Vezje generatorja funkcij z uporabo ene same IC 4049

V tem prispevku se bomo naučili, kako z eno samo IC 4049 zgraditi 3 enostavna vezja generatorja funkcij za ustvarjanje natančnih kvadratnih valov, trikotnih valov in sinusnih valov z enostavnimi preklopnimi operacijami.

Uporaba samo enega poceni CMOS IC 4049 in peščico ločenih modulov je enostavno ustvariti robusten funkcijski generator, ki bo zagotovil vrsto treh valovnih oblik okoli in zunaj zvočnega spektra.

Namen članka je bil ustvariti osnovni, stroškovno učinkovit, odprtokodni generator frekvence, ki ga je enostavno izdelati in uporabljati vsi ljubitelji in laboratorijski strokovnjaki.

Ta cilj je bil nedvomno dosežen, saj vezje zagotavlja različne sinusne, kvadratne in trikotne valovne oblike, frekvenčni spekter od približno 12 Hz do 70 KHz pa uporablja samo en CMOS šestnajstiški pretvornik IC in nekaj ločenih elementov.

Nedvomno arhitektura morda ne bo zagotavljala učinkovitosti naprednejših vezij, zlasti glede konsistentnosti valovnih oblik pri povečanih frekvencah, vendar je kljub temu izjemno priročen instrument za analizo zvoka.

Za različico Bluetooth lahko Preberite ta članek

Blok diagram

Osnove delovanja vezja iz zgoraj prikazanega blokovnega diagrama. Glavni del funkcijskega generatorja je generator trikotnika / kvadratnega vala, ki je sestavljen iz integratorja in Schmitovega sprožilca.

Ko je izhod Schmittovega sprožilca visok, napetost, ki se vrne s Schmittovega izhoda na vhod integratorja, omogoča, da se izhod integratorja negativno poveča, preden preseže spodnjo izhodno raven Schmittovega sprožilca.

Na tej stopnji je izhod Schmittovega sprožilca počasen, zato mu majhna napetost, ki se napaja nazaj na vhod integratorja, omogoča pozitivno povečanje, preden doseže zgornji nivo sprožilca Schmittovega sprožilca.

Izhod Schmittovega sprožilca se spet zviša, izhod integratorja pa spet negativno itd.

Pozitivni in negativni pometi izhoda integratorja predstavljajo trikotno valovno obliko, katere amplituda se izračuna s pomočjo Schmittove histereze (tj. Razlike med zgornjo in spodnjo mejo sprožilca).

Proizvodnja Schmittovega sprožilca je seveda kvadratni val, sestavljen iz izmeničnih visokih in nizkih izhodnih stanj.

Izhod trikotnika se prek vmesnega ojačevalnika dovaja v oblikovalec diode, ki zaokroži vzpone in padce trikotnika, da ustvari približen signal sinusnega vala.

Nato lahko s 3-smernim izbirnim stikalom S2 izberemo vsako od 3 valovnih oblik in jo dobavimo v izhodni ojačevalni ojačevalnik.

Kako deluje vezje

Shema celotnega vezja generatorja funkcij CMOS, kot je prikazano na zgornji sliki. Integrator je v celoti zgrajen z uporabo pretvornika CMOS Nl, medtem ko Schmittov mehanizem vključuje dva pretvornika pozitivnih povratnih informacij. To sta N2 in N3.

Naslednja slika prikazuje podrobnosti pinout-a IC 4049 za uporabo v zgornji shemi

Vezje deluje na ta način, ob upoštevanju, da je trenutno brisalnik P2 na najnižji lokaciji, pri čemer je izhod N3 visok, tok enakovreden:

Ub - U1 / P1 + R1

potuje preko R1 in p1, kjer Ub označuje napajalno napetost, Ut pa prag napetosti N1.

Ker se ta tok ne more premakniti v vhod visoke impedance pretvornika, začne potovati proti C1 / C2, odvisno od tega, kateri kondenzator je preklopno vklopljen s stikalom S1.

Padec napetosti na C1 se tako linearno zmanjša tako, da izhodna napetost N1 naraste linearno, preden se približa spodnji prag napetosti Schmittovega sprožilca, ravno ko izhod Schmittovega sprožilca postane nizek.

Zdaj trenutni ekvivalent -Out / P1 + R1 teče skozi R1 in P1.

Ta tok vedno teče skozi C1, tako da se izhodna napetost N1 eksponentno povečuje, dokler ni dosežena največja mejna napetost Schmittovega sprožilca, izhod Schmittovega sprožilca naraste in celoten cikel se začne znova.

Da bi ohranili simetrijo trikotnega valovanja (tj. Enak naklon tako pozitivnih kot negativnih delov valovne oblike), morajo biti tokovi kondenzatorja in tokovi praznjenja enaki, kar pomeni, da bi morala biti Uj, -Ui enaka Ut.

Na žalost je Ut, ki ga določajo parametri pretvornika CMOS, običajno 55%! Izvorna napetost Ub = Ut je približno 2,7 V s 6 V in Ut približno pri 3,3 V.

Ta izziv je premagan s P2, ki zahteva spremembo simetrije. Trenutno upoštevajte, da je tajski R-povezan s pozitivnim napajalnim vodom (položaj A).

Ne glede na nastavitev P2 ostaja visoka izhodna napetost Schmittovega sprožilca vedno 11.

Kljub temu, ko je izhod N3 majhen, R4 in P2 vzpostavijo potencialni delilnik, tako da se lahko na podlagi konfiguracije brisalcev P2 napetost med 0 V in 3 V vrne nazaj v P1.

To zagotavlja, da napetost ni več -Ut in ampak Up2-Ut. V primeru, da je napetost drsnika P2 okoli 0,6 V, mora biti Up2-Ut okoli -2,7 V, zato bi bili tokovi polnjenja in praznjenja enaki.

Očitno je treba zaradi tolerance vrednosti Ut prilagoditev P2 izvesti tako, da ustreza specifičnemu generatorju funkcij.

V primerih, ko je Ut manj kot 50 odstotkov vhodne napetosti, je morda primerno povezati vrh R4 z maso (položaj B).

Najde se nekaj frekvenčnih lestvic, ki bodo dodeljene s pomočjo S1 12 Hz-1 kHz in 1 kHz do približno 70 kHz.

Zrnato krmiljenje frekvence daje P1, ki spreminja tok naboja in praznjenja C1 ali C2 in s tem frekvenco, skozi katero integrator narašča navzgor in navzdol.

Izhod kvadratnega vala iz N3 se pošlje v medpomnilnik prek izbirnega stikala valovne oblike S2, ki vsebuje nekaj pretvornikov, ki so pristranski kot linearni ojačevalnik (vzporedno priključen za izboljšanje njihove učinkovitosti izhodnega toka).

Izhod trikotnega vala je zagotovljen prek vmesnega ojačevalnika N4, od tam pa izbirno stikalo do izhoda vmesnega ojačevalnika.

Prav tako je trikotnik, ki izhaja iz N4, dodan v oblikovalec sinusov, sestavljen iz R9, R11, C3, Dl in D2.

D1 in D2 vlečeta malo toka do približno +/- 0,5 voltov, vendar njihova raznolika odpornost pade čez to napetost in logaritemsko omejuje vzpone in padce trikotnega impulza, da ustvari enakovreden sinusni val.

Izhod sinusa se na izhodni ojačevalnik prenese preko C5 in R10.

P4, ki spreminja ojačanje N4 in s tem amplitudo impulza trikotnika, ki se dovaja v oblikovalec sinusov, spremeni prosojnost sinusa.

Prenizka raven signala in amplituda trikotnika bi bila pod mejno napetostjo diode, nadaljevala pa se bo brez sprememb, previsoka raven signala pa bi bila močno in nizko padla in s tem zagotovila slabo oblikovan sinusni val.

Vhodni upori ojačevalnika izhodnega vmesnega ojačevalnika so izbrani tako, da imajo vsi trije valovne oblike nominalno najvišjo do najmanjšo izhodno napetost okoli 1,2 V. Raven izhodne moči je mogoče spremeniti s pomočjo P3.

Postopek nastavitve

Način prilagajanja je preprosto spremeniti simetrijo trikotnika in čistost sinusnega vala.

Poleg tega je simetrija trikotnika idealno optimizirana s preučitvijo vhoda kvadratnih valov, saj je simetrični trikotnik ustvarjen, če je delovni cikel kvadratnega vala 50% (1-1 razmak).

Če želite to narediti, boste morali prilagoditi prednastavljeno P2.

V primeru, da se simetrija poveča, ko se brisalec P2 premakne navzdol proti izhodu N3, vendar pravilne simetrije ni mogoče doseči, je treba zgornji del R4 združiti v nadomestnem položaju.

Čistost sinusnega vala se spreminja s prilagajanjem P4, dokler se valovna oblika 'ne zdi popolna' ali s spreminjanjem za minimalno popačenje le, če obstaja merilnik popačenja, ki ga je treba preveriti.

Ker napajalna napetost vpliva na izhodno napetost različnih valovnih oblik in s tem na čistost sinusa, je treba vezje napajati iz robustnega 6 V napajanja.

Kadar se baterije uporabljajo kot akumulatorji, jih nikoli ne smete siliti preveč navzdol.

IC-ji CMOS, ki se uporabljajo kot linearni tokokrogi, odvajajo večji tok kot v običajnem preklopnem načinu, zato napajalna napetost ne sme presegati 6 V, sicer pa se IC lahko segreje zaradi močnega odvajanja toplote.

Drug odličen način gradnje vezja funkcijskega generatorja je lahko prek IC 8038, kot je razloženo spodaj

Vezje generatorja funkcij z uporabo IC 8038

IC 8038 je natančni generator valov IC, posebej zasnovan za ustvarjanje sinusnih, kvadratnih in trikotnih izhodnih valov z vključevanjem najmanjšega števila elektronskih komponent in manipulacij.

Njeno delovno frekvenčno območje je bilo mogoče določiti z 8 frekvenčnimi koraki, od 0,001 Hz do 300 kHz, z ustreznim izborom priloženih elementov R-C.

Nihajna frekvenca je izredno enakomerna, ne glede na nihanja temperature ali napajalne napetosti v širokem območju.

Poleg tega funkcijski generator IC 8038 ponuja delovno frekvenčno območje do 1MHz. Do vseh treh osnovnih izhodov valovne oblike, sinusoidnega, trikotnega in kvadratnega, je mogoče hkrati dostopati prek posameznih izhodnih vrat vezja.

Frekvenčno območje 8038 je mogoče spreminjati z zunanjim napajanjem napetosti, čeprav odziv morda ni zelo linearen. Predlagani funkcijski generator zagotavlja tudi nastavljivo simetrijo trikotnika in nastavljivo raven popačenja sinusnega vala.

Generator funkcij z uporabo IC 741

To vezje generatorja funkcij, ki temelji na IC 741, zagotavlja večjo vsestranskost preizkusov v primerjavi s tipičnim generatorjem signalov s sinusnimi valovi, daje kvadratne in trikotne valove 1 kHz skupaj, hkrati pa je poceni in zelo enostavno izdelati. Kot kaže, je na kvadratnem valu izhod približno 3V ptp in 2V r.m.s. v sinusnem valovanju. Preklopljeni atenuator lahko hitro vključite, če želite biti nežnejši do preskušanega vezja.

Kako sestaviti

Začnite polniti dele na tiskano vezje, kot je prikazano na diagramu postavitve komponent, in poskrbite, da boste pravilno vstavili polarnost zenerja, elektrolitike in IC.

Kako nastaviti

Če želite nastaviti vezje generatorja preprostih funkcij, samo natančno nastavite RV1, dokler ni sinusna oblika nekoliko pod nivojem odseka. To vam zagotavlja najučinkovitejši sinusni val skozi oscilator. Kvadrat in trikotnik ne zahtevata nobenih posebnih prilagoditev ali nastavitev.

Kako deluje

1. V tem vezju generatorja funkcij IC 741 je IC1 konfiguriran v obliki Wienskega mostnega oscilatorja, ki deluje na frekvenci 1 kHz.
2. Nadzor amplitude zagotavljajo diodi D1 in D2. Izhod iz te IC je usmerjen bodisi v izhodno vtičnico bodisi v vezje za kvadriranje.
3. Ta je s pomočjo C4 povezan s SW1a in je Schmidtov sprožilec (Q1 -Q2). Zener ZD1 deluje kot sprožilec brez histerize.
4. Integrator IC2, C5 in R10 generira trikotni val iz vhodnega kvadratnega vala.

Preprost UJT funkcijski generator

The enojni oscilator prikazan spodaj, je med najlažjimi žagastimi generatorji. Ta dva izhoda dajeta žagasto valovno obliko in zaporedje sprožilnih impulzov. Val se zaskoči od približno 2V (točka doline, Vv) do največjega vrha (Vp). Najvišja točka je odvisna od napajalnika Vs in razmerja BJT, ki je v stanju mirovanja, ki se lahko giblje od približno 0,56 do 0,75, pri čemer je 0,6 skupna vrednost. Obdobje enega nihanja je približno:

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

kjer „1n“ pomeni uporabo naravnega logaritma. Upoštevajoč standardne vrednosti, je Vs = 6, Vv = 2 in = 0,6, zgornja enačba poenostavi na:

t = RC x 1n (0,6)

Ker je polnjenje kondenzatorja postopno, naraščajoči nagib žage ni linearen. Za številne avdio aplikacije je to komaj pomembno. Slika (b) prikazuje polnilni kondenzator prek vezja s konstantnim tokom. To omogoča pobočje naravnost navzgor.

Hitrost polnjenja kondenzatorja je zdaj konstantna, neodvisna od Vs, čeprav Vs še vedno vpliva na najvišjo točko. Ker je tok odvisen od ojačenja tranzistorja, ni enostavne formule za merjenje frekvence. To vezje je zasnovano za delo z nizkimi frekvencami in ima izvedbe kot generator rampe.

Uporaba opcijskih ojačevalnikov LF353

Dva opcijska ojačevalnika se uporabljata za izdelavo natančnega vezja generatorja kvadratnih valov in trikotnikov. Komplet LF353 vključuje dva ojačevalnika JFET, ki sta najbolj primerna za to aplikacijo.

Frekvence izhodnega signala se izračunajo po formuli f = 1 / RC . Vezje prikazuje izredno širok obseg delovanja s skoraj nobenimi popačenji.

R ima lahko katero koli vrednost med 330 Ohm in približno 4,7 M C je lahko katere koli vrednosti od približno 220pF do 2uF.

Tako kot zgornji koncept se tudi v naslednjem uporabljata dva opcijska ojačevalnika sinusni val kosinusni val vezje generatorja funkcij.

Ustvarijo skoraj enake frekvenčne sinusne signale, vendar 90 ° izven faze, zato je izhod drugega opcijskega ojačevalnika imenovan kot kosinusni val.

Na pogostost vpliva zbiranje sprejemljivih vrednosti R in C. R je v območju od 220k do 10M C je med 39pF in 22nF. Povezava med R, C in / ali je nekoliko zapletena, saj mora odražati vrednosti drugih uporov in kondenzatorjev.

Kot začetno točko, ki zagotavlja frekvenco 250 Hz, uporabite R = 220k in C = 18nF. Zenerjeve diode so lahko diode z nizko močjo 3,9 V ali 4,7 V.

Generator funkcij s pomočjo TTL IC

Nekaj ​​vrat a 7400 quad dvovhodna vrata NAND predstavlja dejansko vezje oscilatorja za to vezje generatorja funkcije TTL. Kristal in nastavljiv kondenzator delujeta kot povratni sistem na vhodu vrat U1-a in izhodu vrat U1-b. Vrata U1-c delujejo kot vmesni pomnilnik med stopnjo oscilatorja in izhodno stopnjo U1-d.

Stikalo S1 deluje kot ročno preklopljiv krmilnik vrat za preklapljanje izhoda kvadratnega vala U1-d na pin 11 ON / OFF. Ko je S1 odprt, kot je navedeno, se na izhodu ustvari kvadratni val, ki se po zaprtju izklopi.

Stikalo je mogoče nadomestiti z logičnimi vrati za digitalno ukazovanje izhoda. Na povezovalni točki C1 in XTAL1 se ustvari skoraj idealen sinusni val od 6 do 8 voltov.

Impedanca na tem križišču je zelo velika in ne more zagotoviti neposrednega izhodnega signala. Tranzistor Q1, nastavljen kot ojačevalnik sledilca oddajnika, zagotavlja visoko vhodno impedanco signalu sinusnega vala in nizko izhodno impedanco zunanji obremenitvi.

Vezje bo sprožilo skoraj vse vrste kristalov in bo delovalo s frekvencami kristalov pod 1 MHz do nad 10 MHz.

Kako nastaviti

Nastavitev tega preprostega vezja generatorja funkcij TTL lahko hitro začnete z naslednjimi točkami.

Če je pri vas na voljo osciloskop, ga priklopite na kvadratno-valovni izhod U1-d na zatiču 11 in postavite C1 v sredino območja, ki zagotavlja najučinkovitejšo izhodno valovno obliko.

Nato opazujte izhod sinusnega vala in prilagodite C2, da dobite najlepše valovno obliko. Vrnite se na kontrolni gumb C1 in ga nekoliko nastavite sem ter tja, dokler na zaslonu dosega ni najbolj zdrav izhod sinusnega vala.

Seznam delov

Upori
(Vsi upori so -watt, 5% enot.)
RI, R2 = 560 ohmov
R3 = 100k
R4 = 1k

Polprevodniki
U1 = IC 7400
Q1 = 2N3904 silicijev tranzistor NPN

Kondenzatorji
C1, C2 = 50 pF, trimer kondenzator
C3, C4 = 0,1 uF, keramični kondenzator

Razno
S1 = preklopno stikalo SPST
XTAL1 = Vsak kristal (glej besedilo)

Kristalno krmiljeno najboljše vezje sinusne valovne oblike

Naslednji generator valovne oblike je dvotranzistorsko kristalno oscilatorno vezje, ki deluje izjemno, poceni za izdelavo in ne zahteva tuljav ali dušilk. Cena je odvisna predvsem od uporabljenega kristala, saj morajo biti skupni stroški ostalih elementov komaj nekaj dolarjev. Tranzistor Q1 in več sosednjih delov tvorijo oscilatorjsko vezje.

Zemeljska pot kristala je usmerjena s pomočjo C6, R7 in C4. V križišču C6 in R7, ki je precej majhen položaj impedance, se RF nanaša na ojačevalnik oddajnik-sledilnik Q2.

Oblika valov na križišču C6 / R7 je res skoraj popoln sinusni val. Izhodna moč na oddajniku Q2 je v amplitudi od približno 2 do 6 voltov od vrha do vrha na podlagi faktorja Q vrednosti kristalov in kondenzatorjev C1 in C2.

Vrednosti C1 in C2 določajo frekvenčno območje vezja. Za kristalne frekvence pod 1 MHz morajo biti C1 in C2 2700 pF (.0027 p, F). Za frekvence med 1 MHz in 5 MHz so to lahko 680-pF kondenzatorji in za 5 MHz in 20 MHz. lahko uporabite 200-pF kondenzatorje.

Lahko poskusite preizkusiti vrednosti teh kondenzatorjev, da dobite najfinejši izhod sinusnega vala. Poleg tega lahko nastavitev kondenzatorja C6 vpliva na dve izhodni ravni in celotno obliko valovne oblike.

Seznam delov

Upori
(Vsi upori so -watt, 5% enot.)
R1-R5-1k
R6-27k
R7-270-ohm
R8-100k
KAPACITORJI
C1, C2 - glej besedilo
C3, C5-0,1-p.F, keramični disk
C6-10 pF do 100 pF, trimer
POLPREVODNIKI
Q1, Q2-2N3904
XTAL1 - Glejte besedilo

Krog žagastega generatorja

V vezju žagastega generatorja so deli Q1, D1-D3, R1, R2 in R7 konfigurirani kot preprosto vezje generatorja s konstantnim tokom, ki kondenzator C1 napolni s konstantnim tokom. Ta konstantni polnilni tok ustvarja linearno naraščajočo napetost nad C1.

Tranzistorji Q2 in Q3 so nameščeni kot darlingtonski par, da potisnejo napetost skozi C1 do izhoda brez obremenitve ali izkrivljanja.

Takoj, ko se napetost okoli C1 poveča na približno 70% napajalne napetosti, se vrata U1-a aktivirajo in sprožijo izhod U1-b visoko in na kratko vklopijo Q4, ki je še naprej vklopljen, ko se kondenzator C1 izprazni.

S tem se zaključi en sam cikel in sproži naslednji. Izhodno frekvenco vezja ureja R7, ki zagotavlja nizko frekvenco približno 30 Hz in zgornjo frekvenco približno 3,3 kHz.

Frekvenčno območje bi lahko povečali z zmanjšanjem vrednosti C1 in znižali s povečanjem vrednosti C1. Da se ohrani največji tok praznjenja Q4 pod nadzorom. C1 ne sme biti večji od 0,27 uF.

Seznam delov

Vezje generatorja funkcij s pomočjo para IC 4011

Temelj tega vezja je pravzaprav oscilator Wien-bridge, ki ponuja izhod sinusnega vala. Iz tega se nato izločijo kvadratne in trikotne valovne oblike.

Oscilator Wien-bridge je zgrajen z uporabo CMOS NAND vrat N1 do N4, medtem ko amplitudno stabilizacijo dobavljajo tranzistor T1 ter diodi D1 in D2.

Te diode je morda treba ujemati z dvema, za najmanjše popačenje. Potenciometer za nastavitev frekvence P1 mora biti tudi visokokakovosten stereo potenciometer z notranjimi odpornimi stezami, seznanjenimi z 5-odstotno toleranco.

Prednastavljena R3 omogoča nastavitev za najmanjše popačenje in v primeru, da se za D1, D2 in P1 uporabijo usklajeni deli, je lahko celotno harmonično popačenje pod 0,5%.

Izhod iz oscilatorja Wien-bridge se nanaša na vhod N5, ki je pristranski v svoje linearno območje in deluje kot ojačevalnik. Vrata NAND N5 in N6 skupaj izboljšata in posnameta izhod oscilatorja, da ustvarijo kvadratno valovno obliko.

Na obratovalni cikel valovne oblike relativno vplivajo pragovni potenciali N5 in N6, vendar je v neposredni bližini 50%.

Izhod vrat N6 je dobavljen v integrator, zgrajen z uporabo vrat NAND N7 in N8, ki se usklajuje s kvadratnim valom in daje trikotno valovno obliko.

Amplituda trikotne valovne oblike je zagotovo odvisna od frekvence in ker integrator preprosto ni zelo natančen, linearnost dodatno odstopa glede na frekvenco.

V resnici je spreminjanje amplitude pravzaprav precej nepomembno, saj se funkcijski generator pogosto uporablja skupaj z milivoltmetrom ali osciloskopom, izhod pa je mogoče enostavno preveriti.

Vezje generatorja funkcij z ojačevalnikom LM3900 Norton Op

Izjemno priročen funkcijski generator, ki bo zmanjšal strojno opremo in tudi ceno, bi lahko izdelali z enim Nortonovim štirikolesnim ojačevalnikom IC LM3900.

Če upor R1 in kondenzator C1 odstranimo iz tega vezja, bo nastala nastavitev skupna za kvadratni val generatorja Nortonovega ojačevalnika s časovnim tokom, ki vstopa v kondenzator C2. Vključitev integrirnega kondenzatorja C1 v generator kvadratnih valov ustvari na izhodu resnično natančen sinusni val.

Upor R1, ki olajša dopolnitev časovnih konstant vezja, omogoča nastavitev izhodnega sinusnega vala za najmanjše popačenje. Enako vezje vam omogoča, da sinusni izhod vstavite v standardni priključek za generator kvadratnih / trikotnih valov, zasnovan z dvema ojačevalnikoma Norton.

Kot je prikazano na sliki, trikotni izhod deluje kot vhod za sinusni ojačevalnik.

Za vrednosti delov, podane v tem članku, je obratovalna frekvenca vezja približno 700 herc. Upor R1 lahko uporabimo za uravnavanje najnižjega izkrivljanja sinusnih valov, upor R2 pa za nastavitev simetrije kvadratnih in trikotnih valov.

Četrti ojačevalnik v štirikolesnem paketu Norton je lahko priključen kot izhodni medpomnilnik za vse 3 izhodne valovne oblike.