Rob's web

Pulsgenerator

Universele "blokkendoos".

Specifikaties

*VAR.: 0,1x ... 1x(CAL)

Pic 1

Het begint met een universeelmeter: het "thuislaboratorium" in zijn eenvoudigste vorm. Dan volgen meestal een regelbare voeding en een sinusgenerator en binnen de kortste keren komt er ook nog een oscilloskoop bij. Wat dan verder nog wordt aangeschaft is soms nauwelijks te overzien - wij kennen "thuislaboratoria" waar menig professional zijn vingers bij zou aflikken. In elk geval is zeker dat in dit rijtje ook een pulsgenerator thuis hoort. Bij het werken aan digitale schakelingen is zo'n ding namelijk zo goed als onmisbaar.

Voor een pulsgenerator geldt, net als voor elk meetinstrument, dat hij wel van onberispelijke kwaliteit moet zijn. "Beter geen meetinstrument dan een slecht meetinstrument" is een leuze die je nogal eens hoort en waar veel waarheid in steekt. Dit is dan ook een van de uitgangspunten geweest die we hebben gehanteerd bij het ontwerpen van de pulsgenerator waar het hier over gaat. Het moest een betrouwbaar apparaat worden, zdnder exotische foefjes maar met voldoende instelmogelijkheden om er bij elke denkbare klus mee uit de voeten te kunnen.

Wat is eigenlijk een pulsgenerator, waaruit bestaat zo'n ding gewoonlijk? Wel, het wezenlijke van een dergelijke generator is dat hij een blokvormig signaal aflevert, waarvan zowel de frekwentie (we spreken hier meestal van "puls-herhalingstijd") als de pulsbreedte instelbaar zijn. Zolang er verder geen eisen worden gesteld is een en ander niet bijster moeilijk te realiseren. Figuur 1 toont een soort basis-recept voor een pulsgenerator in zijn eenvoudigste vorm. Het gaat om drie hoofd-bestanddelen: een VCO, een monostabiele multivibrator (MMV) en een versterkertrap. De VCO wekt een pulssignaal op, waarvan de frekwentie over een ruim bereik kan worden geregeld. Dat pulssignaal wordt vervolgens gebruikt om een MMV te trig-geren. Wordt de monotijd van die MMV instelbaar gemaakt, dan is daarmee ook de gewenste instelbare pulsbreedte een feit. Rest alleen nog het door de MMV geproduceerde signaal met behulp van een versterkertrapje op het juiste nivo te brengen en klaar is Kees!

Twee extra's die we in figuur 1 hebben aangegeven, zijn in elke pulsgenerator - hoe simpel ook - eigenlijk onontbeerlijk: namelijk een aansluitmogelijkheid voor een extern triggersignaal en een "manual-mode", waarbij met de hand via een drukknop losse puisjes kunnen worden gegeven. Met de schakelaar kan worden omgeschakeld tussen de VCO, het externe signaal en de "handgemaakte" pulsjes. Nu is een generator in de uitvoering van figuur 1 een tamelijk Spartaans apparaat. Stelt men prijs op enkele bedieningstechnisch toch wel min of meer noodzakelijke extra's, dan komt het blokschema er al gauw een stukje ingewikkelder uit te zien, zoals straks zal blijken.

Fig 1
Figuur 1. Een pulsgenerator in zijn eenvoudigste vorm. Met de VCO kan de pulsherhalingstijd worden ingesteld en met de MMV de pulsbreedte.

Koncept

Waaruit bestaan die "extra's" zoal? Voor een deel zijn dat technische noodzakelijkheden, omdat in figuur 1 de zaak ietwat te eenvoudig is voorgesteld - voor een ander deel gaat het om vrij eenvoudig te realiseren "foefjes" die maken dat de generator er in het gebruik een stuk prettiger op wordt. Met dat laatste moet je jezelf als ontwerper trouwens weten te beperken, want in no-time groeit de elektronica uit tot een afschrikwekkende omvang die eventuele aspirant-bouwers de stuipen op het lijf jaagt. Wij hebben ons, dachten we zelf, aardig weten te beheersen: dus wel een aantal nuttige toevoegingen, maar geen exotische features als instelbare puls-stijgtijd en variabele vertraging bijvoorbeeld.

Goed, een korte oµsomming van de verschillen tussen de definitieve schakeling en de in figuur 1 geschetste opzet is nu misschien op haar plaats. Eerst de "noodzakelijkheden" maar. Dat betreft met name de instelling van de VCO en de MMV. Een voldoende ruim instelbereik van resp. herhalingsfrekwentie en pulsbreedte valt niet met een enkel potmetertje te realiseren. Dat zal dus altijd op een kombinatie van een omschakelaar en een potmeter uitdraaien. Vooral voor de opzet van de VCO heeft dat nogal wat konsekwenties. Dan de toevoegingen uit de kategorie "minder noodzakelijk, maar wel prettig". In de eerste plaats stelden wij prijs op een variabele uitgangsspanning. Dat mis je namelijk nogal eens op goedkopere generators. Voorts een schakelaartje waarmee de uitgangsspanning "vast" op TTLnivo kan worden omgeschakeld en tenslotte een mogelijkheid om de uitgangsspanning op een of andere manier gemakkelijk af te stemmen op de voedingsspanning van het geteste apparaat; heel handig bij het meten aan bijvoorbeeld CMOS-schakelingen die niet op 5 V werken. Een en ander is gerealiseerd door de generator te voorzien van een aansluiting voor een externe stuurspanning.

Verder leek ons een omschakelmogelijkheid tussen geïnverteerd en nietgeïnverteerd signaal wel een nuttige toevoeging, alsmede een schakelstand waarin het uitgangssignaal altijd een gedefinieerde puls/pauze-verhouding (1 : 1) heeft. Tenslotte is nog voorzien in een indikatie die bedieningstechnische miskleunen signaleert en in een aparte sync-uitgang (TTL-nivo) die kan worden gebruikt als triggersignaal voor de oscilloskoop of als stuursignaal voor een eventuele frekwentie-uitlezing.

Blokschema

In figuur 2 zien we het blokschema in zijn uiteindelijke vorm.

Fig 2
Figuur 2. Het blokschema van onze pulsgenerator. De nummers bij de blokjes korresponderen met de komponentennummers in het "echte" schema.

We beginnen maar met de VCO. Die moest een vrij groot bereik hebben. Om dat te realiseren hadden we de keuze tussen een VCO met een komplete omschakelinrichting en een "gewone" VCO gevolgd door een aantal delers. Zoals te zien hebben wij voor de tweede oplossing gekozen. De VCO wordt gestuurd met een spanning die afkomstig is van Pl. De periodetijd is hiermee regelbaar tussen 100 ns en 1 µs. Deze frekwentie wordt vervolgens naar een zestal 10-delers geleid (IC2 . . .. IC4), zodat als Pl in de stand "CAL" (= calibrated) staat, met Si gekozen kan worden tussen periodetijden van 1 Ns, 10 µs, 100 Ns, 1 ms, 10 ms, 100 ms en 1 s. Tijden die tussen die stapjes in liggen kunnen met Pl worden ingesteld. Behalve de verschillende VCO-tijden, kan met SI ook nog worden gekozen tussen "manualpulsjes" en een extern triggersignaal. De met S2 gefabriceerde manual-pulsjes worden door tussenschakeling van een flip-flop (FF1) opgepoetst. Het externe trigger-signaal wordt toegevoerd via een versterkertrapje (T1, N1).

Op het middenkontakt van SI staat nu (in de standen a ... g tenminste) een symmetrisch bloksignaal op TTL-nivo ter beschikking, dat sowieso al prima dienst kan doen als sync-output. Daarnaast wordt datzelfde signaal uiteraard verder geleid naar de MMV, die voor de regelbare puls-breedte moet zorgen. De MMV wordt gestart op elke positieve flank van het van SI afkomstige signaal. De mono-tijd (de pulsbreedte dus) is met S5 en P3 instelbaar tussen 100 ns en 1 s. Het uitgangssignaal van de MMV wordt samen met de van Si afkomstige symmetrische blok naar een schakelcircuit (N2, N3, N4) geleid, zodat met S3 gekozen kan worden tussen een uitgangssignaal met een variabele of vaste (SYM) pulsbreedte. Daarna belandt het signaal bij N6. Dat is een EXOR-poort die met behulp van S4 de keuze biedt tussen geïnverteerd en niet-geïnverteerd signaal.

Daarmee zijn we bij de uitgangstrap (T2, T3, T4) aangekomen, welke ervoor moet zorgen dat het TTL-nivo van het signaal kan worden omgezet in een spanning met een variabele of extern bestuurde topwaarde. De realisatie daarvan neemt IC11 in de voeding voor zijn rekening. IC11 voorziet de eindtrap namelijk van een variabele voedingsspanning, welke op haar beurt gestuurd wordt door ofwel een externe spanning, potmeter P4 en/of S7. Met S7 wordt gekozen tussen "TTL" of "variabel". In de stand "TTL" is de uitgangsspanning ca. 4,8 V. In de stand "VAR" kan de spanning door middel van P4 gevarieerd worden tussen 1 en Fb 15 V. Wordt er een externe stuurspanning aangesloten, dan is de uitgangsspanning gelijk aan die externe spanning. Bij het werken aan bijvoorbeeld CMOS-schakelingen volstaat het dus om de voedingsspanning van de schakeling in kwestie door te verbinden met die stuurspannings-ingang; de uitgangsspanning van de generator is dan automatisch goed aangepast.

Dat was zo'n beetje de hele schakeling. Rest alleen nog FF2. Dat is de deelschakeling die fouten in de bediening signaleert, hetgeen het geval is als met S5 een grotere pulsbreedte is ingesteld dan de met S1 gekozen herhalingsfrekwentie toelaat. Hoe die signalering precies werkt kunnen we eigenlijk net zo goed nu al aan de hand van het blokschema uitleggen, want in het principeschema ziet de zaak er exakt hetzelfde uit.

Goed, daar gaan we dan. De 0-uitgang van FF2 is normaal gesproken logisch 1. Bij elke positieve flank van het MMVsignaal, krijgt FF2 een klokpuls, aangezien de D-ingang verbonden is met de Q-uitgang van de MMV (als S3 tenminste in de goede stand staat). Genoemde positieve flank zal altijd iets later arriveren dan die van het sync-output-signaal dat aan de CLK-ingang van FF2 ligt. Op het moment dat die CLK-ingang "1" wordt is de D-ingang dus nog "0": de 0-uitgang blijft daardoor "1" en de LED blijft gedoofd. In het geval dat de met S5 gekozen mono-tijd van de MMV echter groter is dan de ingestelde puls-herhalingstijd toelaat, zal de uitgang van de MMV (en dus de D-ingang van FF2) nog steeds "1" zijn als er een nieuwe klokpuls voor FF2 arriveert. De flipflop wordt dan geset en het LEDje gaat knipperen ten teken dat er iets fout is ingesteld. Wanneer S3 in de stand "SYM" staat kan er uiteraard nooit iets mis zijn; de D-ingang van FF2 wordt dan immers altijd pas na de CLK-ingang logisch 1, zodat de LED niet kan oplichten.

Schema beschrijving

Aangezien we aan de hand van het blokschema de werking van de generator al vrij gedetailleerd hebben besproken, behoeft het in figuur 3 afgebeelde principeschema nauwelijks nog nadere toelichting. Temeer daar in het blokschema ook de nummers van de komponenten al zijn aangegeven. De verschillende deelschakelingen zijn dan ook gemakkelijk terug te vinden. We lopen het schema even snel door.

Fig 3
Figuur 3. In het principeschema is de opzet van figuur 2 gemakkelijk te herkennen. De belangrijkste onderdelen vormen de VCO (IC1), de frekwentiedelertrein (IC2, IC3, IC4) en de MMV (IC8). Een slimme regelbare voeding (IC11) zorgt voor een variabele uitgangsspanning.

Links boven zien we de VCO (IC1), welke zijn regelspanning betrekt van een stabilisator-IC van het type 7805 (IC12). Midden boven bevindt zich net als in het blokschema de delertrein (IC2 ... IC4), terwijl we centraal in het schema de MMV terugvinden (IC8). De stappenregeling voor de pulsbreedte is gerealiseerd door middel van een stel omschakelbare kondensatoren (C4 ... C12). Rechts van de MMV zien we N2, N3 en N4 die samen met S3 de omschakeling verzorgen tussen variabele en vaste pulsbreedte. Nog verder naar rechts komen we de met S4 om-schakelbare "signaal-inverteerder" N6 tegen, gevolgd door de uit T2, T3 en--T4 bestaande eindtrap.

Helemaal onderaan zien we de voeding van de pulsgenerator, kompleet met uitgangsspanningsregeling (S7 en P4) en ingang voor externe stuurspanning (S8). Na enig zoeken is waarschijnlijk ook het resterende "kleine spul" snel gevonden: foutdetektor FF2 met indikatie-LED D3; "manual"-schakelaar S2 kompleet met "anti-dender-flipflop" FF1; alsmede de voorversterker voor externe triggersignalen, bestaande uit T1 en N1.

En dan nu wat losse opmerkingen over het schema.

Allereerst de VCO. De frekwentie daarvan wordt geregeld door een stereopotmeter (P1), waarvan de beide helften tegengesteld "gepoold" zijn. De frekwentie van de VCO kan daardoor over een bereik van 1 dekade worden geregeld, iets dat met een enkele potmeter onmogelijk zou zijn. Voor de MMV is een IC-type toegepast met een maximale duty-cycle van 100%. Aangezien de pulsbreedte tot 100 ns geregeld moest kunnen worden, is gekozen voor de 74122 in plaats van de 74LS122. Met standaard-TTL is deze tijd namelijk nog goed realiseerbaar, terwijl de LS-versie dan al op de rand van zijn kunnen aan het werken is.

Een paar woorden over de voeding. Om onderlinge beïnvloeding te voorkomen is er naar gestreefd om de voeding van de verschillende delen van de schakeling zoveel mogelijk gescheiden te houden. Zo heeft IC1 een eigen stabilisator, en zijn er voor de voeding van de MMV aparte leidingen getrokken naar stabilisator IC9. De uitgangstrap heeft sowieso een zelfstandige voeding.

De voedingsspanning voor de uitgangstrap kan worden geregeld met P4, als S7 in de stand "VAR" staat; in de stand "TTL" heeft de spanning een vaste waarde. De met P4 ingestelde variabele spanning ligt altijd ca. 1,25 V boven de gewenste puls-uitgangsspanning; dit om het spanningsverlies in de eindtrap te kompenseren. De ingangsbus voor externe stuurspanningen is voorzien van een schakelkontakt (S8). Zodra er een plug in de bus wordt gestoken, wordt S8 geopend, waardoor de aangelegde externe spanning terecht komt op het middelste pootje van IC11. In dat geval is UVAR gelijk aan de externe stuurspanning, vermeerderd met de eerder genoemde kompensatie van 1,25 V.

De printen

Voor de schakeling zijn twee printen ontworpen, die straks samen met de frontplaat tot een soort driedubbele sandwich samen worden gevoegd. Als u vast even vooruit kijkt naar de foto's van figuur 7 en 8, dan wordt duidelijk wat de bedoeling is. De komponentenopdrukken van de printen zijn in figuur 4 en 5 afgebeeld, de koper-layouts op de service-pagina's in dit nummer. Hoe de onderdelen over de twee printen verdeeld zijn, valt af te leiden uit het schema: de delen die in het schema omkaderd zijn bevinden zich op de voorste print van de sandwich (figuur 4); het resterende gedeelte is op de achterste print (figuur 5) ondergebracht. Die achterste print is trouwens dubbelzijdig uitgevoerd; aan de komponentenkant bevindt zich een groot kopervlak dat als massa fungeert.

Fig 4
Figuur 4. De schakeling is verdeeld over twee printen. Op dit exemplaar bevinden zich de delen die in het schema van een kadertje zijn voorzien.

Fig 5
Figuur 5. Hierop is het resterende deel van de schakeling ondergebracht. Omwille van een zo goed mogelijke stabiliteit is deze print dubbelzijdig uitgevoerd. Het grote kopervlak aan de komponentenkant doet dienst als massa.

N.B. zie voor de koper-layout van de printen de service-pagina's in het hart van dit nummer.

Onderdelenlijst
R1,R2,R6,R7,R95k6
R3,R4,R5,R171 k
R84k7
R10220 Ω
R11,R23220 Ω/1 W*
R122k2
R13,R14100 Ω/1 W*
R1547 Ω
R16330 Ω
R1810 k
R19390 Ω
R201k5
R21150 Ω
R22680 Ω
Cl82 p
C22 ... 20 p trimmer
C3100 p
C410 p
C5560 p
C66n8
C768 n
C8680 n
C9,C26,C27,C3110 µ/10 V
C1022 µ/10 V
C11100 µ/10 V
C12220µ/10V
C1368 p
C14470 µ/25 V
C15220 µ/25 V
C16,C24330 n
C172µ2/25 V
C18,C21,C25,C28,C30,C32 ... C35100 n
C191 µ/10 V
C20220 µ/40 V
C2210 µ/40 V
C231 µ/25 V
C2910 µ/25 V
IC174LS624
IC2,IC3,IC474LS390
IC574LS74
IC674LS00
IC774LS86
IC874122 (geen LS!)
IC9,IC127805
IC1079L05
IC11LM 317T
T1,T2BSX 20
T32N2219A
T42N2905A
D1,D21N4148
D3knipper-LED
D4LED
D5... D111N4001
P110 k lin. stereo
P210 k instel
P350 k lin.
P41 k lin.
S1,S512-standen schakelaar, 1 moederkontakt bijv. C&K A112
S2drukknop, wisselkontakt bijv. C&K 8121
S3,S4,S7enkelpolige wisselschakelaar bijv. C&K 7101
S6dubbelpolige wisselschakelaar bije. C&K 7201
S8ingebouwd in voedingsplug
Tr1trafo 12 V/400 mA
Tr2trafo 24 V/400 mA
F1zekering 500 mA (T)
3 BNC-chassisdelen (met schroefdraad-bevestiging)
1 voedingsplug-chassisdeel
Koellichaam voor IC11 en T3
PrintenEPS 84037-1, 84037-2
FrontplaatEPS 84037-F

* geen draadgewonden typen

Wat de opbouw van de printen betreft zijn er wat punten die een nadere toelichting verdienen. Daarom hier wat losse opmerkingen in willekeurige volgorde:

Afregeling

Als de beide printen helemaal zijn opgebouwd, kunnen de diverse aansluitpunten worden doorgelust van de ene print naar de andere. Het beste gaat dat met stukjes soepele draad van 3 à 4 cm lang. Steek de IC's 1 ... 8 echter nog niet in de voetjes. Bedwing uw ongeduld nog even en ga als volgt te werk:

Het "inkasten"

We hebben de frontplaat al een paar keer kort genoemd, dus wordt het hoog tijd dat we de layout hiervan eens laten zien! Daarvoor verwijzen we naar figuur 6. Dit front-ontwerp is in de vorm van een zelfklevende folie in de EPS-service leverbaar en kan over de aluminium frontplaat worden geplakt, nadat daarin alle benodigde gaten zijn geboord.

Fig 6
Figuur 6. Deze frontplaat-layout is in de vorm van een zelfklevende folie in de printservice verkrijgbaar. Essentieel voor de werking is het niet, maar het oog wil ook wat nietwaar?

Hoe gaat het inkasten nu in zijn werk? Wel, iedereen is natuurlijk geheel vrij om dat op zijn eigen manier aan te pakken, maar als u het op dezelfde manier doet als wij, dan is het in elk geval een erg simpel karwei. Wij gebruikten als behuizing een zogenaamde "Verobox" (voor het typenummer, zie onderdelenlijst) welke bestaat uit een kunststof boven- en onderkant, waartussen een aluminium voor- en achterplaat zitten geklemd. In de kast bevinden zich speciale sleufjes waarin printen kunnen worden gestoken. Het formaat van onze printen hebben we zodanig gekozen dat ze zonder meer in de kast geschoven kunnen worden, alleen moeten bij de achterste print (die van figuur 5 dus) uit de hoeken kleine stukjes worden weggevijld.

De foto's van figuur 7 en 8 illustreren hoe een en ander in zijn werk gaat. Helemaal vooraan komt uiteraard de bij de kast behorende frontplaat in de daarvoor bestemde sleuven; meteen daarachter (tussen de frontplaat-sleuven en de "palen" binnen in de kast) komt de print van figuur 4, terwijl in de zich 2,5 cm verder bevindende sleuven de print van figuur 5 wordt geschoven. Het is wel even opletten geblazen dat de achterkant van de voorste print nergens kontakt maakt met de aluminium frontplaat; uitstekende draadjes dus zonodig afknippen en de achterkant van de aluminium frontplaat voorzien van een laag plakplastic. Op de voorste print kan rond het gat voor de sync-outputplug het beste een beetje isolatieband over de printbanen geplakt worden om kortsluiting door die plug te voorkomen. Zorg ook voor een goede isolatie van de draden naar de netschakelaar; voorzie ze bij voorkeur van een stukje krimpkous.

Fig 7 Fig 8
Figuur 7 en 8. Deze foto's illustreren aardig hoe een en ander gemakkelijk kan worden "ingekast". Het formaat van de printen is afgestemd op het door ons gebruikte "Verobox" kastje.

Wat verder nog? De beide nettrafo's kunnen ergens achterin de kast woren bevestigd en in de aluminium achterwand wordt een zekeringhouder gemonteerd en een doorvoer voor het netsnoer gemaakt. Aangezien alle potmeters en schakelaars zich op de printen bevinden, hoeven in de frontplaat daarvoor alleen maar de benodigde gaten op de juiste plaats te worden geboord. Deze gaten worden iets groter geboord dan de dikte van de schroefdraad van de schakelaars en de potmeters. De printlayout van de voorste print kan makkelijk dienst doen als boormal.

Het enige dat wel op de frontplaat zelf moet worden gemonteerd zijn de drie BNC-konnektors voor de in- en uitgangen. Schakelaar S8 vormt een onderdeel van het chassisdeel voor de ingang voor externe stuurspanning; in het schema is aangegeven hoe zo'n bus met ingebouwde schakelkontakten er uit ziet. Deze bus wordt door de voorste print gestoken en vervolgens d.m.v. sneldrogende lijm op deze print bevestigd.

Het enige waar nu nog voor gezorgd moet worden, is dat er voldoende ventilatie is in het apparaat. Dat kan door in de boven-en onderkant van de kast een aantal gaten te boren - en wel zodanig dat die gaten precies uitmonden in de ruimte tussen de beide printen. Ook achterin de kast worden nog wat ventilatiegaten aangebracht. De allerlaatste fase van het hoofdstuk "in-kasten" vormt het aanbrengen van de in figuur 6 afgebeelde zelfklevende folie.

Fig 9
Figuur 9. Hoewel op het gebruik van de pulsgenerator elders in dit nummer wordt ingegaan, hier toch even een kleine illustratie van hetgeen de pulsgenerator in zijn mars heeft.
Boven in beeld ziet u een oscilloskoop-foto van het "ruwe" symmetrische bloksignaal dat de sync-output levert. Daaronder een uitgangssignaal met geringe pulsbreedte, een symmetrisch bloksignaal (S3 in stand "SYM") en eentje met relatief grote pulsbreedte. Helemaal onderaan de met S4 geïnverteerde versie van het vorige signaal.
Horizontaal was de verdeling 2 µs per schaaldeel, verticaal was op 5 V per hokje ingesteld.