Τροφοδοτικό 0.8V-5.0V & Γεννήτρια Κυματομορφών βασισμένα σε AVR

Χαρακτηριστικά πρωτοτύπου:

• Υλοποίηση με τον μικροελεγκτή ATmega32.
• Εύρος τάσης DC: 0.8V - 5.0V σε βήματα των 0.1V. Ρεύμα 2.5Α.
• Παραγόμενες κυματομορφές: Ημιτονική, τριγωνική, οδοντοτή (δεξιά - αριστερή) και τετραγωνική.
• Εύρος συχνοτήτων: Εξαρτάται από τη συχνότητα λειτουργίας του μικροελεγκτή και την ανάλυση των κυματομορφών.
• Οι ρυθμίσεις γίνονται από πληκτρολόγιο 4x4 και οθόνη LCD 2x16, εναλλακτικά μόνο για το τροφοδοτικό μέσω PC (LabVIEW or TERMINAL).

Η κατασκευή που παρουσιάζεται ενσωματώνει ένα τροφοδοτικό συνεχούς τάσης και μια γεννήτρια κυματομορφών σε ένα απλό κύκλωμα. Βασίζεται στον μικροελεγκτή της Atmel ATmega32 (ή ATmega16) και μπορεί να τροποποιηθεί εύκολα ο κώδικας ώστε να χρησιμοποιηθούν νεότεροι μικροελεγκτές αρκεί να διαθέτουν 4 Ports, External Interrupts, USART και ADC.

Οι χειρισμοί γίνονται από ένα πληκτρολόγιο 4x4 και δύο push buttons και οι ενδείξεις αναγράφονται σε μια οθόνη LCD 2x16 της σειράς 1602. Οι χειρισμοί του τροφοδοτικού μπορούν να γίνουν επίσης και από Ηλεκτρονικό Υπολογιστή με το LabVIEW μέσω σειριακής θύρας RS232 ή θύρας USB με κατάλληλο μετατροπέα. Το πληκτρολόγιο είναι συνδεδεμένο στο PORTB0:7 και τα push buttons στο PORTD2:3. Μέσω του πληκτρολογίου γίνεται η επιλογή της λειτουργίας τροφοδοτικού ή γεννήτριας και η επιλογή της τάσης εξόδου για το τροφοδοτικό και της συχνότητας της παραγόμενης κυματομορφής για τη γεννήτρια. Η συχνότητα μπορεί επίσης να μεταβληθεί με βήματα από τα δύο push buttons.

Η οθόνη LCD είναι συνδεδεμένη στο PORTA1:7 και η έξοδος του τροφοδοτικού, για ανάγνωση της τάσης εξόδου από τον ADC του μικροελεγκτή και εμφάνισή της στην οθόνη, είναι συνδεδεμένη στο PORTA0.

Το κύκλωμα του DAC είναι συνδεδεμένο στο PORTC0:7 και βασίζεται σε ένα δικτύωμα R2R και έναν τελεστικό ενισχυτή. Ο τελεστικός ενισχυτής δεν χρειάζεται αρνητική τροφοδοσία και μαζί με τα τρανζίστορ εξόδου τροφοδοτούνται με τάση μεγαλύτερη από 7V DC (V2). Για αυτόν το λόγο έχουν τοποθετηθεί 2 δίοδοι Zenner έτσι ώστε να αποτραπεί η εφαρμογή υψηλής τάσης στον μικροελεγκτή σε περίπτωση αστοχίας. Η ανάδραση προς την είσοδο αναστροφής του τελεστικού ενισχυτή γίνεται από την έξοδο του τρανζίστορ εξόδου ώστε να εξαλειφθεί η Vbe. Η ανάδραση γίνεται μέσω της R29 ώστε να είναι δυνατό να γίνει τροποποίηση του λογισμικού για παραγωγή μεγαλύτερων τάσεων εξόδου. Για τον ίδιο λόγο έχει τοποθετηθεί και η R32. Η R30 έχει τοποθετηθεί για μηδενισμό του Offset του τελεστικού ενισχυτή.

Για τη λειτουργία του κυκλώματος χωρίς τροποποιήσεις (όπως σχεδιάστηκε αρχικά) οι βραχυκυκλωτήρες πρέπει να είναι όπως παρουσιάζονται στο σχηματικό και οι μεταβλητές αντιστάσεις σε ρύθμιση χωρίς διαίρεση τάσης. Ο J5 πρέπει να είναι κλειστός κατά τη λειτουργία του τροφοδοτικού και ανοιχτός κατά τη λειτουργία της γεννήτριας. Το τρανζίστορ εξόδου πρέπει να είναι τύπου Darlington ώστε να είναι δυνατή η σταθεροποίηση για ρεύματα ως 2.5Α. Η ακρίβεια της τάσης εξόδου του τροφοδοτικού είναι της τάξεως των 0.05V για τάσεις μεγαλύτερες των 2V και της τάξεως των 0.2 για μικρότερες, ενώ δεν είναι δυνατή η παραγωγή τάσεων μικρότερων των 0.8V.

Το πλάτος της παραγόμενης κυματομορφής είναι 2Vpp για ημιτονική, 2.5Vpp για τριγωνική και οδοντωτή και 3Vpp για τετραγωνική, ενώ υπάρχει και μια DC συνιστώσα η οποία μπορεί να εξαλειφθεί αν η κυματομορφή ληφθεί από τον J2 (ελεύθερο άκρο του C1) ή από τον J5 όταν αυτός ανοίξει για τη λειτουργία της γεννήτριας (ελεύθερο άκρο του C5). Στην πρώτη περίπτωση το μέγιστο ρεύμα εξόδου είναι 25mA (εξαρτάται από τον τελεστικό ενισχυτή που θα τοποθετηθεί), ενώ στη δεύτερη περίπτωση μπορεί να φτάσει τα 2.5Α και εξαρτάται από το τρανζίστορ εξόδου. Η DC συνιστώσα είναι τόση ώστε να φέρει το DAC στην περιοχή λειτουργίας με τη βέλτιστη ακρίβεια.

Η μέγιστη συχνότητα εξόδου της γεννήτριας, για συχνότητα χρονισμού του μικροελεγκτή 4MHz και ανάλυση 128B για ημιτονική και τριγωνική είναι περίπου 800Hz, για οδοντωτή με ανάλυση 64Β είναι 1.6kHz και για τετραγωνική 1MHz η οποία έχει ανάλυση 2Β. Οι συχνότητες εξόδου μπορούν να αυξηθούν σημαντικά αν αυξηθεί η συχνότητα χρονισμού του μικροελεγκτή. Aκόμα περισσότερο μπορούν να αυξηθούν αν ελαττωθεί η ανάλυση, όπου αν συνδυαστεί με ανάλογη ελάττωση του πλάτους εξόδου είναι δυνατό να μην την επηρεαστεί καθόλου η ποιότητα των κυματομορφών. Η αύξηση της συχνότητας εξόδου πρέπει να συνοδευτεί με ελάττωση των τιμών των πυκνωτών C3, C4, C6 και C7.

Οι τιμές του πίνακα για πραγματοποίηση της ημιτονικής κυματομορφής μπορούν εύκολα να υπολογιστούν με τη βοήθεια ενός υπολογιστικού φύλου (πχ. Excel) με τον τύπο = (((SIN (x * 2 * PI () / Res) +1) * Vpp / 2) + DC-Vp )* 255/5, όπου Res η ανάλυση και x λαμβάνει τιμές από 0 ως Res.

Ο χειρισμός του οργάνου είναι εύκολος. Στην αρχική οθόνη δίνονται η απαραίτητες πληροφορίες για τις λειτουργίες. Πιέζοντας το Α ξεκινάει η λειτουργία του τροφοδοτικού ή πιέζοντας το Β της γεννήτριας. Στο τροφοδοτικό δίνεται η επιθυμητή τάση εξόδου με ένα ακέραιο και ένα δεκαδικό ψηφίο πιέζοντας * για υποδιαστολή και στη συνέχεια # για εφαρμογή. Σε περίπτωση λάθους καθαρίζει η τελευταία καταχώρηση με το D.

Το λογισμικό δεν επιτρέπει την εισαγωγή μεγαλύτερου αριθμού από το 5.0 ούτε λανθασμένες εισαγωγές παρά μόνο με τη σωστή σειρά: [αριθμός * αριθμός #]. Στην οθόνη εμφανίζεται στο πάνω μέρος η επιθυμητή τιμή με την ένδειξη Set: και στο κάτω μέρος η μετρούμενη με την ένδειξη Output:.

Στη γεννήτρια δεν υπάρχει διαθέσιμη η ένδειξη της συχνότητας εξόδου (σε αυτή την έκδοση) παρά μόνο ένας παράγοντας διαίρεσης της μέγιστη συχνότητας. Η εισαγωγή του παράγοντα διαίρεσης γίνεται από το πληκτρολόγιο με 1 ως 4 ψηφία και στη συνέχεια το # για εφαρμογή. Η παραγωγή κυματομορφής ξεκινάει και σταματάει πατώντας το C. Κατά τη διάρκεια παραγωγής δεν λειτουργεί κανένα άλλο πλήκτρο και δεν γίνεται καμία άλλη λειτουργία παρά βηματική ελάττωση ή αύξηση της συχνότητας από τα push buttons.

Ο τύπος κυματομορφής μπορεί να αλλάξει όσο δεν υπάρχει παραγωγή με το πλήκτρο *. Στην οθόνη στο πάνω μέρος εμφανίζεται ο παράγοντας διαίρεσης με την ένδειξη f div: και στο κάτω μέρος ο τύπος της κυματομορφής και τα διαθέσιμα πλήκτρα με τη λειτουργία τους. Με το LabVIEW είναι δυνατόν (στην πρωτότυπη έκδοση) μόνο ο έλεγχος του τροφοδοτικού. Μετά τη ρύθμιση της θύρας COM μπορεί να γίνει η ρύθμιση της τάσης εξόδου είτε από τον περιστροφικό διακόπτη είτε από την αριθμητική ένδειξη και επιβεβαίωση με το πλήκτρο ΟΚ. Στην περιοχή Volts εμφανίζεται η τάση εξόδου ενώ ένα λαμπάκι με τον χαρακτηρισμό Deviation ανάβει όταν υπάρχει απόκλιση της εξόδου από την επιθυμητή τιμή. Η αποδεκτή απόκλιση μπορεί να ρυθμιστεί από το αντίστοιχο πεδίο με βήματα των 100mV. Το PCB του DAC υπάρχει διαθέσιμο στη σελίδα για κατέβασμα, ενώ για το κύκλωμα του μικροελεγκτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί η αναπτυξιακή πλακέτα που παρουσιάζεται στην αντίστοιχη σελίδα. Προσοχή χρειάζεται στην υποδοχή του PORTC γιατί είναι η μοναδική υποδοχή στην πλακέτα που στη θέση 1 είναι συνδεδεμένο το PORTC7 και για αυτό το λόγο πρέπει να κατασκευαστεί καλώδιο με ανεστραμμένη τη σειρά 1-8.

     Downloads:

• Software
• PCBs

Σας ευχαριστώ για την υποστήριξή σας ώστε να γίνει η ιστοσελίδα μου καλύτερη.

© 2017 Πορλιδάς Δημήτριος