XR 2206
Funktiegenerator-IC's zijn reeds enkele jaren in de handel. De technische vooruitgang heeft intussen geleid tot verbeterde prestaties bij slechts weinig hogere kostprijs, zodat men kan spreken van een 'tweede generatie' van deze IC's.
In Elektuur, juni 1973, is een eenvoudige funktiegenerator met het IC tipe ICL 8038 beschreven. Het IC vertoonde echter nog enkele onvolkomenheden, die de bruikbaarheid beperkten. Vooral de vervorming van het sinussignaal, de grensfrekwentie en de lineariteit, alsmede de zwaai van de VCO, waren niet bevredigend.
Het nieuwere IC tipe XR2206 (Exar) heeft niet alleen betere eigenschappen, maar biedt bovendien ekstra funkties die het toepassingsgebied aanzienlijk vergroten. De voordelen van dit IC zijn samengevat in tabel 1, terwijl in tabel 2 de belangrijkste toepassingsmogelijkheden zijn vermeld.
Tabel 1.
- lage vervormingsfaktor typ 0,5%
- hoge frekwentiestabiliteit typ. 2×10-5/°C
- grote frekwentiezwaai typ. 2000:1
- geringe frekwentie-afwijkingen bij variërende voedingsspanning typ. 0,01%/V
- lineaire amplitudemodulatie
- lineaire spanning/frekwentie-omzetting
- groot voedingsspanningsbereik
Tabel 2.
- opgewekte signaalvormen: sinus, driehoek, zaagtand, rechthoek
- wobbelgenerator
- AM/FM-generator
- frekwentie-omzetting
- PLL-schakelingen
- meet- en testapparaten
De verschillende funkties
Zoals figuur 1 aangeeft, bevat het IC vier funktiegroepen, nl.: een spanningsgestuurde oscillator (VCO), een funktieblok 'schakelbare stroombronnen', een analoogvermenigvuldiger met sinuskonverter en een bufferversterker.
Figuur 1. Deze figuur geeft duidelijk weer hoe het IC moet worden aangesloten. De tekening is in bovenaanzicht.
De centrale eenheid van de funktiegenerator is de VCO. Eigenlijk is dit een stroomgestuurde oscillator, hetgeen overigens voor de meeste VCO-schakelingen geldt. De frekwentie van de VCO wordt bepaald door een kondensator en een stuurstroom. Geintegreerde stroomschakelaars schakelen de stroom aan een van de beide stroomuitgangen (aansluiting 7 of 8 van het IC), afhankelijk van het logische njvo aan de stuuringang (aansluitpen 9).
Tussen de stuurstroom If, die van een van de uitgangen naar massa loopt en de frekwentie van de VCO bestaat een lineaire betrekking:
Indien de stroom in mA en de kapaciteit in µF wordt ingevuld, dan wordt de vergelijking:
Voor If zijn stromen tussen 1 µA en 3 mA toegestaan. Optimale stabiliteit wordt verkregen in het gebied van 15 - 750 µA.
De stroomuitgangen 7 en 8 van het IC zijn laagohmige uitgangen, de spanning op deze punten wordt in het IC op 3 V gestabiliseerd. Aangezien deze referentiespanning slechts in zeer geringe mate temperatuurafhankelijk is (60 µV/°C), is ook de temperatuurgevoeligheid van de oscillatorfrekwentie zeer gering. De gevoeligheid voor temperatuurveranderingen wordt praktisch alleen bepaald door de temperatuurkoëfficiënt van de frekwentiebepalende eksterne komponenten.
| Maks. oscillatiefrekwentie | 500 kHz (typ. 1 MHz) |
| Min. oscillatiefrekwentie | 0,1 Hz (typ. 0,01 Hz) |
| Frekwentienauwkeurigheid | ± 2% van fo = 1/R.0 |
| Temperatuurstabiliteit | ±2.10-5/°C (typ.) |
| Frekwentievariatie afhankelijk van de voedingsspanning | 0,01%/V (typ.) |
In het eenvoudigste geval vindt de instelling van de stuurstroom plaats met behulp van een weerstand Rf tussen aan-sluitpen 7 of 8 en massa. De stuurstroom bedraagt in dat geval:
en voor de frekwentie geldt dan:
Toelaatbaar zijn weerstandswaarden van 1 k ... 2 M; voor een goede stabiliteit kan een waarde tussen 4 k en 200 k worden gekozen. De frekwentiebepalende kondensator kan gekozen worden tussen 1 nF en 100 µF. De belangrijkste eigenschappen van de geïntegreerde VCO zijn in tabel 3 samengevat. Het VCO-signaal stuurt de basis van een geintegreerde uitgangstransistor; de kollektor van deze transistor is verbonden met de synchronisatie-uitgang (pen 11). Het VCO-signaal vormt het grondsignaal voor de, in het vermenigvuldigings- en sinuskonverterdeel plaatsvindende, signaalvorming. Dit deel van de schakeling levert, afhankelijk van de eksterne komponenten aan de pennen 13 en 14, een sinusvormig of een driehoek-signaal aan de uitgang (pen 2).
Enkele, daarvoor bestemde, aansluitpunten geven instelmogelijkheden voor de signaalvorm (vervorming), simmetrie, amplitude en gelijkspanningsnivo van het uitgangssignaal.
Bij zorgvuldige instelling van de golfvorm en de simmetrie is de vervorming van het sinussignaal ca. 0,5%, wat voor de meeste toepassingen voldoende is.
Principeschakeling voor een funktiegenerator
Het basisschema van een funktiegenerator met een IC 2206 is in figuur 2 getekend. Met een betrekkelijk klein aantal eksterne komponenten is het hiermee mogelijk sinusvormige, driehoek- en blokspanningen op te wekken. Het frekwentiegebied is 1 Hz tot 100 kHz, verdeeld over 5 bereiken, waartoe met S1 de frekwentiebepalende kondensatoren C 1 ... C5 kunnen worden gekozen. Voor C1 kan het beste een tantaalelko worden genomen.
Figuur 2. Het schema van de funktiegenerator.
Met P1 kan telkens een gehele dekade worden bestreken. Voor een goede stabiliteit werd hiervoor een waarde van 100 k gekozen. Het verloop van de frekwentie over het bereik van P1 is in figuur 3 weergegeven. Wegens de relatie f = 1 / RC is het verband tussen frekwentie en weerstand niet lineair maar hyperbolisch. Door gebruik van een logaritmische potmeter wordt een bruikbare schaalverdeling verkregen. De kondensator C6 dient voor ontkoppeling van de inwendige referentiespanningsbron. Op aansluitpunt 11 staat een blokspanning ter beschikking. Weerstand R2 is de kollektorweerstand van de inwendige uitgangstransistor. Ten behoeve van TTL-kompatibiliteit moet de uitgangsamplitude op 4,7 V worden begrensd. Hiertoe dient de, gestreept getekende, zenerdiode van punt 11 naar massa.
Figuur 3. De karakteristiek laat het frekwentieverloop zien, afhankelijk van de weerstandswaarde van P1. Cekst. heeft een vaste waarde n.l. 1 µF.
Bij geopende schakelaar S2 levert uitgangspunt 2 een driehoekspanning met goede lineariteit (1% afwijking), met gesloten schakelaar is dit een sinus. Voor kleine vervorming is een afregeling van de golfvorm noodzakelijk. Daartoe wordt eerst de simmetrie-potmeter P4 in de middenstand gezet en vervolgens wordt met P5 afgeregeld op minimale vervorming van het uitgangssignaal. Een verdere vermindering van de vervorming kan dan door nastellen van P4 worden bereikt. Is een vervorming van ongeveer 2% acceptabel, dan kan deze instelling achterwege worden gelaten. P4 vervalt dan, terwijl P5 door een weerstand van 200 Ω wordt vervangen.
Potmeter P2 dient voor instelling van de uitgangsamplitude van de sinus- of drie-hoeksignalen. De maksimale uitgangsspanning is gelijk aan of groter dan Ub/2, waarbij de driehoekspanning ongeveer twee maal zo groot is als de sinusspanning. De uitgangsimpedantie van aansluitpunt 2 is ca. 600 Ω.
Het gelijkspannjngsnivo aan de signaaluitgang is ongeveer gelijk aan de gelijkspanning op pen 3 van het IC (instelbaar met P3). Als het gebruik van de schakeling geen andere waarde noodzakelijk maakt, kan op Ub/2 worden ingesteld. In dat geval kan P3 door een spanningsdeler van 2 × 12 kΩ worden vervangen. De belangrijkste technische gegevens van de schakeling volgens figuur 2 zijn in tabel 4 samengevat.
| voedingsspanning | 10-26 V | |
| stroomopname | ca. 20 mA | |
| maks. uitgangsspanning (Ub = 12 V) | ||
| sinus/driehoek | 6 V | |
| blok | 12 V | |
| uitgangsimpedantie | ||
| sinus/driehoek | ca. 600 Ω | |
| blok | ca. 10 Id./ | |
| vervormingsfaktor sinus | ||
| zonder afregeling | typ. 2,5% | |
| met afregeling | typ. 0,5, maks. 1,5% | |
| lineariteit driehoeksignaal | 1% | |
| amplitudestabiliteit | typ. 0,5 dB | |
| (bij een frekwentieverandering van 1000:1) | ||
FM- en wobbelgenerator
Zoals reeds is vermeld bij de funktiebeschrijving is de VCO-frekwentie evenredig met een stuurstroom If. Door veranderen van deze stroom kan de frekwentie over een groot gebied worden gevarieerd (zie tabel 5).
| maks. frekwentiezwaai | typ. 2000 : 1 (Rf = 1 k - 2 M) |
| lineariteit van de frekwentiezwaai | |
| 10 : 1 zwaai | typ. 2% (f = 1 kHz - 10 kHz) |
| 1000: 1 zwaai | typ. 8% (f = 100 Hz - 100 kHz) |
| FM-vervorming zwaai ±10% van f0 | typ. 0,1% |
Een mogelijk sisteem voor stroomsturing zou zijn, een stuurbare stroombron met de pennen 7 of 8 van het IC te verbinden. In de praktijk is deze oplossing te gekompliceerd en leidt bovendien tot lineariteitsproblemen. Een eenvoudiger schakeling is in figuur 4a aangegeven. De stuurstroom If verandert hier met een aan Rf gelegde tegenspanning Uf. Over de weerstand Rf valt het verschil tussen de spanning U0 (3 V) en de stuurspanning Uf. Daardoor is de stroom If evenredig met de spanning Uf, en de frekwentie verandert lineair met de spanning Uf:
Figuur 4a. Een toepassing van het IC als wobbelgenerator. De stroom If is evenredig met Uf, waardoor de frekwentie verandert.
Voor de frekwentie geldt:
waaruit volgt:
Hierbij moet er op gelet worden dat de spanning Uf onder geen enkele omstandigheid de waarde van U0 overschrijdt, omdat de dan in het IC lopende stroom tot vernieling van het IC kan leiden. Voor de grootte van de stroom If en de keuze van de weerstand Rf gelden de in de funktiebeschrijving gegeven richtlijnen.
Een tweede wobbelmogelijkheid is in figuur 4b aangegeven. Het enige verschil met de schakeling volgens figuur 4a is dat er een ekstra weerstand Rp is toegevoegd. Door deze weerstand loopt een stroom IRp = U0/Rp, welke bij de stroom IRf moet worden opgeteld om If te vinden.
De vergelijking voor de frekwentie wordt dan:
Figuur 4b. Het verschil met figuur 4a is de ekstra weerstand Rp. Hierdoor wordt de stroom If groter, waardoor de frekwentie ook verandert.
Frequency Shift Keying (FSK)
Onder FSK verstaat men informatieoverdracht (bv. telexsignalen) door omschakeling van twee vast ingestelde frekwenties. Deze metode is met het IC 2206 eveneens mogelijk. Aangezien twee omschakelbare stroomuitgangen beschikbaar zijn, kunnen twee verschillende frekwentiebepalende weerstanden worden toegevoegd, zodat twee omschakelbare frekwenties worden opgewekt (figuur 5).
Figuur 5. Volgens dit schema is het mogelijk om tussen twee frekwenties een keuze te maken.
De omschakeling vindt plaats via een digitale stuuringang (FSK, pen 9). Deze FSK-ingang is TTL-kompatibel. Bij spanningen 2 V of bij open ingang loopt de stuurstroom door R1, bij spanningen < 1 V door R2. Het verband wordt duidelijk uit de waarheidstabel van figuur 5.
De verdere uitwendige schakeling voor de signaalopwekking wordt, al naar de gewenste golfvormen, opgebouwd analoog aan figuur 2.
Amplitudemodulatie
De uitgangsamplitude van de sinus/driehoek-uitgang verandert lineair met de spanning aan de AM-ingang 1 van het IC. Dit maakt amplitudemodulatie van het generatorsignaal mogelijk. Bereikt de modulatiespanning de waarde Ub/2, dan treedt een fazesprong in het uitgangssignaal op, terwijl de amplitude tegelijkertijd door nul gaat. Daardoor is dit IC ook bruikbaar voor fazemodulatie en amplitudemodulatie met onderdrukte draaggolf. Dit laatste maakt bv. de opwekking van een stereomultiplekssignaal mogelijk.
Het AM-dynamiekbereik is maks. 55 dB, wat overeenkomt met een modulatie-diepte van praktisch 1 (m = 0,996). De AM-ingang is tamelijk hoogohmig, n.l. minimaal 50 k.
Zaagtand- en impulsgenerator
Een verbinding tussen de blokspanning-uitgang en de FSK-ingang leidt tot 'automatische' frekwentie-omschakeling (figuur 6). Voor de positieve en de negatieve halve perioden van de blokspanning worden n.l. twee verschillende, door de weerstanden R1 en R2 bepaalde tijdkonstanten werkzaam. De impulsduur en de duty-cycle zijn met R1 en R2 tussen ongeveer 1% en 99% instelbaar.
Figuur 6. Het schema van de zaagtandimpuisgenerator.
Voor de frekwentie en de duty-cycle gelden de volgende vergelijkingen:
Verdere gegevens over het blokspanning-signaal zijn vermeld in tabel 6.
| amplitude | = Ub |
| stijgtijd | typ. 250 ns |
| afvaltijd | typ. 50 ns |
| nul-nivo | typ. 0,2 V maks. 0,4 V (IL = 2mA) |
De analoog-uitgang 2 levert een asimmetrische driehoekspanning voor R1 × R2. Bij een zeer kleine (< 10%) of een zeer grote (> 90%) duty-cycle wordt de driehoek een zaagtand.
Literatuur
- Technische en applikatiegegevens van EXAR.