Generator - wobulator

Wstęp
Generator przestrajany napięciem lub w skrócie VCO ( z ang. Voltage Controlled Oscillator) jest to generator, którego  częstotliwość można zmieniać w pewnym zakresie, stosownie do wartości napięcia doprowadzonego do jego wejścia sterującego. Przedstawione jest to na poniższym schematycznym rysunku (przebieg sinusoidalny).

Mają one zastosowanie w urządzeniach takich, jak :

• Generatory laboratoryjne (funkcyjne) ;

• Modulatory częstotliwości - FM ;

• Układy pętli fazowej - PLL ;

• Przetworniki U/f (przetwarzanie napięcia na częstotliwość).

 Generator przestrajany napięciem połączony z układem, który liniowo go przestraja (generatorem napięcia piłokształtnego) nazywamy wobulatorem. W ten sposób częstotliwość zmienia się samoczynnie okresowo w pewnym zakresie. Amplituda przebiegu wyjściowego jest stała w całym zakresie zmian częstotliwości.

Głównym zadaniem generatorów laboratoryjnych  z możliwością wobulacji jest zbadanie charakterystyki częstotliwościowej. Idea tego rodzaju pomiaru przedstawiona jestna rysunku2

Na ekranie oscyloskopu oglądamy charakterystykę amplitudowo - częstotliwościową. Przykładowe szkice przebiegów uzyskanych na oscyloskopie przedstawia rysunek 3.

Są to tylko wybrane charakterystyki. Wygląd może być bardziej złożony w zależności od badanego układu.

Na rynku dostępnych jest kilkadziesiąt scalonych układów generatorów przestrajanych napięciem.

W poniższej tabeli znajdują się wybrane scalone generatory VCO.

Opis układu scalonego XR2206
Opis wyprowadzeń układu (shemat blokowy wewnątrz)

Końcówka [1] umożliwia sterowanie wielkością amplitudy przebiegu wyjściowego za pomocą napięcia stałego. Nóżka [2] jest wyjściem układu generatora. Występuje na niej tylko jeden z przebiegów generowanych: trójkątny albo sinusoidalny. Bez rezystora podłączonego do końcówek [13] i [14] układ generuje przebieg trójkątny. Dołączenie rezystora obciąża w pewien sposób generator i powoduje spłaszczanie wierzchołków trójkąta. Czym mniejsza jest ta rezystancja, tym większe spłaszczenie. Dla pewnej wartości przebieg wyjściowy zbliżony jest do sinusoidy. W praktyce stosuje się potencjometr montażowy 470Ohm. Wartość rezystora dołączonego do końcówki [3] decyduje o wielkości amplitudy wyjściowej na nóżce [2]. Wykorzystuje się tą możliwość do regulacji składowej stałej przebiegu. Do końcówek [5] i [6] dołącza się kondensator określający zakres generowanych częstotliwości. Wartość prądu płynącego między wejściem sterującym - nóżką [7] lub [8] - a masą decyduje o szybkości ładowania/rozładowania kondensatora, czyli o częstotliwości wyjściowej. Wyboru wejścia sterującego dokonuje się przez podanie odpowiedniego stanu logicznego na nóżkę [9] (w standardzie TTL, tzn.: pozostawienie nóżki [9] "w powietrzu" traktowane jest jako stan wysoki i czynne jest wejście sterujące [7]). Do nóżki [10] dołącza się zawsze kondensator odsprzegający zasilanie wewnętrznych bloków układu scalonego. Wyprowadzenie [11] jest wyjściem przebiegu prostokątnego typu otwarty kolektor. Końcówki [15] i [16] są wykorzystywane do uzyskania symetrii przebiegu wyjściowego; dołącza się do nich potencjometr montażowy 22kOhm.

Głównym blokiem układu jest generator VCO, a ściślej CCO (Current Controlled Oscillator) czyli generator sterowany prądem. Do sterowania częstotliwością generatora służą wyżej wymienione wejścia sterujące ([7] i [8]). Są one punktami o małej impedancji i występuje na nich napięcie około +3V. Najprostszym sposobem regulacji prądu jednej z wybranych końcówek jest zastosowanie zmiennego rezystora włączonego pomiędzy nóżkę [7] (lub [8]) a ujemne napięcie zasilające. Częstotliwość wyjściowa wyniesie wtedy:

Jeżeli zastosujemy źródło prądowe, wtedy zależność ta będzie wyglądać następującą:

gdzie [I] w mA, [C] w uF i [f] w Hz. Zalecany zakres prądów wynosi 1mA ... 3mA. W każdym przypadku największy prąd nie powinien przekroczyć 6mA z uwagi na niebezpieczeństwo uszkodzenia układu.

Opis modułu generatora
Schemat elektryczny pokazany jest na rysunku 5. Układ zasilany jest napięciem symetrycznym &plusmn12V (od &plusmn5V do &plusmn12). Wyprowadzenie z nóżki [1] służy do regulacji amplitudy. Może ono również służyć jako wejście modulacji amplitudowej AM. Wyjściem układu jest końcówka [2] zabezpieczona buforem US2:B wykonanym na wzmacniaczu operacyjnym NE 5532 (wzmocnienie równe jedności). Minimalna wartość rezystancji obciążenia przy tym wzmacniaczu wynosi 50Ohm. Jak już wcześniej wspomniałem nóżkę [3] wykorzystuje się do regulacji składowej stałej przebiegu wyjściowego. US2:A pełni rolę bufora. Rezystor R12 może być potencjometrem 47kOhm włączonym między nóżkę [3] i masę służącym do regulacji amplitudy. Nie wykorzystuje się wtedy US1:A a nóżkę [1] należy zewrzeć do minusa zasilania. Kondensatory dołączone do końcówek [5] i [6] ustalają zakres generowanych częstotliwości 47uF - 20Hz; 1uF - 1kHz; 100nF - 2kHz; 470nF - 4kHz; 47nF - 20kHz; 4,7nF - 200kHz. Muszą być one unipolarne (nie wymagające odpowiedniej biegunowości jak kondensatory elektrolityczne czy tantalowe). Na wyjściu z nóżki [11] występuje przebieg prostokątny. Może on być użyty np.: do pomiaru częstotliwości.


Potencjometry montażowe dołączone do końcówek [13] i [14] oraz [15] i [16] służą do kalibracji układu. Dotyczy to głównie przebiegu sinusoidalnego a dokładniej korekcji zniekształceń nieliniowych (harmonicznych). Regulację należy przeprowadzić dla częstotliwości rzędu pojedynczych kiloherców. Jednak należy mieć świadomość, że zniekształcenia zmieniają się z częstotliwością. Dla 200kHz mogą osiągnąć ponad 2%. Przy częstotliwości maksymalnej sinusoida jest już bardzo odkształcona.

Źródło prądowe
W większości praktycznych zastosowań najkorzystniejsza byłaby tzw. logarytmiczna charakterystyka przestrajania (w rzeczywistości chodzi o uzyskanie wykładniczych zmian częstotliwości przy liniowej zmianie napięcia sterującego). Ogromna większość charakterystyk częstotliwościowych przedstawiana jest w ten sposób, że oś pozioma - częstotliwości jest w skali logarytmicznej, a na osi pionowej znajduje się amplituda albo wzmocnienie.

Moduł źródła prądowego zapewnia przejście z liniowych zmian napięcia sterującego 0...5V na odpowiadające wykładnicze zmiany prądu 1mA ... 2mA. Realizuje to prosty układ pary różnicowej T1, T2. Tranzystory T3, T4 tworzą zwierciadło prądowe, odwracające kierunek prądu. Rezystor R7 w razie awarii ograniczy prąd sterujący do bezpiecznej wartości.

Schemat elektryczny znajduje się na rysunku 6.

W praktyce dla uzyskania w całym zakresie regulacji rzeczywiście wykładniczej charakterystyki zmian prądu kolektora T2, należy tak ustawić suwak PR1, aby po podaniu maksymalnego napięcia sterującego na punkt A prąd kolektora T2 był równy połowie prądu płynącego przez R4.

Moduł generatora przebiegu piłokształtnego
Układ generatora zrealizowany jest w technice analogowo - cyfrowej. Gwarantuje to spełnienie wymaganych właściwości, a mianowicie:

• dostarczanie przebiegu liniowo narastającego, w którym przy stałej częstotliwości można zmieniać amplitudę i poziom napięcia stałego (inaczej mówiąc, napięcie minimalne i maksymalne przebiegu);

• zapewnienie możliwości "zatrzymania" generatora w punkcie maksymalnym i minimalnym napięcia - umożliwi to dogodne ustawienie zakresu przestrajania wobulatora - dodatkowo uzyskamy możliwość zaprogramowania dwóch częstotliwości;

• korzystna byłaby także możliwość zmiany okresu "piły".

Głównym elementem jest tu scalony przetwornik cyfrowo-analogowy DAC0832. Ogólna idea działania przetwornika przedstawiona jest na rysunku 7. Jest to typowa dla tego typu układów drabinka rezystorowa R-2R.

Tu układ wykorzystujemy nietypowo. Wyjściem układu jest nóżka [8] - Uref, natomiast na końcówki [11] i [12] - Iout1, Iout2 podajemy napięcia odniesienia, ustalane za pomocą potencjometrów.

 Spójrzmy na schemat elektryczny generatora pokazany na rysunku 8. Dzięki temu na nóżce Uref możemy w 256 krokach (przetwornik 8-bitowy) ustawić cyfrowo napięcie w zakresie od U1 do U2. Napięcia te ustawiamy w zakresie od 0...5V i są one podawane na wejścia przetwornika poprzez bufory na wzmacniaczu operacyjnym TL084.


Do sterowania  przetwornikiem wykorzystany jest licznik CMOS 4040 (posiada on osiem kolejnych wyjść w przeciwieństwie do 4060). Nie posiada on natomiast oscylatora, dlatego konieczne jest zastosowanie generatora CMOS 4047. Wyznacza on tym samym okres "piły". Trzypozycyjny przełącznik S1 umożliwia uzyskanie na wyjściu zarówno przebiegu liniowo zmiennego (środkowe, neutralne położenie), jak też nastawionego napięcia minimalnego i maksymalnego. Przy podaniu stanu wysokiego na nóżkę [11] licznik U4 zostaje wyzerowany. Pojawienie się na wejściach przetwornika U1 samych zer spowoduje pojawienie się na wyjściu Uref napięcia z punktu Iout2. Analogicznie w drugiej skrajnej pozycji przełącznika S1 napięcie zasilające (czyli jedynka logiczna) zostanie podane przez diody D1 - D8 na wszystkie wejścia przetwornika - na wyjściu (Uref) pojawi się napięcie z punktu Iout1.

Zasilanie układu
Zasilacz oparty jest na klasycznych stabilizatorach napięcia stałego 7812, 7912 oraz 78L05 (o zmniejszonym poborze mocy). Transformator dostarcza napięcia: 2 × 14V. Po dwupołówkowym wyprostowaniu i wstępnym przefiltrowaniu na kondensatorach 100mF napięcie to podawane jest na stabilizatory. Układy generatorów zasilane są napięciem symetrycznym &plusmn12V, natomiast źródło prądowe i potencjometry na płycie czołowej napięciem +5V.
Stabilizator napięcia +5V (78L05) znajduje się na płytce generatora przestrajanego napięciem.

Montaż przyrządu
Moduły łączymy w sposób pokazany na rysunku 10.


Działanie poszczególnych układów zostało omówione wyżej.

Do wyjścia możemy podłączyć jeszcze tłumik rezystorowy, uzyskując w ten sposób zmniejszenie amplitudy sygnału wyjściowego ( ×0,1 lub  ×0,01 - w położeniu środkowym, neutralnym tłumik jest wyłączony). Potrzebne jest to przy badaniu czułych układów np.: wzmacniaczy o dużym wzmocnieniu.

Wyjście generatora przebiegu piłokształtnego zostało również wyprowadzone na płycie czołowej dając możliwość odchylania toru X w oscyloskopie.

Cały układ został umieszczony w metalowej obudowie aby zminimalizować zarówno zakłócenia mogące wpłynąć na pracę generatora (dotyczy to szczególnie niskich częstotliwości kiedy prąd sterujący ma niewielką wartość) a także by sam przyrząd nie był źródłem zakłóceń w innych urządzeniach. Zasilacz został umieszczony w tej samej obudowie, jednak w pewnej odległości od płytek układów wobulatora i nie ma on większego wpływu na generowane przebiegi.

Parametry i uwagi
 

Maksymalna amplituda sygnału wyjściowego - Vpp                           dla przebiegu sinusoidalnego:	4,5 V
dla przebiegu trójkątnego:	7 V
Maksymalna częstotliwość:	203 kHz (zakres 200 kHz)
Minimalna częstotliwość:	7 Hz (zakres 20 Hz)
Czas przestrajania (okres "piły") - "Szybkość dewiacji"                          środkowe, neutralne położenie przełącznika	4,4 s
dolne położenie przełącznika	0,4 s
górne położenie przełącznika	42 ms
Napięcie wyjściowe generatora "piły":	0 ... 5 V
Amplituda przebiegu prostokątnego:	12V (stała)

Ciekawą właściwością wobulatora jest możliwość przestrajania od częstotliwości większej do mniejszej (malejący przebieg liniowy na wyjściu generatora "piły"). Przy badaniu charakterystyki częstotliwościowej może to jednak wprowadzić w błąd.

Wadą przedstawionego tu układu wobulatora jest widoczne szpilki na "szczytach" generowanych przebiegów sinusoidalnym i trójkątnym. Wynikają one z wewnętrznej struktury i sposobu wytwarzania tych przebiegów, gdyż przebieg trójkątny "składany" jest z dwóch krzywych ładowania i rozładowywania kondensatora. Aby były one liniowe kondensator ładowany jest stałą wartością prądu. Schematycznie jest to przedstawione na rysunku 11.


Wadę tę posiada większość układów scalonych generatorów przestrajanych napięciem, wytwarzających przebiegi trójkątny i sinusoidalny. "Sinusoida" wytwarzana jest za pomocą ograniczników lub obciążając przebieg trójkątny, dlatego również posiada tę cechę.

Rysunek 12 przedstawia zależność częstotliwości wyjściowej wobulatora od napięcia sterującego VCO. Napięcie to steruje źródłem prądowym, które z kolei steruje układem XR 2206.

Po przedstawieniu na osi X częstotliwości wyjściowej, a na osi Y napięcia sterującego można zauważyć, że zależność ta jest funkcją logarytmiczną. Taką krzywą otrzymujemy dzięki wcześniej już opisanemu źródle prądowemu. Jak już wcześniej wspomniałem cecha ta jest bardzo korzystna przy badaniu charakterystyki częstotliwościowej danego układu.
Pomiary wykonane były miernikami cyfrowymi przy równoczesnej kontroli na oscyloskopie.

6

---