Come realizzare un generatore di funzioni

Un generatore di funzioni è un dispositivo elettronico che può produrre una varietà di forme d’onda diverse. Esso è indispensabile per le apparecchiature di laboratorio di elettronica, ma sfortunatamente un dispositivo così costoso non è alla portata di un appassionato di elettronica medio. Quello che costruiremo con il progetto proposto può produrre forme d’onda quadrate, triangolari o sinusoidali. Come i generatori di funzioni standard, il circuito consente la regolazione della frequenza; ciò lo otteniamo attraverso un potenziometro. Il circuito può anche consentire facilmente la regolazione dell’ampiezza.

Un generatore di funzioni, usato per testare la risposta dei circuiti ai segnali di ingresso ordinari, produce vari schemi di tensione a frequenze e ampiezze diverse. La maggior parte di tali generatori consente di scegliere la forma dell’uscita tra diverse opzioni: onda quadra, in cui il segnale passa immediatamente dall’alta alla bassa tensione; onda sinusoidale, in cui il segnale curva da alta a bassa tensione come una sinusoide; e onda triangolare, in cui il segnale passa da alta a bassa tensione a una velocità fissa.

I generatori di funzioni avanzate – noti come generatori di forme d’onda arbitrarie – usano tecniche di sintesi digitale diretta per generare qualsiasi forma d’onda che può essere descritta da una tabella di ampiezze. Alcuni generatori di forme d’onda arbitrarie possono anche funzionare come un normale generatore di funzioni e spesso includono forme d’onda come quadrata, sinusoidale, rampa, triangolo, rumore e impulso, nonché forme d’onda come il tempo di salita e discesa esponenziale, etc.

Un generatore di funzioni arbitrarie in vendita sul web. Ne trovi vari ad es. qui.

Un generatore di funzioni fai-da-te ultra-semplice

Il primo circuito che illustriamo permette di costruire un circuito generatore di funzioni usando un unico chip amplificatore operazionale LM324. L’LM324 è un amplificatore operazionale quad, il che significa che è composto da 4 amplificatori operazionali indipendenti. In questo circuito, il primo amplificatore operazionale produce un’onda quadra. Successivamente, il circuito utilizza 2 circuiti integratori per convertire l’onda quadra in segnali, rispettivamente, triangolari e sinusoidali.

Il materiale occorrente per realizzare il circuito è il seguente:

  • Amplificatore operazionale LM324
  • 2 resistori da 10KΩ
  • 4 resistenze da 100 KΩ
  • Resistenza 22KΩ
  • Resistenza 220KΩ
  • Condensatore ceramico 1μF
  • Condensatore ceramico 33nF
  • Condensatore ceramico 10nF
  • Potenziometro 100KΩ

L’LM324 è un chip a 14 pin. La scheda tecnica per il chip LM324 è disponibile online. Per sapere come costruire questo circuito, è necessario conoscere la piedinatura di un LM324, al fine di collegare correttamente i pin. In figura è riportata la piedinatura del chip dell’amplificatore operazionale LM324 utilizzato. La comprensione della piedinatura è relativamente semplice.

Il chip LM324 e la relativa piedinatura. Lo puoi acquistare qui.

L’LM324 ha 2 pin di alimentazione, pin 4 e 11. Il pin 4 è l’alimentatore a tensione positiva, VCC. A questo pin, colleghiamo la tensione positiva. Ciò stabilisce la guida di tensione CC positiva per il circuito. Il pin 11, etichettato GND, è l’alimentatore a tensione negativa. A questo pin, colleghiamo la tensione negativa. Ciò stabilisce la guida di tensione CC negativa per il circuito.

Attraverso questi 2 pin, stabiliamo che le rotaie CC positive e negative dal segnale CA possono oscillare. L’LM324 può contenere fino a un massimo di 30 V sul pin 4, VCC. Tutti gli altri 12 pin dell’LM324 sono gli ingressi o le uscite di ciascuno degli amplificatori operazionali. Ci sono 4 amplificatori operazionali all’interno del chip. Ogni amplificatore operazionale ha 2 ingressi e 1 uscita.

Sulla piedinatura, gli amplificatori operazionali sono etichettati 1, 2, 3 o 4. I 2 ingressi per ciascun amplificatore operazionale sono etichettati IN- o IN +. Il pin IN si riferisce al terminale di inversione dell’amplificatore operazionale. Il pin IN + si riferisce al terminale non invertente dell’amplificatore operazionale. Il terminale OUT si riferisce all’uscita dell’op ap.

Schema del circuito del generatore di funzioni realizzato con l’LM324.

Come spiegato sopra, l’LM324 è alimentato dalla tensione CC attraverso i pin 4 e 11. Alimentiamo ovunque da 5 a 15 V nel pin 4, VCC e alimentiamo ovunque da -5 V a -15 V al pin 11, GND. Ciò stabilisce una potenza sufficiente per il circuito in modo che possa funzionare. Quindi abbiamo il nostro primo amplificatore operazionale. Questo amplificatore operazionale produce una forma d’onda quadrata. Il potenziometro da 100 KΩ ci consente di variare la frequenza al circuito e del segnale di uscita.

Quindi dopo il primo amplificatore operazionale, abbiamo una forma d’onda quadrata. Quello che segue è un circuito integratore. Quando si alimenta con una forma d’onda quadrata un circuito integratore, l’uscita è una forma d’onda triangolare. Quindi, dopo il secondo amplificatore operazionale, ora abbiamo una forma d’onda triangolare, come nostra seconda forma d’onda.

Quindi alimentiamo questa forma d’onda triangolare in un altro circuito integratore. Quando si alimenta con una forma d’onda triangolare un circuito integratore, l’uscita è una forma d’onda sinusoidale. Quindi dopo il terzo amplificatore operazionale, abbiamo una forma d’onda sinusoidale. Questa è la nostra terza forma d’onda. Dunque, questo circuito è piuttosto semplice.

Il circuito realizzato su una breadboard.

Il generatore di funzioni è piuttosto solido per tutti gli scopi di base, come l’uso domestico. I segnali prodotti possono essere di altissima qualità. Il potenziometro da 100 KΩ consente una gamma abbastanza ampia di frequenze in modo che il circuito offra una buona regolazione della frequenza, come farebbe un generatore di funzioni standard. Il circuito può anche consentire facilmente la regolazione dell’ampiezza.

Se si usa un alimentatore CC per alimentare questo circuito, per modificare l’ampiezza del segnale è sufficiente regolare la tensione sull’alimentatore CC. Se alimenti il circuito attraverso le batterie, dovrai aggiungere il numero di batterie necessarie per ottenere la massima tensione desiderata e poi aggiungere un potenziometro di piccolo valore, come 200Ω-500Ω, per consentire la regolazione di tensione.

Un kit commerciale di generatore di funzioni

Il kit cinese più popolare (ed economico: pochi euro) sul mercato è quello basato sul chip del generatore di funzioni XR2206, e lo puoi trovare qui. Sulla base dell’esperienza, il kit generatore di funzioni XR2206 da 1Hz-1MHz è facile da realizzare, consente una varietà di misurazioni ed esperimenti di routine e offre forme d’onda sinusoidali, quadrate e triangolari di qualità ragionevole con stabilità e precisione moderate. Attualmente, è più che adeguato per un piccolo laboratorio di hobby per l’elettronica di casa!

Il kit cinese illustrato nel testo una volta montato. Lo puoi trovare qui.

In linea di principio, il chip XR-2206 stesso è un circuito integrato monolitico con generatore di funzioni in grado di produrre forme d’onda sinusoidali, quadrate, triangolari, di rampa e di impulsi di alta qualità, di elevata stabilità e precisione. Inoltre, le forme d’onda di uscita possono essere modulate da una tensione esterna sia in ampiezza che in frequenza. La frequenza di funzionamento può essere selezionata esternamente in un intervallo compreso tra 0,01 Hz e oltre 1 MHz.

Quando acquisti il kit fai-da-te, il montaggio richiede un po’ di lavoro di saldatura e nel kit avrai tutto il necessario per completare il progetto. Il pacchetto include anche un involucro acrilico trasparente abbastanza buono, l’hardware di montaggio e un foglietto illustrativo che sono sicuro che la maggior parte dei costruttori dilettanti sarà in grado di seguire. Fortunatamente, ci sono leggende sul PCB a doppia faccia che ti dice chiaramente dove montare e saldare ogni componente.

Inoltre, c’è anche una presa di buona qualità per il chip XR2206, tappi fantasia per i ponticelli e manopole per i potenziometri. Come al solito, occorre saldare tutti i componenti a basso profilo uno per uno all’inizio del lavoro e infine saldare il supporto del circuito integrato. Ricordati di prestare molta attenzione alla polarità dei condensatori elettrolitici e all’orientamento dell’IC XR2206. Taglia le gambe di tutti i componenti il più corto possibile per evitare cortocircuiti accidentali.

Il circuito montato del kit visto dall’alto.

La costruzione sarà un gioco da ragazzi se sai cosa stai facendo! Quando la costruzione è completata e si è pronti a mettere in opera il generatore di funzioni, assicuratevi che la polarità dell’alimentazione sia corretta. Quindi alimentate con 9-12 V CC (9 V tipici) attraverso il jack di ingresso CC. Ecco ad es. come generare un’onda sinusoidale (e un’onda quadra) da 1 MHz:

  • Cortocircuita i due piedini inferiori (Tri / Sin) del ponticello del selettore della forma d’onda
  • Cortocircuita i due pin superiori corti (65K-1M) del ponticello di selezione della frequenza
  • Ruota la manopola del potenziometro di regolazione fine per regolare la frequenza del segnale
  • Ruota la manopola del potenziometro di sintonia grossolana per sintonizzare la frequenza del segnale
  • Ruota la manopola del potenziometro di ampiezza per regolare l’ampiezza del segnale di uscita.

Inoltre, si noti che l’uscita dell’onda quadra non passa attraverso il controllo dell’ampiezza. Solo l’ampiezza delle onde sinusoidali / triangolari può essere regolata dalla manopola (ed è anche influenzata dalla tensione di alimentazione in ingresso). Fate riferimento alla tabella delle specifiche mostrata di seguito per ottenere una chiara percezione delle prestazioni del generatore di funzioni XR2206.

Tabella delle specifiche del generatore di funzioni in kit.

È possibile utilizzare una batteria da 9V per l’alimentazione, poiché l’intero consumo di corrente è molto basso a 9V. Tuttavia, se stai utilizzando un alimentatore da 9 V-12 V (mai superiore a 12 V), assicurati che sia un tipo stabile con rumore e ondulazione di uscita molto bassi. Dopo la costruzione e il successo del primo test, finalmente puoi usare l’involucro. È necessario staccare lo strato protettivo esterno dei pannelli. Il compito non è molto difficile: basta bagnarlo con acqua fresca e staccarlo!

Il kit fai-da-te del generatore di funzioni XR2206 è davvero economico e facile da costruire e può essere utile per la maggior parte dei principianti e degli appassionati di elettronica. Esso funziona abbastanza bene realizzando forme d’onda quadrate, sinusoidali e triangolari quasi perfette. Se stai cercando un semplice kit generatore di funzioni che è economico e richiede solo meno di un’ora per essere costruito, questo kit fa per te. È utile per riparare / eseguire il debug di determinati progetti e per apprendimento.

Come testare un generatore di funzioni: Winscope

Idealmente, la forma d’onda di uscita del nostro generatore di funzioni deve essere monitorata con un oscilloscopio, ma la maggior parte delle persone che leggono questo articolo non avranno accesso a tale strumento. Esiste tuttavia un’alternativa semplice: Winscope. Questo software free utilizza la tua scheda audio e trasforma il tuo computer in un oscilloscopio. Ha anche una funzione di memorizzazione e un analizzatore di spettro, tuttavia funzionerà solo fino a circa 20 kHz o giù di lì.

Il software gratuito illustrato nel testo.

Dopo il download del software, leggi il manuale fornito con Winscope e crea un ingresso del segnale per la tua scheda audio. Se ha un ingresso di linea stereo, devi creare un cavo con entrambi gli ingressi sinistro e destro collegati insieme. Collega il cavo all’uscita del generatore di funzioni, imposta su una funzione d’onda sinusoidale e con frequenza nell’intervallo da 1 a 10 kHz. Se tutto è a posto, sullo schermo del tuo computer dovrebbe essere visualizzata una forma d’onda.

Winscope è un’applicazione software che utilizza la scheda audio del computer per campionare le forme d’onda di input e visualizzare i risultati. L’oscilloscopio consente di studiare qualsiasi segnale in tempo reale, misurare le frequenze, studiare spettri di segnale in tempo reale e tracciare schemi Lissajous. Inoltre, Winscope ha anche una funzione di archiviazione e una potente routine FFT (trasformata rapida di Fourier), che consente al programma di fungere da analizzatore di spettro.

Ci sono alcuni svantaggi tuttavia con Winscope, principalmente:

  • livello di ampiezza non calibrato (difficile da usare come multimetro digitale)
  • larghezza di banda relativamente bassa (20 Hz – 20 kHz)
  • possibilità di danni a un PC durante il collegamento a una sorgente di segnale sconosciuta.

Esempio di collegamento con il circuito da testare attraverso un partitore di tensione per non danneggiare la scheda audio.

Winscope 2.51 è stato progettato da Konstantin Zeldovich, che lo ha gentilmente distribuito come freeware. È stato scritto per Windows 95 ma funziona felicemente su Windows XP e Windows Me, e anche su Linux. Trasforma il PC in un oscilloscopio digitale a doppia traccia con analizzatore di spettro in tempo reale. Il livello di ingresso è di circa 2 V CA, limitato dalle capacità della scheda audio. Consente l’esportazione dati: file su disco o appunti di Windows, formato testo.

Essendo software, Winscope stesso non può danneggiare l’hardware, ma è molto facile bruciare almeno la scheda audio quando si cerca di investigare un segnale con ampiezza sconosciuta e offset DC. Pertanto, è necessario fare sempre molta attenzione quando si stabilisce una connessione elettrica tra il computer e l’apparecchiatura esterna. È una buona pratica utilizzare prima un multimetro o un oscilloscopio convenzionale per scoprire se i livelli del segnale sono accettabili per la scheda audio.

Screenshot di Winscope che mostra una forma d’onda sinusoidale a 600Hz.

È sicuro connettersi a qualsiasi apparecchiatura audio / video utilizzando jack e cavi line-in standard. Puoi prendere in considerazione l’utilizzo di un vecchio registratore, amplificatore o giradischi come dispositivo buffer tra la tua scheda audio e una sorgente di segnale non standard. Ciò può salvare il computer in caso di una sorgente di segnale scarsamente messa a terra e instabile, nonché consentire di controllare manualmente il livello del segnale prima che raggiunga la scheda audio.

Dopo aver scaricato Winscope, che viene fornito come file .ZIP, decomprimilo e leggi il file della guida distribuito con il programma. Per iniziare, assicurarti innanzitutto che l’ingresso del microfono delle schede audio sia selezionato per la registrazione. Fai clic sul primo triangolo (“riproduci”) e parla nel microfono del tuo PC. Ora dovresti vedere una forma d’onda vocale visualizzata su Winscope. Se non viene visualizzata alcuna forma d’onda, aumenta il cursore del volume sull’ingresso del microfono.

Se hai un computer con microfono incorporato, puoi anche usare il microfono per visualizzare direttamente una forma d’onda della tua voce. Una delle belle caratteristiche di Winscope è il pulsante FFT, la trasformata di Fourier veloce che permette di trasformarlo in un analizzatore di spettro. Un analizzatore di spettro costa anche più di un oscilloscopio, ma con Winscope e il tuo computer puoi improvvisare. Un’analisi spettrale dell’onda sinusoidale di cui sopra ha prodotto il seguente risultato:

Analisi spettrale di un’onda sinusoidale.