Модуль генератора сигналов GEN01
Часть 2 – изготовление модуля
Подбираем компоненты для сборки
Микросхема ЦАП MCP4725 выпускается в предназначенном для поверхностного монтажа корпусе SOT-23, имеющем размер 1.6 x 2.9 мм и шесть выводов с шагом 0.95 мм. Изготовить в любительских условиях печатную плату для такого компонента, а затем припаять его к этой плате, скажем так, несколько затруднительно. А особенно затруднительно сочетать такой компонент в единой конструкции с другими компонентами того же модуля, которые для поверхностного монтажа не предназначены.
В такой ситуации удобно применять не саму микросхему, а готовую отладочную плату, включающую как MCP4725 так и несколько сопряженных с ней резисторов и конденсаторов. Фото такой платы вы видите справа, а приобрести её несложно в популярных интернет-магазинах, причем ее цена, как правило, не сильно отличается от цены «голой» микросхемы. На принципиальной схеме модуля генератора сигналов GEN01 в 1-й части этой публикации в качестве элемента U1 показана именно такая отладочная плата и нумерация выводов U1 на схеме соответствует нумерации выводов платы, а не микросхемы.
На фото отладочной платы справа от микросхемы в белой рамочке можно видеть 3 прямоугольные контактные площадки, обозначенные GND, ADDR и VCC. Они предназначены для установки адреса микросхемы ЦАП на шине I2C. Для того, чтобы установить адрес, средний контакт ADDR должен быть каплей припоя соединен либо с цепью GND, либо с цепью VCC. На платах, поступающих от изготовителя, довольно часто эта капля припоя отсутствует, контакт ADDR “висит в воздухе”, логический уровень на нем не определен, а ЦАП при этом либо совсем не работает, либо работает нестабильно. Прежде чем включать плату, обязательно соедините контакт ADDR с одной из соседних контактных площадок (только, умоляем, не с двумя сразу!). Для чего этот вход ADDR микросхеме ЦАП нужен, можно узнать из документации на MCP4725, а мы коснемся этого вопроса несколько позже, в разделе, посвященном программному обеспечению модуля.
Транзисторы T1 и T2 можно заменить любыми маломощными n-p-n транзисторами, а операционный усилитель IC1 также может быть практически любого типа, предпочтительно со входным каскадом на полевых транзисторах. Частотные свойства транзисторов и ОУ значения не имеют, поскольку они работают в режиме постоянного тока. В случае замены IC1 TL071P на ОУ другого типа желательно использовать микросхемы в таком же корпусе DIP-8 и с такой же нумерацией выводов для того чтобы не переделывать печатную плату, однако большинство распространенных микросхем ОУ этому условию соответствуют.
Конденсаторы C3 и C4, используемые во времязадающей цепи генератора, желательно выбрать с минимальным ТКЕ, а их емкость должна по возможности быть как можно ближе к указанной на схеме. Для этого вместо каждого из них можно использовать параллельное включение двух конденсаторов.
Сокращение ТКЕ расшифровывается как "температурный коэффициент емкости" и говорит о том, насколько емкость конденсатора изменяется при изменении температуры окружающей среды. Этот коэффициент может быть как положительным, когда емкость увеличивается при повышении температуры, так и отрицательным - в этом случае емкость при повышении температуры уменьшается. Если этот коэффициент равен нулю, то емкость конденсатора вообще не зависит от температуры, а чем ТКЕ больше, тем значительнее она меняется в рабочем диапазоне температур.
В нашем случае частота вырабатываемого модулем сигнала находится в линейной зависимости от емкости конденсаторов C3 и C4, поэтому чтобы избежать "плавания" частоты генератора при изменении окружающей температуры или при повышении температуры внутри корпуса прибора от нагрева его элементов, необходимо использовать конденсаторы с минимально возможным ТКЕ.
Узнать, какой ТКЕ имеет каждый из имеющихся в наличии конденсаторов во многих случаях можно по их цветовой или цифро-буквенной маркировке. В интернете легко найти информацию по маркировке ТКЕ у конденсаторов отечественного и зарубежного производства. Руководствуясь этой информацией, следует отобрать из имеющихся в наличии конденсаторов те, которые имеют наименьший ТКЕ, в идеале - вообще нулевой.
Однако, часто у конденсаторов какая либо маркировка ТКЕ отсутствует. Чем же руководствоваться в такой ситуации?
В целом, можно считать, что пленочные конденсаторы, как правило, имеют меньший ТКЕ чем керамические, поэтому при наличии выбора следует предпочесть именно их. Что же касается керамических конденсаторов, то тут царит большое разнообразие - есть конденсаторы с отрицательным ТКЕ, есть с положительным, есть даже с нелинейным, у которых величина ТКЕ изменяется в широких пределах в рабочем диапазоне температур. Величина ТКЕ некоторых типов керамических конденсаторов может достигать таких огромных величин, что при нагреве или охлаждении их емкость может измениться почти в 10 раз. Особенно грешат этим современные конденсаторы типа MLCC (Multi-Layer Ceramic Capacitor - многослойный керамический конденсатор), в них используется керамика со сверхвысокой диэлектрической проницаемостью, которая позволяет получить высокую номинальную емкость в очень небольших габаритах, но ТКЕ таких конденсаторов весьма велик и использовать их в качестве времязадающих не рекомендуется.
Когда нет уверенности в том, какие из имеющихся конденсаторов использовать, проще всего выяснить это экспериментально. Для этого конденсатор нужно подключить к какому-нибудь измерителю емкости, например, к мультиметру, имеющему такую функцию, или к тестеру компонентов, измерить его емкость сначала при нормальной температуре, а затем - после подогрева. В качестве источника тепла можно использовать паяльник или фен, но, чтобы не сжечь испытуемый конденсатор, особо усердствовать при подогреве не надо, достаточно поднять его температуру на 20 - 30 градусов. Ясно, что метод этот весьма приблизительный из-за того, что скорее всего у вас не будет возможности точно измерить, насколько именно вы нагрели испытуемый конденсатор. Однако, ориентировочно оценить стабильность его емкости и выбрать один из нескольких имеющихся компонентов таким методом вполне можно. В процессе таких измерений вы ясно увидите, что некоторые конденсаторы имеют положительный ТКЕ, другие - отрицательный, а если вам особо повезет, то найдется и конденсатор с нулевым ТКЕ, который, как его не грей, будет стабильно держать одно и то же значение емкости.
Кстати, если вы для получения необходимой емкости C3 и C4 используете пары параллельно включенных конденсаторов, то можно попробовать один из конденсаторов пары взять с положительным ТКЕ, а другой - с отрицательным. Тогда при изменении температуры емкости этих конденсаторов будут меняться в противоположных направлениях, компенсируя друг друга. При удачном подборе такая пара может иметь суммарный ТКЕ близкий к нулевому.
В этом и в других модулях использованы металлопленочные постоянные резисторы мощностью 0,125 Вт (1/8 W) с допустимым отклонением от номинала 1%, однако, посадочные места на печатных платах сделаны с некотором запасом и позволяют использовать также резисторы мощностью 0,25 Вт (1/4 W).
Проектируем печатную плату
Автор в своей домашней лаборатории обычно использует метод изготовления печатных плат с помощью пленочного фоторезиста, а для разводки платы и подготовки фотошаблонов – программу EAGLE от Autodesk. В частности, для модуля GEN01 использовалась не самая новая, но вполне рабочая версия EAGLE 7.5.0.
В стандартных библиотеках EAGLE, поставляемых с программой, нашлись все элементы схемы модуля за исключением одного – отладочной платы с микросхемой MCP4725 (U1 на схеме), поэтому пришлось этот элемент нарисовать самостоятельно и включить в пользовательскую библиотеку. В эту же библиотеку автором включены еще несколько нестандартных компонентов, которые понадобятся далее для проектирования других модулей. Файл библиотеки (как и все другие файлы, имеющие отношение к разработке модуля) можно скачать по ссылке в конце 3-й части этой публикации.
Плата в связи с ее невысокой сложностью проектировалась с односторонним расположением печатных проводников – такую плату гораздо проще изготовить в домашних условиях, а если какие-то цепи упорно не хотели разводиться на одной стороне платы без пересечения с другими цепями, использовались проволочные перемычки.
В результате усилий автоматического трассировщика EAGLE и последующей ручной доводки получилась конструкция платы, показанная на рисунках ниже. Ссылки для скачивания соответствующих файлов в формате EAGLE (с типами .sch и .brd) имеются в конце 3-й части этой публикации.
Расположение элементов на верхнем рисунке показано именно так, как оно и 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 с фоторезистом, так и для лазерно-утюжного метода.
После окончания проектирования платы в EAGLE рисунок печатных проводников был вручную доработан в графическом редакторе с тем чтобы
- увеличить диаметр и изменить форму некоторых контактных площадок
- изобразить в центре каждой контактной площадки отверстие в фольге, которое будет служить «зенковкой» при сверлении отверстий
- 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
Результат этой обработки можно видеть на следующем рисунке. В таком виде шаблон уже можно распечатать на прозрачной пленке для метода с фоторезистом или, переведя в позитив, распечатать на специальной бумаге для лазерно-утюжного метода. Соответствующий файл в формате PNG также можно скачать по ссылке в конце 3-й части этой публикации.
Теперь остается только изготовить плату и смонтировать на ней элементы. В результате должно получиться изделие, похожее на то, что показано на фото внизу.
Обратите внимание! В первых версиях всех модулей, описанных на этом сайте, для межплатных соединений использовались широко распространенные разъемы Dupont. Именно такие разъемы 
(вернее, их часть, монтируемую на плату) вы видите на фото модуля генератора выше на этой странице. Однако впоследствии все соединители данного типа были заменены более надежными из серии KF2510. Подробнее о причинах и последствиях этой замены прочитайте дополнение от 18.01.2024 во вступительной статье на этом сайте.
Вид новой версии модуля генератора с соединителями KF2510 показан на фото внизу.
Если, руководствуясь первыми двумя частями этой публикации, вы уже собрали модуль генератора, то можно перейти к третьей части, где мы будем его включать и настраивать.