Analog Trainer M 33

Jakožto „archeolog elektronických stavebnic“ jsem získal tohoto „analogového trenéra“, jehož výrobcem byla francouzská společnost Mentor Sciences, dnes Didalab. Bohužel nikde na internetu jsem nenašel o tomto výrobku žádné informace a nepomohlo mi ani kontaktovat výrobce, který stále obdobné trenéry vyrábí. Naštěstí se mi ozval majitel zařízení, Marcel Jiřina, který poslal podrobné informace včetně fotografií ze svých měření. Za to mu velmi děkuji.

Zařízení obsahuje tyto bíle orámované bloky:

napájecí část pro připojení externího zdroje ±15 V (s pojistkami F 0.5 A a ochrannými diodami),
redukci pro 2 a 4 mm kablíky,
potenciometr,
generátor signálů – sinus, trojúhelník, obdélník (2x LM324 nebo lepší TL084 a AD639),
nepájivé kontaktní pole (breadboard) pro montáž obvodů,
3 operační zesilovače UA741CN se vstupy pro kompenzaci offsetu,
3 potenciometry (1 kΩ, 10 kΩ, 100 kΩ),
2 regulovatelné zdroje stejnosměrného napětí s obvody UA741CN.

Popis funkce:

Do prázdných patic na fotografii výše patří 2x obvod LM324 (nebo lepší TL084) a AD639. Externě připojovaný kondenzátor má hodnotu kolem 100 nF (od jednotek nF do cca 1 uF).

LM324 (TL084) obsahuje 4 operační zesilovače. Slouží pro vlastní generování obdélníkového a trojúhelníkového signálu a dále upravuje trojúhelníkový signál pro obvod AD639, což je generátor trigonometrických funkcí, jehož výstupem je (v našem případě) funkce sinus.

Základem tohoto generátoru signálu je komparátor s hysterezí (Schmittův klopný obvod). Ten je realizován jedním operačním zesilovačem, který přepíná mezi kladným a záporným saturačním napětím. Obdélníkový signál je následně integrován v dalším operačním zesilovači a tím vzniká trojúhelníkový signál. Téměř identické zapojení je uvedeno např. zde (obr. 48 na str. 3) nebo zde (barevné schéma).

Třetí operační zesilovač upravuje trojúhelníkový signál pro vstup do AD639. Všechny tři operační zesilovače jsou použity z dolního LM324. Čtvrtý zbývající operační zesilovač je využit jako sledovač napětí pro odporový dělič, který je na panelu níže a s generátorem signálu nemá nic společného.

Pozn.: Obvod LM324 je velmi rozšířený a asi i použitý v Analog Trainer M 33. Pro generátory signálu je ale lepší (kvalitnější) obvod TL084 – funguje stejně, ale má lepší parametry – menší zkreslení, větší šířku pásma, mnohem větší rychlost přeběhu, vysokou vstupní impedanci.

Operační zesilovače v horním LM324 jsou všechny zapojeny jako sledovače napětí (ty slouží pro impedanční přizpůsobení, nemění úroveň napětí a v podstatě to jsou zdroje proudu). Slouží k tomu, aby nějaká připojená zátěž na výstupu generátoru neovlivňovala samotný generátor. Obdélníkový i trojúhelníkový signál z dolního LM324 jsou každý připojen na jeden sledovač napětí v horním LM324. Sinusový výstup z AD639 je také připojen na jeden sledovač napětí v horním LM324.

Pozn.: Čtvrtý zbývající operační zesilovač v horním LM324 je také zapojen jako napěťový sledovač. Na jeho vstup je připojen vývod z AD639, který ale nemá žádnou funkci, a navíc výstup z tohoto napěťového sledovače není nikam vyveden. Možná nějaký „rudiment“ z doby vývoje.

Obvod AD639 je poměrně komplexním integrovaným obvodem, který umožňuje generovat široké spektrum trigonometrických funkcí. Dnes už se tato součástka nevyrábí ani nemá žádný ekvivalent, který by měl stejné rozložení pinů. Dnes se používají jiné obvody jako ICL8038 nebo XR2206. V Analog Trainer M 33 je obvod pevně zapojen jako generátor funkce sinus ze vstupního trojúhelníkového signálu a to přesně podle doporučeného schématu v datasheetu (obr. 2 na str. 4). Dále jsou k dispozici dva ladicí 10k trimry, které umožňují sinusový signál doladit – horní levý „zaobluje“ a pravý dolní „posouvá“ periody signálu vůči sobě (jinak může být „sinus“ v horních a dolních úvratích zrcadlově „zdvojený“).

Všechny tři signály mají amplitudu 10 V (oscilují mezi -10 V a +10 V). U všech je možné měnit potenciometrem periodu (T), resp. frekvenci.

Není bez zajímavosti, že obvod AD639 je poměrně luxusní a tedy drahý obvod (ve srovnání s LM324) a to i ve své době. Jeho cena mohla být až o dva řády větší než LM324. Přitom je využit jen pro konverzi trojúhelníkového signálu na sinusový signál. Vlastně to platí i dnes. Cena LM324 je cca 7 Kč (TL084 cca 19 Kč) a cena AD639 (který je dnes už obtížněji sehnatelný) je cca 500 Kč.

Konverze z trojúhelníkového na sinusový signál lze přitom dosáhnout poměrně snadno (a levně). Např. pomocí sítě rezistorů a diod, které zaoblují vrcholy trojúhelníku, viz např. zde. Další možností je využít operačního zesilovače, např. v tzv. Wienově oscilátoru, viz zadání na str. 6. Nebo se dá jít cestou dolnofrekvenční propusti (lze realizovat i pomocí pasivních součástek) a „vyříznout“ nejnižší harmonickou složku (sinus) signálu (u trojúhelníkového signálu je dominantní právě první harmonická, ostatní mají velmi malou amplitudu).

Pozn.: Pokud by se šlo cestou Wienova oscilátoru, pak by stačil jediný operační zesilovač a v případě nějakého dalšího uzpůsobení signálu ještě jeden další operační zesilovač. A na to by nám stačily zbývající operační zesilovače v uvedených LM324. Obvod AD639 bychom tedy vůbec nepotřebovali. Je to vlastně dost překvapující, protože Analog Trainer M 33 slouží „jen“ pro výukové potřeby a tam nepotřebujeme mít nějaký přesný sinusový signál.

Níže je několik obrázků z měření (nemám aktuálně jeden LM324, ale to v tuto chvíli nevadí, jeho operační zesilovače slouží jen jako zmíněné sledovače napětí, tj. signál už dál nemění).