Генератор сигналов из набора: плюсы и минусы
Генератор сигналов был в лаборатории нашего института — это такой большой ящик с десятком ручек регулировки. Он был ламповый и грелся минуты три до выхода на нормальный режим работы. Может ли маленькая платка за 7 долларов выполнять основные его функции? Посмотрим.
Технические характеристики генератора из описания магазина:
Питание: 9-12 вольт
Форма сигналов: прямоугольная, треугольная, синус
Импеданс: 600 Ом ± 10%
Частота: 1 Гц — 1 Мгц
Настройка частоты и амплитуды
Разрешение сигнала: 5 бит
Возможность грубой и тонкой настройки.
Синус:
Амплитуда: 0-3 вольта при питании 9 вольт
Дисторшн: менее 1% при частоте 1 КГц.
Равномерность: +0.05dB в диапазоне 1Гц — 100КГц.
Прямоугольный сигнал:
Амплитуда без нагрузки: 8 Вольт при питании 9 Вольт.
Возрастание сигнала — менее 50нс (на частоте 1КГц)
Спад синала — менее 30нс (на частоте 1КГц)
Симметричность: менее 5% (на частоте 1КГц)
Треугольный сигнал:
Амплитуда: 0 — 3 вольта при питании 9 вольт.
Линейность: менее 1% в диапазоне до 100 КГц при токе 10 мА.
Там же красным по белому написано, что эта версия поставки не включает в комплект корпус. Но мне прислали с корпусом. Приятная неожиданность.
Итак, генератор сигнала поставляется в разобранном виде. Но собирается настолько быстро и приятно, что это пожалуй даже плюс.
В комплекте присутствует плата, набор комплектующих, микросхема XR-2206 (основа всего проекта), инструкция, детали корпуса из оргстекла и необходимые для сборки винтики и гаечки.
Инструкция достаточно подробная, ошибиться в сборке по ней невозможно. Кроме схемы размещения деталей, там указан из список с упоминанием полярности там, где это надо, общие рекомендации по сборке и принципиальная схема обвязки микросхемы. Все на английском.
Деталей мало, установка очевидна, справится даже чайник. Белая полоска на электролитиках должна совпадать с заштрихованной стороной круга, нарисованного на плате. Резисторы лучше проверять мультиметром, прежде чем устанавливать. Пожалуй, и вся премудрость.
Микросхема генератора.
Детели установлены на свои места, можно приступать к пайке.
Но прежде чем паять, я заглянул в датшит и полистал в интернете. Там советуют заменить резистор R4, отвечающий за подстройку синуса, на реостат. Это даст возможности минимизировать ненужные гармоники и приблизить сигнал к идеальной синусоиде. Так что я решил сразу впаять реостат в 500 Ом.
Вот так получилось. Паяется все легко, только перед впаиванием разъема питания нужно примерить боковину корпуса, чтобы потом все нормально собралось. Снизу платы желательно длинные «хвосты» не оставлять, так как плата должна быть прижата к дну корпуса, иначе не хватит длины болтов, фиксирующих плату.
В конце собираем корпус. Детали хорошо подогнаны друг к другу. Винты вкручиваются в фигурные отверстия в форме звездочек. Они легко и с первого раза нарезают там резьбу, сидят потом плотно, не выпадают и не выкручиваются.
Длины штатных винтов, крепящих плату, мне не хватило, так что я подобрал свои, даже с дистанционными шайбочками.
Вот итог всех трудов:
Подсоединяем осциллограф, включаем...
Все работает. Попробуем повысить напряжение питания. По датшиту микросхемы, она питается напряжением от 10 до 26 вольт.
Синхронизация сбивается, при обследованиии синусодиы видно, что начинет сбиваться фаза.
В режиме прямоугольного сигнала та же история:
При снижении напряжения питания ниже 12 вольт сигнал восстанавливается, но амплитуда выходного сигнала ограничивается входным минус 2 — 3 вольта:
Ну нам и не обещали работу от 26 вольт. В описании генератора заявлена работа как раз от 12 вольт. Так что все по-честному.
Посмотрим на диапазон частот:
Минимально получилось порядка 0,6 Гц.
Не подумайте, что это такой затейливый сигнал, это просто осциллограф дуреет и считает, что мы имеем дело с постоянным напряжением. При переключении в режим постоянного напряжение получаем такую картину:
Вот так вот! Полка 1 вольт, размах сигнала от 1 до 9,8 вольт. Амплитуда, таким образом, 8,8 вольта. Такая же история и с другими сигналами — синусом и треугольником. Для некоторых применений это не критично, а вот для тестирования аппаратуры, где нет входного фильтра, полка ни к чему. Такой сигнал надо пропускать через конденсатор, чтобы лишить его постоянной составляющей.
Устанавливаем конденсатор 2,2мкФ:
Ну вот. Теперь красивая синусоида вокруг нуля и в режиме измерения постоянки!
Крупнее, в режиме переменного напряжения:
И тот же сигнал, в режиме постоянного напряжения, с фильтрующим конденсатором 2,2мкФ:
С треугольником что-то не задалось, форма получилась такая:
При замене конденсатора на 3,3 мкФ все пришло более-менее в норму:
Но, прямо скажем, 0,6 Гц — не самый актуальный режим работы. Вот как выглядит треугольник на частоте в 1 КГц. Без конденсатора, в режиме AC:
С конденсатором, в режиме DC:
Как видим, все совершенно одинаково.
Теперь выкручиваем ручки частоты на максимум:
Синус красивый, частота получилась даже больше заявленной: 1,339 МГц.
Пробуем треугольник:
Ну а что вы хотели — на таких-то частотах! От синуса отличается чуть большей амплитудой. На самом деле, такая разница в амплитудных значениях характерна для всего диапазона частот: в микросхеме синус делается из треугольника, у которого сглаживаются вершины.
Меандр:
Прямоугольный сигнал идет с другого выхода микросхемы. Он не регулируется по амплитуде, хотя она у него зависит от входного напряжения. На самом деле, это еще большой вопрос, выдает ли генератор кривой сигнал, или это осциллограф не может его отобразить. Или вообще щупы виноваты.
Амплитуда синуса и треугольника, как я уже говорил, может тоже регулироваться в известных пределах: если перестараться, то треугольник может получиться таким:
Соответственно, заваливаются и вершины синуса, но это не так заметно. Поэтому в режиме синуса полезно иногда переключаться на треугольник и проверять, хорошо ли отображаются вершины. Уменьшаем амплитуду:
И еще немного:
Ну вот, теперь и синус будет красивый:
Для того, чтобы понять, насколько хорош этот синус, есть проверенный способ: глянуть на преобразование Фурье от него. Вот что получилось:
У нас есть хороший пик на частоте 100 КГц, есть пики второй и третьей гармоники, но они вполне допустимых размеров, для такой техники. Установленным подстроечником можно их минимизировать. Удобно использовать прецизионный реостат, там от упора до упора много оборотов винта, так что удобно настроить буквально доли ома. Эта картинка — как раз результат моей подстройки. У меня получилось оптимальное значение резистора R4 — 243 Ома. К слову, в набор положили резистор 330 Ом.
Для сравнения, вот спектр треугольного сигнала:
Видим красивые пики на боковых гармониках, ну так это же треугольник, а не синусоида. Для комплекта, вот прямоугольный сигнал:
Тут и так все понятно. Как видим, прямоугольник на 100 КГц остается более-менее прямоугольным. Проверим, что делается на 1 МГц:
Синус синусоиден.
Треугольник синусоиден.
Меандр похож на клюв тукана.
Картинки у меня кончились, теперь пару слов общих впечатлений.
Регулировка амплитуды грубовата в области низких значений, кроме того, ее почему-то сделали обратной: по часовой стрелке — уменьшаем, против часовой — увеличиваем. Регулировка частоты, что грубая, что тонкая — почти одинаково влияют на результат. Тонкую я сделал бы реостатиком меньшего номинала. Но это придирки, конечно, можно привыкнуть за пару раз использования.
Резистор, который влияет на дисторшн синуса, можно было бы сделать подстроечником, как и предусмотрено в датшите микросхемы. Но если уж делать резистор, то 330 Ом — явно перебор, там нужно 200-250 Ом.
В остальном прибор порадовал: собирается легко, можно даже с ребенком собрать, как конструктор. Довольно хорошо генерирует сигналы до полумегагерца, дальше хорошо получается в основном синус. Но меандр таких частот обычно и не нужен. Вообще, прибор за 7 долларов, который помещается в карман и способный перекрыть 98% потребностей радиолюбителя в генерировании сигналов — вполне хороший выбор.
Порадовал и корпус — собирается хорошо, выглядит превосходно!
Подстроечный реостатик на Али — набор 15 штук разных номиналов, на все случаи жизни. Цена около ста рублей. Пятьсот Ом там тоже есть.