Generator dźwiękuspis treści

Do przygotowania doświadczeń dotyczących fal dźwiękowych potrzebujemy generatora dźwięku. Proste generatory pozwalają na generowanie fali o zadanej częstotliwości. Bardziej złożone dają możliwość wyboru kształtu fali i mają znacznie szerszy zakres generowanych fal. Do demonstracji zakresu słyszalności czy ugięcia fali – potrzebujemy pojedynczego przestrajanego generatora. Do pokazania interferencji – przydatne będą dwa, z czego tylko jeden musi być generatorem przestrajanym.

Budując generator możemy sięgnąć do wielu gotowych rozwiązań opisywanych w literaturze. Przy wyborze modelowego generatora warto kierować się jego prostota oraz uniwersalnością zastosowań w czasie prowadzenia doświadczeń na zajęciach.

Modelowy generator skonstruowano składając dwa różne generatory. Pierwszy pracuje w układzie mostkowym Wiena i pozwala na generowanie sygnału sinusoidalnego o wybranych częstotliwościach wybieranych przełącznikiem wielopozycyjnym. Jest ot bardzo prosta konstrukcja, łatwa do uruchomienia, a przy jej budowie możemy dowiedzieć się wielu ciekawych rzeczy na temat różnych typów kondensatorów.

Drugi z generatorów został przygotowany w oparciu o scalony generator funkcji 8038. Układ ten pozwala na generowanie przebiegów sinusoidalnych, trójkątnych i prostokątnych z szerokiego zakresu częstotliwości. Dodatkową zaletą jest to, że generator jest przestrajany napięciem (w przypadku generatora z mostkiem Wiena – o częstotliwości decyduje pojemności kondensatorów oraz oporności w gałęziach mostka). Pozwala to na zbudowanie wobulatora – generatora przemiatającego zadany zakres częstotliwości. Generator taki pozwala na badanie charakterystyk filtrów oraz pasma przenoszenia, i warto mieć go w swoje pracowni.

Obwody wyjściowe zrealizowano w oparciu o scalone wzmacniacze mocy. Większość sprzętu laboratoryjnego dostępnego w sprzedaży posiada wyjście o impedancji 50Ω i do sterowania głośnikiem lub słuchawką wymaga podłączenia wzmacniacza. W naszym generatorze, zamiast konstruować wzmacniacz wyjściowy o zadanej impedancji – użyjemy gotowego i prostego wzmacniacza TDA 2030 który może być zasilany napięciem 12 V i pozwala na bezpośrednie podłączenie głośnika, a także – co ważne w pracowni szkolne – posiada zabezpieczenie antyzwarciowe.

Ze względu na budowę modułową, generator może być budowany przez kilka osób i uruchamiany poszczególnymi modułami.

Spis elementów

Element cena szt. dostępność
Kawałek pleksi o takich wymiarach jak płyta czołowa obudowy uniwersalnej4 zł1Agencje reklamowe
Obudowa uniwersalna20 zł1Sklep elektroniczny lub giełda
Gniazda bananowe1 zł8- ,, -
Płytka uniwersalna8zł1- ,, -
Radiator do wzmacniaczy TDA 20305 zł1- ,, -
Przełącznik 5-cio pozycyjny6 zł1- ,, -
Przełącznik 3 pozycyjny6 zł2- ,, -
Przełącznik 2 pozycyjny (z pozycja neutralną)2,50 zł1- ,, -
Gałka do przełącznika wielopozycyjnego2 zł3- ,, -
Potencjometr 22 kΩ logarytmiczny5 zł2- ,, -
Potencjometr wieloobrotowy 10 kΩ liniowy15 zł1- ,, -
Gałka do potencjometru3 zł1- ,, -
Gałka do potencjometru wieloobrotowego25 zł1- ,, -
Układ scalony TDA 20305 zł2- ,, -
Układ scalony TL 0822 zł2- ,, -
Układ scalony 5552 zł1- ,, -
Układ scalony ICL803830 zł1- ,, -
Potencjometr montażowy 100 kΩ1 zł2- ,, -
Potencjometr montażowy 22 kΩ1 zł1- ,, -
Potencjometr montażowy 4,7 kΩ1 zł1- ,, -
Potencjometr montażowy 2,2 kΩ1 zł1- ,, -
Potencjometr montażowy 1 kΩ1 zł10- ,, -
Tranzystor PNP - BC 5570,50 zł1- ,, -
Dioda zenera małej mocy 2,7V1 zł1- ,, -
Dioda prostownicza 1N40010,50 zł9- ,, -
Dowolna dioda shottkyego małej mocy1 zł1- ,, -
Dioda przełączająca małej mocy (np. 1N4148)0,50 zł2- ,, -
Opornik 910 kΩ0,05 zł1- ,, -
Opornik 300 kΩ0,05 zł2- ,, -
Opornik 200 kΩ0,05 zł1- ,, -
Opornik 150 kΩ0,05 zł2- ,, -
Opornik 100 kΩ0,05 zł6- ,, -
Opornik 47 kΩ0,05 zł1- ,, -
Opornik 20 kΩ0,05 zł1- ,, -
Opornik 15 kΩ0,05 zł8- ,, -
Opornik 10 kΩ0,05 zł11- ,, -
Opornik 4,7 kΩ0,05 zł6- ,, -
Opornik 2,2 kΩ0,05 zł3- ,, -
Opornik 1 kΩ0,05 zł1- ,, -
Opornik 1 Ω 1 W0,50 zł2- ,, -
Kondensator elektrolityczny 2200 μF3 zł2- ,, -
Kondensator elektrolityczny 100 μF1 zł2- ,, -
Kondensator elektrolityczny 22 μF0,50 zł3- ,, -
Kondensator elektrolityczny 2,2 μF0,30 zł3- ,, -
Kondensator elektrolityczny 1 μF0,30 zł2- ,, -
Kondensator 680 nF0,30 zł2- ,, -
Kondensator 220 nF0,30 zł2- ,, -
Kondensator 100 nF0,30 zł6- ,, -
Kondensator 33 nF0,30 zł2- ,, -
Kondensator 10 nF0,30 zł4- ,, -
Kondensator 5,1 nF0,30 zł2- ,, -
Kondensator 2,2 nF0,30 zł4- ,, -
Kondensator 1 nF0,30 zł2- ,, -

Budowa

Budowę generatora warto zacząć od zaplanowania rozmieszczenia elementów regulacyjnych na płycie czołowej. Rozmieszczenie to zależy od wymiarów potencjometrów i przełączników oraz od typu wielkości obudowy uniwersalnej. Po rozplanowaniu warto te elementy od razu zamocować. Opisy poszczególnych elementów regulacyjnych można przygotować w dowolnych programie graficznym (nawet w MS Paint) i wydrukować na kartce papieru A4. Papier z nadrukiem zakrywamy płytką z cienkiego pleksi przyciętej na wymiar płyty czołowej o całość skręcamy mocując potencjometry, przełączniki i gniazda bananowe.

Następnie do płytki drukowanej mocujemy radiatory wzmacniaczy TDA 2030 i rozplanowujemy rozmieszczenie elementów. Warto zostawić więcej miejsca i kupić płytkę drukowaną o większych rozmiarach, lub skorzystać z kilku płytek – jeśli konstrukcję będzie przygotowywała więcej niż jedna osoba. W modelowym urządzeniu generatory i wzmacniacze zbudowano na jednej większej płytce, a generator przebiegu piłokształtnego – na drugiej mniejszej.

Elementy lutujemy i łączymy po stronie druku cienkimi przewodami miedzianymi, tak by uzyskać połączenia według schematu. Wartości kondensatorów podane są orientacyjnie i jeśli chcemy by masz generator służył jako wzorzec częstotliwości – to ich wartości trzeba będzie dobrać. W takim wypadku musimy zastosować kondensatory styrofleksowe, ponieważ popularne i tanie kondensatory ceramiczne bardzo silnie zmieniają pojemność przy zmianie temperatury i po lutowaniu chwilę trwa zanim ustali się częstotliwość generatora w którym te elementy decydują o częstotliwości.

Budowę warto zaczynać od budowy wzmacniaczy wyjściowych. Pozwala to na testowanie „na słuch” pozostałych elementów. Wzmacniacze, jeśli są prawidłowo zmontowane powinny zacząć pracować zaraz po zmontowaniu. Wzmacniacze scalone TDA 2030 nie wymagają wielu elementów zewnętrznych i są dość odporne na zwarcia i przegrzanie. Niestety mają one dość wrażliwe na sprzężenia i koniecznie musimy bardzo dbać o to by ścieżki masy nie tworzyły otwartych pętli – bo wzmacniacz zacznie pracować jak generator wielkiej częstotliwości.

Rys. 1. Rozbudowana wersja generatora dźwięku. Generator zbudowany na bazie mostka Wiena wykonano tu jako generator ze wstępnie ustawionymi częstotliwościami. Podstawowy generator skonstruowano na bazie układu scalonego generatora funkcyjnego sterowanego napięciem co pozwala sterować go przebiegiem piłokształtnym. Stopień wyjściowy zrealizowano na scalonych wzmacniaczach mocy co pozwala na podłączenie głośników bezpośrednio do wyjścia generatora.

 

Rys. 2 Płyta czołowa oraz wnętrze generatora zmontowanego w obudowie uniwersalnej. Połączenia płytki z przełącznikami i potencjometrami wykonano nie ekranowanym przewodem. Tylko niektóre połączenia – przewodzące sygnały o stromych zboczach przesłano przewodem ekranowanym.

Kolejnym elementem który warto zmontować jest generator pracujący w układzie mostka Wiena. Jeśli nie zależy nam na dokładnej wartości częstotliwości – to nie musimy lutować potencjometrów montażowych, które służą do dostrojenia częstotliwości w zakresie około 10%. Odpowiednie pary potencjometrów montażowych muszą być ustawione w takim samym położeniu. Przy różnych opornościach w różnych gałęziach mostka – zmienia się amplituda na wyjściu generatora. Przełącznik powinien być połączony krótkimi przewodami do elementów mostka. Do nastrojenia generatora warto użyć miernika częstotliwości. Potencjometr montażowy o oporności 4,7 k służy do ustawienia poziomu sygnału z generatora. Należy go tak ustawić, by przebieg wyjściowy po wzmocnieniu w układzie wzmacniacza wyjściowego nie był zniekształcony. Kontrolę kształty przebiegu najlepiej przeprowadzić oscyloskopem.

Układ generatora opartego na układzie scalonym ICL 8038 jest znacznie prostszy, jednak ze względu na cenę układu oraz trudności z jego zdobyciem (w układach laboratoryjnych jest wypierany przez inne układy generatorów funkcji o większych częstotliwościach granicznych i znacznie wyższych cenach), warto nabrać najpierw trochę doświadczenia przed montażem i uruchamianiem tego generatora. Budowę tego modułu rozpoczynamy od wlutowania podstawki pod układ scalony oraz rozmieszczenie pozostałych elementów układając je tak by połączenia między nimi były jak najprostsze. Połączenia są na tyle proste, że nie powinno sprawić to kłopotu. Regulacje ograniczamy do takiego ustawienia potencjometrów montażowych, by przebieg na wyprowadzeniu 2 układu ICL 8038 obserwowany na ekranie oscyloskopu był jak najbardziej zbliżony do przebiegu sinusoidalnego zarówno dla małych jak i dużych częstotliwości (regulowanych potencjometrem 10 k).

W czasie konstrukcji modelowego generatora w czasie jego uruchamiania pojawiły się dziwne zakłócenia przebiegu trójkątnego i sinusoidalnego. W miejscu w którym fala ma maksimum lub minimum – pojawiało się „odbicie” – głębokie i bardzo wąskie zaburzenie przebiegu. Po dłuższych poszukiwaniach problemu okazało się, że to przesłuch między przewodami prowadzącymi od płytki do przełącznika kształtu fali, pochodzące od przebiegu prostokątnego który zawiera bardzo dużo harmonicznych – także takich które maja bardzo wysokie częstotliwości, dla których nie ekranowane przewody działają jak anteny. Po zekranowaniu przewodów biegnących od generatora do przełącznika oraz od przełącznika do wzmacniacza – problem zniknął.

 

Rys. 3. Oscylogramy przebiegu wyjściowego. Z lewej strony – z generatora opartego na mostku Wiena, z prawej – z generatora funkcyjnego. Oba przebiegi nie są przebiegami sinusoidalnymi ale są dostatecznie im bliskie.

Generator ICL 8038 jest generatorem sterowanym napięciem. W podstawowym układzie napięcie sterujące jest ustawiane potencjometrem. Zmiana częstotliwości jest liniowa w funkcji napięcia. Jeśli użyjemy potencjometru o charakterystyce liniowej – będziemy mogli wyskalować go mierząc kilka częstotliwości i interpolując pozostałe wartości podziałki. Jeśli czyjemu potencjometru o charakterystyce logarytmicznej, będzie go trudniej wyskalować, Lech charakterystyka regulacje będzie odpowiadała odczuwaniu wysokości dźwięku „na słuch”. Jeśli chcemy mieć możliwość dokładnego ustawiania częstotliwości – najlepiej użyć potencjometru wieloobrotowego wraz ze specjalną gałką pozwalającą nie tylko na wskazanie kąta ale także zliczającą obroty. Niestety zarówno potencjometr jak i gałka tego typu są stosowane w jedynie precyzyjnym sprzęcie laboratoryjnym i są dość kosztowne.

Ostatnim elementem jest generator przebiegu piłokształtnego zbudowany w oparciu o układ 555. Układ ten jest układem zegarowym w którym czas jest mierzony przez ładowanie kondensatora o znanej pojemności przez opornik o znanym oporze. Układ 555 pozwala na niezależny wybór czasu ładowania oraz czasu rozładowania kondensatora, na którym napięcie zmienia się od 1/3 do 2/3 napięcia zasilania. Niestety zmiana napięcia na kondensatorze nie jest liniowa dopóki nie będzie on ładowany ze źródła stałego prądu. W naszym układzie źródło prądowe zrealizowano w oparciu o pojedynczy tranzystor. Uzyskiwany przebieg piłokształtny jest wzmacniany oraz uzyskuje składową stałą w układzie wzmacniacza zbudowanego na podwójnym wzmacniaczu operacyjnym TL 082. Regulacja układu ogranicza się do ustawienia potencjometrów montażowych tak, by układ generował przebieg przestrajający generator tak, by częstotliwość generatora zmieniała się w jak najszerszym zakresie.

Przełącznik sterowania generatora przestrajanego napięciem w układzie modelowym sprzężono z włącznikiem zasilania stosując przełącznik trzypozycyjny. Zastosowany przełącznik posiadał dwie sekcje styków. Jedna została użyta do przełączania napięcia sterującego – druga do włączania generatora (w obu skrajnych pozycjach),w ten sposób, że włącznik generatora ma dwa położenia w których pracuje. W jednym jako generator, w drugim – jako wobulator.