Схема на генератор на функции, използваща единична IC 4049

В този пост ще научим как да изградим 3 прости функционални схеми на генератор, използвайки един IC 4049, за генериране на точни квадратни вълни, триъгълни вълни и синусоиди чрез лесни операции на превключване.

Използване само на една ниска цена CMOS IC 4049 и шепа отделни модули е лесно да се създаде стабилен функционален генератор, който ще осигури набор от три форми на вълната около и извън аудио спектъра.

Целта на статията беше да създаде основен, рентабилен генератор на честоти с отворен код, който е лесен за конструиране и се използва от всички любители и лабораторни професионалисти.

Тази цел несъмнено е постигната, тъй като схемата осигурява разнообразие от синусоидални, квадратни и триъгълни форми на вълните, а честотният спектър от приблизително 12 Hz до 70 KHz използва само единична CMOS инверторна интегрална схема и няколко отделни елемента.

Без съмнение архитектурата може да не осигури ефективността на по-усъвършенстваните схеми, особено по отношение на последователността на формата на вълната при повишени честоти, но въпреки това е изключително удобен инструмент за аудио анализ.

За версия на Bluetooth можете Прочетете тази статия

Блокова диаграма

Основи на работа на веригата от показаната по-горе блок-схема. Основната секция на генератора на функции е генератор на триъгълник / квадратна вълна, който се състои от интегратор и спусък на Schmit.

След като изходът на спусъка на Schmitt е висок, напрежението, връщащо се обратно от изхода на Schmitt към входа на интегратора, позволява на изхода на интегратора да се увеличи отрицателно, преди да надвиши долното ниво на изхода на спусъка на Schmitt.

На този етап изходът на спусъка на Schmitt е бавен, така че малкото напрежение, подадено обратно към входа на интегратора, му позволява да се увеличи положително, преди да се достигне горното ниво на спусъка на Schmitt.

Изходът на спусъка на Schmitt отново се повишава, а изходът на интегратора отново се покачва отрицателно и т.н.

Положителните и отрицателните размах на изхода на интегратора представляват триъгълна форма на вълната, чиято амплитуда се изчислява от хистерезиса на спусъка на Schmitt (т.е. разликата между горната и ниската граници на задействане).

Производството на спусъка на Schmitt е, естествено, квадратна вълна, съставена от редуващи се състояния с висока и ниска мощност.

Изходът на триъгълника се подава към диоден формировател чрез буферен усилвател, който закръглява върховете и минимумите на триъгълника, за да създаде приблизителен сигнал за синусоида.

След това, всяка от 3-те форми на вълната може да бъде избрана чрез трипосочен селекторен превключвател S2 и подадена към изходен буферен усилвател.

Как работи веригата

Пълната схема на генератора на CMOS функция, както се вижда на фигурата по-горе. Интеграторът е изцяло изграден с помощта на CMOS инвертор, Nl, докато механизмът на Schmitt включва 2 инвертора с положителна обратна връзка. Това е N2 и N3.

Следващото изображение показва подробностите за пиновете на IC 4049 за прилагане в горната схема

Веригата работи по този начин, като се има предвид, че за момента чистачката P2 е в най-ниското си местоположение, като изходът N3 е висок, ток еквивалентен на:

Ub - U1 / P1 + R1

пътува през R1 и p1, където Ub показва захранващото напрежение, а Ut праговото напрежение N1.

Тъй като този ток не може да се премести във входа на инвертора с висок импеданс, той започва да се движи към C1 / C2 в зависимост от това кой кондензатор е включен на линия от превключвателя S1.

По този начин спадът на напрежението над C1 намалява линейно, така че изходното напрежение на N1 се повишава линейно, преди да се приближи долното прагово напрежение на спусъка на Schmitt, точно когато изходът на спусъка на Schmitt стане нисък.

Сега текущ еквивалент на -Out / P1 + R1 протича както през R1, така и през P1.

Този ток винаги тече през C1, така че изходното напрежение на N1 се увеличава експоненциално, докато се постигне максималното гранично напрежение на спусъка на Шмит, изходът на спусъка на Шмит се повиши и целият цикъл започва отначало.

За да се запази симетрията на вълната на триъгълника (т.е. същият наклон както за положителните, така и за отрицателните части на формата на вълната), натоварването и разрядните токове на кондензатора трябва да бъдат идентични, което означава, че Uj, -Ui трябва да са идентични с Ut.

За съжаление обаче Ut, който се определя от параметрите на CMOS инвертора, обикновено е 55%! Напрежението на източника Ub = Ut е приблизително 2,7 V с 6 V и Ut приблизително при 3,3 V.

Това предизвикателство се преодолява с P2, което изисква модификация на симетрията. За момента помислете, че тайландският R-е свързан с положителния захранващ тръбопровод (позиция А).

Независимо от настройката на P2, високото изходно напрежение на спусъка на Schmitt винаги остава 11.

Въпреки това, когато изходът на N3 е нисък, R4 и P2 установяват потенциален разделител, така че въз основа на конфигурацията на чистачките на P2, напрежение между 0 V до 3 V може да се върне обратно в P1.

Това гарантира, че напрежението вече не е -Ut, а Up2-Ut. В случай, че напрежението на плъзгача P2 е около 0,6 V, тогава Up2-Ut трябва да бъде около -2,7 V, следователно токовете на зареждане и разреждане биха били идентични.

Очевидно, поради толеранса в стойността на Ut, настройката P2 трябва да се извърши, за да съответства на генератор на специфични функции.

В ситуации, в които Ut е по-малко от 50 процента от входното напрежение, свързването на горната част на R4 към земята (позиция B) може да е подходящо.

Могат да бъдат намерени няколко честотни скали, които ще бъдат присвоени с помощта на S1 12 Hz-1 kHz и 1 kHz до приблизително 70 kHz.

Гранулираният контрол на честотата се дава от P1, който променя тока на зареждане и разреждане на C1 или C2 и по този начин честотата, през която интеграторът нараства нагоре и надолу.

Изходът на квадратната вълна от N3 се изпраща към буферен усилвател чрез превключвател за селектор на форма на вълната, S2, който се състои от няколко инвертора, пристрастни като линеен усилвател (свързани паралелно, за да се подобри ефективността на изходния им ток).

Изходът на триъгълната вълна се осигурява чрез буферен усилвател N4 и оттам чрез селекторния превключвател към изхода на буферния усилвател.

Също така триъгълникът, изведен от N4, се добавя към синусоидателя, състоящ се от R9, R11, C3, Dl и D2.

D1 и D2 издърпват малко ток до около +/- 0,5 волта, но тяхното разнообразно съпротивление пада извън това напрежение и логаритмично ограничава върховете и минимумите на триъгълния импулс, за да създаде еквивалент на синусоида.

Изходът на синус се предава към изходния усилвател чрез C5 и R10.

P4, който променя усилването на N4, а оттам и амплитудата на триъгълния импулс, подаван към синусоидателя, променя прозрачността на синусите.

Твърде ниското ниво на сигнала и амплитудата на триъгълника ще бъде под праговото напрежение на диода и ще продължи без промяна и при твърде високо ниво на сигнала, високите и ниските стойности ще бъдат силно подрязани, като по този начин не се осигури добре образувана синусоида.

Входните резистори на усилвателя на изходния буфер са избрани така, че и трите форми на вълната да имат номинално пиково до минимално изходно напрежение от около 1,2 V. Нивото на изходната мощност може да бъде променено чрез P3.

Процедура за настройка

Методът за настройка е просто да се промени симетрията на триъгълника и чистотата на синусоидата.

В допълнение, симетрията на триъгълника е идеално оптимизирана чрез изследване на входа на квадратната вълна, тъй като се получава симетричен триъгълник, ако работният цикъл на квадратната вълна е 50% (1-1-интервал).

За да направите това, ще трябва да настроите предварително зададената P2.

В ситуация, при която симетрията се увеличава, когато чистачката P2 се премести надолу към изхода N3, но не може да се постигне правилна симетрия, горната част на R4 трябва да се съедини в алтернативно положение.

Чистотата на синусоидата се променя чрез регулиране на P4, докато формата на вълната „изглежда перфектно“ или чрез промяна за минимално изкривяване, само ако има измервател за изкривяване, който да се провери.

Тъй като захранващото напрежение влияе върху изходното напрежение на различните форми на вълната и следователно върху чистотата на синуса, веригата трябва да се захранва от стабилно 6 V захранване.

Когато батериите се използват като батерии, те никога не трябва да бъдат принуждавани да работят твърде много надолу.

Интегралните схеми CMOS, използвани като линейни вериги, отвеждат по-висок ток, отколкото в обичайния режим на превключване, и следователно захранващото напрежение не трябва да надвишава 6 V, в противен случай IC може да се нагрее поради тежкото разсейване на топлината.

Друг чудесен начин за изграждане на верига на генератор на функции може да бъде чрез IC 8038, както е обяснено по-долу

Схема на генератор на функции, използваща IC 8038

IC 8038 е прецизен генератор на вълнови генератори, специално проектиран за създаване на синусоидални, квадратни и триъгълни изходни форми на вълната, чрез включване на най-малък брой електронни компоненти и манипулации.

Неговият работен честотен диапазон може да бъде определен чрез 8 честотни стъпки, започвайки от 0,001Hz до 300kHz, чрез подходящ подбор на приложените R-C елементи.

Честотата на трептене е изключително стабилна, независимо от колебанията на температурата или захранващото напрежение в широк диапазон.

В допълнение, генераторът на функции IC 8038 предлага работен честотен диапазон до 1MHz. И трите основни изхода на вълновата форма, синусоидален, триъгълен и квадратни, могат да бъдат достъпни едновременно през отделни изходни портове на веригата.

Честотният диапазон на 8038 може да варира чрез външно подаване на напрежение, въпреки че реакцията може да не е много линейна. Предложеният генератор на функции осигурява също така регулируема симетрия на триъгълника и регулируемо ниво на изкривяване на синусоида.

Генератор на функции с помощта на IC 741

Тази базирана на IC 741 функционална схема осигурява повишена гъвкавост на теста в сравнение с типичния генератор на синусоидални сигнали, като дава 1 kHz квадратни и триъгълни вълни заедно и е едновременно евтина и много лесна за конструиране. Както изглежда, изходът е приблизително 3V ptp на квадратна вълна и 2V r.m.s. в синусоида. Превключен атенюатор може бързо да бъде включен, ако искате да бъдете по-нежен към веригата, която се тества.

Как да сглобя

Започнете да натъпквате частите върху печатната платка, както е показано в схемата за оформление на компонентите, и не забравяйте да поставите правилно полярността на ценера, електролитите и интегралните схеми.

Как да настроите

За да настроите веригата на прости функции на генератора, просто прецизирайте RV1, докато синусоидалната форма е малко под нивото на изрязване. Това ви осигурява най-ефективната синусоида чрез осцилатора. Квадратът и триъгълникът не изискват никакви специфични корекции или настройки.

Как работи

1. В тази схема на генератор на функции IC 741, IC1 е конфигуриран под формата на Wien мостов генератор, работещ на честота 1 kHz.
2. Контролът на амплитудата се осигурява от диодите D1 и D2. Изходът от тази интегрална схема се задвижва или към изходния контакт, или към веригата за квадратура.
3. Това е свързано към SW1a посредством C4 и е спусък на Schmidt (Q1 -Q2). Zener ZD1 работи като спусък без хистериза.
4. Интеграторът IC2, C5 и R10 генерира триъгълната вълна от входната квадратна вълна.

Прост генератор на функции UJT

The еднопосочен осцилатор показан по-долу, е сред най-лесните трионни генератори. Двата изхода на това дават, а именно, триъгълна форма на вълната и последователност от задействащи импулси. Вълната трепва от около 2V (точката на долината, Vv) до максималния връх (Vp). Точката на върха разчита на захранването Vs и съотношението BJT, което може да варира от около 0,56 до 0,75, като 0,6 е обща стойност. Периодът на едно трептене е приблизително:

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

където „1n“ означава използването на естествен логаритъм. Като се имат предвид стандартните стойности, Vs = 6, Vv = 2 и на = 0,6, горното уравнение се опростява до:

t = RC x 1n (0,6)

Тъй като кондензаторното зареждане се увеличава, нарастващият наклон на трионът не е линеен. За много аудио приложения това едва ли има значение. Фигура (b) показва зареждащия кондензатор чрез верига с постоянен ток. Това позволява наклона да върви право нагоре.

Скоростта на заряд на кондензатора е постоянна, независима от Vs, въпреки че Vs все още влияе на пиковата точка. Тъй като токът зависи от усилването на транзистора, няма проста формула за измерване на честотата. Тази схема е проектирана да работи с ниски честоти и има изпълнения като генератор на рампа.

Използване на LF353 операционни усилватели

Два операционни усилвателя се използват за конструиране на точна схема на генератор с квадратна вълна и триъгълник. Комплектът LF353 включва два усилвателя JFET, които са най-подходящи за това приложение.

Честотите на изходния сигнал се изчисляват по формулата f = 1 / RC . Схемата показва изключително широк работен диапазон с почти никакви изкривявания.

R може да има всякаква стойност между 330 Ohm и около 4.7 M C може да бъде на всякаква стойност от около 220pF до 2uF.

Подобно на горната концепция, два операционни усилвателя се използват в следващия синусоида вълна косинус верига на генератор на функции.

Те генерират почти идентични честотни синусоидални сигнали, но на 90 ° извън фазата и следователно изходът на втория операционен усилвател се нарича косинусова вълна.

Честотата се влияе от събирането на приемливи R и C стойности. R е в диапазона 220k до 10 M, C е между 39pF и 22nF. Връзката между R, C и / или е малко сложна, тъй като трябва да отразява стойностите на други резистори и кондензатори.

Използвайте R = 220k и C = 18nF като начална точка, която осигурява честота от 250Hz. Ценеровите диоди могат да бъдат диоди с ниска мощност от 3.9V или 4.7V.

Генератор на функции, използващ TTL IC

Няколко порти на a 7400 четворна NAND порта с два входа представлява действителната верига на осцилатора за тази схема на генератор на функция TTL. Кристалът и регулируемият кондензатор работи като системата за обратна връзка през входа на порта U1-a и изхода на порта U1-b. Портата U1-c функционира като буфер между осцилаторния етап и изходния етап U1-d.

Превключвателят S1 действа като ръчно превключваем контрол на портата, за да превключва изхода на квадратна вълна на U1-d на щифт 11 ON / OFF. При отворен S1, както е посочено, квадратната вълна се генерира на изхода и след затваряне формата на вълната equare се изключва.

Превключвателят може да бъде заменен с логическа порта за цифрово командване на изхода. В свързващата точка на C1 и XTAL1 се създава почти идеална синусова вълна от 6 до 8 волта.

Импедансът на този възел е много висок и не може да осигури директен изходен сигнал. Транзисторът Q1, настроен като усилвател на излъчвател-последовател, доставя висок входен импеданс на синусоидалния сигнал и нисък изходен импеданс към външен товар.

Веригата ще задейства почти всички видове кристали и ще работи с кристални честоти под 1 MHz до над 10 MHz.

Как да настроите

Настройването на тази проста схема на генератор на функции TTL може бързо да бъде инициирано със следните точки.

Ако има на разположение осцилоскоп, закачете го към изхода с квадратна вълна на U1-d на щифт 11 и позиционирайте C1 в центъра на диапазона, който осигурява най-ефективната форма на изходна вълна.

След това наблюдавайте изхода на синусоида и регулирайте C2 за получаване на най-добре изглеждащата форма на вълната. Върнете се до контролния бутон C1 и го фино настройте малко напред-назад, докато на екрана на обхвата бъде постигнат най-здравият изход на синусоида.

Списък с части

РЕЗИСТОРИ
(Всички резистори са-ват, 5% единици.)
RI, R2 = 560-ома
R3 = 100k
R4 = 1k

Полупроводници
U1 = IC 7400
Q1 = 2N3904 NPN силициев транзистор

Кондензатори
C1, C2 = 50 pF, тример кондензатор
C3, C4 = 0,1 uF, кондензатор с керамичен диск

Разни
S1 = превключвател SPST
XTAL1 = Всеки кристал (виж текста)

Кристално контролирана най-добра схема на синусоидална форма

Следващият генератор на форма на вълната е дву-транзисторна, кристална осцилаторна верига, която се представя превъзходно, евтино за изграждане и не изисква намотки или дросели. Цената зависи преди всичко от използвания кристал, тъй като общата цена на останалите елементи едва ли трябва да бъде няколко долара. Транзисторът Q1 и няколкото съседни части образуват осцилаторната верига.

Пътят на земята за кристала е насочен с помощта на C6, R7 и C4. В кръстовището C6 и R7, което е доста малка импедансна позиция, RF се прилага към усилвател емитер-последовател, Q2.

Формата на формата на вълната на кръстовището C6 / R7 наистина е почти перфектна синусоида. Изходът на излъчвателя на Q2 варира в амплитуда от около 2 до 6 волта пик до пик, въз основа на Q фактора на кристалите и кондензаторите C1 и C2 стойности.

Стойностите C1 и C2 решават честотния диапазон на веригата. За кристални честоти под 1 MHz, C1 и C2 трябва да бъдат 2700 pF (.0027 p, F). За честоти между 1 MHz и 5 MHz те могат да бъдат 680-pF кондензатори и за 5 MHz и 20 MHz. можете да приложите 200-pF кондензатори.

Възможно е да опитате да тествате със стойности на тези кондензатори, за да получите най-добре изглеждащия изход на синусоида. Освен това настройката на кондензатора С6 може да окаже влияние върху двете изходни нива и цялостната форма на формата на вълната.

Списък с части

РЕЗИСТОРИ
(Всички резистори са-ват, 5% единици.)
R1-R5-1k
R6-27k
R7-270-ома
R8-100k
КАПАЦИТОРИ
C1, C2 — Вижте текста
C3, C5-0.1-p.F, керамичен диск
C6-10 pF до 100 pF, тример
ПОЛУПРОВОДНИЦИ
Q1, Q2-2N3904
XTAL1 - Вижте текста

Електрическа верига на трион

В триъгълната генераторна верига частите Q1, D1-D3, R1, R2 и R7 са конфигурирани като обикновена схема на генератор с постоянен ток, която зарежда кондензатор C1 с постоянен ток. Този постоянен заряден ток създава линейно нарастващо напрежение над C1.

Транзисторите Q2 и Q3 са монтирани като двойка Дарлингтън, за да изтласкат напрежението през C1, до изхода без натоварване или изкривяващи ефекти.

Веднага щом напрежението около C1 се увеличи до около 70% от захранващото напрежение, порта U1-a се активира, задействайки изхода U1-b да се повиши и за кратко включване Q4, което продължава да е включено, докато кондензаторът C1 се разрежда.

Това завършва един цикъл и инициира следващия. Изходната честота на веригата се управлява от R7, който доставя ниска честота от около 30 Hz и горна честота от около 3,3 kHz.

Честотният диапазон може да бъде увеличен чрез намаляване на стойността на C1 и спадане чрез увеличаване на стойността на C1. За да се запази пиковият ток на разряд Q4 под контрол. C1 не трябва да е по-голям от 0,27 uF.

Списък с части

Схема на генератор на функции, използваща двойка IC 4011

Основата на тази схема всъщност е осцилатор на Wien-bridge, който предлага изход на синусоида. Впоследствие квадратните и триъгълните форми на вълната се извличат от това.

Осцилаторът на Wien-bridge е конструиран с помощта на CMOS NAND затвори N1 до N4, докато стабилизацията на амплитудата се осигурява от транзистор T1 и диоди D1 и D2.

Тези диоди евентуално трябва да бъдат съчетани от две, за най-ниски изкривявания. Потенциометърът за регулиране на честотата P1 също трябва да бъде висококачествен стерео потенциометър с вътрешни съпротивления, сдвоени с вътрешен толеранс от 5%.

Предварително зададената R3 дава възможност за настройка за най-малко изкривяване и в случай, че се използват съвпадащи части за D1, D2 и P1, общото хармонично изкривяване може да бъде под 0,5%.

Изходът от Wien-мостовия осцилатор се прилага към входа на N5, който е пристрастен към неговата линейна област и функционира като усилвател. NAND портите N5 и N6 колективно подобряват и подрязват изхода на осцилатора, за да генерират квадратна форма на вълната.

Работният цикъл на формата на вълната е относително повлиян от праговите потенциали на N5 и сух N6, но е в непосредствена близост до 50%.

Изходът на порта N6 се подава в интегратор, изграден с помощта на NAND порта N7 и N8, който хармонизира с квадратната вълна, за да осигури триъгълна форма на вълната.

Амплитудата на триъгълната форма на вълната със сигурност зависи от честотата и тъй като интеграторът просто не е много точен, линейността допълнително се отклонява по отношение на честотата.

В действителност варирането на амплитудата всъщност е доста тривиално, като се има предвид, че генераторът на функции често ще се използва заедно с миливолтметър или осцилоскоп и изходът може лесно да се провери.

Схема на генератор на функции, използваща LM3900 Norton Op Amp

Изключително удобен генератор на функции, който ще намали хардуера, а също и цената може да бъде конструиран с единичен квадратен усилвател Norton IC LM3900.

Ако резисторът R1 и кондензаторът C1 бъдат отстранени от тази верига, получената настройка ще бъде общата за генератора на квадратни вълни на Нортън-усилвател с синхронизиращ ток, влизащ в кондензатор C2. Включването на интегриращ кондензатор С1 към генератора с квадратни вълни създава реалистично прецизна синусоида на изхода.

Резисторът R1, който улеснява допълването на постоянните на времето на веригата, ви позволява да регулирате изходната синусоида за най-ниски изкривявания. Идентична схема ви позволява да включите изход за синусоида към стандартното свързване за генератор с квадратна / триъгълна вълна, проектиран с два усилвателя Norton.

Както е показано на снимката, триъгълният изход работи като входа за синусоидалния усилвател.

За стойностите на частите, предоставени в тази статия, работната честота на веригата е приблизително 700 херца. Резистор R1 може да се използва за регулиране на най-ниските синусоидални изкривявания, а резистор R2 може да се използва за регулиране на симетрията на квадратните и триъгълните вълни.

Четвъртият усилвател в четворния пакет на Norton може да бъде свързан като изходен буфер за всичките 3 изходни форми.