Obvod generátoru funkcí pomocí Single IC 4049

V tomto příspěvku se naučíme, jak vytvořit 3 obvody generátoru jednoduchých funkcí pomocí jediného IC 4049 pro generování přesných čtvercových vln, trojúhelníkových vln a sinusových vln pomocí jednoduchých operací přepínání.

Používání pouze jednoho nízkonákladového CMOS IC 4049 a několik samostatných modulů je snadné vytvořit robustní generátor funkcí, který bude poskytovat rozsah tří křivek kolem a za zvukovým spektrem.

Účelem článku bylo vytvořit základní, nákladově efektivní, generátor kmitočtů s otevřeným zdrojovým kódem, který lze snadno sestavit a použít pro všechny fandy a laboratorní profesionály.

Tento cíl byl bezpochyby splněn, protože obvod poskytuje různé sinusové, čtvercové a trojúhelníkové průběhy a frekvenční spektrum od zhruba 12 Hz do 70 KHz využívá pouze jeden IC CMOS hex invertor a několik samostatných prvků.

Není pochyb o tom, že architektura nemusí přinést účinnost pokročilejších obvodů, zejména pokud jde o konzistenci křivek při zvýšených frekvencích, ale je to neuvěřitelně užitečný nástroj pro zvukovou analýzu.

Pro verzi Bluetooth můžete Přečtěte si tento článek

Blokové schéma

Základy provozu obvodu z výše uvedeného blokového schématu. Hlavní částí generátoru funkcí je generátor trojúhelníku / čtvercových vln, který se skládá z integrátoru a Schmitovy spouště.

Jakmile je výstup Schmittova spouště vysoký, napětí dodávané zpět ze Schmittova výstupu na vstup integrátoru umožňuje, aby výstup integrátoru rampoval záporně, než překročí spodní výstupní úroveň Schmittova spouště.

V této fázi je Schmittův spouštěcí výstup pomalý, takže malé napětí dodávané zpět na vstup integrátoru mu umožňuje pozitivně se rozběhnout, než je dosaženo horní spouštěcí úrovně Schmittova spouště.

Výstup Schmittova spouště se opět zvýší a výstup integrátoru opět klesne záporně atd.

Pozitivní a negativní rozmítání výstupu integrátoru představují trojúhelníkový tvar vlny, jehož amplituda se počítá hysterezí Schmittova spouště (tj. Rozdíl mezi horní a dolní mezí spouště).

Schmittova spouštěcí produkce je přirozeně čtvercová vlna složená ze střídavých stavů vysokého a nízkého výkonu.

Výstup trojúhelníku je dodáván do diodového tvarovače přes vyrovnávací zesilovač, který zaokrouhluje výšky a minima trojúhelníku a vytváří přibližný sinusový signál.

Poté může být každý ze 3 tvarů vln vybrán třícestným přepínačem S2 a dodáván do výstupního vyrovnávacího zesilovače.

Jak obvod funguje

Plné schéma zapojení generátoru funkcí CMOS, jak je vidět na obrázku výše. Integrátor je zcela postaven za použití invertoru CMOS, Nl, zatímco Schmittův mechanismus obsahuje 2 invertory s pozitivní zpětnou vazbou. Jsou to N2 a N3.

Následující obrázek ukazuje podrobnosti o pinu IC 4049 pro použití ve výše uvedeném schématu

Obvod funguje tímto způsobem vzhledem k tomu, že prozatím je stěrač P2 na nejnižším místě, přičemž výstup N3 je vysoký, což odpovídá proudu:

Ub - U1 / P1 + R1

cestuje přes R1 a p1, kde Ub označuje napájecí napětí a Ut prahové napětí N1.

Protože tento proud není schopen se přesunout na vstup s vysokou impedancí měniče, začne se pohybovat směrem k C1 / C2 v závislosti na tom, který kondenzátor je přepnut v řadě přepínačem S1.

Pokles napětí nad C1 tedy lineárně klesá, takže výstupní napětí N1 lineárně stoupá, než se přiblíží spodní prahové napětí Schmittova spouště, právě když se sníží výstup Schmittova spouště.

Nyní aktuální ekvivalent k -Out / P1 + R1 protéká oběma R1 a P1.

Tento proud vždy protéká C1, takže výstupní napětí N1 exponenciálně roste, dokud není dosaženo maximálního mezního napětí Schmittova spouště, výstup Schmittova spouště stoupá a celý cyklus začíná znovu.

Aby byla zachována symetrie vln trojúhelníku (tj. Stejný sklon pro kladnou i zápornou část tvaru vlny), musí být zatěžovací a výbojové proudy kondenzátoru identické, což znamená, že Uj, -Ui by měly být shodné s Ut.

Bohužel, Ut, o kterém rozhodují parametry měniče CMOS, je obvykle 55%! Zdrojové napětí Ub = Ut je přibližně 2,7 V při 6 V a Ut přibližně při 3,3 V.

Tato výzva je překonána P2, která vyžaduje úpravu symetrie. Prozatím zvažte, že thai R- souvisí s kladným napájecím vedením (pozice A).

Bez ohledu na nastavení P2 zůstává vysoké výstupní napětí Schmittova spouště vždy 11.

Když je však výstup N3 nízký, vytvoří R4 a P2 potenciální dělič tak, že na základě konfigurace stěrače P2 může být napětí mezi 0 V až 3 V vráceno zpět do P1.

Tím je zajištěno, že napětí již nebude -Ut a ale Up2-Ut. V případě, že je napětí jezdce P2 kolem 0,6 V, pak by Up2-Ut mělo být kolem -2,7 V, proto by byly nabíjecí a vybíjející proudy identické.

Je zřejmé, že kvůli toleranci hodnoty Ut by mělo být provedeno nastavení P2, aby odpovídalo konkrétnímu generátoru funkcí.

V situacích, kdy Ut je menší než 50 procent vstupního napětí, může být vhodné připojit horní část R4 k zemi (poloha B).

Lze nalézt několik frekvenčních stupnic, které budou přiřazeny pomocí S1 12 Hz - 1 kHz a 1 kHz až přibližně 70 kHz.

Řízení granulované frekvence je dáno P1, která mění proud nabíjení a vybíjení C1 nebo C2, a tedy frekvenci, kterou integrátor rampuje nahoru a dolů.

Výstup obdélníkové vlny z N3 je odeslán do vyrovnávacího zesilovače přes přepínač voliče průběhu, S2, který se skládá z několika střídačů předpjatých jako lineární zesilovač (zapojený paralelně, aby se zlepšila jejich účinnost výstupního proudu).

Výstup trojúhelníkové vlny je poskytován přes vyrovnávací zesilovač N4 a odtud přepínačem voliče na výstup vyrovnávacího zesilovače.

Také výstup trojúhelníku z N4 je přidán do sinusového tvarovače, který se skládá z R9, R11, C3, Dl a D2.

D1 a D2 přitahují malý proud až kolem +/- 0,5 voltu, ale jejich různorodý odpor klesá nad toto napětí a logaritmicky omezuje vrcholy a minimy trojúhelníkového pulzu, aby vytvořil ekvivalent sinusové vlny.

Sinusový výstup je přenášen do výstupního zesilovače přes C5 a R10.

P4, který mění zesílení N4 a tím i amplitudu trojúhelníkového pulzu dodávaného do sinusového tvarovače, mění průhlednost sinusu.

Příliš nízká úroveň signálu a amplituda trojúhelníku by byla pod prahovým napětím diody a bude pokračovat bez jakýchkoli změn a příliš vysoká úroveň signálu by byla maxima a minima silně oříznuta, což by neposkytovalo dobře vytvořená sinusová vlna.

Vstupní odpory výstupního vyrovnávacího zesilovače jsou zvoleny tak, aby všechny tři tvary vln měly nominální špičku na minimální výstupní napětí kolem 1,2 V. Úroveň výstupu mohla být změněna pomocí P3.

Postup nastavení

Metoda úpravy je jednoduše změna symetrie trojúhelníku a čistoty sinusové vlny.

Kromě toho je symetrie trojúhelníku v ideálním případě optimalizována zkoumáním vstupu čtvercových vln, protože symetrický trojúhelník je vytvořen, pokud je pracovní cyklus čtvercových vln 50% (1-1 značka-prostor).

K tomu budete muset upravit přednastavenou P2.

V situaci, kdy se symetrie zvyšuje s pohybem stěrače P2 dolů směrem k výstupu N3, ale nebylo možné dosáhnout správné symetrie, musí být horní část R4 spojena v alternativní poloze.

Čistota sinusové vlny se mění úpravou P4, dokud křivka „nevypadá perfektně“, nebo změnou minimálního zkreslení, pouze pokud je k dispozici měřič zkreslení.

Protože napájecí napětí ovlivňuje výstupní napětí různých tvarů vln, a tím i čistotu sinusu, musí být obvod napájen z robustního 6V zdroje.

Pokud se jako baterie používají baterie, nikdy by neměly být nuceny příliš vybít.

Integrované obvody CMOS používané jako lineární obvody odvádějí vyšší proud než v obvyklém spínacím režimu, a proto napájecí napětí nesmí překročit 6 V, jinak se integrovaný obvod může zahřát v důsledku silného tepelného rozptylu.

Dalším skvělým způsobem, jak vytvořit obvod generátoru funkcí, může být IC 8038, jak je vysvětleno níže

Obvod generátoru funkcí pomocí IC 8038

IC 8038 je přesný generátor křivek IC speciálně navržený pro vytváření sinusových, čtvercových a trojúhelníkových výstupních křivek začleněním nejmenšího počtu elektronických součástek a manipulací.

Jeho pracovní kmitočtový rozsah lze určit pomocí 8 frekvenčních kroků, počínaje od 0,001 Hz do 300 kHz, prostřednictvím vhodného výběru připojených R-C prvků.

Oscilační frekvence je extrémně stabilní bez ohledu na kolísání teploty nebo napájecího napětí v širokém rozsahu.

Generátor funkcí IC 8038 navíc nabízí pracovní kmitočtový rozsah až 1 MHz. Ke všem třem základním výstupům tvaru vlny, sinusovým, trojúhelníkovým a čtvercovým, lze přistupovat současně prostřednictvím jednotlivých výstupních portů obvodu.

Frekvenční rozsah 8038 lze měnit prostřednictvím externího napájecího napětí, i když odezva nemusí být příliš lineární. Navrhovaný generátor funkcí také poskytuje nastavitelnou trojúhelníkovou symetrii a nastavitelnou úroveň zkreslení sinusových vln.

Generátor funkcí pomocí IC 741

Tento obvod generátoru funkcí založený na IC 741 poskytuje zvýšenou univerzálnost testu ve srovnání s typickým generátorem signálu sinusových vln, dává dohromady čtvercové a trojúhelníkové vlny 1 kHz a je levný a velmi jednoduchý na konstrukci. Jak se zdá, výstup je přibližně 3V ptp na obdélníkové vlně a 2V r.m.s. v sinusové vlně. Přepnutý atenuátor může být rychle zahrnut, pokud chcete být šetrnější k testovanému obvodu.

Jak sestavit

Začněte plnit součásti na desku plošných spojů, jak je znázorněno v diagramu rozložení komponent, a ujistěte se, že jste správně vložili polaritu zenerových, elektrolytických a integrovaných obvodů.

Jak nastavit

Chcete-li nastavit obvod generátoru jednoduchých funkcí, stačí doladit RV1, dokud nebude sinusový průběh mírně pod úrovní ořezávání. To vám poskytne nejúčinnější sinusové vlny přes oscilátor. Čtverec a trojúhelník nevyžadují žádné konkrétní úpravy ani nastavení.

Jak to funguje

1. V tomto obvodu generátoru funkcí IC 741 je IC1 konfigurován ve formě wienského můstkového oscilátoru, který pracuje na frekvenci 1 kHz.
2. Řízení amplitudy zajišťují diody D1 a D2. Výstup z tohoto integrovaného obvodu je veden buď do výstupní zásuvky, nebo do čtvercového obvodu.
3. Toto je připojeno k SW1a pomocí C4 a je to Schmidtův spouštěč (Q1-Q2). Zener ZD1 funguje jako spoušť bez hystereze.
4. Integrátor IC2, C5 a R10 generuje trojúhelníkovou vlnu ze vstupní čtvercové vlny.

Jednoduchý generátor funkcí UJT

The unijunkční oscilátor níže, patří mezi nejjednodušší generátory pilovitých zubů. Tyto dva výstupy dávají, jmenovitě pilovitý průběh a sled spouštěcích pulzů. Vlna stoupá od přibližně 2 V (bod údolí, Vv) k maximálnímu vrcholu (Vp). Špičkový bod závisí na napájecím zdroji Vs a odstupu BJT, který se může pohybovat od přibližně 0,56 do 0,75, přičemž 0,6 je běžná hodnota. Období jedné oscilace je zhruba:

t = - RC x 1n [(1 - η) / (1 - Vv / Vs)]

kde „1n“ označuje přirozené využití logaritmu. Pokud vezmeme v úvahu standardní hodnoty, Vs = 6, Vv = 2 a the = 0,6, výše uvedená rovnice se zjednodušuje na:

t = RC x 1n (0,6)

Vzhledem k tomu, že nabíjení kondenzátoru je přírůstkové, rostoucí sklon pilového zubu není lineární. U mnoha zvukových aplikací to sotva záleží. Obrázek (b) ukazuje nabíjecí kondenzátor přes obvod s konstantním proudem. To umožňuje svah jít rovně nahoru.

Rychlost nabíjení kondenzátoru je nyní konstantní, nezávislá na Vs, i když Vs stále ovlivňuje špičkový bod. Protože proud závisí na zisku tranzistoru, neexistuje jednoduchý vzorec pro měření frekvence. Tento obvod je navržen pro práci s nízkými frekvencemi a má implementace jako generátor rampy.

Používání operačních zesilovačů LF353

Dva operační zesilovače se používají ke konstrukci přesného obvodu generátoru obdélníkových a trojúhelníkových vln. Sada LF353 obsahuje dva operační zesilovače JFET, které jsou pro tuto aplikaci nejvhodnější.

Frekvence výstupního signálu se vypočítají podle vzorce f = 1 / RC . Obvod vykazuje extrémně široký provozní rozsah a téměř žádné zkreslení.

R může mít jakoukoli hodnotu mezi 330 Ohm a přibližně 4,7 M C může mít jakoukoli hodnotu od přibližně 220pF do 2uF.

Stejně jako výše uvedený koncept jsou v dalším použity dva operační zesilovače sinusová vlna kosinová vlna obvod generátoru funkcí.

Generují téměř identické signály sinusové vlny frekvence, ale 90 ° mimo fázi, a proto je výstup druhého operačního zesilovače označován jako kosinová vlna.

Frekvence je ovlivněna shromažďováním přijatelných hodnot R a C. R je v rozmezí 220 až 10 M, C je mezi 39 pF a 22 nF. Spojení mezi R, C a / nebo je trochu složité, protože musí odrážet hodnoty ostatních rezistorů a kondenzátorů.

Jako počáteční bod, který poskytuje frekvenci 250 Hz, použijte R = 220 k a C = 18 nF. Zenerovy diody mohou být diody s nízkým výkonem 3,9 V nebo 4,7 V.

Generátor funkcí využívající TTL IC

Pár bran a 7400 čtyřdveřových NAND bran představuje skutečný obvod oscilátoru pro tento obvod generátoru funkcí TTL. Krystal a nastavitelný kondenzátor fungují jako systém zpětné vazby na vstupu brány U1-a a výstupu brány U1-b. Gate U1-c funguje jako vyrovnávací paměť mezi oscilátorem a koncovým stupněm U1-d.

Přepínač S1 funguje jako ručně přepínatelné ovládání brány pro přepínání výstupu obdélníkového signálu U1-d na pin 11 ON / OFF. Při otevřeném S1, jak je uvedeno, se na výstupu generuje obdélníková vlna a po uzavření se křivka ekvare vypne.

Přepínač může být nahrazen logickou bránou, která digitálně ovládá výstup. Ve spojovacím bodě C1 a XTAL1 je vytvořena téměř ideální 6- až 8-voltová sinusová vlna.

Impedance na tomto spoji je velmi vysoká a není schopna poskytovat přímý výstupní signál. Tranzistor Q1, nastavený jako zesilovač emitor-sledovač, dodává vysokou vstupní impedanci pro sinusový signál a nízkou výstupní impedanci pro vnější zátěž.

Okruh roztočí téměř všechny typy krystalů a bude probíhat s frekvencemi krystalů pod 1 MHz až nad 10 MHz.

Jak nastavit

Nastavení tohoto jednoduchého obvodu generátoru funkcí TTL lze rychle zahájit pomocí následujících bodů.

Pokud máte k dispozici osciloskop, připojte jej k výstupu obdélníkové vlny U1-d na kolíku 11 a do polohy C1 ve středu rozsahu, který poskytuje nejefektivnější výstupní průběh.

Dále sledujte výstup sinusových vln a upravte C2 tak, abyste získali ten nejkrásnější tvar vlny. Vraťte se do ovládacího knoflíku C1 a trochu ho vylaďte, dokud nebude na obrazovce osciloskopu dosaženo nejzdravějšího sinusového výstupu.

Seznam dílů

ODPORY
(Všechny rezistory jsou -watt, 5% jednotek.)
RI, R2 = 560 ohmů
R3 = 100 tis
R4 = 1k

Polovodiče
U1 = IC 7400
Q1 = 2N3904 NPN křemíkový tranzistor

Kondenzátory
C1, C2 = 50 pF, trimmerový kondenzátor
C3, C4 = 0,1 uF, keramický diskový kondenzátor

Smíšený
S1 = přepínač SPST
XTAL1 = Libovolný krystal (viz text)

Crystal Controlled Best Sine waveform Circuit

Následující generátor vln je dvoutranzistorový obvod s krystalovým oscilátorem, který funguje skvěle, levně a nevyžaduje žádné cívky ani tlumivky. Cena závisí především na použitém krystalu, protože celkové náklady na ostatní prvky musí být stěží pár dolarů. Tranzistor Q1 a několik sousedních částí tvoří obvod oscilátoru.

Cesta země pro krystal je směrována pomocí C6, R7 a C4. V křižovatce C6 a R7, což je docela malá impedanční poloha, se RF aplikuje na zesilovač sledovače emitoru Q2.

Tvar vlny na křižovatce C6 / R7 je opravdu téměř dokonalá sinusová vlna. Výstup na emitoru Q2 se pohybuje v amplitudě od 2 do 6 voltů mezi špičkami, na základě faktoru Q krystalů a hodnot C1 a C2 kondenzátorů.

Hodnoty C1 a C2 určují frekvenční rozsah obvodu. Pro krystalové frekvence pod 1 MHz by C1 a C2 měly být 2700 pF (0,0027 p, F). Pro frekvence mezi 1 MHz a 5 MHz to mohou být kondenzátory 680-pF a pro 5 MHz a 20 MHz. můžete použít 200-pF kondenzátory.

Možná byste mohli zkusit testovat s hodnotami těchto kondenzátorů, abyste získali co nejlépe vypadající výstup sinusových vln. Kromě toho může mít nastavení kondenzátoru C6 vliv na dvě výstupní úrovně a na celkový tvar průběhu.

Seznam dílů

ODPORY
(Všechny rezistory jsou -watt, 5% jednotek.)
R1-R5-1k
R6-27k
R7-270 ohmů
R8-100k
KONDENZÁTORY
C1, C2 - viz text
C3, C5-0.1-p.F, keramický disk
C6-10 pF až 100 pF, zastřihovač
SEMIKONDUKTORY
Q1, Q2-2N3904
XTAL1 - viz text

Okruh generátoru pilového zubu

V obvodu generátoru pilovitých zubů jsou části Q1, D1-D3, R1, R2 a R7 konfigurovány jako jednoduchý obvod generátoru konstantního proudu, který nabíjí kondenzátor C1 konstantním proudem. Tento konstantní nabíjecí proud vytváří lineárně rostoucí napětí na C1.

Tranzistory Q2 a Q3 jsou zmanipulované jako Darlingtonův pár, aby tlačily napětí přes C1 na výstup bez účinků načítání nebo zkreslení.

Jakmile se napětí kolem C1 zvýší na přibližně 70% napájecího napětí, aktivuje se brána U1-a, která způsobí, že výstup U1-b se zvýší a krátce sepne Q4, který bude nadále aktivní, zatímco se kondenzátor C1 vybije.

Tím se dokončí jeden cyklus a zahájí se další. Výstupní kmitočet obvodu je řízen R7, který dodává kmitočet dolního konce přibližně 30 Hz a kmitočet horního konce přibližně 3,3 kHz.

Frekvenční rozsah by mohl být zvýšen snížením hodnoty C1 a snížen zvýšením hodnoty C1. Zachovat špičkový vybíjecí proud Q4 pod kontrolou. C1 by neměla být větší než 0,27 uF.

Seznam dílů

Obvod generátoru funkcí využívající pár IC 4011

Základem tohoto obvodu je vlastně oscilátor Wien -bridge, který nabízí výstup sinusové vlny. Z toho se následně extrahují čtvercové a trojúhelníkové křivky.

Oscilátor Wien -bridge je konstruován pomocí hradel CMOS NAND N1 až N4, zatímco stabilizaci amplitudy zajišťuje tranzistor T1 a diody D1 a D2.

Tyto diody možná musí být spojeny do sady dvou, aby bylo dosaženo co nejnižšího zkreslení. Potenciometr pro nastavení frekvence P1 musí být také vysoce kvalitní stereofonní potenciometr s vnitřními odporovými stopami spárovanými s tolerancí uvnitř 5%.

Přednastavená hodnota R3 poskytuje možnost nastavení pro nejmenší zkreslení a v případě, že se pro D1, D2 a P1 použijí shodné části, celkové harmonické zkreslení může být nižší než 0,5%.

Výstup z oscilátoru Wien-Bridge se aplikuje na vstup N5, který je předpjatý do své lineární oblasti a funguje jako zesilovač. Brány NAND N5 a N6 společně vylepšují a ořezávají výstup oscilátoru a generují čtvercový tvar vlny.

Pracovní cyklus křivky je relativně ovlivněn prahovými potenciály N5 a N6, je však v těsné blízkosti 50%.

Výstup brány N6 je dodáván do integrátoru zabudovaného pomocí bran NAND N7 a N8, který harmonizuje s obdélníkovou vlnou, aby poskytoval trojúhelníkový tvar vlny.

Amplituda trojúhelníkového průběhu je jistě závislá na frekvenci a protože integrátor jednoduše není příliš přesný, linearita se navíc odchyluje od frekvence.

Ve skutečnosti je amplitudová variace ve skutečnosti docela triviální, vzhledem k tomu, že generátor funkcí bude často používán společně s milivoltmetrem nebo osciloskopem a výstup lze snadno zkontrolovat.

Obvod generátoru funkcí využívající LM3900 Norton Op Amp

Extrémně praktický generátor funkcí, který sníží hardware a také cenu, by mohl být sestrojen pomocí jediného čtyřnásobného zesilovače Norton IC LM3900.

Pokud jsou z tohoto obvodu odstraněny rezistor R1 a kondenzátor C1, bude výsledné nastavení společné pro generátor čtvercových vln se zesilovačem Norton a časovací proud vstupuje do kondenzátoru C2. Zahrnutí integračního kondenzátoru C1 do generátoru čtvercových vln vytváří na výstupu realisticky přesnou sinusovou vlnu.

Rezistor R1, který usnadňuje doplnění časových konstant obvodu, umožňuje upravit výstupní sinusovou vlnu pro nejnižší zkreslení. Identický obvod umožňuje zapojit sinusový výstup do standardního zapojení generátoru čtvercových / trojúhelníkových vln navrženého se dvěma zesilovači Norton.

Jak je ukázáno na obrázku, trojúhelníkový výstup funguje jako vstup pro sinusový zesilovač.

Pro hodnoty dílů uvedené v tomto článku je provozní frekvence obvodu přibližně 700 hertzů. Rezistor R1 lze použít k nastavení nejnižšího sinusového zkreslení a rezistor R2 lze použít k nastavení symetrie čtvercových a trojúhelníkových vln.

Čtvrtý zesilovač v balíčku Norton quad lze připojit jako výstupní vyrovnávací paměť pro všechny 3 výstupní křivky.