Модуль аттенюатора ATT02

Публикация 01.09.2024

Начальник

Cхема и конструкция модуля

Зачем понадобился еще один модуль аттенюатора?

Действительно, ведь мы не так давно описали модуль аттенюатора ATT01 и уже успешно использовали его в одной из конструкций - в аналоговом милливольтметре. Чем же был плох тот модуль и зачем мы придумали еще один модуль с похожими функциями и характеристиками? Если говорить кратко, то основная претензия к модулю ATT01 - слишком большой шаг регулирования. Он позволяет ослаблять входной сигнал ступенями по 10 дБ, что вполне подходит для его использования, например, на входе милливольтметра или измерителя АЧХ, но в других ситуациях, например, если требуется аттенюатор для установки напряжения на выходе генератора испытательного сигнала, такой шаг регулирования оказывается слишком грубым. Изменение выходного напряжения генератора сигнала в 3,16 раза при переключении аттенюатора на одну ступень не позволяет выставить напряжение на выходе генератора с требуемой точностью.

Другим недостатком аттенюатора ATT01 является относительно высокий уровень нелинейных искажений, особенно при малых уровнях сигналов. Эти искажения никак не препятствуют использованию модуля ATT01 в измерителях уровня сигналов - милливольтметрах, измерителях АЧХ и в других аналогичных средствах измерений, где небольшие, на уровне десятых долей процента, искажения формы сигнала не сказываются на точности измерений, однако, для применения модуля в качестве выходного аттенюатора генератора испытательных сигналов, предпочтительно было бы иметь более низкий коэффициент гармоник.

Таким образом, было принято решение о разработке еще одного модуля аттенюатора, лишенного указанных недостатков. Он был назван ATT02 и далее в этой публикации мы рассмотрим его принципиальную схему, конструкцию и настройку.

Более подробно об отличиях модулей ATT01 и ATT02 можно прочитать под спойлером ниже, а мы пока ответим на естественно возникающий вопрос: почему бы, раз новый модуль настолько лучше старого, просто не заменить им старый, убрать с сайта описание модуля ATT01 и везде использовать только ATT02? Дело в том, что модуль ATT01 имеет более простое управление с помощью трехразрядного двоичного кода (сигналы A, B и C на схеме модуля), что позволяет его использовать в измерительных приборах, не имеющих встроенных микроконтроллеров. Двоичный код в таких случаях можно формировать с помощью механического переключателя и простого шифратора на диодах. Именно такой способ управления модулем ATT01 используется в аналоговом милливольтметре, описанном в одной из публикаций на этом сайте. Новый модуль ATT02 управляется по шине I²C, что требует обязательного наличия микроконтроллера. И наконец, за счет использования более простой элементной базы модуль ATT01 обходится несколько дешевле нового модуля, поэтому при добавлении в наш набор модуля ATT02 решено было сохранить в нем и старый модуль, что позволяет разумно их комбинировать и использовать в новых разработках как первый, так и второй.

Отличия модулей ATT01 и ATT02

Особенности и характеристики модулей	Модуль ATT01	Модуль ATT02
Число ступеней ослабления сигнала	8	80
Шаг ступеней	10 дБ	1 дБ
Входное сопротивление	100 кОм	20 кОм
Коэфф. нелинейных искажений	менее 0.5 %	менее 0.07 %
Интерфейс управления	3-х разрядный параллельный двоичный код ( 0x0 . . . 0x7 )	Последовательная шина I²C
Необходимость точного подбора резисторов для аттенюатора	есть	нет
Количество независимо управляемых каналов	1 ( с буферным усилителем )	2 ( из них с буферным усилителем - 1 )
Сохранение состояния при выключении питания	нет	есть
Защита от перенапряжений по входу	есть	нет

Рассматривая различия модулей, можно упрощенно считать, что ATT01 больше подходит для использования в качестве входного аттенюатора для измерителей уровня сигнала, а ATT02 - в качестве аттенюатора на выходе различных генераторов испытательных сигналов, однако этим их возможные области применения не ограничиваются и в дальнейшем обоим модулям могут найтись самые разные применения.

Принципиальная электрическая схема модуля

Принципиальная электрическая схема модуля аттенюатора ATT02 показана на рисунке ниже.

Рис.1. Принципиальная схема модуля аттенюатора ATT02.

Все основные функции модуля реализуются микросхемой IC1 PT2257, которая, в соответствии с замыслом ее создателей, предназначена для использования в качестве регулятора уровня громкости в различных бытовых устройствах. Однако ее функциональные возможности и технические характеристики позволяют с успехом использовать ее и в радиолюбительских измерительных приборах звукового диапазона частот. Благодаря тому, что резисторная матрица аттенюатора встроена в микросхему, отпадает необходимость в трудоемком отборе резисторов с необходимыми значениями сопротивлений, как это приходилось делать при изготовлении модуля ATT01.

Микросхема имеет два независимо управляемых канала, один из которых используется в модуле ATT02 в качестве основного. Входной сигнал модуля с разъема JP1 Main IN поступает на вход RIN (вывод 8) микросхемы, а затем с ее выхода ROUT (вывод 7) - на буферный усилитель IC2-IC3 и далее на выход модуля JP6 Main Out. Коэффициент усиления буферного усилителя можно изменять с помощью перемычки ("джампера") SV1. При вынутой перемычке SV1 он равен 1 (0 дБ), при перемычке в положении 1-2 равен 3.16 (10 дб) и при перемычке в положении 2-3 равен 10 (20 дБ).

Второй канал микросхемы IC1 PT2257 (вход LIN, выход LOUT) в большинстве случаев не используется, однако, для возможных будущих применений его контакты выведены на разъемы Aux In - Aux Out модуля. Читатели вправе сами решить, для чего его использовать в своих разработках. Если второй канал использовать не предполагается, то разъемы JP2 и JP3, а также конденсаторы C2 и C3 на плату можно не устанавливать.

Управление уровнем затухания аттенюатора осуществляется по шине I²C (сигналы SDA и SCL, разъем JP4). Система команд, которые управляющий микроконтроллер должен отправлять микросхеме IC1 по этой шине для получения необходимого уровня затухания, подробно описана в документации микросхемы и здесь мы ее обсуждать не будем.

Вместо двухтактного эмиттерного повторителя на комплементарной паре транзисторов, который использовался в модуле ATT01, в данном случае применена микросхема LH002 (IC3), обеспечивающая более высокую нагрузочную способность буферного усилителя (в том числе и при работе на емкостную нагрузку) и более низкий уровень нелинейных искажений.

По поводу конденсатора C10 на выходе буферного усилителя можно сказать то же самое, что уже было сказано относительно аналогичного конденсатора на выходе модуля ATT01. Этот конденсатор используется только из соображений защиты выхода буферного усилителя от постоянного напряжения в той точке схемы, куда этот выход подключается.

Напряжение питания 9 В, необходимое микросхеме IC1 PT2257, вырабатывается линейным стабилизатором IC4.

Конструкция модуля

Аналогично другим модулям нашего набора модуль ATT02 выполнен на односторонней печатной плате, разводка которой производилась с помощью CAD-системы EAGLE 7.5.0. В результате усилий автоматического трассировщика EAGLE и последующей ручной доработки получилась следующая конструкция модуля:

Рис.2. Расположение элементов на плате модуля ATT02.

Рис.3. Плата модуля аттенюатора ATT02. Вид печатных проводников в зеркальном отображении ("сквозь плату").

Напоминаем, что расположение элементов на верхнем рисунке показано так, как оно будет выглядеть в собранном изделии, а печатные проводники на нижнем рисунке - в зеркальном отображении ("вид сквозь плату"), поскольку именно такое отображение нужно для подготовки фотошаблонов как для метода изготовления печатной платы с фоторезистом, так и для лазерно-утюжного метода.

Как обычно, после экспорта рисунка печатной платы из CAD-системы потребовалась его ручная доработка в графическом редакторе чтобы:

увеличить диаметр и изменить форму некоторых контактных площадок
изобразить в центре каждой контактной площадки отверстие в фольге, которое будет служить «зенковкой» при сверлении платы
украсить фотошаблон различными надписями, которые также делаются в зеркальном отображении
сделать его не цветным, а монохромным, и, если предполагается использовать метод с фоторезистом, то перевести его в негатив

В итоге этой доработки получился окончательный вид фотошаблона (для метода с пленочным фоторезистом), показанный ниже:

Рис.4. Фотошаблон платы модуля ATT02 для изготовления методом пленочного фоторезиста.

Этот файл, а также файлы .sch и .brd в формате CAD-системы EAGLE 7.5.0 можно скачать по ссылкам в конце публикации.

После сборки модуля и отмывки остатков флюса у вас должно получиться примерно то, что показано на фото внизу.

Рис.5. Вид собранного модуля аттенюатора ATT02.

Настройка модуля

Модуль не содержит каких-либо элементов, требующих подбора и настройки. После изготовления достаточно подать питание на модуль и убедиться в том, что сигнал со среднеквадратичным значением 775 мВ (0 dBu), поданный на вход Main In, проходит на выход Main Out, причем его уровень на выходе зависит от положения перемычки SV1, а сигнал со входа Aux In проходит на выход Aux Out. С помощью осциллографа следует убедиться в том, что оба выходных сигнала не имеют заметных на глаз искажений. Этих минимальных проверок достаточно для того чтобы подтвердить работоспособность модуля и его пригодность для использования.