Guida Completa alla Costruzione di un Generatore di Forme d’Onda: Utilizzo dell’ICL8038 per Onde Sinusoidali, Quadre e Rettangolari

Piccolo circuito capace di generare onde sinusoidali, quadre, rettangolari, triangolari e a dente di sega. Lavora a una frequenza compresa fra 50 Hz ed oltre 5 kHz ed è basato con l’ICL8038, un chip in grado di svolgere tutti i compiti richiedendo pochissimi componenti esterni.

Sul banco da lavoro di noi elettronici, oltre al tester e a una stazione saldante, dovrebbero esserci strumenti di misura come l’oscilloscopio e il generatore di segnali (come quello presentato in questo articolo); quest’ultimo si può autocostruire senza particolare fatica né grandi spese e a dimostrarvelo pubblichiamo in queste pagine proprio il progetto di un generatore di forme d’onda “essenziali” utili per svolgere le varie analisi e misure sui circuiti lineari, come gli amplificatori di potenza e di tensione (preamplificatori) ma anche su dispositivi audio e sui filtri.

Si tratta di un progetto di facile realizzazione creato tenendo conto delle esigenze degli sperimentatori, che spesso hanno poco denaro da spendere e che poco si prestano ai montaggi SMD che oggi imperversano anche nelle pagine delle riviste di elettronica. Insomma, un generatore per tutti, basato su un circuito integrato tra i più collaudati, vale a dire l’ICL8038 della Harris, che vagamente richiama il più datato e famoso MAX038 della Maxim.

L’integrato ICL8038 è in grado di generare segnali di uscita ad onda sinusoidale, triangolare e quadra in un ampio campo di frequenze che spazia tra 0,001Hz e 300 kHz, ma nel nostro generatore ci limitiamo a lavorare da 50 Hz a 5 kHz.

Ma andiamo dunque ad analizzare il circuito del generatore di forme d’onda, che poi si riassume nell’integrato ICL8038 e nei pochissimi componenti di contorno, giacché il chip svolge praticamente tutto al proprio interno, richiedendo solo i potenziometri e trimmer per impostare campi di frequenza e altre regolazioni.

Schema elettrico del generatore di forme d’onda

Il cuore del circuito è l’integrato U1, che alimentato con la tensione continua proveniente da J1 si accende e inizia a generare la propria forma d’onda di base grazie all’oscillatore interno, se così possiamo chiamarlo, che è un generatore d’onda triangolare e rettangolare unidirezionale basato su flip-flop.

Tutto ha origine in un blocco che opera la carica e scarica a corrente costante del condensatore di temporizzazione collegato tra il piedino TCAP (pin 10) e GND (pin 11) determinando una componente triangolare abbastanza precisa, giacché il condensatore viene caricato e scaricato attraverso un generatore di corrente costante e quindi la curva di carica e scarica è rettilinea.

A decidere quando smettere la carica per avviare la scarica provvede il blocco composto dai due comparatori di tensione interni, i quali comparano il potenziale sul condensatore con due tensioni di riferimento: quando il potenziale raggiunge la soglia alta, il rispettivo comparatore commuta andando a intervenire sullo switch CMOS interno che commuta il condensatore e quindi il piedino TCAP, dall’uscita del generatore di corrente costante usato in carica al carico ad assorbimento costante che opera, da questo momento, la scarica.

Non appena la tensione scende al disotto della soglia inferiore, l’altro comparatore interviene pilotando con la propria uscita lo switch interno affinché commuti nuovamente in carica.

Le uscite dei comparatori funzionano quindi alternando i loro livelli logici e nell’integrato vengono utilizzate per comandare gli ingressi di un flip-flop RS, la cui uscita produce un’onda rettangolare.

La tensione prelevata ai capi del condensatore di temporizzazione costituisce l’onda triangolare e viene inviata all’ingresso di un buffer che la rende disponibile all’uscita dedicata (triangolare) ovvero al piedino 3 (TW=Triangular Wave) mentre l’uscita del flip-flop va ad un secondo buffer, che la rende disponibile al piedino 9 (SQW=SQuare Wave).

Quindi le onde triangolare e quadra escono dall’integrato direttamente e sono generate direttamente.

Invece la sinusoidale viene ottenuta mediante un circuito “sine-shaper” ossia un modellatore sinusoidale che riceve in ingresso l’onda triangolare e ne ricava una sinusoide; tale circuito consiste in un particolare amplificatore multistadio a base comune con elementi in cascata, retroazionati l’uno con l’altro in modo da saturare progressivamente, ovvero da limitare il guadagno man mano che l’ampiezza della triangolare cresce, così da sagomarla, appunto, dando l’inviluppo sinusoidale.

Lo stadio sagomatore, visibile in basso a destra nello schema interno dell’integrato proposto dalla Fig. 1, prende internamente il segnale triangolare presente sul piedino 3 (quello d’uscita del buffer della triangolare) e fornisce il proprio segnale al piedino 2 (SWO, ossia Sine-Wave output) rispetto a massa; è possibile, tramite la tensione applicata al piedino 12 dal potenziometro VR4 (inserito nel partitore resistivo di cui fanno parte anche R7 ed R8) modificare l’inviluppo della sinusoide entro certi limiti, per darle la sagoma migliore possibile.

La regolazione si può fare visivamente guardando il segnale su un oscilloscopio, o più precisamente ricorrendo a un distorsiometro.

 

La circuitazione interna all’ICL8038 adotta soluzioni per garantire la produzione di un segnale sinusoidale abbastanza lineare e simile (se non uguale) a quello ottenibile da un oscillatore a sfasamento.

Un’interessante funzionalità di cui è dotato il chip della Harris è lo sweep, nel senso che mediante una tensione di controllo fornita dall’esterno al piedino FMSWP (8) è possibile far slittare di frequenza in alto o in basso i segnali prodotti, perché il relativo controllo va ad agire direttamente sui tempi di carica e scarica del condensatore di temporizzazione.

Notate che siccome l’integrato non copre l’intero range di frequenza di cui è capace con un solo condensatore, abbiamo diviso il campo in due portate, montando nel circuito due condensatori collegati con un elettrodo a massa e l’altro ciascuno a un estremo di un deviatore unipolare (siglato S1 nello schema elettrico) il cui elettrodo comune è collegato al pin 10, che è quello del condensatore di temporizzazione.

In tema di temporizzazioni, possiamo spiegare il ruolo del trimmer VR3 e dei resistori R5 ed R6, i quali formano il gruppo di resistenze che agiscono sul generatore di corrente costante che opera la carica /scarica del condensatore collegato tra il piedino TCAP e massa: l’integrato permette di gestire distintamente i tempi di carica e scarica e quindi operare una variazione del duty-cycle dell’onda rettangolare, spaziando da un mino del 2% a un massimo del 90%.

Per essere precisi, il tempo di carica e quindi l’impulso a livello alto dell’onda rettangolare (ovvero la rampa ascendente della triangolare) dipende dal resistore collegato tra il positivo di alimentazione dell’integrato (piedino 6) e il piedino 4, mentre quello a livello basso (rampa discendente della triangolare) è correlato al valore del resistore connesso tra il positivo di alimentazione e il pin 5.

Chiamando Ra il resistore collegato al piedino 4, vale la relazione:

t1 = (Ra x C) / 0,66

dove C è il condensatore di temporizzazione inserito e t1 la durata della carica dello stesso e quindi del livello alto all’uscita SQW.
Invece la durata dell’impulso a livello basso e quindi della scarica del condensatore è determinata da:

t2 = (Ra x Rb x C) / 0.66 (2Ra – Rb)

nella quale Rb è il resistore collegato al piedino 5.

Con due resistenze completamente separate, la frequenza di lavoro vale:

Oppure, se le resistenze sono uguali, la frequenza vale:
f = 0,33 / R x C

dove il valore R è uguale ad Ra e a Rb.

Nel nostro circuito abbiamo preferito tenere due resistori uguali, ma collegati al positivo di alimentazione tramite un trimmer che ha al positivo il cursore e ai due estremi si connette, appunto, ai resistori: questa soluzione consente di assegnare a ciascuno degli R5 (Ra) ed R6 (Rb) una porzione variabile della resistenza del VR3 a seconda della posizione assunta dal cursore e, per l’esattezza, uguale a cursore in centro, maggiore a R5 spostando il cursore verso R6 e viceversa.

Tradotto in pratica, cursore in centro significa un’onda quadra, cursore verso R5 un’onda rettangolare con duty-cycle via-via decrescente man mano che ci si avvicina alla R5 stessa e cursore verso R6 corrisponde ad avere una forma d’onda rettangolare con duty-cycle crescente più ci si avvicina alla R5 stessa.

Notate che la configurazione da noi adottata è la più semplice che ci permette di variare il duty-cycle del segnale prodotto mantenendo la frequenza costante, ovvero senza che la regolazione cambi la frequenza; infatti se si cambia una sola delle resistenze alla volta si varia il solo tempo di carica o scarica del condensatore di temporizzazione, cosicché l’onda quadra non è più tale ma diviene una rettangolare, con un duty-cycle diverso dal 50%.

Ma soprattutto cambia la durata del periodo, il che implica che la frequenza prodotta varia, cosa non ammissibile durante certe misure.

Va da sé che variando il duty-cycle del segnale presente all’uscita SQW si deforma la sinusoidale e con essa la triangolare; più esattamente, riducendo il duty-cycle si stringe la semionda “positiva” della sinusoide e invece la quadra diventa un dente di sega.

Piano di montaggio del generatore di forme d’onda

Elenco Componenti:

R1: 200 ohm 1%
R2, R3, R4: 10 kohm 1%
R5, R6, R7, R8: 33 kohm 1%
VR1: Potenziometro 5 kohm
VR2: Trimmer multigiri 5 kohm
VR3: Trimmer 20 kohm
VR4: Trimmer 100 kohm
D1: 1N4007
D2: LED 3 mm rosso
C1, C2: 100 nF ceramico
C3: 10 nF ceramico
C4: 1 nF ceramico
C5: 220 μF 10 VL elettrolitico
U1: ICL8038
S1: Deviatore a slitta
Varie
- Zoccolo 7+7
- Manopola potenziometro
- Morsetto 3 vie (2 pz.)
- Circuito stampato S1464 (59x44 mm)

 

Nel circuito, la frequenza di lavoro si varia con il potenziometro VR1, perché fornisce all’ingresso di sweep FMSWP la tensione di controllo; con il trimmer VR2 è possibile aggiustare il range.

La deviazione della frequenza ottenibile con la tensione applicata al piedino 8 è da intendersi rispetto al valore di base impostato con il gruppo R5, R6, VR3 e il condensatore di temporizzazione scelto mediante il deviatore singolo S1: con i trimmer al centro è esattamente quella, mentre portando i cursori verso il positivo di alimentazione cresce, dato che la frequenza è direttamente proporzionale al potenziale applicato al piedino 8.

Quindi portando i cursori verso massa si ottiene una diminuzione della frequenza rispetto a quella a riposo.

Notate che il trimmer consente di limitare il campo d’azione del potenziometro, tarandone lo sweep in modo fine, mentre il potenziometro esegue la regolazione grossolana, quindi per impostare la frequenza, prima ci si porta nei dintorni del valore desiderato con il potenziometro VR1 e poi con il trimmer si aggiusta il valore.

Bene, ciò detto possiamo concludere l’analisi dello schema elettrico con l’alimentazione, che è tipicamente a 12 volt e viene applicata al connettore J1, precisamente sui piedini 1 (negativo) e 2 positivo; tale tensione oltrepassa il diodo D1, che serve da protezione in caso di inversione di polarità) e opportunamente filtrata dai disturbi e dall’eventuale residuo di alternata dell’alimentatore, raggiunge il piedino 6 dell’ICL8038.

Il LED D2, la cui corrente è limitata dalla resistenza R2, illuminandosi indica quando il circuito è sotto tensione e quindi operativo (possiamo montarlo sul pannello frontale una volta realizzato lo strumento).

Realizzazione pratica del generatore di forme d’onda

Giunti a questo punto, ritenendo di aver spiegato a dovere la teoria del circuito, possiamo vedere come realizzarlo in pratica: diciamo subito che la costruzione è semplicissima perché intanto il circuito stampato è a singola faccia, quindi per prepararlo vi basta scaricare nella sezione download di questa pagina la traccia lato rame, stamparla con il servizio PCBPRODUCTION.

Una volta preparata la basetta, potete montare i componenti partendo dalle resistenze e dal diodo D1, quindi procedendo con lo zoccolo per l’integrato (meglio se del tipo con contatto “a tulipano”).

Sistemate quindi i trimmer e il potenziometro, come mostrano il piano di montaggio e le foto del prototipo, e poi i il deviatore miniatura a slitta S1.

I componenti polarizzati, quindi il diodo al silicio D1 e l’integrato, vanno orientati come indicato nella disposizione componenti illustrata in queste pagine.

Collocate via-via i componenti restanti, quindi date un’occhiata finale ed inserite l’ICL8038 Raccomandiamo di utilizzare condensatori a bassa tolleranza per la sezione di impostazione delle portate, ossia C3 e C4, perché determinano la temporizzazione; è anche buona cosa scegliere condensatori a bassa deriva termica, ossia con ridotto coefficiente di temperatura, così da assicurare la stabilità della frequenza durante il funzionamento.

Diciamo che vanno bene dei condensatori a film di poliestere a bassa tolleranza (5%, contraddistinti dalla lettera J). Quanto alle resistenze, non vi sono particolari problemi.

Terminato il montaggio, il circuito è pronto per l’uso e potete collaudarlo con un oscilloscopio; ricordate che l’alimentazione dev’essere molto stabile e ben filtrata, onde evitare la sovrapposizione di interferenze che “sporcherebbero” il segnale prodotto.

Racchiudete il circuito in un contenitore adatto, fissandolo poi al pannello frontale con apposite
colonnine distanziatrici; le uscite di segnale vanno collegate con del cavetto schermato coassiale (la cui calza schermo va alla massa del PCB) a dei connettori BNC femmina da pannello, che conviene però isolare dal frontale dello strumento, se è di metallo: infatti il contenitore va collegato alla massa dell’alimentatore in un solo punto, mentre ogni BNC va connesso alle rispettive piazzole usando cavetto schermato coassiale (la maglia di schermo va a massa ed all’esterno del BNC, mentre il capo centrale deve essere connesso al contatto interno ed alla piazzola di segnale).

Potete anche utilizzare prese RCA invece delle BNC, procurandovi poi i cavi adattatori RCA/BNC: la frequenza di lavoro del generatore di funzioni non è tanto alta da creare problemi con gli RCA.

Montando il circuito in un contenitore, portate fuori da esso il potenziometro e montatelo a pannello, connettendolo con corti spezzoni di filo; idem per il deviatore S1, i cui fili devono essere il più corto possibile, onde evitare di introdurre induttanze parassite nel circuito si carica e scarica del condensatore di temporizzazione.

Regolazioni e utilizzo del generatore di segnali

Il generatore di forme d’onda, una volta montato e inscatolato è subito funzionante, tuttavia è opportuno andare a regolare quantomeno la distorsione dell’onda sinusoidale, giacché tale segnale viene ricavato da un circuito sagomatore, il cui funzionamento viene ottimizzato grazie a un’attenta regolazione del trimmer VR4; quest’ultimo va a intervenire, come vedete nello schema interno dell’integrato proposto nella Fig. 1, sulla polarizzazione di base dei transistor componenti il sagomatore sinusoidale e permette di arrivare a una distorsione anche inferiore all’1%, il che, considerando il tipo di integrato e il suo target commerciale, è un ottimo risultato.

Comunque la regolazione va effettuata collegando tra la massa e l’uscita sinusoidale del circuito la sonda di un oscilloscopio e impostando la base dei tempi e la sensibilità (V/div.) in modo da visualizzare l’onda più grande possibile; a questo punto si va a ruotare il cursore del predetto trimmer in un verso e nell’altro fino ad ottenere un’onda che sia la più armonica possibile, vale a dire meno distorta che si può. Fatto ciò, si può ritenere tarato il circuito.

Nell’uso del generatore va inoltre considerato che le uscite ad onda triangolare e sinusoidale presentano una tensione di riposo, ossia un offset di cui va tenuto conto se si pilotano circuiti accoppiati in continua; infatti le onde che vedete nella Fig. 2 sono state ottenute impostando nell’oscilloscopio l’accoppiamento AC e pertanto sono riferite all’asse degli zero volt, ma in realtà oscillano intorno al valore continuo presente in condizioni di riposo.

 

Volendo ottenere dal generatore un segnale senza tensione di polarizzazione, occorre accoppiare le uscite triangolare e sinusoidale mediante un condensatore elettrolitico, possibilmente di buona qualità e quindi al tantalio, da 47 µF, valore che dovrebbe assicurare una buona risposta con carichi all’uscita di impedenza compresa nel range ammesso dall’integrato, considerando che l’impedenza d’uscita interna è 200 ohm.

Non serve accoppiamento, invece, per l’onda rettangolare, giacché oscilla tra zero volt e il valore di picco, che è poco inferiore a quello del potenziale di alimentazione dell’integrato; peraltro un condensatore andrebbe ad alterare sensibilmente la forma d’onda, inclinando i livelli degli impulsi a decrescere nel tempo.

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Conclusioni

Il generatore qui proposto è un progetto pensato per chi debba eseguire prove su circuiti di bassa frequenza senza troppe pretese: si assembla in fretta e facilmente e si utilizza altrettanto semplicemente, senza criticità. È inoltre una buona base, elaborabile per avere prestazioni più spinte.