Generator warsztatowy

Jak to działa?

Schemat ideowy generatora pokazano na rysunku 1. Można na nim wyodrębnić następujące bloki funkcjonalne:

• mikrokontroler ATMEGA8 z rezonatorem kwarcowym, 
• potencjometryczne nastawniki częstotliwości i wypełnienia,
• stabilizator napięcia zasilania,
• 3-cyfrowy wyświetlacz 7-segmentowy LED ze sterownikami anod i rezystorami ograniczającymi prąd segmentów,
• 5-pozycyjny przełącznik wyboru zakresu częstotliwości z diodami LED sygnalizującymi wybrany zakres,
• obwód wyjściowy z tranzystorem oraz zabezpieczeniami.

Rysunek 1. Schemat elektryczny generatora

Program zawarty w mikrokontrolerze ATMEGA8 (US1) odpowiada za obsługę interfejsu użytkownika oraz generowanie sygnału o wybranej częstotliwości i wypełnieniu. 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 suwaków potencjometrów. Kondensator C3 jest odpowiedzialny za podanie logicznego „0” na wyprowadzenie Reset przez krótki czas od momentu włączenia napięcia zasilającego.

Zasilacz został oparty na podstawowej aplikacja liniowego stabilizatora LM7805. Dołączone napięcie zasilające do łącza ZASILANIE powinno mieścić się w zakresie 8–12V. Dioda D2 zabezpiecza układ generatora przed niewłaściwą polaryzacją napięcia zasilającego. Stabilizator napięcia zasilania US2 wraz z pojemnościami C7…C10 dostarcza dobrze odfiltrowanego napięcia stałego +5V. Nastawiona wartość częstotliwości i wypełnienia jest wyświetlana na 3-cyfrowym wyświetlaczu 7-segmentowym LED. Cyfry mają wspólną anodę, dlatego do ich sterowania użyto tranzystorów 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. Nastawiane wartości są wyświetlane na bieżąco. Częstotliwość generowanego sygnału prostokątnego podzielono na 5 podzakresów.

Do wybrania zakresu służy przełącznik 5-pozycyjny (SW1). Wybrany zakres jest sygnalizowany świeceniem się odpowiedniej diody. W obwodzie wyjściowym zastosowano tranzystor BCX51 (T4), pracujący w układzie wspólnego emitera. Obciążeniem kolektora jest rezystor R21 oraz dołączony do złącza WYJŚCIE badany obwód elektroniczny. Dioda D1 zabezpiecza przed wystąpieniem na tranzystorze napięcia o polaryzacji przeciwnej, które mogłoby doprowadzić do jego uszkodzenia. Rezystor R22 służy do ograniczenia prądu wyjściowego do „bezpiecznej” wartości, wynoszącej około 300mA. Wystarcza to do sterowania bramkami logicznymi, diodami LED czy niewielkimi przekaźnikami. Tu należy pamiętać, że takie rozwiązanie da napięcie logicznej „1” mniejsze od 5V o napięcie UCEsat tranzystora, które typowo wynosi ok. 0,5…0,7V. W tabeli 1 pokazane są zakresy generatora.

Tabela 1. Podział częstotliwości na zakresy

Program

Program został napisany w języku C. Składa się z programu głównego oraz dwóch podprogramów, których obsługa rozpoczyna się w momencie wykrycia przerwania od przepełnienia jednego ze sprzętowych liczników Timer0 lub Timer1. Timer0 odpowiada za multipleksowanie wyświetlacza LED oznaczonego jako DIS1. Pojemność tego licznika wynosi 8 bitów, co wraz z preskalerem 256 i zegarem 16 MHz daje ok. 244 przerwania na sekundę. Dzięki temu każda cyfra na wyświetlaczu odświeżana jest z częstotliwością ok. 80Hz. Wartość ta w zupełności wystarcza, aby wyeliminować wrażenie migotania cyfr, a jednocześnie jest ona na tyle mała, że nie wpływa na pozostałe bloki funkcyjne.

Licznik Timer1 daje tyle przepełnień na sekundę, ile wynika z iloczynu żądanej częstotliwości oraz liczby kroków regulacji wypełnienia. Przykładowo: jeżeli ustawiono częstotliwość 35Hz i wypełnienie 27% (rozdzielczość regulacji wypełnienia wynosi 1%), Timer1 osiąga 3500 przepełnień na sekundę, z czego w jednym okresie sygnału generowanego 27 przepełnień ustawia wyjście, a 73 je zeruje. Jest to stosunkowo prosta i niezawodna metoda osiągnięcia żądanego wypełnienia, okupiona koniecznością częstego wywoływania przerwania od przepełnienia, a co za tym idzie – niemożnością uzyskiwania dużych częstotliwości sygnału generowanego.

Ponieważ wbudowany przetwornik A/C ma rozdzielczość 10 bitów, oznacza to, że podawana przez niego wartość zawiera się w przedziale od 0 do 210 – 1, czyli do 1023. Aby uprościć całe przeliczanie, zdecydowano się na jego ograniczenie do 999, co daje 1000 możliwych wartości. Każdy z zakresów został podzielony na podzakresy (zależne od położenia potencjometru regulacji częstotliwości), w  których do wyniku obliczenia dodawana jest pewna stała wartość. Dzięki temu zabiegowi błąd względny częstotliwości, rozumiany jako odchyłka odniesiona do wartości zmierzonej, w najgorszym przypadku nie przekracza 2%.

Montaż i uruchomienie

Schemat montażowy generatora pokazano na rysunku 2. Pomocą w montażu będą fotografie. Całość zmontowano na dwustronnej płytce drukowanej o wymiarach 60 × 116 mm.

Rysunek 2. Schemat montażowy generatora

Ze względu na umieszczenie elementów po obu stronach płytki należy zachować następującą kolejność montażu: mikrokontroler ATmega8, rezystory i kondensatory SMD, tranzystory T1…T3, rezonator kwarcowy, diody D1, D2, rezystor R21, R22 w odstępie kilku milimetrów od płytki. W dalszym etapie kondensatory C7, C9, złącza śrubowe, kondensatory elektrolityczne C10, C8 oraz stabilizator US2, przykręcając go wcześniej do radiatora. Przed kolejnym etapem płytkę warto umyć izopropanolem. Po przeciwnej stronie płytki: tranzystor T4, przełącznik SW1 (uprzednio obcinając kołek ustalający) oraz bez lutowania włożyć diody LED2…6.

W kolejnym etapie do panelu frontowego przykręcić gniazda bananowe i tak złożyć ze sobą obie płytki, aby odpowiednie elementy znalazły się na swoich miejscach. Teraz należy diody LED wypchnąć przez otwory wokół przełącznika obrotowego i przylutować ich nóżki, zwracając uwagę na polaryzację. Wyłamany fragment laminatu, gdzie będzie znajdował się wyświetlacz LED, będzie idealnym dystansem do zamontowania potencjometrów. Należy uprzednio przylutować proste goldpiny, usuwając zbędne szpilki. Przed dalszym etapem należy obciąć kołki ustalające w potencjometrach. Zaginając pod kątem prostym wyprowadzenia potencjometrów, ustawiamy je zgodnie z zarysem na płytce generatora poprzez wspomniany fragment laminatu i lutujemy ich wyprowadzenia do goldpinów. Operacja ta pozwoli na dokładne ustawienie ich względem panelu czołowego.

Teraz składając obie płytki razem, przechodzimy do montażu wyświetlacza. Przekładamy go przez otwór w przednim panelu i przykrywamy fragmentem płytki, tak by jego powierzchnia licowała się z powierzchnią frontu. Lutujemy jego dwa przekątne wyprowadzenia i sprawdzamy ułożenie. Jeżeli jest ono zadowalające, można przylutować pozostałe nogi. Gniazda banan mocowane są za pomocą nakrętek do głównej płytki. Na koniec należy nałożyć gałki na potencjometry i przełącznik. Tak zmontowane urządzenie po podłączaniu napięcia będzie działało bez potrzeby uruchamiania i regulacji. Aby sprawdzić działanie, można dołączyć przetwornik piezo i nasłuchiwać zmian dźwięku, regulując odpowiednimi pokrętłami częstotliwość i wypełnienie. Układ należy zasilać ze źródła prądu stałego o napięciu co najmniej 8V oraz wydajności prądowej nie mniejszej niż 500mA.

Jeżeli do wyjścia będą dołączane obciążenia o znacznym poborze prądu, to ta wydajność powinna być odpowiednio większa. Jednocześnie należy mieć na uwadze moc traconą w stabilizatorze. W urządzeniu zastosowano radiator, który bez problemu powinien odprowadzić ewentualne ciepło wydzielone w stabilizatorze. Aby zapewnić bezproblemowe działanie generatora, warto zainstalować go w obudowie Z3. Front dedykowany jest właśnie do tej obudowy, co prezentują fotografie. Dzięki takiemu rozwiązaniu uniknie się zwarć wywołanych przypadkowym dotknięciem metalowymi przedmiotami. Jako złącza zasilającego należy użyć standardowego DC 2,1/5,5, które montowane jest w tylnej ścianie obudowy.

Jako złącza sygnałowe na przednim panelu znajdują się dwa zaciski typu banan oraz dodatkowo złącze śrubowe na głównej płytce obwodu drukowanego do wyprowadzenia sygnału na dowolne inne złącze np. BNC. Podczas normalnej pracy na wyświetlaczu wyświetlana jest ustawiona wartość częstotliwości. Regulacja wypełnienia spowoduje przełączenie go na wyświetlanie wartości wypełnienia. Po wyregulowaniu wypełnienia samoczynnie przełączy się na wskazywanie częstotliwości.