2015年6月21日日曜日

矩形波だけのファンクションジェネレーター でけた

配線にいろいろ手こずったがケースに収められた


出力部基板は両面テープで固定、9V電池はまたその辺にあった緩衝材で半固定した

出力波形

負荷用に10kΩと1kΩのRをつないで出力波形をオシロで見てみた


負荷10kΩ 1kHz矩形波 Duty比50%

赤色がバッファリングなし、黄色がNJU7032でバッファリング

負荷10kΩ 10kHz矩形波 Duty比50%

負荷10kΩ 500kHz矩形波 Duty比50%

500kHzは生成できる最高周波数だ

バッファリングしてもしなくても波形は崩れている

Duty比もAVRのPWMの制約上50%しか選択できない

負荷1kΩ 1kHz矩形波 Duty比50%

赤色がバッファリングなし、黄色がNJU7032でバッファリング

負荷を1kΩにするとバッファリングしてもしなくても出力レベルが400mV(p-p)に低下

出力部回路図

※LPFを無効化するためにL2:ショート、C2:オープン、Level調整用のR3:10kΩに変更、JP5には10kΩ/BのPOTを接続しています

バッファリングなしの方は出力インピーダンスがR3:10kΩ以上あるので出力電圧の低下はしかたないがバッファリングしている方は
400mV / 1kΩ = 400uA (出力保護用のR6は無視)
NJU7032は出力に1mAぐらい流せるはずなのでちょっとおかしい
どこかショートしてたりするかも?

というか、バッファリングしてもしなくても負荷が重いときに電圧が低下してしまうなら、そもそもバッファリングする意味がない(^q^;;;;

→いずれもう一度テストしてみたいと思います

負荷1kΩ 10kHz矩形波 Duty比50%

負荷1kΩ 500kHz矩形波 Duty比50%

出力レベルは下がってしまったが波形は10kΩ負荷の時より良好?


過渡現象

波形の立ち上がりの部分を拡大してみた

出力周波数を変えても過渡現象はあまり変わらないので1kHz出力の時のみです

10kΩ負荷

赤色がバッファリングなし、黄色がNJU7032でバッファリング

バッファリングなし
Rise Time:400.0ns
OverShoot: 2.4%
PreShoot: 2.4%
バッファリングあり
Rise Time: 450.0ns
OverShoot: 3.6%
PreShoot: 1.2%
1kΩ負荷

バッファリングなし
Rise Time: 130.0ns
OverShoot: 7.7%
PreShoot: 1.9%
バッファリングあり
Rise Time: 220.0ns
OverShoot: 12.2%
PreShoot: 4.1%
1kΩ負荷時に出力電圧が低下してしまっているので立ち上がりの数値の比較はあまり意味がないなぁ(^q^;

デジタル出力

AVRからの直接出力(GNDレベルもデジタル部のGND)を見てみた

10kΩ負荷時
Rise Time: 9.000ns
OverShoot: 15.9%
PreShoot: 1.6%
1kΩ負荷時
Rise Time: 10.00ns
OverShoot: 12.9%
PreShoot: 3.2%
1kΩぐらいの負荷ならAVRの出力直接でも十分ドライブできている(重畳しているノイズはひどいが(^q^;

MOS-FETのスイッチング

今回の出力部の回路ではNch MOS-FETでGND、VGNDを切り替えているが
バッファリングしないときの波形のなまりはどうもこれが原因くさい

なので、MOS-FETを通さずにデジタル出力を4.7kΩ×2で分圧し、
GNDは出力部のVGND出力(上記の回路図のIC2AのPIN1のところ)につないで波形を見てみた

RiseTime: 93.00ns
OverShoot:1.6%
PreShoot: 0.0%
出力レベルは2V強、GNDレベルは波形の中点にちゃんと来ている

Nch MOS-FETでスイッチングした場合に比べると波形はほとんどなまっていない
MOS-FETでスイッチングしたとき(負荷10kΩ) Rise Time:400.0ns

考察

分圧後の波形のなまりの原因がNch MOS-FETにあるとすると
MHzオーダーの回路では気軽にMOS-FETは使ってはいけないということになる

矩形波の場合、基本波が数百kHzでも波形(倍音)を考えるとMHzオーダーになる

今回の回路では

AVRからの出力 → R3 + JP5(10kΩのPOT) → T1(MOS-FET) → GND

という流れなのでMOS-FETのドレイン・ソース間の容量が影響してそうだ

使ってるMOS-FETの2SK4017のDATASHEETを見ると
出力容量|Coss|95pF
となっているのでこれが影響してるのかなぁ?

わからないけど、MOS-FETじゃなくて物理的なスイッチでGND/VGNDを切り替える風にすれば
改善される可能性は高い気がする

ケース内を見てみるとあと1つトグル・スイッチを入れるスペースはありそうなので
使ってみて必要そうなら、もう少し実験して改造したいと思います


ケースへの組み込みについて

今回もまたギリギリ収まったが、
ユニバーサル基板のはんだ付け
ケース内配線
は、やはりしんどい作業だ(時間的にも、気合的にも(^q^;

今回は基板の裏にピン・ヘッダを出してケーブルを直付けしたが、はんだがショートしてしまうことがあった

せっかく基板単体でテストしてももう一度やり直すはめになるのでなるべく避けた方が良さそう
ケースへの組み込み時にはなるべくコネクタ経由でやりたい

あと、実装しながらテストする場合は、できるだけ分けられる基板は分けておくというのがいいと思う

構想段階で簡単そうに思えてもアナログ回路は思わぬ落とし穴がある(^q^;;;

矩形波だけのファンクションジェネレーターは今回でいったん完了とします

資料等はGithubで公開しています
https://github.com/ryood/SQR_FG