เครื่องกำเนิดฟังก์ชัน: 12 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

คำแนะนำนี้อธิบายการออกแบบเครื่องกำเนิดฟังก์ชันตามวงจรรวมอนาล็อกของ Maxims MAX038

เครื่องกำเนิดฟังก์ชันเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์มากสำหรับผู้คลั่งไคล้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ จำเป็นสำหรับการปรับวงจรเรโซแนนซ์ การทดสอบอุปกรณ์เสียงและวิดีโอ การออกแบบฟิลเตอร์แอนะล็อก และเพื่อวัตถุประสงค์อื่นอีกมากมาย

ปัจจุบันมีเครื่องกำเนิดฟังก์ชันสองประเภทหลัก ดิจิตอล (ตาม DSP, DDS…) ซึ่งใช้กันมากขึ้นและอนาล็อกซึ่งเป็นต้นกำเนิด

ทั้งสองประเภทมีข้อดีและข้อเสีย เครื่องกำเนิดดิจิตอลสามารถสร้างสัญญาณที่มีความถี่ที่เสถียรมาก แต่พวกมันมีปัญหากับการสร้างสัญญาณไซน์ที่บริสุทธิ์มาก (ซึ่งไม่ใช่ปัญหาสำหรับเครื่องอนาล็อก) นอกจากนี้เครื่องกำเนิดฟังก์ชันการแพร่กระจายส่วนใหญ่ตามแนวทาง DDS ยังมีช่วงการสร้างความถี่ที่ไม่ใหญ่นัก

เป็นเวลานานแล้วที่ฉันต้องการออกแบบตัวสร้างฟังก์ชันที่มีประโยชน์ ซึ่งอาจรวมข้อดีบางประการของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งสองประเภท (แอนะล็อกและดิจิทัล) เข้าด้วยกัน ฉันตัดสินใจออกแบบโดยใช้ชิป Maxim MAX038*

* หมายเหตุ - ชิปนี้ไม่ได้ผลิตและจำหน่ายโดย Maxim แล้ว มันล้าสมัย ยังคงสามารถพบได้ใน eBay, Aliexpress และไซต์อื่น ๆ สำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

มีชิปกำเนิดฟังก์ชันแอนะล็อกอื่น ๆ ที่มีอยู่ (XR2206 จาก Exar, icl8038 จาก Intersil) แต่ฉันมี

มี MAX038 หนึ่งเครื่องและฉันใช้มัน คุณสมบัติดิจิทัลของตัวสร้างฟังก์ชันนั้นดำเนินการโดยชิป Atmega328 หนึ่งตัว หน้าที่ของมันมีดังนี้:

• ควบคุมการเลือกช่วงความถี่
• ควบคุมประเภทสัญญาณ (ไซน์ สี่เหลี่ยม สามเหลี่ยม ฟันเลื่อย)
• วัดความกว้างของสัญญาณ
• วัดค่า DC offset
• วัดความถี่ของสัญญาณ
• วัดค่า THD ของสัญญาณไซน์ในช่วงเสียง (ยังคงต้องดำเนินการ)
• แสดงข้อมูลทั้งหมดนี้บนจอ LCD ขนาด 16x2 แบบตัวอักษร

ขั้นตอนที่ 1: MAX038 คำอธิบาย

ฉันได้แนบแผ่นข้อมูล MAX038 แล้ว พารามิเตอร์ชิปที่สำคัญที่สุดสามารถเห็นได้:

♦ ช่วงความถี่การทำงาน 0.1Hz ถึง 20MHz

♦รูปคลื่นสามเหลี่ยม ฟันเลื่อย ไซน์ สี่เหลี่ยม และพัลส์

♦ การปรับความถี่และรอบการทำงานที่เป็นอิสระ

♦ 350 ถึง 1 ช่วงการกวาดความถี่

♦ 15% ถึง 85% รอบการทำงานที่เปลี่ยนแปลงได้

♦ บัฟเฟอร์เอาต์พุตอิมพีแดนซ์ต่ำ: 0.1Ω

♦ ดริฟท์อุณหภูมิต่ำ 200ppm/°C

ข้อกำหนดที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือความต้องการการจ่ายไฟแบบคู่ (±5V) แอมพลิจูดเอาต์พุตได้รับการแก้ไข (~ 2 VP-P พร้อมออฟเซ็ต 0 V DC)

ในหน้า 8 ของแผ่นข้อมูลสามารถเห็นบล็อกไดอะแกรมของชิป ในหน้า 11 สามารถเห็นวงจรที่ง่ายที่สุด ซึ่งสามารถใช้สำหรับสร้างสัญญาณคลื่นไซน์ วงจรนี้เป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบเครื่องกำเนิดฟังก์ชัน

ขั้นตอนที่ 2: วงจร …

ในภาพคือวงจรของตัวสร้างฟังก์ชัน ฉันทำภาพนี้ด้วยความละเอียดสูงสุดที่เป็นไปได้เพื่อรับประกันว่าค่า.device แต่ละค่าสามารถอ่านได้อย่างถูกต้อง แผนผังดูค่อนข้างซับซ้อนและเพื่อให้เข้าใจได้ดีขึ้น ฉันจะอธิบายส่วนหลักแยกกัน ผู้อ่านหลายคนอาจตำหนิฉันว่าวงจรซ้ำซ้อนเกินไป มันเป็นความจริง. ในตอนแรกคุณจะเห็นว่ามีชิป MAX038 สองตัว เหตุผลก็คือ PCB รองรับทั้งแพ็คเกจ SO และ DIP ความซ้ำซ้อนสามารถเห็นได้ในบางฟังก์ชัน -

1) LED แสดงช่วงความถี่แอ็คทีฟปัจจุบัน แต่ยังแสดงบน LCD ด้วย

2) LED ยังใช้เพื่อระบุประเภทสัญญาณ แต่ LCD ยังแสดงข้อมูลนี้ด้วย

การออกแบบทำในลักษณะนี้เพื่อให้ผู้ใช้มีความยืดหยุ่นมากขึ้น - ภายใต้ความต้องการเขาไม่สามารถใช้ LCD หรือเพียงแค่สามารถละเว้นการบัดกรีของ LED ได้ ฉันได้ประสานพวกเขาเพื่อให้สามารถดีบักการทำงานในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ

สามารถสังเกตได้ว่าฉันใช้ opamps เป็นจำนวนมาก บางส่วนสามารถละเว้นได้โดยไม่มีปัญหา - โดยเฉพาะบัฟเฟอร์ ในปัจจุบัน opamps นำเสนอความซ้ำซ้อนครั้งใหญ่ในแพ็คเกจเดียว คุณสามารถค้นหาแอมพลิฟายเออร์แยก 2, 4 หรือ 8 ตัวในราคาค่อนข้างต่ำ ทำไมไม่ใช้พวกเขา?

ตัวเก็บประจุซ้ำซ้อนยังเป็นตัวเก็บประจุแบบกรอง - ชิปแอนะล็อกแต่ละตัวที่ใช้มีธนาคารตัวเก็บประจุของตัวเอง (ตัวเก็บประจุแทนทาลัม + เซรามิกสำหรับวัสดุทั้งสอง) บางส่วนสามารถละเว้นได้

ขั้นตอนที่ 3: คำอธิบายวงจร - พาวเวอร์ซัพพลาย (1)

อย่างที่ฉันบอกว่าเครื่องกำเนิดนี้ต้องการแหล่งจ่ายคู่ แรงดันบวกถูกสร้างขึ้นโดยใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น 7805 อุปทานติดลบถูกสร้างขึ้นโดยชิป 7905 จุดต่อกลางของหม้อแปลง 2x6V เชื่อมต่อกับกราวด์ทั่วไปของบอร์ด แหล่งจ่ายไฟที่สร้างขึ้น - ทั้งขั้วบวกและขั้วลบถูกแยกออกเป็นอนาล็อกและดิจิตอลโดยใช้โช้ค ไฟ LED สองดวงแสดงถึงการมีอยู่ของแหล่งจ่ายแต่ละตัว

ขั้นตอนที่ 4: คำอธิบายวงจร - การควบคุมช่วงความถี่ (2)

เพื่อให้ครอบคลุมช่วงความถี่ขนาดใหญ่ มีการใช้ธนาคารตัวเก็บประจุหลายตัว ตัวเก็บประจุมีค่าต่างกันและกำหนดความถี่ย่อยที่แตกต่างกัน ตัวเก็บประจุเหล่านี้ใช้ระหว่างการทำงานเพียงตัวเดียว - แผ่นด้านล่างถูกต่อสายดินด้วยสวิตช์ทรานซิสเตอร์ MOS แผ่นด้านล่างของตัวเก็บประจุที่จะต่อสายดินนั้นถูกควบคุมโดย Atmega328 โดยใช้ชิป demultiplexer 74HC238 เนื่องจากสวิตช์ MOS ฉันใช้ทรานซิสเตอร์ BSS123 ข้อกำหนดหลักสำหรับสวิตช์นี้คือต้องมี Ron ต่ำและความจุของท่อระบายน้ำต่ำที่สุด สามารถละเว้นการควบคุมแบบดิจิตอลของธนาคารตัวเก็บประจุได้ - PCB มีรูสำหรับบัดกรีสายไฟสำหรับสวิตช์หมุนเชิงกล

ขั้นตอนที่ 5: คำอธิบายวงจร - การปรับความถี่ (3)

ในภาพคือวงจรควบคุมความถี่และรอบการทำงาน ที่นั่นฉันใช้ LM358 opamp มาตรฐาน (แอมพลิฟายเออร์คู่ในแพ็คเกจเดียว) ฉันใช้โพเทนชิโอมิเตอร์คู่ 10K ด้วย

ชิป MAX038 สร้างแรงดันอ้างอิงภายใน 2.5V ซึ่งปกติใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการปรับทั้งหมด

แรงดันไฟฟ้านี้ถูกนำไปใช้ที่อินพุทกลับด้านของ IC8a และสร้างการอ้างอิงแรงดันลบที่ใช้สำหรับ DADJ (การปรับรอบการทำงาน) แรงดันไฟฟ้าทั้งสองถูกนำไปใช้กับโพเทนชิออมิเตอร์สำหรับ DADJ ซึ่งก๊อกตรงกลางถูกบัฟเฟอร์และนำไปใช้กับพิน DADJ ของชิป MAX038 สามารถใช้จัมเปอร์ JP5 เพื่อปิดใช้งานฟังก์ชัน DADJ เมื่อเชื่อมต่อกับกราวด์ การควบคุมความถี่ "หลักสูตร" ถูกสร้างไว้ล่วงหน้าโดยการเปลี่ยนจมปัจจุบัน / แหล่งที่มาในพิน MAX038 "IIN" กระแสนี้ถูกกำหนดโดยตัวต้านทาน R41 และแรงดันเอาต์พุตของ opamp ที่บัฟเฟอร์การแตะตรงกลางของโพเทนชิออมิเตอร์ควบคุมความถี่ของหลักสูตร ทั้งหมดนี้สามารถแทนที่ด้วยโพเทนชิออมิเตอร์เดียว (ในการเชื่อมต่อรีโอสแตท) ระหว่างพิน REF และ IIN MAX038

ขั้นตอนที่ 6: คำอธิบายวงจร - การควบคุมแอมพลิจูด, การสร้างสัญญาณ SYNC… (4)

ตามที่เขียนไว้ในแผ่นข้อมูล สัญญาณเอาต์พุต pf MAX038 มีแอมพลิจูด ~1 V โดยมีแรงดัน DC เท่ากับศักย์กราวด์

ฉันต้องการมีความเป็นไปได้ที่จะควบคุมแอมพลิจูดของสัญญาณและสามารถกำหนด DC offset ได้ด้วยตัวเอง ในฐานะคุณสมบัติเพิ่มเติม ฉันต้องการให้มีสัญญาณ SYNC ที่มีระดับ CMOS ขนานกับสัญญาณเอาท์พุต โดยค่าเริ่มต้นชิป MAX038 จะสร้างสัญญาณดังกล่าว แต่ในแผ่นข้อมูลฉันอ่านว่าหากเปิดใช้งานคุณสมบัตินี้ (หมายความว่าอย่างไร - พิน DV+ เชื่อมต่อกับ 5V) จุดสูงสุด (สัญญาณรบกวน) บางส่วนสามารถสังเกตได้ในสัญญาณอะนาล็อกเอาต์พุตฉันต้องการเก็บไว้ มันสะอาดที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และด้วยเหตุนี้ฉันจึงสร้างสัญญาณ SYNC จากภายนอก PCB ทำในลักษณะที่พิน DV+ สามารถเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟหลักได้อย่างง่ายดาย พิน SYNC ถูกส่งไปยังขั้วต่อ BNC - ต้องบัดกรีตัวต้านทาน 50 โอห์มเท่านั้น ในกรณีนี้ สามารถละเว้นวงจรการสร้างสัญญาณ SYNC ได้ อย่างที่คุณเห็น ฉันยังใช้โพเทนชิโอมิเตอร์แบบคู่ด้วย แต่ไม่ได้เชื่อมต่อแบบขนาน เหตุผลก็คือ - ฉันวัดแอมพลิจูดค่อนข้างมาก Atmega328 ADC ตรวจจับแรงดันไฟฟ้าที่จุดกึ่งกลางของโพเทนชิออมิเตอร์หนึ่งตัวและคำนวณแอมพลิจูดของสัญญาณตามค่านี้ แน่นอนว่าวิธีนี้ไม่แม่นยำนัก (ขึ้นอยู่กับการจับคู่ของโพเทนชิออมิเตอร์ทั้งสองส่วน ซึ่งไม่เกิดขึ้นเสมอไป) แต่ก็แม่นยำเพียงพอสำหรับการใช้งานของฉัน ในวงจรนี้ IC2A ทำงานเป็นบัฟเฟอร์แรงดัน IC4A ก็เช่นกัน opamp IC2B ทำงานเป็นเครื่องขยายสัญญาณรวม - สร้างสัญญาณเอาท์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้งานได้เป็นผลรวมของแรงดันออฟเซ็ตและสัญญาณหลักพร้อมแอมพลิจูดที่ปรับแล้ว ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า R15. R17 สร้างสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมสำหรับการวัดค่าชดเชยสัญญาณหลัก DC มันถูกสัมผัสโดย Atmega328 ADC opamp IC4B ทำงานเป็นตัวเปรียบเทียบ - ควบคุมอินเวอร์เตอร์รุ่น SYNC ที่รับรู้โดยทรานซิสเตอร์ MOS สองตัว (BSS123 และ BSS84) U6 (THS4281 - Texas Instruments) จะเปลี่ยนสัญญาณเอาต์พุตที่สร้างโดย MAX038 DC ด้วย 2.5 V และขยาย 1.5 เท่า AVR ADC จะตรวจจับสัญญาณที่สร้างขึ้นและประมวลผลเพิ่มเติมด้วยอัลกอริธึม FFT ในส่วนนี้ ฉันใช้รางคุณภาพสูงเพื่อราง opamps ที่มีแบนด์วิดท์ 130 MHz (TI - LMH6619)

เพื่อให้เข้าใจได้ง่ายว่าการสร้างสัญญาณ SYNC ทำงานอย่างไร ฉันได้รวมรูปภาพบางส่วนของการจำลอง LTSpice ของวงจรด้วย ในภาพที่สาม: สัญญาณสีน้ำเงินคือแรงดันออฟเซ็ต (อินพุตของ IC2B) สีเขียวคือสัญญาณเอาท์พุตที่มีแอมพลิจูดที่ปรับแล้ว สีแดงคือสัญญาณเอาท์พุตของเครื่องกำเนิดการทำงาน ส่วนโค้งสีฟ้าคือสัญญาณ SYNC

ขั้นตอนที่ 7: การออกแบบ PCB

ฉันใช้ "Eagle" ในการออกแบบ PCB ฉันสั่ง PCB ที่ "PCBway" พวกเขาใช้เวลาเพียงสี่วันในการผลิตแผ่นกระดานและหนึ่งสัปดาห์ในการส่งมอบ คุณภาพสูงและราคาต่ำมาก ฉันจ่ายเพียง 13 USD สำหรับ 10 PCBs!

นอกจากนั้น ฉันสามารถสั่ง PCB สีอื่นได้โดยไม่ขึ้นราคา ฉันเลือกสีเหลือง:-)

ฉันกำลังแนบไฟล์เกอร์เบอร์ตามกฎการออกแบบ "PCBway"

ขั้นตอนที่ 8: การบัดกรี

ก่อนอื่นฉันบัดกรีอุปกรณ์วงจรจ่ายไฟ..

หลังจากทดสอบชุดจ่ายไฟ ฉันได้บัดกรีชิป Atmega328 กับอุปกรณ์ที่รองรับ ได้แก่ คริสตัลควอตซ์ ตัวเก็บประจุ ฝาปิดตัวกรอง และตัวเชื่อมต่อ ISP อย่างที่คุณเห็นฉันมีจัมเปอร์ในสายจ่ายไฟของชิป AVR ฉันตัดการเชื่อมต่อเมื่อตั้งโปรแกรมชิปผ่าน ISP ฉันใช้โปรแกรมเมอร์ USBtiny เพื่อจุดประสงค์นั้น

ในขั้นตอนต่อไป ฉันบัดกรีชิป de-mux 74HC238 แล้ว ไฟ LED จะระบุช่วงความถี่ ฉันโหลดโปรแกรม Arduino ขนาดเล็กลงในชิป Atmega ซึ่งกำลังทดสอบมัลติเพล็กซ์ (ดูวีดีโอได้ที่ลิงค์ด้านบนครับ)

ขั้นตอนที่ 9: การบัดกรี…

ในขั้นตอนต่อไป ฉันบัดกรี opamps ที่ทำงานในโหมด DC (LM358) และโพเทนชิโอมิเตอร์ปรับความถี่และ DADJ และตรวจสอบการทำงานทั้งหมด

ต่อไปฉันบัดกรีสวิตช์ BSS123 ตัวเก็บประจุกำหนดความถี่และชิป MAX039 ฉันทดสอบเครื่องกำเนิดการทำงานที่ตรวจสอบสัญญาณที่เอาต์พุตสัญญาณชิปดั้งเดิม (คุณสามารถเห็นโซเวียตเก่าของฉันซึ่งผลิตในปี 1986 ออสซิลโลสโคปยังคงทำงานอยู่:-))

ขั้นตอนที่ 10: การบัดกรีเพิ่มเติม…

หลังจากนั้นฉันก็บัดกรีซ็อกเก็ตสำหรับจอ LCD และทดสอบด้วยภาพร่าง "สวัสดีชาวโลก"

ฉันบัดกรีออปแอมป์ ตัวเก็บประจุ โพเทนชิโอมิเตอร์ และขั้วต่อ BNC ที่เหลือ

ขั้นตอนที่ 11: ซอฟต์แวร์

สำหรับการสร้างเฟิร์มแวร์ Atmega328 ฉันใช้ Arduino IDE

สำหรับการวัดความถี่ ฉันใช้ไลบรารี "FreqCounter" ไฟล์สเก็ตช์และไลบรารีที่ใช้แล้วสามารถดาวน์โหลดได้ ฉันได้สร้างสัญลักษณ์พิเศษเพื่อแสดงโหมดที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน (ไซน์ สี่เหลี่ยม สามเหลี่ยม)

ในภาพด้านบนสามารถเห็นข้อมูลที่แสดงบน LCD:

• ความถี่ F=xxxxxxx ใน Hz
• ช่วงความถี่Rx
• แอมพลิจูดใน mV A=xxxx
• ออฟเซ็ตใน mV 0=xxxx
• ชนิดของสัญญาณ x

ตัวสร้างฟังก์ชั่นมีปุ่มกดสองปุ่มที่ด้านหน้าทางด้านซ้าย - ใช้สำหรับเปลี่ยนช่วงความถี่ (เลื่อนขึ้น - ลง) ทางด้านขวาของพวกเขาคือสวิตช์เลื่อนสำหรับการควบคุมโหมดหลังจากนั้นจากซ้ายไปขวาให้ปฏิบัติตามโพเทนชิออมิเตอร์สำหรับการควบคุมความถี่ (แน่นอน, ปรับ, DADJ), แอมพลิจูดและออฟเซ็ต ใกล้กับโพเทนชิออมิเตอร์ปรับออฟเซ็ตวางสวิตช์ที่ใช้เพื่อสลับระหว่างออฟเซ็ตคงที่ที่ 2.5V DC และตัวปรับ

ฉันพบข้อผิดพลาดเล็กน้อยในรหัส "Generator.ino" ในไฟล์ ZIP - สัญลักษณ์สำหรับรูปคลื่นไซน์และรูปสามเหลี่ยมถูกสลับ ในไฟล์ "Generator.ino" ไฟล์เดียวที่แนบมาที่นี่ ข้อผิดพลาดได้รับการแก้ไขแล้ว

ขั้นตอนที่ 12: เสร็จสิ้น …

ในขั้นตอนสุดท้าย ฉันตั้งใจที่จะใช้คุณสมบัติเพิ่มเติม - การวัด THD ของสัญญาณไซน์ความถี่เสียงแบบเรียลไทม์โดยใช้ FFT สิ่งนี้จำเป็น เนื่องจากรอบการทำงานของสัญญาณไซน์อาจแตกต่างไปจาก 50% สิ่งที่อาจเกิดจากการไม่ตรงกันของชิปภายในและสาเหตุอื่นๆ และอาจทำให้เกิดการบิดเบือนฮาร์มอนิก โพเทนชิออมิเตอร์สามารถปรับรอบการทำงานได้ แต่หากไม่สังเกตสัญญาณบนออสซิลโลสโคปหรือเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม จะไม่สามารถตัดแต่งรูปทรงให้ละเอียดได้ การคำนวณ THD ตามอัลกอริทึม FFT สามารถแก้ปัญหาได้ ผลลัพธ์ของการคำนวณ THD จะแสดงบน LCD ในพื้นที่ว่างด้านบนขวา

ในวิดีโอสามารถเห็นสเปกตรัมของสัญญาณไซน์ MAX038 ที่สร้างขึ้น เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมใช้บอร์ด Arduino UNO + แผงป้องกัน TFT ขนาด 2.4 นิ้ว เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมใช้ไลบรารี SpltRadex Arduino ที่พัฒนาโดย Anatoly Kuzmenko เพื่อดำเนินการ FFT แบบเรียลไทม์

ฉันยังไม่ได้ตัดสินใจ - จะใช้ห้องสมุดนี้หรือใช้ห้องสมุด FHT ที่สร้างโดย Musiclabs

ฉันตั้งใจที่จะใช้ข้อมูลที่นำมาจากการวัดมิเตอร์ความถี่ในการคำนวณหน้าต่างสุ่มตัวอย่างที่เหมาะสม และเพื่อระงับการใช้กรอบหน้าต่างเพิ่มเติมในระหว่างการคำนวณ FFT ฉันต้องการเพียงหาเวลาว่างเพื่อทำให้สิ่งนี้เกิดขึ้น ฉันหวังว่าจะมีผลลัพธ์ในเร็ว ๆ นี้….