Generador de Funciones





Generador de Funciones

Antes de entrar en materia he de dejar claro que esta vez no se trata de ningún pedal de efecto para guitarra ni nada parecido sino de un instrumento de laboratorio utilizado para muchas aplicaciones, entre ellas la que aquí nos interesa que es depurar problemas en los montajes. En el artículo Depuración de errores en montajes de efectos ya explicábamos el uso de algo parecido, el "inyector de señales". Digamos que esto es algo parecido pero mucho más elaborado y versátil.



Un simple inyector de señales.

En el citado artículo de Depuración de errores ya se indica cómo usarlo. Es importante indicar que para la mayoría de los casos con un simple inyector de señales nos será suficiente ya que nos puede ayudar a detectar en qué parte de nuestro circuito tenemos algún problema pero si queremos ir un poco más allá se nos puede quedar un poco corto.

Un Generador de Funciones o, para que se entienda mejor, un Generador de Ondas es un circuito oscilador que es capaz de entregar señales de ondas de varios tipos a frecuencia variable y a amplitud variable. Genera ondas de varios tipos, Senoidal, Triangular y Cuadrada en este caso, aunque otros tipos de Generadores de Funciones comerciales más elaborados son capaces de producir otros tipos de ondas más complejos como Diente de Sierra, Pulsos, Ruidos Rosa/Blanco, en Rampa, etc. Estas ondas deben ser variables en amplitud (volumen, para que nos entedamos) y en frecuencia. Para nuestro caso con que genere frecuencias audibles nos basta. Las frecuencias audibles van, en teoría, desde los 20Hz a los 20KHz aunque no es probable que podamos llegar a oir esos extremos. Este montaje, como ya veréis, puede llegar mucho más arriba que eso lo cual nos puede ser útil para otros tipos de aplicaciones.

Un Generador de funciones empieza a tener sentido si es que disponemos de un Osciloscopio. Si no es así nuestro "aparato de medida" será nuestro oido por lo que, de nuevo, con el Inyector de Señales nos será suficiente. Sin osciloscopio un Generador de Funciones estará desaprovechado en su mayoría.

Antes de profundizar en nuestro Generador de Funciones vamos a ver qué es eso de un Osciloscopio.

Osciloscopio

Un osciloscopio es un instrumento de medida bastante sofisticado que nos permite "ver" graficamente señales eléctricas que varían en el tiempo. Esto quiere decir que este aparato nos permite ver qué forma tienen las señales que le introducimos y cómo se comportan según las modifiquemos. Esto tiene una utilidad bastante importante si lo que queremos es ajustar cómo se comportan nuestros montajes según variemos sus características. Por ejemplo, si tenemos un Fuzz en perspectiva sabemos que el fin de este circuito es modificar las ondas iniciales en otras más "cuadradas"... o "triangulares" según queramos. Una Distorsión hará un "recorte" de las señales y modificando el tipo de la etapa de distorsión la podremos hacer "simétrica" o "asimétrica" recortando, por ejemplo, la onda por arriba, por abajo o por ambos extremos. Si queremos un Booster "limpio" sabemos que lo que queremos es que nuestra señal de entrada se modifique tan sólo en amplitud (volumen) pero nada más.

Todo esto lo podemos "ver" en la pantalla de un osciloscopio pero para ello necesitamos poder tener una señal que inyectar comodamente a nuestro circuito y esa es la razón de nuestro proyecto. Podríamos usar un simple inyector de señales pero con su poca versatilidad se nos quedaría en seguida corto. Pero por ahora sigamos con el osciloscopio...

Como os podéis imaginar estamos hablando de un equipo bastante sofisticado y caro... de hecho es MUY caro para una aplicación meramente de DIY pero, afortunadamente, los avances de la tecnología, la 2ª mano y la internet están de nuestro lado. Los osciloscopios existen desde hace muchas décadas y si bien los primeros equipos eran muy voluminosos, simples y carísimos, los avances en tecnología han hecho que estos equipos sean portátiles, mucho más sofisticados y... ¡caros! pero como acabo de decir, estos avances en la tecnología están de nuestra parte y debido a los progresos de la era digital muchos equipos, perfectamente válidos para nuestras necesidades, han quedado obsoletos y disponibles en el mercado de segunda mano a precios muy baratos. Las tecnologías actuales exigen osciloscopios de altísimas velocidades para poder analizar señales de unos equipos que cada vez son más rápidos. La tecnología digital va a caballo de los GHz, así como las comunicaciones, etc. Sin embargo nuestros montajes "de audio" siguen confinados a los famosos 20Hz-20KHz lo cual es muchísima menos frecuencia que todo eso. Muchos laboratorios, departamenteos técnicos, compañías de telecomunicaciones, reparadores, etc. se están deshaciendo de sus osciloscopios "lentos" a precios de saldo. Por otra parte, la tecnología digital aplicada a los osciloscopios de hoy en dia hace que continuamente vayan saliendo nuevos modelos con más funcionalidades que dejan obsoletos a los anteriores lo cual también hace que aumente el mercado de 2ª mano.

Estos osciloscopios "lentos" y obsoletos suelen ser muchísimo más rápidos y con muchas más funciones de lo que realmente necesitamos. Por ejemplo mi osciloscopio, que es un modelo digital obsoleto, me costó 110€ en un Cash Converters y es muchísimo más potente de lo que probablemente sea capaz de usar en mi vida. Lo que en su momento era tecnología punta hoy en dia es casi chatarra pero, como ya he dicho, para nosotros sigue siendo muchísimo más que suficiente. En mi caso se trata de un estupendo (aunque algo voluminoso y ruidoso) Tektronix TDS320, un osciloscopio digital de 100MHz, 500MS/s (Megasamples/sg), dos canales y un completo menú de funciones y mediciones.



Mi Tektronix TDS320.

Este osciloscopio que hoy en dia es poco menos que una antigualla es capaz de leer señales de 100MHz (5000 veces más de lo que necesitamos), tomar 500 millones de muestras por segundo y al mismo tiempo mostrarnos en pantalla datos de frecuencímetro, voltímetro RMS, pico a pico y muchísimas cosas más. Con esto quiero decir que con mucho menos ya me sería suficiente y no es difícil encontrar material más barato en eBay y sitios por el estilo. Ni siquiera nos hace falta que sea digital.. con uno analógico y por lo tanto más barato, vamos bien servidos. Los hay incluso MUY baratos como podéis ver en este topic del foro de guitarrista.com. Eso si, le debemos pedir que sea de al menos dos canales para que nos sea cómodo comparar dos señales, la de entrada y la de salida de nuestro circuito. Esto no es absolutamente necesario pero nos facilitará mucho las cosas.

Incluso más adelante veremos como ni siquiera tenemos que comprar un aparato de estos para poder disfrutar de un osciloscopio y una vez que tengamos ya nuestro osciloscopio (o su equivalente) necesitaremos de algún tipo de generador de señales con el que excitar nuestros circuitos para ver cómo se comportan. Ese es el objeto de este artículo.

El circuito

Antes de todo he de hacer hincapié en una cosa muy importante: lo mismo que acabo de decir de los osciloscopios baratos de segunda mano se puede aplicar a los generadores de funciones comerciales. Antes de iniciar este montaje pensad si os merece la pena ya que que no es un circuito especialmente barato y, si queréis que quede bonito, una caja en condiciones puede ser bastante cara haciendo que sea posible que el total os salga más caro que comprar uno en eBay etc... incluso hay por ahí alguno nuevo Chino bastante majo y de precio reducido. De hecho yo mismo me decidí por el DIY ya que tenía una estupenda (y cara, unos 35€) caja de un proyecto anterior que nunca llegué a empezar. Creo que si no llega a ser por esto me habría decidido por el Victor VC-2002 que se puede encontrar bastante barato (para lo que son estas cosas) en internet. Tened en cuenta que aquí no estamos hablando de "electrónica de consumo" sino de "equipos de laboratorio" por lo que se trata de material caro. Si aún así os decidís por hacerlo vosotros mismos podéis seguir este montaje de kit que sale bastante bien de precio.

Tras ver varias opciones, me decidí por el NUXIE-2 (comprado aquí) por ser suficientemente versátil y barato. Está basado en el chip XR-2206, un "generador de funciones en un chip" capaz de entregar diferentes tipos de onda desde una frecuencia de 0.01Hz hasta más de 1MHz, aunque aquí, para simplificar, se ha restringido a una gama desde unos 14Hz hasta unos 400Khz, más que suficiente para nuestras necesidades.




Kit Nuxie-2

El circuito viene en kit completo para funcionar directamente a exepción de la alimentación. Una vez montados los componentes y suministrados unos 15V aproximados para funcionar ya podremos ver que genera ondas senoidales y triangulares por un lado y al mismo tiempo ondas cuadradas de la frecuencia deseada dentro del rango antes descrito. Para ello disponemos de dos salidas independientes, una exclusiva de Onda Cuadrada "a nivel TTL", esto es, a 5Vpp (pico a pico) y otra seleccionable Senoidal/Triangular con amplitud variable. Se dispone de un total de tres conmutadores:

El conmutador de onda está sólo disponible para la parte generadora de onda senoidal/triangular y no afecta en absoluto a la parte generadora de ondas cuadradas. El conmutador de Frecuencia Alta/Baja sí que afecta a las dos salidas produciendo el mismo resultado en Hz en ambas. El conmutador de encendido/apagado lo cortocircuité para ser comandado por el On/Off general anterior a la fuente de alimentación que puse.

El montaje de este circuito es sencillísimo y en su propia web hay un tutorial gráfico paso a paso que nos permitirá acabarlo sin problemas.



Nuxie-2 montado

Montaje

El circuito, aunque no viene con fuente de alimentación sí que viene con su propia estabilización de corriente en base a dos circuitos integrados, el LM7812 para suministrar 12V regulados al propio XR-2206 y a un amplificador operacional uA741 que se encarga de crear una "masa virtual" para la parte de ondas senoidales/triangulares y un LM7805 para suministrar 5V regulados al inversor-Hex 74HC04N. Para poder alimentar estos dos integrados reguladores de tensión necesitamos suministrar al circuito unos 15-30VDC filtrados. Para ello necesitamos un pequeño transformador de entre 15V y 35V (mejor no llegar a tanto, los estándares 16V ó 18V son perfectos) y unos 250mA, un puente de diodos y un condensador de filtrado. Para ello podéis usar el esquema del proyecto Alimentador de 9V de MBC:



No es necesario que el transformador sea bitensión como este...

De este esquema sólo necesitáis la parte que está a la izquierda del 7809. La salida rectificada y filtrada se obtiene del condensador C1 de 1000uF (35V mínimo). Lo que hay a la derecha de eso en el esquema no es necesario ya que sus equivalentes ya están en la placa del circuito del Generador de Funciones. Esto lo podéis montar en una pequeña sub-placa preperforada y soldada directamente a los terminales del pequeño transformador. El interruptor de On/Off general deberá estar antes del transformador tal y como se presenta en el esquema. Yo he usado un conmutador de bola DPDT para así poder interrumpir los dos terminales de 220V por seguridad. El transformador debemos unirlo al chasis con un par de tornillos y de uno de ellos sacar un cable a la toma de masa del circuito pero, ¡OJO!, a la toma de masa real, por ejemplo, la toma de masa de la salida de onda cuadrada, nunca a la masa virtual de la salida de onda senoidal/triangular.


Un pequeño transformador y una simple sub-placa rectificadora/filtradora nos bastará.


Un terminal nos vendrá de perlas para unir aquí la masa del circuito al chasis.

Como rectificador podéis usar el típico puente de diodos (con uno de 1A es más que suficiente) o bien usar 4 diodos 1N4007 con esta configuración:



De la placa debemos "sacar" varios componentes para presentarlos en el frontal de la caja que hayamos elegido:



Switches: En el frontal se ha sustituido por el típico switch DPDT miniatura "de bola". Digo DPDT porque ya disponía de unos cuantos para usar pero realmente sólo se usa uno de los dos circuitos por lo que con unos SPDT sería suficiente. Es conveniente "trenzar" los cables entre los switches y la placa.

Salidas: Aquí he preferido curarme en salud y triplicar las salidas en aras de la versatilidad. He incluido por cada una de las dos partes un BNC, un jack de 6.3mm típico "de guitarra" y un conector doble de "banana", todos ellos unidos en paralelo. Como ya comenté antes, se dispone de una "masa virtual" en la parte Senoidal-Triangular para garantizar el punto 0v. La parte Cuadrada no la lleva por lo que hay que tener mucho cuidado en no unir ambas masas por el chasis para lo que es imprescindible que todos los conectores de salida estén aislados de masa:



Ejemplo de conectores aislados de chasis: BNC, Jack y doble "banana".
Estos conectores son fáciles de conseguir en cualquier buena tienda de componentes electrónicos.

La placa del Nuxie-2 viene preparada para poner unos conectores de salida atornillados que es mejor no usar. Como vamos a tener los jacks en el frontal del panel es mejor soldar directamente a la placa mediante un par de cables apantallados de RF (radiofrecuencia) del tipo RG-58 (50Ω) directamente entre los "pads" de las salidas del circuito y los conectores BNC. De cada BNC podemos cablear en paralelo a los otros dos jacks de cada salida respectivamente.

Potenciómetros: Dependiendo de la caja que uséis podéis dejar los potenciómetros soldados a la placa y taladrar el frontal a medida de estos o simplemente desoldarlos y utilizar cableado (trenzado) de unión. Si os habéis fijado en la primera foto de este artículo habréis reparado en que mi Generador de Funciones tiene cuatro potenciómetros de control y no sólo tres como el kit. La razón es que he añadido un cuarto potenciómetro para controlar la amplitud de la onda cuadrada, cosa que no venía prevista en este kit, para variar entre 0V y los 5Vpp del nivel TTL entregado por el generador de onda cuadrada. Más adelante os explico como hacerlo en el apartado de modificaciones.



Utilizando sus propios potenciómetros podemos anclar la placa al frontal.

LED: Querremos que el LED esté en el frontal de la caja como es lógico. No hay más que tirar un par de cables desde la placa hasta donde queramos ponerlo en el frontal pero ¡OJO!, tened cuidado porque en la placa está mal la serigrafía de la polaridad del LED. Hay que ponerlo al revés de lo que indica o no lucirá.



Detalle del montaje.

Caja

Como ya dije antes, la caja que usé ya la tenía de un anterior proyecto que nunca hice. Es una caja buenísima y bastante cara pero podéis ajustar un poco el presupuesto en esto con alguna caja más modesta.




El frontal está hecho a medida de esta caja, claro, por lo que vosotros deberéis hacerlo a vuestro modo. No me he querido complicar demasiado la vida y lo he hecho en el ordenador imprimiéndolo en papel blanco fotográfico y poniendo encima de él una lámina de acetato transparente para protegerlo. El papel se pegó al frontal mediante adhesivo transparente en spray y del mismo modo uní el acetato al papel haciendo un conjunto bastante aparente y sencillo de hacer. Este tipo de montaje no lo recomiendo para pedales, etc. ya que es algo frágil pero para un instrumento de este tipo va perfecto.



El espaciado entre los 3 potenciómetros de la derecha está hecho a medida tal cual están puestos en la placa de tal modo que los propios potenciómetros sirvan de anclaje de todo el circuito dentro de la caja. El cuarto potenciómetro, el de la izquierda, está puesto de modo equidistante. El punto rojo sobre el conmutador de On/Off es el LED. Puse uno verde de 3mm de diámetro. Las cruces marcan el centro de los agujeros para servir de guía al taladrar.

Modificaciones

El integrado XR-2206 es mucho más versátil de lo que se explota en este kit. Si os leéis la datasheet del XR-2206 con detenimiento veréis que es capaz de mucho más y de hecho podéis modificar el circuito para conseguir más formas de onda (rampa y pulso) así como otras lindezas como Generación de Barrido, FSK (Frequency-Shift Keying), PLL (Phase-Locked Loop), etc. Yo la verdad es que he pasado de complicar el montaje con estas cosas, entre otras razones porque ya no me cabían más controles en el panel pero sí que ha habido tres cosas que he preferido añadir al circuito. Las dos primeras aparecen en la Figura 12 de la página 9 de la datasheet:

  • Ajuste de simetría de la onda. Es el potenciómetro RB de 25KΩ que aparece en la figura 12 entre las patillas 15 y 16 del XR-2206.

  • Ajuste fino de forma de la onda. Es el reostato RA de 500Ω que aparece en la figura 12 en serie con el conmutador S1 (Senoidal/Triangular) entre las patillas 13 y 14 del XR-2206.

    Para ello he añadido dos pequeños trimmers de 25KΩ y 500Ω respectivamente y montados "al aire" sobre la placa. En la página 11 de la datasheet, bajo el epígrafe de "With external adjustment" podemos leer las intrucciones de ajuste para dejar las ondas lo más limpias posible. Hay que actuar en los dos trimmers para ajustarlo bien.



    Aquí podéis ver los dos pequeños trimmers que he usado.

    El trimmer de 500Ω se pone en la placa en sustitución de la resistencia R4 de 200Ω y conectado como reostato, esto es, con el terminal "CCW" (antihorario) y el central conectados entre sí formando un solo contacto que junto al tercer terminal sustituyen a dicha resistencia.

    El trimmer de 25KΩ se conecta directamente a las patitas 15 y 16 del XR-2206 que están libres de conexión en este kit. Para ello conectamos a esas dos patitas los terminales exteriores del trimmer y el central lo unimos a la masa real (no virtual) del circuito.

    En la foto anterior se ve bien cómo colocar ambos. Para el de 25KΩ será necesario hacer un agujero en la placa en esa zona para poder pasar los cables a la parte trasera conde están visibles las patitas del chip:



    Los dos cables amarillos van a los terminales exteriores del trimmer de 25KΩ
    El cable verde va a la toma de masa del jack de alimentación
    y de ahí al terminal central del trimmer.

  • Control de amplitud para la sección de onda cuadrada. Tal y como viene en el kit la amplitud es fija a niveles TTL (5Vpp) pero eso puede ser demasiado para nuestros intereses así que puse un divisor de tensión a la salida de esta etapa. Hacer esto es muy sencillo pues sólo tendremos que intercalar un potenciómetro de 100K (mejor si es Log) entre el "vivo" de la salida de onda cuadrada TTL de la placa y los BNC/jacks finales del panel de este modo:


    De este modo tendremos un control de amplitud de la onda cuadrada de entre 0Vpp y los 5Vpp nominales y podremos usar esta salida para excitar nuestros circuitos sin pasarnos de señal.

    Ejemplos de uso

    Para hacernos una idea más o menos buena de para qué sirve todo esto he preparado unas fotos de ejemplo. En ellas probamos varios montajes de esta web con una señal senoidal de algo más de 1.7KHz y unos 850mVpp, valores típicos de pastillas de guitarra. Esta señal se inyecta en la entrada del efecto y se representa en el Canal 1 del osciloscopio en la parte superior de la pantalla. En la parte inferior vemos el resultado tomado a la salida del pedal en cuestión:



    MicroAmp.
    A la izquierda vemos el aumento de amplitud sin modificar la onda.
    A la derecha vemos como, si subimos mucho el gain, la señal se recorta produciendo distorsión.


    RangeMaster.
    A la izquierda vemos el aumento de amplitud modificando la onda con recorte asimétrico.
    A la derecha vemos el gran aumento de amplitud manteniendo el tipo de recorte.


    Fuzz Face.
    A la izquierda vemos el recorte asimétrico tendiendo a onda cuadrada.
    A la derecha vemos el recorte simétrico siendo ya una onda perfectamente cuadrada.
    Fijáos como la señal de entrada también se ve recortada por debajo debido a la baja impedancia de entrada del FF.


    Big Muff Pi.
    A la izquierda vemos el recorte "en π" tendiendo a onda cuadrada.
    A la derecha vemos las cosas tan raras que es capaz de crear el mágico control de tono del BMP.


    GT-2.
    Aquí si que salen cosas realmente raras cuando forzamos un poquito el pedal.
    Fijaos en el impresionante aumento de amplitud que es capaz de entregar este efecto.

    Por supuesto que también podemos usarlo como un sofisticado inyector de señales como el que ya comentamos antes.

    Otras opciones

    Como es lógico, este kit no es la unica opción "hágaselo usted mismo" que tenemos:

  • Revista Radioaficionados. Generador de Funciones de cinco bandas propuesto por esa revista.
  • Elenco FG-500K. Generador de Funciones de kit.
  • DDS Function Generator. Basado en un PIC. Llega hasta 10MHz
  • K101 Function Generator. Llega hasta 20MHz.
  • Varios generadores de funciones. de Electrónica Fácil.

    Buscad en google que hay muchos más.

    Opciones SoftWare

    Si no queréis complicaros la vida con montajes electrónicos y disponéis de un ordenador portátil, tenéis la opción de hacer todo mediante software, tanto el Generador de Funciones como el propio Osciloscopio. Sin duda es lo más fácil pero tiene sus limitaciones. Fundamentalmente las limitaciones de los Generadores de Funciones por SW son de amplitud ya que las ondas son creadas por la tarjeta de sonido y el volumen máximo que puedan entregar es el tope de volumen que puedan entregar estas tarjetas. Sin embargo, para nuestros intereses son suficientes.



    Pantalla del estupendo Test Tone Generator V4.

    Estos Generadores de Funciones son muy versátiles y tienen una ventaja sobre los de HW y es que al utilizar la tarjeta Stereo del ordenador para generar tonos, pueden generar dos tonos independientes a la vez con diferentes frecuencias, fases, etc... uno por canal, lo que nos será útil si tenemos un osciloscopio de dos canales con función "XY" de modo que podamos ver Curvas de Lissajous", ya que de otro modo nos sería imposible pues es imprescindible el uso de dos senoidales a la vez con diferente frecuencia:



    Figuras de Lissajous de la Wikipedia US.

    Si tenéis curiosidad en saber más de estas Figuras de Lissajous, aquí tenéis una "applet" 3D de JAVA que os mostrará cómo se dibujan en un osciloscopio.

    Los osciloscopios de SW han alcanzado un grado de sofisticación notable, sobre todo los comerciales. Si buscáis en la web veréis que hay muchos que son "freeware" o copias de evaluación perfectamente funcionales pero con algunas opciones limitadas. Dentro de los osciloscopios de SW hay dos tipos fundamentalmente:

  • Los que requieren algo de Hardware para funcionar. Son los típicos PICO (PicoScope) que llevan su propio convertidor analógico-digital que se conecta mediante RS-232, USB, etc. al ordenador. Estos son bastante útiles según sea el modelo y los grados de complejidad y sofisticación a los que llegan son muy grandes. Como pega tiene que son algo caros y que inevitablemente dependen de un ordenador para funcionar. Por el precio de uno de estos podremos comprar un auténtico osciloscopio de segunda mano.

  • Los que son sólo SW. Estos utilizan la tarjeta de audio como convertidor analógico-digital. Como ya hemos dicho los hay completamente gratis y los hay de pago y de ambos tipos los hay muy buenos pero su principal problema es precisamente su dependencia de la tarjeta de audio, que exige tensiones muy pequeñas de entrada (niveles de línea de audio o "line level") lo que los limita bastante si no queremos freir nuestro ordenador (hay soluciones más o menos eficaces para esto.. buscad en la web). Suelen ser de dos canales porque utilizan los dos canales de entrada (L/R). Otras limitaciones de estos son el estar restringidos al ancho de banda que puede manejar la tarjeta de sonido por lo que sólo sirven para aplicaciones de audio y baja frecuencia y que no pueden medir señales DC. Algunos ejemplos de estos osciloscopios-SW son Winscope, OSZI, BIP, etc.


    Pantalla del "BIP"

    En cualquier caso los de este último tipo junto a los Generadores de Funciones SW os pueden servir como iniciación en este mundillo y así ver si os merece la pena la inversión en equipo real.

    Para saber más: Generador de funciones en el foro de guitarrista.com


    Kilroy Was Here
    ©Piso-tones Ltd. Calambres | guitarrista.com