Universele blokgolfgenerator stabiel tot in het HF-bereik

Transcriptie

1 Elektor Post Project No. Universele blokgolfgenerator stabiel tot in het HF-bereik Voor heel veel signaalmetingen hoef je geen uitgebreide functiegenerator te hebben, maar kun je uit de voeten met een blokgolf. Een prettige bijkomstigheid is dat een blokgolf alle harmonischen van de grondfrequentie bevat. Met hedendaagse elektronica is zo n generator gemakkelijk zelf te bouwen. Een display voor nauwkeurige aflezing van frequentie en amplitude mag daarbij natuurlijk niet ontbreken. Kai Riedel (Duitsland) Een signaalgenerator gebruik je meestal om een signaal toe te dienen aan de een of andere schakeling, om na te gaan of dat signaal ook inderdaad de bewerkingen ondergaat die je voor ogen had. Frequentie en amplitude van zo n testsignaal moeten de juiste waarde hebben. Bij een signaalgenerator die universeel moet zijn, behoort zowel frequentie als amplitude instelbaar te zijn. Wil je meten aan digitale schakelingen, dan is een extra uitgang op TTL-niveau zeker geen overbodige luxe. De schakeling in dit artikel voldoet aan al deze criteria. Het frequentiebereik kan desgewenst heel breed worden gemaakt: van 0 khz tot 0 MHz. Alles bij elkaar vinden wij dat deze generator het predicaat universeel ruimschoots verdient. De generator heeft een klassieke, zuivere wisselspanningsuitgang met een impedantie van 0 Ω, waarvan de amplitude van 0 tot ongeveer V instelbaar is. Daarnaast is er een digitale TTL-uitgang met een vaste amplitude. Een tweeregelig LCD geeft de ingestelde frequentie en amplitude weer. Als voeding dient een standaard netadapter. Hoe maak je een blokgolf? Als de frequentie van een signaal mooi stabiel moet zijn, dan kiest men meestal voor een kristal- of keramische resonator als frequentiereferentie. Dikwijls is dat echter niet de ideale oplossing: Als je niet uitsluitend met vaste frequenties wilt werken, dan zul je programmeerbare frequentiedelers moeten toepassen. Dat maakt de schakeling aanzienlijk complexer en het wordt bovendien moeilijk om vloeiend, analoog, een bepaald frequentiebereik te bestrijken van laag naar hoog of omgekeerd. Met RC-oscillatoren heb je die problemen niet, maar die zijn dan weer voor veel toepassingen niet stabiel genoeg. De oplossing voor dit dilemma is een kanten-klaar oscillator-ic. Onze schakeling is ontworpen voor twee types van de firma Linear Technology. Deze IC s zijn pencompatibel met elkaar, dus de keuze voor het type IC bepaalt het frequentiebereik. Versie met een LTC99 [] heeft een frequentiebereik van maar liefst khz tot zo n 0 MHz. Versie is puur voor hoogfrequent-toepassingen en maakt gebruik van een LTC90, waarmee u een bereik van tot 0 MHz kunt halen. Voor een instelbare generator is de frequentiedrift in beide gevallen zeer gering. De frequentie die deze IC s produceren wordt bepaald door een weerstand R set tussen + V en pen. Het niveau op pen bepaalt een factor N waardoor de frequentie gedeeld wordt: bij versie is N = met pen aan massa, N = 0 met pen open, of N = 00 met pen aan + V. Bij versie krijgt u bij deze niveaus voor N de deelfactoren, en. De frequentie is te bereken met de volgende formule voor versie : f V Voor versie geldt: 0 MHz 0 kω = R N f, MHz 0 kω = + MHz R V, N set set elektor post Project No.

2 Elektor Post Project No. R k P k P 00R K R k GND C 0n VCC SET IC OUT LTC90 DIV C u 0V R 0R IC = AC IC.A IC.F IC.D IC.E 0 IC.B R R C u K R 00R f out TTL P 00R C 00n 0k 0k R R IC LMH9 C9 00n C0 R9 R 00n R0 9R9 R R 9R9 9R9 9R9 R K f out 0 9 IC.C D S C IC R D S C IC R K TTL_OUT/ C 0n C 00p C u C K0 D BAT C 0u V C9 00n IC 0 C0 00n C 0u V C IC 00n IC IC, IC = LVCGDC IC C C C 00n 00n 00n C 0u 0V C 0n 0n VPOS FLTR IREF IC VRMS RFIN AD SREF PWDN COMM DC: 9...V / 00mA DC_OUT R R K K ICSP R 0k RB RB R 0k k R RC 0k C 00n 0 VDD MCLR/VPP IC RA0/AN0 RA/AN RA/AN/CVREF/VREF RA/AN/VREF+ RA/COUT/T0CKI RA/AN/COUT/HLVDIN/SS PICF-I/SO RC0/TCKI/TOSO RB0/AN/FLT0/INT0 RC/CCP/TOSI RB/AN0/INT RC/CCP RC/SCL/SCK RC/SDA/SD RC/SDO RB/AN/INT RB/AN9/CCP RB/AN/KBI0 RB/PGM/KBI RC/CK/TX RB/PGC/KBI RC/DT/RX RB/PGD/KBI RA/ RA/ VSS OSC OSC VSS 9 X 0 9 C 0n K9 TTL_OUT/ RB0 RB RB RB RB RB RB RB RB RB RB RB RB RB RB RB 0 0 K K 9 9 R RB RB0 RC RB RB0 RC P 0k LED C 0n C p 0MHz C p 00 - Met het oog op de stabiliteit zou u bij N = en versie niet ver onder 0, MHz en niet ver boven 0 MHz moeten gaan; evenzo bij versie niet veel hoger dan 0 MHz. Schakeling In figuur ziet u de complete schakeling voor versie, vanwege de overzichtelijkheid. K is een header waarmee u met een jumper de deelfactor N op, of instelt. Met N = en de aangegeven waarden van P, P, R en R hebt u een bereik van ongeveer MHz. Met N instelbaar op, of hebt u dus drie bereiken die met enige overlap op elkaar aansluiten. P is voor de fijnregeling, in de ordegrootte van enkele procenten. Figuur. Het schema van de universele blokgolfgenerator ziet er ingewikkelder uit dan het is. IC levert de signalen, IC versterkt die en IC meet ze. elektor post Project No.

3 Elektor Post Project No. Neemt u een LTC99 voor IC, dan dient u andere waarden voor de potmeters en de weerstanden te nemen, anders komt u met R set niet uit. Met R =, kω, R open, P =, kω en P = 00 kω geeft dat bij N = een bereik van...0 MHz, wat met de deler N op, 0 of 00 ook weer drie aansluitende bereiken geeft. In de onderdelenlijst zijn de waardes voor versie tussen haakjes gegeven. De uitgang van IC wordt gebufferd door een paar poortjes van IC. Op K staat nu een signaal op TTL-niveau. Met IC, een videoversterker-ic, wordt dat signaal DC-ontkoppeld. De uitgang heeft een impedantie van 0 Ω en is met P instelbaar van 0 V tot ongeveer 00 mv eff. Op dit punt zou de schakeling klaar kunnen zijn, alleen weten we dan nog niet welke frequentie en amplitude er precies zijn ingesteld. Die moeten we meten en weergeven op een display, met wat extra elektronica. De aangewezen oplossing is uiteraard een microcontroller. We hebben gekozen voor een PICF (IC), omdat dit type als frequentieteller wel zo n 0 MHz kan halen. Bovendien bevat deze PIC een -bits A/D-converter waarmee we de amplitude kunnen meten met een resolutie van 0, mv HF /bit. IC heeft voor deze taken echter nog wel wat hulp nodig. In versie kunnen we de hogere frequentie niet rechtstreeks meten, maar moeten we die eerst delen. Voor versie is dat niet nodig, daar kan dit gedeelte vervallen (worden vervangen door een draadbrug). IC en IC delen de frequentie van IC door vier, zodat het meetbereik tot 0 MHz loopt. De gate-tijd van de frequentiemeting is 00 ms en wordt aangegeven met LED. Het uitgangssignaal van IC op K wordt via een afgeschermde kabel via K9 naar pen van de microcontroller gevoerd. Voor de amplitudemeting hebben we ook nog iets moois: IC. Dit is een AD, door producent Analog Devices omschreven als LF to. GHz TruPwr detector. Het is een zeer lineaire effectieve-waardemeter voor hoge frequenties. Als uitgangssignaal levert hij een gelijkspanning die evenredig is met de gemeten wisselspanning. Aan het niveau op headerpen K-, oftewel aan zijn eigen pen RC, herkent IC of de schakeling versie of is. Is dit pootje 0 (low), dan is het versie ; is het (high), dan is het versie V. Pen RC is beschikbaar voor eventuele uitbreidingen. Firmware Zoals u van ons gewend bent, is de firmware voor deze schakeling gratis te downloaden van de webpagina bij dit artikel []. De firmware is ontwikkeld met de gratis evaluatieversie van de MPLAB C-compiler. Simpel gezegd werkt het als volgt. Timer0 telt de pulsen aan T0CKI, de ingang voor de externe klok. Daarnaast wordt er elke 00 ms een Timer-interrupt gegenereerd. In de bijbehorende routine lezen we het tel- Figuur. Het printje van de generator is heel compact, dankzij consequent gebruik van SMD s. Figuur. Het prototype van de generator met display. elektor post Project No.

4 Elektor Post Project No. Technische gegevens Universele blokgolfgenerator, uitgevoerd als compacte module met instelbare frequentie en amplitude. frequentiebereiken: V = 0 khz tot 0 MHz en V = MHz tot MHz, onderverdeeld in elk drie banden: V: khz, 0,... MHz en...0 MHz V:... MHz,... MHz en... MHz frequentiestabiliteit: V = ±0 ppm/k; V = ±0 ppm/k duty-cycle: 0 % twee uitgangen met BNC-connectors: K: TTL-compatibel ( V) K: instelbaar mveff aan 0 Ω, zuivere wisselspanning display: LCD met twee regels voor amplitude en frequentie voeding: 9... V, max. 00 ma golfvorm: blokgolfsignaal Figuur. Het oscilloscoopbeeld van het uitgangssignaal toont bij deze frequentie nog een mooie blokgolf. lerregister van Timer0 voor de frequentiemeting en starten we een A/D-conversie voor de bepaling van het uitgangsniveau. Het resultaat van deze berekeningen, voorzien van de juiste schaalfactoren voor frequentie en niveau (effectieve waarde), worden getoond op het display. Dan worden beide timers weer geladen met de gewenste startwaardes en begint het hele verhaal weer van voren af aan. Header K dient voor het programmeren van de controller. De firmware is heel compact, zodat er nog genoeg geheugen in IC over blijft voor uw eigen uitbreidingen. Display en opbouw Zoals u kunt zien in figuur is het printje mooi compact, dankzij het gebruik van zoveel mogelijk SMD s. Zoals al opgemerkt berekent IC de frequentie en de amplitude, die voorzien van enige opmaak naar het tweeregelige LC-display worden gestuurd. Kiest u voor een display met een FPC-connector, dan kunt u een sandwich-constructie maken waarbij het display wordt verbonden met K en bijvoorbeeld met afstandsbussen Figuur. Aan de bovenkant van het frequentiebereik van versie, bij MHz, ziet het signaal er niet meer zo mooi rechthoekig uit. Maar voor meetdoeleinden is het meestal nog wel geschikt. elektor post Project No.

5 Elektor Post Project No. onderkant van het frequentiebereik nog een echte blokgolf met mooie steile flanken. Aan de bovenkant van het frequentiebereik worden de flanken nogal afgerond. Niettemin is dit signaal nog steeds goed bruikbaar. We moeten immers ook bedenken dat we met deze frequenties inmiddels al in het UHF-gebied zitten, wat ook op duurdere oscilloscopen niet ideaal wordt weergegeven. Tot besluit nog een waarschuwing: Hoewel het signaalniveau laag is, kunt u niet afgeslotegen de generatorprint wordt gemonteerd. In figuur ziet u het geheel met een standaard display van x tekens, via een bandkabel verbonden met K. En verder In het kader vindt u de technische gegevens van beide versies. De scoopplaatjes van figuur en figuur geven de signaalvormen van een prototype van versie bij en MHz. Zoals u ziet is het signaal aan de Onderdelenlijst Waarden voor versie (versie tussen haakjes) Weerstanden: (SMD 00, tenzij anders vermeld) R = k (k) R = 0 Ω R = vervalt (0 Ω, zie opdruk op print) R = Ω R = k (vervalt) R = 00 Ω R,R,R,R,R = 0 k R9 = Ω R0,R,R,R = 9Ω9 R = Ω R = k P = 00 Ω (k) tienslags-instelpotmeter, staand * P = k (00 k) tienslags-instelpotmeter, staand * P = 00 Ω tienslags-instelpotmeter, staand * P = 0 k tienslags-instelpotmeter, staand Condensatoren: (keramisch SMD 00, tenzij anders vermeld) C,C,C,C,C,C = 0 n, XR C,C,C,C,C,C9,C0,C = 00 n, XR C = 0 µ/0 V tantaal, type A C,C = µ, XR C = 00 p, NP0 C,C = p, NP0 C9,C0 = 00 n MKT, steek mm C = 0 µ/v, steek, mm, ø mm C = 0 µ/v, steek mm, ø 0 mm C = µ/0 V tantaal, type A Halfgeleiders: D = BAT, DO- IC = LTC90CS (LTC99CS), TSOT IC = CDACM9G, SO- IC,IC = LVCGDC (vervalt), VSSOP- IC = LMH9/MA, SO- IC = ADARMZ, MSOP- IC = LM0, TO-0 IC = PICF-I/SO, SOICW- (geprogrammeerd, bestelnr. 00-) LED = LED groen, mm Diversen: K,K = haakse BNC-connector voor printmontage (bijv. TE connectivity 0) K,K = -pens SIL-header, steek, mm K = -pens SIL-header, steek, mm K = -pens FFC-connector, SMD, steek mm (MOLEX 0-9) * K = x-pens DIL-header, steek, mm * K,K9 = -pens SIL-header, steek, mm K0 = netvoedingsconnector voor printmontage,, mm X = 0 MHz kristal, HC9/SMD LCD, Elektor-bestelnr. 00- * Print nr. 00-, zie [] * zie tekst elektor post Project No.

6 Elektor Post Project No. ten kabels aan de uitgangen beter vermijden, want die werken als antenne. Dat geldt met name voor de TTL-uitgang, dat veroorzaakt dan storingen op diverse frequentiebanden. Voor beide versies is het volgende nog van belang. Als u de frequentie liever niet met instelpotmeters (P en P) maar met gewone potmeters wilt kunnen instellen, dan moet u er wel voor zorgen dat de verbindingen naar de print zo kort mogelijk zijn. Pen van IC is namelijk heel gevoelig voor allerlei stoorsignalen. Wilt u de frequentiebanden liever niet omschakelen met een jumper, maar op het frontpaneel, dan kunt u een driestanden schakelaar aansluiten aan K. Pen van IC is veel minder gevoelig dan pen. Overigens kunt u via [] niet alleen de firmware downloaden en een print bestellen. Hebt u zelf niet de beschikking over een programmer, dan kunt u hier ook een kant-en-klaar geprogrammeerde microcontroller bestellen. Een geschikte LCD-module is eveneens verkrijgbaar bij Elektor. Voor de voeding volstaat een kleine netadapter die 9 tot V bij 00 ma kan leveren. Deze spanning hoeft niet gestabiliseerd te zijn. Weblinks [] [] [] (00) Over de auteur Kai Riedel is ontwerpingenieur bij de firma Turck in het Duitse Beierfeld. Al sinds zijn jeugd is hij bezig met elektronica. Hij is gespecialiseerd in test- en meetapparatuur met microcontrollerbesturing en experimenteert graag met HF-techniek. Ook is hij goed in het repareren van allerlei elektronische apparatuur. Daarnaast speelt hij graag piano en kerkorgel. elektor post Project No.