GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR

MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR Szakdolgozat Függvénygenerátor tervezése Németh Sándor IV. éves villamosmérnök hallgató Miskolc, 2017 1

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés... 1 2. Hullámforma előállítás... 2 3. Monolit félvezető technológia... 2 4. ICL8038 típusú precíziós hullámforma generátor bemutatása... 4 4.1 Indító áramkör... 5 4.2 Áramgenerátorok... 7 4.2.1 Widlar áramtükör... 8 4.2.2 Wilson áramtükör... 10 4.3 Komparátor... 11 4.4 Flip-flop... 13 4.5 Buffer áramkörök... 14 4.6 Háromszög szinusz konverter... 16 5. Áramkör szimuláció... 19 6. Függvénygenerátor tervezése... 30 7. Kapcsolási rajz tervezése... 31 7.1 Négyszög- és háromszögjel előállítása... 32 7.2 Szinuszjel előállítása... 35 7.3 Erősítő fokozat... 37 8. Teljesítményerősítő blokk... 38 9. Áramkör működésének szimulációs vizsgálata... 39 10. Arduino Mega 2560... 44 11. Nyomtatott áramkör tervezése... 45 12. Az Arduinoban futó program főbb funkciói... 46 12.1 Analóg kapcsoló vezérlése... 47 2

12.2 Frekvenciamérés... 48 12.3 LCD vezérlése... 50 13. Az áramkör tápellátása... 52 14. Hűtőborda méretezése stabilizátor IC-hez... 56 15. Összefoglalás... 58 16. Irodalomjegyzék... 59 3

1. Bevezetés A hullámforma előállítás az elektronikai alkalmazások esetében nélkülözhetetlen eljárás. Az információtovábbítás az esetek többségében valamilyen alapsávi modulációs eljárással történik. Az analóg áramkörök frekvenciatartománybeli viselkedését szinuszos vizsgálójellel, tranziens átvitelét négyszög jellel vizsgáljuk. A régi katódsugárcsöves televíziók vízszintes eltérítését fűrészjellel idézzük elő. A digitális áramkörök meghajtó jele négyszögjel. A rádiófrekvenciás áramkörök alapeleme a szinusz jelet előállító oszcillátor. Ezen hullámformák előállításra alkalmas eszközöket hullámforma generátoroknak nevezzük. A hullámforma generátorok az elektronikai laborok nélkülözhetetlen eszközének tekinthető függvénygenerátorok alap építőelemei. A hullámforma előállítása történhet diszkrét áramköri elemekből felépített kapcsolások vagy céláramkörök segítségével. Az integrált áramköri formában megvásárolható céláramkörök számos előnnyel rendelkeznek a diszkrét áramköri elemekből felépített áramkörökkel szemben. Egyrészt az integráltság miatt ezek nagyságrendekkel kisebb helyet foglalnak el a nyomtatot áramköri lapon, másrészt áruk a sorozatgyártásnak köszönhetően sokkal olcsóbb, mint a sok alkatrészből összeállított társaik. Az áramkör árának nagy részét a tokozások ára teszi ki. Dolgozatomban először az ICL 8038 precíziós hullámforma generátor felépítésének és működésének szimulációs vizsgálatát végeztem el. Ezután a megismert (mára elavult konstrukciójú) áramkör alapján egy függvénygenerátor tervezését célzom meg. Bemutatásra kerül az általam tervezett áramkör felépítése, az egyes áramköri blokkok működése önmagukban, és mint a teljes rendszer funkcionális építőelemeként is. A kapcsolások fizikai megvalósításának tervét és lépéseit is bemutatom, képekkel illusztrálom és valós szimulációkkal támasztom alá az eredményeket. Figyelmet fordítok a függvénygenerátor vezérlési feladatait ellátó Arduino kártya bemutatására és a benne futó program rövid ismertetésére is. A függvénygenerátor tápellátását biztosító saját tervezésű áramkör felépítését is bemutatom és működését megmagyarázom. 1

2. Hullámforma előállítás Az olyan áramköröket, amelyek azonos frekvenciájú, de egymástól eltérő alakú jeleket állítanak elő, függvénygenerátoroknak illetve hullámforma generátoroknak nevezzük [1]. Leggyakoribb jelalakok: Négyszög Háromszög Szinusz Az ilyen generátorok elvi felépítése az 1. ábrán látható. 1. ábra Funkció generátorok általános elvi kapcsolása. [1] A függvénygenerátorok először a négyszögjelet állítják elő. Ebből (egy kondenzátor töltésével és kisütésével) áll elő a háromszög jel, majd egy törtvonalas közelítő módszerrel előállítható a szinusz jel. A jelalakok között egy kapcsoló segítségével lehet választani. Ilyen típusú integrált áramkör az ICL8038-as IC. 3. Monolit félvezető technológia A félvezetők szerepe igen fontos az elektronika világában. A félvezető eszközöket (diódákat illetve tranzisztorokat) különböző technológiákkal állítják elő. Ezek közül az egyik a planár technológia. A monolit technológiánál az egész áramkört egyetlen szilíciumlapkán állítják elő planár technológiával. A planár technológia lépéseit a 2. ábra szemlélteti: 2

2. ábra Planár technológia lépései.[2] Első lépésben a n-re szennyezett szilícium (Si) lapkára felvisznek egy oxid-réteget. Ezután fotolakkal vonják be a SiO2 felületét. Egy maszkon keresztül megvilágítják az anyagot, így ahol nem volt maszk, ott a fotolakk az előhívás után eltűnik. Az oxidréteget (ahol lakk nem fedi) lemarják. Utolsó lépésben bejuttatják a szennyező anyagot (itt ez p-típusú szennyezés), általában ionimplantációval, de létezik még diffúziós és epitaxiális rétegnövesztéses technika is. Nagyon gyakran a nagy értékű ellenállásokat is tranzisztorokkal helyettesítik, mivel sokkal kisebb a helyigénye. 3. ábra Monolit integrált áramkör[3] A monolit félvezető technológiával létrehozott alkatrészek sokkal jobb minőségi jellemzőkkel bírnak, mint a diszkrét elemekből felépített áramkörök és sokkal kisebb a helyigényük is, ami fontos tényező például a digitális elektronikában. 3

4. ICL8038 típusú precíziós hullámforma generátor bemutatása Az ICL 8038-as IC egy monolit integrált áramkör bipoláris tranzisztorokkal megvalósítva. Az áramkör blokkvázlata a 4. ábrán látható. 4. ábra A 8038-as funkciógenerátor blokkvázlata [4] Ez az IC tartalmaz két áramgenerátort, egy Widlar és egy Wilson áramtükröt, két komparátort, egy bistabil billenő áramkört (flip-flopot) és egy törtvonalas közelítésű háromszögszinusz konvertert. További áramkörök a start-up (indító) áramkör és a buffer áramkörök. 4

5. ábra Az ICL8038-as IC belső felépítése.[4] Az áramkör részletes felépítése az 5. ábrán látható. Az alapkapcsolást ki lehet egészíteni külső potenciométerekkel illetve kapcsolókkal, amikkel egy komplex függvénygenerátor készíthető. Az áramkör által generált jelek frekvenciája széles skálán változtatható 0,001Hz-től egészen 300kHz-ig. A működési tartománya 0 C - 70 C Az áramkörre a tápfeszültséglábak közé maximálisan +36V (unipoláris táplálás esetén) vagy +-18V (bipoláris táplálás) köthető [4]. A főbb áramköri blokkokról a következő pontokban lesz szó. 4.1 Indító áramkör Azért, hogy a több munkaponttal rendelkező áramkörök megfelelő munkapontba állítását biztosítsuk indító vagy más néven start-up áramköröket szoktunk alkalmazni. Ezek az áramkörök a feladatuk befejeztével rendszerint kisfogyasztású állapotba kapcsolnak át. Az IC indító áramköre a 6. ábrán látható. 5

6. ábra Az ICL8038-as indító áramköre. A start-up áramkör ebben az esetben valójában áramvezérelt feszültséggenerátorként működik, emitter követő kapcsolásban. Az R3 ellenállás a diódák áramát állítja be. A négy dióda hozzávetőlegesen 2.1V feszültséget kényszerít a Q30-as tranzisztor bázisára. A tranzisztor emitterén ennél 0.6V-al kisebb feszültség jelenik meg. Ennél az IC-nél az áramkör nem kapcsol ki mint a szokásos start-up áramkörök, hanem folyamatosan táplálja a flip-flop áramkört. 6

4.2 Áramgenerátorok Az áramgenerátorok szerepe, hogy az adott terhelésen ugyan az az áram folyjon át, a terhelés értékétől függetlenül. Az ICL8038-as IC esetében az áramgenerátorok feladta a kondenzátor konstans árammal való töltése és kisütése. A kondenzátort az RextA ellenálláson átfolyó áram fogja tölteni. Mivel a 7-es,8-as, 4-es és 5-ös pontokon (4. ábra) a feszültségek megegyeznek ezért az RextA-n átfolyó áram erősége (1) R1 Ut R1 R2 U I 0. 22 R R exta t exta (1) ahol Ut a tápfeszültség értéke. A kondenzátor töltöttségét a (2) képlettel számolhatjuk. Q C U (2) Ebből kiindulva a kondenzátor árama az idő függvényében (3) i t C du dt (3) Változók szétválasztásával majd integrálással a (4) egyenlethez jutunk. I C U T (4) U t= I tezt átrendezve és a töltőáramot (1) behelyettesítve megkapjuk, mennyi ideig töltődik a kondenzátor. C 1/ 3 U t1 I C 0.66 t R exta (5) Az 1/3-os szorzó a komparátorok miatt kerül bele. A komparátorok szabályozzák, mennyire töltődhet fel a kondenzátor és mennyire sülhet ki. Ez a két szint 1/3Ut és 2/3Ut, melyek között 1/3Ut a különbség. A kisütő áramot a Wilson áramtükör állítja elő oly módon, hogy az RextB által meghatározott áramot kétszerezi. A Q10 és Q9 közös pontjában a két áram összege jelenik meg. Mivel a Wilson árama éppen a töltőárammal szemben folyik, a kondenzátort éppen a két 7

áram különbsége fogja kisütni. Éppen ezért a kisütés ideje az (1) felhasználásával az (6) szerint számolható. t 2 C 1/3 U I I kisütő t töltő C 1/3 Ut Ut U 2 (0.22 ) 0.22 R R extb t exta C RextA RextB 0.66 2 R R exta extb (6) Ha a két külső ellenállás értéke megegyezik, akkor a kondenzátor szempontjából nézve a töltő és a kisütő áram értéke is megegyezik. Ez 50%-os kitöltési tényezőt eredményez. 4.2.1 Widlar áramtükör A Q7 és Q8 tranzisztorok a R46 ellenállással Widlar áramtükröt alkotnak (7. ábra). Az R46-os ellenállással az áramtükör áttételét változtathatjuk. A lenti kapcsolásban a Q7 kollektorán megjelenő áramerősség (amit a Q8 kollektoráról tükröztünk ) 1-nél kisebb lesz az R46-os ellenállás miatt. 7. ábra Widlar áramtükör Alapesetben az áramtükörnél nincs ellenállás a Q7-es tranzisztor emitterén. Ekkor az áramtükör áttételét a szaturációs áramok aránya (10) határozza meg. Mivel ezek a mennyiségek az integrált kivitelű tranzisztorok esetében elméletileg megegyeznek az áramtükör áttétele egységnyi körüli érték. A Q8 kollektora felé folyó Ibe áramerősség a csomópontnál (a Kirchoff törvény értelmében) kettéválik. A két tranzisztor bázisának közös csomópontjánál ez az áramkomponens ismét kettéválik (7). 8

I be I I I C( Q8) B( Q8) B( Q7) (7) ahol: IB a bázisáram IC(Q8) a Q8 tranzisztor kollektor árama. Mivel az áramtükör kimeneti árama éppen a Q7 kollektor árama (8) I ki I B I C( Q7) B( Q7) (8) ahol: B a bázisáramra vonatkoztatott nagyjelű áramerősítési tényező, továbbá feltételezve az áramerősítési tényezők egyezőségét a két tranzisztornál, az áttétel a (9) képlet szerinti számolható. I I ki be B I B 1 I B( Q7) B( Q8) I B( Q7) 1 1 I 1 B I B( Q8) B( Q7) 1 B (9) Mivel a B 1 a (10) egyenlet szerint az áttétel I I ki be I I B( Q7) B( Q8) I I S ( Q7) S ( Q8) 1 (10) Ha csökkenteni akarjuk az áttétel értékét, akkor a visszacsatolást alkalmazunk. Az R46 visszacsatoló ellenállás hatására az áramáttétel már nem a tranzisztorparaméterektől, hanem a visszacsatoló elemek értékétől fog függni. I I ki be I I B( Q7) B( Q8) I I S ( Q7) S ( Q8) e U U R 46 T (11) ahol UR46 a visszacsatoló ellenálláson mérhető feszültségesés, UT a termikus feszültség értéke. A R46 = 40kΩ-os ellenállással a Widlar áramtükör Ibe= 225uA esetén 2,8uA kimeneti áramot állít elő. 9

4.2.2 Wilson áramtükör Ha nagyobb áramáttételre van szükség nagyobb pontosság mellett, akkor Wilson áramtükröt célszerű alkalmazni. 8. ábra Precíziós(Wilson) áramtükör Alapesetben a Wilson tükör három tranzisztorból Q10,Q11,Q12 állna. Ennél az esetnél a kimeneti áram (Iki) megegyezne a bemeneti árammal (Ibe). Az áramtükör kimeneti ága egymással párhuzamosan kapcsolt ugyanolyan tranzisztorokból áll melyek mindegyikébe áttükröződik a bementi áram. A visszacsatoló ellenállások aránya az áramtükör áttételt határozzák meg, ezért a Q10 kollektorán lévő csomópontban a szuperpozíció tétele értelmében bemeneti áram kétszerese jelenik meg (12). I I ki be R R 4 4 5 R R 6 2 (12) A Q10 tranzisztornak nincs hatása az áramtükör áttételére. A kapcsolásnak egy további érdekessége, hogy a Q10 bázisára a Flip-Flopból érkező vezérlő jel segítségével ez az áramtükör kikapcsolható arra az esetre, amikor a kondenzátor töltési fázisában vagyunk. 10

4.3 Komparátor A komparátor áramkör alapját a Q15-Q22 tranzisztorok valamint a terhelésként funkcionáló R7A és R7B ellenállások alkotják (9. ábra). 9. ábra Komparátor áramkör A komparátor áramkör két részre bontható. Mindkét rész valójában egy visszacsatolás nélküli differenciálerősítő. A visszacsatolás nélküli differenciálerősítő jellemzője, hogy transzfer karakterisztikája csak nagyon kis bemeneti feszültség tartományban tekinthető lineárisnak. Ettől nagyobb szimmetrikus bemenő feszültség esetén, ami alig négyszerese a termikus feszültségnek (4UT = 104mV), az áram túlnyomórészt már csak az egyik ágban folyik [5]. Ebben az állapotban a differenciál erősítő kapcsolóüzemben, komparátorként működik. A referenciafeszültséget az R8-R10 ellenállásokból álló feszültségosztó szolgáltatja. Ezek az ellenállások a tápfeszültséget három részre osztják, mivel mind a 3 ellenállás egyforma értékű (5kΩ). Az áramkör felső része a töltés kikapcsolásáért felelős. Egytelepes, 10V-os táplálást feltételezve, az R8 és R9 ellenállás közös pontján a feszültségszint 6,6V értékű lesz. Ez jut a Q18-as tranzisztor bázisára. A Q18 a Q17 tranzisztorral együtt Darlington párt alkot. A bázis- 11

emitter dióda miatt az a Q18 emitterén (ami a Q17-es tranzisztor bázisa) konstans 6,1V jelenik meg. Még egy szinttel lejjebb a Q17-es tranzisztor emitterén szintén 0,6V-al kevesebb konstans érték mérhető. Mivel szimmetrikus a kapcsolás (a Q17 és Q16 tranzisztorok emitter lábai össze vannak kötve), ezért a Q15 és Q16 tranzisztorok bázisain ugyanezek a feszültségek jelenhetnek meg maximálisan. Az IC-hez kívülről kapcsolandó C1 kondenzátort az áramgenerátor konstans árammal tölti, ezért a kondenzátor feszültsége lineárisan nő egészen addig, amíg el nem éri a Q18 tranzisztor bázisára kényszerített referenciafeszültséget (mivel ez kerül a Q15 bázisára is). Amikor elérte ezt a feszültséget a komparátor átbillen és bekapcsolja a második áramgenerátort, ami ugyancsak konstans árammal elkezdi kisütni a kondenzátort. Ezért ezt kikapcsoló komparátornak is nevezhetjük. Az alsó rész a bekapcsolásért felelős komparátor. Kialakítása az előzőhöz hasonló, viszont itt PNP típusú tranzisztorok vannak. Ezért a Q22 tranzisztor emitterén 0,6V-al magasabb feszültségszint mérhető, mint a bázisán. Amikor a kondenzátor kisülés közben eléri a Q22-es tranzisztor bázisán mérhető feszültségszintet, a komparátor átkapcsol, és a kondenzátor elkezd ismét töltődni. Mivel a kisütés is lineárisan történik és a kitöltési tényező 50%-os, ezért a háromszögjel felfutó és lefutó éle ugyanakkora meredekségű lesz. Az előzőekből következik, hogy a komparátorral szabályozható, milyen feszültségszintre töltődik fel illetve sül ki a kondenzátor. Ezzel előállt a háromszögjel. 12

4.4 Flip-flop Általános esetben háromfajta billenőkört különböztetünk meg: astabil, monostabil, bistabil. Azt, hogy egy billenőkör milyen típusú, a visszacsatolásban használt alkatrész határozza meg. 10. ábra Billenőkör felépítése. A 10. ábrán látható kapcsolásban a billenő kör egy bistabil áramkör (flip-flop), mivel a visszacsatoló elem egyszerű ellenállás. A flip-flopok kimenete csak két értéket vehet fel. A jelet a tranzisztorok (jelen esetben Q26 és Q27) kollektoráról lehet levenni. Amikor az egyik tranzisztor a start-up áramkör által beállított feszültségszintre van húzva, akkor a másik a Q27 szaturációs feszültségének megfelelő, közel 0V értéket vesz fel. Az ICL8038-ban felépített áramkörnél a kikapcsoló jelet (azaz amikor a négyszögjel alacsony szinten van) a kikapcsoló komparátor az R17-es ellenállásra kapcsolja (11. ábra). Amikor a Q28 tranzisztor bázisán elérjük a nyitáshoz szükséges 0.6V-0.7V feszültséget, akkor tranzisztor vezet és a kollektorát alacsony szintre húzza. Ebből adódóan a Q26-os tranzisztor kollektorán magas szint jelenik meg, mivel bázisán alacsony feszültséget mérhetünk, így nem vezet a tranzisztor. Ez a magas jelszint megy majd a négyszögjel kimenetre egy nyitott kollektoros buffer áramkörön keresztül (12. ábra). 13

11. ábra Flip-flop engedélyező jelekkel Amikor a Q26-os tranzisztor bázisa alacsony szinten van, akkor a Q25-ös tranzisztor kollektora magas jelszinten lesz. Ez az engedélyező jele a Wilson áramtükör Q10-es tranzisztorának (8. ábra). Ennek hatására kondenzátor elkezd kisülni. A bekapcsoló komparátor a Q29-es tranzisztor bázisára küld jelet. Ez kikapcsolja a Q27-et és így a Q26 bázisa magas jelszintre kerül. Ennek következtében Q25 letiltja a Wilson áramtükröt és a töltőáram tölteni kezdi a kondenzátort. A flip-flop két kollektor ellenállásának különbsége az R14 ellenállással együtt abban segít, hogy a flip-flop minden egyes bekapcsoláskor ugyanabban az állapotban kezdje működését. 4.5 Buffer áramkörök A buffer áramkör feladata az áramkörben az impedancia illesztés. A buffer lemásolja a bemenetére érkező jelet a kimenetére. Az egyik buffer a flip-flop áramkört illeszti a négyszög kimenetre (12 ábra) a másik a kondenzátorhoz illeszti a háromszög-jel kimenetet és a háromszög-szinusz konvertert (13. ábra). 14

12. ábra Négyszögjel kimenet buffer áramköre A Q24-es tranzisztor emitter követő kapcsolásban kapcsolja a pozitív tápfeszültséget az R11 és R12 osztón keresztül a Q31 tranzisztor bázisára. Mivel ez egy open collectoros kapcsolás, ezért egy külső R51 ellenálláson keresztül kell pozitív tápfeszültségre felhúzni. Az áramkör szimulációkból látszik, hogy míg a háromszög-szinusz konvertáló blokk milliamperekkel dolgozik, addig az áramkör első fele csak mikroampert tud leadni. 15

13. ábra Buffer áramkör A különböző be- és kimeneti impedanciák miatt szükséges alkalmazni ezt az áramkört. 4.6 Háromszög szinusz konverter A szinusz-konverter gerincét az R32-R40 ellenállások képzik (14. ábra). Ez a kilenc ellenállás 8 referencia-feszültségszintet állít elő szimmetrikusan a tápfeszültséglábak közé maximálisan kapcsolható 36V feszültségből. Az IC lehet kéttelepes (+V és V) vagy egytelepes táplálású (+V és GND). A konverter jól láthatóan két egyforma részre bontható, melynek alsó része a szinusz jel negatív, míg a felső része a szinusz jel pozitív részét állítja elő. A konverter bemeneti jele a buffer erősítő kimenetén megjelenő maximum ±3V amplitúdójú, szimmetrikus, háromszög jel. 16

14. ábra Háromszög szinusz konverter felső része. A háromszögjel null átmenete környezetében (ami a szinusz jel null átmenete lesz) a 2-es és 3-as kivezetések azonos potenciálon vannak. Az R19-R24 ellenállások az R44 ellenállással feszültség osztót képeznek. Az osztón nem folyik áram ameddig a PNP tranzisztorok bázisemitter diódái zárva vannak. 17

15. ábra Háromszög szinusz konverter alsó része. Amikor a háromszögjel pozitívabb irányba halad és a Q41-es tranzisztor emitterének potenciálszintje eléri a Q42-es tranzisztor bázisán levő (osztókkal beállított) referencia feszültségszintet, a Q41-es tranzisztor nyit és R21-en elkezd áram folyni. Ezt a 2-es kimenet számára terhelést jelent, így azon a kimeneti jel kevésbé meredeken fog továbbhaladni. A kimeneti jel meredeksége ekkor a (13) képlet alapján számolható. m R R R 44 21 21 0.9 (13) Ezután, mikor a bemeneti jel eléri az R35 és R34 között beállított feszültségszintet, a Q43-as tranzisztor is kinyit, ami azt eredményezi, hogy az R20-as ellenálláson átfolyó áram miatt ez egy újabb terhelést jelent a 2-es kivezetésre nézve. A kimeneti jel így itt kisebb meredekséggel simul rá az elméleti szinusz jelalakra. Ebben a tartományban a kimeneti jel meredeksége m = 0.68 lesz. Ugyan ez igaz a további 2 NPN-PNP tranzisztor párra is. A meredekségek rendre m= 0.37 18

és m=0 lesznek. A negatív félperiódust ugyan ezen az elven felépített áramkör szolgáltatja. Ezzel a módszerrel egy törtvonalas közelítésű szinusz jelalakot állítottunk elő. A törési szintek száma meghatározza a közelítés jóságát. Nagyobb számú törésponttal jobban lehet közelíteni az elméleti szinusz jelalakot. Minden egyes töréspont azonban 10 újabb alkatrész felhasználását tenné szükségessé. Ez azonban növelné az áramkör fogyasztását. 5. Áramkör szimuláció Először munkaponti analízist végeztem az áramkörön, amit részletekben mutatok be. Első az áramkör elején elhelyezkedő feszültségosztó. A két ellenállás 7.8V-ra osztja le a 10V tápfeszültséget. Közel ez a feszültségszint jelenik meg az RextB és RextA ellenállások után is. 16. ábra Kisütő és töltő áramkör feszültségszintjei Az első áramtükör a Widlar típusú áramtükör. 19

17. ábra Widlar típusú áramtükör szimulációja A második áramtükör a Wilson áramtükör. Látható a szimulációból, hogy a Q10- es tranzisztor emitter árama, azaz a tükrözött áram a Q11-es tranzisztoron befolyó áram kétszerese. 18. ábra Wilson féle áramtükör szimulációja 20

szintjét. A komparátorok szerepe, hogy szabályozzák a kondenzátor töltési és kisütési Ezeket a szinteket a szimuláció kiválóan megmutatja. 19. ábra Komparátor áramkör szimulációja szerepet. A komparátorok vezérlik a flip-flopot is, ami a négyszögjel előállításában játszik 21

20. ábra Flip-flop szimulációja A flip-flop tápfeszültségét a start-up áramkör szolgáltatja. 22

21. ábra Start-up szimulációja Eddig előállt a négyszögjel. Ahhoz, hogy a kondenzátor feszültségével háromszögjel kimenetet és a háromszög-szinusz konvertert meg lehessen hajtani egy illesztést (buffer áramkört) kell beiktatni az eltérő áramerősségek miatt. 23

22. ábra Buffer áramkör szimulációja Ezután következik a szinusz konverter. 24

23. ábra Szinusz konverter felső része (pozitív félperiódus) 24. ábra Szinusz konverter alsó része (negatív félperiódus) 25

Ezek után következett a kimenő jelek vizsgálata. Először egy grafikonon mind a három jel. Unipoláris táplálás esetén a négyszögjel csúcstól csúcsig mért feszültségértéke 10V, míg a háromszögjelé 3V (3,5V-6,5V) a szinuszjelé pedig 2,4V (3,8V-6,2V). 25. ábra Kimeneti jelalakok A szinusz jel törtvonalas közelítéssel állt elő. Ehhez meghatározott komparálási szintek tartoznak, ahol a háromszögjel más meredekséggel halad tovább. 26

26. ábra Komparálási szintek 27. ábra Töréspontok 27

A közelítés jóságának szemléltetésére az időtartománybeli vizsgálat sohasem elegendő. A szinusz jel frekvenciája 10kHz. A jel felharmonikus tartalmának meghatározására előállítottuk a kimenő jel Fourier transzformáltját (FFT) (28. ábra). A spektrum megmutatja az alapharmonikus egész számú többszöröseinél megjelenő felharmonikusokat is. 28. ábra Szinuszjel jóságának vizualizációja 200kHz-ig A közelítés jóságának számszerű meghatározásához Teljes harmonikus torzítás (Total Harmonic Distortion THD) mutatót szoktunk számolni. Ennek értéke a 10. felharmonikusig számolva THD = 4.73% (1. Táblázat) 28

1. Táblázat Teljes Harmonikus Torzítás HARMONIC FREQUENCY FOURIER NORMALIZED PHASE NORMALIZED PHASE NO (HZ) COMPONENT COMPONENT (DEG) (DEG) 1. 1.000E+04 1.134E+00 1.000E+00 7.438E+01 0.000E+00 2. 2.000E+04 4.140E-02 3.651E-02-1.501E+02-2.988E+02 3. 3.000E+04 3.172E-02 2.798E-02 5.680E+01-1.663E+02 4. 4.000E+04 3.489E-03 3.077E-03 1.651E+02-1.324E+02 5. 5.000E+04 9.347E-03 8.243E-03 2.401E+01-3.479E+02 6. 6.000E+04 1.054E-03 9.294E-04 1.417E+02-3.045E+02 7. 7.000E+04 6.681E-03 5.892E-03-1.299E+01-5.336E+02 8. 8.000E+04 2.147E-03 1.894E-03 1.314E+02-4.636E+02 9. 9.000E+04 3.017E-03 2.661E-03-4.766E+01-7.171E+02 10. 1.000E+05 1.051E-03 9.265E-04 8.544E+01-6.583E+02 TOTAL HARMONIC DISTORTION = 4.733312E+00 PERCENT Ebben a fejezetben látható képi illusztrációkból, táblázatból illetve rövid átvezető szövegekből megállapítható, hogy a kapcsolás működőképes. Az ICL8038 alapján megismerhető egy hullámforma előállításának módszere, eszközei. Ezekből kiindulva megépíthető egy teljes, működőképes függvénygenerátor. A diszkrét áramköri elemekből történő fizikai megvalósítást azonban a tranzisztorparaméterek szórása erősen lekorlátozza. Költséghatékonysági szempontból (és az egyszerűségre törekvés miatt) érdemes áttervezni a kapcsolás. Ezen tervezés lépéseit mutatom be a következő fejezetekben. 29

6. Függvénygenerátor tervezése Célom egy olyan működőképes függvénygenerátor megtervezése, amely 2MHz-es szinusz, háromszög és négyszög jelalakokkal tud 50 Ω-os terhelést meghajtani. A kimeneti hullámformák kitöltési tényezője is változtatható, a kimeneti jel frekvenciáját méri és kijelzi. A kapcsolási rajzokat az OrCad Capture programmal rajzoltam meg, a szimulációt a PSpice programmal, a nyomtatott áramköri terveket az OrCad PCB Editor programmal készítettem. A függvénygenerátorokat az általuk előállított jelek torzítása alapján is osztályozzák/rangsorolják. A cél az, hogy az előző fejezetben bemutatott ICL8038-as hullámformagenerátor áramkörhöz hasonló THD értékeket produkáljon a berendezés. Lehetőleg a szinuszjel teljes harmonikus torzítása 5% alatt maradjon nagy és alacsony frekvenciáknál egyaránt. Az elképzelésem az, hogy a kimeneti jel alakja mellett a frekvenciájának és a kimeneti feszültségének változtatására is lehetőség legyen. Ezeket potenciométerek segítségével tudja megtenni a felhasználó, a frekvencia-intervallumot pedig 2 nyomógomb segítségével egy Arduinon és analóg kapcsolón keresztül tudja változtatni. Így egy mikrovezérlő kerül a berendezésbe, aminek funkciója az analóg kapcsoló vezérlése, frekvenciamérés és feszültségmérés illetve ezen értékek kiíratása egy LCD kijelzőre. A készülék tápellátása szintén saját tervezésű. Az áramköröknek szükségük van ±18, ±15,+5V egyenfeszültségekre. 30

29. ábra Függvénygenerátor blokkvázlata. Ezek után érdemes átgondolni a kapcsolás működési elvének kiválasztását. Mivel az ICL8038 felépítésében bemutatott áramtükrök a helyes működésükhöz azonos paraméterekkel rendelkező tranzisztorokat igényelnek ez csak úgy valósítható meg, ha egy lapkára készültek el a tranzisztorok. Ajánlott több lehetőséget számításba venni és a legjobbat kiválasztani mind egyszerűség, mind költséghatékonyság szempontjából. Számomra a műveleti erősítőkkel kivitelezhető hullámforma előállítás bizonyult a legmegfelelőbbnek. 7. Kapcsolási rajz tervezése A kapcsolás 4 fő áramköri blokkra osztható fel. Az első blokk előállítja a négyszög-, valamint a háromszögjeleket. A második a háromszögjelből állít elő szinusz jelet, a harmadik áramköri rész pedig a kimenet előtti erősítő végfokozat, ami a jel amplitúdójának változtatásáért felelős. 31

Az áramkör részei: Négyszög jelet és háromszög jelet előállító áramkör Szinuszjel előállító áramkör Erősítő áramkör Teljesítményfokozat Ezeket az áramköröket külön fejezetekben mutatom be. A kapcsolás hozzávetőlegesen 120db alkatrészből áll (kapcsolók, tüskesorok és csatlakozók nélkül). 7.1 Négyszög- és háromszögjel előállítása A négyszögjel és háromszögjel előállításánál ajánlott több lehetőséget is számításba venni és a legjobbat kiválasztani mind egyszerűség, mind költséghatékonyság szempontjából. Céláramkörökkel: Pontos, egyszerű megoldás pl. az ICL8038 IC [2] vagy hasonló funkciókat ellátó áramkörök. Sok esetben nehézkes a beszerzése. 555 időzítővel: Astabil áramköri elemként használva megfelel a négyszögjelek előállítására. Pontos, olcsó megoldás, de a frekvenciaigényeket nem elégíti ki és a háromszögjel előállítását sem oldja meg. Műveleti erősítőkkel: Viszonylag pontos, előző lehetőségekhez képest olcsó megoldás. Nagy frekvenciájú műveleti erősítőkkel a frekvencia és feszültségigényeket is kielégíti. Számomra a műveleti erősítőkkel kivitelezhető megoldás bizonyult a legmegfelelőbbnek. Ezen belül is több megoldást érdemes átgondolni. A VCO (Voltage Controlled Oscillator) más néven feszültség vezérelt oszcillátor jó kiindulási ötletnek ígérkezett. A 30. ábrán látható kapcsolás azonban kb. 10kHz-es nagyságrendig működött megfelelően a megadott áramköri elemeket felhasználva. Az áramkör viselkedését szimulációs programmal ellenőriztem. 32

30. ábra Feszültség vezérelt oszcillátor[1] Az általam választott megoldást egy a VCO-hoz hasonló felépítésű áramkör jelentette. Egy visszacsatolás és egy potenciométer segítségével egy működőképes áramkört terveztem meg, ami változtatható frekvenciájú négyszög- és háromszögjeleket állít elő (31. ábra). 31. ábra Négyszög és háromszög jelet előállító áramkör. A kapcsolás működésének magyarázata a második műveleti erősítőnél kezdődik. Ez egy Schmitt-trigger kapcsolás nem invertáló bemenet felől vezérelve. Az U10B kimenete alap 33

állapotban V+ vagy V- tápfeszültségszintre ül ki. Ez a feszültségszint lesz visszacsatolva a kitöltésitényezőt beállító diódákon, illetve potenciométereken keresztül az U10A IC-vel megvalósított integrátorra. Ez az egyenfeszültségből állít elő háromszögjelet a kondenzátorok töltésével és kisütésével. Amikor az integrátor kimenete eléri a billenő feszültséget a Schmitttrigger átbillen. A frekvenciatartományokat a MAX395 típusú analóg kapcsoló által választható kondenzátorokkal lehet változtatni az integrátor körben. Ez 7 tartomány kiválasztását teszi lehetővé. 32. ábra Analóg kapcsoló a kondenzátorokkal. Az analóg kapcsoló használatával megfelelően működik az áramkör és a kívánt 2MHz frekvencia elérése is megvalósul. A visszacsatoláson keresztül egy potenciométerrel szükség esetén a négyszögjel kitöltési tényezőjét is lehet változtatni. A második áramköri blokk a háromszögjelből állít elő szinusz jelet. A harmadik áramköri rész pedig a kimenet előtti erősítő végfokozat, ami a jel amplitúdójának változtatásáért felelős. A következőkben ezeket mutatom be részletesen. 34

7.2 Szinuszjel előállítása Ez az áramköz a háromszögjelből állít elő szinusz jelet Erre az átalakításra szintén több megoldás létezhet: Tranzisztorokkal: Az ICL8038-hoz hasonló felépítéssel tranzisztorokat alkalmazva tört vonalas közelítéses eljárással hozzuk létre a szinusz jelet. A módszer pontos és egyben jó THD értékeket ad. Diódákkal: A tranzisztorok bázis-emitter átmenetét helyettesíti, hasonlóan a tranzisztoros megoldáshoz a szinusz jelet tört vonalakkal közelíti. Az egyszerűség miatt a választásom a diódás megoldásra esett. A tört vonalak meredekégét illetve a töréspontok optimális helyeit képlet segítségével meg lehet határozni attól függően, mennyi törésponttal szeretnénk közelíteni a szinusz jelet (és csökkenteni a THD-t). 33. ábra Szinuszjelet előállító áramköri blokk. Az elején és a végén szereplő műveleti erősítőknek a szerepe az impedancia illesztés. Ennél a blokknál is érdemes nagy frekvenciával is működő műveleti erősítőt (más néven high 35

speed operational amplifier ) alkalmazni. A diódák típusát is jól kell megválasztani, hogy a nagy frekvenciáknál ne zavarja a működést. BAS70XY típusú alkatrészre került a választás, azonban ehhez el kellett készíteni az alkatrész szimbólumát, mivel nem szerepelt a könyvtárban. A műveleti erősítők ±15V-al működnek, a töréspontok és a törtvonalak meredeksége ehhez a feszültségszinthez lett beállítva. Más feszültség esetén át kell méretezni az ellenállások értékeit és az R4, R11 illetve R18, R25 potenciométert helyettesítő ellenállásokat is. Az áramkör kimenetén rendelkezésre áll a szinuszjel. Az eddigi áramkörökkel megvalósult a 3 jelalak előállítása. Ezt a 3 jelet tovább kell küldeni az erősítő áramkörre. A frekvenciát már lehet állítani, de a feszültséget és az ofszetet még nincs lehetőség módosítani. Ezeket a kimenet előtti végfokozattal lehet megtenni. 36

7.3 Erősítő fokozat Az erősítő fokozat az utolsó áramköri blokk a teljesítményfokozat előtt. A végfokozat előtt egy 3 állapotú kapcsolóval lehet a kívánt jelalakot kiválasztani és a végfokozatra kapcsolni. Ebben az áramkörben van lehetőség beállítani a jel ofszetfeszültségét, valamint amplitúdóját egyaránt a két potenciométer segítségével. Az első műveleti erősítő összegzi a két komponenst, így rákerül az ofszetfeszültség a beérkező jelalakra. A következő két műveletierősítő illeszti az áramkört a teljesítményerősítő blokkhoz és erősíti a jelet. A tápvezetékeken található kondenzátorok puffer kondenzátorok, illetve tápfeszültséget szűrő kondenzátorok (a nagy frekvenciájú jeleket szűri a tápfeszültségről). 34. ábra Erősítő fokozat Az erősítő áramkör feszültségigénye ±18V (természetesen a kimenő jel amplitúdója nem lehet ekkora). Itt szintén nagy sebességű műveleti erősítőket kell alkalmazni, hogy ne zavarjon bele a jel alakjába nagy frekvenciáknál (2MHz). 37

8. Teljesítményerősítő blokk A teljesítményerősítő áramköri rész komplementer tranzisztorokból épül fel. A kapcsolás egy egyszerű ellenütemű teljesítményerősítő, push-pull fokozat bővített változata. 35. ábra Teljesítményerősítő kapcsolás Mikor a beérkező jel pozitív félperiódusban jár, a Q11 tranzisztor zár, ami a Q12 és Q14 tranzisztorok bázisán feszültséget eredményez így ezek a tranzisztorok nyitnak és a kimenetre kerül az erősített jel pozitív félperiódusa. Amikor negatív félperiódusban jár a beérkező jel, akkor a Q13 tranzisztor zár és az előzőekhez hasonlóan a negatív félperiódus kerül a kimenetre felerősítve. A jel egy BNC csatlakozón keresztül vehető le a kimeneten koaxiális (50 Ω hullámimpedanciájú) kábellel. 38

9. Áramkör működésének szimulációs vizsgálata Az egyes áramköri blokkok és a teljes rendszer működésének szimulációs vizsgálatát a PSpice programmal végeztem el. A szimulációs eredmények igazolták az áramkör megfelelő működését. A szimulációs eredményeken látszik, hogy az áramkör képes a kitűzött célnak megfelelően a 2MHz-es tartományban is működni. 100pF-os kondenzátort kiválasztva a négyszögjel, a háromszögjel és a szinuszjel 2MHz-es frekvencián is megtartja az alakját. Az is látható a szimulációkon, hogy az erősítővel a kimenetre küldött jel nagyobb, mint 10Vp-p 1 csúcstól-csúcsig érteket vehet fel. A szimulációkat 2MHz frekvencián végeztem el. Táblázatba foglaltam a szimulációs program segítségével a szinusz jel teljes harmonikus torzítását (THD) a 10. felharmonikusig. A 36. ábrán látható a négyszög-, és háromszögjel alakja az őket előállító áramkör kimenetein. 36. ábra Négyszögjel és háromszögjel az előállító áramkörök után A 37. ábrán a háromszögjel és az abból előállított szinuszjel látható 2MHz frekvencián. A 1 V p-p : az angolszász szakirodalmak a csúcstól csúcsig terjedő feszültségértéket így jelölik. 39

szinuszjel 12V csúcstól-csúcsig értéket mutat erősítés nélkül. 37. ábra Háromszögjel és szinuszjel erősítés nélkül A 38. ábra az előállított négyszögjelet mutatja be erősítéssel (50 Ω-os terhelés mellett) és erősítés nélkül. A kimeneten mért jel amplitúdója az 50 Ω -os terhelő ellenállás miatt lehet kisebb, mint a jelet előállító áramkör után. (Ekkor az ellenálláson átfolyó áram erőssége közel 0,25A). 40

38. ábra Négyszögjel a kimeneten 50Ω-os terhelés mellett és a jelet előállító áramkör után 39. ábra Háromszögjel erősítéssel és erősítés nélkül 41

40. ábra Szinuszjel erősítéssel és erősítés nélkül A 41. ábrából látható, hogy a jel felharmonikus tartalommal rendelkezik, ezért a torzítás meghatározására THD analízist végeztem a PSpice programmal. Ennek az eredménye a 42. ábrán látható táblázatos formában. 42

41. ábra FFT analízis vizualizációja 42. ábra A szinuszjel teljes harmonikus torzítása (Total Harmonic Distortion). Az áramkör kimenetén megjelenő szinusz jel THD-je 4.6% ami a szakirodalmak alapján elfogadható érték. Az áramkörök összes áramfelvétele hozzávetőlegesen 3A. 43

10. Arduino Mega 2560 A frekvencia tartományhoz szükséges kondenzátorok kiválasztására, frekvenciamérésre és az LCD kijelző vezérlésére a legegyszerűbb megoldást egy Arduino kártya használata jelenti. A megfelelő típus kiválasztásánál figyelembe kell venni, a kártya méretét, milyen portokkal rendelkezik illetve a pinek számát. Így esett a választás a Mega 2560-ra. Eltérő chipeknél más lehet a Timer/counter-ek száma, illetve processzorok sebessége is különbözhet egymástól. Az Arduino Mega2560 16MHz-es órajellel dolgozik. Ezt lehetőség van a programban előosztókkal leosztani kisebb frekvenciára. Az Arduino Mega2560 kártya kialakítása a 43. ábrán látható. 43. ábra Arduino Mega2560 méretei, pinjei és portja [6] A Mega 2560 méretének megfelelő méretű shieldet kell készíteni. Ezek a méretek a fenti ábrán láthatóak. 44

11. Nyomtatott áramkör tervezése A nyomtatott áramkört az OrCad PCB Editor nevű programmal terveztem meg. A tervezésénél a cél az volt, hogy egy áramköri lapra legyen elhelyezve a jelalakokat előállító áramkör illetve az erősítő végfok. Ez a lap PiggyBack módszerrel illeszthető az Arduino-ra. Ez azt jelenti, hogy az egyes NYÁK-ok egymás fölött helyezkednek el és tüskesorral csatlakoznak egymáshoz. A tüskesorok biztosítják a fizikai tartást és a villamos kapcsolatot. Sűrű alkatrészelrendezéssel megoldható egy áramköri lapra elkészíteni a shieldet, azonban a vezetékek kialakítása előtt be kell állítani a vezetősávok szélességét. 44. ábra Függvénygenerátor nyomtatott áramköri lapja Mivel a szimulációk során látható volt, hogy a teljesítményerősítő blokk áramfelvétele magas (1-1,5A) ezért szélesebb vezetési sávokat kell alkalmazni (1-1,5mm). Így a NYÁK meghatározott mérete miatt az alkatrészek nem férnek el egy lapon, így a teljesítményerősítő részt ki kellett emelni egy újabb szintre. (45. ábra). A teljesítményerősítő blokk nyomtatott lapja erre a panelre kerül fel szintén PiggyBack kialakítással. 45

45. ábra Teljesítményerősítő blokk 12. Az Arduinoban futó program főbb funkciói A mikrovezérlőt egy a gyártó által készített fejlesztőkörnyezetben van lehetőség programozni. Ez a legegyszerűbb megoldás. A vezérlőprogram 3 részre osztható: analóg kapcsoló vezérlése frekvenciamérés LCD vezérlése A következőkben ezeket a programrészeket fogom bemutatni és elmagyarázni a felépítését és működését. Érdemes a mikrovezérlő belső felépítését (hardware oldal) ismerni a programozás érdekében. 46

12.1 Analóg kapcsoló vezérlése Az analóg kapcsoló egy MAX395 típusú integrált áramkör. 46. ábra MAX395 integrált áramkör [7] Ezt az IC-t SPI (Serial Peripheral Interface) más néven soros - kommunikációval lehet vezérelni. Ez egy 8-bites kommunikációs forma, amelynél az adatbiteket egymás után küldi el a MASTER (ezesetben az Arduino) a SLAVE (analóg kapcsoló) egységnek. A kapcsoló vezérlőtáblája az adatlapján fellelhető. A szükséges csatlakozások: MOSI (Master Out Slave In pin51) MISO (Master In Slave Out pin50) SCK (órajel pin52) SS (Slave Select pin53 (több Slave esetén szükséges)) Az adatokat 8bit-es csomagokban továbbítják egymásnak az egységek. Ebben Start, Stop bitek illetve az adatbitek szerepelnek. 47

47. ábra A MAX395 analóg kapcsoló belső felépítése a vezérlés szempontjából [8] 12.2 Frekvenciamérés Ahhoz, hogy a kimenetre kötött jelek frekvenciáját ki tudjuk íratni az LCD kijelzőre, le kell mérni a jel frekvenciáját, aminek a maximális értéke 2MHz. Erre több módszer is létezhet. Én a megszakításos frekvenciamérési módszert választottam. Ajánlott úgynevezett Timer/Counter-eket használni a program írásakor. Ezek használatának az előnye, hogy egymással párhuzamosan tudnak dolgozni. Az elképzelés az volt, hogy egy 16-bites számlálóval (Counter) a bemenetre érkező impulzusokat számlálom és mentem egy változóban. Egy másik Counter-rel (8-bitessel) 1 másodpercenként megszakításokat iktatok be. Ez úgy érhető el, hogy előosztót alkalmazunk, ami segítségével beállíthatjuk, milyen frekvencián számláljon a Counter. Amikor a 2-es Counter előállítja a megszakítást, akkor lehet kiszámolni a frekvenciát a következő képpen: A timer1 65536 lépést tud megtenni (2*16 10 ), ezután túlcsordul és ezeket a túlcsordulásokat szintén mentem egy változóban. Amikor a 2-es Counter megszakítja a futó programot, akkor (mivel 1 másodperc telt el) összeszorzom a 65536-ot a túlcsordulások számával, majd hozzáadom a 48

számláló jelenlegi értékét. Ennyi impulzus érkezett a bemenetre 1 másodperc alatt, tehát ez lesz a jel frekvenciája. A még pontosabb méréshez változó előosztásokat alkalmazhatunk a Timer-nél. Alkalmazható külső előosztás is egy számláló áramkörökkel. Ezekkel még könnyebben mérhetjük a jel frekvenciáját. Egy 12 bit-es számlálóval akár 2 12 -el (4096) is le lehet osztani a mérendő jel frekvenciáját. 48. ábra CD4040-es 12bites számláló IC [9] Így a 2MHz-es jelből akár 488Hz-es jelet is elő lehet állítani. Optimálisan megválasztva az előosztás mértékét, a mérendő jel frekvenciáját már könnyedén megmérhetjük. A számláló áramkör 8MHz frekvenciájú jel kezelésére képes, e frekvenciaérték fölött már nem képes érzékelni az egyes impulzusokat. A függvénygenerátor 2MHz-es jel előállításáig lett tervezve, így ez az áramkör megfelelő az előosztó funkciók betöltésére. Ezután az értéket már ki lehet íratni az LCD kijelzőre. 49

12.3 LCD vezérlése Az LCD kijelzőt lehetőség van külön vezérlő hardware-el vezérelni, ami kevesebb pin-t használ fel az Arduino pin-jei közül, de lehet közvetlenül az Arduinora kötni a kijelző pinjeit. Én az utóbbi megoldást választottam, így 12 pint kellett felhasználni (4 adat, 1 Reset, 1 engedélyező, illetve Anód-Katód, táp, föld, olvasás/írás és külön a kontraszt pint. 49. ábra LCD kijelző [10] Az LCD kijelző vezérléséhez meg kell hívni az LCD könyvtárat az #include <LiquidCrystal.h> paranccsal. Ezután meg kell adni, mely kivezetéseken keresztül akarjuk vezérelni a kijelzőt: const int rs = 9, en = 8, d4 = 5, d5 = 4, d6 =3, d7 =2; LiquidCrystal lcd (rs, en, d4, d5, d6, d7); A void setup() ciklusban a kijelző sorait és oszlopait kell megadni: lcd.begin(16, 2); Amikor mindez megtörtént, akkor lehet az LCD-re kiíratni az adatokat. Érdemes a mértékegységek prefixumait változtatni, hogy biztosan kiférjen a mért érték, és átláthatóbb, szebb legyen a kiíratás. Ehhez az kell, hogy ha a frekvencia 1000Hz fölötti érték, akkor 1000-el osztva és a prefixumot khz-re átállítva írassa ki az értéket. 1.000.000Hz felett pedig MHz-ben kell kiíratni a mért értékeket. A DEC parancs azért szükséges, hogy az értékeket decimális formában írja ki a program a kijelzőre. Ebben az esetben a következőképpen nézett ki: 50

50. ábra LCD-re író programrész Az eredményeket soros monitoron is lehet követni szükség esetén, de ez további programkódokat igényel. 51

13. Az áramkör tápellátása Az eszköz egyes egységei több, különböző feszültségszinteket igényelnek. Az egyedi feszültség és áramigények miatt saját tervezésű tápegységet kell készíteni. A jelgeneráló (négyszög jelet, háromszög jelet, szinusz jelet előállító) áramköri blokkok ±15V egyenfeszültségszintet igényelnek. Az erősítő végfokozat (a teljesítményerősítő résszel együtt) ±18V feszültségszinttel működik megfelelően. Az Arduino kártya +5V-os tápellátást igényel a megfelelő működéséhez. Ezeket a feszültségszinteket stabilan kell tartani, mivel csak így érhetjük el a megfelelő működést (pl.: az Arduino 5V-nál többet nem visel el; a szinusz jelet előállító áramkör ellenállásait át kell méretezni ±15V-tól eltérő tápfeszültségszintnél). A tápegységet ezeknek az áram és feszültségigényeknek megfelelően kell megtervezni. A feszültségigények már ismertek, de az áramigényeket még meg kell állapítani. Erre az OrCAD Capture nevű programban lehetőség van. Szimulációval könnyedén megállapítható az áramfelvétel. Az összes áramfelvételt összeadva az eszköz áramigénye 3A körülire adódott. Ez alapján kell kiválasztani a megfelelő transzformátort. Így esett a választásom a következőre: 51. ábra Toroid transzformátor[11] A transzformátor kiválasztása után meg kell tervezni a teljes tápáramkört. Minden tápáramkörben szükség van egyenirányító egységre, stabilizátorokra illetve szűrő alkatrészekre. A tápegység felépítését a következő ábra mutatja: 52

52. ábra Tápegység vázlata A tápegység szimmetrikus felépítésű, így megismeréséhez elegendő a pozitív oldalát bemutatni. Az egyenirányítás GRAETZ-híddal van megoldva. Ez a leggyakrabban használt, legjobb megoldás egyenirányításra. A szűrő feladatokat a kondenzátorok végzik. A feszültségstabilizátorokhoz szükséges kondenzátorokat használni, de további kondenzátorok használata is lehetséges a tápfeszültségen levő nagy frekvenciás zajok szűrése érdekében. A stabilizátor IC-k az LM79xx (negatív feszültségregulátor) és LM78xx (pozitív feszültségregulátor) sorozatból lettek kiválogatva. Szükség van 7818 és 7918-ra (az erősítő áramkör stabil ±18V igénye miatt), 7815 és 7915-re (a jelgeneráló áramkörök ±15V feszültségszükséglete miatt), illetve 7805-re (az Arduino miatt). Ezek az IC-k maximum 1A áram átengedésére alkalmasak, ezért szükséges egy kiegészítő kör, ami a nagyobb áramokat engedi át. Erre szolgálnak az ábrán látható tranzisztorok. A transzformátor szekunder oldalán mérhető feszültség effektív értéke (Uszek) 28V. A feszültség csúcsértéke : 28* (2) = 39,5979V. A Graetz-híd diódáin eső feszültség 1,2V, illetve az 1A-nél nagyobb áramok átengedésére szolgáló tranzisztor bázis-emitterén további 0,6V esik. Így az IC-k bemenetére jutó feszültség: Ube = 37,7979V. Mivel az LM7818 feszültségstabilizátor 53

bemeneti feszültségének maximális értéke 35V lehet, szükség van még egy stabilizátor áramkörre, ami leosztja az LM7818-as IC bemenetére jutó feszültséget. A megoldást egy műveleti erősítős áteresztő tranzisztoros stabilizátor áramkör jelenti. Ez az 53. ábrán és 54. ábrán látható: 53. ábra Stabilizátor áramkör a pozitív oldalon 54

54. ábra Stabilizátor áramkör a negatív oldalon A kimenti oldalon mérhető feszültség kiszámítása: Uki = (1+R5/R4)*Uz, (Uz = Zener-diódán eső maximális feszültség) [12]. Ebből látható, hogy ha R4 = R5, akkor Uki = 2*Uz. Ennek magyarázata a következő: Amikor R4 és R5 közötti feszültségérték eléri a D4 diódán eső feszültséget, akkor a műveleti erősítő kimeneti feszültsége 0V-ra vált, így a tranzisztor zár. Ezzel megakadályozza, hogy nagyobb feszültség jusson a kimenetre, mint 2*Uz. Az R6-os ellenállás értékét a dióda paraméterei határozzák meg. Mivel a diódán eső maximális feszültség 15V, az átfolyó áram erőssége 17mA, így az ellenálláson (az egyenirányított) U R =38,397V-15V esik és 17mA folyik át (mivel a műveleti erősítő bemeneti ellenállása közel végtelen nagy). Az Ohm-törvényt felírva az ellenállás értéke: 1376Ω, ehhez a legközelebbi értékű ellenállás, ami forgalomban kapható: 1,5kΩ. Fontos, hogy az áteresztő tranzisztor kollektoráramának maximuma legalább 4A legyen a további blokkok áramigényei miatt. A 30 V-os kimeneti feszültség tovább csökken a tranzisztor bázis-emittere miatt, így a 29,4V már megfelelő a stabilizátor IC-k bemenetének. Mivel így már ismert az stabilizátor IC bemeneti feszültsége, illetve kimeneti feszültsége és a rajta átfolyó 55

áramerősség, a következő lépés a hűtőborda méretezése. 14. Hűtőborda méretezése stabilizátor IC-hez A hűtőborda nagyon fontos szerepet tölt be az integrált áramkörök hőelvezetésében. Ahhoz, hogy az integrált áramkörök, illetve tranzisztorok, erősítők megfelelően működjenek, és ne menjenek tönkre a kelleténél korábban, hűtőbordára kell szerelni őket. A hűtőbordákat méretezni kell. Ez azt jelenti, hogy meg kell tervezni a borda felületének méretét, aszerint, hogy mekkora teljesítménnyel fűti a környezetet az IC és mekkora az a hőmérséklet, amit el tud viselni. Ehhez egy rajz és egy képlet nyújt segítséget: 55. ábra Hűtőborda méretezése [13] A 7818-as IC esetében a termelt hőmennyiség kiszámítása: Udropout = Ube Uki=29,4V-18V = 11,4V P = 1A*11,4V = 11,4 W (átfolyó áram szorozva Drop-out feszültség), A Tmax és RJC értékek az alkatrész adatlapjáról olvashatóak le. 56

Rthha = (Tmax - Ta) / P - RJC= (125 C-45 C) /11,4W - 5 C/W = 2,45 C/W Ettől kisebb hőellenállású hűtőbordát kell beszerezni. Hasonló módon a többi IC-re is kiszámítható: 7815: 23,3 C/W 7805: 3,5 C/W 7918: 2,45 C/W 7915: 23,3 C/W A meghatározott adatoknak megfelelően kell hűtőbordát választani. 57

15. Összefoglalás A dolgozatomban a precíziós hullámforma generátorok felépítését, működését vizsgáltam számításokkal és szimulációkkal, amihez az OrCAD Capture kapcsolási rajz szerkesztő és PSpice áramkör szimulátor programot használtam. A dolgozatom első felében általánosságban tárgyaltam a hullámforma generátorok elvi felépítését, működését és azok alkatrészeinek gyártási technológiáját és ezután rátértem az ICL8038 típusú precíziós hullámforma generátor vizsgálatára. Bemutattam az áramkör felépítését egészben, néhány tulajdonságát majd folytattam az egyes áramköri blokkok részletes ismertetésével. A magyarázatokat képletekkel, számításokkal támasztottam alá. Ezek után az ICL8038 áramkör vizsgálatából származó tapasztalatok és szimulációs eredmények alapján belekezdtem egy függvénygenerátor megtervezésébe. Az előző kapcsolás alapján megterveztem a négyszög és háromszög jelet előállító áramköröket, majd a szinuszjelet előállító áramkört. Ezután egy erősítő áramköri blokk következett, majd utolsó blokként egy teljesítményerősítő áramkört terveztem meg. A berendezés működését szintén szimulációkkal bizonyítottam be. A kapcsolási rajzok vizsgálata után a tervezést a nyomtatott áramkör tervező programban folytattam. Bemutattam az áramköröm alapjául szolgáló Arduino Mega 2560 mikrovezérlőt és az őt vezérlő programot részleteiben. Az utolsó fejezetekben a saját tervezésű tápegység került bemutatásra a hozzá tartozó hűtőborda méretezésével. 58

16. Irodalomjegyzék [1] Függvénygenerátorok, http://staff.kzs.hu/ml/image8.gif [2] Az oxidmaszk eloallitasa, sulinet, http://cms.sulinet.hu/get/d/478f7c52-8e71-48a0-8a03-bb0ff1dc6db7/1/6/b/large/15_5_13 Az_oxidmaszk_eloallitasa.jpg [3] Losonczi Lajos, Analóg áramkörök kurzus, Sapientia Tudományegyetem Marosvásárhely https://moodle.sapidoc.ms.sapientia.ro/pluginfile.php/3024/mod_resource/content/ 1/ Losonczi_Lajos_-_Analog_Aramkorok_2_V1.pdf [4] ICL8038 datasheet, Intersil, https://www.intersil.com/content/dam/intersil/documents/icl8/icl8038.pdf [5] Kovács Ernő, Elektronika I előadás jegyzet. 2013. [6] https://www.wayneandlayne.com/blog/2010/12/19/nice-drawings-of-the-arduinouno-and-mega-2560/ [7] http://circuits.datasheetdir.com/169/max395-pinout.jpg [8] https://www.maximintegrated.com/images/qv/1278.gif [9] http://www.talkingelectronics.com/chipdataebook-1d/html/images/4040.gif [10] http://www.buydisplay.com/media/catalog/product/cache/1/image/ c577d1203d4a53d9f98182eb6081b1d6/2/x/2x16_character_lcd_display_modules _hd44780_controller_black_on_yg.jpg [11] https://www.hestore.hu/prod_10031686.html [12] https://moodle.sapidoc.ms.sapientia.ro/pluginfile.php/3027/mod_resource/content/ 1/Losonczi_Lajos_-_Analog_Aramkorok_7_V3.pdf [13] http://barsony.info/hir.php?id=46 A hivatkozások ellenőrizve 2017. november 27. 59