CC BY
210
УДК 621.375.132
КУЧЕРЕНКО А.А., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Генератор синусоидального сигнала для универсального лабораторного стенда
Kucherenko A.A., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (DRTI) Sine wave generator for a universal laboratory bench
Введение
При выполнении лабораторных работ по дисциплине «Электроника» с 1980г. в ДонИЖТ применяется универсальный лабораторный стенд (УЛС), разработанный и изготовленный в учебных мастерских Харьковского политехнического института [1]. УЛС в полной мере соответствует программе курса «Электроника» при изучении аналоговых (часть 1) и цифровых (часть 2) электронных устройств автоматики и телемеханики. Все блоки и платы стенда, после проведения профилактических и ремонтных работ, функционируют нормально.
Сбои наблюдаются при выполнении лабораторных работ по части 1 дисциплины «Электроника»: исследование усилителей на
биполярных и полевых транзисторах. В этих работах на вход усилителя подаётся синусоидальный сигнал переменной амплитуды и частоты. Данный сигнал формируется RC генератором синусоиды со сдвигом фаз на трёх операционных усилителях.
Наблюдаются заметные искажения формы сигнала и срыв колебаний на высоких частотах. Причинами этих явлений является как старение элементов, так и низкая температурная стабильность схемы генератора.
Данные проблемы можно решить
кардинально, применив в схеме генератора синусоиды УЛС современные аналоговые микросхемы.
Анализ последних исследований и публикаций
В современных зарубежных измерительных приборах и учебных стендах генераторы входных тестовых сигналов выполнены на основе микросхем функциональных
генераторов. Так в учебной установке NI ELVIS компании National Instrument функциональный генератор строится на базе интегральной микросхемы функционального генератора XR 2206 [2].
XR-2206 является монолитной интегральной схемой функционального генератора, способной вырабатывать высококачественный синусоидальный, прямоугольный, треугольный,
пилообразный сигнал, и импульсы произвольной формы высокой стабильности и точности.
Схема идеально подходит для коммуникаций, разработки различных устройств и изготовления
функционального измерительного
генератора. Интегральная микросхема XR 2206 вырабатывает напряжения с возможностями выбора формы, амплитудной и частотной модуляции. Амплитуду выходного сигнала можно
регулировать с помощью внутреннего 8-разрядного цифроаналогового
преобразователя или вручную.
Очевидно, что применение в схеме генератора синусоиды УЛС
микросхемы XR 2206 избыточно и дорого. В среде радиолюбителей (отечественных и зарубежных)
наиболее популярны недорогие микросхемы MAX038 и ICL8038. Обзор рекомендаций и схем в сети Internet по критериям цена, популярность, стабильность параметров и
характеристик приводит нас к выбору схемы генератора синусоиды УЛС на микросхеме MAX038 (рис. 1) [2].
Рис. 1. Схема генератора синусоиды на микросхеме MAX038
Цель работы
Так как УЛС широко использовались в учебном процессе технических ВУЗов СССР (и до сих пор они ещё «в лабораторном строю»), то цель работы - помочь решить кардинально проблему этого стенда, используя недорогие, популярные современные микросхемы.
Основной материал
На рисунке 1 приведена типовая схема, рекомендованная
производителем для построения схемы
генератора синусоидального сигнала. Формула для расчёта частоты F0 выходного синусоидального сигнала (SINE - WAVE OUTPUT):
F0 = 5/(Rin • Cf)
(1)
где RIN - сопротивление, а С - ёмкость, подключаемые к входам 1Ш и COSC, соответственно.
Микросхема МАХ038 по такой схеме может генерировать
синусоидальный сигнал в очень широком диапазоне частот: от долей Гц до 20 МГц. Поэтому её часто
используют в самых разных схемах и устройствах, включая и гетеродины приёмных устройств.
На основе типовой схемы синусоидального генератора (рис.1) разработана схема генератора синусоидального сигнала УЛС (рис. 2 и 3), генерирующего десять частот F0 :
80 Гц; 150 Гц; 500 Гц; 800 Гц; 1 кГц; 1,2 кГц; 3 кГц; 8 кГц; 10 кГц и 20 кГц с регулируемой амплитудой. Эти десять частот генератора УЛС используются для исследования усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах.
1-1 »-1 I-( 1 1 1-1 1-1 1-1 I-( р-( 1-
ш Я2 Я3 Я4 Я5 Я6 Я7 Я8 Я9 Ш0
3 4
8В1 1 2 11
^В2 2
3 12
4 13
5 1]
6 21
7 3]
8 41
9 51
10 105
->+5В
Ш - Ш0 10 к
10
ББ1
ББ2
Б1 СБ 1
Б2 2
Б3 4
Б4 8 С
'С
Ж КР1533 ТМ8
+ С2 0,47
1 бнь
ББ4
1
Е1 Е2 Е3
СБ
КР1533 ИД7
I?
1.15
[14 1
13 2
Г12 3
¡¡¡11 4
¡¡10 5
¡¡9 6
7
, 9
ББ5.2
&
& 6
ББ5.3
ББ5.1
ББ3.2 ББ3.3
ББ3
КР1533ЛЕ1
ББ5 КР1533ЛА3
В3 В4
В5 В6
В7
77
J В8 В9
ББ6, ББ7 КР1533ЛН8
1
2
5
6
7
8
9
3
1
6
2
3
6
8
Рис. 2. Схема переключателя частот F0
Частота генерации F0 зависит от ёмкости конденсатора Сб и сопротивления резистора RIN. Ёмкость конденсатора Сб выбираем, равной 0,22 мкФ. Значения резисторов RIN рассчитаем по формуле (1) и запишем в табл. 1.
Плавную настройку частоты F0
внутри 1 - 6 диапазонов (Дш - Кшб) удобно проводить двумя
последовательно включенными
резисторами типа МЛТ - 0,125 ± 0,5%. Диапазоны частот 7 - 10 имеют низкие значения резисторов (Дм7 - RINl0) и можно применить один резистор типа МЛТ - 0,125 ± 0,5%.
В1 В2
В3 Ч-
В4 Ч-
В5
В6
В7
В8
В9 Ч-
БЛ1 2 БЛ2
Л РГК 49 В 1 Л РГК 49 В
1'"
БЛ9
— А
РГК 49
В
а
¿тг
¿тг
¿тг
¿тг
¿тг
И™
¿тг
¿тг
0,1 С1
280 к
320 к 50 к
4 к
4 к
30 к
4 к
20 к
1,56 к
20 к
4,7 к
ГК1( \' ) ГК2( ) ГК3( \2 12
7,59 к
291
4,53 к
1 1 а"
©
I2 I2
2,26 к
1,14 к
г*
1111 © © © ©
ГК6 ГК7 ГК8 ГК9
БЛ10
0,22
¿1 12 к
Ср
т .е,
¿ЕР
DЛDJ
FЛDJ
С08С
GND
GND
GND
GND
о
МАХ 038
V-
У+
Л1
Л0
оит
Б^З16
DGND Ц SYNC 14
13
12.
PDT
PD0
20
17
41
С41 1с
>-5В
3
19
С2 100,
С5 0,1
-•-►+5В 100,0+ ТУ
У+ _1_С3 ~Т~0,1
¿2
та
47
¿3 1 к
I
¿9 20 к
¿4 910
¿7 20 к
Ж
БЛ11
X
¿5 91
¿6 10
¿8 10 к
I
Выход
Рис. 3. Схема генератора синусоиды Значения резисторов Яш для частот Fo
Таблица 1
9
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
7
8
5
№ п/п Р0 , Гц ¿ш,кОм
1 80 284,0909
2 150 151,5151
3 500 45,4545
4 800 28,40909
5 1000 22,7272
6 1200 18,9393
7 3000 7,5757
8 5000 4,5454
9 10000 2,2727
10 20000 1,13636
Разработанный генератор
синусоиды состоит из двух блоков: переключатель частот Fo (рис. 2) и блок генерации синусоиды (рис. 3). Переключатель частот F0 предназначен для устранения явления «дребезга» механических контактов кнопок SB1 -SB10 и установления приоритета большей по номеру кнопки. Приоритет устанавливается шифратором на микросхеме DD1 КР1533ИВ3, а чёткая фиксация выбранного диапазона выполнена с помощью формирователя импульсов на транзисторе VT1 КТ315А, регистра DD2 КР1533ТМ8 и дешифратора DD4 КР1533ИД7.
Выходные сигналы дешифратора DD4 усиливаются по току микросхемами мощных инверторов DD6, DD7 КР1533ЛН8. Сигналы В1 -В9 управляют состоянием
малогабаритных герконовых реле DA1 - DA9 РГК 49. Герметичные контакты реле (ГК1 - ГК9) 1 и 2 подключают соответствующий резистор (Rim - Rin10) к входу IIN микросхемы генератора синусоиды DA10 MAX038.
Синусоидальный сигнал
снимается с вывода OUT DA10, поступает на регулятор выходного переменного напряжения R3 - R6 и инвертирующий усилитель на микросхеме операционного усилителя DA11.
Выводы
1. Изучение усилительных каскадов УЛС требует применения более стабильного и качественного генератора синусоиды.
2. На основе современной микросхемы МАХ038 разработан
стабильный генератор синусоидального сигнала УЛС.
Список литературы:
1. Поддубняк В.И. Электроника и микросхемотехника. Методические указания к лабораторным работам. Часть 1. Аналоговая техника. №1807 / В.И. Поддубняк, А.А. Кучеренко, В.Я. Броди. - Донецк: ДонИЖТ, 2004. -46 с.
2. Дьяконов В.П. Генерация и генераторы сигналов. - М.: ДМК Пресс, 2009. - 384 с.
3. MAXIM. High - Frequency Waveform Generator. MAX038 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.maxim-ic.com, свободный.
Аннотации:
В статье, на основе опыта многолетней эксплуатации УЛС при выполнении лабораторных работ, указан его основной недостаток - не стабильная работа генератора синусоидального сигнала. Предложено решение этой проблемы: разработана схема стабильного генератора синусоиды, с регулируемой амплитудой на базе современной микросхемы MAX038.
Ключевые слова: генератор синусоиды, универсальный лабораторный стенд, интегральная микросхема.
The article, on the basis of the experience of many years of operation of the ULS during laboratory work, indicates its main drawback - the unstable operation of the sinusoidal signal generator. A solution to this problem is proposed: a stable sinusoidal oscillator circuit with an adjustable amplitude based on the modern MAX038 microcircuit is developed.
Keywords: sine wave generator, universal laboratory stand, integrated circuit
