De XR-2206 in de funktiegenerator
Enkele ontwerp-overwegingen
Het gebruik van een speciaal IC in een schakeling heeft vaak het grote voordeel dat het aantal komponenten daardoor drastisch kan worden beperkt. Er zit immers een groot aantal halfgeleiders in zo'n zwart doosje, en soms ook nog precies in de konfiguratie die je nodig hebt voor een bepaalde toepassing, zoals de XR-2206 in de funktiegenerator. Deze "inkrimping" geldt echter niet altijd voor de ontwikkelingstijd van een dergelijke schakeling, zoals we hier aan de hand van de Elektuur-funktiegenerator willen laten zien. Wie denkt dat het voldoende is om gewoon een applikatie van de fabrikant "op print te zetten'; die kan nog wel eens voor onaangename verrassingen komen te staan.
Funktiegeneratoren die rond het haast "legendarische" IC XR-2206 zijn opgebouwd, hebben meestal enkele schoonheidsfoutjes die welbekend zijn bij elke gebruiker van dit werkpaard.
We zullen ze even noemen: Op de sinus-en driehoek-golfvormen zitten vieze "spikes" op de toppen, boven 100 kHz gaan de driehoek en de sinus steeds meer op elkaar lijken en neemt de amplitude ook steeds verder af, bij asymmetrische golfvormen (zaagtand en blokgolf) klopt de frekwentieschaal niet, en tenslotte lijkt de zogenaamde zaagtand meer op een asymmetrische driehoek. Verder werkt het IC prima...
Bij de nieuwe funktiegenerator hebben we getracht al deze nadelen te vermijden. Daarvoor is het nodig eerst de oorzaken van de "foutjes" te kennen. Daarna kunnen er pas oplossingen voor worden bedacht.
Betere golfvorm
Het verschil tussen een gewone XR-2206-funktiegenerator en de nieuwe Elektuur-funktiegenerator kunnen we het beste laten zien met twee foto's (figuur 1 en 2). Verder kommentaar is bij deze foto's wel overbodig, denken we zo. Waar dat verschil in golfvorm nou in zit, dat vertellen de schema's in figuur 3 en 4. Het schema van figuur 3 toont de standaard-opzet rond dit IC, figuur 4 geeft het schema van de nieuwe generator (zonder voeding en uitgangsversterker). Het inwendige van het IC ziet u in blokschematische vorm in figuur 5.
Figuur 1. Foto van een sinus met daarop stoor-pulsen. Dit is een typisch verschijnsel bij de XR-2206.
Figuur 2. Ook deze sinus is geleverd door een 2206, maar wel na enige aanpassingen in het Elektuurlab. De toppen van de sinus kan men nog iets ronder instellen. Dat ziet zo op het oog wel beter uit, maar in werkelijkheid neemt de vervorming dan toe.
Figuur 3. De standaardopzet rond de 2206. Weinig externe onderdelen, maar ook geen al te beste resultaten.
Figuur 4. Ter vergelijking hier nog eens het schema van de nieuwe Elektuurfunktiegenerator (zonder uitgangsversterker en voeding).
Figuur 5. Het blokschema van het "binnenwerk" van de XR-2206. De eigenlijke oscillator in het IC (VCO) levert een driehoek- en een blokspanning. De frekwentie kan worden ingesteld door middel van pen 7 en 8 (hiermee wordt de laad- en ont-laadstroom van de externe kondensator aan pen 5 en 6 bepaald). Een "omvormer" (sine shaper) maakt van de driehoek een sinus. Met behulp van een vermenigvuldiger (multiplier) kan men de amplitude beïnvloeden (pen 1 en 3). De afregelpunten 16/15 en 14/13 zijn verbonden met de sinus-omvormer.
Waar komen die impulsen boven op de sinussen en driehoeken eigenlijk vandaan? Bij de onderzoekingen bleek dat de hoofdoorzaak moest worden gezocht in het gedeelte van de schakeling dat is aangesloten op pen 13 en 14 (vervorming afregeling). In het IC zijn die twee pennen verbonden met een verschilversterker die uit het driehoeksignaal een sinus maakt. De geringste kapacitieve belasting van pen 13 en 14 heeft al tot gevolg dat de "spikes" in het signaal verschijnen. Een kort stukje kabel of een printspoor is al voldoende. De enige oplossing hiervoor is: alle verbindingen aan pen 13 en 14 zo kort mogelijk houden, dus extreem korte koperbanen tussen de IC-aansluitingen, de schakelaar en de instelpotmeter. Vandaar dat we in het schema van figuur 4 "elektronisch" schakelen met een BS 170 (V-FET), vlak bij pen 14.
Een andere oorzaak werd gevonden in het feit dat de 2206 is opgebouwd uit een blokgolf-driehoek-generator met daarachter geschakelde driehoek-sinus-omvormer. De steile flanken van de blokgolf beïnvloeden ook de andere golfvormen. Als op de blokgolf-uitgang (pen 11, verbonden met de kollektor van een schakeltransistor in het IC) niets is aangesloten, of men sluit deze uitgang kort, dan is de sinus helemaal "schoon". Zodra echter een weerstand tussen pen 11 en de positieve voedingsspanning wordt gezet, verschijnen er weer stoorpulsen op de sinus. De kombinatie van een blokgolf en een (onvervormde) sinus-uitgang in een generator is alleen mogelijk als de uitgangsspanning van de blok op pen 11 zo klein mogelijk wordt gehouden en deze aansluiting zo min mogelijk wordt belast. In figuur 4 zorgt pen 11 alleen voor de sturing van transistor T2. R15 levert de basisstroom voor de BSX 20; als de interne transistor aan pen 11 geleidt, dan trekt hij alleen de basisstroom voor T2 weg. Door de basis-emitter-overgang van T2 stijgt de uitgangsamplitude van pen 11 niet boven 0,6 V. Op de kollektor van T2 staat echter weer een blok met een top-top-waarde van 16 V... nog steeds niet zo prettig voor pen 11. Dat is opgelost door met schakelaar S3 de uitgang van T2 kort te sluiten als een driehoek of sinus is gekozen als uitgangssignaal. De blokgolf wordt zo heel effektief onderdrukt als hij niet nodig is!
Optimale amplituderegeling
Verder bleek dat de amplitude-instelling via de AM-ingang (pen 1) een sterke invloed had op de golfvorm. Overspraak om het maar zo te noemen) in het IC tussen de blokgolf en de sinus/driehoekuitgang (pen 2) wordt klaarblijkelijk minder als op de AM-ingang een positieve spanning wordt gezet. Daarom staat in figuur 4 op pen 1 een gelijkspanning van +4 V. Bij -4 V was de uitgangsspanning weliswaar even groot geweest, maar de kans op impulsstoringen zou dan veel groter zijn.
De weerstand aan pen 3 van het IC is eveneens van invloed op de uitgangsspanning aan pen 2. Om nu de uitgangsamplitude bij omschakelen tussen sinus en driehoek konstant te houden, moet de weerstand aan pen 3 bij sinus circa 2,7 maal hoger zijn dan de weerstand bij driehoek. In veel 2206-schakelingen wordt daartoe eenvoudig de weerstand aan deze pen omgeschakeld. Volgens onze ervaringen niet aan te bevelen: kabels en printsporen naar de schakelaar maken de boel weer erg gevoelig voor stoorsignalen, en bovendien verandert met de weerstand ook de gelijkspanningswaarde op pen 2. Dit probleem zou alleen kunnen worden opgelost door P5 en P6 dubbel uit te voeren en dan tussen die twee takken om te schakelen. Dat is hier echter niet gedaan. De amplitude en de gelijkspanning zijn met P5 en P6 voor beide golfvormen vast ingesteld en de amplitudekorrektie geschiedt aan de uitgang met behulp van de spanningsdeler R23/R24. Deze spanningsdeler kon alleen laagohmig worden gehouden door er een emittervolger voor te schakelen (T3). Een hoogohmiger spanningsdeler (bijvoorbeeld 5k6/3k3) heeft weliswaar het voordeel dat geen emittervolger nodig is, maar als nadelen staan hier een grotere vervorming en een grotere stoorgevoeligheid tegenover.
Frekwentie-instelling: lineair en stabiel
Voor het instellen van de gewenste frekwentie bevat de basisschakeling uit figuur 3 een regelbare weerstand (P1). De frekwentie wordt zo nauwelijks beïnvloed door variaties in de voedingsspanning, maar de schaalverdeling is niet erg bruikbaar. Figuur 6 laat het verband zien tussen de weerstandswaarde (loper-instelling) van de potmeter en de frekwentie. Een lineaire frekwentieschaal verkrijgen we als met de potmeter niet de weerstand aan pen 7 wordt gevarieerd, maar de spanning (zie weer figuur 4). Hier vormt P2 een spanningsdeler, waarbij de (lineair) instelbare loperspanning naar R10 wordt gevoerd. P2 is echter niet verbonden met de voedingsspanning (de frekwentie zou dan kunnen worden beïnvloed door variaties in de voedingsspanning), maar de potmeter krijgt zijn spanning van de uitgang van een drift-arme opamp. Deze laatste (IC2) buffert de spanning die op pen 10 van de 2206 staat. Deze aansluiting levert een interne referentiespanning van het IC. De toepassing van de referentiespanning voor P2 heeft twee voordelen: de frekwentie blijft stabiel en de spanning over P2 kan niet groter worden dan de spanning aan pen 7 (die eveneens op referentiespanningsnivo ligt). De opamp "ontkoppelt" ook nog de werking van de instelpotmeters P1 en P3. Nu kan men met P3 de maximale frekwentie instellen zonder dat de met P1 ingestelde minimale frekwentie verandert.
Figuur 6. Als men voor de instelling van de frekwentie een potentiometer toepast die als regelbare weerstand dienst doet, dan ontstaat een vrij "krom" verband tussen de loper-instelling en de frekwentie. De zo verkregen schaalverdeling is niet erg gebruiker-vriendelijk.
Ook bij een externe frekwentie-instelling via de VCO-ingang wordt de spanning van pen 10 als referentie gebruikt, waardoor een optimale frekwentiestabiliteit wordt verkregen.
Geen kompromissen
Het volgende punt op de lijst: de mogelijkheid van de asymmetrische golfvormen bij de 2206. Bij zaagtand en blok moeten daartoe de tijdkonstanten worden omgeschakeld. Dit is mogelijk door de FSK-ingang (pen 9) te verbinden met de blokgolf-uitgang (pen 11), waardoor de tussen pen 5 en 6 aangesloten kondensator met de stroom van pen 7 wordt geladen en met de stroom van pen 8 wordt ontladen. Hieraan kleven echter verschillende nadelen: Het verschil tussen laad- en ont-laadtijd kan niet groot genoeg worden gemaakt, zodat de zaagtand meer op een asymmetrische driehoek lijkt. De frekwentieschaal van de potmeter aan pen 7 klopt niet meer, omdat deze nog maar de helft van de periodeduur bepaalt (de andere helft wordt bepaald door de weerstand c.q. de stroom aan pen 8). De externe frekwentiesturing (VCO-ingang) moet van een extra schakelaar worden voorzien. En tenslotte gooit het over de print en de schakelaars van pen 11 naar pen 12 gevoerde blokgolfsignaal weer roet in het eten van de andere golfvormen. Onze kompromisloze konklusie in dit geval: liever geen asymmetrische signalen als slechte asymmetrische signalen.
In verband met de slechte golfvorm- en amplitudestabiliteit bij frekwenties boven 100 kHz is ook bij het punt frekwentiebereik maar een konldusie mogelijk: het bereik gaat bij ons niet verder dan 100 kHz.
Ook bij het voedingsgedeelte is niet bezuinigd. Er is hier gekozen voor een symmetrische voedingsspanning, zodat het geheel zonder koppelkondensatoren werkt en de blokgolfweergave ook bij lage frekwenties uitstekend blijft.
Al deze "verbeteringen" rond de 2206 zijn eigenlijk alleen maar mogelijk als we gebruik maken van een dubbelzijdige print. Alleen op deze manier kunnen de kritische printsporen zo kort mogelijk worden gehouden en/of op ruime afstand van elkaar worden gelegd. Zo wordt ook de bedrading tussen print en schakelaars, bussen en potmeters veel korter en eenvoudiger. De opzet is zelfs zodanig dat de meeste van deze onderdelen direkt op de print een plaatsje krijgen. Het spreekt voor zich, dat een dergelijke print verschillende korrektiefasen moet doorlopen, voordat een optimale opstelling is gevonden. De bouwer die straks zo'n print in handen krijgt, moet beseffen dat die print niet zomaar een "koperpatroon" is, maar een goed uitgedokterd, wezenlijk deel van de schakeling vormt.
Konklusie
Ook als men in een schakeling een IC toepast dat praktisch de gehele gewenste opzet bevat, dan nog moet er een heleboel werk worden verricht voordat het geheel "produktierijp" is. Details is het ontwerp mogen daarbij beslist niet over het hoofd worden gezien. We hebben bij de funktiegenerator ons uiterste best gedaan om het IC XR-2206 in dit ontwerp zo goed mogelijk te laten funktioneren. En - wat ook belangrijk is - we zijn niet tot de uitersten van de 2206-mogelijkheden gegaan. Dat zou alleen maar een schakeling vol met kompromissen hebben opgeleverd.