Gerador de funções GF2 (Rev. A)

Esta é uma revisão rectificativa ao projecto apresentado no post de 10 de Julho do ano passado. Essencialmente, a versão original mostrou uma limitação relacionada com o amplificador operacional que fora empregue na etapa final, um OPA2830 da Texas Instruments. Tal limitação causava distorções no sinal de saída, quando o gerador de funções produzia um sinal cuja frequência estava sensivelmente acima dos 2MHz, com a saída analógica terminada com uma carga de 50Ω (veja o post de 8 de Abril para saber mais pormenores).

Esta nova revisão visa assim rectificar a referida limitação. Por conseguinte, a nova versão do gerador de funções é capaz de gerar sinais com forma de onda sinusoidal até 8MHz em qualquer regime de carga, sem que haja distorção. No entanto, a geração de sinais com forma de onda triangular continua limitada à frequência máxima de 2MHz.

Parâmetros de funcionamento:
– V _{d. mín.} = 4,74V
– V _{d. nom.} = 5V
– V _{d. máx.} = 5,25V
– Z _{L mín.} = 50Ω

Características eléctricas:
– I _d. (Z _L = 50Ω@0V) = 131,6mA
– I _d. (Z _L > 100KΩ) = 81,96mA
– P (Z _L = 50Ω@0V) = 658,2mW
– P (Z _L > 100KΩ) = 409,8mW

Características da saída analógica:
– Frequência máxima (onda sinusoidal): 8MHz
– Frequência máxima (onda triangular): 2MHz
– Incremento em frequência: 298mHz
– Incremento em fase: 0,0879°
– Amplitude máxima (Z _L = 50Ω@0V): 4,01V_pp
– Amplitude máxima (Z _L > 100KΩ): 8,02V_pp
– Incremento em amplitude (Z _L = 50Ω@0V): 3,92mV_pp
– Incremento em amplitude (Z _L > 100KΩ): 7,83mV_pp
– Ruído (Z _L = 50Ω@0V): 2,68mV_rms
– Ruído (Z _L > 100KΩ): 5,35mV_rms
– Relação sinal-ruído (SNR _dB): 54,5dB
– Impedância de saída (Z _S): 49,9Ω

Características da saída digital:
– Frequência máxima: 24MHz
– Incremento em frequência: 298mHz
– Incremento em fase: 0,0879°
– Razão cíclica: 0,5
– Amplitude (Z _L = 50Ω@0V): 2,13V_pp
– Amplitude (Z _L = 50Ω@1,65V): 2,32V_pp
– Amplitude (Z _L > 100KΩ): 3,30V_pp
– Impedância de saída (Z _S): 27,5Ω

Outras características:
– Base de tempo: 80MHz±50ppm
– Taxa de amostragem: 80MSa/s
– Resolução do acumulador de fase: 28bit
– Resolução da compensação de fase: 12bit
– Resolução do conversor D/A: 10bit
– Resolução do controlo de amplitude: 10bit
– Tensão de histerese do comparador: 21,4mV

A modificação mais notável feita ao nível do circuito foi a substituição do amplificador operacional que abrange as duas etapas de amplificação final da saída analógica. Originalmente um OPA2830 da Texas Instruments, o amplificador operacional em IC14 passa a ser do tipo LMH6612, do mesmo fabricante. É de frisar que este último tipo apresenta melhores características que o anterior no que concerne à capacidade de trabalhar sob carga em regime de altas frequências. Em contrapartida, o LMH6612 requer uma tensão de alimentação um pouco maior, de modo a produzir sinais com amplitude até 4V_pp.

De modo a acomodar o novo amplificador operacional, as tensões de alimentação da secção analógica foram aumentadas em cerca de 300mV, para 4,5V e -4,5V. Para tal, foram feitas alternações em torno dos reguladores de tensão em IC6 e IC8. O regulador em IC6 é agora um TPS79901, a versão ajustável da série TPS799. Repare que a tensão de referência deste regulador é dada pelo divisor de tensão constituído por R6 e R7. Por sua vez, o regulador em IC8 continua a ser o mesmo, mas a razão do respectivo divisor de tensão foi alterada.

Contudo, as modificações implementadas nesta revisão não foram feitas somente em consequência da substituição do amplificador operacional anteriormente referido. É de notar que o filtro de reconstrução é agora de 7ª ordem, se bem que ainda com alinhamento próximo a Chebyshev de 0,01dB. Esta modificação foi feita com vista a minorar ainda mais as harmónicas resultantes do processo de síntese digital directa inerente ao AD9834. É, porém, importante salientar que, na prática, esta melhoria não se traduz num efeito imediatamente observável.

Lista de componentes:
C1/2/4-6/21/23/25/27/29/30/39/40/42/44/45/51 – Condensador cerâmico multi-camada 100nF 10V (0805);
C3/9/12/16/19/50 – Condensador cerâmico multi-camada 1µF 10V (0805);
C7 – Condensador electrolítico de nióbio NOJA475M006 (NOJA475M006RWJ ou equiv.);
C8 – Condensador electrolítico de nióbio NOJA475M010 (NOJA475M010RWJ ou equiv.);
C10/26/28/46/47 – Condensador cerâmico multi-camada 10nF 10V (0805);
C11/14/15/18/20/48/49 – Condensador cerâmico multi-camada 2,2µF 10V (0805);
C17 – Condensador cerâmico multi-camada 470nF 10V (0805);
C22 – Condensador electrolítico de nióbio NOJA106M006 (NOJA106M006RWJ ou equiv.);
C24/41/43 – Condensador electrolítico de nióbio NOJA106M010 (NOJA106M010RWJ ou equiv.);
C31/32/37/38 – Condensador cerâmico multi-camada 22pF±5% C0G 10V (0805);
C33-36 – Condensador cerâmico multi-camada 56pF±5% C0G 10V (0805);
D1 – LED WP1503CB/ID;
D2 – LED WP1503CB/YD;
IC1 – Circuito de protecção PolyZen ZEN056V075A48LS;
IC2/3 – Circuito de protecção TVS SP4021-01FTG;
IC4 – Conversor USB-SPI CP2130 (CP2130-F01-GM);
IC5 – Regulador de tensão TPS79933 (TPS79933DDC);
IC6 – Regulador de tensão TPS79901 (TPS79901DDC);
IC7 – Conversor 'charge-pump' LM2776 (LM2776DBV);
IC8 – Regulador de tensão TPS72301 (TPS72301DBV);
IC9 – Oscilador de cristal CTS 636L3C080M00000;
IC10 – Gerador de funções AD9834 (AD9834CRUZ);
IC11 – Conversor digital-analógico AD5310 (AD5310BRTZ);
IC12 – Amplificador operacional LMV611 (LMV611MF);
IC13 – Amplificador operacional OPA2832 (OPA2832ID);
IC14 – Amplificador operacional LMH6612 (LMH6612MA);
IC15 – Comparador TLV3501 (TLV3501AIDBV);
IC16 – 'Buffer' de relógio CDCLVC1102 (CDCLVC1102PW);
IC17 – Circuito de protecção TVS SP4021-01FTG-C;
IC18 – Circuito de protecção TVS SP4020-01FTG;
J1 – Conector USB Molex 67068-9001;
J2/3 – Conector BNC Amphenol RF 112659;
L1/2/9 – Conta de ferrite MPZ2012S331A (MPZ2012S331AT000);
L3/4/7/8 – Indutor MLF2012A1R8J (MLF2012A1R8JT000);
L5/6 – Indutor MLF2012A2R2J (MLF2012A2R2JT000);
R1/30/32 – Resistor de filme espesso 1MΩ±5% 1/8W (0805);
R2/3/31/33 – Resistor de filme espesso 4,7KΩ±5% 1/8W (0805);
R4/5 – Resistor de filme espesso 82Ω±5% 1/8W (0805);
R6/8 – Resistor de filme espesso 28KΩ±1% 1/8W (0805);
R7/9 – Resistor de filme espesso 10KΩ±1% 1/8W (0805);
R10 – Resistor de filme espesso 0Ω 1/8W (0805);
R11/14 – Resistor de filme espesso 100KΩ±1% 1/8W (0805);
R12/13 – Resistor de filme espesso 402KΩ±1% 1/8W (0805);
R15 – Resistor de filme espesso 5,9KΩ±1% 1/8W (0805);
R16-19 – Resistor de filme espesso 200Ω±1% 1/8W (0805);
R20/22/25 – Resistor de filme espesso 499Ω±1% 1/8W (0805);
R21/23 – Resistor de filme espesso 1,43KΩ±1% 1/8W (0805);
R24 – Resistor de filme espesso 715Ω±1% 1/8W (0805);
R26 – Resistor de filme espesso 49,9Ω±1% 3/4W (2010);
R27/28 – Resistor de filme espesso 10KΩ±5% 1/8W (0805);
R29 – Resistor de filme espesso 1KΩ±5% 1/8W (0805);
R34/35 – Resistor de filme espesso 10Ω±5% 1/8W (0805).

À semelhança de outros projectos, o layout da placa está disponível nos formatos brd (Eagle 7.7.0) e Gerber. Novamente, recomendo que a encomenda da placa seja feita através do OSH Park, dado que o respectivo layout foi desenhado tendo em conta as especificações deste serviço. Em alternativa, pode utilizar outro serviço de fabrico, desde que o mesmo suporte layouts de quatro camadas com furação mínima de 0,5mm. Relativamente à montagem, aplicam-se as recomendações que foram dadas no post do projecto original.

Por último, é necessário configurar o interface CP2130 do gerador de funções. Em ambiente Windows, poderá fazê-lo através da aplicação "CP21xx Customization Utility" da Silicon labs (que vem incluída no pacote CP2130_SDK para Windows XP e Vista), utilizando para tal o ficheiro de configuração que está dentro da pasta "Firmware". Caso disponha de Linux, deverá utilizar o programa incluso no pacote "gf2-ra-conf-1.0.tar.gz", por seu turno localizado na pasta "Software". Também estão disponíveis versões actuais dos comandos de controlo e da interface gráfica na pasta anterior (remeta ao post de 20 de Abril para mais detalhes).

Links importantes:
Diagrama do circuito (pdf): https://app.box.com/s/vwgm...ckll
Diagrama do circuito (Eagle 7.7.0 sch): https://app.box.com/s/ptdy...frr7
Layout da placa (pdf): https://app.box.com/s/9058...fiat
Layout da placa (Eagle 7.7.0 brd): https://app.box.com/s/0rpb...hcu
Ficheiros Gerber: https://app.box.com/s/b1qd...las3
Guia de furação: https://app.box.com/s/w5l6...ej1y
Firmware (com instruções): https://app.box.com/s/2a10...toqu
Drivers (Windows): https://app.box.com/s/ufqi...oibv
Software (Linux): https://app.box.com/s/ykxg...3b7a
Notas do projecto: https://app.box.com/s/6dz6...nte8
Pasta contendo todos os ficheiros: https://app.box.com/s/toaf...jzpo
Projecto no OSH Park: https://oshpark.com/shared_projects/MLbU2XTa
CP2130_SDK: http://www.silabs.com/.../CP2130_SDK_Windows_XP_Vista.exe