Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Fabriquer un générateur de fonction alimenté par batterie 9V

 

Souvent, lors d’un dépannage ou d’une expérimentation de circuit par synthétiseur, une source de signal avec une fréquence et une amplitude variables est tout ce dont vous avez besoin pour tester le comportement d’un circuit. Si la source du signal a diverses formes d'onde, elle sera utilisée dans davantage de scénarios.

Cet article présente un générateur de fonctions alimenté par batterie 9V qui génère des formes d'onde sinusoïdales, carrées et triangulaires. La fréquence est réglable d’environ 20 Hz à environ 11 KHz et le niveau de sortie peut varier de 0 à environ 3V, crête à crête.

J'ai maintenu le niveau de sortie dans cette plage car le circuit est essentiellement alimenté par une alimentation virtuelle de +/- 4,5 V et je voulais que l'unité continue à fonctionner aussi longtemps que possible dans l'épuisement de la batterie 9V. Le circuit draine environ 11mA lorsqu'il est utilisé avec la LED illustrée dans le schéma.

Toutefois, si vous achetez un interrupteur avec une indication d’état passif évident, vous pouvez laisser la DEL éteinte et le circuit consommera environ 9 mA. Dans les deux cas, vous pouvez compter sur une longue durée de vie avec une pile alcaline de 9V.

Le signal peut être injecté dans l'entrée d'un circuit VCF ou VCA en cours de développement, ou dans une entrée de mixage ou d'amplificateur que vous souhaitez tester. Comme il est alimenté par batterie, vous pouvez en laisser un dans votre boîte à outils.

Voici le circuit.

 

Quelques informations d’ordre administratif d’abord: dans mes schémas, un cercle avec des lettres est utilisé pour indiquer les connexions intra-page et extra-page. Considérez tous les cercles avec les mêmes lettres connectées ensemble (même sur plusieurs pages d'un schéma de plusieurs pages). Si je montrais tous ces points qui remontaient à l'alimentation, le schéma serait vraiment difficile à lire. Les points de circuit étiquetés avec Xn ou d’autres jetons (par exemple, TRI, OUT, X1) se connectent à partir de la carte de circuit imprimé aux composants du panneau. Vous verrez ces noms à nouveau lorsque vous regardez le schéma de câblage du panneau. J'utilise le symbole de condensateur de ligne droite et courbe pour tous les condensateurs. Si un condensateur est polarisé, j'ajoute un symbole + (plus) à côté de la ligne droite dans le symbole du condensateur (par exemple, C1, C3).

Voyons comment fonctionne ce circuit. Nous allons commencer par la simple alimentation par batterie. Nous avons divisé la tension de la batterie en deux avec deux résistances de 4,7K: R1 et R3. La terre virtuelle de l’unité proviendra de la jonction des deux résistances. La meilleure façon de comprendre cela est de considérer que l’alimentation fournit plus de 4,5 V de la borne positive de la batterie, moins 4,5 V de la borne négative de la batterie et une masse virtuelle de la jonction des résistances R1 et R3. Les condensateurs électrolytiques en aluminium 220uF C1 et C3 sont utilisés comme réservoirs de charge pour les deux moitiés de l’alimentation. Les points BP (positif de la batterie) et BN (négatif de la batterie) indiquent les connexions d'alimentation dans tout le schéma. Les deux points également étiquetés BP et BN sont des étiquettes en PC sur lesquelles la puissance de la batterie, après avoir été commutée via S1, est appliquée.

À LED ou pas à LED, telle est la question. Si les LED consomment de l'énergie, il en va de même en oubliant d'éteindre l'appareil. Le choix t'appartient. Utilisez un interrupteur avec une belle indication d’état «allumé» et rappelez-vous de l’éteindre ou utilisez un voyant lumineux pour vous rappeler que l’unité est allumée et utilisez un peu plus de courant, mais n'oubliez pas de l'éteindre.

Ainsi, si vous utilisez la LED1, elle s’allume simplement car elle est polarisée en direct lorsque l’appareil est sous tension. Utilisez une LED haute efficacité car elle ne reçoit pas beaucoup de courant, mais vous la verrez à coup sûr. Si vous souhaitez que la LED1 soit plus lumineuse (et que la batterie meure plus tôt), réduisez la valeur de R2 à, par exemple, 2K ou peut-être 1,5K.

Nous utilisons U1-A (amplificateur ¼ TL074 Quad Op) en tant qu’intégrateur et comparateur U1-B (¼ TL074 Quad Op.). Ensemble, ils constituent le cœur de l’oscillateur du générateur de fonctions. À la mise sous tension, la sortie de U1-B (notre comparateur) sera toujours saturée haute ou saturée basse. Nous considérerons qu’il est alimenté au niveau saturé lorsque nous discutons de son fonctionnement. À la mise sous tension, la sortie de l’amplificateur opérationnel utilisé comme intégrateur (U1-A) sera au niveau du sol, mais commencera immédiatement à monter en hauteur sous l’influence de la sortie de U1-B. La sortie basse de U1-B est renvoyée à son entrée non inverseuse par le biais de résistances 62K connectées en série R5 et R6. Deux diodes 1N914 sont connectées entre la jonction R5 / R6 et la masse. La cathode de D1 est connectée à la jonction R5 / R6 et l’anode de D2 est connectée à la jonction R5 / R6. Les autres extrémités des diodes sont connectées à la masse virtuelle du circuit (nous dirons simplement sol à partir de maintenant).

Que font les diodes D1 et D2? Ils contrôlent la tension à la jonction R5 / R6 de sorte que lorsque la sortie de U1-B passe de saturation positive à saturation négative, la tension à la jonction R5 / R6 passe d'une chute de diode directe au-dessus du sol (environ + 600 mV) à une tension directe chute de diode dans le sol (environ -600 mV).

Nous faisons cela pour que la tension renvoyée à l'intégrateur ait la même valeur dans les deux sens. La raison pour laquelle nous n’utilisons pas seulement la sortie de U1-B est que ses tensions de saturation positive et négative ne sont pas tout à fait les mêmes. Étant donné que le courant fourni à l'intégrateur via les commandes de fréquence fine et approximative et R10 dépend de l'amplitude de la tension provenant de la section comparateur, il est important que la tension soit la même dans les directions positive et négative, sinon l'onde triangulaire de l'intégrateur -Shape souffrira d'une faible symétrie d'un côté à l'autre. Au lieu d'être triangulaire, la vague apparaîtrait de travers (plus d'aspect en dents de scie ou en rampe).

Le faible niveau initial sur la sortie de U1-B entraîne un courant circulant depuis l'entrée inverseuse de l'intégrateur U1-A broche 2 (via une résistance 62K R10, un pot de fréquence grossière 100K R9 et un pot de fréquence fine R4 100K) vers la tension de -600 mV niveau à la jonction R5 / R6 / D1-k / D2-a.

En réponse, la sortie de l'intégrateur (U1-A pin 1) monte en puissance jusqu'à ce que le courant passe dans l'entrée non inverseuse du comparateur U1-B via la résistance 180K R7 surmonte le courant allant vers le niveau -600mV sur le R5 / R6 / D1. -k / D2-a jonction via 62K résistance R5.

Lorsque la sortie de U1-A augmente suffisamment (environ + 1,7V), la sortie du comparateur U1-B passe en saturation positive. Le niveau de jonction R5 / R6 / D1-k / D2-a est maintenant à + 600 mV et le courant circule vers l’entrée inverseuse de U1-A via R4, R9 et R10. La sortie de l'intégrateur diminue progressivement jusqu'à ce que sa tension soit suffisamment basse (environ -1,7 V) pour tirer suffisamment de courant dans R7 pour compenser le courant traversant R5 à partir du niveau de + 600 mV à la position R5 / R6 / D1-k / D2-a jonction. À ce moment, la sortie du comparateur atteint rapidement une saturation négative et le processus se poursuit, ce qui entraîne une oscillation triangulaire à la sortie de l'intégrateur U1-A et une oscillation à onde carrée à la sortie du comparateur U1-B.

Le potentiomètre de fréquence approximative 100K R9 sert de diviseur de tension ajustable pour contrôler le niveau de tension, ce qui entraîne le passage du courant dans ou hors de R10, puis dans ou hors de l'entrée inverseuse de l'intégrateur. Lorsque l’essuie-glace de R9 est réglé dans la direction de R4, l’entrée de l’intégrateur voit plus de tension (donc de courant) et la fréquence augmente. Lorsque l’essuie-glace de R9 est réglé sur R13, l’entrée de l’intégrateur voit moins de tension (donc de courant) et la fréquence est plus basse. La résistance R13 (3K) définit la limite de réglage de la tension tout en permettant à l'intégrateur de ramper correctement lorsque le potentiomètre R9 est réglé à fond.

La commande 100K Fine Frequency (R4) permet simplement de faire passer plus ou moins de courant entre la sortie de la section intégrateur et l’entrée inverseuse du comparateur lorsqu’elle est ajustée. Il est facultatif et peut être éliminé si vous n’avez pas besoin d’un contrôle précis de la fréquence. Si R4 n’est pas utilisé, connectez simplement le point X1 au sommet de l’élément résistif du potentiomètre R9.

Le commutateur S2 est utilisé pour connecter un condensateur plus important (C2 .0022uF) en parallèle avec C4 (100pF) afin de modifier la plage de l'oscillateur de haut (S2 ouvert) à bas (S2 fermé). Lorsqu'un condensateur plus grand est utilisé dans un intégrateur, le taux de rampe devient plus faible. Lorsque S2 est ouvert, la plage de fréquences du générateur de fonctions est d’environ 400 Hz à 10 KHz. Lorsque S2 est fermé et que C2 est en parallèle avec C4, la plage de fréquences est abaissée d’environ 16Hz à 590Hz. Ainsi, le générateur de fonctions dispose d’une large plage d’ajustements de fréquence.

Nous voyons une belle forme d’onde triangulaire à la sortie de U1-A (point de circuit TRI) qui oscille autour du sol virtuel de l’appareil avec une amplitude d’environ 3V, crête à crête. Nous prenons l'onde carrée apparaissant à la sortie de U1-B et réduisons son amplitude à environ 4V crête à crête tout en maintenant une source à basse impédance en utilisant U1-C pour appliquer un gain inversé fractionnel (point de circuit SQR). Le condensateur céramique 22pF aux bornes de la résistance R15 est là pour réduire une légère sonnerie de front montant qui apparaît sur la sortie de U1-C sans elle.

Pour simplifier le circuit et réduire un peu la consommation de courant, vous pouvez supprimer la fonctionnalité d'onde sinusoïdale si vous le souhaitez. Éliminez simplement le LM13700 et les composants associés et modifiez la sélection de l’onde de sortie en sélectionnant uniquement les ondes carrées ou triangulaires. Vous utiliserez également un commutateur SPDT de moins.

Cependant, je trouve l’onde sinusoïdale utile pour le dépannage, c’est pourquoi je l’ai incluse. Pour transformer l'onde triangulaire en une approximation sinusoïdale, nous saturons l'entrée non inverseuse de l'ampli-op double transconductance U2-A LM13700 afin de tirer parti de la distorsion non linéaire fournie. Cette distorsion a tendance à courber le haut et le bas de la forme d'onde triangulaire vers l'intérieur, ce qui lui donne un aspect sinusoïdal. La forme d'onde triangulaire est transmise de la sortie de U1-A à l'entrée non inverseuse de U2-A (broche 3) via le potentiomètre 100K R16.Le potentiomètre Trim Pot R16 sert à régler l’amplitude du signal apparaissant sur l’entrée non inverseuse de U2-A.

Nous contrôlons délibérément l’entrée afin que R16 ajuste l’ampleur de la distorsion subie par le signal. Trop peu et le signal semble triangulaire; trop, et le signal semble trop plat en haut et en bas.

Vous pourrez voir (et entendre) quand ce sera juste. Le potentiomètre de compensation 100K R24 est utilisé pour appliquer un courant de polarisation ajustable à l'entrée non inverseuse via la résistance 200K R19. Ainsi, le potentiomètre R24 est utilisé pour ajuster la symétrie de haut en bas de la forme d'onde sinusoïdale. Le potentiomètre de compensation 100K R17 est utilisé pour appliquer le signal de polarisation à l’amplificateur op de transconductance U2-A et contrôle ainsi l’amplitude de la forme d’une onde sinusoïdale. Nous utilisons l’amplificateur tampon Darlington fourni sur la puce LM13700 pour mettre en tampon la sortie.

Les résistances R22 (220K) et R23 (680K) polarisent la sortie de U2-A de sorte que l’onde sinusoïdale oscille autour de la terre virtuelle de l’unité. La résistance R18 (10K) convertit le courant de la broche 8 de U2-A en tension. Le point de circuit SIN provient de la broche 8 de U2-A. L'autre moitié de U2 (U2-B) n'est pas utilisée dans ce circuit.

Les points de circuit SQR, TRI et SIN sont commutés via S3 (commutateur SPDT) et S2 (commutateur SPDT) et raccordés via R11 (potentiomètre 100K) utilisé comme diviseur de tension réglable. La partie de la forme d’onde sélectionnée extraite de l’essuie-glace de R11 est appliquée à l’entrée inverseuse de U1-D via la résistance 10K R12. La résistance de rétroaction 12K de U1-D lui confère un gain de 1,2, ce qui confère à chaque forme d’onde un bit d’amplification. Ce schéma fournit la forme d'onde sélectionnée à niveau ajusté à partir de la sortie à basse impédance de U1-D.

Les condensateurs C6 à C9 sont des capuchons en céramique .1uF qui doivent être placés à proximité des broches d'alimentation des deux circuits intégrés (U1 et U2) lors de la construction du circuit.

Voici la liste des composants. Tous les bouchons doivent être classés 16V ou plus. J'énumère un boîtier de RadioShack et un tableau de performances qui devraient parfaitement accueillir le projet.

Liste des pièces du projet de générateur de fonctions sinusoïdales, carrées et triangulaires

Vous pouvez facilement construire ce circuit sur une petite carte d’expérimentateur ou graver une carte PC. Dans les mois à venir, recherchez ce projet sur le site Web de MFOS. Nous proposerons pour ce projet un tableau de circuits imprimés de fabrication professionnelle ainsi qu'un kit de pièces.

Qté La description Valeur Les désignateurs
1 LM13700N double amplificateur op de transconductance LM13700N U2
1 TL074CN Quad Op Amp TL074CN U1
2 1N914 Sw. Diode 1N914 D1, D2
1 LED d'usage général LED LED1
3 Potentiomètre à conicité linéaire 100K R4, R9, R11
4 Résistance 1/4 Watt 5% 10K R12, R15, R18, R20
1 Résistance 1/4 Watt 5% 12K R8
1 Résistance 1/4 Watt 5% 180K R7
1 Résistance 1/4 Watt 5% 1K R21
1 Résistance 1/4 Watt 5% 200K R19
1 Résistance 1/4 Watt 5% 20K R14
1 Résistance 1/4 Watt 5% 220K R22
2 Résistance 1/4 Watt 5% 3K R2, R13
2 Résistance 1/4 Watt 5% 4,7K R1, R3
3 Résistance 1/4 Watt 5% 62K R5, R6, R10
1 Résistance 1/4 Watt 5% 680K R23
3 Trim Pot (Bourns 3296W ou équivalent) 100K R16, R17, R24
1 Condensateur Céramique .002uF C2
4 Condensateur Céramique .1uF C6, C7, C8, C9
1 Condensateur Céramique 100pF C4
1 Condensateur Céramique 22pF C5
2 Condensateur électrolytique 220uF C1, C3
2 Commutateur SPDT SPDT S3, S4
2 Changer SPST SPST S1, S2
2 Banane jack Banane jack J1, J2
1 Batterie Batterie 9V B1
1 Boîtier de projet Radio Shack (6x4x2 ″) Cat #: 270-1806  
1 Carte Radio Shack avec 780 trous Cat #: 276-168  
1 Connecteurs instantanés Radio Shack 9V Cat #: 270-324  
1 Rouleau de 25 pi de fil toronné de calibre 22 25 pieds  
3 Boutons de potentiomètre Boutons pour potentiomètres  

Eh bien, voilà, un générateur de fonctions simple mais utile, alimenté par batterie 9V, qui vous sera utile à maintes reprises. Cela ferait un excellent cadeau pour vos amis passionnés d'électronique. Dans le prochain versement, je fournirai les détails de la construction, y compris la disposition des ordinateurs et les idées de câblage du panneau avant.

Pendant ce temps: continue à imaginer, continue à inventer, reste ingénieux!

Ray Wilson est l'auteur de Make: Analog Synthesizers et le fou qui se cache derrière le très populaire site Web Music from Outer Space.

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