|
De FG-100 is een kleine digitale functiegenerator voor laagfrequent toepassingen die via de bekende Chinese internet verkoopkanalen voor prijzen rond dertig euro wordt aangeboden. Een absolute bodemprijs voor een dergelijk apparaatje.
|
Kennismaking met de FG-100
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:
Om maar meteen in huis te vallen met dat wat iedere elektronicus het belangrijkste vindt van een apparaat, de specificaties van de FG-100:
- Golfvormen: sinus, rechthoek, driehoek, positieve en negatieve zaagtanden
- Frequentiebereik sinus: 1 Hz - 500 kHz
- Frequentiebereik rechthoek: 1 Hz - 20 kHz
- Frequentiebereik driehoek: 1 Hz - 20 kHz
- Frequentiebereik zaagtanden: 1 Hz - 20 kHz
- Uitgangsspanning: 0 V - ±10 V top-tot-top
- Uitgangsimpedantie: 50 Ω
- Vervorming sinus: kleiner dan 1 % (1 kHz)
- Resolutie frequentie-instelling: 1 Hz
- DC-offset: ±10 V max.
- Display: LCD1602, 2 x 16 karakters, 58 mm x 9,4 mm
- Microcontroller: ATMega48, 8 bit
- Voedingsspanning: 3,5 Vdc - 10 Vdc
- Voedingsstroom: 300 mA typisch
- Afmetingen: 140 mm x 80 mm x 35 mm
- Gewicht: 184 g
De presentatie
De FG-100 wordt geleverd in een stevige kunststof behuizing. Het frontplaatje is hier niet op gezeefdrukt, maar geprint op een stevige zelfklevende folie die op het kastje is geplakt. Wij hebben twee exemplaren voor deze test besteld, bij één was deze folie in een hoek los gaan zitten waardoor er helaas een lelijke vouw was ontstaan in het frontplaatje. Op sommige modellen wordt als fabrikant 'EZM Electronics Studio' vermeld, andere leveranciers leveren echter een behuizing af zonder enige vermelding van fabrikant. Een zoektocht op internet naar EZM levert overigens niets op.
 |
| Ondanks de lage prijs ziet de FG-100 er zeer presentabel uit. (© Banggood) |
Om geld te sparen wordt de FG-100 geleverd zonder voeding. U moet het apparaatje voeden uit een gestabiliseerde gelijkspanning tussen 3,5 V en 10 V. Op de linker zijkant is een standaard 3,5 mm voedingsconnector aanwezig. Het apparaat wordt geleverd met een vrij korte voedingskabel die eindigt in een USB-A connector. Voor de tests hebben wij de functiegeneratoren gevoed uit een gestabiliseerde netstekkervoeding die was ingesteld op 5 V.
De bediening van de FG-100
De lage prijs heeft uiteraard als consequentie dat de ontwerpers alle dure onderdelen zoals draaischakelaars en nauwkeurige potentiometers zoveel mogelijk hebben weg bezuinigd. U moet het apparaatje bedienen met acht drukknopjes en twee potentiometers.
 |
| De functie van de tien bedieningsknoppen. (© 2017 Jos Verstraten) |
De bediening van de FG-100 is niet zo handig als u van een professionele functiegenerator gewend bent. Bij het inschakelen van het apparaat stelt de software de FG-100 in op een sinus van 100 kHz en komt het apparaat in de STOP-modus terecht.
Let op! Op de uitgang staat dan een gelijkspanning van -10 V bij volledig opengedraaide amplitude potentiometer.
Eerst na een druk op de knop RUN/STOP levert de generator de beloofde sinus met een frequentie van 100 kHz en een top-tot-top waarde van ±10 V. Een vreemde keuze van de ontwerpers, handiger zou een opstartfrequentie van 1 kHz zijn, want die 100 kHz ligt volledig buiten het gespecificeerde bereik voor rechthoek, driehoek en zaagtand. Die worden immers slechts tot 20 kHz gespecificeerd.
 |
| De FG-100 start op met een sinus van 100 kHz. (© 2017 Jos Verstraten) |
Voor het instellen van de uitgangsfrequentie op een andere waarde moet u de volgende stappen uitvoeren:
- Druk op de knop RUN/STOP, de uitgangsspanning gaat naar 0 V.
- Selecteer met de drukknop CURSOR het cijfer dat u wilt aanpassen, dit cijfer gaat knipperen.
- Stel met de drukknopjes + en - het cijfer in op de gewenste waarde.
- Druk tot slot weer op RUN/STOP, de uitgang levert een sinus met de ingestelde frequentie.
Instellen van de golfvorm
- Druk op de knop RUN/STOP, de uitgangsspanning gaat naar 0 V.
- Druk op de knop MODE tot de gewenste golfvorm in het display verschijnt.
- Druk tot slot weer op RUN/STOP, de uitgang levert de geselecteerde golfvorm.
Instellen van de amplitude
Daarvoor staat één potentiometer ter beschikking aan de rechter zijkant van de behuizing. Op dit punt krijgt u het meest te maken met de beperkingen van zo'n goedkoop apparaatje. Bij professionele functiegeneratoren hebt u, naast een amplitude-potentiometer, ook nog een standenschakelaar ter beschikking, waarmee u de decade van de uitgangsspanning kunt selecteren:
- 0 mV tot ±10 mV.
- 0 mV tot ±100 mV.
- 0 V tot ±1 V.
- 0 V tot ±10 V.
Met een dergelijke instelling is het geen probleem om de uitgangsspanning in te stellen op 5 mV voor het aansturen van een gevoelige microfoonversterker. Bij de FG-100, met zijn ene potentiometer die regelt tussen 0 V en ±10 V, kunt u dat rustig vergeten. Zelfs als u de potmeter ietsjes opendraait, levert de FG-100 al een spanning van ±100 mV, met een hele hoop ruis en quantiseringseffecten die gratis worden meegeleverd. Als u uit de FG-100 bruikbare mV-signalen wilt halen, moet u dus op de uitgang een externe spanningsdeler aansluiten.
 |
| Het nadeel van slechts één amplitude-potentiometer: het instellen van een kleine zuivere spanning is onmogelijk. (© 2017 Jos Verstraten) |
Met deze optie kunt u een instelbare gelijkspanning superponeren op het uitgangssignaal. U schakelt deze optie in door het drukken op de knop DC OFFSET ON/OFF en het verdraaien van de potentiometer op het frontpaneeltje. U moet er rekening mee houden dat de uitgangsspanning vastloopt tegen de grenzen +10 V en -10 V en dat de bruikbaarheid van deze optie heel begrensd is.
Inschakelen van een filter
Met de drukknop FILTER schakelt u, zo is de gedachte, een laagdoorlaat filter in waarmee u de quantiseringsruis op het uitgangssignaal kunt minimaliseren. Zo is de gedachte, want een handleiding van de FG-100 zult u tevergeefs op internet zoeken. De invloed van dit filter hebben wij echter niet kunnen achterhalen bij geen van beide testexemplaren. Zelfs als een rechthoek van 20 kHz wordt gegenereerd is er op de scoop geen enkel verschil te zien mét of zonder filter.
De elektronica in de FG-1000
De print van de FG-100
De dubbelzijdige print ziet er erg professioneel uit, niets op aan te merken. Omdat de voeding minimaal +3,5 Vdc bedraagt en de uitgang tot maximaal ±10 V uitgestuurd kan worden, moet er heel wat elektronica in de voedingsvoorziening aanwezig zijn. Dat klopt, hart van dit deel van de schakeling is een MC34063A geschakelde spanningsvermenigvuldiger, gevolgd door twee diode-gelijkrichters voor de positieve en negatieve voedingsspanningen en een AMS117 stabilisator voor 5 V. Drie elco's zorgen voor de afvlakking van de drie voedingsspanningen +13,0 V, -13,0 V en +5,0 V.
De analoge uitgangstrap is opgebouwd rond twee operationele versterkers van het type TL072C. Met hun bandbreedte van 3 MHz en hun slew-rate van 13 V/µs bepalen zij het maximale frequentiebereik voor de golfvormen rechthoek, zaagtand en driehoek. Deze golfvormen bevatten namelijk veel hoge harmonischen die verzwakt worden door de beperkte bandbreedte van deze operationele versterkers.
 |
| De print van de FG-100 bevat drie duidelijk te onderscheiden functiedelen. (© 2017 Jos Verstraten) |
Onder de microcontroller treft u een heleboel weerstandjes aan in een een-op-twee verhouding. Deze vormen zonder enige twijfel de digitaal naar analoog omvormer, die de data uit het geheugen van de microcontroller omzet in een analoge spanning. Een dergelijke DAC noemt men een 'R-2R DAC' en dat is zonder twijfel de eenvoudigste en vooral goedkoopste DAC-schakeling die denkbaar is.
Het nadeel van deze omvormer ligt voor de hand. Op alle punten van deze schakeling liggen verborgen parasitaire capaciteiten naar de massa. Deze vormen met de weerstanden laagdoorlaat filters die de weergave van hoge frequenties nadelig beïnvloeden.
De FG-100 op de testbank
De functiegenerator in de praktijk
Tijd om dit apparaatje aan een grondige test te onderwerpen. Alle onderstaande tests werden uitgevoerd met een belasting van 1 kΩ. Het apparaatje belasten met deze weerstand heeft nauwelijks invloed op de grootte van het uitgangssignaal. Uit de geringe daling van de spanning bij belasting konden wij berekenen dat de uitgangsimpedantie gelijk is aan 45,4 Ω, niet zover naast de gespecificeerde 50 Ω. Alle oscillogrammen zijn gemaakt met een Hantek DSO5102P digitale oscilloscoop.
De sinus-weergave
Wij hebben de sinus-weergave getest voor frequenties van 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz en 500 kHz. De amplitude van het uitgangssignaal blijft constant tot 100 kHz en neemt dan geleidelijk af. De signaalvorm blijft op het oog goed, helaas hebben wij geen vervormingsmeter ter beschikking om de harmonische vervorming te meten. De nauwkeurigheid van de frequenties is uitstekend, zoals van een digitaal systeem te verwachten is.
 |
| De sinus-uitgang voor frequenties van 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz en 500 kHz. (© 2017 Jos Verstraten) |
Wij hebben de rechthoek-weergave getest voor frequenties van 1 kHz, 10 kHz, 20 kHz en 100 kHz. De amplitude van het uitgangssignaal blijft constant. De stijg- en daaltijden nemen, zoals te verwachten was, een steeds groter deel van de totale signaalperiode in beslag. Bij een meting bleek de stijgtijd van de puls gelijk te zijn aan 1,36 µs, onafhankelijk van de frequentie-instelling. Dat komt overeen met een slew-rate van 7,2 V/µs, veel minder dan de gebruikte op-amp's aankunnen. Waarschijnlijk zorgen de parasitaire capaciteiten in het R-2R netwerk voor de verslechtering van de slew-rate van het apparaat.
 |
| De rechthoek-uitgang voor frequenties van 1 kHz, 10 kHz, 20 kHz en 100 kHz. (© 2017 Jos Verstraten) |
 |
| Meting van de stijgtijd van de voorflank van de rechthoekvormige uitgangsspanning. (© 2017 Jos Verstraten) |
Deze signaalvormen zijn niet zo interessant omdat u ze in de praktijk maar zelden zult gebruiken. Bij 1 kHz is de weergave uiteraard uitstekend, hoe het er uitziet bij 20 kHz en 100 kHz ziet u in onderstaande figuur.
 |
| Zaagtanden en driehoeken van 20 kHz (boven) en 100 kHz (onder). (© 2017 Jos Verstraten) |
De software laat toe het display in te stellen tot 999.999 Hz. Wij waren uiteraard benieuwd of er bij deze frequentie, die volledig buiten het gespecificeerde bereik ligt, toch nog iets uit de FG-100 komt. Tot onze niet geringe verbazing levert het apparaat een bruikbare sinus, hoewel flink verzwakt ten opzichte van de referentie-sinus bij 1 kHz. Zoals uit het linker oscillogram blijkt, zit er een lichte modulatie op het signaal, niet alle sinustoppen liggen op dezelfde hoogte. Bovendien is het uitgangssignaal niet symmetrisch ten opzichte van de nul. De overige golfvormen leveren compleet chaotische en niet te beredeneren uitgangsspanningen op zoals de 'rechthoek' in het rechter oscillogram.
 |
| Sinus en rechthoek bij 999.999 Hz. (© 2017 Jos Verstraten) |
Algemene conclusie
Uit onze tests blijkt dat de FG-100 een goed bruikbare signaalgenerator is voor de hobby werkplaats. Echter, op één voorwaarde. U moet zélf het apparaatje vervolmaken met een driestanden uitgangsverzwakker, die het uitgangssignaal van de FG-100 met de factoren 1/1, 1/10 en 1/100 verzwakt. Zonder zo'n toevoeging is een nauwkeurige instelling van de uitgangsspanning absoluut onmogelijk.
FG-100 DDS Function generator
