02-13-2017, 05:47 PM
Ova tema je nastala kao posledica istraživanja na temu konstrukcije generatora funkcija koji će biti moguće napraviti u bilo kojoj pristojnijoj amaterskoj ili profesionalnoj laboratoriji za elektroniku. Pod pristojnijoj podrazumevam posedovanje minimum DT9205 ('kineskog' 3,5 cifara digitalnog multimetra) i osciloskopa sa bandwidth-om od barem 1MHz.
Slična tema na ovom forumu već postoji, s time što je bazirana na konstrukciji sa namenskim kolom, ICL8038, XR2206, MAX038, a zatim je došlo do rasplinjavanja na DDS, pa i na neka prilično iznuđena rešenja, no vratimo se malo unazad.
Ovde će biti reči o konstrukciji tri generatora funkcija. Jednog amaterskog, jednog radioničkog i jednog laboratorijskog instrumenta, sva tri bazirana na lako dostupnoj analognoj elektronici (op-ampovi, tranzistori, fetovi...), prvenstveno sa ciljem formiranja lekcije o ovom tipu instrumenata, kako bi oni koji ne znaju ili žele da se podsete mogli nešto da nauče, a zatim i sa ciljem da omogućim kolegama sa skromnijom finansijskom osnovom nabavku (odnosno izgradnju) instrumenta koji parira Philipsu, Hewlett-Packardu i sličnim firmama.
Pre svega treba se zapitati šta je generator funkcija, za koje potrebe on služi odnosno koje zahteve mora da ispuni i na koji način doći do toga. Svakako najjednostavniji način je DDS, o čemu je mikikg već pisao i nadam se da će se istraživanje na tu temu nastaviti u budućnosti obzirom da je analogna elektronika nešto što polako izumire.
Generator funkcija je niskoimpedansni izvor vremenski promenljivog napona po nekakvoj arbitrarnoj matematičkoj funkciji. Najčešći zahtev je da to budu trougao, sinus i četvrtka, s tim što se uz ova tri osnovna talasna oblika najčešće dodaje testera i ECG signal (talasni oblik koji emituje srce), a kod modernih generatora uz sve ove funkcije imate i mogućnost programiranja arbitrarne funkcije koja može izgledati kao Miki-Maus, ako ste dovoljno dokoni da potrošite nedelju dana na programiranje generatora.
Prema potrebama korisnika instrumenta, možemo razlikovati tri nivoa, amaterski, radionički i laboratorijski instrument.
Za amaterski generator funkcije se uzima nešto poput HP3311, odnosno instrumenta koji generiše 50% (vremenski), trougao, sinus i četvrtku, u opsegu frekvencija koji ne prelazi 500kHz uz mogućnost naponske kontrole frekvencije, i vrlo jednostavan izlazni atenuator, najčešće u smislu jednog potenciometra i jednog preklopnika kojim se signal može smanjiti 10x (-20dB). Poželjno je da instrument ima i TTL sinhro izlaz. U zavisnosti koliko su inženjeri konstruktori oskudevali sa znanjem ili pak sa odobrenim finansijama nastajala su rešenja različitog stepena nekvaliteta od Iskrinih MA3730, MA3733, koji ne zaslužuju da nose ime generaora funkcije, pa do recimo pomenutog HP3311 koji je u principu dobar instrument, ali ograničenih mogućnosti jer je nastao kao pokušaj HPa da osvoji šire tržište jeftinim instrumentima ili Tektronix FG501 koji je u principu preskup amaterski uređaj.
Radionički generator funkcija mora da ima pored navedenih mogućnosti i kontrolu Duty-Cycle naravno bez variranja periode oscilacija između minimalnog i maksimalnog D.C., baždaren stepenasti atenuator na izlazu, zatim TTL izlaz za sinhronizaciju, i osim mogućnosti kontrole učestanosti naponom i sopstveni sweep generator sa mogućnošću generisanja linearnog ili logaritamskog sweepa. Neki od primera ovakvog instrumenta su Philips PM5127, PM5131 i PM5132.
Laboratorijski instrument mora da ima pre svega širi opseg frekvencija, od 5mHz do minimum 5MHz, i uz sve navedeno mogućnost rada u burst modu sa kontrolom faze i odbrojem impulsa, zatim PLL za fiksiranje frekvencije, onda mogućnost amplitudne modulacije, hold-run funkcije itd itd. Lista ovde ne može biti sasvim dovršena obzirom da je svaka kompanija imala svoje viđenje laboratorijskog instrumenta već prema interesima sopstvenih aplikacionih inženjera. Neki od primera zaista sjajnih instrumenata sa kojima sam se sretao su HP3310, zatim HP3312, Tektronix FG504 (s punim pravom tvrdim da je najbolji analogni generator ikad konstruisan) i Philips PM5133, i PM5134. (Poslednji pomenut je u vlasništvu našeg dragog kolege Goshe, i prezadovoljan je radom instrumenta.)
Svakako i druge firme poput Waveteka, Systron-Donnera, Metexa su sa različitim uspehom pravile širok spektar instrumenata koji su se kretali od dobrih preko solidnih do očajno loših. Rohde & Schwarz nisam pominjao jer su oni ekvivalent starleti. Plaćaš prosečno Stefan-Braun-petak-veče dupe ali mnogo mnogo MNOGO veće pare. U principu dobar instrument koji košta kao stan u centru Beograda ili što bi naš model Amerikanca, Ron Kress (da se zahvalim Sleepwalkeru na podsećanju na oovg gospodina), rekao 'An arm an' a leg...'
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Konačno, elektronika. Analogni generator funkcije počiva na dva signala koji se odnose kao funkcija i njen prvi izvod po vremenu (trougao bi bio funkcija, a četvrtka njen izvod po vremenu). Trougao ili trougaona funkcija se dobija punjenjem i pražnjenjem kondenzatora konstantnom strujom do neke zadate naponske granice. Dakle ako je
i=dq/dt a C=dq/dU, onda će važiti i da je integral od 0 do t dt jednak C/i puta integral od 0 do U dU, gde je i struja punjenja kondenzatora, q količina naelektrisanja, t vreme, C kapacitet a U napon. Sve ovo za one koji su videli ženu a da to nije kroz prozor ETF-a u Beogradu, obzirom da je struja konstantna kao i naponska granica do koje se kondenzator puni/prazni, može se pisati jednačina t=C*U / I, iz koje se vidi da je vreme punjenja kondenzatora do napona U obrnuto proporcionalno jačini struje punjenja.
Prvi deo analognog generatora funkcija je dakle nekakav naponski kontrolisan strujni izvor i strujni ponor koji se mogu preklapati na kapacitet u cilju generisanja linearne promene napona.
Za niske frekvencije ili kapaciteti postaju preveliki (čitaj preskupi) ili struje postaju previše male da bi se mogle pouzdano učiniti konstantnim, te se najčešće u generatorima funkcije za niskofrekventne opsege koristi mesto kondenzatora veštački kapacitet izveden kao neka vrsta množača preciznog kapaciteta male vrednosti. Ovaj deo kolege najčešće nazivaju ŽIRATOR, što je blago rečeno POGREŠNO. No da ne ulazimo dalje u teoriju kola i analizu teorijskog elementa gospodina Bernarda Tellegena...
Drugi deo generatora funkcija je bafer, odnosno jedinični pojačavač napona na kondenzatoru, obzirom da linearnost trougla zavisi od opterećenja kondenzatora. Stoga se korise baferi sa j-fet ulazom, koji imaju strahovito visoku impedansu, najčeće u opsegu od 10E12 do 10E15 oma. Ovaj pojačavač iako jedinični mora da ima i prilično veliku strminu (slew rate), kako bi linearnost trougla bila zadržana i na visokim učestanostima.
Treći deo je Schmittovo okidno kolo, ili komparator sa histerezom ili kako je HP voleo da se pravi pametan 'level detector' (detektor nivoa). Ovaj sklop prati napon na izlazu iz bafera i ima invertujuću funkciju. Kada napon stigne do gornje zadate granice, ovo kolo isključuje strujni izvor koji puni kondenzator i uključuje struni ponor koji ga prazni. Kada napon na kondenzatoru (odnosno izlazu iz baefra), padne na donju zadatu granicu, kolo radi obrnuto i sistem osciluje. Preklapanje strujnog izvora za punjenje i strujnog ponora za pražnjenje su Amerikanci (HP, tektornix) radili pomoću grecovog spoja, dok se Philips držao tranzistorskog preklapanja. Napon na izlazu histerezisnog komparatora je četvrtka koja odgovara prvom izvodu trougla po vremenu. Dakle dok napon na kondenzatoru raste četvrtka će biti u pozitivnoj poluperiodi, a kada ovaj napon opada biće u negativnoj poluperiodi.
Zahtevi za histerezisni komparator su da stabilno prati zadate naponske pragove (odnosno ima stabilan histerezis) i da ima što je moguće veću strminu kako bi preklapanje kondenzatora bilo vršeno u skladu sa Rademacherovom funkcijom (četvrtkom), a talasni oblik četvrtke bio veran i na visokim učestanostima.
Četvrti deo generatora je sintezator sinusa, koji uzima trougao i zatim ga izobličuje ili propuštanjem kroz diodnu matricu (ponekad tranzistorsku), ili kroz nekakav nelinearni element, obično diodu, ili tranzistor odnosno diferencijalni par. Sinusni signal koji se dobija ovim putem ima izobličenja koja su posledica neidealnosti komponenata, kao i ograničenog broja stepenica u diodnim ili tranzistorskim matricama. THD za sinusoidu se u generatorima funkcije kreće oko 0,1-1%. Ako hoćete savršen sinus, sa recimo izobličenjem na šestoj decimali onda se on dobija RC ili LC oscilatorima sa jakom negativnom povratnom vezom u svrhu stabilizacije amplitude itd itd. Ako bude potrebe o tome ćemo u drugoj temi.
Peti i poslednji deo generatora je izlazni stepen koji je pojačavač sa mogućnošću DC offseta. Pred njega se postavlja uslov da mora da ima dovoljnu snagu da ostvari zadat napon na zadatom opterećenju, zatim mora imati strahovito veliku strminu kako bi verno reprodukovao četvrtku, mora imati malo izobličenje kako bi verno reprodukovao sinus i trougao i konačno mora imati veoma mali drift offset napona, i veliku ulaznu impedansu.
Ovo je u principu najsloženiji deo uređaja, i on varira od diskretne konstrukcije operacionog pojačavača kod recimo HP3311, do vrlo složenih hibridnih pojačavača kod HP3312, FG504, PM5134 koji koriste diskretni slew rate pojačavač upravljan bipolarnim operacionim pojačavačem sa malim ofsetom i malim driftom. Ovde se koristi nešto poput OP07 za DC kondicioniranje izlaza pojačavača dok se velika strmina dobija diskretnim VAS-om (Voltage Amplifier Stage) i takođe diskretnim izlaznim emiter folowerom.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Prvi generator koji ću u ovoj temi posetepeno obrađivati od teorijske osnove do završenog projekta nastao je pre više od godinu dana kao poklon jednom mom prijatelju radioamateru, kako iz želje da mu pomognem, tako i i z gađenja koje osećam prema preskupim, multifunkcionalnim kolima poput ICL8083, XR2206, MAX038 i sličnim.
U pitanju je mašina skromnih sposobnosti što podrazumeva generisanje trougla, četvrtke i sinusa, bez mogućnosti podešavanja duty-cycle (dakle DC je fiksiran na 50%) u frekventnom opsegu od 5, 50, 500Hz odnosno 5, 50 i 500kHz. Unutar svakog opsega frekvencija se može menjati linearno naponom od 0-10V u opsegu 1:100 (dakle recimo od 0,5-50Hz). Generisani izlazni napon je 10Vpp, i DC offset mu se može menjati od -10 do +10V. Ne postoji stepenasti atenuator već samo 'gain' potenciometar za linearnu regulaciju izlazne amplitude i preklopnik kojim se može izabrati dodatna atenuacija od -20dB (bez dejstva na offset napon). Izlazna impedansa generatora je 50ohm.
Što se tiče kolega koje će se upustiti u izgradnju ovog, prvog u nizu, uređaja, ukoliko budu imali želje da se na generator dodaju recimo izlazni atenuator, stabilizacija offseta ili nešto treće, dinamički ćemo sarađivati i prilagoditi originalnu šemu njihovim potrebama.
U toku večeri ću postaviti prve šeme, pa ćemo, ako bude zainteresovanih nastaviti sa temom.
Slična tema na ovom forumu već postoji, s time što je bazirana na konstrukciji sa namenskim kolom, ICL8038, XR2206, MAX038, a zatim je došlo do rasplinjavanja na DDS, pa i na neka prilično iznuđena rešenja, no vratimo se malo unazad.
Ovde će biti reči o konstrukciji tri generatora funkcija. Jednog amaterskog, jednog radioničkog i jednog laboratorijskog instrumenta, sva tri bazirana na lako dostupnoj analognoj elektronici (op-ampovi, tranzistori, fetovi...), prvenstveno sa ciljem formiranja lekcije o ovom tipu instrumenata, kako bi oni koji ne znaju ili žele da se podsete mogli nešto da nauče, a zatim i sa ciljem da omogućim kolegama sa skromnijom finansijskom osnovom nabavku (odnosno izgradnju) instrumenta koji parira Philipsu, Hewlett-Packardu i sličnim firmama.
Pre svega treba se zapitati šta je generator funkcija, za koje potrebe on služi odnosno koje zahteve mora da ispuni i na koji način doći do toga. Svakako najjednostavniji način je DDS, o čemu je mikikg već pisao i nadam se da će se istraživanje na tu temu nastaviti u budućnosti obzirom da je analogna elektronika nešto što polako izumire.
Generator funkcija je niskoimpedansni izvor vremenski promenljivog napona po nekakvoj arbitrarnoj matematičkoj funkciji. Najčešći zahtev je da to budu trougao, sinus i četvrtka, s tim što se uz ova tri osnovna talasna oblika najčešće dodaje testera i ECG signal (talasni oblik koji emituje srce), a kod modernih generatora uz sve ove funkcije imate i mogućnost programiranja arbitrarne funkcije koja može izgledati kao Miki-Maus, ako ste dovoljno dokoni da potrošite nedelju dana na programiranje generatora.
Prema potrebama korisnika instrumenta, možemo razlikovati tri nivoa, amaterski, radionički i laboratorijski instrument.
Za amaterski generator funkcije se uzima nešto poput HP3311, odnosno instrumenta koji generiše 50% (vremenski), trougao, sinus i četvrtku, u opsegu frekvencija koji ne prelazi 500kHz uz mogućnost naponske kontrole frekvencije, i vrlo jednostavan izlazni atenuator, najčešće u smislu jednog potenciometra i jednog preklopnika kojim se signal može smanjiti 10x (-20dB). Poželjno je da instrument ima i TTL sinhro izlaz. U zavisnosti koliko su inženjeri konstruktori oskudevali sa znanjem ili pak sa odobrenim finansijama nastajala su rešenja različitog stepena nekvaliteta od Iskrinih MA3730, MA3733, koji ne zaslužuju da nose ime generaora funkcije, pa do recimo pomenutog HP3311 koji je u principu dobar instrument, ali ograničenih mogućnosti jer je nastao kao pokušaj HPa da osvoji šire tržište jeftinim instrumentima ili Tektronix FG501 koji je u principu preskup amaterski uređaj.
Radionički generator funkcija mora da ima pored navedenih mogućnosti i kontrolu Duty-Cycle naravno bez variranja periode oscilacija između minimalnog i maksimalnog D.C., baždaren stepenasti atenuator na izlazu, zatim TTL izlaz za sinhronizaciju, i osim mogućnosti kontrole učestanosti naponom i sopstveni sweep generator sa mogućnošću generisanja linearnog ili logaritamskog sweepa. Neki od primera ovakvog instrumenta su Philips PM5127, PM5131 i PM5132.
Laboratorijski instrument mora da ima pre svega širi opseg frekvencija, od 5mHz do minimum 5MHz, i uz sve navedeno mogućnost rada u burst modu sa kontrolom faze i odbrojem impulsa, zatim PLL za fiksiranje frekvencije, onda mogućnost amplitudne modulacije, hold-run funkcije itd itd. Lista ovde ne može biti sasvim dovršena obzirom da je svaka kompanija imala svoje viđenje laboratorijskog instrumenta već prema interesima sopstvenih aplikacionih inženjera. Neki od primera zaista sjajnih instrumenata sa kojima sam se sretao su HP3310, zatim HP3312, Tektronix FG504 (s punim pravom tvrdim da je najbolji analogni generator ikad konstruisan) i Philips PM5133, i PM5134. (Poslednji pomenut je u vlasništvu našeg dragog kolege Goshe, i prezadovoljan je radom instrumenta.)
Svakako i druge firme poput Waveteka, Systron-Donnera, Metexa su sa različitim uspehom pravile širok spektar instrumenata koji su se kretali od dobrih preko solidnih do očajno loših. Rohde & Schwarz nisam pominjao jer su oni ekvivalent starleti. Plaćaš prosečno Stefan-Braun-petak-veče dupe ali mnogo mnogo MNOGO veće pare. U principu dobar instrument koji košta kao stan u centru Beograda ili što bi naš model Amerikanca, Ron Kress (da se zahvalim Sleepwalkeru na podsećanju na oovg gospodina), rekao 'An arm an' a leg...'
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Konačno, elektronika. Analogni generator funkcije počiva na dva signala koji se odnose kao funkcija i njen prvi izvod po vremenu (trougao bi bio funkcija, a četvrtka njen izvod po vremenu). Trougao ili trougaona funkcija se dobija punjenjem i pražnjenjem kondenzatora konstantnom strujom do neke zadate naponske granice. Dakle ako je
i=dq/dt a C=dq/dU, onda će važiti i da je integral od 0 do t dt jednak C/i puta integral od 0 do U dU, gde je i struja punjenja kondenzatora, q količina naelektrisanja, t vreme, C kapacitet a U napon. Sve ovo za one koji su videli ženu a da to nije kroz prozor ETF-a u Beogradu, obzirom da je struja konstantna kao i naponska granica do koje se kondenzator puni/prazni, može se pisati jednačina t=C*U / I, iz koje se vidi da je vreme punjenja kondenzatora do napona U obrnuto proporcionalno jačini struje punjenja.
Prvi deo analognog generatora funkcija je dakle nekakav naponski kontrolisan strujni izvor i strujni ponor koji se mogu preklapati na kapacitet u cilju generisanja linearne promene napona.
Za niske frekvencije ili kapaciteti postaju preveliki (čitaj preskupi) ili struje postaju previše male da bi se mogle pouzdano učiniti konstantnim, te se najčešće u generatorima funkcije za niskofrekventne opsege koristi mesto kondenzatora veštački kapacitet izveden kao neka vrsta množača preciznog kapaciteta male vrednosti. Ovaj deo kolege najčešće nazivaju ŽIRATOR, što je blago rečeno POGREŠNO. No da ne ulazimo dalje u teoriju kola i analizu teorijskog elementa gospodina Bernarda Tellegena...
Drugi deo generatora funkcija je bafer, odnosno jedinični pojačavač napona na kondenzatoru, obzirom da linearnost trougla zavisi od opterećenja kondenzatora. Stoga se korise baferi sa j-fet ulazom, koji imaju strahovito visoku impedansu, najčeće u opsegu od 10E12 do 10E15 oma. Ovaj pojačavač iako jedinični mora da ima i prilično veliku strminu (slew rate), kako bi linearnost trougla bila zadržana i na visokim učestanostima.
Treći deo je Schmittovo okidno kolo, ili komparator sa histerezom ili kako je HP voleo da se pravi pametan 'level detector' (detektor nivoa). Ovaj sklop prati napon na izlazu iz bafera i ima invertujuću funkciju. Kada napon stigne do gornje zadate granice, ovo kolo isključuje strujni izvor koji puni kondenzator i uključuje struni ponor koji ga prazni. Kada napon na kondenzatoru (odnosno izlazu iz baefra), padne na donju zadatu granicu, kolo radi obrnuto i sistem osciluje. Preklapanje strujnog izvora za punjenje i strujnog ponora za pražnjenje su Amerikanci (HP, tektornix) radili pomoću grecovog spoja, dok se Philips držao tranzistorskog preklapanja. Napon na izlazu histerezisnog komparatora je četvrtka koja odgovara prvom izvodu trougla po vremenu. Dakle dok napon na kondenzatoru raste četvrtka će biti u pozitivnoj poluperiodi, a kada ovaj napon opada biće u negativnoj poluperiodi.
Zahtevi za histerezisni komparator su da stabilno prati zadate naponske pragove (odnosno ima stabilan histerezis) i da ima što je moguće veću strminu kako bi preklapanje kondenzatora bilo vršeno u skladu sa Rademacherovom funkcijom (četvrtkom), a talasni oblik četvrtke bio veran i na visokim učestanostima.
Četvrti deo generatora je sintezator sinusa, koji uzima trougao i zatim ga izobličuje ili propuštanjem kroz diodnu matricu (ponekad tranzistorsku), ili kroz nekakav nelinearni element, obično diodu, ili tranzistor odnosno diferencijalni par. Sinusni signal koji se dobija ovim putem ima izobličenja koja su posledica neidealnosti komponenata, kao i ograničenog broja stepenica u diodnim ili tranzistorskim matricama. THD za sinusoidu se u generatorima funkcije kreće oko 0,1-1%. Ako hoćete savršen sinus, sa recimo izobličenjem na šestoj decimali onda se on dobija RC ili LC oscilatorima sa jakom negativnom povratnom vezom u svrhu stabilizacije amplitude itd itd. Ako bude potrebe o tome ćemo u drugoj temi.
Peti i poslednji deo generatora je izlazni stepen koji je pojačavač sa mogućnošću DC offseta. Pred njega se postavlja uslov da mora da ima dovoljnu snagu da ostvari zadat napon na zadatom opterećenju, zatim mora imati strahovito veliku strminu kako bi verno reprodukovao četvrtku, mora imati malo izobličenje kako bi verno reprodukovao sinus i trougao i konačno mora imati veoma mali drift offset napona, i veliku ulaznu impedansu.
Ovo je u principu najsloženiji deo uređaja, i on varira od diskretne konstrukcije operacionog pojačavača kod recimo HP3311, do vrlo složenih hibridnih pojačavača kod HP3312, FG504, PM5134 koji koriste diskretni slew rate pojačavač upravljan bipolarnim operacionim pojačavačem sa malim ofsetom i malim driftom. Ovde se koristi nešto poput OP07 za DC kondicioniranje izlaza pojačavača dok se velika strmina dobija diskretnim VAS-om (Voltage Amplifier Stage) i takođe diskretnim izlaznim emiter folowerom.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Prvi generator koji ću u ovoj temi posetepeno obrađivati od teorijske osnove do završenog projekta nastao je pre više od godinu dana kao poklon jednom mom prijatelju radioamateru, kako iz želje da mu pomognem, tako i i z gađenja koje osećam prema preskupim, multifunkcionalnim kolima poput ICL8083, XR2206, MAX038 i sličnim.
U pitanju je mašina skromnih sposobnosti što podrazumeva generisanje trougla, četvrtke i sinusa, bez mogućnosti podešavanja duty-cycle (dakle DC je fiksiran na 50%) u frekventnom opsegu od 5, 50, 500Hz odnosno 5, 50 i 500kHz. Unutar svakog opsega frekvencija se može menjati linearno naponom od 0-10V u opsegu 1:100 (dakle recimo od 0,5-50Hz). Generisani izlazni napon je 10Vpp, i DC offset mu se može menjati od -10 do +10V. Ne postoji stepenasti atenuator već samo 'gain' potenciometar za linearnu regulaciju izlazne amplitude i preklopnik kojim se može izabrati dodatna atenuacija od -20dB (bez dejstva na offset napon). Izlazna impedansa generatora je 50ohm.
Što se tiče kolega koje će se upustiti u izgradnju ovog, prvog u nizu, uređaja, ukoliko budu imali želje da se na generator dodaju recimo izlazni atenuator, stabilizacija offseta ili nešto treće, dinamički ćemo sarađivati i prilagoditi originalnu šemu njihovim potrebama.
U toku večeri ću postaviti prve šeme, pa ćemo, ako bude zainteresovanih nastaviti sa temom.
(a posle cemo kupiti drugu 
