Funktiegenerator met ingebouwde sweep-generator
Een funktiegenerator is bij het testen van elektronische schakelingen eigenlijk onmisbaar, vandaar dat we in Elektuur regelmatig een bouw-ontwerp van zo'n apparaat publiceren. Deze funktiegenerator heeft twee eigenschappen die hem duidelijk van een gewone funktiegenerator onderscheiden: hij bezit een ingebouwde sweep-funktie voor audiometingen en hij heeft een uitstekende prijs/kwaliteitsverhouding.
Technische specifikaties
| Frekwentiebereik | naar keuze 10 Hz...20 kHz of 10 Hz...200 kHz |
| Golfvormen | sinus, driehoek, blok |
| Harmonische vervorming sinus | < 0,5% |
| Uitgangsimpedantie | 50 Ω (kortsluitvast) |
| Max. uitgangsspanning bij 50 Ω belasting | 1 Vtt (sinus), 2,5 Vtt (driehoek), 1,5 Vtt (blok) |
| Max uitgangsspanning bij 600 Ω belasting | 1,8 Vtt (sinus), 4,5 Vtt (driehoek), 3 Vtt (blok) |
| Aantal bereiken | naar keuze 3 of 4 |
| Sweep-tijd | instelbaar tussen 0,01 en 10 s |
| Sweep-bereik | traploos instelbaar van 0 tot 1:20 |
| Amplitude sweep-uitgang | 0... +5 V (zaagtand), uitgangsimpedantie 1 kΩ |
| Stroomopname | circa 100 mA bij 12 V |
Bij de konstruktie van een goedkope maar toch veelzijdige funktiegenerator kom je bijna automatisch terecht bij het funktiegenerator-IC XR2206. Voor deze oudgediende zijn eigenlijk nog steeds geen betere alternatieven. Er is weliswaar zoiets als een 8038, maar die is niet zo veelzijdig als de 2206 en heeft ook een hogere vervorming. En een geheel diskrete opzet? Dat is niet te realiseren als het ook goedkoop moet blijven. Bij de 2206 blijft het externe deel gewoonlijk beperkt tot enkele weerstanden en kondensatoren. Er zijn dan alleen nog wat extra komponenten nodig voor het sweep-gedeelte. De uitgangsversterker kan eenvoudig worden gehouden door hier een power-opamp voor te nemen. Het door ons toegepaste type is overigens behoorlijk snel met een slew rate van 8 V/µs.
De generator
We duiken gelijk maar in het schema dat in figuur 1 is afgebeeld. De XR2206 vormt hier duidelijk de kern van de hele schakeling. Dit IC levert direkt aan pen 2 een sinus of een driehoek. De gelijkspanningsinstelling is hierbij vastgelegd met behulp van spanningsdeler R15/R16. Deze weerstanden zorgen voor een gelijkspanning van 6 V (½UB) aan pen 3 van de 2206. De totale weerstand van deze spanningsdeler (16k5) bepaalt tevens de uitgangsspanning, samen met de spanning op de AM-ingang, pen 1 (die hier overigens niet gebruikt wordt en daarom met massa is verbonden).
Figuur 1. Het komplete schema van de funktiegenerator met ingebouwd sweep-gedeelte.
De signaalvorm-omschakeling geschiedt met S4. In de getekende schakelaar-stand zijn pen 13 en 14 van IC2 met elkaar verbonden via weerstand R17. De door deze weerstand lopende stroom zorgt er in het IC voor dat de driehoek wordt omgevormd in een sinus. De sinusvorm kan dan ook worden afgeregeld door het veranderen van de waarde van R17. Aangezien we de hele schakeling eenvoudig wilden houden, is voor R17 geen instelpotmeter genomen. Met een waarde van 220 Ω zal de sinusvorm voor de meeste toepassingen goed genoeg zijn. Het andere schakelkontakt van S4 zorgt er verder voor dat het op pen 2 aanwezige uitgangssignaal wordt doogesluisd naar het uitgangs-versterkertje.
In de middenstand van S4 is de verbinding tussen pen 13 en 14 onderbroken, zodat op pen 2 een driehoek staat met een top-top-waarde die ongeveer twee keer zo groot is als bij de sinus.
De blokspanning wordt geleverd door een andere uitgang van IC2, namelijk pen 11. Intern hangt aan deze pen de "open" kollektor van een NPN-transistor, die in het ritme van de generatorfrekwentie naar massa schakelt. De op pen 11 aangesloten spanningsdeler (R20/R19/R18) bepaalt de grootte van het blokvormige signaal. De spanning wordt met de gegeven weerstandswaarden heen en weer geschakeld tussen 9,1 V (uitgangstransistor spert) en 3,8 V (uitgangstransistor geleidt). Via de derde stand van S4 gaat het bloksignaal van het knooppunt van R20 en R19 naar de uitgangsversterker. De spanningswaarden zijn zodanig gekozen dat IC3 hiermee goed kan worden uitgestuurd, maar niet gaat clippen.
De frekwentieinstelling
De frekwentie van de 2206 wordt bepaald door twee faktoren:
- De kapaciteit tussen pen 5 en pen 6.
- De stroom die uit pen 7 loopt.
De kapaciteit bestaat hier uit een van de kondensatoren C7 ...C9 die met S3 wordt gekozen. Met drie kondensatoren hebben we dus drie frekwentiebereiken, eventueel kan nog een vierde bereik worden toegevoegd met een extra schakelaar en een kondensator van 2n2.
Om de stroom uit pen 7 te kunnen berekenen voor een bepaalde frekwentie, moet men weten dat op deze pen een bijzonder temperatuur-stabiele spanning van 3 V staat. Deze in de 2206 geproduceerde referentiespanning staat ook op pen 10 (bypass) en wordt daar gebufferd door een elko (C5). Pen 7 is via een weerstand van 2k2 verbonden met IC1b. De spanning aan de opampuitgang bepaalt de stroom die door R14 loopt en daarmee dus de frekwentie. De berekening van de frekwentie gaat als volgt:
f = IR14 / 3C
waarbij de stroom in ampère moet worden ingevuld en de kapaciteit (C) tussen pen 5 en 6 in farad.
De frekwentie- en sweep-instelling geschiedt met potmeter P3 aan de ingang van de opamp. In de stand NORMAL van S2 vormt P3 samen met R9 een spanningsdeler, waarbij de spanning op de loper kan worden gevarieerd tussen 0 en 5 V. De versterking van de (inverterende) opamp is door de dimensionering van R10 en R11 zodanig vastgelegd dat de uitgangsspanning bij volledig opengedraaide potmeter praktisch nul volt bedraagt en bij dichtgedraaide potmeter circa 3 V. De spanningsverschuiving tussen de loper van de potmeter en de uitgang van de opamp ontstaat doordat de niet-inverterende ingang van de opamp via P4, R13 en R12 aangesloten is op de 3-V-referentiespanning van IC2. De afregeling van het spanningsbereik geschiedt dan ook met P4.
Het sweep-gedeelte
Zetten we schakelaar S2 in de stand SWEEP, dan ontvangt potmeter P3 een zaagtandvormige spanning van IC la. Met P3 wordt dan niet meer de frekwentie ingesteld, maar het sweep-bereik (het aantal volt dat de zaagtand op de loper van P3 varieert).
Voor het opwekken van de zaagtand wordt gebruik gemaakt van een integrator (IC1a met kondensator C2 in de tegenkoppeling). De integratietijd is afhankelijk van de spanning op de loper van Pl. Hoe hoger de spanning, des te sneller wordt C2 geladen. De periodetijd van de zaagtand wordt dan korter. Op deze wijze kan de totale sweep-tijd met P1 worden ingesteld tussen 10 ms en 10 s. De sweep-tijd wordt in de maximale stand van P1 afgeregeld op 10 s met behulp van P2.
De oplopende flank van de zaagtand wordt afgebroken door T1 en T2. Op de emitter van T2 staat een door zenerdiode D1 geleverde referentiespanning. Zolang de basis van T2 (die via R6 verbonden is met de uitgang van de integrator) een spanning heeft die lager is dan 5 V (zenerspanning minus UBE), geleidt deze transistor. Als een waarde van 5 V wordt bereikt, spert T2. De kollektorspanning zakt dan naar nul volt, waardoor T1 en T3 gaan geleiden. Dat heeft tot gevolg dat de inverterende ingang positief wordt ten opzichte van de niet-inverterende ingang en kondensator C2 snel wordt ontladen. T2 en T3 vormen samen een monostabiele multivibrator, waarbij C1 de mono-tijd bepaalt. Die tijd is zodanig gekozen dat C2 altijd helemaal kan ontladen (neergaande flank van zaagtand). De zenerspanning van D1 bepaalt zo de top-top-amplitude van het zaagtandvormige uitgangssignaal. De zaagtand is ook beschikbaar op een aparte sweep-uitgang, die bij het sweepen verbonden kan worden met de X-ingang van de skoop. De uitgangsimpedantie van deze uitgang is met R8 vastgelegd op 1 kΩ.
De uitgangsversterker
De in het uitgangsgedeelte gebruikte opamp is voor ons doel eigenlijk wat overgedimensioneerd (max. uitgangsstroom 3 A), maar dit IC is betrekkelijk goedkoop. Overbelasting van het IC is (door de aanwezige externe uitgangsweerstanden) praktisch uitgesloten en de interne temperatuurbeveiliging van het IC zal waarschijnlijk nooit in werking hoeven te treden. De L165 (IC3) is hier als buffer geschakeld, zodat de uitgangsspanning gelijk is aan de loper-spanning van amplitude-regelaar P5. Aangezien we voor de hele schakeling een asymmetrische voeding willen gebruiken, is een elko nodig aan de uitgang van de power-opamp. De twee parallel geschakelde weerstanden R23 en R24 zorgen er voor dat de uitgangsimpedantie exakt 50 Ω bedraagt, een standaard-waarde die bij de meeste generatoren wordt aangehouden. De weerstanden begrenzen tevens de uitgangsstroom, hoewel dat bij de toegepaste L165 niet direkt nodig is.
De voeding is eenvoudig gehouden, aangezien we wilden uitgaan van een net-adapter. Diode D2 zorgt er voor dat de adapter-spanning geen schade kan veroorzaken als ze verkeerd aangesloten wordt. IC4 stabiliseert de binnenkomende spanning op een waarde van 12 V. LED D3 dient als aan/uitindikator.
De opbouw
Na dit vrij uitgebreide verhaal over de werking van de generator komen we nu toe aan de praktische aspekten. In figuur 2 is de print afgebeeld die voor de generator ontworpen is. Er zijn enkele punten waar u op moet letten:
- De potmeters P1, P2 en P3 worden aan de koperzijde door de desbetreffende gaten gestoken en aan de komponentenzijde van de print vastgeschroefd. De soldeerlippen aan de potmeters worden dan via korte draadstukjes met de bijbehorende soldeer-eilandjes verbonden.
- IC3 en IC4 worden aan de koperkant van de print gemonteerd. Let daarbij op een korrekte aansluiting (pennummers) en voldoende isolatie van de koelplaatjes.
- S1, S3, S4 en de BNC-bussen worden op de frontplaat vastgezet. Ze zitten dan meteen dicht bij de desbetreffende aansluitingen op de print, zodat korte draden volstaan om alles met elkaar te verbinden.
Figuur 2. De overzichtelijk opgezette print bevat alle onderdelen met uitzondering van enkele schakelaars en de BNC-bussen.
| R1,R19 | 4k7 |
| R2 | 10 |
| R3,R17 | 220 Ω |
| R4 | 22 k |
| R5,R6,R20 | 10 k |
| R7 | 1M |
| R8,R22 | 1 k |
| R9 | 68 k |
| R10,R12 | 820 k |
| R11,R13 | 470 k |
| R14 | 2k2 |
| R15,R16 | 33 k |
| R18 | 27k |
| R21 | 180 |
| R23,R24 | 100 |
| R25 | 1k8 |
| P1 | 100-k-potmeter |
| P2 | 250-Ω-instelpotmeter |
| P3 | 50-k-potmeter |
| P4 | 100-kinstelpotmeter |
| P5 | 10-k-potmeter |
| C1 | 3n3 |
| C2 | 10n |
| C3,C6,C16,C17 | 100 n |
| C4 | 68 p |
| C5 | 1µ/16V |
| C7 | 2n2 MKT |
| C8 | 22 n |
| C9,C14 | 220 n |
| C10,C16* | 2n2 * alleen nodig voor vierde frekwentiebereik |
| C11 | 10 µ/16 V |
| C12 | 100 µ/16 V |
| C13 | 4700 µ/16 V |
| C15 | 1000 µ/25 V |
| D1 | zenerdiode 5,6 V/400 mW |
| D2 | 1N4001 |
| D3 | LED |
| T1 | BS250 |
| T2,T3 | BC557B |
| IC1 | CA3240 |
| IC2 | XR2206 |
| IC3 | L165 |
| IC4 | 7812 |
| S1 | miniatuurschakelaar 1 x maak |
| S2 | miniatuurschakelaar 1 x wissel |
| S3,S4 | miniatuurschakelaar met middenstand en 2 wisselkontakten, bijv. Knitter Switch MTA206PA of C&K type 7211 (evt. miniatuur-draaischakelaar met vier standen voor S3) |
| koelplaatje voor IC3 en IC4 | |
| 2 BNC-bussen chassisdeel voor het aansluiten van de net-adapter | |
| EPS 900040 | |
| Frontplaat-folie | EPS 900040-F |
Voor de overige IC's kunt u, als u daar prijs op stelt, voetjes gebruiken. De opgebouwde print wordt met behulp van enkele afstandsbussen achter de frontplaat gemonteerd. De montagevolgorde is daarbij als volgt. Zet eerst de afstandsbussen op de (van alle benodigde gaten voorziene) frontplaat vast met enkele verzonken boutjes, waarna de frontplaat-folie er over heen kan worden geplakt. Dan worden de zojuist genoemde schakelaars en BNCbussen op het front vastgeschroefd. Verbind daarna alle schakelaars met de print via korte draadstukken en schroef tot slot de print vast op de afstandsbussen.
De generator betrekt zijn voeding uit een net-adapter die minimaal 100 mA bij een spanning van 15...20 V moet kunnen leveren. Aan de achterzijde van het kastje kan daartoe een aansluitbusje worden gemonteerd zoals u dat kent van de meeste draagbare elektronische apparaten. De power-schakelaar op de voorzijde schakelt dan alleen de gelijkspanning in en uit.
Voor de afregeling moet de print weer even worden losgeschroefd, of u moet de moeite nemen voor de opbouw van de print twee gaatjes te boren bij P2 en P4 (op de plaats waar een vrijstaand soldeer-eilandje zit). In dat geval kunt u de twee potmeters via de koperzijde van de print instellen. Schakel nu de voedingsspanning in en laat alles eerst een tijdje opwarmen. Zet S2 dan in de stand NORMAL en P3 in de stand 10. De bereikenschakelaar moet omhoog staan (x 10 Hz). U kunt nu met een frekwentiemeter aan de uitgang de frekwentie meten en deze op exakt 100 Hz afregelen met P4. Zonder frekwentiemeter gaat het ook. Als we een bruggelijkrichter aansluiten op de sekundaire kant van een voedingstrafo (niet te hoge uitgangsspanning kiezen en let op de elektrische veiligheid!), dan staat achter de bruggelijkrichter een signaal met een frekwentie van 100 Hz. Sluit hierop via een voorschakelweerstand (afhankelijk van uitgangsspanning, minstens 100 Ω) en een elko van 100 pF een luidsprekertje aan. Hang ook aan de uitgang van de generator een luidsprekertje en zet deze op gelijke sterkte. U kunt zo vrij nauwkeurig verschillen tussen de twee frekwenties waarnemen en de generator afregelen met P4. De afregeling van het sweep-gedeelte is eenvoudig. Draai P1 helemaal linksom en sluit op de sweep-uitgang een analoge multimeter aan of een LED met voorschakelweerstand. Schakel de sweep-funktie in en stel de tijd met P2 in op 10 s. Klaar, schroef het hele zaakje maar in elkaar.
Figuur 3. De bijbehorende frontplaat is als zelfklevende folie via de Elektuur Produkt Service leverbaar.
Figuur 4. De werking van de toegepaste driestandentuimelschakelaars is nogal apart, vandaar dat we er hier een aparte tekening aan wijden.
Figuur 5. De bereikenschakelaar S3 kan ook worden vervangen door een draaischakelaar met vier standen, zodat nog een extra bereik tot 200 kHz er bij komt.
Tips en opties
Voor het omschakelen van de golfvorm en het frekwentiebereik zijn niet-alledaagse tuimelschakelaars met drie standen gebruikt (bijv. van C&K). Figuur 4 laat zien hoe deze dingen schakelen. Bij de frekwentiebereiken-keuze heeft zo'n schakelaar het nadeel dat er eigenlijk een frekwentiebereik boven 20 kHz ontbreekt, ofschoon de 2206 zulke frekwenties wel nog kan leveren. U kunt de tuimelschakelaar eventueel vervangen door een miniatuur-draaischakelaar met vier standen en een extra kondensator, zodat vier bereiken beschikbaar zijn. Figuur 5 laat zien hoe zo'n draaischakelaar aangesloten moet worden. De pennen van S3 hebben we hier genummerd, zodat u kunt nagaan op welk print-eilandje de nieuwe komponenten moeten worden aangesloten. De extra kondensator komt op de plaats van de twee middenpennen en tussen pen 2 en 4 wordt een draadbrugje op de print gelegd. De draaischakelaar wordt tenslotte verbonden met de punten 1, 3, 5 en 6 op de plaats waar de tuimelschakelaar eerst op de print aangesloten was. Zoals we in het begin van de schema-beschrijving al hebben opgemerkt, beïnvloedt de waarde van R17 de vorm van het sinus-signaal. Perfektionisten kunnen R17 vervangen door een instelpotmeter van 500 Ω en deze dan bij hogere frekwenties afregelen op een zo goed mogelijke sinusvorm. Uit ervaring weten we dat de 2206 tot circa 100 kHz een vrij zuivere sinus kan leveren; tegen 200 kHz wordt het signaal driehoekvormig.
De LM165 kan natuurlijk veel meer vermogen leveren dan hier met een 50-Ω-uitgang mogelijk is. Meet u regelmatig luidsprekers, dan kan het handig zijn om achter op het kastje een paar banaansteker-bussen te monteren die verbonden worden met respektievelijk massa en de minkant van elko C13. Het is dan wel verstandig om een wat zwaardere netadapter te nemen die circa 1 A kan leveren. Let dan wel op dat de spanningsval over IC4 niet te groot is, anders wordt deze stabilisator te heet om nog goed te funktioneren.