Ein selbst gebauter Frequenzgenerator
...zum Takt vorgeben!
Dieser Frequenzgenerator befindet sich noch in der Entwicklung.
Trotzdem ein paar Eckdaten:
- DDS bis 33 MHz Ausgangsfrequenz einstellbar
- Frequenzmessung zur Überwachung der Ausgangsfrequenz
- 2x16 Display mit dimmbarer Hintergrundbeleuchtung
- Akkubetrieb möglich
- USB für Firmwareupgrade, Steuerung und Laden des Lithiumakkus
- Möglichkeit zur Messung von Resonanzkurven, Netzwerkanalyse
Jeder Elektronikbastler wird irgendwann feststellen, dass er einen Frequenzgenerator benötigt. Gründe dafür gibt es viele. Eine ganz einfache Lösung könnte man mit einem NE555 oder XR2206 realisieren, aber für manche ist dies nicht ausreichend. Wer das nötige Kleingeld hat könnte sich so ein Gerät kaufen, wer das aber nicht hat oder nicht dafür ausgeben will kann sich sowas bauen. Zu solchen gehöre ich.
Zum testen eines Analog Digital Wandlers benötigte ich eine einstellbare Frequenz mit bis zu 8 MHz, allerdings hatte ich keinen passenden Frequenzgenerator. So fing die Planung dieses Gerätes an. Ich gebe zu, es ist kein "mal eben schnell" Gerät.
Die Grundlage meines Gerätes ist ein DDS IC von Analog Devices. Dieses IC kann eine einstellbare Frequenz bei unterschiedlicher Signalform aus einer festen Taktfrequenz generieren. Zusätzlich dazu habe ich noch einen Operationsverstärker vorgesehen, um die Amplitude der Spannung einstellen zu können. Ein Mikrocontroller übernimmt das Einstellen, sowie Überwachen der Ausgangsfrequenz. Über ein 2x16 LCD kann der Nutzer die Frequenz und Spannungsform einstellen. Für Firmwareupgrade und Fernsteuerung und laden des Akkus ist eine USB Schnittstelle vorhanden. Ein TUSB3410 stellt einen virtuellen COM Port bereit. Da Akkubetrieb gewünscht ist, müssen alle benötigten Spannungen aus 3,6 V bis 4,2 V erzeugt werden.
| +5 V | LCD, OP AMP |
| +4,2 V | Ladespannung für Akku (nur im USB Betrieb vorhanden) |
| +3,3 V | Mikrocontroller, USB Chip, DDS IC, Referenztakt für DDS |
| +1,8 V | Mikrocontroller Kernspannung |
| -5 V | OP AMP |
Die Spannungen +5 V, +3,3 V und -5 V werden mit Schaltwandlern aus der Akku Spannung erzeugt. Die +1,8 V werden mit einem Linearregler aus den +3,3 V erzeugt. Die Ladespannung für den Akku ist nur erforderlich, wenn das Gerät an USB angeschlossen ist.
Dieses Bild zeigt die Oberseite der Platine im Detail. Auf der Unterseite befinden sich auch noch ICs ;-) Es war eine Herausforderung alles auf 30mm * 85mm unterzubringen! Ein erweiterter Prototyp ist geplant.
Spannungsversorgung
Die benötigten Spannungen habe ich bereits aufgelistet (-5 V; +1,8 V; +3,3 V; +5 V) in diesem Abschnitt gehe ich auf Details ein.
Als Spannungsquelle steht immer ein Lithium Ionen Akku zur Verfügung aus dessen Spannung (ca. 3,6 V bis 4,2 V) alle anderen Spannungen erzeugt werden müssen. Wenn das Gerät an einen USB Port angeschlossen ist, wird der Akku geladen. Als Lithium Akkulader wird ein BQ24202 von TI eingesetzt. Das IC benötigt nur wenig Außenbeschaltung und ist klein. Der Maximale Ladestrom beträgt 500 mA.
Es stellte sich heraus, dass der BQ24202 nicht ganz optimal ist, da der interne FET des Linearreglers eine Diode besitzt. Durch diese Diode lag am USB Port eine Spannung an. Also konnte man das Gerät nicht am ausgeschalteten Computer lassen. Abhilfe könnte zwar eine zusätzliche Diode am Eingang schaffen, aber diese hat einen zu hohen Spannungsabfall. Also muss ein anderer Akkulader her.
Diesmal ein MAX1555 zwar kann dieser nur 100 mA bzw. 280 mA Ladestrom, aber ist dafür ebenfalls klein und einfach zu beschalten und versorgt hoffentlich nicht den USB Port mit Strom.
Die +5 V werden mit einem TPS61202 aus der Akkuspannung erzeugt. Dieser Step Up Wandler arbeitet mit rund 1,2 MHz Schaltfrequenz, dadurch kann eine kleine Spule eingesetzt werden. Aufgrund des kleinen Aufbaus eignet sich das IC bestens für diese Schaltung.
Der TPS63700 erzeugt aus der Akku Spannung die für den Operationsverstärker nötige negative Spannung. Er arbeitet mit einer Frequenz von 1,4 MHz und kann bis maximal -15 V bei 360 mA bereitstellen.
Aufgrund der hohen Schaltfrequenz ist es erforderlich auf eine gute Leiterbahnführung zu achten. Dies bedeutet, dass die Diode, Spule und Kondensatoren möglichst dicht beieinander sind. Ist die Diode zu langsam oder zu weit weg, sind die Störungen auf der Versorgungsspannung zu stark und es kommt zu Fehlfunktionen. Vorallem den TUSB3410 nimmt einem diese Störungen übel.
Der TPS62007 stellt die +3,3 V Spannung bereit. Den TPS62007 habe ich hier ausführlich beschrieben.
TPS79118 ist ein sehr kleiner 1,8 V Linearregler, der nur drei Kondensatoren benötigt. Liefert aber nur einen Ausgangsstrom von 100 mA, was für die Core Spannung des verwendeten Mikrocontrollers bei weitem ausreichend ist.
USB - UART Umsetzer TUSB3410
TUSB3410 ist ein einfacher USB - UART Konverter. Das bekannteste IC mit dieser Funktion ist der FT232 von FTDI. Der TUSB3410 braucht ein wenig mehr Außenbeschaltung: Pull Up Widerstände, Kondensatoren, Quarz...
Dennoch funktioniert er genauso gut wie die ICs der Konkurrenz. Da er nicht so weit verbreitet ist, setze ich dieses IC ein und möchte es somit vorstellen.
Der TUSB3410 funktioniert nicht mit den 5 V vom USB Port. Er benötigt 3,3 V von einem externem Spannungsregler (nicht im Bild zu sehen), besitzt aber einen internen 1,8 V Spannungsregler. Dieser interne Spannungsregler kann deaktiviert werden und die 1,8 V extern zugeführt werden. Wird der interne Spannungsregler verwendet, so ist es erforderlich den 1,8 V Ausgang (Pin 4) über einen 100 nF Kondensator mit GND zu verbinden (C36).
Kondensator C13 und Widerstand R5 bilden eine einfache Reset Schaltung. Beim Anlegen der Versorgungsspannung wird C13 aufgeladen und Pin 9 (Reset) hat kurzzeitig GND Potential. So wird ein Resetimpuls von rund 100 ms Länge gegeben.
Messergebnisse - Frequenzgenerator
Als kleinen Vorgeschmack auf das fertige Gerät und den gesamten Schaltplan, habe ich zwei Oszillogramme:
5 MHz Sinus mit rund 600 mVss
500 kHz Rechteck, die Flankensteilheit lässt sich ablesen
Der Frequenzbereich reicht bei beiden Spannungsverläufen von 1 Hz bis theoretisch 33 MHz. Allerdings wird vorallem die Rechteckspannung bei hohen Frequenzen stark gedämpft und ähnelt einem Dreieck. Die Sinusspannung ist auch noch bei 20 MHz nahezu perfekt, allerdings mit etwas gedämpfter Amplitude.
Messergebnisse - Resonanzkurvenmessung
Zur Messung von Resonanzkurven, wird eine hochfrequente Wechselspannung auf den Prüfling gegeben und der Strom gemessen. Mit dieser Funktion kann man z.B. die Rosnanzfrequenz von Quarzen und Schwingkreisen messen. Außerdem ist es möglich das Übersprechen zwischen zwei Leitungen zu ermitteln oder es lässt sich als einfacher Netzwerkanalysator nutzen.
Diese Funktionen erfordern allerdings einen Computer.
Solch eine Resonanzkurve einen Quarzes kann so aussehen:
Momentan exportiere ich die Messungen noch aus Excel, ohne Einheiten...
Wie funktioniert diese Messfunktion?
Zur Resoanzkurvenmessung wird ein Hochfrequenter Wechselstrom erzeugt, der durch den Prüfling geschickt wird. Es wird dabei der Strom über einen relativ Hochohmigen Shunt gemssen. Anschließend wird aus der Wechselspannung eine proportionale Gleichspannung erzeugt. Hierzu kommt ein LTC1968 zum Einsatz. Diese Schaltung ist bis etwa 15 MHz geeignet (bei 15 MHz liegt die -3 dB Grenzfrequenz). Auf der x-Achse wird die Frequenz dargestellt, auf der y-Achse die gemessene Spannung.
Platine - Schaltplan - Software
Bevor ich zum gesamten Schaltplan und zur Firmware komme, zeige ich hier eine 3D-Darstellung der Platine. Nochmal zur Erinnerung: Die Platine ist 30mm * 85mm groß!
Rückseite der Platine.
Oberseite der Platine.
Den kompletten Schaltplan sowie die Platinenlayouts und Firmware stelle ich gerne auf Anfrage zur Verfügung. Da ich noch einiges dran arbeite und hier nicht ständig die aktuelle Fassung veröffentlichen kann.
Quellen:
Datenblatt TPS62007
Datenblatt TPS63700
Datenblatt TPS61202
Datenblatt TPS79118
Datenblatt BQ24202
Datenblatt TUSB3410
Datenblatt AD9834
User Manual / Datenblatt LPC2103
Datenblatt ADA4861
Datenblatt LM358
Datenblatt MAX1555
Datenblatt LTC1968
Schaltungssammlung Mess- und Prüftechnik
Sammlung: Lithium Lader