Circuit generator de funcții folosind un singur IC 4049

În acest post vom învăța cum să construim 3 circuite generatoare de funcții simple folosind un singur IC 4049, pentru a genera unde pătrate precise, unde triunghiulare și unde sinusoidale prin operații de comutare ușoare.

Folosind un singur cost redus CMOS IC 4049 și o mână de module separate, este ușor să creați un generator de funcții robust care să ofere o gamă de trei forme de undă în jurul și dincolo de spectrul audio.

Scopul articolului a fost de a crea un generator de frecvență open source de bază, rentabil, ușor de construit și utilizat de toți pasionații și profesioniștii de laborator.

Acest obiectiv a fost îndeplinit fără îndoială, deoarece circuitul oferă o varietate de forme de undă sinusoidală, pătrată și triunghi și un spectru de frecvență de la aproximativ 12 Hz la 70 KHz folosește doar un singur invertor hexagonal CMOS IC și câteva elemente separate.

Fără îndoială, arhitectura poate să nu ofere eficiența unor circuite mai avansate, mai ales în ceea ce privește consistența formei de undă la frecvențe crescute, dar este totuși un instrument incredibil de util pentru analiza audio.

Pentru o versiune Bluetooth pe care o puteți Citiți acest articol

Diagramă bloc

Elementele de bază ale circuitului din schema bloc prezentată mai sus. Secțiunea principală a generatorului de funcții este un generator de triunghi / undă pătrată care constă dintr-un integrator și un declanșator Schmit.

Odată ce ieșirea declanșatorului Schmitt este ridicată, alimentarea cu tensiune dinspre ieșirea Schmitt către intrarea integratorului permite ieșirea integratorului să devină negativă înainte de a depăși nivelul de ieșire inferior al declanșatorului Schmitt.

În acest stadiu, ieșirea declanșatorului Schmitt este lentă, astfel încât tensiunea mică alimentată înapoi la intrarea integratorului îi permite să crească pozitiv înainte de atingerea nivelului de declanșare superior al declanșatorului Schmitt.

Ieșirea declanșatorului Schmitt crește din nou, iar ieșirea integratorului crește negativ din nou și așa mai departe.

Măturările pozitive și negative ale ieșirii integratorului reprezintă o formă de undă triunghiulară a cărei amplitudine este calculată de histerezisul declanșatorului Schmitt (adică diferența dintre limitele de declanșare înalte și joase).

Producția de declanșare Schmitt este, în mod natural, o undă pătrată formată din stări de ieșire alternate ridicate și scăzute.

Ieșirea triunghiului este furnizată unui dispozitiv de formare a diodei printr-un amplificator tampon, care rotunjește maximele și minimile triunghiului pentru a crea un semnal de undă sinusoidală aproximativă.

Apoi, fiecare dintre cele 3 forme de undă poate fi aleasă de un selector cu 3 căi S2 și furnizat unui amplificator tampon de ieșire.

Cum funcționează circuitul

Schema circuitului complet al generatorului de funcții CMOS așa cum se vede în figura de mai sus. Integratorul este construit în întregime folosind un invertor CMOS, Nl, în timp ce mecanismul Schmitt încorporează 2 invertoare cu feedback pozitiv. Este N2 și N3.

Următoarea imagine prezintă detaliile de identificare ale IC 4049 pentru aplicarea în schema de mai sus

Circuitul funcționează astfel, având în vedere, pentru moment, că ștergătorul P2 se află în cea mai joasă locație, cu ieșire N3 mare, un curent echivalent cu:

Ub - U1 / P1 + R1

se deplasează prin R1 și p1, unde Ub indică tensiunea de alimentare și Ut tensiunea de prag N1.

Deoarece acest curent nu se poate deplasa în intrarea de impedanță ridicată a invertorului, începe să călătorească spre C1 / C2, în funcție de condensatorul care este comutat în linie de comutatorul S1.

Căderea de tensiune peste C1 scade astfel liniar, astfel încât tensiunea de ieșire a lui N1 crește liniar înainte ca tensiunea pragului inferior al declanșatorului Schmitt să fie abordată la fel cum ieșirea declanșatorului Schmitt devine scăzută.

Acum un echivalent de curent cu -Out / P1 + R1 curge atât prin R1, cât și prin P1.

Acest curent circulă întotdeauna prin C1, astfel încât tensiunea de ieșire a lui N1 crește exponențial până când se atinge tensiunea limită maximă a declanșatorului Schmitt, ieșirea declanșatorului Schmitt crește și întregul ciclu începe din nou.

Pentru a menține simetria undelor triunghiulare (adică aceeași pantă atât pentru părțile pozitive, cât și pentru cele negative ale formei de undă), curenții de încărcare și de descărcare ai condensatorului trebuie să fie identici, adică Uj, -Ui ar trebui să fie identici cu Ut.

Cu toate acestea, din păcate, Ut fiind decis de parametrii invertorului CMOS, este în mod normal 55%! Tensiunea sursei Ub = Ut este de aproximativ 2,7 V cu 6 V și Ut aproximativ la 3,3 V.

Această provocare este depășită cu P2, care necesită modificarea simetriei. Pentru moment, considerați că Thai R-este legat de linia de alimentare pozitivă (poziția A).

Indiferent de setarea P2, tensiunea de ieșire ridicată a declanșatorului Schmitt rămâne întotdeauna 11.

Cu toate acestea, când ieșirea N3 este scăzută, R4 și P2 stabilesc un divizor de potențial astfel încât, pe baza configurației ștergătorului P2, o tensiune între 0 V și 3 V ar putea fi returnată înapoi în P1.

Acest lucru asigură că tensiunea nu mai este -Ut și ci Up2-Ut. În cazul în care tensiunea cursorului P2 este în jur de 0,6 V, atunci Up2-Ut ar trebui să fie în jur de -2,7 V, prin urmare, curenții de încărcare și descărcare ar fi identici.

Evident, datorită toleranței în valoarea lui Ut, ajustarea P2 ar trebui să fie efectuată pentru a se potrivi cu un generator de funcții specifice.

În situațiile în care Ut este mai mic de 50% din tensiunea de intrare, conectarea vârfului R4 la masă (poziția B) ar putea fi adecvată.

Se pot găsi câteva scale de frecvență, care vor fi atribuite folosind S1 12 Hz-1 kHz și 1 kHz la aproximativ 70 kHz.

Controlul frecvenței granulare este dat de P1 care schimbă curentul de încărcare și descărcare a C1 sau C2 și, astfel, frecvența prin care integratorul rampează în sus și în jos.

Ieșirea cu undă pătrată de la N3 este trimisă unui amplificator tampon printr-un comutator selector de formă de undă, S2, care cuprinde un cuplu de invertoare polarizate ca un amplificator liniar (conectat în paralel pentru a îmbunătăți eficiența curentului de ieșire).

Ieșirea de undă triunghiulară este asigurată printr-un amplificator tampon N4 și de acolo de către comutatorul selector la ieșirea amplificatorului tampon.

De asemenea, ieșirea triunghiului din N4 este adăugată la formatorul sinusoidal, constând din R9, R11, C3, Dl și D2.

D1 și D2 trag puțin curent până la aproximativ +/- 0,5 volți, dar rezistența lor diversă scade dincolo de această tensiune și limitează logaritmic înălțimile și minimile impulsului triunghiului pentru a crea un echivalent cu o undă sinusoidală.

Ieșirea sinusoidală este transmisă amplificatorului de ieșire prin C5 și R10.

P4, care variază câștigul lui N4 și, prin urmare, amplitudinea impulsului triunghiului furnizat formatorului de sinus, modifică transparența sinusului.

Un nivel de semnal prea scăzut, iar amplitudinea triunghiului ar fi sub tensiunea pragului diodei și va continua fără nicio modificare și un nivel de semnal prea ridicat, maxime și minime ar fi puternic decupate, oferind astfel unde sinusoidale formate.

Rezistențele de intrare ale amplificatorului tampon de ieșire sunt alese astfel încât toate cele trei forme de undă să aibă un vârf nominal la tensiunea minimă de ieșire de aproximativ 1,2 V. Nivelul de ieșire ar putea fi modificat prin P3.

Procedura de configurare

Metoda de ajustare este pur și simplu să schimbe simetria triunghiului și puritatea undei sinusoidale.

În plus, simetria triunghiului este optimizată în mod ideal prin examinarea intrării undei pătrate, deoarece se produce un triunghi simetric dacă ciclul de funcționare al undei pătrate este de 50% (1-1 spațiu punct).

Pentru a face acest lucru, va trebui să reglați presetarea P2.

Într-o situație în care simetria crește pe măsură ce ștergătorul P2 este deplasat în jos către ieșirea N3, dar simetria corectă nu a putut fi atinsă, partea superioară a R4 trebuie să fie unită în poziția alternativă.

Puritatea undei sinusoidale este modificată prin ajustarea P4 până când forma de undă „arată perfectă” sau prin variația distorsiunii minime numai dacă există un contor de distorsiune de verificat.

Deoarece tensiunea de alimentare afectează tensiunea de ieșire a diferitelor forme de undă și, prin urmare, puritatea sinusului, circuitul trebuie alimentat de la o sursă robustă de 6 V.

Când bateriile sunt folosite ca baterii de sursă de alimentare, acestea nu ar trebui niciodată forțate să ruleze prea mult în jos.

IC-urile CMOS utilizate ca circuite liniare scurg curent mai mare decât în ​​modul de comutare obișnuit și, prin urmare, tensiunea de alimentare nu trebuie să depășească 6 V, altfel IC-ul se poate încălzi datorită disipării termice grele.

O altă modalitate excelentă de a construi un circuit generator de funcții poate fi prin IC 8038, așa cum se explică mai jos

Circuit generator de funcții folosind IC 8038

IC 8038 este un generator de formă de undă de precizie IC special conceput pentru crearea de forme de undă sinusoidală, pătrată și triunghiulară, prin încorporarea numărului minim de componente electronice și manipulări.

Domeniul său de frecvență de lucru ar putea fi determinat prin 8 pași de frecvență, începând de la 0,001Hz până la 300kHz, prin selectarea corespunzătoare a elementelor R-C atașate.

Frecvența oscilatorie este extrem de constantă, indiferent de fluctuațiile de temperatură sau de tensiune de alimentare pe o gamă largă.

În plus, generatorul de funcții IC 8038 oferă o gamă de frecvențe de lucru de până la 1 MHz. Toate cele trei ieșiri fundamentale ale formei de undă, sinusoidale, triunghiulare și pătrate pot fi accesate în același timp prin porturile de ieșire individuale ale circuitului.

Gama de frecvență a modelului 8038 poate fi variată printr-o alimentare de tensiune externă, deși răspunsul poate să nu fie foarte liniar. Generatorul de funcții propus oferă, de asemenea, simetria triunghiului reglabil și nivelul de distorsiune al undei sinusoidale reglabile.

Generator de funcții folosind IC 741

Acest circuit generator de funcții bazat pe IC 741 oferă o versatilitate crescută a testului în comparație cu generatorul tipic de semnal cu undă sinusoidală, oferind unde pătrat și triunghi de 1 kHz împreună, și este atât de cost redus, cât și foarte simplu de construit. După cum pare, ieșirea este de aproximativ 3V ptp pe undă pătrată și 2V r.m.s. în sinusoidal. Un atenuator comutat ar putea fi rapid inclus dacă doriți să fiți mai blând cu circuitul testat.

Cum să asamblați

Începeți să completați piesele pe PCB așa cum este afișat în schema de dispunere a componentelor și asigurați-vă că ați introdus corect polaritatea zenerului, electroliticelor și circuitelor IC.

Cum se configurează

Pentru a configura circuitul generatorului de funcții simple, reglați fin RV1 până când forma de undă sinusoidală este ușor sub nivelul de tăiere. Acest lucru vă oferă cea mai eficientă undă sinusoidală prin oscilator. Pătratul și triunghiul nu necesită ajustări sau setări specifice.

Cum functioneaza

1. În acest circuit generator de funcții IC 741, IC1 este configurat sub forma unui oscilator de punte Wien, care funcționează la o frecvență de 1 kHz.
2. Controlul amplitudinii este furnizat de diodele D1 și D2. Ieșirea de la acest IC este condusă fie prin priza de ieșire, fie către circuitul de pătrat.
3. Acesta este conectat la SW1a prin intermediul C4 și este un declanșator Schmidt (Q1-Q2). Zener ZD1 funcționează ca un declanșator „fără histeriză”.
4. Integratorul IC2, C5 și R10 generează unda triunghiulară din unda pătrată de intrare.

Generator de funcții UJT simplu

oscilator unijunction prezentat mai jos, este printre cele mai ușoare generatoare de dinți de fierăstrău. Cele două ieșiri ale acestuia dau, și anume, o formă de undă din dinte de ferăstrău și o succesiune de impulsuri de declanșare. Valul clichetează de la aproximativ 2V (punctul văii, Vv) până la vârful maxim (Vp). Punctul de vârf se bazează pe sursa de alimentare Vs și pe raportul stand-off BJT, care poate varia de la aproximativ 0,56 la 0,75, cu 0,6 fiind o valoare comună. Perioada unei oscilații este aproximativ:

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

unde „1n” indică utilizarea logaritmului natural. Având în vedere valorile standard, Vs = 6, Vv = 2 și = 0,6, ecuația de mai sus simplifică:

t = RC x 1n (0,6)

Deoarece încărcarea condensatorului este incrementală, panta crescândă a dinților de ferăstrău nu este liniară. Pentru multe aplicații audio, acest lucru abia contează. Figura (b) demonstrează condensatorul de încărcare printr-un circuit de curent constant. Acest lucru permite ca panta să meargă drept în sus.

Rata de încărcare a condensatorului este acum constantă, independentă de Vs, deși Vs influențează încă punctul de vârf. Deoarece curentul depinde de câștigul tranzistorului, nu există o formulă simplă pentru măsurarea frecvenței. Acest circuit este proiectat să funcționeze cu frecvențe joase și are implementări ca generator de rampă.

Utilizarea amplificatoarelor opționale LF353

Două amplificatoare op sunt utilizate pentru a construi un circuit precis de generare a undelor pătrate și triunghiului. Setul LF353 include două amplificatoare op JFET care sunt cele mai potrivite pentru această aplicație.

Frecvențele semnalului de ieșire sunt calculate prin formulă f = 1 / RC . Circuitul prezintă o gamă de operare extrem de largă, cu aproape nici o distorsiune.

R poate avea orice valoare cuprinsă între 330 Ohm și aproximativ 4,7 M C poate avea orice valoare de la aproximativ 220pF la 2uF.

La fel ca conceptul de mai sus, în următorul sunt utilizate două amplificatoare op undă sinusoidală o undă cosinus circuit generator de funcții.

Acestea generează semnale de undă sinusoidală de frecvență aproape identice, dar cu 90 ° defazate și, prin urmare, ieșirea celui de-al doilea amplificator operațional este denumită undă cosinus.

Frecvența este afectată de colectarea valorilor R și C. acceptabile. R este în intervalul 220k până la 10 M C este între 39pF și 22nF. Conexiunea dintre R, C și / sau este puțin complexă, deoarece trebuie să reflecte valorile altor rezistențe și condensatoare.

Utilizați R = 220k și C = 18nF ca punct inițial care oferă o frecvență de 250Hz. Diodele Zener pot fi diode cu putere redusă de 3,9V sau 4,7V.

Generator de funcții folosind IC TTL

Câteva porți ale unei Poarta NAND 7400 quad cu două intrări constituie circuitul oscilator real pentru acest circuit generator de funcții TTL. Cristalul și un condensator reglabil funcționează ca sistemul de feedback de la intrarea porții U1-a și a ieșirii porții U1-b. Poarta U1-c funcționează ca un tampon între etapa oscilatorului și etapa de ieșire, U1-d.

Comutatorul S1 acționează ca o comandă de poartă comutabilă manual pentru a comuta ieșirea cu undă pătrată a U1-d la pinul 11 ​​ON / OFF. Cu S1 deschis, după cum se indică, unda pătrată este generată la ieșire și, odată închisă, forma de undă egală este oprită.

Comutatorul ar putea fi înlocuit cu o poartă logică pentru a comanda digital ieșirea. O undă sinusoidală de vârf-la-vârf aproape ideală de 6 până la 8 volți este creată la punctul de conectare al lui C1 și XTAL1.

Impedanța pe această joncțiune este foarte mare și nu poate oferi un semnal de ieșire directă. Tranzistorul Q1, configurat ca un amplificator emițător-următor, furnizează o impedanță de intrare ridicată semnalului sinusoidal și o impedanță de ieșire scăzută unei sarcini exterioare.

Circuitul va începe aproape toate tipurile de cristale și va funcționa cu frecvențe de cristal de sub 1 MHz până la peste 10 MHz.

Cum se configurează

Configurarea acestui circuit generator de funcții TTL poate fi inițiată rapid cu următoarele puncte.

Dacă există un osciloscop disponibil cu dvs., conectați-l la ieșirea cu undă pătrată a U1-d pe pinul 11 ​​și poziționați C1 în centrul intervalului care oferă cea mai eficientă formă de undă de ieșire.

Apoi, observați ieșirea sinusoidală și reglați C2 pentru a obține cea mai bună formă de undă. Reveniți la butonul de control C1 și reglați-l puțin încolo și încolo până când se obține cea mai sănătoasă ieșire cu undă sinusoidală pe ecranul scopului.

Lista de componente

REZISTENTE
(Toate rezistențele sunt -watt, 5% unități.)
RI, R2 = 560-ohm
R3 = 100k
R4 = 1k

Semiconductori
U1 = IC 7400
Q1 = 2N3904 tranzistor siliciu NPN

Condensatoare
C1, C2 = 50 pF, condensator de tuns
C3, C4 = 0,1 uF, condensator ceramic-disc

Diverse
S1 = comutator SPST
XTAL1 = Orice cristal (vezi text)

Circuit cu cea mai bună sinusoidală controlată de cristal

Următorul generator de forme de undă este un circuit de oscilator cu două tranzistori, cu cristal, care funcționează excelent, ieftin de construit și nu necesită bobine sau înfășurări. Prețul depinde în primul rând de cristalul utilizat, deoarece costul total al celorlalte elemente trebuie să fie de doar câțiva dolari. Tranzistorul Q1 și mai multe părți adiacente formează circuitul oscilatorului.

Calea de la sol pentru cristal este direcționată prin intermediul C6, R7 și C4. În joncțiunea C6 și R7, care este o poziție de impedanță destul de mică, RF se aplică unui amplificator emițător-adept, Q2.

Forma de undă la joncțiunea C6 / R7 este într-adevăr o undă sinusoidală aproape perfectă. Ieșirea, la emițătorul Q2 variază în amplitudine de la aproximativ 2 la 6 volți vârf-la-vârf, pe baza factorului Q al cristalului și al valorilor condensatorilor C1 și C2.

Valorile C1 și C2 decid intervalul de frecvență al circuitului. Pentru frecvențele cristalelor sub 1 MHz, C1 și C2 ar trebui să fie de 2700 pF (.0027 p, F). Pentru frecvențe între 1 MHz și 5 MHz, acestea pot fi condensatori 680-pF și pentru 5 MHz și 20 MHz. puteți aplica condensatori 200-pF.

Ați putea încerca să testați cu valorile acestor condensatori pentru a obține cea mai bună ieșire cu undă sinusoidală. În plus, reglarea condensatorului C6 poate avea un efect asupra celor două niveluri de ieșire și a formei generale a formei de undă.

Lista de componente

REZISTENTE
(Toate rezistențele sunt -watt, 5% unități.)
R1-R5-1k
R6-27k
R7-270-ohm
R8-100k
CAPACITORI
C1, C2 - A se vedea textul
C3, C5-0.1-p.F, disc ceramic
C6-10 pF la 100 pF, tundere
SEMICONDUCTORI
Q1, Q2-2N3904
XTAL1 — A se vedea textul

Circuitul generatorului din dinți de ferăstrău

În circuitul generatorului din dinți de fierăstrău, piesele Q1, D1-D3, R1, R2 și R7 sunt configurate ca un circuit generator simplu de curent constant care încarcă condensatorul C1 cu un curent constant. Acest curent constant de încărcare creează o tensiune liniară în creștere peste C1.

Tranzistoarele Q2 și Q3 sunt montate ca o pereche Darlington pentru a împinge tensiunea prin C1, la ieșire fără efecte de încărcare sau distorsiune.

De îndată ce tensiunea din jurul C1 crește la aproximativ 70% din tensiunea de alimentare, poarta U1-a se activează, declanșând ieșirea U1-b pentru a crește și porni scurt Q4, care continuă să fie PORNIT în timp ce condensatorul C1 se descarcă.

Aceasta termină un singur ciclu și inițiază următorul. Frecvența de ieșire a circuitului este guvernată de R7, care furnizează o frecvență low-end de aproximativ 30 Hz și o frecvență superioară de aproximativ 3,3 kHz.

Gama de frecvență ar putea fi crescută prin scăderea valorii lui C1 și scăzută prin creșterea valorii lui C1. Pentru a păstra sub control curentul maxim de descărcare al lui Q4. C1 nu trebuie să fie mai mare de 0,27 uF.

Lista de componente

Circuit generator de funcții folosind un cuplu de IC 4011

Fundația acestui circuit este de fapt un oscilator Wien-bridge, care oferă o ieșire cu undă sinusoidală. Formele de undă pătrate și triunghiulare sunt ulterior extrase din aceasta.

Oscilatorul Wien-bridge este construit folosind porți CMOS NAND de la N1 la N4, în timp ce stabilizarea amplitudinii este furnizată de tranzistorul T1 și diodele D1 și D2.

Aceste diode, eventual, trebuie să fie potrivite setul de două, pentru o distorsiune minimă. Potențiometrul de reglare a frecvenței P1 trebuie să fie, de asemenea, un potențiometru stereo de înaltă calitate, cu piste de rezistență internă, asociat cu o toleranță interioară de 5%.

Presetarea R3 oferă facilitatea de reglare pentru cea mai mică distorsiune și în cazul în care sunt utilizate piese potrivite pentru D1, D2 și P1, distorsiunea armonică generală ar putea fi sub 0,5%.

Ieșirea de la oscilatorul Wien-bridge este aplicată la intrarea lui N5, care este polarizată în regiunea sa liniară și funcționează ca un amplificator. Porțile NAND N5 și N6 îmbunătățesc și clipesc colectiv ieșirea oscilatorului pentru a genera o formă de undă pătrată.

Ciclul de funcționare al formei de undă este relativ influențat de potențialele de prag ale N5 și N6 aride, cu toate acestea este în imediata apropiere de 50%.

Ieșirea porții N6 este furnizată într-un integrator construit folosind porțile NAND N7 și N8, care se armonizează cu unda pătrată pentru a oferi o formă de undă triunghiulară.

Amplitudinea formei de undă triunghiulară este, cu siguranță, dependentă de frecvență și, deoarece integratorul pur și simplu nu este foarte precis, liniaritatea se abate în plus față de frecvență.

În realitate, variația amplitudinii este de fapt destul de banală, având în vedere că generatorul de funcții va fi adesea utilizat împreună cu un milivoltmetru sau un osciloscop, iar ieșirea ar putea fi ușor verificată.

Funcția Generator circuit utilizând LM3900 Norton Op Amp

Un generator de funcții extrem de la îndemână care va reduce hardware-ul și, de asemenea, prețul ar putea fi construit cu un singur amplificator quad Norton IC LM3900.

Dacă rezistorul R1 și condensatorul C1 sunt scoase din acest circuit, configurarea rezultată va fi cea comună pentru un generator de unde pătrate cu amplificator Norton, cu curentul de sincronizare care intră în condensatorul C2. Includerea unui condensator C1 integrator la generatorul de unde pătrate creează o undă sinusoidală precisă realist la ieșire.

Rezistorul R1, care facilitează completarea constantelor de timp ale circuitului, vă permite să reglați unda sinusoidală de ieșire pentru cea mai mică distorsiune. Un circuit identic vă permite să introduceți o ieșire sinusoidală la conexiunea standard pentru un generator de undă pătrată / triunghiular proiectat cu doi amplificatori Norton.

Așa cum se arată în imagine, ieșirea triunghiulară funcționează ca intrarea pentru amplificatorul sinusoidal.

Pentru valorile pieselor furnizate în acest articol, frecvența de rulare a circuitului este de aproximativ 700 hertz. Rezistorul R1 poate fi utilizat pentru ajustarea celei mai mici distorsiuni sinusoidale, iar rezistorul R2 poate fi utilizat pentru ajustarea simetriei undelor pătrate și triunghiulare.

Al patrulea amplificator din pachetul Norton quad ar putea fi conectat ca tampon de ieșire pentru toate cele 3 forme de undă de ieșire.