|
Als u lang genoeg zoekt, kunt u deze digitale laagfrequent functiegenerator module voor € 10,30 op de kop tikken. Ingebouwd in een kastje betaalt u er € 20,14 voor. Leuke prijsjes voor een generatortje dat alle basissignalen tot 65,5 kHz genereert.
|
Kennismaking met de FG-050
Uitgebreide achtergrondinformatie over het begrip 'functiegenerator'
Op dit blog is een uitgebreid artikel verschenen met algemene informatie over alles dat met functiegeneratoren te maken heeft. In dit artikel bespreken wij:
- De specificaties van dergelijke apparaten.
- Het verschil tussen analoge en digitale functiegeneratoren.
- De principiële werking van analoge functiegeneratoren.
- De principiële werking van digitale functiegeneratoren.
- De functiegenerator in het hobby-laboratorium.
Klik op de onderstaande link:
Deze module wordt onder diverse namen op de markt gebracht, zoals 'FG-050', 'DDS Function Signal Generator Module' of '1Hz-65534Hz Digital DDS Function Signal Generator'. Sommige printen hebben de originele kleur van het epoxy basismateriaal, andere uitvoeringen zijn met een zwarte laklaag afgewerkt. De print layout is wél identiek en de toegepaste elektronica ook. De compleet gemonteerde en afgeregelde module wordt aangeboden voor prijzen die bij de meeste aanbieders rond € 15,00 liggen. Eén aanbieder zat, op het moment van het schrijven van dit verhaal, met zijn prijs van € 10,30 ver onder de concurrenten, maar dit was een speciale aanbieding zonder vermelding van de duur van deze aanbieding.
 |
| De twee zijden van de module FG-050. (© 2018 Jos Verstraten) |
Via eBay vonden wij één leverancier die de elektronica van deze module in een behuizing levert. De print is iets anders, de drukknopjes zijn namelijk vervangen door een connector voor een platte kabel die de print verbindt met de gedrukte drukknopjes op het frontpaneeltje. Als u hiervoor kiest betaalt u ongeveer € 20,00.
 |
| De module ingebouwd in een kunststof behuizing. (© eBay) |
Als u een 3D-printer bezit kunt u uw eigen behuizing printen via de site Thingiverse. Alle noodzakelijke bestanden staan hier klaar ter download.
De specificaties van de FG-050
Deze digitale functiegenerator is een typisch laagfrequent apparaat. Het frequentiebereik van de uitgang DDS OUT gaat immers maar van 1 Hz tot 65.534 Hz. Met twee drukknopjes stelt u de frequentie in, met twee andere drukknopjes de vorm van het uitgangssignaal. U kunt kiezen tussen:
- Sine wave (sinusvormige spanning)
- Square wave (rechthoekvormige spanning)
- Triangle (driehoekvormige spanning)
- Sawtooth (zaagtandvormige spanning)
- Reverse sawtooth (omgekeerde zaagtand)
- ECG (electrocardiogram spanning)
- Noise (ruis)
- High Speed (hoge frequentie, lees verder)
Er zijn slechts twee draaipotentiometers aanwezig. Eén potentiometer is bedoeld voor het instellen van de amplitude van het uitgangssignaal op de DDS OUT uitgang, de tweede voor het instellen van een DC-offset op deze uitgang.
Met de vijfde drukknop ON/OFF kiest u voor ofwel de OFF-modus, waarin u de vorm en de frequentie van het signaal kiest, ofwel voor de ON-modus waarin u dit signaal op de uitgang zet.
Daarnaast is een tweede uitgang aanwezig, HS OUT genoemd, waar u uitsluitend rechthoekvormige High Speed signalen met een niet instelbare amplitude kunt aftakken met vier vaste frequenties tot 8 MHz.
De door de fabrikant gegeven specificaties van de FG-050 zijn:
- Voedingsspanning: 7,0 Vdc tot 9,0 Vdc
- Frequentie DDS OUT: 1 Hz tot 65,534 kHz
- Frequentie HS OUT: 1 - 2 - 4 - 8 MHz
- Resolutie instelling frequentie DDS OUT: 1 - 10 - 100 - 1.000 - 10.000 Hz
- Amplitude DDS OUT: 15 Vtop-tot-top max.
- DC-offset DDS OUT: 5 Vtop-tot-top max.
- Uitgangsimpedantie DDS OUT: 200 Ω max.
- Display: LCD, 16 x 2 karakters van 5 x 7 dots (type 1602)
- Afmetingen module: 10,0 cm x 8,0 cm x 3,5 cm
De elektronica
In onderstaande figuur is een deel van het schema van de FG-050 voorgesteld en wel dat deel dat verantwoordelijk is voor het genereren van de uitgangssignalen. Onze excuses voor de slechte kwaliteit van dit schema, maar het is het enige dat wij konden vinden en wij vonden het zo'n interessante informatie dat wij u dit niet wilden onthouden. Het geeft wél een goede indruk van de manier waarop de FG-050 werkt. Hart van de schakeling is uiteraard de microcontroller, een ATMEGA16A. Links van deze chip herkent u ongetwijfeld het kristal dat de klok genereert, samen met zijn twee condensatoren. Onder staat de reset- en de indicatie-LED-schakeling. De vijf drukknoppen sturen rechtstreeks de PD-in/uitgangen van de microcontroller. Let op het feit dat de HS OUT uitgang ook rechtstreeks met een van deze pennen is verbonden! Links onder worden de acht PA-uitgangen aangeboden aan de resistieve digitaal naar analoog omzetter. Bij dit goedkoop apparaatje wordt gebruik gemaakt van een R/2R-omzetter. Eenvoudig, maar niet al te best wat betreft hoogfrequent eigenschappen! De parasitaire capaciteiten van de weerstanden beïnvloeden namelijk in hoge mate de pulsweergave van zo'n R/2R-DAC. Het analoge signaal wordt in een dubbele op-amp van het type NE5532 verder verwerkt. In de eerste op-amp wordt de DC-offset aan het signaal toegevoegd, in de tweede op-amp wordt de amplitude van het uitgangssignaal ingesteld. De DDS OUT uitgang is rechtstreeks verbonden met de uitgang van de tweede op-amp.
In het midden van het schema staat de AAN/UIT-schakelaar en pijltjes naar de voeding, die niet in dit schema is getekend. De 9,0 Vdc voedingsspanning die u aan het apparaat moet aanbieden wordt met een 78L05 gestabiliseerd op 5 V voor de microcontroller. Met een ICL7660S wordt uit de +9 V voeding spanningen van ±12 V afgeleid voor het symmetrisch voeden van de twee op-amp's.
 |
| Het schema rond de microprocessor. (© 2018 Jos Verstraten) |
Na het verwijderen van de display-print, die met twee boutjes op de basisprint is bevestigd, kunt u de diverse blokken van de elektronica gemakkelijk herkennen, zie onderstaande foto.
 |
| De elektronica op de basisprint. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het werken met de FG-050
Stel eerst de resolutie in!
Na het inschakelen van het apparaat gaat de uitgang naar de laatst ingestelde parameters. Het eerste dat u dus moet doen is de frequentie instellen op de nieuwe gewenste waarde. Nu hebt u slechts twee drukknopjes, LEFT en RIGHT, om dat te doen. Met LEFT verlaagt u de frequentie, met RIGHT verhoogt u deze grootheid. Het is handig eerst de 'Frequency Step' in te stellen. Deze waarde bepaalt met hoeveel Hz de frequentie stijgt of daalt als u éénmaal op een van deze knopjes drukt. U kunt kiezen tussen 1 Hz, 10 Hz, 100 Hz, 1 kHz en 10 kHz. Als de frequentie staat ingesteld op 1 kHz en u wilt naar 50 kHz is het niet handig de Step op 1 Hz in te stellen, u moet dan veel te lang op het 'RIGHT' knopje drukken. U stelt dan de Step in op 10 kHz. Dat doet u als volgt. Druk eerst op de START/STOP knop tot er 'OFF' in het display verschijnt. Druk dan op de knop UP tot er 'Freq Step' in het display verschijnt. Met de knopjes LEFT en RIGHT kunt u vervolgens de gewenste resolutie instellen.
 |
| Het selecteren van de resolutie van de frequentie-instelling. (© 2018 Jos Verstraten) |
Selecteer de gewenste golfvorm met de knopjes UP en DOWN en de gewenste frequentie met de knopjes LEFT en RIGHT. Het zal in de meeste gevallen noodzakelijk zijn de Step bij deze laatste handeling terug te zetten naar een lagere waarde, zodat u de frequentie eventueel op de Hz nauwkeurig kunt instellen. Dat is alles, meer dan dat is er aan de FG-050 niet in te stellen.
 |
| Het instellen van een sinussignaal met een frequentie van 1 kHz. (© 2018 Jos Verstraten) |
Druk tot slot op de knop START/STOP tot 'ON' in het display verschijnt. Afhankelijk van de geselecteerde golfvorm verschijnt het signaal op de ene of de andere BNC-uitgang.
De FG-050 op de testbank
Het genereren van sinussen
Het zal duidelijk zijn dat de FG-050 een sinus van 1 kHz zonder problemen en zichtbare vervorming weergeeft. Echter, als u de amplitude potentiometer helemaal opendraait loopt het signaal vast tegen een positieve drempel van +8,0 V en een negatieve drempel van -6,9 V. Het instellen van een DC-offset heeft bij deze waarde van de uitgangsspanning dan ook helemaal geen zin. De maximale top-tot-top waarde die uit ons testexemplaar kwam bedroeg dus 14,9 V, dat is in overeenstemming is met de specificatie die de fabrikant opgeeft (15 V).
Interessanter is te onderzoeken hoe het signaal er bij de maximale frequentie van 65,534 kHz uitziet. In onderstaand oscillogram hebben wij dat weergegeven. De twee horizontale cursorlijnen geven de signaaltoppen aan bij een frequentie van 1 kHz. Uit dit oscillogram blijken drie dingen. Bij deze frequentie is er duidelijk sprake van een flinke harmonische vervorming op het uitgangssignaal. Bovendien is de top-tot-top waarde van het uitgangssignaal iets afgenomen ten opzichte van deze bij 1 kHz. De frequentie wijkt iets af van de ingestelde waarde, namelijk 65,536 kHz in plaats van 65,534 kHz. Maar dit laatste is een beetje spijkers op laag water zoeken, want de afwijking is nauwelijks in procenten uit te drukken.
 |
| Het maximale sinussignaal bij de maximale frequentie van 65,534 kHz. (© 2018 Jos Verstraten) |
Dat de R/2R-ADC zeer slechte hoogfrequent eigenschappen heeft blijkt bij de generatie van rechthoek pulsen. Zelfs een puls met een frequentie van 20 kHz wordt met onbetamelijk grote stijg- en daaltijden weergegeven, zie onderstaand linker oscillogram. Bij 65 kHz wordt de kwaliteit van het signaal uiteraard nog slechter, zie het rechter oscillogram.
 |
| Rechthoek pulsen van 20 kHz en 65 kHz. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het genereren van een zaagtand is een ideaal middel om de lineariteit van de DAC te testen. Immers, bij iedere verhoging of verlaging van de digitale code met één bit moet de analoge spanning met een kleine maar steeds even grote stap dalen of stijgen. De zaagtand met dus kaarsrecht zijn. Bij een R/2R-DAC is dat alleen te verwachten als voor alle weerstanden in het netwerk uiterst nauwkeurige exemplaren worden toegepast, bij voorkeur met een tolerantie van 0,1%. Bij een goedkoop apparaat als deze FG-050 is dat gegarandeerd niet het geval. Dat blijkt ook uit onderstaand oscillogram, waar duidelijk twee knikken aanwezig zijn in de zaagtand. Deze knikken duiden op een niet-lineariteit in de digitaal naar analoog omzetter. Dat kan al veroorzaakt worden door één weerstand uit de keten van zestien, die toevallig een iets hogere of lagere waarde heeft dan de overigen. Op deze foto ziet u ook goed hoe de analoge spanning bestaat uit een 'trapvormige benadering' van een échte zaagtand. Daar kan de FG-050 niets aan doen, dat is nu eenmaal een fundamentele eigenschap van iedere digitaal naar analoog omzetting.
 |
| Test van de lineariteit van de DAC door het genereren van een zaagtand. (© 2018 Jos Verstraten) |
Om de een of andere onduidelijke reden hebben alle goedkope in China geproduceerde functiegeneratoren de mogelijkheid om een ECG-puls te genereren. Een ECG is een grafische weergave van de elektrische activiteit in de hartspier. De letters ECG staan voor 'ElektroCardioGram', bij leken beter bekend als een 'hartfilmpje'. Een ECG registreert de elektrische prikkel die de spiercellen in het hart laat samentrekken. In onderstaande afbeelding ziet u links de puls die de FG-050 genereert en rechts hoe een ECG-puls van een gezond mens er volgens de medische boekjes uit moet zien.
 |
| De ECG-puls van de FG-050 vergeleken met de ideale puls. (© 2018 Jos Verstraten) |
Zoals blijkt uit de schema-beschrijving komen deze pulsen rechtstreeks uit de microcontroller. De FG-050 genereert deze pulsen als u met de UP en DOWN knopjes de optie High Speed selecteert en nadien met de knopjes LEFT en RIGHT de frequentie instelt op 1 MHz, 2 MHz, 4 MHz of 8 MHz. Vergeet niet uw meetkabel te verplaatsen naar de bovenste BNC-connector! Zoals blijkt uit onderstaand oscillogram hebben deze pulsen een amplitude van 5 V, zoals te verwachten was. De blauwe horizontale lijn geeft de 0 V referentie weer. Opgemerkt moet worden dat de kwaliteit van de pulsen in grote mate afhangt van de gebruikte afgeschermde kabel. Deze foto is gemaakt met een gecompenseerde 1/10 meetprobe aangesloten op de BNC-connector van de print. Bij een 1/1 kabel is er sprake van nog meer overshoot en ringing op de puls, waarschijnlijk veroorzaakt door de impedantie van de kabel.
 |
| De High Speed uitgang ingesteld op een frequentie van 8 MHz. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het grote nadeel van deze uiterst goedkope schakelingetjes is dat er nauwelijks aandacht wordt besteed aan de amplitude instelling. Een simpele potentiometer is in feite bij de praktische toepassing in het lab niet bruikbaar. Stel dat u de FG-050 wilt gebruiken om de gevoeligheid van een audio eindversterker te testen. U sluit de functiegenerator, ingesteld op een sinus van 1 kHz, aan op de ingang van de versterker, zet een wisselspanningsmeter op de belaste uitgang en voert de ingangsspanning op tot de versterker het gespecificeerde vermogen levert.
U kunt dan de grootte van de ingangsspanning meten en weet wat de gevoeligheid van de versterker is. Echter, als u de potentiometer van de FG-050 zover terug draait dat de generator een spanning van 100 mV effectief levert, verschijnt het onderstaande signaal op de DDS OUT. De 1 kHz sinus is volledig verruist door restanten van het kloksignaal van de microcontroller. Als u een dergelijk signaal aan de ingang van een audioversterker aanlegt is de kans groot dat de eindtransistoren doorslaan als gevolg van teveel thermische hoogfrequent energie.
Voor deze onvolmaaktheid bestaat slechts één remedie: de uitgang van de functiegenerator afsluiten met een vrij laagohmige en goed afgeschermde 1/10 weerstandsdeler, zodat u de amplitude potentiometer op de generatorprint niet bijna helemaal moet dichtdraaien om 100 mV in uw versterker te sturen.
 |
| Een 1 kHz sinus van 100 mV effectief wordt flink verontreinigd door HF-ruis. (© 2018 Jos Verstraten) |
Als u deze (of een andere) goedkope functiegenerator wilt afsluiten met een werkelijke goede amplitude-insteller, waarmee u de uitgangsspanning desgewenst tot op 10 mV kunt instellen, verwijzen wij u naar het schema in onderstaande link:
Het schema van een breedbandige universele eindtrap
Conclusie
De FG-050 is een leuke functiegenerator voor de niet veeleisende elektronica hobbyist. In het audiobereik van 10 Hz tot 20 kHz levert de generator uitstekend bruikbare signalen, in de veronderstelling dat u een 1/10 of zelfs 1/100 weerstandsdeler op de uitgang aansluit. Jammer is dat u geen uitgangssignaal krijgt op het moment dat u de frequentie instelt. Het snel doorfluiten van een audioversterker door de frequentie met één potentiometer-draai te sweepen van 20 Hz tot 20 kHz hoort dus niet tot de mogelijkheden. Jammer, want met de drukknopbesturing had dat gemakkelijk gekund.
GeekTech FG-050 DSS Function Generator
