PROYECTO 3Universidad Nacional Autónoma de MéxicoFacultad de IngenieríaCircuitos Integrados AnalógicosM.I. Lauro Santiago CruzGpo: 04

Generadora de Funciones

FÉLIX TEJEDA FernandoMEZA MEDINA Eduardo

21.11.2014

INTRODUCCIÓNUn generador de señales, de funciones o de formas de onda es un HYPERLINK "http://es.wikipedia.org/wiki/Dispositivo" \o "Dispositivo"dispositivo electrónico de HYPERLINK "http://es.wikipedia.org/wiki/Laboratorio" \o "Laboratorio"laboratorio que genera patrones de señales periódicas o no periódicas tanto analógicas como digitales, genera diferentes formas de onda cuyas frecuencias son ajustables en un amplio rango. Las salidas más frecuentes son ondas senoidales, triangulares, cuadradas y diente de sierra. Las frecuencias de estas ondas pueden ser ajustadas desde una fracción de hertz hasta varios cientos de kiloHertz. Se emplea normalmente en el diseño, prueba y reparación de dispositivos electrónicos; aunque también puede tener usos artísticos.

Hay diferentes tipos de generadores de señales según el propósito y aplicación que corresponderá con el precio. Tradicionalmente los generadores de señales eran dispositivos estáticos apenas configurables, pero actualmente permiten la conexión y control desde un PC. Con lo que pueden ser controlados mediante software hecho a medida según la aplicación, aumentando la flexibilidad. Normalmente cuentan con las funciones y controles que se enumeran a continuación:

1. Selector de funciones. Controla la forma de onda de la señal de salida.2. Selector de rango. Selecciona el rango o margen de frecuencias de trabajo de la señal de

salida. Su valor va determinado en décadas, es decir, de 1 a 10 Hz, de 10 a 100 Hz, etc.3. Control de frecuencia. Regula la frecuencia de salida dentro del margen seleccionado

mediante el selector de rango. 4. Control de amplitud. Mando que regula la amplitud de la señal de salida.5. DC offset. Regula la tensión continua de salida que se superpone a la señal variable en el

tiempo de salida.6. Salida TTL. Entrega una consecución de pulsos TTL (0 - 5V) con la misma frecuencia que la

señal de salida.

Modulación del generador de señales

La mayoría de los generadores de señales tiene la capacidad de modular tanto en frecuencia como en amplitud, con un índice o porcentaje de modulación conocido. La modulación de amplitud se puede aplicar al generador de señales nivelado electrónicamente, por medio de la modulación del atenuador de diodo PIN con la señal modulada. El problema serio que se presenta con esta modulación es que la amplitud varía desde dos veces la amplitud de la portadora hasta cero para un porcentaje del 100% de modulación, lo cual implica que el atenuador controla por voltaje debe tener al menos una atenuación nominal de 6 dB para que la amplitud se pueda incrementar a dos veces la portadora y proporcione, en teoría, una atenuación infinita para conseguir el cero requerido por el 100% de modulación. Sin importar la técnica de modulación, la mayoría de los generadores de señales proporciona una modulación de amplitud cercana pero no igual a 100%.

La modulación de frecuencia no sufre problemas atribuibles al porcentaje de modulación y no existe el 100% de modulación. Para modular la frecuencia el generador de señales requiere un método para cambiar electrónicamente la frecuencia del oscilador; por lo general; esto lo proporciona un diodo varactor en el circuito oscilador sintonizado. La cantidad de modulación suministrada por el diodo varactor depende de la frecuencia del oscilador y puede varias sobre el rango de sintonía del oscilador. Es decir, el generador de señales ha de contar con un método de corrección para este cambio en el índice de modulación de frecuencia. Aplicar la modulación a un generador de señales puede ser un problema complejo cuando este dispositivo es del tipo sintetizado. Cada uno de estos instrumentos es un caso único, y existen numerosos métodos para suministrar una fuente exacta de modulación.

Proyecto 12

Un elemento de electrónica utilizado para generar formas de onda puede ser utilizado en circuitos de instrumentación, de sonido y de comunicaciones, y también en un instrumento generador de funciones, empleado un simple circuito integrado. Ejemplos de ello son el XR2206[] fabricado por Exar y un integrado fabricado por Intersil, ICL8038.[] Estos circuitos pueden generar ondas sinusoidal, cuadrada, triangular, rampa, y pulsos en un oscilador controlado por voltaje.

Un circuito electrónico que suministra una salida proporcional a alguna función matemática (por ejemplo, raíz cuadrada), estos dispositivos se utilizan en sistemas de control de retroalimentación y en computadoras analógicas.

Proyecto 13

DESARROLLO

Se implementa el proyecto con el integrado XR-2206. Con este integrado es posible realizar todas las señales deseadas. Es decir, permite modificar el tipo de onda (triangular, senoidal, cuadrada), modificar el ciclo de trabajo, la amplitud y el offset. Sin embargo, a pesar de que el integrado permite hacer todas estas modificaciones se decide por controlar la amplitud y el offset de la señal mediante otro circuito. Este último consiste en un amplificador operacional sumador con una cierta amplificación, en él son sumadas la señal generada más una señal de DC entre +12V y -12V. Por otro lado, para la señal TTL se tiene un amplificador inversor con una ganancia menor a la unidad.

Para generar la señal triangular, senoidal y cuadrada el fabricante proporciona un circuito el cual permite hacer estas modificaciones. Las ondas tienen un ciclo de trabajo fijo de 50% y es posible modificar la amplitud y el offset. Sin embargo, se polariza con tierra y +12V por lo tanto solo será posible una amplitud de 12Vpp y un offset de 0 a 12. Además, si se varia el offset se puede “recortar” la señal al llegar a los valores de polarización. Es por eso que se decide implementar un circuito externo que se encargue de realizar estas funciones.

Se decide montar la señal sobre 6V y con una amplitud de 1Vpp. De este modo se evitan los posibles errores en la manipulación de la señal. Como se menciono el fabricante proporciona el circuito, éste es mostrado en la figura 3.1. La frecuencia de la señal está definida por el capacitor C y la resistencia R. Se calculan los valores necesarios conforme la tabla 3.1.

Figura 3.1. Circuito generador de onda triangular, senoidal y cuadrada

Proyecto 14

R[k Ω ] C [μF ] f Intervalos[Hz ] f Mostrada [Hz ]1 – 11 100 0.8 – 10 11 – 11 10 8 – 100 101 – 11 1 80 – 1000 1001 – 11 0.1 770 – 10000 10001 – 11

0.001

9000 – 100000 10000

1 – 11

0.0001

80000 – 800000 100000

Tabla 3.1. Valores de C y R para intervalos de frecuencia

Con estos valores de capacitancia y resistencia se logra tener control sobre la frecuencia de la señal generada. No obstante, a bajas frecuencias (5Hz) empieza a notarse una distorsión en la señal triangular y cuadrada. Esto se debe probablemente a que se utilizan capacitores electrolíticos y éstos no tienen el suficiente tiempo de descarga. Lo mismo se tiene a altas frecuencias (700kHz), la señal empieza a modificarse en la señal triangular y cuadrada, la culpa se le atañe al circuito integrado. Éste, probablemente, no está diseñado para estas frecuencias.

Por otro lado, del circuito es apreciable que se tienen dos salidas, una cuadrada y otra senoidal-triangular. Se hace uso de diferentes interruptores que seleccionan el tipo de señal deseada. Además, un interruptor que seleccione la salida triangular-senoidal y además cierre el circuito en las patas 13 y 14 al mismo tiempo.

Al tener una salida que es siempre cuadrada se puede elaborar un circuito amplificador inversor tal que la relación de resistencias den a la salida 5V. Esto debe hacerse así porque la señal que se tiene alcanza los valores de saturación y, como se menciono, está montada sobre los 6V se tiene una señal cuadrada de 6Vpp. El circuito desarrollado para poder generar la señal TTL se muestra a continuación en la figura 3.2.

Figura 3.2. Circuito para señal TTL

Dado que la señal de 6V va a estar presente independientemente de que se seleccione una onda senoidal, cuadrada o triangular se tiene una señal TTL confiable. Le ecuación que describe el comportamiento de la señal anterior está dada por:

Proyecto 15

V TTL=−1012

V i=−56V i

Una vez que se tiene las tres señales, para poder variar el ciclo de trabajo y, por lo tanto, tener una señal dientes de cierra o un PWM es necesario implementar otro circuito muy similar al anterior. Se tienen más interruptores y se le agrega un potenciómetro para poder variar el ciclo de trabajo.

Este circuito, al igual que el anterior, es proporcionado por el fabricante. Los valores de las resistencias y capacitancias permanecen constantes conforme al circuito generador de señales. Las resistencias R1 y R2 se tratan de una resistencia de 1k en serie con un potenciómetro de 10k. El circuito descrito se muestra en la figura 3.3.

Figura 3.3. Circuito para modificar el ciclo de trabajo

Estos dos circuitos son los encargados de realizar. El potenciómetro que está en la terminal 3 del integrado se substituye por una resistencia de cierto valor que hace que la amplitud se mantenga constante en 1Vpp. Para poder modificar la amplitud y el offset de la señal se implementa un sumador que amplifica la señal generada y suma la señal de DC que se desea. El circuito desarrollado se muestra a continuación en la figura 3.4.

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Figura 3.4. Circuito para amplificación y offset

Con este circuito se logra tener cualquiera de las señales generadas con amplitud modificable de hasta 24Vpp y un offset que va desde -12 a 12.

El circuito final diseñado para tener 5 diferentes tipo de señal se muestra en la figura 3.5. En la implementación, se hace necesario el uso de un interruptor de mínimo 6 polos un tiro para escoger el intervalo de frecuencias y diferentes interruptores que seleccionen el tipo de onda que se mostrará a la salida del sistema.

Figura 3.5. Circuito final para generadora de funciones

Donde: SW2. Cambia la salida entre señal cuadrada o señal senoidal-triangular S3. Debe estar cerrado para tener una señal senoidal. Output. Salida única de la señal. F14. Necesita estar cerrado para modificar el ciclo de trabajo. FFINE. Ajuste fino de la frecuencia (Potenciómetro de 1kΩ) FCOARSE. Ajuste grueso de la frecuencia (Potenciómetro de 10kΩ) DUTY. Debe estar cerrado el circuito además de un potenciómetro de 10kΩ.

Proyecto 17

Para escoger el intervalo de frecuencias se escoge un capacitor mediante un interruptor de un polo 6 tiros.

Simulaciones

No se encuentra algún software que simule el integrado XR2206. Sin embargo, se simulan el tratamiento que se le da para las distintas características modificables. A continuación, se muestran las capturas de pantalla de las simulaciones realizadas.

Figura 3.6. Simulación señal TTL

Proyecto 18

Figura 3.7. Simulación de control en la amplitud de señal senoidal

Figura 3.8. Simulación de control en la amplitud de señal triangular

Laboratorio

Se implementa un generador de funciones con amplitud, offset y ciclo de trabajo modificables. Las señales resultantes son: triangular, senoidal, cuadrada, dientes de cierra, PWM y TTL.

Además de la tarjeta de proyectos (ProtoBoard) se utilizan los siguientes componentes:

o XR2206. Generador de funciones analógico.o TL082CP. Amplificador operacional con alta impedancia de entrada (1012 [ohms]), bajo ruido

de voltaje a la entrada (16 [nV/Hz]) y bajo consumo de corriente (3.6 [mA]).o Dos resistencia de 56 Ω] @ ½ [W] con tolerancia de 5%.o Dos resistencia de 1 Ω] @ ½ [W] con tolerancia de 1%.o Tres resistencias de 10 Ω] @ ½ [W] con tolerancia de 5%.o Una resistencias de 200 Ω] @ ½ [W] con tolerancia de 1%.o Dos resistencias de 5.1 Ω] @ ½ [W] con tolerancia de 1%.o Dos potenciómetros lineales de 10 [kΩ] @ ½ [W].

Proyecto 19

o Dos potenciómetros lineales de 50 [kΩ] @ ½ [W].o Un potenciómetro lineal de 1 [kΩ] @ ½ [W].o Un interruptor de un polo 11 tiros.o Interruptor con varias líneas de selección.o Dos capacitores electrolíticos de 1 [uF].o Un capacitor electrolítico de 100 [uF].o Un capacitor electrolítico de 10 [uF].o Un capacitor de tantalio de 1 [uF].o Un capacitor cerámico de 100 [nF].o Un capacitor cerámico de 10 [nF].o Un capacitor cerámico de 1 [nF].

Las diferentes imágenes a continuación muestran diferentes pruebas que se hicieron sobre el circuito. El pie de foto describe el experimento realizado.

Figura 3.9. Offset en la señal senoidal

Figura 3.10. Offset en la señal senoidalProyecto 1

10

Figura 3.11. Offset en la señal cuadrada

Figura 3.12. Offset en la señal senoidal

Figura 3.13. Amplitud en la señal triangularProyecto 1

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Figura 3.14. Amplitud en la señal triangular

Figura 3.15. Offset en la señal triangular

Puesta a punto

Los circuitos mostrados anteriormente son implementados en una placa fenólica y se arman de tal forma que puedan ser colocados en un gabinete. Para esto se colocan terminales para circuitos impresos con dos o tres tornillos dependiendo del elemento. El diagrama eléctrico cambia ligeramente, la figura 3.16 muestra la implementación del tratamiento de la señal.

Proyecto 112

Figura 3.16. Diagrama de conexiones para el tratamiento de la señal

La figura 3.17 muestra el alambrado final sobre el proyecto. Se utiliza cable para realizar las conexiones y todos los dispositivos están soldados.

Figura 3.17. Alambrado final

RESULTADOS Y CONCLUSIONES

Con este proyecto hemos tenido la posibilidad de aprender las dificultades que se presentan al trabajar con un chip de propósito específico, como lo es el XR2206, pues al ser un generador de señales, cubre nuestros requerimientos, pero no al 100%, pues la salida sinusoidal no tenía la

Proyecto 113

misma amplitud que la triangular o la cuadrada; todas requerían de un tratamiento especial para lograr los todas las características que queríamos. También fue necesario considerar el offset, y el cambio de frecuencias, para el cual hubo que calcular diferentes valores capacitores, que aunados a las resistencias, no lograran dar los rangos deseados.

Además de lo dicho anteriormente, la señal TTL fue generada a partir de la señal cuadrada que es fija en el circuito oscilador, y solamente se tuvo que elaborar una configuración atenuadora con una atenuación tal que nos diera los 5 V de la señal.

BIBLIOGRAFÍA

http://www.sonoma.edu/users/m/marivani/datasheets/misc/XR2206V1.pdf

http://www.electronics-diy.com/function-generator-kit-xr2206.php

http://es.wikipedia.org/wiki/Filtro_de_condensador

APÉNDICE

Generadora de funciones

Proyecto 114

Tratamiento de a señal

Proyecto 115

XR2206

Proyecto 116

Proyecto 117

Proyecto 118

Proyecto 119

Proyecto 120

Proyecto 121

Proyecto 122

Proyecto 123

Proyecto 124

Proyecto 125

Proyecto 126

Proyecto 127

TL082CP

Proyecto 128

Proyecto 129

Proyecto 130

Proyecto 131

Proyecto 132