Funktiegenerator
Vooral voor de vrije-tijdselektronicus is een funktiegenerator bij het meten aan schakelingen onontbeerlijk. Door toepassing van het IC XR2206 zijn de kosten van de hier beschreven generator laag te noemen, terwijl toch van een vrij redelijke kwaliteit gesproken mag worden.
Industriële funktiegeneratoren hebben meestal een groot nadeel; ze zijn voor d doorsnee hobbyist te duur, temeer daar vele mogelijkheden van de apparatuur ongebruikt blijven. Om deze reden werc bij het ontwerp van deze funktiegenerator veel waarde gehecht aan een gunstige verhouding tussen bouwkosten en praktisch nut. Voor wat betreft het 'hart' van de generator is de keuze dan ook gevallen op de relatief goedkope XR2206 van Exar (zie ook Elektuur, oktober '75). De technische specifikaties van de rond dit IC opgebouwde generator wegen natuurlijk niet op tegel die van een duur industrieel apparaat, desondanks is dit ontwerp vanwege zijn eenvoud zeer geschikt voor zelfbouw. Via een keuzeschakelaar kunnen de volgende spanningsvormen ingesteld worden: sinus, driehoek, blok (symmetrisch en asymmetrisch) en zaagtand. Het frekwentiebereik is lineair van 9 Hz ... 220 kHz. De uitgangsspannings bereiken zijn 0 ... 10 mV, 0 ... 100 mV en 0 ... 1 V effektief. Een eindtrap zorgt voor een lage uitgangsimpedantie.
Het IC XR2206
Het inwendige van de XR 2206 is in figuur 1 blokschematisch weergegeven. Het belangrijkste deel vormt de VCO (eigenlijk CCO aangezien er van stroomsturing sprake is), waarvan de frekwentie door de externe komponenten Cext en Rext bepaald wordt. Een geintegreerde transistor ontkoppelt de uitgang van de VCO. Afhankelijk van de logische toestand aan de FSK-ingang (pen 9) is de aansluiting 7 of 8 geaktiveerd, zodat de mogelijkheid bestaat door verschillende weerstandswaarden de frekwentie om te schakelen (FSK = frequency shift keying).
Figuur 1. Blokschematische voorstelling van het inwendige van de XR2206.
De vermenigvuldiger/sinuskonverter wekt de uiteindelijke spanningsvormen op. Voor het afregelen van de symmetrie en de minimale vervorming dienen de aansluitingen 13 . .. 16. De gelijkspanningskomponent van de uitgangsspanning is via pen 3 instelbaar. Een spanningsvolger zorgt voor een relatief laagohmige uitgang (pen 2) voor sinus-, driehoek- en zaagtand-signalen. Via de AM-ingang (pen 1) is amplitudemodulatie van het oscillator-signaal mogelijk.
De lineaire frekwentie-instelling
De spanning op de pennen 7 en 8 wordt in het IC op 3 V (typ.) gestabiliseerd. De temperatuurdrift van deze spanning bedraagt slechts 6 × 10-5/°C. De door deze spanning geleverde stroom mag variëren tussen 1 µA en 3 mA. De temperatuurdrift is echter minimaal tussen 15 µA en 750µA.
Deze stroom If en de externe kapaciteit Cext. bepalen de oscillatorfrekwentie volgens onderstaande formule:
Uit de laatste formule resulteert een hyperboolvormige (dus niet-lineaire) frekwentie-instelling (figuur 2, kurve a). Er zou dus een 'omgekeerd-logaritmische' potentiometer nodig zijn om een nagenoeg lineaire frekwentie-instelling te verkrijgen. Door een technisch foefje is het echter toch mogelijk om met behulp van een lineaire potentiometer een lineaire frekwentieinstelling te realiseren (figuur 2, kurve b). Figuur 3 laat zien hoe dit opgelost is. Bij deze schakeling wordt niet Rext lineair geregeld maar If en dat via een instelbare spanningsdeler. Aangezien de spanning op de pennen 7 en 8 konstant 3 V blijft, is de stroom If en dus ook de frekwentie recht evenredig met de spanningsverandering op de loper van P1. Als voor P1 een lineaire potmeter genomen wordt, is het probleem opgelost.
Figuur 2. Deze funktiegenerator bezit een lineaire frekwentie-instelling, hetgeen het bedieningsgemak ten goede komt.
Figuur 3. Door een technisch foefje wordt de logaritmische frekwentie-instelling van de XR2206 omgedoopt tot een lineaire.
De spanningsdeler is zo gedimensioneerd dat de spanning Uf op de loper van P1 tussen ca. 0,3 V en 2,8 V ingesteld kan worden. De spanning Uf bepaalt de spanningsval over R5 (= 3 V - Uf) en dus ook If.
De frekwentie is dan door onderstaande formule bepaald:
If
Indien S2 gesloten is, loopt er een tweemaal grotere stroom (indien R5 = R6), waardoor de frekwentie eveneens een faktor 2 hoger wordt. Het instelbereik van P1 bedraagt iets meer dan een dekade; d.w.z. van 9 Hz ... 110 Hz. De fijnafregeling gebeurt met P6.
De generator
In figuur 4a is het schema van de funktiegenerator (zonder eindtrap) te zien. De detailschakeling uit figuur 3 is hierin gemakkelijk terug te vinden. Uitgang A levert driehoek-, zaagtand- en sinusvormige spanningen. Voor blokvormige spanningen dient uitgang B. C1 ... C4 zijn de frekwentiebepalende kondensatoren. Het frekwentiebreik kan met behulp van S1 ingesteld worden. De kondensatoren C5, C6 en C12 dienen voor het afvlakken van de spanning op de betreffende punten. De spanning op pen 3 van het IC bepaalt de gelijk-spanningsinstelling van het IC. Via spanningsdeler R1/R2 is deze spanning op de helft van de voedingsspanning gebracht. Met P2 kan de amplitude van de sinusspanning afgeregeld worden en met P3 die van de driehoek- en zaagtandsignalen. De top-top-waarde kan op die manier voor de drie spanningen gelijk gemaakt worden. Omschakeling tussen driehoek/zaagtand en sinus vindt met schakelaar S3b plaats, terwijl S3a er dan automatisch zorg voor draagt dat de amplitude gelijk blijft (mits P2 en P3 afgeregeld zijn). P4 dient voor het afregelen van de symmetrie van de driehoek- en sinusspanningen. Met P5 kan de vervorming van het sinussignaal op minimum afgesteld worden. Indien schakelaar S4 gesloten is, levert uitgang A een zaagtandspanning. De steilheid van de neergaande flank is afhankelijk van R8; deze weerstand mag echter niet kleiner zijn dan 1 k.
Figuur 4a. Het hart van de funktiegenerator vormt de XR 2206.
| S1 | C | f (Hz) | S2 f × 2(Hz) |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 µF | 9...110 | 18... 220 |
| 2 | 100nF | 90...1100 | 180...2200 |
| 3 | 10 nF | 0,9...11 kHz | 1,8 ... 22 kHz |
| 4 | 1 nF | 9 ... 110 kHz | 18 ... 220 kHz |
De uitgangstrap
Een extra uitgangstrap (figuur 4b) zorgt voor een laagohmige uitgang en voor een gemakkelijk instellen van de uitgangsspanning.
Figuur 4b. Een eindtrap zorgt voor een laagohmige uitgang.
De sinus-, driehoek- en zaagtandsignalen op ingang A belanden via S5 op de basis van T1. De blokspanningen worden door uitgang B van de generator geleverd. Dit is een open-kollektor-uitgang. R9 doet dienst als externe kollektorweerstand en vormt met R10 een spanningsdeler, waardoor de amplitude van de blokspanning op ca. 4,5 V begrensd wordt. Hierdoor is de sync-uitgang TTL-kompatibel en kortsluitvast. Deze sync-uitgang kan niet alleen voor het sturen van TTL-schakelingen gebruikt worden, maar ook voor het extern triggeren van een oscilloskoop. Met behulp van S6 kan de uitgangsspanning door een faktor 1, 10 of 100 gedeeld worden. Tussen deze bereiken kan de uitgangsspanning met P7 kontinu geregeld worden.
De eigenlijke eindtrap, welke met de transistors T2 ... T5 is opgebouwd, is als gelijkspanningsgekoppelde impedantie-omvormer uitgevoerd. T2 en T3 vormen een komplementaire darlington; potmeter P7 wordt hierdoor slechts weinig belast. De dioden D1 ... D3 zorgen voor een ruststroom van ca. 30 mA door de komplementaire uitgangstrap. De impedantie van de kortsluitvaste AC-uitgang bedraagt ca. 5 Ω.
De voeding
Figuur 4c toont de met een geïntegreerde spanningsregelaar opgebouwde voeding. Alle komponenten van de voeding, behalve de transformator, kunnen tezamen met de funktiegenerator op de print gemonteerd worden.
Figuur 4c. De generator wordt gevoed vanuit een geïntegreerde spanningsstabilisator.
| R1,R2,R22 | 4k7 |
| R3 | 56 k |
| R4 | 1k8 |
| R5,R6 | 8k2 |
| R7 | 56 Ω |
| R8 | 2k2 |
| R9 | 5k6 |
| R10,R11,R20 | 3k3 |
| R12 | 330 Ω |
| R13 | 39 Ω |
| R14 | 15k |
| R15 | 22 k |
| R16 | 220 k |
| R17,R23 | 470 Ω |
| R18,R19 | 10 Ω |
| R21 | 10 k |
| P1 | 500 Ω draadgewonden potmeter |
| P2,P3 | 10 k instelpot. |
| P4 | 22 k instelpot. |
| P5 | 500 Ω instelpot. |
| P6 | 100 Ω instelpot. |
| P7 | 10 k lin potmeter |
| C1 | 1 µ |
| C2 | 100 n |
| C3 | 10 n |
| C4 | 1 n |
| C5,C8,C12 | 2µ2/16 V tantaal |
| C6 | 1µ5/6 V tantaal |
| C7 | 680 n |
| C9 | 470µ/16V |
| C10 | 1000 µ/25 V |
| C11 | 4µ7/16 V |
| IC1 | XR2206 |
| IC2 | L130 |
| T1 | BC108B |
| T2 | BC109C |
| T3 | BC178B |
| T4 | BC140 |
| T5 | BC160 |
| D1 ... D3 | 1N4148 |
| D4 ... D7 | 1N4001 |
| D8 | LED |
| S1 | 4-standen schakelaar |
| S2 | enkelpolige schakelaar |
| S3 ... S5 | 4-deks schakelaar met 5 standen |
| S6 | 4-standen schakelaar |
| Tr | transformator 15 V/500 mA |
| 2 koelvingers (TO5) | |
| smeltveiligheid 100 mA | |
| EPS 9453 | |
De print en frontplaat
In figuur 5 is de koper-layout en de komponentenopstelling te zien van de print waarop de gehele funktiegenerator inklusief voeding ondergebracht kan worden. In figuur 6 is een voorstel te zien voor een frontplaat, waarbij de bedieningsorganen zeer funktioneel zijn opgesteld. Boven de aan/uitschakelaar is LED D8 geplaatst, die aangeeft of de voeding ingeschakeld is. Rechts daarvan bevindt zich potentiometer P1. Met de schakelaar 'Hz' (S1) kan men het gewenste frekwentiebereik kiezen. Deze frekwenties kunnen met de schakelaar 'f×2' (S2) eventueel verdubbeld worden, zodat in feite 8 frekwentiegebieden beschikbaar zijn. De keuzeschakelaar voor de verschillende signaalvormen (S3) bevindt zich hier rechts-onder. Met de schakelaar 'IN' (S6) kan het spanningsbereik gekozen worden.
Figuur 5. Koper-layout en komponentenopstelling van de funktiegenerator inklusief voeding.
Figuur 6. Een overzichtelijke frontplaat vergemakkelijkt de bediening.
De opbouw
Om de opbouw te vergemakkelijken is in figuur 7 een bedradingsschema weergegeven. Voor het bedraden van S5 wordt aanbevolen afgeschermd snoer te nemen. S3a, S3b, S4 en S5 maken deel uit van een vier-deks schakelaar met 5 standen. Voor P1 kan het beste een draadgewonden potmeter gebruikt worden.
Figuur 7. Op deze wijze moeten de potmeters en schakelaars bedraad worden. De schakelaars S3a, S3b, S4 en S5 maken deel uit van een vier-deks schakelaar met 5 standen.
In figuur 8 is in een overzicht de relatie tussen de stand van de vier-deks schakelaar (S3a, S3b, S4 en S5) en de signaalvorm weergegeven.
Figuur 8. Overzicht van de relatie tussen de stand van de vier-deks schakelaar en de signaalvorm. Eventueel kunnen drie aparte schakelaars gebruikt worden.
Het ijken
Nadat de schakeling opgebouwd is, wordt deze op fouten gekontroleerd. Daarna kan de voedingsspanning ingeschakeld en gemeten worden; de juiste waarde bedraagt ca. 12 V.
Voor het afregelen van de amplitude wordt S6 in de stand 1 gezet. P7 wordt op maximale amplitude ingesteld. De generator wordt nu op een sinus van ca. 1 kHz ingesteld. P4 en P5 worden in de middenstand gezet. Op de AC-uitgang wordt een voltmeter aangesloten. Met P2 regelt men nu de amplitude op 1 Veff. af.
Ondanks een goede afgeschermde bedrading van S5 kan het toch voorkomen dat de flanken van de blokspanning naaldimpulsen in het sinussignaal doen ontstaan; verbetering wordt bereikt indien de sync-uitgang kortgesloten wordt.
Voor het afregelen op minimale vervorming dienen de potmeters P4 (fijn) en P5 (grof). Indien met niet over een vervormingsmeter beschikt, kunnen deze potmeters het beste in de middenstand gezet worden. Daarna wordt de generator op driehoek ingesteld en met behulp van P3 wordt de AC-uitgang op een spanning van ca. 0,8 Veff. afgeregeld. Degenen die over een oscilloskoop beschikken, kunnen uiteraard voor de afregeling beter hiervan gebruik maken.
De frekwentie-afregeling kan het beste geschieden met een frekwentiemeter, die op de sync-uitgang aangesloten wordt. P1 wordt volgens de schaalverdeling op 100 Hz ingesteld. P6 wordt zo verdraaid dat de frekwentiemeter 100 Hz aangeeft.
Bij gebrek aan een frekwentiemeter kan van een hulpschakeling volgens figuur 9 gebruik gemaakt worden. De door een beltransformator geleverde spanning (6 ... 12 V) wordt gelijkgericht en via een 1 k-weerstand op een luidspreker aangesloten. Hierdoor produceert de luidspreker een 100 Hz-toon. Tevens krijgt de luidspreker via een 100 Ω-weerstand een 100 Hz-signaal (sinus) van de funktiegenerator te verwerken. Door samenvoeging van beide frekwenties ontstaat een zwevende toon. Met P6 wordt de zweving op minimaal afgeregeld. Op deze wijze kan de frekwentie op ca. 5 Hz nauwkeurig afgeregeld worden.
Figuur 9. Met deze schakeling kan de frekwentie afgeregeld worden, indien men niet over een frekwentiemeter beschikt.
Het lek van Elektuur
Tenslotte blijken er wat misverstanden te bestaan over de lineariteit: deze geldt alleen voor de symmetrische spanningsvormen. Bij zaagtand en pulsvorm treedt frekwentieverdubbeling op.