2 Schaltung

Erstellt: DL6GL, 29.09.2014, letzte Änderung 18.08.2022

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2.1 Controller

Ausgehend von den Vorschlägen in [3] und [4] stellt sich der Digitalteil wie folgt dar.

Abb. 2.1: Schaltbild Controller.

Der ATmega16 ist aus Sicht der Software vermutlich überdimensioniert, bringt aber genügend Pins mit. Mit dem üppigen Platzangebot im vorgesehenen Gehäuse (AUS22, reichelt.de) wollte ich einen meiner seit Ewigkeiten gelangweilt herumliegenden ATmegas im PDIP-Gehäuse zum Einsatz bringen. Deshalb ist das Controller-Board entgegen meiner sonstigen Gewohnheit mal nicht in SMD (bis auf die Kondensatoren) ausgeführt. Es heißt also mal wieder Platine bohren.

Es gibt zwei Rechteckausgänge:

1. High speed Square1 ist der von der Software vorgesehene Rechteckausgang für die High-Speed-Signale 1, 2, 4 und 8 MHz.
2. Square2 wird alternativ in einem Rechteckformer (Squarer) mit einem Komparator erzeugt, s.u. Abschnitt 3.3.

Die Verbindungen zum Frontpanel-Board werden mit Flachkabeln hergestellt.

2.2 Frontpanel-Board: Analogteil und Display

Der Analogteil in [3] und [4] gefiel mir nun gar nicht. Der Autor von [5] war der gleichen Meinung.

1. Der eher fußlahme LM358 (slew rate 0,3V/µs, Unity gain bandwidth 0,7 MHz) ist keine gute Wahl für einen Funktionsgenerator. Stattdessen wurde ein schnellerer und dennoch günstiger TL074 (slew rate 13V/µs, Unity gain bandwidth 3 MHz) eingesetzt.
2. Der DAC im Controller liefert ein Signal mit einem Gleichspannungs-Offset von 2,5V (halbe AVR-Betriebsspannung wegen der o.a. Verschiebung in den Lookup-Tabellen). Um die symmetrische Aussteuerbarkeit der Folgestufen sicherzustellen, kann das Eingangs-Offset mit IC1a und P1 kompensiert werden.
3. Die treppenförmigen DAC-Ausgangssignale enthalten unerwünschte Oberwellen. Die gilt es mit einem Tiefpass auszufiltern. Dieser wurde mit dem Programm FilterPro von Texas Instruments für eine Grenzfrequenz 150 kHz ausgelegt (IC1b). Für die Nicht-Sinus-Signale lässt sich der Filter überbrücken (Filter On/off).
4. Die Reihenfolge Offset- vor Amplitudeneinstellung in [3] bzw. [4] ist ungünstig. Da der TL074 noch zwei Verstärker übrig hat, wurden die Einstellmöglichkeiten den IC1c und IC1d zugeordnet und vor allem umgedreht, also zuerst Amplitude (Level), danach Offset.
5. Es fehlt eine Endstufe, die auch höhere Ausgangslasten verträgt.

Herausgekommen ist folgende Schaltung, Ausführung in SMD auf einem Board, das alle Bedienelemente für die Frontplatte einschließlich LCD enthält. Die Spiegelung von konventionellem Aufbau auf der Controller-Platine nach SMD auf der Frontpanel-Platine hatte leider einige Brücken zur Folge. Um das verwendete LCD (TC1602A-09, pollin.de) hinter die Frontplatte und die Taster (DT 6 xx, reichelt.de) durch die Frontplattenbohrungen zu bekommen, ist das LCD auf einer eigenen Platine hinter dem Frontpanel-Board aufgesteckt. Die Komplementär-Endstufe ist auf einer gesonderten Platine untergebracht.

Abb. 2.2: Analogteil und Display.

In den Rechteck- und Sägezahnsignalen zeigten sich Überschwinger. Diese wurden mit C1 parallel zum Gegenkopplungswiderstand R3 von IC1a reduziert, hier 6,8pF, was natürlich ein gewisses Verschleifen der Flanken zur Folge hat; ggf. ausprobieren oder auch weglassen. Da das Rechtecksignal ohnehin nicht ganz zufriedenstellt, wurde ein separater Squarer (Abschnitt 3.3) zugefügt.
Es kann sein, dass Störungen vom Controller über die +5V-Leitung (Pin 2 des Out Port) kommen. Abhilfe: 10µF Tantal zwischen R2 und P1 nach GND.

Die Komplementär-Endstufe mit IC2 und T1/T2 wurde zugefügt, um IC1d vor Überlastung zu schützen und fallweise höhere Leistungen abzuliefern. Für T1/T2 wurden gerade vorhandene Transistoren eingesetzt: NPN: 2N2919, PNP: 2N2905, beide im TO5-Gehäuse mit Kühlsternen. Beide wurden mit einem Kennlinienschreiber auf annähernd gleiche Kennlinien selektiert. Alternativen z.B. BC107/BC177, 300 mW; BC548/BC558, 500 mW; BC337/BC327, 800 mW; BC140/BC160, 3,7W; BD135/BD136, 8W. Je nach Lastauslegung müssen die Emitterwiderstände R13/R14 angepasst werden, ggf. auch die Trafobelastbarkeit für die BD13x-Variante.

Die Endstufe verschlechtert allerdings die Frequenzlinearität der Generatorausgangsspannung. Die gemessenen ca. 0,5dB Abfall bei 10Hz und 50kHz mögen wenig erscheinen, bedeuten aber auf der linearen Skala etwa 5%! Im Mustergerät wurde sie wieder stillgelegt. So ist darauf Verlass, dass der Generator über den gesamten Frequenzbereich eine ziemlich konstante Amplitude abliefert. Siehe dazu Abschnitt 3.4.

Im CA3140 Datasheet von Intersil wird  in Fig. 14 eine Komplementär-Endstufe gezeigt, die deutlich bessere Eigenschaften verspricht.

Update 08/2022: Ausgehend vom Intersil-Entwurf wurde die Komplementär-Endstufe berechnet, neu aufgebaut und vermessen. Sie ist besser geworden als die in Abb. 2.2 gezeigte. Die Messungen zeigten u.a. auch, dass Intersil zur Bandbreite der CA3140-Endstufe den Mund reichlich voll genommen hat. Die Ergebnisse sind im Download auf der Titelseite zu finden.

2.3 Netzteil

Abb. 2.3: Netzteil +/- 12V und +5V.

Ohne Endstufe reduzieren sich die Anforderungen an Trafo und Spannungsregler.

2.4 Firmware brennen

Zum Brennen reicht das kostenlose AVR Studio. Mit AVR Studio wurden die Fuses gesetzt und das Programm main.hex (Firmware im Download) gebrannt, siehe auch "AVR-Programmieren mit BASCOM und AVR Studio" im Register "Software".

Abb. 2.4: Setzen der Fuses im ATmega16 mit AVR Studio.

Na so was aber auch, das Programm lief auf Anhieb.

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