generadora de señales

PROYECTO 3
Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Ingeniería
Circuitos Integrados Analógicos
M.I. Lauro Santiago Cruz
Gpo: 04
Generadora de
Funciones
FÉLIX TEJEDA Fernando
MEZA MEDINA Eduardo
21.11.2014
INTRODUCCIÓN
Un generador de señales, de funciones o de formas de onda es un dispositivo electrónico de laboratorio que genera
patrones de señales periódicas o no periódicas tanto analógicas como digitales, genera diferentes formas de onda
cuyas frecuencias son ajustables en un amplio rango. Las salidas más frecuentes son ondas senoidales, triangulares,
cuadradas y diente de sierra. Las frecuencias de estas ondas pueden ser ajustadas desde una fracción de hertz hasta
varios cientos de kiloHertz. Se emplea normalmente en el diseño, prueba y reparación de dispositivos electrónicos;
aunque también puede tener usos artísticos.
Hay diferentes tipos de generadores de señales según el propósito y aplicación que corresponderá con el precio.
Tradicionalmente los generadores de señales eran dispositivos estáticos apenas configurables, pero actualmente
permiten la conexión y control desde un PC. Con lo que pueden ser controlados mediante software hecho a medida
según la aplicación, aumentando la flexibilidad. Normalmente cuentan con las funciones y controles que se enumeran
a continuación:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Selector de funciones. Controla la forma de onda de la señal de salida.
Selector de rango. Selecciona el rango o margen de frecuencias de trabajo de la señal de salida. Su valor va
determinado en décadas, es decir, de 1 a 10 Hz, de 10 a 100 Hz, etc.
Control de frecuencia. Regula la frecuencia de salida dentro del margen seleccionado mediante el selector de
rango.
Control de amplitud. Mando que regula la amplitud de la señal de salida.
DC offset. Regula la tensión continua de salida que se superpone a la señal variable en el tiempo de salida.
Salida TTL. Entrega una consecución de pulsos TTL (0 - 5V) con la misma frecuencia que la señal de salida.
Modulación del generador de señales
La mayoría de los generadores de señales tiene la capacidad de modular tanto en frecuencia como en amplitud, con
un índice o porcentaje de modulación conocido. La modulación de amplitud se puede aplicar al generador de señales
nivelado electrónicamente, por medio de la modulación del atenuador de diodo PIN con la señal modulada. El
problema serio que se presenta con esta modulación es que la amplitud varía desde dos veces la amplitud de la
portadora hasta cero para un porcentaje del 100% de modulación, lo cual implica que el atenuador controla por
voltaje debe tener al menos una atenuación nominal de 6 dB para que la amplitud se pueda incrementar a dos veces la
portadora y proporcione, en teoría, una atenuación infinita para conseguir el cero requerido por el 100% de
modulación. Sin importar la técnica de modulación, la mayoría de los generadores de señales proporciona una
modulación de amplitud cercana pero no igual a 100%.
La modulación de frecuencia no sufre problemas atribuibles al porcentaje de modulación y no existe el 100% de
modulación. Para modular la frecuencia el generador de señales requiere un método para cambiar electrónicamente la
frecuencia del oscilador; por lo general; esto lo proporciona un diodo varactor en el circuito oscilador sintonizado. La
cantidad de modulación suministrada por el diodo varactor depende de la frecuencia del oscilador y puede varias
sobre el rango de sintonía del oscilador. Es decir, el generador de señales ha de contar con un método de corrección
para este cambio en el índice de modulación de frecuencia. Aplicar la modulación a un generador de señales puede
ser un problema complejo cuando este dispositivo es del tipo sintetizado. Cada uno de estos instrumentos es un caso
único, y existen numerosos métodos para suministrar una fuente exacta de modulación.
Un elemento de electrónica utilizado para generar formas de onda puede ser utilizado en circuitos de
instrumentación, de sonido y de comunicaciones, y también en un instrumento generador de funciones, empleado un
simple circuito integrado. Ejemplos de ello son el XR2206[] fabricado por Exar y un integrado fabricado por Intersil,
ICL8038.[] Estos circuitos pueden generar ondas sinusoidal, cuadrada, triangular, rampa, y pulsos en un oscilador
controlado por voltaje.
Un circuito electrónico que suministra una salida proporcional a alguna función matemática (por ejemplo, raíz
cuadrada), estos dispositivos se utilizan en sistemas de control de retroalimentación y en computadoras analógicas.
Proyecto 1
2
3
C=0.01mF
2
R=1MW
DESARROLLO
R=2KW
1
0
-1
-2
-3
-50
R=10KW
R=200KW
Se implementa
el proyecto con el integrado XR-2206. Con este integrado es posible realizar todas las señales
R=200KW
deseadas. Es decir, permite modificar el tipo de onda (triangular, senoidal, cuadrada), modificar el ciclo de trabajo, la
amplitud y el offset. Sin embargo, a pesar de que el integrado permite hacer todas estas modificaciones se decide por
IT
IC
R=10KW
Pin
controlar
la amplitud y el offset de la señal mediante otro circuito. Este último
consiste
en 7un amplificador
Rc
or señal
8
R=2KW
operacional sumador conR=1MW
una cierta amplificación, enSweep
él son sumadas la señal generada más una
de DC entre
+12V y -12V. Por otro lado, para la señal TTL se tieneInput
un amplificador
inversor
con
una
ganancia
menor
a la unidad.
+
R=1KW
I
V
B
C
Para generar la señal triangular, senoidal y cuadrada el fabricante proporciona un circuito el cual+ permite hacer estas
3V y el offset. Sin
modificaciones. LasR=1KW
ondas tienen un ciclo de trabajo fijo de 50% y es posible modificar
R la amplitud
embargo, se polariza con tierra y +12V por lo tanto solo será posible una amplitud de 12Vpp y un offset de120 a 12.
Además, si se varia el offset se puede “recortar” la señal al llegar a los valores de polarización. Es por eso que se
circuito
-25 decide
0 implementar
25
50 un75
125 que se encargue de realizar estas funciones.
100externo
Ambient
Temperature
(C°) sobre 6V y con una amplitud de 1Vpp. De este modo se evitan los posibles errores en la
Se decide
montar la señal
manipulación de la señal. Como se menciono el fabricante proporciona el circuito, éste es mostrado en la figura 3.1.
La frecuencia de la señal está definida por el capacitor C y la resistencia R. Se calculan los valores necesarios
conforme
la tabla 3.1.
Figure 9.
Frequency
Drift versus
Figure 10. Circuit Connection for Frequency Sweep.
ev. 1.03
Temperature.
VCC
1mF
4
1
5
C
16
Mult.
And
Sine
Shaper
VCO
6
14
13
9
2M
R1
1K
7
8
Current
Switches
+1
10
R
12
S1 Closed For Sinewave
15
S1
200
2
Triangle Or
Sine Wave Output
11
Square Wave
Output
XR-2206
3
R3
50K
+
10K
1mF
+
VCC
10mF
VCC
5.1K
5.1K
Figura 3.1. Circuito generador de onda triangular, senoidal y cuadrada
Figure 11. Circuit tor Sine Wave Generation without External Adjustment.
(See Figure 3 for Choice of R 3)
Proyecto 1
3
8
𝑹 [𝒌𝛀]
1 – 11
1 – 11
1 – 11
1 – 11
1 – 11
1 – 11
𝑪 [𝝁𝑭]
100
10
1
0.1
0.001
0.0001
𝓯𝑰𝒏𝒕𝒆𝒓𝒗𝒂𝒍𝒐𝒔 [𝑯𝒛]
0.8 – 10
8 – 100
80 – 1000
770 – 10000
9000 – 100000
80000 – 800000
𝓯𝑴𝒐𝒔𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 [𝑯𝒛]
1
10
100
1000
10000
100000
Tabla 3.1. Valores de C y R para intervalos de frecuencia
Con estos valores de capacitancia y resistencia se logra tener control sobre la frecuencia de la señal generada. No
obstante, a bajas frecuencias (5Hz) empieza a notarse una distorsión en la señal triangular y cuadrada. Esto se debe
probablemente a que se utilizan capacitores electrolíticos y éstos no tienen el suficiente tiempo de descarga. Lo mismo
se tiene a altas frecuencias (700kHz), la señal empieza a modificarse en la señal triangular y cuadrada, la culpa se le
atañe al circuito integrado. Éste, probablemente, no está diseñado para estas frecuencias.
Por otro lado, del circuito es apreciable que se tienen dos salidas, una cuadrada y otra senoidal-triangular. Se hace uso
de diferentes interruptores que seleccionan el tipo de señal deseada. Además, un interruptor que seleccione la salida
triangular-senoidal y además cierre el circuito en las patas 13 y 14 al mismo tiempo.
Al tener una salida que es siempre cuadrada se puede elaborar un circuito amplificador inversor tal que la relación de
resistencias den a la salida 5V. Esto debe hacerse así porque la señal que se tiene alcanza los valores de saturación y,
como se menciono, está montada sobre los 6V se tiene una señal cuadrada de 6Vpp. El circuito desarrollado para
poder generar la señal TTL se muestra a continuación en la figura 3.2.
Figura 3.2. Circuito para señal TTL
Dado que la señal de 6V va a estar presente independientemente de que se seleccione una onda senoidal, cuadrada o
triangular se tiene una señal TTL confiable. Le ecuación que describe el comportamiento de la señal anterior está
dada por:
𝑉𝑇𝑇𝐿 = −
10
5
𝑉𝑖 = − 𝑉𝑖
12
6
Una vez que se tiene las tres señales, para poder variar el ciclo de trabajo y, por lo tanto, tener una señal dientes de
cierra o un PWM es necesario implementar otro circuito muy similar al anterior. Se tienen más interruptores y se le
agrega un potenciómetro para poder variar el ciclo de trabajo.
Este circuito, al igual que el anterior, es proporcionado por el fabricante. Los valores de las resistencias y
capacitancias permanecen constantes conforme al circuito generador de señales. Las resistencias R1 y R2 se tratan de
una resistencia de 1k en serie con un potenciómetro de 10k. El circuito descrito se muestra en la figura 3.3.
Proyecto 1
4
Figura 3.3. Circuito para modificar el ciclo de trabajo
Estos dos circuitos son los encargados de realizar. El potenciómetro que está en la terminal 3 del integrado se
substituye por una resistencia de cierto valor que hace que la amplitud se mantenga constante en 1Vpp. Para poder
modificar la amplitud y el offset de la señal se implementa un sumador que amplifica la señal generada y suma la
señal de DC que se desea. El circuito desarrollado se muestra a continuación en la figura 3.4.
Figura 3.4. Circuito para amplificación y offset
Proyecto 1
5
Con este circuito se logra tener cualquiera de las señales generadas con amplitud modificable de hasta 24Vpp y un
offset que va desde -12 a 12.
El circuito final diseñado para tener 5 diferentes tipo de señal se muestra en la figura 3.5. En la implementación, se
hace necesario el uso de un interruptor de mínimo 6 polos un tiro para escoger el intervalo de frecuencias y diferentes
interruptores que seleccionen el tipo de onda que se mostrará a la salida del sistema.
Figura 3.5. Circuito final para generadora de funciones
Donde:








SW2. Cambia la salida entre señal cuadrada o señal senoidal-triangular
S3. Debe estar cerrado para tener una señal senoidal.
Output. Salida única de la señal.
F14. Necesita estar cerrado para modificar el ciclo de trabajo.
FFINE. Ajuste fino de la frecuencia (Potenciómetro de 1kΩ)
FCOARSE. Ajuste grueso de la frecuencia (Potenciómetro de 10kΩ)
DUTY. Debe estar cerrado el circuito además de un potenciómetro de 10kΩ.
Para escoger el intervalo de frecuencias se escoge un capacitor mediante un interruptor de un polo 6 tiros.
Simulaciones
No se encuentra algún software que simule el integrado XR2206. Sin embargo, se simulan el tratamiento que se le da
para las distintas características modificables. A continuación, se muestran las capturas de pantalla de las
simulaciones realizadas.
Proyecto 1
6
Figura 3.6. Simulación señal TTL
Figura 3.7. Simulación de control en la amplitud de señal senoidal
Figura 3.8. Simulación de control en la amplitud de señal triangular
Proyecto 1
7
Laboratorio
Se implementa un generador de funciones con amplitud, offset y ciclo de trabajo modificables. Las señales resultantes
son: triangular, senoidal, cuadrada, dientes de cierra, PWM y TTL.
Además de la tarjeta de proyectos (ProtoBoard) se utilizan los siguientes componentes:
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
XR2206. Generador de funciones analógico.
TL082CP. Amplificador operacional con alta impedancia de entrada (10 12 [ohms]), bajo ruido de voltaje a la
entrada (16 [nV/Hz]) y bajo consumo de corriente (3.6 [mA]).
Dos resistencia de 56 [kΩ] @ ½ [W] con tolerancia de 5%.
Dos resistencia de 1 [kΩ] @ ½ [W] con tolerancia de 1%.
Tres resistencias de 10 [kΩ] @ ½ [W] con tolerancia de 5%.
Una resistencias de 200 [Ω] @ ½ [W] con tolerancia de 1%.
Dos resistencias de 5.1 [kΩ] @ ½ [W] con tolerancia de 1%.
Dos potenciómetros lineales de 10 [kΩ] @ ½ [W].
Dos potenciómetros lineales de 50 [kΩ] @ ½ [W].
Un potenciómetro lineal de 1 [kΩ] @ ½ [W].
Un interruptor de un polo 11 tiros.
Interruptor con varias líneas de selección.
Dos capacitores electrolíticos de 1 [uF].
Un capacitor electrolítico de 100 [uF].
Un capacitor electrolítico de 10 [uF].
Un capacitor de tantalio de 1 [uF].
Un capacitor cerámico de 100 [nF].
Un capacitor cerámico de 10 [nF].
Un capacitor cerámico de 1 [nF].
Las diferentes imágenes a continuación muestran diferentes pruebas que se hicieron sobre el circuito. El pie de foto
describe el experimento realizado.
Figura 3.9. Offset en la señal senoidal
Proyecto 1
8
Figura 3.10. Offset en la señal senoidal
Figura 3.11. Offset en la señal cuadrada
Figura 3.12. Offset en la señal senoidal
Proyecto 1
9
Figura 3.13. Amplitud en la señal triangular
Figura 3.14. Amplitud en la señal triangular
Figura 3.15. Offset en la señal triangular
Proyecto 1
10
Puesta a punto
Los circuitos mostrados anteriormente son implementados en una placa fenólica y se arman de tal forma que puedan
ser colocados en un gabinete. Para esto se colocan terminales para circuitos impresos con dos o tres tornillos
dependiendo del elemento. El diagrama eléctrico cambia ligeramente, la figura 3.16 muestra la implementación del
tratamiento de la señal.
Figura 3.16. Diagrama de conexiones para el tratamiento de la señal
La figura 3.17 muestra el alambrado final sobre el proyecto. Se utiliza cable para realizar las conexiones y todos los
dispositivos están soldados.
Figura 3.17. Alambrado final
Proyecto 1
11
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
Con este proyecto hemos tenido la posibilidad de aprender las dificultades que se presentan al trabajar con un chip de
propósito específico, como lo es el XR2206, pues al ser un generador de señales, cubre nuestros requerimientos, pero
no al 100%, pues la salida sinusoidal no tenía la misma amplitud que la triangular o la cuadrada; todas requerían de
un tratamiento especial para lograr los todas las características que queríamos. También fue necesario considerar el
offset, y el cambio de frecuencias, para el cual hubo que calcular diferentes valores capacitores, que aunados a las
resistencias, no lograran dar los rangos deseados.
Además de lo dicho anteriormente, la señal TTL fue generada a partir de la señal cuadrada que es fija en el
circuito oscilador, y solamente se tuvo que elaborar una configuración atenuadora con una atenuación tal que nos
diera los 5 V de la señal.
BIBLIOGRAFÍA

http://www.sonoma.edu/users/m/marivani/datasheets/misc/XR2206V1.pdf

http://www.electronics-diy.com/function-generator-kit-xr2206.php

http://es.wikipedia.org/wiki/Filtro_de_condensador
Proyecto 1
12
APÉNDICE
Generadora de funciones
Tratamiento de a señal
Proyecto 1
13
XR2206
Proyecto 1
14
Proyecto 1
15
Proyecto 1
16
Proyecto 1
17
Proyecto 1
18
Proyecto 1
19
Proyecto 1
20
Proyecto 1
21
Proyecto 1
22
Proyecto 1
23
Proyecto 1
24
Proyecto 1
25
TL082CP
Proyecto 1
26
Proyecto 1
27
Proyecto 1
28
Proyecto 1
29
Proyecto 1
30