Что такое функциональный генератор, и как им пользоваться
Привет, Хабр! Какие и насколько значительные искажения, (или преобразования, если они желательные), привносит в сигнал тот или иной прибор, цепь или узел?
Функциональный генератор — это лабораторный прибор, который позволяет моментально увидеть эти искажения на экране осциллографа. Согласитесь, это максимально удобно и наглядно.
Сегодня мы соберём и опробуем такие генераторы на специализированных микросхемах ICL8038 и XR2206, а также простейший вариант на NE555.
Лабораторным функциональным генератором на микросхеме XR2206 мы уже пользовались в статье про самодельный ламповый усилитель.
Синусоидальный сигнал, представляющий собой электрические колебания одной частоты, в идеале без гармоник (на практике ничего идеального не бывает, но всегда надо с чего-то начинать, к чему-то стремиться и с чем-то сравнивать), позволяет увидеть на экране осциллографа как раз эти самые гармоники. Их видно как искажения формы синусоиды.
Треугольная волна, осциллограмма которой состоит из прямых наклонных отрезков, позволяет увидеть нелинейные искажения в виде отклонений формы выходного сигнала от прямых линий.
Прямоугольные импульсы в идеале представляют собой мгновенное включение и мгновенное отключение напряжения. Благодаря им, можно увидеть на экране осциллографа релаксационные и резонансные переходные процессы.
К релаксационным переходным процессам относятся завал фронтов интегрирующей цепью и наоборот, иглообразные всплески, которые создаёт дифференцирующая цепь.
Так как интегрирующая цепь является фильтром нижних частот (ФНЧ), завал фронтов свидетельствует о спаде амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области высоких частот. Что характерно, например, для гитарных кабелей и соединительных кабелей аудиоаппаратуры.
Дифференцирующая цепь является фильтром верхних частот, ослабляющим низкочастотную составляющую сигнала. Применительно к аудиотехнике это потеря басов. На экране осциллографа наблюдается подъём фронтов.
Звон — это резонансные процессы, выглядящие как затухающие гармонические колебания, обычно небольшой амплитуды. Прямоугольный тестовый сигнал позволяет заметить их там, где должна быть прямая горизонтальная линия. На фоне сигнала иной формы было бы трудно понять, что это именно звон.
В импульсных блоках питания звон может быть причиной выхода преобразователя из строя, а в высокоскоростной цифровой технике создавать помехи и приводить к сбоям.
В одних случаях нам необходимо получить определённое преобразование сигнала, в других — усилить и передать его без искажений. Осциллограф и функциональный генератор — два незаменимых прибора в исследовании работы электронных схем и поиске неисправностей и недоработок.
▍ Схема на XR2206
Этот набор с Алиэкспресс позволяет собрать неплохой функциональный генератор в прозрачном акриловом корпусе. Он «умеет» выдавать синусоидальный сигнал, треугольную волну и прямоугольные импульсы, снабжён регулировкой усиления, имеет грубую и точную регулировку частоты в 4 поддиапазонах:
- 1 — 10 Гц;
- 10 — 100 Гц;
- 100 — 3000 Гц;
- 3 — 65 кГц;
- 65 кГц — 1 МГц.
Форма прямоугольного сигнала на частоте 19 герц совсем не радует. Вместо горизонтальных отрезков меандра — видим прямые, но сильнонаклонённые участки. Набор китайский, дешёвый, полуигрушечный, и ожидать идеального сигнала было бы странно. Неужели всё так плохо?
Может быть, дело в том, что вывод 11 микросхемы называется не «square wave output», а «sync output», то есть выход синхронизации? То есть, при разработке чипа XR2206 компания EXAR не предусматривала высококачественного меандра. Ведь для синхронизации достаточно просто фронта импульса.
На самом деле нужно просто переключить вход осциллографа из режима сопряжения по переменному напряжению (AC coupling) в сопряжение по постоянному (DC). Эти два режима различаются тем, что в режиме DC щуп подключён через конденсатор, отсекающий постоянное смещение.
Это удобно, потому что не нужно настраивать вертикальное смещение вручную. Применительно к дешёвым цифровым осциллоскопам, если положительное смещение превышает амплитуду сигнала, это вообще единственный способ посмотреть форму волны, если не применять внешнего источника смещения.
Дело в том, что ёмкость конденсатора в сочетании с традиционно высоким входным сопротивлением осциллографа образует дифференцирующую цепочку, которая отсекает не только постоянную составляющую, но и низкие частоты. Чем ниже частота, тем значительнее искажение формы сигнала.
Случилось чудо, и теперь мы видим прекрасный меандр. Осциллографом тоже надо уметь пользоваться. А пока не научились, не следует даже пытаться.
На частоте 420 Гц меандр остаётся прекрасным.
На частоте 125 кГц видим уже небольшое искажение меандра. Аналоговая полоса пропускания карманного осциллографа JYE Tech DSO Coral 112А составляет 0 — 2 МГц. То есть, сигналы частотой до 200 кГц он должен показывать — как они есть.
Вместо нормального щупа, тут простые провода с крокодилами без подстроечного конденсатора. При наблюдении тестового сигнала 100 кГц с генератора самого осциллографа видим такой же зубец.
Меандр 1 МГц на экране DSO Coral 112А выглядит как синусоида, а точнее, как синусоида, искажённая лампой. Дело в том, что аналоговый тракт осциллографа не пропускает частот выше второй гармоники этого сигнала. Чтобы адекватно наблюдать форму сигнала частотой 1 МГц, нужна полоса пропускания до 10 МГц.
Тем не менее, настраивать аудиотехнику, гитарные эффекты и импульсные блоки питания, кроме высокочастотных, при помощи такого осциллографа можно.
Синусоидальный сигнал выглядит хорошо, но регулятор амплитуды позволяет усилить его настолько, что наступает ограничение. Это надо иметь в виду, когда пользуемся этой ручкой. Если мы не следим за входным сигналом и прибавляем амплитуду, нам может показаться, что выходной сигнал подвергся ограничению. На самом деле ограничение происходит внутри микросхемы.
Треугольный сигнал выглядит прекрасно. Если переключиться на сопряжение по переменному току, увидим интегрированную волну.
На частоте 285 кГц вершины треугольных импульсов выглядят скруглёнными, но это уже связано с полосой пропускания осциллографа.
▍ Изучаем микросхему XR2206
Теперь посмотрим на схему генератора. Времязадающие конденсаторы C4 — C8 задают частотные поддиапазоны и переключаются джампером P2.
Переменный резистор R8 осуществляет грубую, а R7 — точную настройку частоты, благодаря тому, что они соединены последовательно, и сопротивление R7 вдвое меньше, чем у R8. Можно было сделать и более тонкую подстройку, если бы сопротивления различались, например, в 5 раз.
R6 ограничивает минимальное сопротивление составного времязадающего резистора. Данная конструкция использует всего один вход под резистор, а в микросхеме XR2206 их два. Конденсатор при этом используется один и тот же.
Переключение двух резисторов, и, соответственно, двух частот, осуществляется через вывод 9 — Frequency Shift Keying Input, FSKI. Если напряжение на нём ниже 1 вольта, генерируется частота, задаваемая резистором, подключённым между выводом 8 и землёй схемы. А если выше 2 вольт, активен вывод 7, и соответствующий резистор.
Если вход FSKI висит в воздухе, частоту задаёт вывод 7. Из чего делаем вывод, что нога 9 имеет внутреннюю подтяжку к положительному напряжению, хотя на эквивалентной схеме этот резистор или источник тока не обозначен.
Frequency Shift Keying — это частотная манипуляция, то есть модуляция, при которой скачкообразно изменяется частота несущего сигнала в зависимости от значений символов информационной последовательности.
Справочный листок к микросхеме XR2206 предлагает такую схему телеграфного (бинарного, двоичного) частотного манипулятора. А мы возвращаемся к схеме функционального генератора из набора.
Резисторы R3 и R5 делят напряжение питания пополам. Образованная ими средняя точка, причём не заземлённая по переменному току (в отличие от схем из справочного листка к микросхеме), подключена к выводу 3 микросхемы через переменный резистор R2. Его сопротивление задаёт усиление и, соответственно, амплитуду выходного синусоидального и треугольного сигналов. На амплитуду меандра этот регулятор не влияет.
Схема из документа AN-14 «А high quality function generator system using the XR2206 chip» предлагает регулировать не только амплитуду выходного сигнала, но и его смещение, посредством потенциометра R9.
Переменным резистором R10 можно подстроить форму синусоиды для получения минимума гармонических искажений. У генератора из набора с Али эта подстройка отсутствует, но как мы видим, хорошая синусоида получается и с постоянным резистором 330 Ом. На треугольную волну этот резистор не влияет, так как режим треугольной волны активируется отключением данного резистора.
Сигналом, подаваемым на вывод микросхемы, подключённой к активному на данный момент времязадающему резистору, можно осуществлять частотную модуляцию. Например, построить генератор качающейся частоты (ГКЧ), который применяется для исследования АЧХ — амплитудно-частотной характеристики устройств, их узлов и компонентов.
А для амплитудной модуляции разработчики XR2206 предусмотрели выход 1, который у китайского генератора также не задействован.
Электролитический конденсатор, подключаемый к выводу 10, заземляет по переменному току внутренний источник опорного напряжения. Такое мы видели в обвязки многих аналоговых микросхем.
Потенциометр R11 между выводами 15 и 16, бегунок которого через резистор R7 подключён к минусу питания, служит для регулировки симметрии волны. В китайском генераторе этот регулятор отсутствует.
Вывод прямоугольных синхроимпульсов 11, являющийся выходом с открытым коллектором, нужно подтягивать резистором к плюсу питания. Схема из AN-14 предусматривает делитель R5R6, позволяющий получить выходы с полной и с половинной амплитудой.
А чтобы получить колебания с разным коэффициентом заполнения, например, ШИМ или развёртку для ЭЛТ осциллографа, следует просто соединить выход синхросигнала со входом переключения частотнозадающих резисторов. Тогда положительная и отрицательная полуволны будут составлять не половину периода колебаний, а его часть, соответствующую соотношению сопротивлений времязадающих резисторов.
▍ Схема на ICL8038
Второй функциональный генератор собран из набора на микросхеме ICL8038. Данный вариант конструктивного исполнения аскетичный, с подстроечными резисторами.
Можно заказать и нарядную версию с акриловым корпусом и удобными ручками переменных резисторами.
Есть и третий вариант. Он поставляется в виде собранного модуля с 10-оборотными подстроечными резисторами и пригодится тем, кому важна точность настройки.
В отличие от XR2206, микросхема ICL8038 имеет отдельные выходы для меандра, треугольника и синусоиды. Подстроечный резистор RP1 задаёт частоту колебаний. RP5 — регулятор амплитуды выходного сигнала. RP3 дополнительно настраивает амплитуду прямоугольных импульсов.
RP2 регулирует коэффициент заполнения ШИМ. Иными словами, влияет на временной баланс положительной и отрицательной полуволн.
RP4 настраивает смещение формирователя синусоиды.
Прямоугольник и пила выглядят прекрасно.
Приближаясь к верхней границе частотного диапазона, синусоида искажается, прямоугольник выглядит как синусоида, а зубья пилы становятся серповидными. Но такова полоса пропускания осциллографа DSO Coral 112А.
▍ Схема на NE555
И напоследок опробуем примитивное решение на универсальном таймере NE555.
Здесь меандр последовательно проходит через три одинаковых RC интегратора, а затем поступает на базу транзистора во включении с общим эмиттером, коллектор которой соединён с базой через конденсатор. (Резистор 1 МОм обеспечивает смещение базы). Переставляя джампер, можно наблюдать, что происходит с сигналом на каждой стадии.
▍ Выводы
На специализированных микросхемах XR2206 и ICL8038 получаются прекрасные функциональные генераторы для любительской электронной лаборатории.Что касается простой схемы на таймере 555, аппроксимация синусоиды получилась неожиданно неплохой. Тогда как плато меандра искажены дифференцирующей цепочкой, пила вместо отрезков прямой имеет куски экспоненты, (чтобы получить ГЛИН, — генератор линейно изменяющегося напряжения, — надо заряжать конденсатор не постоянным напряжением через резистор, а источником стабилизированного тока), а вершины треугольников, разумеется, скруглены интеграторами.
Напишите в комментариях, какие лабораторные генераторы сигналов вы использовали и собирали, и как можно применить сегодняшние схемы.
Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх
