|
Naast de XR2206 is de ICL8038 het tweede beroemde IC waarmee u snel een LF functiegenerator kunt ontwerpen. Wij testten een van de bekendste Chinese kits die voor ongeveer een tientje wordt aangeboden. Ons oordeel: niet zo best, er is meer mogelijk met een ICL8038!
|
Kennismaking met de ICL8038 functiegenerator kit
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:
Hobby-lab: functiegeneratoren
In de onderstaande foto ziet u wat het resultaat is van een uurtje knutselen. Een kastje met als afmetingen 9,0 cm x 6,0 cm x 1,8 cm waarin een complete laagfrequent functiegenerator zit. Met vier potentiometers kunt u de frequentie, de duty-cycle, de offset en de amplitude van het uitgangssignaal instellen. Om dure draaischakelaars te sparen moet u het frequentiebereik met een jumper instellen:
- 5 Hz tot 50 Hz.
- 50 Hz tot 500 Hz.
- 500 Hz tot 20 kHz.
- 20 kHz tot 400 kHz.
Met een tweede jumper selecteert u tussen sinus en driehoek op de eerste uitgang, die in amplitude en offset regelbaar is. Op de tweede uitgang staat altijd een niet in grootte instelbare rechthoekspanning ter beschikking. De twee uitgangen en de massa worden uitgevoerd onder de vorm van een driepolig printkroonsteentje. U kunt het apparaatje voeden uit een netstekkervoeding die 12 V gelijkspanning levert en deze spanning aanbiedt via een standaard 5 mm x 2,1 mm connector.
 |
| Het eindresultaat van een uurtje knutselen. (© 2019 Jos Verstraten) |
Zoals vrijwel steeds het geval is bij deze zeer goedkope Chinese bouwpakketjes worden de onderdelen samengeperst in een veel te klein plastic zakje. In dit geval zit alles opgepropt in een zakje van 15 cm bij 10 cm, met als gevolg dat in ons geval de aansluitpennetjes van een paar potentiometers flink waren verbogen. Gelukkig zitten de IC-voetjes en de IC's zélf op een stukje piepschuim, zodat de pootjes van deze onderdelen niet kunnen verbuigen.
 |
| Alle onderdelen, inclusief de behuizing, worden geleverd in een propvol zakje van 15 cm bij 10 cm. (© 2019 Jos Verstraten) |
Niets op aan te merken, alle componenten zijn van uitstekende kwaliteit en goed leesbaar gecodeerd. Helaas was bij het aan ons geleverde pakket de 78L09 niet aanwezig. In de plaats daarvan zat er een ons onbekende transistor in het pakket. Dat was even flink balen, want een dergelijke stabilisator hadden wij niet in onze onderdelen voorraad zitten.
Opmerkenswaard is dat er voor de drie DIL-IC's voetjes worden meegeleverd.
 |
| De geleverde elektronische onderdelen zijn klein, maar van uitstekende kwaliteit. (© 2019 Jos Verstraten) |
U moet de behuizing samenstellen uit zes plaatjes perspex die rond het printje passen. De vier zijwanden passen in gleuven in de boven- en onderplaat. In de bovenplaat zijn alle teksten uitgefreesd. De plaatjes zijn aan weerszijden voorzien van een goed klevend beschermend laagje van papier. U kunt de behuizing zowel mét als zonder deze papieren beschutting toepassen. Het is de bedoeling dat u de vier lange schroeven zelftappend in de bodemplaat schroeft. Vandaar dat slechts vier moertjes worden geleverd.
 |
| De onderdelen waaruit u de behuizing moet samenstellen. (© 2019 Jos Verstraten) |
De print met als afmetingen 5 cm bij 8 cm is van een uitstekende kwaliteit. Beide zijden zijn voorzien van een soldeermasker. De soldeereilandjes zijn wél bijzonder klein, dus solderen met een heel fijne punt is absoluut noodzakelijk.
 |
| De twee zijden van de print. (© 2019 Jos Verstraten) |
Tot nu toe niets dan lovende woorden over dit uiterst goedkope bouwpakketje. Dat wordt ander als wij de meegeleverde Engelstalige bouwbeschrijving kritisch bekijken. Een aanfluiting! Eén enkelzijdig bedrukt velletje A4 met niet eens het schema van de elektronica. Dwars door de onderdelenlijst is in vette Chinese karakters een tekst geprint. Op deze handleiding staat een QR-code naar een internet-pagina met meer gegevens, maar het scannen van deze code levert alleen de mededeling 'The page cannot be found' op.
Het schema
Gelukkig is het niet moeilijk om het sporenpatroon op het printje te volgen en om te zetten in een schema. Het resultaat ziet u in de onderstaande figuur. Het eerste dat opvalt is dat de ontwerpers op diverse plaatsen afwijken van het door de fabrikant van de ICL8038 voorgeschreven schema. Het frequentiebereik wordt geselecteerd door het naar de massa schakelen van een van de condensatoren C3-C4-C5-C6 via de jumper JP2. De frequentie in de gekozen band wordt ingesteld met de potentiometer R4 (FREQ). Met de potentiometer R1 (DUTY) kunt u de tijd-symmetrie van het uitgangssignaal instellen. Het netwerk R2-R10-R3-R9 wordt gebruikt voor het minimaliseren van de vervorming op de sinus. Op pen 9 staat de blokgolf ter beschikking. Dat is een open-collector uitgang die extern wordt belast met de weerstand R11 en rechtstreeks naar de uitgang JP3 gaat. De driehoek op pen 3 en de sinus op pen 2 gaan naar de jumper JP1, waarmee u de gewenste signaalvorm kunt instellen. De schakeling rond de ICL8038 wordt rechtstreeks gevoed uit de voedingsspanning die u aan het printje aansluit, dus met +12 V.
De uitgangsschakeling van de sinus en de driehoek bestaat uit twee op-amp's die in een TL082 zitten. Deze schakelingen worden symmetrisch gevoed uit twee spanningen van ±9 V. Dank zij deze symmetrische voeding kunt u de driehoek en de sinus symmetrisch maken ten opzichte van de massa zonder dat u daarvoor scheidingscondensatoren nodig hebt. Deze symmetrie kunt u instellen met de potentiometer R6 (OFFSET). Het signaal wordt tot slot in grootte geregeld met de potentiometer R5 (AMP).
Deze uitgangsschakeling is nogal merkwaardig en de auteur van dit artikel zou er een heel andere oplossing voor bedenken. Erg nieuwsgierig dus naar de prestaties van dit stukje elektronica!
 |
| Het schema van de elektronica van de functiegenerator. (© 2019 Jos Verstraten) |
In de onderstaande figuur is de voeding getekend die de ontwerpers bedacht hebben. De 12 V van de netstekkervoeding wordt ontkoppeld met C10 en voedt rechtstreeks de ICL8038. Uit deze spanning wordt door middel van een 78L09 een positieve spanning van 9 V afgeleid. Met een ICL7660S omzetter wordt uit deze spanning de negatieve voedingsspanning van -9 V gegenereerd. Dat werkt uitstekend. Bij onze schakeling waren de spanningen uit deze schakeling zo goed als symmetrisch: +8,96 V en -8,65 V.
 |
| Het schema van de voeding voor de generator. (© 2019 Jos Verstraten) |
De fabrikant geeft de onderstaande specificaties op voor dit bouwpakketje:
- Frequentiebereik: 5 Hz ~ 400 kHz in vier bereiken
- Uitgangssignalen: sinus ~ driehoek ~ blok
- Duty-cycle: 2 % ~ 95 %
- Vervorming sinus: 1 % max. na afregeling
- Lineariteit driehoek: 0,1 % max.
- Temperatuurdrift: 50 ppm/℃
- Offset: -7,5 V ~ +7,5 V
- Amplitude sinus en driehoek: 0,1 Vtop-tot-top ~ 11,0 Vtop-tot-top
- Amplitude blok: 12 V constant
- Voeding: +12 Vdc ~ +15 Vdc
- Stroomopname: 20 mA
- Afmetingen: 88,2 mm x 61 mm x 18,5 mm
- Gewicht: 82 g
De bouw van de schakeling
Het printje bestukken
Het vol solderen van het printje zal voor u, ervaren hobbyist, wel geen problemen opleveren. Denk er wel aan dat u een zeer fijne puntvormige stift op uw soldeerbout moet monteren, anders gaat u gegarandeerd een paar ongewenste soldeerbruggen maken.
 |
| Het volledig gesoldeerde printje. (© AliExpress) |
De bedoeling is dat u het printje met de vier meegeleverde boutjes en moertjes op de onderzijde van de behuizing schroeft. Dat gaat niet, de geleverde boutjes zijn te kort. Gebruik dus langere boutjes en zet dan meteen 2 mm dikke nylon ringetjes tussen de onderzijde van de behuizing en de print. Op deze manier is er ruimte voor uw solderingen, met als gevolg dat de onderzijde van de behuizing niet krom trekt als u de boutjes aandraait.
Nadien zet u de vier zijkanten vast in de gleuven in de onderzijde en monteert de frontplaat op de zijkanten. Met de vier lange boutjes kunt u nu het geheel vast schroeven. Deze speciale boutjes draaien zichzelf vast in de gaatjes in de bodemplaat van de behuizing.
Testen van het bouwpakket
Het frequentiebereik
Volgens de specificaties zou deze generator signalen genereren met frequenties van 5 Hz tot 400 kHz in vier bereiken. Als u de potentiometer 'FREQ' helemaal naar links draait valt het uitgangssignaal echter weg. U moet deze ongeveer tien graden open draaien alvorens de generator signalen genereert. In de onderstaande tabel zijn de gespecificeerde vier frequentiebereiken vergeleken met de door ons gemeten waarden.
 |
| De gemeten vier frequentiebereiken. (© 2019 Jos Verstraten) |
Pen 9 is in de ICL8038 aangesloten op een open-collector transistor. In het schema van dit bouwpakket wordt deze halfgeleider belast met een collectorweerstand R11 van 4,7 kΩ. Deze uitgang wordt rechtstreeks aangeboden aan de 'SQUARE'-uitgang van dit apparaatje. Uiteraard zijn wij dan nieuwsgierig naar de stijgtijd van het uitgangssignaal. In het onderstaande oscillogram hebben wij deze parameter weergegeven bij de maximale frequentie van 378 kHz die ons exemplaar levert.
Bij dit oscillogram moeten wij opmerken dat wij met een gecompenseerde 1/10 probe hebben gemeten, zodat de uitgang minimaal capacitief wordt belast. Als u de blokgolf rechtstreeks meet, dan is de stijgtijd een stuk slechter.
 |
| De stijg- en daaltijden van de 'SQUARE'-uitgang bij de maximale frequentie. (© 2019 Jos Verstraten) |
Deze symmetrie-instelling heeft voornamelijk zin bij de 'SQUARE'-uitgang. In de onderstaande oscillogrammen ziet u hoe de stand van deze potentiometer het uitgangssignaal beïnvloedt. Basisinstelling was de 'DUTY'-potentiometer in de middenstand en de 'FREQ'-potentiometer ingesteld op 10 kHz. Dat levert een mooie symmetrische blokgolf op. Helaas wijzigt de 'DUTY'-potentiometer niet alleen de symmetrie van het signaal, maar ook de frequentie. Volledig linksom gedraaid valt het uitgangssignaal weg. Het eerste signaal dat verschijnt bij het zeer langzaam verdraaien van deze potentiometer is een smalle positieve naaldpuls met een frequentie van slechts 2,0 kHz en een duty-cycle van 6,5 %, zie linker oscillogram. In de meest rechtse stand levert de generator een signaal met een frequentie van 12,5 kHz en een duty-cycle van 91 %.
Dat is dus niet zo best! Bij een regeling volgens het boekje zou de frequentie van het signaal constant blijven en zou alleen de tijdsymmetrie variëren. LET OP! De twee oscillogrammen hebben niet dezelfde tijdbasis instelling. Links 80 μs/div, rechts 20 μs/div.
 |
| Het uitgangssignaal bij de twee uiterste bruikbare standen van de 'DUTY'-potentiometer. (© 2019 Jos Verstraten) |
Om de een of andere reden wordt de driehoek, bij alle functiegeneratoren standaard 'TRI' genoemd, hier 'TAI' genoemd.
Bij ongeveer 10 kHz met de potentiometer 'OFFSET' in de middenstand en de potentiometer 'AMP' volledig open gedraaid levert de generator de onderstaande uitgangsspanning af. Er is dus weinig symmetrie in dit signaal te ontdekken en bovendien loopt het signaal vast tegen de positieve voedingsspanning. Ook dit is dus alles behalve hoe het hoort. Met de potentiometer 'OFFSET' in de middenstand zou het signaal volledig symmetrisch ten opzichte van de nul-as moeten verlopen.
Door het verdraaien van beide potentiometers kunt u weliswaar een mooi symmetrisch signaal uit het apparaat halen, maar soepel verloopt deze regeling niet. De stand van de 'AMP'-potentiometer heeft namelijk ook invloed op de symmetrie van het signaal.
 |
| De driehoek bij maximale 'AMP' en 'OFFSET' in de middenstand. (© 2019 Jos Verstraten) |
 |
| De mooiste 350 kHz driehoek die wij uit deze generator konden toveren. (© 2019 Jos Verstraten) |
De sinus wordt uit de driehoek afgeleid. Als u het bovenstaande oscillogram bekijkt is het duidelijk dat u niet veel goeds kunt verwachten van de sinus bij de maximale frequentie van 350 kHz. Vandaar dat wij de generator op sinus geschakeld hebben getest bij een frequentie van slechts 20 kHz. Met de twee instelpotentiometers R2 en R3 kunt u de sinus op minimale vervorming afregelen. Als u geen harmonische vervormingsmeter hebt moet u dit op het oog doen. Zoals uit het onderstaande oscillogram blijkt, blijft er op de toppen van de sinus een hardnekkig residu van de driehoek over dat niet is weg te regelen. De specificatie 'Vervorming sinus: 1 % max. na afregeling' is dus volledig uit de duim gezogen!
 |
| Bij 20 kHz zit er nog steeds heel veel vervorming op de sinus. (© 2019 Jos Verstraten) |
Ons oordeel over dit bouwpakket
Bij de bespreking van het schema schreven wij dat de ontwerpers van dit apparaat nogal hebben afgeweken van het door de fabrikant van de ICL8038 voorgeschreven schema. Dat wreekt zich in de prestaties van deze functiegenerator. Deze zijn volledig onder de maat. Met wat meer aandacht en tijd in de ontwerpfase van een schakeling rond een ICL8038 is het mogelijk een veel betere functiegenerator te ontwerpen.
Vooral de schakeling rond de dubbele op-amp TL082 is vrij waardeloos en had veel beter gekund. De 'AMP'-instelling beïnvloedt de 'OFFSET'-instelling in hoge mate, wat niet de bedoeling is en wat bij een iets ander ontwerp vermeden had kunnen worden.
Ons advies: koop dit kitje voor de onderdelen en ga zélf aan de slag met een alternatief ontwerp aan de hand van de ontelbare schema's die u via Google vindt. Wij garanderen u dat u een functiegenerator ontwerpt met betere specificaties.
ICL8038 function generator kit
