Tak wiÍc ob-

liczona liczba impulsÛw poda-

nych na wejúcie miernika zosta³a

zapamiÍtana i†przekazywana jest

sekwencyjnie na wejúcia dekode-

rÛw wyúwietlaczy. Na wyúwietla-

czach, sterowanych przez dwa

transkodery BCD - kod wyúwiet-

lacza siedmiosegmentowego IC1

i†IC4, ukazuje siÍ zmierzona war-

toúÊ.

2. WstÍpuj¹ce zbocze impulsu

na wyjúciu bramki IC3D powoduje

z†kolei krÛtkotrwa³e wymuszenie

stanu wysokiego na wejúciach

bramki IC3A. KrÛtki impuls ujem-

ny z†jej wyjúcia, po zanegowaniu

przez bramkÍ IC3C, zostaje dopro-

wadzony do wejúÊ RST licznikÛw

powoduj¹c ich natychmiastowe

wyzerowanie.

Po kolejnym wyst¹pieniu stanu

wysokiego na wyjúciu Q-IC7B,

bramka IC3B otwiera siÍ i†ca³y

cykl zliczania rozpoczyna siÍ od

pocz¹tku. Z†powyøszego opisu wy-

nika, øe zawartoúÊ rejestrÛw wyj-

úciowych licznikÛw IC5 i†IC6 od-

úwieøana jest co 2†sekundy i†tyle

w³aúnie trwa pe³ny cykl pomia-

rowy.

Zastosowanie rezystora R22 po-

woduje w³¹czenie na sta³e wy-

úwietlania kropki dziesiÍtnej na

wyúwietlaczu DP3, co u³atwia

odczyt zmierzonej wartoúci czÍs-

totliwoúci, ktÛra musi mieúciÊ siÍ

w†granicach 1..999999Hz.

Zajmijmy siÍ teraz najwaøniej-

sz¹ czÍúci¹ uk³adu, jak¹ jest sam

generator funkcyjny. Do budowy

takich przyrz¹dÛw warsztatowych

najczÍúciej stosuje siÍ dwa uk³ady

scalone: znany juø Czytelnikom

EP uk³ad typu MAX038 i†zasto-

sowany w†opisywanym obecnie

generatorze uk³ad ICL8038, rÛø-

ni¹ce siÍ nie tylko moøliwoúciami

technicznymi, ale i†cen¹. Podsta-

wowe dane techniczne zastosowa-

nego w†naszym generatorze uk³a-

du ICL8038 znajduj¹ siÍ w† tab. 2 .

W†prezentowanym generatorze

ICL8038 zastosowano zgodnie z†ty-

pow¹ aplikacj¹ fabryczn¹. Szcze-

gÛ³owe przeanalizowanie dzia³a-

nia uk³adu wymaga³oby wnikania

w†szczegÛ³y jego budowy wewnÍ-

trznej, co z†kolei wykracza poza

nie licznikami. Jako generator

wzorcowy wykorzystano popular-

ny uk³ad 4060 zawieraj¹cy w†swo-

jej strukturze zarÛwno generator

(stabilizowany w†naszym przypad-

ku rezonatorem kwarcowym) jak

i†dzielnik czÍstotliwoúci o†stopniu

podzia³u rÛwnym 14. W†uk³adzie

zastosowano popularny i†tani re-

zonator kwarcowy typu ìzegarko-

wegoî, zapewniaj¹cy jednak na-

szemu przyrz¹dowi wystarczaj¹c¹

w†amatorskich warunkach dok³ad-

noúÊ. CzÍstotliwoúÊ pracy genera-

tora wynosi 32768Hz, tak wiÍc na

wyjúciu Q14 uk³adu IC2 otrzymu-

jemy czÍstotliwoúÊ 2Hz. Za³oøyliú-

my czas bramkowania miernika

rÛwny 1s i†wobec tego musimy tÍ

czÍstotliwoúÊ podzieliÊ przez 4.

Zrealizowane jest to w†najprostszy

sposÛb: za pomoc¹ po³¹czonych

ze sob¹ przerzutni-

kÛw typu D (IC7A

i†IC7B), ktÛre pra-

cuj¹ w†uk³adach

dwÛjki licz¹cej. Tak

wiÍc na wyjúciu Q

przerzutnika IC7B

otrzymujemy prze-

bieg prostok¹tny

o†idealnie rÛwnym

wype³nieniu i†czÍs-

totliwoúci 0,5Hz.

£atwo zauwaøyÊ, øe

stan wysoki trwa

na tym wyjúciu do-

k³adnie 1 s, co zo-

sta³o wykorzystane

do sterowania

bramk¹ IC3B. Do-

pÛki na wyjúciu Q

IC7B trwa stan wy-

soki, bramka IC3B

przepuszcza poda-

wane na jej wejúcie

Rys. 3. Rozmieszczenie elementów na płytkach drukowanych.

Elektronika Praktyczna 9/99

Tani generator funkcyjny

ru montaøowego

PR3.

Pozosta³y nam

jeszcze do omÛwie-

nia dwa bloki fun-

kcjonalne uk³adu:

wzmacniacz i†prze-

³¹cznik sygna³u wyj-

úciowego.

Uk³ad ICL8038

posiada trzy wyjúcia,

na ktÛrych jedno-

czeúnie wystÍpuj¹

przebiegi napiÍciowe

o†rÛønych kszta³tach.

Poniewaø najczÍúciej

bÍdziemy korzystaÊ

w†danym momencie

tylko z†jednego ro-

dzaju sygna³u wyj-

úciowego, zastosowa-

³em w†uk³adzie prosty prze³¹cz-

nik, kieruj¹cy jeden wybrany prze-

bieg na wejúcie wzmacniacza wy-

júciowego. Prze³¹cznik ten zosta³

zrealizowany z†wykorzystaniem

multipleksera-demultipleksera ana-

logowego typu 4552. W†zaleønoúci

od stanu wejúÊ adresowych A i†B

multipleksera, na wejúcie wzmac-

niacza IC13 kierowany jest jeden

z†trzech rodzajÛw przebiegÛw po-

bieranych z†wyjúÊ TRIANGLE,

SQUARE lub SINE uk³adu

ICL8038.

Wejúcia adresowe multiplekse-

ra do³¹czone zosta³y do wyjúÊ

licznika binarnego IC11A, pracu-

j¹cego w†konfiguracji licznika mo-

dulo 3 (bramki IC14D i†IC14C).

Na wejúcie EN tego licznika po-

dawane s¹ impulsy generowane

podczas kaødego naciúniÍcia przy-

cisku S1. W†ten sposÛb wejúcie

wzmacniacza operacyjnego IC13

do³¹czane jest kolejno do trzech

wyjúÊ uk³adu ICL8038.

Okreúlenie, ktÛre z†tych wyjúÊ

zosta³o aktualnie uaktywnione i†ja-

ki jest kszta³t przebiegu wyjúciowe-

go naszego generatora mog³oby byÊ

bez oscyloskopu bardzo k³opotliwe.

Do sygnalizacji aktualnego trybu

pracy uk³adu (SINE, TRIANGLE

lub SQUARE) s³uø¹ trzy diody

LED, w³¹czane kolejno przez woln¹

ìpo³ÛwkÍî multipleksera IC12, ad-

resowan¹ synchronicznie z†prze-

³¹cznikiem wyjúÊ IC8.

Sygna³y na wyjúciach uk³adu

ICL8038 posiadaj¹ sta³a, okreúlon¹

przez producenta amplitudÍ. Aby

umoøliwiÊ jej zmianÍ w†szerokim

zakresie, zastosowano w†uk³adzie

WYKAZ EL EMENTÓW

Rezystory

P1: potencjometr obrotowy 10k

P2: potencjometr obrotowy 22k

Ω

PR2: potencjometr montażowy

miniaturowy 5M

Ω

PR3: potencjometr montażowy

miniaturowy 100k

Ω

R1, R2, R3, R14: 10k

Ω

R4, R5, R6, R7, R8, R11: 5,1k

Ω

R10: 330k

R12: 20k

Ω

R15, R17, R18: 4,7k

Rys. 4. Przykładowy przebieg na wyjściu

generatora.

R16: 560

Ω

R20: 100k

³amy tego artyku³u. Dlatego teø

wszystkich zainteresowanych tym

tematem odsy³am do biuletynu

USKA 2/1992 oraz do katalogu

firmy HARRIS (www.harris.com),

producenta uk³adu ICL8038. Po-

niewaø ze wzglÍdu na koniecz-

noúÊ zamieszczenia na rysunku

z³¹cza ³¹cz¹cego ze sob¹ dwie

p³ytki obwodÛw drukowanych,

schemat sta³ siÍ nieco pogmatwa-

ny, na rys. 2 przedstawiono naj-

istotniejszy fragment uk³adu, po-

zbawiony wszelkich elementÛw

dodatkowych.

Do regulacji czÍstotliwoúci

przebiegÛw wyjúciowych s³uøy po-

tencjometr P1. Potencjometr mon-

taøowy, ktÛry moøna zast¹piÊ nor-

malnym potencjometrem, s³uøy do

regulacji wype³nienia impulsÛw

wyjúciowych, symultanicznie na

wszystkich wyjúciach. RedukcjÍ

zniekszta³ceÒ sygna³u sinusoidal-

nego moøemy osi¹gn¹Ê dokonuj¹c

regulacji za pomoc¹ potencjomet-

Ω

R22: 470

Ω

Kondensatory

C1: 33pF

C2, C3, C17: 4,7nF

C4, C9, C12: 100

F/16V

C5, C10, C11, C13, C15, C18,

C19: 100nF

C6, C8: 10nF

C7 trymer 30pF

C16, C14: 1000

F/16V

Półprzewodniki

BR1: mostek prostowniczy 1A

DP1, DP2, DP3, DP4, DP5, DP6:

wyświetlacz siedmiosegmentowy

LED wsp. anoda

D1: 1N4001 lub odpowiednik

D2, D3, D4: LED

D5: 1N4148 lub odpowiednik

IC1, IC4: 4543

IC2: 4060

IC3, IC1: 4093

IC5, IC6: 4553

IC7: 4013

IC8: ICL8038

IC9: 7809

IC10: 7909

IC11: 4520

IC12: 4052

IC13: TL081

IC15: 7805

T1, T2, T3, T4, T5, T6: BC557 lub

odpowiednik

T7: BC548 lub odpowiednik

Różne

Q1: 32768Hz

CON1: ARK3 (3,5mm)

CON2: złącze BNC

S1: przycisk microswitch lutowany

w płytkę

Tab. 2. Podstawowe parametry

układu ICL8038.

Zakres częstotliwości: 0,001Hz...300kHz

Kształt przebiegów wyjściowych: sinus,

prostokąt i trójkąt

Zniekształcenia harmoniczne: 1% (na wyjściu

sinus)

Zniekształcenia nieliniowe: 0,1% (na wyjściu

trójkąt)

Regulacja wypełnienia impulsów: 2%..98%

Napięcie zasilania: +10VDC... +30VDC lub

±5VDC...±15VDC

Amplituda przebiegów wyjściowych:

Sinus: 0,22 x napięcia zasilania

Prostokąt: 0,90 x napięcia zasilania

Trójkąt: 0,33 x napięcia zasilania

Pobór prądu: typowo 12mA (maks. 20mA)

przy zasilaniu ±10VDC

Elektronika Praktyczna 9/99

PR1: potencjometr montażowy

miniaturowy 1k

R9: 10M

R13: 15k

R19: 1M

R21: 1k

Tani generator funkcyjny

wzmacniacz wyjúciowy. Na jego

wyjúciu, w†zaleønoúci od po³oøe-

nia potencjometru P2, uzyskujemy

sygna³ o†amplitudzie od 0 do ok.

2/3 napiÍcia zasilaj¹cego.

Do zasilania uk³adu potrzebne

s¹ aø trzy napiÍcia: +9VDC dostar-

czane ze stabilizatora IC9,

-9VDC pobierane z†wyjúcia uk³adu

IC10 i†+5VDC, ktÛrego dostarcza

stabilizator scalony IC15. Zastoso-

wanie mostka prostowniczego po-

zwala na zasilanie ca³oúci z†trans-

formatora sieciowego o†symetrycz-

nych uzwojeniach wtÛrnych, o†na-

piÍciu ok. 10VAC. Alternatywn¹

metod¹ zasilania generatora moøe

byÊ zastosowanie zasilacza 2x15V,

najlepiej typu ìwtyczkowegoî. Mos-

tek BR1 moøna wtedy pomin¹Ê.

³¹czenie ze sob¹ obydwÛch p³y-

tek. Jeøeli jednak zastosujemy do

tego jednorzÍdowe, k¹towe z³¹cze

typu goldpin, to po³¹czenie p³ytek

idealnie pod k¹tem prostym sta-

nie siÍ wzglÍdnie ³atwe.

Mam nadziejÍ, øe zbudowany

przez Was ze sprawdzonych ele-

mentÛw uk³ad odziedziczy cechy

prototypu i†ìodpaliî natychmiast,

bez koniecznoúci dokonywania ja-

kichkolwiek poprawek. Pierwsz¹

czynnoúci¹ regulacyjn¹, jakiej bÍ-

dziemy musieli dokonaÊ, bÍdzie

wtedy ustawienie czÍstotliwoúci

pracy generatora z†IC2, ktÛra po-

winna wynosiÊ dok³adnie

32768Hz. Regulacji dokonujemy

za pomoc¹ kondensatora stroje-

niowego C7, mierz¹c czÍstotli-

woúÊ na nÛøce 9 uk³adu 4060.

Do wykonania kolejnych regu-

lacji bÍdziemy musieli wykorzys-

taÊ oscyloskop. Za pomoc¹ poten-

cjometru montaøowego PR1 usta-

wiamy ø¹dany wspÛ³czynnik wy-

pe³nienia sygna³u wyjúciowego,

najczÍúciej rÛwny 50%. Ostatnim

etapem regulacji bÍdzie uzyskanie

poprawnego kszta³tu sygna³u si-

nusoidalnego ( rys. 4 ) w†ca³ym

zakresie czÍstotliwoúci wyjúcio-

wej. Regulacji tej dokonamy za

pomoc¹ potencjometrÛw montaøo-

wych PR2 i†PR3.

stosowanie takiego elementu, po-

dyktowane wy³¹cznie wzglÍdami

ekonomicznymi, utrudnia nieco

pos³ugiwanie siÍ przyrz¹dem,

szczegÛlnie podczas regulacji w

zakresie ma³ych czÍstotliwoúci.

Aby temu zaradziÊ moøemy jako

P1 zastosowaÊ potencjometr wie-

loobrotowy o†takiej samej rezys-

tancji, co znacznie zwiÍkszy

komfort obs³ugi urz¹dzenia, ale

niestety, takøe koszt jego wyko-

nania.

Uk³ad modelowy przewidziany

by³ do pracy tylko w†jednym

zakresie: 20Hz..20kHz. Nic nie

stoi na przeszkodzie, aby ten

zakres zmieniÊ lub dobudowaÊ do

uk³adu prze³¹cznik, do³¹czaj¹cy

do wejúcia TIMING C-IC8 konden-

satory o†rÛønej pojemnoúci.

Wbudowany w†uk³ad miernik

czÍstotliwoúci moøna takøe zasto-

sowaÊ do pomiaru czÍstotliwoúci

przebiegÛw innych, niø generowa-

ne przez nasz przyrz¹d. Naleøy

wtedy wyposaøyÊ generator w†do-

datkowe wejúcie i†prze³¹cznik

umoøliwiaj¹cy do³¹czanie wejúcia

miernika do bramki IC4A lub do

ürÛd³a zewnÍtrznego sygna³u.

W uk³adzie modelowym wspÛ³-

czynnik wype³nienia sygna³u wyj-

úciowego ustawiony by³ na sta³e

i†wynosi³ 50%. Zast¹pienie poten-

cjometru montaøowego PR1 zwyk-

³ym potencjometrem pozwoli na

zmianÍ wspÛ³czynnika wype³nie-

nia ìna bieø¹coî, podczas pracy

uk³adu.

Zbigniew Raabe, AVT

zbigniew.raabe @ ep.com.pl

Montaø i†uruchomienie

Na rys. 3 pokazano rozmiesz-

czenie elementÛw na p³ytce,

a†w³aúciwie na dwÛch po³¹czo-

nych ze sob¹ p³ytkach obwodÛw

drukowanych. Ze wzglÍdu na

znaczn¹ komplikacjÍ po³¹czeÒ,

obydwie p³ytki zaprojektowane zo-

sta³y na laminacie dwustronnym

z†metalizacj¹ punktÛw lutowni-

czych. Montaø uk³adu w†pocz¹t-

kowej fazie nie odznacza siÍ

niczym szczegÛlnym i†wykonuje-

my go w†typowy sposÛb, rozpo-

czynaj¹c od elementÛw o†naj-

mniejszych gabarytach, a†koÒcz¹c

na wlutowaniu kondensatorÛw

elektrolitycznych i†stabilizatorÛw

napiÍcia.

Jedyn¹ nieco trudniejsz¹ do

wykonania czynnoúci¹ bÍdzie po-

Moøliwe modyfikacje

i†usprawnienia uk³adu

W uk³adzie modelowym jako

P1 zastosowano zwyk³y poten-

cjometr obrotowy i†taki bÍdzie

dostarczany w†kicie. Jednak za-

Elektronika Praktyczna 9/99

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: