Cyfrowy generator sygnału prostokątnego

Cyfrowy generator sygnału prostokątnego
Nieodzownym przyrządem w pracowni każdego elektronika jest generator. Jeśli zajmujemy się techniką cyfrową, to do większości zastosowań wystarczy generator przebiegu prostokątnego. Dobrze, aby miał regulowaną częstotliwość i wypełnienie impulsów.

Napięcie wyjściowe powinno mieć co najmniej poziom TTL – do układów CMOS łatwo dopasować go np. za pomocą dzielnika rezystorowego. Te warunki spełnia projekt generatora opisany w artykule.

Rekomendacje: przyrząd dla elektroników-eksperymentatorów, którzy szukają niedrogiego i użytecznego wyposażenia dla swojej pracowni – generuje przebieg TTL o zadanej częstotliwości i wypełnieniu.

W generatorze można wyodrębnić następujące bloki funkcjonalne:

  • Stabilizator napięcia zasilania.
  • Mikrokontroler ATmega8 z rezonatorem kwarcowym i obwodami polaryzującymi odpowiednie wejścia.
  • 3-yfrowy wyświetlacz 7-segmentowy ze sterownikami anod i rezystorami ograniczającymi prąd segmentów.
  • Potencjometryczne regulatory częstotliwości i wypełnienia.
  • 5-pozycyjny przełącznik wyboru zakresu częstotliwości z diodami LED sygnalizującymi wybrany zakres.
  • Tranzystor wykonawczy z zabezpieczeniami.

Stabilizator napięcia zasilania dostarcza dobrze odfiltrowanego napięcia stałego +5 V do zasilania innych bloków. Aby sygnał wyjściowy nie był zniekształcany (głównie przez wolno narastające zbocza po dołączeniu stosunkowo dużego obciążenia), musi on charakteryzować się możliwie małą impedancją wewnętrzną.

Z tego względu zastosowano kondensatory elektrolityczne o pojemności nieco większej niż ta, którą stosuje się zwyczajowo w układach o podobnym poborze prądu. Kondensatory ceramiczne C7 i C9 zamontowano bardzo blisko wyprowadzeń stabilizatora, by zakłócenia impulsowe, które będą propagowały się po ścieżkach, nie doprowadziły do jego wzbudzenia.

Mikrokontroler typu ATmega8 jest centralnym układem sterującym w generatorze. Odpowiada za obsługę interfejsu użytkownika oraz generowanie sygnału o pożądanej częstotliwości i wypełnieniu, dlatego źródło sygnału zegarowego musi być możliwie stabilne w funkcji czasu i temperatury. Temu zadaniu z powodzeniem może sprostać rezonator kwarcowy Q1 o częstotliwości 16 MHz.

Rezystor R1 oraz kondensator C4 filtrują napięcie zasilające, które jest używane jako napięcie referencyjne dla wbudowanego przetwornika A/C, który z kolei służy do odczytywania położenia osi potencjometrów. Takie rozwiązanie nie zapewnia wprawdzie wysokiej stabilności owego napięcia (stabilizatory typu 78xx nie nadają się do pracy jako źródła napięcia referencyjnego), lecz cenną zaletą wszystkich przetworników A/C jest prezentowanie pomiaru w formie względnej, to znaczy, jaką częścią napięcia odniesienia jest napięcie mierzone. Jeżeli obydwa będą fluktuować dokładnie w ten sam sposób (poza zmianami w chwili wykonywania pomiaru, lecz to ma zbyt mały wpływ w tym układzie), wówczas wystawiana przez przetwornik wartość będzie niezależna od faktycznie panującego w układzie napięcia.

Nieużywane wyprowadzenia mikrokontrolera powinny mieć ustalony potencjał względem masy. Do takich należą piny służące do programowania w trybie ISP. Są one "podciągnięte" do wysokiego poziomu logicznego za pomocą rezystorów RN1.

Kondensator C3 jest odpowiedzialny za podanie logicznego "0" na wyprowadzenie Reset przez chwilę od włączenia napięcia zasilania. Powoduje to, iż wykonywanie programu rozpoczyna się po ustabilizowaniu się napięcia zasilającego.

Nastawiona wartość częstotliwości i wypełnienia jest wyświetlana na 3-cyfrowym wyświetlaczu 7-segmentowym LED. Cyfry mają wspólną anodę, dlatego do ich sterowania użyto tranzystorów bipolarnych typu PNP. Prądy poszczególnych segmentów są ustalane przez rezystory R2…R9. Sterowanie jest multipleksowane i odbywa się w procedurze obsługi przerwania od przepełnienia sprzętowego licznika Timer0.

Zdecydowano się, by częstotliwość i wypełnienie były ustalane za pomocą potencjometrów jednoobrotowych. Są one połączone w układzie dzielnika napięcia, a ich suwaki dołączone są (za pośrednictwem prostego filtru przeciwzakłóceniowego) do wejść przetwornika A/C. Nastawiane wartości są wyświetlane na bieżąco.

Częstotliwość generowanego sygnału prostokątnego podzielono na 5 podzakresów. Do wybrania zakresu służy przełącznik 5-pozycyjny. Wybrany zakres jest sygnalizowany świeceniem się odpowiedniej diody. Ponieważ sam przełącznik nie został umiejscowiony na płytce, jego kształt ani rodzaj nie mają tu znaczenia – można użyć potencjometru obrotowego (jak w układzie testowym) lub suwakowego, czy jakiegokolwiek innego.

Wydajność prądowa pojedynczego wyjścia zastosowanego mikrokontrolera AVR to zaledwie 20 mA. Ponadto, w razie jego uszkodzenia, musi być wymieniony cały układ scalony. Z tych powodów zastosowano tranzystor BC807 (identyczny, jak do wyświetlacza), którego prąd kolektora może sięgać wartości 800 mA, pracujący w układzie wspólnego emitera.

Obciążeniem kolektora jest rezystor R21 oraz dołączony do złącza J1 obwód. Dioda D1 zabezpiecza przed wystąpieniem na tranzystorze napięcia o polaryzacji przeciwnej (np. powstającego przy wyłączaniu cewki przekaźnika), które mogłoby doprowadzić do jego uszkodzenia.

Rezystor R22 służy do ograniczenia prądu wyjściowego do "bezpiecznej" wartości, wynoszącej około 300 mA. Wystarcza to do sterowania bramkami logicznymi, diodami LED czy niewielkimi przekaźnikami. Takie rozwiązanie ma jednak pewną wadę: napięcie logicznej "1" będzie mniejsze od 5 V o napięcie UCEsat tranzystora, które typowo wynosi ok. 0,5…0,7 V.

Więcej czytaj w Elektronice Praktycznej 10/2013

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje lipiec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich lipiec 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów