Trình tạo chức năng: 12 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Tài liệu hướng dẫn này mô tả thiết kế của bộ tạo chức năng dựa trên mạch tích hợp Maxims's Analog MAX038

Bộ tạo chức năng là công cụ rất hữu ích cho những người mê điện tử. Nó cần thiết để điều chỉnh mạch cộng hưởng, kiểm tra thiết bị âm thanh và video, thiết kế bộ lọc tương tự và cho nhiều mục đích khác nhau.

Ngày nay có hai loại máy phát chức năng chính; kỹ thuật số, (dựa trên DSP, DDS…) ngày càng được sử dụng thường xuyên hơn và tương tự, là nguồn gốc.

Cả hai loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Các máy phát kỹ thuật số có thể tạo ra tín hiệu với tần số rất ổn định, nhưng chúng gặp vấn đề với việc tạo ra các tín hiệu sin rất thuần túy (điều này không thành vấn đề đối với máy phát tương tự). Ngoài ra, các bộ tạo hàm chủ yếu dựa trên cách tiếp cận DDS có dải tần tạo ra không quá lớn.

Từ lâu, tôi đã muốn thiết kế một máy phát chức năng hữu ích, bằng cách nào đó có thể kết hợp một số ưu điểm của cả hai loại máy phát điện (tương tự và kỹ thuật số). Tôi quyết định thiết kế dựa trên chip Maxim MAX038 *

* Lưu ý - con chip này không được Maxim sản xuất và bán nữa. Nó đã lỗi thời. Bạn vẫn có thể tìm thấy nó trên eBay, Aliexpress và các trang khác về linh kiện điện tử.

Hiện cũng có các chip tạo chức năng tương tự khác (XR2206 từ Exar, icl8038 từ Intersil), nhưng tôi đã có

một MAX038 có sẵn và tôi đã sử dụng nó. Các tính năng kỹ thuật số của bộ tạo chức năng được thực hiện bởi một chip Atmega328. Các chức năng của nó như sau:

• kiểm soát lựa chọn dải tần số
• điều khiển loại tín hiệu (hình sin, hình chữ nhật, hình tam giác, răng cưa)
• đo biên độ của tín hiệu
• đo độ lệch DC
• đo tần số của tín hiệu
• đo THD của tín hiệu sin trong dải âm thanh (điều này vẫn phải được thực hiện)
• hiển thị tất cả thông tin này trên màn hình LCD 16x2 ký tự.

Bước 1: Mô tả MAX038

Tôi đã đính kèm biểu dữ liệu MAX038, có thể thấy các thông số quan trọng nhất của chip:

♦ Dải tần số hoạt động 0,1Hz đến 20MHz

♦ Dạng sóng hình tam giác, răng cưa, hình sin, hình vuông và xung

♦ Điều chỉnh tần số và chu kỳ làm việc độc lập

♦ Dải tần số quét 350 đến 1

♦ Chu kỳ nhiệm vụ thay đổi từ 15% đến 85%

♦ Bộ đệm đầu ra trở kháng thấp: 0,1Ω

♦ Chênh lệch nhiệt độ thấp 200ppm / ° C

Một yêu cầu quan trọng khác là cần nguồn cung cấp kép (± 5V). Biên độ đầu ra là cố định (~ 2 VP-P với độ lệch 0 V DC).

Trên trang 8 của biểu dữ liệu có thể thấy sơ đồ khối của chip. Ở trang 11 có thể thấy mạch đơn giản nhất, có thể được sử dụng để tạo ra tín hiệu sóng sin. Mạch này được lấy làm cơ sở cho việc thiết kế bộ tạo chức năng.

Bước 2: Mạch…

Trên hình là trình bày mạch của bộ tạo chức năng Tôi đã thực hiện hình ảnh này với độ phân giải cao nhất có thể để đảm bảo rằng mỗi giá trị.device có thể được đọc đúng cách. Các sơ đồ trông khá phức tạp và để được hiểu rõ hơn, tôi sẽ giải thích các phần chính của nó một cách riêng biệt. Nhiều độc giả có thể trách tôi rằng mạch quá thừa. Điều đó đúng. Lúc đầu, bạn có thể thấy rằng nó chứa hai chip MAX038. Lý do là PCB hỗ trợ cả hai loại gói SO và DIP. Sự dư thừa cũng có thể được nhìn thấy trong một số chức năng -

1) Đèn LED hiển thị dải tần hoạt động hiện tại, nhưng nó cũng được hiển thị trên màn hình LCD;

2) Đèn LED cũng được sử dụng để chỉ ra loại tín hiệu, nhưng màn hình LCD cũng hiển thị thông tin này

Thiết kế được thực hiện theo cách này để cho phép người dùng linh hoạt hơn - nếu muốn, anh ta không thể sử dụng màn hình LCD, hoặc đơn giản là có thể bỏ qua việc hàn của đèn LED. Tôi đã hàn chúng để có thể gỡ lỗi chức năng trong giai đoạn thiết kế.

Cũng có thể nhận thấy rằng tôi sử dụng rất nhiều opamps. Một số trong số chúng có thể được bỏ qua mà không có vấn đề gì - đặc biệt là bộ đệm. Trong thời điểm hiện tại, các opamps tự cung cấp khả năng dự phòng lớn - trong một gói, bạn có thể tìm thấy 2, 4 thậm chí 8 bộ khuếch đại riêng biệt và điều này ở mức giá tương đối thấp. Tại sao không sử dụng chúng?

Dự phòng cũng là các tụ lọc - mỗi chip tương tự được sử dụng có một ngân hàng tụ riêng (tantali + tụ gốm cho cả hai nguồn cung cấp). Một số trong số chúng cũng có thể được bỏ qua.

Bước 3: Giải thích mạch - Nguồn điện (1)

Như tôi đã nói máy phát điện này yêu cầu nguồn cung cấp kép. Điện áp dương được tạo ra bằng cách sử dụng bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính 7805. Nguồn cung cấp âm được tạo ra bởi chip 7905. Điểm đấu giữa của máy biến áp 2x6V được nối với đất chung của bảng. Các nguồn cung cấp năng lượng được tạo ra - cả tích cực và tiêu cực được phân tách thành analog và kỹ thuật số bằng các cuộn cảm. Hai đèn LED cho biết sự hiện diện của mỗi nguồn cung cấp.

Bước 4: Giải thích mạch - Điều khiển dải tần (2)

Để bao phủ dải tần số lớn, người ta sử dụng nhiều tụ điện. Các tụ điện có các giá trị khác nhau và chúng xác định các dải tần phụ khác nhau. Chỉ một trong số các tụ điện này được sử dụng trong quá trình làm việc - tấm dưới cùng của nó được nối đất bằng công tắc bóng bán dẫn MOS. Tấm dưới cùng của tụ điện nào được nối đất được điều khiển bởi Atmega328 bằng cách sử dụng chip phân kênh 74HC238. Khi chuyển mạch MOS, tôi đã sử dụng bóng bán dẫn BSS123. Yêu cầu chính đối với công tắc này là phải có Ron thấp và điện dung thoát thấp nhất có thể. Có thể bỏ qua phần điều khiển kỹ thuật số của khối tụ điện - PCB chứa các lỗ để hàn dây cho công tắc xoay cơ học.

Bước 5: Giải thích mạch - điều chỉnh tần số (3)

Trên hình là các mạch điều khiển tần số và chu kỳ làm việc. Ở đó tôi đã sử dụng opamp LM358 tiêu chuẩn (bộ khuếch đại kép trong một gói). Tôi cũng đã sử dụng chiết áp kép 10K.

Chip MAX038 tạo ra tham chiếu điện áp bên trong 2,5V, được sử dụng bình thường làm tham chiếu cho tất cả các điều chỉnh.

Điện áp này được áp dụng tại đầu vào đảo ngược của IC8a và nó tạo ra tham chiếu điện áp âm được sử dụng cho DADJ (điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ). Cả hai điện áp đều được áp dụng tại chiết áp cho DADJ, mà vòi ở giữa được đệm và áp dụng cho chân DADJ của chip MAX038. Jumper JP5 có thể được sử dụng để tắt chức năng DADJ, khi được kết nối với mặt đất. Điều khiển tần số "Khóa học" được định dạng trước bằng cách thay đổi dòng điện chìm / có nguồn trong chân MAX038 "IIN". Dòng điện này được xác định bởi điện trở R41 và điện áp đầu ra của opamp đệm vào vòi giữa của chiết áp điều khiển tần số khóa học. Tất cả những thứ này có thể được thay thế bằng một chiết áp đơn (trong kết nối reostat) giữa các chân REF và IIN MAX038.

Bước 6: Giải thích mạch - Điều khiển biên độ, Tạo tín hiệu SYNC… (4)

Như đã viết trong biểu dữ liệu, tín hiệu đầu ra pf của MAX038 có biên độ ~ 1 V với điện áp DC bằng điện thế mặt đất.

Tôi muốn có khả năng kiểm soát biên độ tín hiệu và có thể xác định độ lệch DC của chính mình. Là tính năng bổ sung, tôi muốn có tín hiệu SYNC với các mức CMOS song song với tín hiệu đầu ra. Theo mặc định, chip MAX038 tạo ra tín hiệu như vậy, nhưng trong biểu dữ liệu, tôi đọc được rằng nếu tính năng này được bật (nghĩa là - chân DV + được kết nối với 5V), một số đỉnh (nhiễu) có thể được quan sát thấy trong tín hiệu tương tự đầu ra. nó càng sạch càng tốt và vì lý do đó, tôi đã tạo ra tín hiệu SYNC bên ngoài. PCB được thực hiện theo cách mà chân DV + có thể được bắc cầu dễ dàng với nguồn cung cấp chính. Chân SYNC được chuyển đến đầu nối BNC - chỉ phải hàn điện trở 50 Ohm. Trong trường hợp này, có thể bỏ qua mạch tạo tín hiệu SYNC. Ở đây như bạn thấy, tôi cũng sử dụng chiết áp kép, nhưng chúng không được kết nối song song. Lý do cho điều đó là - tôi đo biên độ tương đối. Điện áp tại điểm giữa của một chiết áp được cảm nhận bởi Atmega328 ADC và biên độ tín hiệu được tính toán dựa trên giá trị này. Tất nhiên phương pháp này không chính xác lắm (nó dựa vào sự phù hợp của cả hai phần chiết áp, điều này không phải lúc nào cũng xảy ra), nhưng nó đủ chính xác cho các ứng dụng của tôi. Trong mạch này IC2A đang làm việc như bộ đệm điện áp. IC4A cũng có. Bộ khuếch đại IC2B hoạt động như bộ khuếch đại tổng hợp - nó tạo ra tín hiệu đầu ra của bộ tạo chức năng dưới dạng tổng của điện áp bù và tín hiệu chính với biên độ được điều chỉnh. Bộ chia điện áp R15. R17 tạo ra tín hiệu điện áp phù hợp để đo độ lệch tín hiệu chính DC. Nó được cảm nhận bởi Atmega328 ADC. IC4B opamp hoạt động như một bộ so sánh - nó điều khiển biến tần thế hệ SYNC được thực hiện bởi hai bóng bán dẫn MOS (BSS123 và BSS84). U6 (THS4281 - Texas Instruments) thay đổi tín hiệu đầu ra do MAX038 DC tạo ra với 2,5 V và khuếch đại nó lên 1,5 lần. Vì vậy, tín hiệu được tạo ra được AVR ADC cảm nhận và được xử lý thêm với thuật toán FFT. Trong phần này, tôi đã sử dụng opamps đường sắt chất lượng cao để đường sắt với băng thông 130 MHz (TI - LMH6619).

Để dễ hiểu cách thức hoạt động chính xác của việc tạo tín hiệu SYNC, tôi xin đưa vào một số hình ảnh mô phỏng LTSpice của mạch. Trên hình thứ ba: tín hiệu màu xanh lam là điện áp bù (đầu vào của IC2B). Màu xanh lá cây là tín hiệu đầu ra với biên độ điều chỉnh. Màu đỏ là tín hiệu đầu ra của bộ tạo chức năng, Đường cong màu lục lam là tín hiệu SYNC.

Bước 7: Thiết kế PCB

Tôi đã sử dụng "Eagle" để thiết kế PCB. Tôi đã đặt mua PCB tại "PCBway". Họ chỉ mất bốn ngày để sản xuất bảng và một tuần để giao chúng. Chất lượng của chúng cao và giá thành cực kỳ thấp. Tôi chỉ trả 13 USD cho 10 PCB!

Ngoài ra, tôi có thể đặt một PCBs màu khác mà không bị tăng giá. Tôi đã chọn những cái màu vàng:-).

Tôi đang đính kèm các tệp mầm theo quy tắc thiết kế "PCBway".

Bước 8: Hàn

Đầu tiên tôi hàn các thiết bị mạch cung cấp điện..

Sau khi kiểm tra khối nguồn cung cấp, tôi đã hàn chip Atmega328 với các thiết bị hỗ trợ của nó: tinh thể thạch anh, tụ điện, nắp lọc và đầu nối ISP. Như bạn thấy, tôi có một jumper trong đường cung cấp của chip AVR. Tôi ngắt kết nối nó khi tôi lập trình chip thông qua ISP. Tôi sử dụng lập trình USBtiny cho mục đích đó.

Trong bước tiếp theo, tôi hàn chip de-mux 74HC238, đèn LED cho biết dải tần số. Tôi đã tải một chương trình Arduino nhỏ trong chip Atmega, đang thử nghiệm ghép kênh. (xem video theo link trên)

Bước 9: Hàn…

Trong bước tiếp theo, tôi hàn các opamps hoạt động ở chế độ DC (LM358) và chiết áp điều chỉnh tần số và DADJ và kiểm tra tất cả các chức năng của chúng.

Hơn nữa, tôi hàn các công tắc BSS123, các tụ điện xác định tần số và chip MAX039. Tôi đã thử nghiệm bộ tạo chức năng thăm dò tín hiệu ở đầu ra tín hiệu chip gốc. (Bạn có thể thấy chiếc máy hiện sóng cũ của tôi, sản xuất năm 1986, vẫn đang hoạt động:-))

Bước 10: Hàn thêm…

Sau đó, tôi hàn ổ cắm cho màn hình LCD và thử nghiệm nó với bản phác thảo "Hello world".

Tôi đã hàn các opamps, tụ điện, chiết áp và đầu nối BNC còn lại.

Bước 11: Phần mềm

Để tạo phần sụn Atmega328, tôi đã sử dụng Arduino IDE.

Để đo tần số, tôi đã sử dụng thư viện "FreqCounter". Tệp phác thảo và thư viện đã sử dụng có sẵn để tải xuống. Tôi đã tạo các ký hiệu đặc biệt để đại diện cho chế độ đang được sử dụng (hình sin, hình chữ nhật, hình tam giác).

Trên hình trên có thể thấy thông tin hiển thị trên màn hình LCD:

• Tần số F = xxxxxxxx tính bằng Hz
• Dải tần số Rx
• Biên độ tính bằng mV A = xxxx
• Chênh lệch tính bằng mV 0 = xxxx
• loại tín hiệu x

Bộ tạo chức năng có hai nút nhấn ở mặt trước ở phía bên trái - chúng được sử dụng để thay đổi dải tần số (bước lên-bước xuống). Ở bên phải của chúng là công tắc trượt để điều khiển chế độ, sau nó từ trái sang phải theo chiết áp để điều khiển tần số (tất nhiên, tốt, DADJ), biên độ và độ lệch. Gần chiết áp điều chỉnh độ lệch có đặt công tắc dùng để hoán đổi giữa chiết áp DC cố định ở mức 2,5V và công tắc được điều chỉnh.

Tôi đã tìm thấy một lỗi nhỏ trong mã "Generator.ino" trong tệp ZIP - các biểu tượng cho dạng sóng sin và sóng tam giác đã được hoán đổi. Trong tệp "Generator.ino" duy nhất được đính kèm ở đây, lỗi đã được sửa.

Bước 12: Hoàn thành…

Ở bước cuối cùng, tôi dự định triển khai tính năng bổ sung - đo THD của tín hiệu sin tần số âm thanh trong thời gian thực bằng FFT. Điều này là cần thiết, vì chu kỳ làm việc của tín hiệu sin có thể khác 50%, nguyên nhân có thể do chip bên trong không khớp và các lý do khác và có thể tạo ra biến dạng hài. Chu kỳ làm việc có thể được điều chỉnh bằng chiết áp, nhưng nếu không quan sát tín hiệu trên máy hiện sóng hoặc máy phân tích quang phổ thì không thể cắt nhỏ hình dạng của nó. Tính toán THD dựa trên thuật toán FFT có thể giải quyết được vấn đề. Kết quả của các phép tính THD sẽ được hiển thị trên màn hình LCD ở ô trống trên cùng bên phải.

Trên video có thể thấy phổ của tín hiệu hình sin MAX038 được tạo ra. Máy phân tích phổ dựa trên bo mạch Arduino UNO + lá chắn TFT 2,4 . Máy phân tích phổ sử dụng thư viện SpltRadex Arduino do Anatoly Kuzmenko phát triển để thực hiện FFT trong thời gian thực.

Tôi vẫn chưa quyết định - sử dụng thư viện này hay sử dụng thư viện FHT được tạo bởi Musiclabs.

Tôi dự định sử dụng thông tin lấy từ các phép đo tần số để tính toán cửa sổ lấy mẫu thích hợp và tạm dừng việc sử dụng cửa sổ bổ sung trong quá trình tính toán FFT. Tôi chỉ cần tìm một chút thời gian rảnh để biến điều này thành hiện thực. Tôi hy vọng sẽ có một số kết quả sớm….