|
Via AliExpress en eBay kunt u voor ongeveer € 18,00 een bouwpakketje van een functiegenerator kopen met de MAX038 als basis. Het frequentiebereik gaat tot 20 MHz, althans volgens de aanbieders. Dat vraagt uiteraard om een uitgebreide test! |
Kennismaking met de MAX038 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
Het eindresultaat
Om u reeds nu een indruk te geven van wat u van dit pakketje kunt verwachten tonen wij in de onderstaande foto het eindresultaat. Als u bezwaar hebt tegen de bruine kleur van de behuizing kunt u deze papieren laag van het transparante plexiglas verwijderen en ziet u ook de ingewanden van uw meetapparaatje. Helaas is dan de belettering van de frontplaat niet meer aanwezig, want deze is niet in het plexiglas geëtst.
Het printje van 8,8 cm bij 4,9 cm moet u inbouwen in een plexiglazen behuizing van 9,9 cm bij 5,9 cm bij 3,2 cm. Links zit een standaard 5,5 mm x 2,1 mm voedingsaansluiting voor de voedingsspanning van 9,0 Vdc tot 15,0 Vdc. Rechts zit een viervoudig printkroonsteentje met de massa, de sync-uitgang en twee signaaluitgangen. Op de ene uitgang staat het uitgangssignaal dat de MAX038 levert, op de bovenste uitgang een in amplitude en offset regelbaar uitgangssignaal. Ook de sync-uitgang is rechtstreeks verbonden met de SYNC-pen van de MAX038.
Met de gele drukknop kunt u de vorm van het uitgangssignaal instellen op sinus, driehoek of vierkant. Met een groene jumper stelt u het frequentiebereik in acht bereiken in tussen 1,0 Hz en 20 MHz. Met een tweede groene jumper kunt u kiezen tussen een vaste duty-cycle van 50 % en een regelbare duty-cycle.
Met de vier potentiometers regelt u, van links naar rechts, de duty-cycle, de frequentie, de offset en de amplitude.
 |
| Het eindresultaat van dit bouwpakket. (© 2020 Jos Verstraten) |
De technische specificaties
Volgens de leveranciers heeft deze schakeling de onderstaande specificaties:
- Voeding: 9,0 Vdc ~ 15,0 Vdc
- Interne voedingsspanningen: ±5,0 Vdc
- Signaalvormen: sinus, driehoek, rechthoek, zaagtand
- Frequentiebereik: 1 Hz ~ 20 MHz
- Temperatuur drift: 200 ppm/°C
- Duty-cycle: 15 % ~ 85 %
- Vervorming sinus: 0,75 % typisch
- Lineariteit driehoek: 0,1 % typisch
- Uitgangsspanning: 9,5 Vtop-tot-top max.
- Offset: ±5,0 V max.
Het zal duidelijk zijn dat de specificatie 'zaagtand' met een korreltje zout genomen moet worden. Als de duty-cycle instelbaar is tot slechts 85 % kan er van de generatie van een mooie zaagtand met steile achterflank geen sprake zijn.
De levering van het pakket
Zoals bij de meeste Chinese bouwpakketten wordt er weinig aandacht besteed aan de verpakking bij levering. In dit geval zitten alle elektronische onderdelen opgepropt in één plastic zakje en de onderdelen van de behuizing in een tweede. Het gevolg was dat bij ons bouwpakket het 20-polige IC-voetje onherstelbaar beschadigd was. Er wordt één velletje papier meegeleverd dat de bouwbeschrijving moet voorstellen. Op dat velletje papier staat een kleine tekening van de componentenopstelling plus een tabel met alle onderdelen. Om een ondoorgrondelijke reden wordt over deze tabel een of andere Chinese kreet geprint, zodat sommige rijen van de tabel gedeeltelijk onleesbaar zijn. Een uitgebreidere bouwbeschrijving is te vinden op:
Zoals bij de meeste Chinese bouwpakketten wordt er weinig aandacht besteed aan de verpakking bij levering. In dit geval zitten alle elektronische onderdelen opgepropt in één plastic zakje en de onderdelen van de behuizing in een tweede. Het gevolg was dat bij ons bouwpakket het 20-polige IC-voetje onherstelbaar beschadigd was. Er wordt één velletje papier meegeleverd dat de bouwbeschrijving moet voorstellen. Op dat velletje papier staat een kleine tekening van de componentenopstelling plus een tabel met alle onderdelen. Om een ondoorgrondelijke reden wordt over deze tabel een of andere Chinese kreet geprint, zodat sommige rijen van de tabel gedeeltelijk onleesbaar zijn. Een uitgebreidere bouwbeschrijving is te vinden op:
 |
| De levering van dit bouwpakket. (© 2020 Jos Verstraten) |
De elektronica van dit MAX038 bouwpakket
Kennis vergaren over de MAX038
Als u dit bouwpakket koopt adviseren wij u ons artikel over de werking van de MAX038 te lezen:
Componenten: MAX038, functiegenerator
De ontwerpers van dit bouwpakket hebben niet de moeite gedaan een goed leesbaar schema van hun creatie op internet te zetten. Vandaar dat wij een en ander hebben ontcijferd en omgezet in goede schema's die wij in de volgende paragrafen toelichten.
De ontwerpers van dit bouwpakket hebben niet de moeite gedaan een goed leesbaar schema van hun creatie op internet te zetten. Vandaar dat wij een en ander hebben ontcijferd en omgezet in goede schema's die wij in de volgende paragrafen toelichten.
De schakeling rond de MAX038
Het onderstaand schema bevat het deel van de schakeling rond de MAX038. Voor het selecteren van de golfvorm wordt de drukknop S1 gebruikt. Deze stuurt een van de ingangen van de geprogrammeerde microcontroller MCU1103 (U2). Twee uitgangen van dit IC gaan rechtstreeks naar de A0 en A1 ingangen van de MAX038. De code-combinatie op deze twee pennen bepaalt of de generator een sinus-, driehoek- of rechthoekvormige spanning genereert.
De MAX038 (U5) wordt gevoed tussen +5 V en -5 V. Beide spanningen worden bij het IC ontkoppeld met de condensatoren C2 en C3. In totaal gaan negen pennen naar de massa.
Het frequentiebereik wordt ingesteld door middel van de printheader P1. U kunt de 2,54 mm jumper in een van de acht posities zetten:
- 2 MHz ~ 20 MHz
- 300 kHz ~ 2 MHz
- 70 kHz ~ 300 kHz
- 7 kHz ~ 70 kHz
- 700 Hz ~ 7 kHz
- 75 Hz ~ 700 Hz
- 6 Hz ~ 75 Hz
- 1 Hz ~ 6 Hz
Dat is een nogal vreemde bereiken indeling, maar dat heeft uiteraard alles te maken met de waarden van de condensatoren C15 tot en met C21 die deze frequentiebereiken definiëren. De fijnregeling van de frequentie wordt uitgevoerd met de potentiometer R9, die een instelbare stroom stuurt in de IIN-pen van de MAX038. Met de printheader W5 kunt u kiezen of u een tijdsymmetrische uitgangsspanning wilt of een waarvan u de duty-cycle kunt instellen. In het laatste geval kunt u deze grootheid regelen met behulp van de potentiometer R10. Beide potentiometers worden gevoed uit de in de MAX038 aanwezige spanningsreferentie die op pen 1 ter beschikking staat. Deze spanning wordt ontkoppeld met de condensator C7. De sync-uitgang op pen 14 wordt rechtstreeks uitgevoerd naar het printkroonsteentje H2. De signaaluitgang op pen 19 wordt aangeboden aan de ingang van de amplitude- en offset-regeling.
Het onderstaand schema bevat het deel van de schakeling rond de MAX038. Voor het selecteren van de golfvorm wordt de drukknop S1 gebruikt. Deze stuurt een van de ingangen van de geprogrammeerde microcontroller MCU1103 (U2). Twee uitgangen van dit IC gaan rechtstreeks naar de A0 en A1 ingangen van de MAX038. De code-combinatie op deze twee pennen bepaalt of de generator een sinus-, driehoek- of rechthoekvormige spanning genereert.
De MAX038 (U5) wordt gevoed tussen +5 V en -5 V. Beide spanningen worden bij het IC ontkoppeld met de condensatoren C2 en C3. In totaal gaan negen pennen naar de massa.
Het frequentiebereik wordt ingesteld door middel van de printheader P1. U kunt de 2,54 mm jumper in een van de acht posities zetten:
- 2 MHz ~ 20 MHz
- 300 kHz ~ 2 MHz
- 70 kHz ~ 300 kHz
- 7 kHz ~ 70 kHz
- 700 Hz ~ 7 kHz
- 75 Hz ~ 700 Hz
- 6 Hz ~ 75 Hz
- 1 Hz ~ 6 Hz
Dat is een nogal vreemde bereiken indeling, maar dat heeft uiteraard alles te maken met de waarden van de condensatoren C15 tot en met C21 die deze frequentiebereiken definiëren. De fijnregeling van de frequentie wordt uitgevoerd met de potentiometer R9, die een instelbare stroom stuurt in de IIN-pen van de MAX038. Met de printheader W5 kunt u kiezen of u een tijdsymmetrische uitgangsspanning wilt of een waarvan u de duty-cycle kunt instellen. In het laatste geval kunt u deze grootheid regelen met behulp van de potentiometer R10. Beide potentiometers worden gevoed uit de in de MAX038 aanwezige spanningsreferentie die op pen 1 ter beschikking staat. Deze spanning wordt ontkoppeld met de condensator C7. De sync-uitgang op pen 14 wordt rechtstreeks uitgevoerd naar het printkroonsteentje H2. De signaaluitgang op pen 19 wordt aangeboden aan de ingang van de amplitude- en offset-regeling.
 |
| De schakeling rond de MAX038. (© 2020 Jos Verstraten) |
De amplitude- en offset-regeling
Deze schakeling, weergegeven in de onderstaande figuur, maakt gebruik van een dubbele op-amp van het type AD8052 (U3). Dat is een breedbandige op-amp met een unity-gain bandbreedte van 110 MHz (-3 dB) en een slew-rate van 145 V/μs. Bovendien kan de schakeling 45 mA stroom uit de uitgang leveren. Kortom, een ideale schakeling als uitgangstrap voor zo'n breedbandige functiegenerator!
In de eerste trap kunt u de offset op de uitgangsspanning instellen met de potentiometer R6. Deze trap is een standaard inverterende versterker met een spanningsversterking van -1. De offset wordt verkregen door op de niet-inverterende ingang van de op-amp een instelbare gelijkspanning te zetten. De condensator C22 zorgt voor een extra ontkoppeling van deze spanning.
In de tweede trap wordt het signaal versterkt. Ook dat is een inverterende versterker, waarvan u de versterking kunt instellen door middel van de potentiometer R5. Staat de loper in de rechtse stand, dan hangt de inverterende ingang rechtstreeks aan de uitgang van de op-amp. Omdat de niet-inverterende ingang vast aan de massa ligt, zal ook de spanning op de inverterende ingang en dus op de uitgang naar nul gaan. Een op-amp streeft immers altijd naar spanningsgelijkheid op zijn beide ingangen. Staat de loper in de linkse stand, dan is de spanningsversterking van de schakeling maximaal.
De OUT-pen van de MAX038 gaat rechtstreeks naar de OUT1 uitgang op het printkroonsteentje H1. Op OUT-2 kunt u de uitgang van de op-amp aftakken.
 |
| De amplitude- en offset-regeling. (© 2020 Jos Verstraten) |
De voeding van de schakeling
De uitgangsspanning van de netstekkervoeding, een spanning tussen 9,0 Vdc en 15,0 Vdc, wordt via de onderstaande schakeling omgezet in twee symmetrische voedingsspanningen van ±5 V. De externe voedingsspanning, die via JK1 wordt aangeboden, gaat eerst naar een 78M05 stabilisator (U1) die er +5 V van maakt. Uit deze spanning wordt met behulp van een ICL7660 (U4) een negatieve spanning van -5 V gemaakt.
 |
| De voeding van de functiegenerator. (© 2020 Jos Verstraten) |
Het bouwen van de MAX038 functiegenerator
De print
In de onderstaande foto zijn de twee zijden van het printje weergegeven. De soldeerpad's zijn extreem klein, het komt er dus op aan een soldeerstift met een kleine punt toe te passen. Wij hebben de plaats van de zes SMD-componenten rood omkaderd.
 |
| De twee zijden van de print. (© 2020 Jos Verstraten) |
De componenten
De componenten die naar de print moeten verhuizen zijn voorgesteld in de onderstaande figuur. De MAX038 wordt geleverd mét IC-voetje.
 |
| Deze onderdelen moet u op de print solderen en monteren. (© 2020 Jos Verstraten) |
Eerste stap: solderen van C13 en C21
Deze twee condensatoren zijn condensatoren van 47 μF in subminiatuur 0805 SMD-behuizing. Dat betekent dat deze onderdeeltjes slechts 1,25 mm bij 2,00 mm groot zijn! Het is een heel gedoe om deze onderdelen op de print te solderen. Lukt u dat niet, dan is er geen man overboord. Deze twee condensatoren bepalen immers alleen het laagste frequentiebereik van 1 Hz tot 6 Hz en dat hebt u in de dagelijkse praktijk vrijwel nooit nodig.
 |
| Afmetingen en verpakking van de twee 0805 condensatoren. (© 2020 Jos Verstraten) |
Tweede stap: de SMD IC's op de print solderen
De 5 V stabilisator en drie IC's worden ook als SMD geleverd en die moet u als tweede stap op de print solderen. De chip's hebben links boven bij pen 1 een klein cirkeltje dat iets verdiept in de behuizing zit en dat op de onderstaande foto iets overdreven is weergegeven. Op deze foto ziet u hoe u de chip's moet monteren over de silkscreen symbool op de print. Vertin een van de pad's in een hoek met een kleine hoeveelheid soldeertin. Plaats vervolgens de chip op de juiste plaats terwijl u het soldeertin vloeibaar houdt. Hiervoor is een pincet essentieel. Het is belangrijk dat u het component goed op de pad's plaatst, anders kunnen de andere pad's niet goed gesoldeerd worden. Soldeer vervolgens de overige pad's. Inspecteer de verbindingen en verwijder eventueel de soldeerflux met isopropanol alcohol. Dit hoeft niet perse, maar geeft een meer afgewerkt resultaat. Als er te veel soldeer op een pad zit is deze gemakkelijk te verwijderen met een stukje desoldeerlint.
 |
| Het solderen van de SMD-chip's. (© 2020 Jos Verstraten) |
Derde stap: de overige componenten monteren
Vergeleken met het solderen van de SMD's is de montage van de overige componenten op de print kinderspel. Begin met de weerstandjes en nadien de bruine condensatoren. Meet, voor u gaat solderen, als extra controle de waarde van het onderdeel even op met uw multimeter. Wat hierbij opviel was dat de geleverde condensatoren een heel grote tolerantie hebben. Afwijkingen van meer dan 30 % werden gemeten. Als u bedenkt dat deze condensatoren verantwoordelijk zijn voor de diverse frequentiebereiken is reeds nu duidelijk dat er grote toleranties zullen zitten op de gespecificeerde bereiken.
Vervolgens komen de twee elcootjes aan de beurt, let op de plus en de min! Met het solderen van het soldeervoetje voor de MAX038, de drie printheaders, de twee printkroonsteentjes, de voedingsconnector, de drukknop en de vier potentiometers beëindigt u het soldeerwerk aan de print. Het resultaat ziet u op de onderstaande foto.
 |
| De compleet gemonteerde print. (© 2020 Jos Verstraten) |
De montage van de print in de behuizing
De behuizing bestaat, zoals vaak bij dergelijke goedkope Chinese kitjes, uit zes plaatjes plexiglas die aan beide zijden voorzien zijn van een bruine papieren schutlaag. U kunt deze verwijderen of besluiten deze te laten zitten. De vier kleine boutjes en moertjes moet u in de vier 3 mm gaten in de hoeken van de print monteren. U kunt vervolgens de print met deze boutjes in de bodemplaat van de behuizing klikken, de vier zijkanten in de bodemplaat kliken en tot slot de frontplaat in de vier zijpanelen klikken. Met de vier zelftappende boutjes schroeft u de zes plaatjes samen tot een stabiele behuizing. Monteer de vier knoppen op de assen van de potentiometers en uw functiegenerator is klaar voor gebruik.
 |
| De onderdelen van de behuizing. (© 2020 Jos Verstraten) |
Het testen van de MAX038 functiegenerator
Testcondities
Wij hebben het te testen exemplaar gevoed uit een netstekkervoeding die 12 Vdc levert. De twee intern gegenereerde voedingsspanningen bedragen bij ons exemplaar +4,859 V en -4,475 V. Alle metingen zijn uitgevoerd met een resistieve belasting van 50 Ω op de geteste uitgang en met een 1/1 oscilloscoop probe met een bandbreedte van 100 MHz, aangesloten op een oscilloscoop met een bandbreedte van 100 MHz.
Wij hebben de meeste metingen uitgevoerd op de bovenste uitgang, deze waarop de potentiometers van de offset en de amplitude invloed hebben.
De frequentie bereiken
Deze werden echter gemeten op de sync-uitgang omdat deze uitgang het beste signaal genereert voor frequentiemetingen. De eerste waarneming is dat de laatste 10 % van het bereik van de frequentie potentiometer onbruikbaar is omdat dan vreemdsoortige signalen worden gegenereerd. De meting werd uitgevoerd met de DUTY-jumper in de stand '50%'. De resultaten zijn samengevat in de onderstaande tabel.
De frequentie bereiken worden bepaald door de waarde van de condensatoren die op pen 5 van de MAX038 worden aangesloten. Wij schreven reeds dat wij grote toleranties op de waarde van deze condensatoren vaststelden. Het is dus niet zo verbazingwekkend dat de gemeten acht frequentie bereiken nogal afwijken van wat de specificaties voorspellen. Dat met deze eenvoudige schakeling signalen tot 20 MHz gegenereerd kunnen worden hadden wij ook niet verwacht. Die 14,4 MHz valt ons, eerlijk gezegd, nog mee.
 |
| De gemeten frequentie bereiken. (© 2020 Jos Verstraten) |
De maximale uitgangsspanning
Het eerste dat negatief opvalt bij het spelen met deze functiegenerator is dat het instelbereik van de offset veel te groot is. Bij een groot uitgangssignaal loopt dit signaal vast tegen de positieve of negatieve voeding als u iets te veel aan de offset potentiometer draait. Dat heeft uiteraard alles te maken met de lage voedingsspanningen van ±5,0 V. Dat zijn de maximale spanningen waarmee de MAX038 mag worden gevoed. Bij een beter (en duurder) ontwerp moet u twee sets voedingsspanningen werken. Een van ±15 V voor het voeden van de uitgangsversterker en een van ±5,0 V voor het voeden van de MAX038.
Met beide potentiometers afgeregeld op de beste stand levert de schakeling een op het oog vervormingsvrije sinus van maximaal 2,2 Veffectief. Dat is minder dan de gespecificeerde 3,35 V (9,5 Vtop-tot-top), maar voor de meeste toepassingen genoeg.
De signaalvormen bij 1 kHz
Deze en volgende metingen zijn uitgevoerd met de potentiometers van offset en amplitude in die stand dat de generator een mooie symmetrische sinus van 1 Veffectief genereert. De drie signaalvormen zijn, zoals te verwachten is, uitstekend en niet eens een foto waard.
De signaalvormen bij 100 kHz
Veel interessanter zijn de golfvormen bij deze frequentie! Ook bij deze toch al vrij hoge frequentie zijn de uitgangssignalen uitstekend te noemen, zie de onderstaande foto.
 |
| De uitgangssignalen bij 100 kHz. (© 2020 Jos Verstraten) |
De signaalvormen bij 1 MHz
Dezelfde metingen, maar nu bij 1 MHz. Op onze AC millivoltmeter PM2454 lezen wij af dat de effectieve waarde van de sinus nog steeds op exact 1 V staat.
 |
| De uitgangssignalen bij 1 MHz. (© 2020 Jos Verstraten) |
De signaalvormen bij 5 MHz
Na 1 kHz, 100 kHz, 1 MHz moet nu uiteraard 10 MHz komen. Dat heeft weinig zin, want de drie signalen lijken bij deze frequentie als drie druppels water op elkaar. Blijkbaar is de bandbreedte van de schakeling te laag om de hogere harmonischen van een 10 MHz signaal nog te versterken. Bij 5 MHz levert de generator echter nog drie signalen af die duidelijk als dusdanig te onderscheiden zijn, zie de onderstaande figuur.
De twee horizontale gestippelde cursorlijnen geven de toppen aan van het sinussignaal bij 100 kHz. Hieruit blijkt duidelijk dat de generator een tamelijk vlakke frequentiekarakteristiek tot 5 MHz heeft.
 |
| De uitgangssignalen bij 5 MHz. (© 2020 Jos Verstraten) |
De sinus bij 14 MHz
De functiegenerator levert, ingesteld op de hoogste bruikbare frequentie van 14 MHz, een goed bruikbare sinus op, zie de onderstaande foto. De twee andere signaalvormen vervormen bij deze frequentie tot sinus.
 |
| De sinus bij 14 MHz. (© 2020 Jos Verstraten) |
De sinus bij 100 mV effectief
Behalve de maximale spanning die een functiegenerator genereert is ook de minimale spanning zeer interessant. Immers, als u experimenteert met audioschakelingen hebt u weinig aan een spanning van 2,0 V, maar des te meer aan een spanning van 100 mV. Voor het stabiel instellen van dergelijke kleine spanningen moet u eigenlijk een professionele generator hebben die behalve een amplitude potentiometer ook nog een geijkte stappenverzwakker heeft. Echter, het lukt zonder veel moeite om een tamelijk schone sinus met een effectieve waarde van 100 mV uit het apparaatje te halen, zie de onderstaande foto.
 |
| De sinus bij 100 mV effectief. (© 2020 Jos Verstraten) |
Genereren van smalle pulsen
Volgens de specificaties zou de generator een instelbare duty-cycle hebben van 15 % tot 85 %. Dus de betreffende jumper even in de linkerstand gezet en experimenteren maar! Uitgangspunt was een symmetrische blokgolf met een frequentie van 100 kHz. Bij het variëren van de duty-cycle week de frequentie iets af:
- duty-cycle 15 %: 96,04 kHz
- duty-cycle 85 %: 96,32 kHz
 |
| Het bereik van de duty-cycle potentiometer. (© 2020 Jos Verstraten) |
De vervorming op de sinus
Volgens de specificaties levert de generator een sinus met een maximale harmonische vervorming van slechts 0,75 % typisch. Nogal ongeloofwaardig! Omdat deze eigenschap in feite uitsluitend van belang is bij het meten aan audio-apparatuur hebben wij de vervorming gemeten in het bereik van 20 Hz tot 20 kHz bij een uitgangsspanning van 1 Veffectief. De teleurstellende resultaten zijn samengevat in de onderstaande tabel.
 |
| De harmonische vervorming in het audio-bereik. (© 2020 Jos Verstraten) |
In de onderstaande foto ziet u hoe de harmonische vervorming bij 1 kHz er uitziet: voornamelijk tweede harmonische vervorming.
 |
| De harmonische vervorming op een sinus van 1 V en 1 kHz. (© 2020 Jos Verstraten) |
Onze mening over de MAX038 functiegenerator kit
Het is duidelijk dat dit bouwpakket de door de fabrikant gegarandeerde specificaties op diverse punten niet haalt. Geen 20 MHz als maximale frequentie, geen 0,75 % vervorming op de sinus, geen 3,35 V effectieve uitgangsspanning. Wij hebben op dit blog twee soortgelijke bouwpakketjes getest. Een met een ICL8038 als kloppend hart, de tweede met een XR2206 als basis. Vergeleken met deze kitjes is deze bouwset met de MAX038 veel beter. Maar dit bouwpakket kost ongeveer achttien euro, terwijl deze met de twee andere IC's respectievelijk tien en vijf euro kosten.
Tóch is, voor de hobbyist die niet veel geld aan zijn of haar hobby wil of kan uitgeven, dit bouwpakketje een interessante en bruikbare optie. Het is bovendien een goede eerste oefening in het solderen van SMD-componentjes.
ICL8038 function generator kit
