(akustyczny) Generator dwutonowy

Generator dwutonowy

W miarę upływu czasu Warsztat obrasta różnymi "miarkami". Mimo to zawsze(!) okazuje się, że czegoś brakuje. Ostatnio (podczas składania TRX Hydra) zabrakło ;) ... generatora dwutonowego.Efekt dwóch tonów

Inne mam ;) Pogrzebałem w Internecie i zdecydowałem się (chyba nie tylko ja) na układ Andrzeja (SP5AHT). Stosunkowo prosty i nie przewidywałem istotnych problemów z jego uruchomieniem.

Układ zbudowany w oparciu o powszechnie dostępne elementy nie będzie spełniał roli generatora referencyjnego. A jedynie użytecznego "narzędzia pomocniczego".

Przy pomocy Sprint-Layout 6.0 (SL6) opracowałem płytkę. I zaczęła się faza uruchamiania. Czyli to"co misie lubią najbardziej" :D

Wykonanie PCB, uruchomienie i regulacja generatora

Generator dwutonowy (schemat)

Drobny, ale użyteczny... ;)

Jednym z założeń było to, by układ mógł być zasilany: z baterii 9V lub akumulatora (zasilacza o U>=12V). Pierwsze wynikało z tego, że przy zasilaniu sieciowym i wymaganym niewielkim napięciu wyjściowym (15-25mV, odpowiadającemu napięciu z mikrofonu) często trudno wyeliminować zakłócenia. Później okazało się, że te zakłócenia to... nie tylko z sieci. Z powietrza ;) trochę też. Przy napięciu zasilania 12V uklad pobiera ok. 17mA.

Elementy na niebieskim tle schematu zamontowano w obudowie generatora, ale poza płytką PCB.

Może dziwić fakt, że przy zasilaniu bateryjnym pozostawiono aktywną (sygnalizującą włączenie) diodę LED. Dioda ta pobiera wielokrotnie mniejszy prąd niż generatory. Pozostawienie włączonego zasilania jest bardziej dotkliwe w skutkach niż włączona dioda LED. Diodę szeregowo włączoną z baterią (1N4007, w szereg z nią włączony jest rezystor 10R) należy dobrać tak by napięcie podawane na generator było "ciut" niższe od napięcia diody Zenera (8V2).

W generator dwutonowy generuje:

2 tone generator - niższa częstotliwość

  • niższą częstotliwość (ok. 830Hz),
  • wyższą częstotliwość (ok. 1,89kHz),
    korektę częstotliwości można przeprowadzić zmieniając wartości: C1, C2, C4 czy C9, C10, C12. Na jednym z forum spotkałem się z opinią (w którą wierzę), że należy unikać sytuacji, gdy wyższa częstotliwość jest wielokrotnością niższej,
  • potencjometr montażowy ustawiłem tak, by na wyjściu układu (bez obciążenia, potencjometr P2 nie jest podłączony) napięcia z obu generatorów wynosiły ok. 600mV. Sprawdzając napięcie z generatora pierwszego, drugi musi być wyłączony. I odwrotnie.
    Uwaga: położenie suwaka wpływa na wartości napięć (w niewielkim zakresie również częstotliwość) obu generatorów.
  • Gdy uruchomione są oba generatory to na wyjściu wtórnika emiteroweg napięcie rośnie do ok. 1150mV (również bez obciążenia).

2 tone generator - wyższa częstotliwość

Wobec faktu, że zasilanie układu następuje za pośrednictwem rezystancji ok. 150om (suma rezystancji R17, R18, R19), a w szynie "plusa" wpięte są 3 kondensatory po 100uF (C6, C14, C27) układ uruchamia się z pewnym (ok. 30s) opóźnieniem. Dopiero po tym czasie ustala się tak częstotliwość, jak i amplituda generowanego sygnału.

Płytkę (o wym. 40x27mm) wykonałem samodzielnie metodą termotransferu. Przed rozpoczęciem montażu pocynowałem ją. Wg. "starodawnego rytu" :D Zyskała nie tylko na wyglądzie, ale i lutowanie było zdecydowanie ułatwione.

Po ustaleniu odpowiednich (opisanych poniżej) warunków pracy tranzystorów T1 i T2 generator pracuje stabilnie.

Trzeba pamiętać, że dla wzbudzenia się obu generatorów koniecznym jest spełnienie dwóch warunków: fazy i amplitudy.

Dla spełnienia pierwszego niezbędne jest prawidłowe dobranie pojemności i rezystancji w przesuwniku fazowym (C1, C2, C4, R1, R2 oraz C9, C10, C12, R7, R8).

Dla drugiego odpowiednio trzeba ustawić punkt pracy tranzystorów T1 i T2. Pierwotnie (schemat pierwowzoru generatora, umasione) rezystory bazowe tranzystorów T1 oraz T2 (odpowiednio R3, R9) miały wartość 33k. Jednak układ nie wzbudzał się.

Okazało się, że dla zastosowanych przeze mnie tranzystorów BC848B wartość ta winna mieścić się pomiędzy 7k9 a 8k5. Poniżej i powyżej tej wartości następowało zerwanie oscylacji.

Jeśli wartość przekraczała 8k2 to co prawda sygnał miał amplitudę ok. 1600mV, ale był silnie zniekształcony (dolny półokres). Obniżenie wartości tego rezystora poniżej 8k1 powodowało to, że sygnał miał prawidłowy kształt, amplituda była niższa, ale ... powoli (ok. 60s) zmniejszała się. A w końcu następowało zerwanie oscylacji.

Przy wartości R3=R9=8k2 generatory pracowały stabilnie (tak co do amplitudy - ok. 600mV, jak i częstotliwości - odp. 890Hz oraz 1860Hz). 

Wartość rezystora R18 (33k) można zwiększyć, co spowoduje zmniejszenie amplitudy sygnału wyjściowego. W tym przypadku zmniejszenie napięcia wyjściowego nie ma istotnego znaczenia, gdyż i tak na wyjściu przewidywany (oczekiwany) zakres napięć winien mieścić się w granicach 10-25mV. Oczywiście na wyjściu został zastosowany tłumik rezystorowy o przełączanym stopniu tłumienia.

Rezystor R18 redukuje również wpływ obiążenia na częstotliwość i amplitudę generowanych sygnałów. Zasadniczo nie należy jego wartości zmniejszać. Może to spowodować przesterowania układu wyjściowego. Zjawisko to może wystąpić w przypadku podania sygnałów z obu generatorów.

Zastosowanie wtórnika emiterowego na wyjściu generatorów redukuje wpływ obciążenia na ich częstotliwość i zapobiega zrywaniu oscylacji przy obciążaniu generatora (zbyt) niskim obciążeniem.

Może wydawać się, że kondensator pomiędzy suwakiem potencjometru P2 a gniazdem wyjściowym jest "nadmiarowy". Niestety nie. Jeśli korzystając z generatora zechcesz wysteroweć wejście mikrofonowe "dedykowane" dla mikrofonów elektretowych (bez kondensatora) możesz "napytać sobie biedy".

W zakresie obciążenia R>1k zmiana napięcia wyjściowego synału nie przekracza 10%. Dla obciążenia R>300R i R<1k zmiana ta wyniosła ok. 15%. Uznałem to za wartości zadowalające. Trzeba jednak mieć świadomość, że "skalowanie" potencjometru P2 ma charakter wyłącznie orientacyjny.

O ile nie zastosujesz w pętlach przesuwnika fazowego generatorów kondensatorów o "zerowym" współczynniku temperaturowym musisz zdawać sobie sprawę, że częstotliwość pracy generatorów będzie zależeć... od temperatury. Czyli pogody! :o

Jak wynika z powyższego opisu uruchomienie, a w szczególności regulacja generatora wymaga nie tylko odpowiedniej wiedzy, a także "zaplecza pomiarowego". Nieoceniony w tym przypadku będzie oscyloskop. Nawet ten najprostszy, gdyż jest to generator sygnału akustycznego.

Do budowy układu wykorzystałem głównie elementy SMD (0805 oraz 1206). Ale również (w niezbędnym zakresie) elementy THT.

Rysunek złożeniowy płytki generatora

Wartości elementów na obu rysunkach zapewniają prawidłową pracę generatora. Rysunek złożeniowy PCB powstał w końcowej fazie budowy generatora i tam są wartości elementów jakie użyłem do budowy ostatecznej jego wersji.

Pewnie z czasem (i kolejnymi dostosowaniami do konkretnych potrzeb) wartości te mogą ulegać kolejnym zmianom. Przykładowo pojemność kondensatora "na suwaku" potencjometru P30 na schemacie ma wartość 10uF. Natomiast na rysunku złożeniowym tylko 4u7. Ta wartość nie jest tu aż tak istotna, ale warto na coś się zdecydować. I pewnie niedługo to zrobię...

Ale podstawowe zasady działania i cel dla jakiego generator został zbudowany nie zmieniły się :).Płytka generatora dwutonowego - prasowanka

Przedstawiona (po prawej) prasowanka pozwala wykonać płytkę generatora. Jest to tzw. "lustro", czyli obrócony obraz (płytki od strony elementów SMD), który po wydrukowaniu nadaje się bezpośrednio do wykonania PCB metodą termotransferu.

Obudowa generatora

Obudowa generatora

W wielu przypadkach nie poświęcam obudowie odrębnego akapitu. Jest, bo jest. Niby musi być, ale... często ciągle jest w fazie "projektu" ;) Tu jednak rola obudowy okazała się istotniejsza niż przypuszszczałem.

Obudowa to połowa (pochodząca z "odzysku") korpusu z tworzywa sztucznego o oznaczeniu "ZVA". Choć nieduża to jak widać obok na zdjęciu płytka generatora zajmuje jedynie ok. 1/5 wnętrza obudowy. Dość jest miejsca nie tylko na niezbędne: gniazda zasilające, włącznik, włącznik i potencjometr. Ta wielkość odpowiada mi również z tego względu, że kabelki (zasilające i sygnałowe) nie... ściągają mi generatora ze stołu. Zwłaszcza, gdy do obudowy włożę baterię. Czyli ok, ale...

Przeblemem okazały się zakłócenia pochodzące z "otoczenia". Generator daję napięcie (dwa tony razem) ok. 1,1V. Wtedy pozornie jest wszystko w najlepszym porządku. Ale do wysterowania toru mikrofonowego potrzebuje ok. 15mV (15-25mV). Gdy zmniejszam napięcie pojawił się problem.

Okazało się, że przy zapięciu suwaka potencjometru rezystorem ok. 2k7 i ustawieniu napięcia wyjściowego na ok. 15mV, po podłączeniu oscyloskopu (na zakresie 2mV/dz, mimo włączenia filtru odcinającego HF) widoczne są zakłócenia o amplitudzie ok. 3-5mV, nałożone na obwiednię sygnału.

Mogło by się wydawać, że to problem z oscyloskopem, pętli masy, itp. Mało tego zakłócenia te słyszalne są w słuchawkowym wzmacniaczu m.cz. I to bez względu na to, czy generator zasilany jest z: zasilacza sieciowego (wyraźnie wyższy poziom zakłóceń), akumulatora czy baterii (zdecydowanie niższy poziom zakłóceń, ale słychać).

Sytuacja diametralne zmieniła się na korzyść po... wyklejeniu wnętrza obudowy samoprzylepną, ekranującą (elektrycznie) folią miedzianą (gr. ok. 25um). Oczywiście folia ta została połączona tak z masą PCB generatora, jak i potencjometrem regulującym napięcie wyjściowe oraz gniazdami wyjściowymi audio. I to (wyklejanka folią) było ostatnim etapem budowy generatora.

Podsumowanie

Czy warto było...W tej sytuacji wydaje się oczywiste pytanie: czy warto było ?

IMO zdecydowanie tak. Na zdjęciu z lewej porównanie sygnałów: z generatora dwutonowego (f. ok. 830Hz). Poniżej sygnał z fabrycznego (f 0,1Hz-60MHz, U 1mV-5V) ) generatora opartego na syntezie częstotliwości. Sygnał o f. ok. 830Hz, U ok. 10mV.To działa :)

Z prawej strony "kolekcja obrazów przedstawiających genererowane sygnały. Oczywiście dobór częstotliwości oraz siły (amplitudy) sygnału zależy wyłącznie od wykonawcy. Pełna swoboda. :) Ogólnie: jestem zadowolony.

Warunki pomiaru w obu przypadkach niemal takie same. Niemal: bo w przypadku generatora dwutonowago ("jakiś", noname) kabel RCA z przejściówką na BNC (do oscyloskopu). W przypadku generatora "fabrycznego" dołączony do niego kabel 2xBNC.

Jakości obu kabli nie badałem,. RCA jest 2x dłuższy od BNC,. Skoro BNC ma działać do... 60MHz, to kilka kHz mu nie zaszkodzi ;) Komentować chyba nie trzeba, bo i po co?

W przypadku generatora dwutonowego widoczna jest niewielka asymetria zboczy: narastającego i opadającego, ale myślę, że to kwestia "regulacji".

Alternatywny układ wyjściowyZapewne pewne zdziwienie budził fakt istnienia dwóch, równolegle połączonych wyjść generatora. Wbrew pozorom nie jest to przypadek. Częstokroć zachodzi potrzeba podania sygnału akustycznego, który jednocześnie będzie obserwowany/mierzony np. na oscyloskopie. Dlatego są dwa wyjścia. Czyli rozgałęziacz.

Drugim powodem jest fakt, iż w przypadku czułych wejść (jak np. mikrofonowe) często zachodzi konieczność stosowania "po drodze" tłumików. Tu - jak przedstawiono na rysunku z prawej - tłumik został wbudowany w generator.

Podane napięcia zmierzono miernikiem o dużej oporności. Należy się liczyć z tym, że w przypadku obciążenia o niskiej oporności wejściowej napięcie zmniejszy się. Ale w granicach, które zapewnią pełną operatywność generatora. I o to chodziło.

 

Jeśli jesteś zainteresowany tym na co "marnotrawię swój czas" zapraszam do Warsztatu krótkofalowca.