AG001 Generatore di bassa frequenza portatile

Lo strumento che presentiamo oggi non rientra tra gli strumenti professionali, ma fa anche lui la sua bella figura per la semplicità con cui è stato pensato e realizzato.

Per ridurre i costi al minimo, abbiamo eliminato i commutatori rotativi necessari per selezionare la banda di frequenza e la forma d’ onda e abbiamo messo al loro posto dei comunissimi deviatori a banana più facilmente reperibili e a costi inferiori.

Abbiamo pensato a un’ alimentazione di 4,5V ottenibile mediante 3 pile a stilo (vanno bene anche le ministilo) visto che l’ assorbimento oscilla tra i 10 a vuoto e i 13mA con carico resistivo in uscita.

Come indicatore di accensione abbiamo inserito un led blu, che a differenza di quelli rossi, gialli e verdi, ha il vantaggio di dare una buona luce anche a correnti molto inferiori, come in questo caso che lavora con soli 1,8mA.

La parte più curiosa di questo circuito rimane ancora l’ integrato U1, si proprio lui, un comunissimo C/MOS tipo HCF4049UB, che ha la caratteristica di funzionare perfettamente anche in zona lineare, comportandosi come un amplificatore invertente, ma con la “zona di funzionamento” ovvero il punto di lavoro dei mosfet contenuti all’ interno in piena classe A, come un perfetto preamplificatore HiFi a basso rumore.

Schema elettrico:

 

Il nostro obbiettivo principale era quello di costruire un generatore portatile da 10Hz a 100Khz in grado di fornire segnali di forma sinusoidale, triangolare e quadra e un’ uscita digitale TTL compatibile.

Per fare tutto questo ci serviva un circuito “integratore” in grado di elaborare la funzione integrale della variabile in ingresso e uno “squadratore” che una volta che l’ ingresso superasse una certa soglia, commutasse l’ uscita in positivo o negativo.

Questi due circuiti vanno a creare un loop, in modo che l’ integratore funzioni comandato dall’ uscita dello squadratore e lo squadratore intervenga al momento che l’ uscita dell’ integratore raggiunga le soglie prefissate.

Circuiti simili sono spesso fatti da operazionali o da chip appositamente dedicati, ma entrambi i sistemi richiedono alimentazioni duali o addirittura triple, costringendoci a montare un alimentatore appositamente studiato.

Proprio per questo motivo la scelta è caduta su un C/MOS serie HCF, cioè commutazione veloce e gate in silicio annegato nel biossido (i classici CD hanno il gate metallico formato da un sottilissimo strato di alluminio, questo li rende più lenti in commutazione e con una capacità parassita gate-substrato superiore), mentre in suffisso UB indica che sono monostadio (cioè un solo stadio con mosfet a corrente maggiore al posto dei tre stadi) e bufferati (A = non bufferati quindi Iu circa 1mA, B = bufferati con Iu oltre i 10mA).

Dallo schema a blocchi si vede come è composto tutto questo.

Il generatore vero e proprio (cioè l’ integratore inanellato allo squadratore) forniscono in uscita un’ onda triangolare e una quadra, le quali dovranno essere amplificate (o attenuate) in modo da avere in uscita ampiezze simili.

Per ottenere la sinusoide, si parte dall’ onda triangolare attenuando i picchi rendendoli più arrotondati, per fare questo si ricorre alle caratteristiche delle giunzioni dei diodi al silicio, che fino a 0,5V presentano una resistenza differenziale di decine di Mohm, ma da 0,5V a 0,6 il valore ohmico si riduce in modo esponenziale (seguendo la curva del diodo) per arrivare a poche decine di ohm a 0,7V, queste caratteristiche dei diodi D3 e D4 permettono di trasformare un’ onda triangolare in onda sinusoidale.

Il potenziometro R5 serve a determinare la costante di tempo dei condensatori interessati sull’ integratore (cioè C1, C2, C3 o C4), regolando R5 tra il suo valore massimo e minimo, si ottiene una perfetta escursione di frequenze da 10Hz fino a oltre 100Khz.

Il trimmer R1 e i diodi d1 e D2 servono invece a regolare una perfetta simmetria del segnale per avere un duti cycle del 50%.

Dal pin 15 di U1 è possibile prelevare un segnale triangolare che una volta amplificato e adattato serve alla rete R10, R11, D3 e D4 a formare la sinusoide come descritto prima.

I condensatore C6, C8 e R12 servono solo a mantenere una polarizzazione abbastanza perfetta per evitare picchi di segnali sporchi durante le commutazioni passando da una forma d’ onda all’ altra, mentre dil pin 12 si preleva una perfetta onda quadra con ampiezza Vpp = Vcc, cioè un picco picco di 4,5V.

Attraverso R16 noi sfruttiamo questo degnale per pilotare Q2 che darà in uscita un segnale TTL compatibile, necessario per pilotare logiche digitali o frequenzimetri o altro ancora.

Le ultime due porte NOT presenti in U1 le abbiamo usare come amplificatore adattatore il cui compito è quello di pilotare il transistor Q1 usato come buffer separatore a guadagno unitario.

Dall’ emettitore di Q1 è possibile prelevare un segnale BF completo a bassa impedenza che poi doseremo attraverso R20. in base alle nostre esigenze.

Elenco componenti:

 

R1 = 10KΩ trimmer

R2 = 47KΩ 0,25W

R3 = 68KΩ 0,25W

R4 = 100KΩ 0,25W

R5 = 1MΩ potenziometro lineare

R6 = 820Ω 0,25W

R7 = 100KΩ trimmer

R8 = 33KΩ 0,25W

R9 = 100KΩ 0,25W

R10 = 10KΩ 0,25W

R11 = 180KΩ 0,25W

R12 = 270KΩ 0,25W

R13 = 100KΩ 0,25W

R14 = 390KΩ 0,25W

R15 = 56KΩ 0,25W

R16 = 47KΩ 0,25W

R17 = 100KΩ 0,25W

R18 = 2,2KΩ 0,25W

R19 = 680Ω 0,25W

R20 = 4,7KΩ potenziometro lineare

R21 = 390Ω 0,25W

C1 = 22nF 25V ceramico

C2 = 2,2nF 25V ceramico

C3 = 180pF 25V ceramico

C4 = 15pF 25V ceramico

C5 = 100nF 25V ceramico

C6 = 47uF 10V elettrolitico

C7 = 3,3pF 25V ceramico

C8 = 22uF 10V elettrolitico

C9 = 3,3pF 25V ceramico

C10 = 100uF 10V elettrolitico

C11 = 100uF 10V elettrolitico

C12 = 220uF 10V elettrolitico

D1 = diodo tipo 1N4148

D2 = diodo tipo 1N4148

D3 = diodo tipo 1N4148

D4 = diodo tipo 1N4148

Q1 = transistor NPN tipo BC337 – BC237 – BC537 o simili

Q2 = transistor NPN tipo BC337 – BC237 – BC537 o simili

U1 = integrato C/MOS tipo HCF4049UB

SW1 = doppio deviatore da stampato

SW2 = deviatore da stampato

SW3 = deviatore da stampato

SW4 = deviatore da stampato

SW5 = deviatore da stampato

Dal disegno del circuito stampato si può notare l’ assenza dei fori di fissaggio, questo perché abbiamo usato la parte filettata dei deviatori SW1-SW5 come fissaggio stesso al contenitore in plastica.

Per il montaggio rimandiamo al disegno raffigurato qui sotto:

Taratura:

 

L’ operazione di taratura di questo circuito non è particolarmente difficile ma solo per chi possiede un orecchio perfetto, cioè in grado di percepire la presenza di armoniche, ma sappiamo che non tutti hanno l’ orecchio da musicista, quindi sembra che sia proprio necessario l’ uso dell’ oscilloscopio.

Come prima cosa bisogna portare il trimmer R1 a metà corsa e impostare SW3 e SW4 su onda quadra, alimentare il circuito e collegando l’ oscilloscopio in uscita, regolare R1 per avere una perfetta simmetria d’ onda (qualora non lo dovesse essere) facendo riferimento alla scala dei tempi.

Fatto questo, controllare l’ onda triangolare, semplicemente spostando SW3 nella relativa posizione.

Ora procedere alla regolazione della sinusoide, per fare questo, spostare SW4 nella giusta posizione e regolare il trimmer R7 fino a vedere una sinusoide il più perfetta possibile (cioè senza punte dovute al cambio di polarità dell’ onda quadra e senza troppe spanciate dovute alla saturazione dei diodi D3 e D4 per segnale troppo elevato.

Fatto questo, riportare SW4 nella posizione relativa alla triangolare e verificare che l’ ampiezza è cambiata rispetto al primo controllo veloce.

Ora non resta altro da fare che racchiudere il tutto nel contenitore che il circuito è pronto per l’ uso.