Простые генераторы на микросхемах | Кое-что из радиотехники

  На одном транзисторе и одном элементе логической микросхемы можно собрать импульсный генератор (Рис.1).

  При включении питания на выходе микросхемы DD1 появляется логическая <1>. Напряжение с выхода микросхемы заряжает один из конденсаторов С1 – С7 ( в зависимости от положения переключателя диапазонов S1 ) по цепи: выход микросхемы ( вывод 3 ), резистор R4, конденсатор, открытый переход транзистора VT1. Постоянная времени заряда С1 – 7 (R4 + R_бэ). По окончании отрицательное напряжение на левой по схеме обкладке конденсатора закрывает транзистор, и конденсатор начинает перезаряжаться, т.к. на выходе микросхемы устанавливается низкий уровень напряжения. Сопротивление закрытого транзистора велико и перезаряд происходит по цепи: левая обкладка конденсатора, резистор

R2, резистор R1, источник питания, микросхема DD1. На выходе микросхемы, на конденсаторе и, следовательно, на базе транзистора напряжение меняется. Как только на базе появится напряжение +0,5 … 0,7 В, транзистор открывается, на входе DD1 появляется низкий потенциал, на выходе – высокий и весь цикл повторяется

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

  Диапазон генерируемых колебаний, Гц ………   0,2 … 5х10⁵

  Скваженность импульсов …………………………….    2 … 1000

   Стабильность частоты при изменении напряжения питания

   на ±5 % не хуже, %   ……………………………………..    8 … 10

На Рис.2 показана схема аналогичного генератора, позволяющая получить импульсы высокочастотных колебаний. Генератор ВЧ колебаний ( 18 МГц ) собран на элементах DD1.2 – DD1.4, его запускают импульсы с частотой 300 Гц, получаемые от генератора, собранного на транзисторе VT1 и элементе D1.1.

   При подключении такого генератора к телевизору появляются шесть горизонтальных полос и слышен фон звуковой частоты.

Э. П. Борноволоков, В. В. Фролов. «РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКИЕ СХЕМЫ». Киев, «ТЕХНИКА» 1985г, стр. 212

Похожее

Конструктор «Функциональный генератор на микросхеме XR2206»

Как нам говорит Вики: «Функциональный генератор это источник напряжения, который выдает аналоговые сигналы в синусоидальной, прямоугольной и треугольной форме». Поскольку, сейчас я увлечен усилителями звука, мне этот генератор, пришелся как нельзя кстати.

Я предлагаю вам вместе со мной собрать этот весьма интересный набор, а может быть и чуть больше = )

Вот так, производитель видит этот конструктор после сборки нами:

Краткие технические характеристики этого конструктора:

— напряжение питания,  от +10V до +16V max;
— выходная частота, плавная от 1Гц до 1мГц
— выходное сопротивление, 600 Ом;
— максимальная амплитуда выходного сигнала: 3.62V синус, 5.63V меандр;
— ток потребления, 20мА max.

К вашему набору, будет приложен листок со схемой и краткой инструкцией по сборке. Но даже если и нет, — не беда, я продублирую ее здесь.

Вот так, получилось разложить содержимое почтового пакета у меня.
Итак, нам…

Понадобятся:
— содержимое набора;
— паяльные принадлежности, у меня это чистая канифоль, припой, паяльник;
— бокорезы, если их нет, радиолюбители приспосабливают для целеоткусывающих действий большие кусачки для ногтей, весьма удобно;
— надфиль, им придется зачищать ножки панелек и переменных резисторов;
— школьный ластик — начистите перед пайкой все контакты монтажной платы до явного блеска;
— если вам сложно читать цветовую кодировку на постоянных резисторах, то необходим мультиметр;

Принципиальная схема весьма простая и предназначена, скорее для справки.

Посмотрите на таблицу элементов, схожим цветом, я выделил однотипные элементы кроме интегральной микросхемы и установочных элементов.

Итак, начинаем с резисторов R3, R4, R5 они одинаковых номиналов 5000 Ом.
Когда-то, выводы проволочных элементов было принято формовать. В принципе, можно формовать их и сейчас, особенно в том случае, если сборочная плата будет простой, без металлизации отверстий под компоненты.

Тогда, при нажатии на припаянный элемент, он не вызовет отрыва печатной дорожки с оборотной стороны платы. В печатной плате этого генератора, отверстия под распайку элементов сделали с внутренней металлизацией, потому, формовать выводы нет необходимости, я скорее, делал это развлечения для. =)

Постоянные резисторы.

Установите резисторы на предназначенные им места, и припаяйте их с лицевой стороны, при этом, припой затечет и внутрь отверстия на монтажной плате. После этого, переверните плату на обратною сторону, откусите лишние выводы, и поправьте пайку, если вам показалось, что припоя не достаточно.

Таким же образом, припаяйте R1 и R4.

Неполярные конденсаторы.

Хотя, я отформовал выводы, но я вам этого не советую, в генераторах сигнала – длина выводов бывает критична.

Это частотозадающие конденсаторы, потому, лучше вставить их до упора, и быстро припаять с обратной стороны монтажной платы, следя за тем, что бы припой проник и на лицевую сторону.
На самих конденсаторах нанесена маркировка, присмотритесь.

Вначале, припаяйте C6 и C7. Затем, C5 и C8 а после, и C2. Именно так будет удобнее всего.

Гребенка для выбора рабочего диапазона частоты.

Место для нее находится правее неполярных конденсаторов. Зачистите надфилем штырьки с той стороны гребенки, где они короткие. Не поленитесь, иначе, пайка гребенки превратится в ад.

Так же, пройдитесь ластиком по монтажным отверстиям для пайки гребенки с обратной стороны монтажной платы.
Вставьте гребенку до упора, наживите крайние выводы гребенки по диагонали, проверьте плотность посадки гребенки, и последовательно, припаяйте контактные штырьки.

Панелька для вставки микросхемы.

Действия те же. На самой панельке, есть выемка на одном из торцов, это ключ, сориентируйте его согласно печатному рисунку на монтажной плате. Паяйте.

Электролитические, полярные конденсаторы.

Этот тип элементов имеет полярность, при этом, минус на плате заштрихован, так же как и минус на бочкЕ конденсатора выделен полосой – с этой визуально подсказкой ошибиться будет сложно. Припаяйте конденсатор C1 – емкостью 100мкф, а затем два одинаковых C3 и C4 – эта парочка будет размерами поменьше.

Блок пружинных клемм.

К ним будут подключаться проводники с сигналами из генератора, следовательно, сориентируйте их контактными отверстиями наружу. Зачистите контакты блочка, вставьте его до упора, и припаяйте его с обратной стороны монтажной платы.

Гнездо внешнего питания.

Переверните плату лицевой стороной вверх, и левее кондесатора C1, таким же способом, припаяйте гнездо

Переменные резисторы.

Найдите тот, что равен значению 50кОм

Слегка зачистите его контакты, а так же и два корпусных лепестка, вставьте его на место обозначенное на плате R7 и загнув лепестки навстречу друг другу, припаяйте вначале их, а за тем и три проволочных вывода переменного резистора.
Найдите переменный резистор номиналом 100кОм, и таким же образом, припаяйте его на место R8.

Оставшийся резистор, предназначен для посадки на место R2.

Очистка.

Так как монтажная плата оказалась местами в канифоли, я почистил ее кистью смоченной в уайт-спирите и пригляделся, «нет ли где ненужных спаек?»

Всё, плата готова, микросхема вставлена СТРОГО в соответствии с ключом на панельке.
На листочке, который пришел вместе с этим набором, я помечал карандашом те элементы, которые последовательно оказывались на своих местах – как видите, все позиции отмечены =)

А теперь, обратимся к справочному листку этой микросхемы.

Из него мы видим, что рабочее напряжение микросхемы, внимание, от +10V до +26V. Продавцы, все поголовно упоминают диапазон от +9V до +12V. Они заблуждаются, так как, скорее всего понимают только то, что им сказал кто-то другой.
Наши электролитические конденсаторы, имеют рабочее напряжение +16V, значит, мы свободно можем использовать стандартные +12V для питания генератора.

Другое, обратите внимание на картинку (Figure 11), расположенную на странице 8 руководства.

Производитель рекомендует зашунтировать правый по схеме резистор делителя напряжения электролитическим конденсатором. У нас этого нет. Вернее, не было.
Я зашунтировал резистор R5 электролитом.

Также, в сети я нашел упоминание, что будет лучше, если этот номинал не будет ниже 100мкф и установил емкостью 470мкф. Позже, на правую по картинке ножку, я одел трубочку.

Задел на будущее.

Обратимся еще раз к справочному руководству. На этот раз к информации на странице 9 и картинке вверху этой страницы — Figure 12. На этой иллюстрации показано, что микросхема имеет возможность минимизировать искажения что возникают при генерации синуса.

В нашем генераторе, выводы микросхемы 15 и 16 висят в воздухе, т.е. не используются. Подключив к ним подстроечный резистор номиналом 25 кОм, а средним лепестком на минус, у нас появится возможность нивелировать искажения при генерации синусоидального сигнала. Это, конечно имеет смысл, так как, для меня это прежде всего генератор звука.

Готовое устройство, следует поместить в акриловый корпус. Но, гаек всего четырые, хотя винтов и восемь

Гаек к длинным винтам не было – но проблема их найти невелика – полно их. Однако, ничего не вышло, — винты оказались короткими, и хорошо что у меня под рукой пачка нейлоновых стяжек, — так, мне как самоделкину тоже понравилось – никакой истерики. =)

Генератор работает, и может быть позже, я введу компенсацию искажений добавив подстроечный резистор на выводы 15 и 16 микросхемы.

В общем, эти невеликие деньги мной потрачены не зря, и теперь, вместо программного генератора что в планшете, у меня появилась возможность использовать в общем неплохой генератор выполненный как самостоятельное устройство =)

Спасибо.

Купить Kit-набор на Aliexpress

Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Эксперимент 16. Собираем генератор импульсов на микросхеме NE555 — Меандр — занимательная электроника

Я собираюсь представить вам наиболее удачную среди всех выпускаемых микросхем — это таймер 555 (Рис.1). Поскольку в Интернете вы можете найти большое количество руководств, в которых рассматривается это устройство, и, следовательно, можете спросить, зачем же нам нужно здесь его обсуждать, то у меня для этого есть, по меньшей мере, три причины:

1. Этого нельзя избежать. Вы просто должны знать эту микросхему. По оценке некоторых источников ежегодное производство этих микросхем составляет более 1 миллиона штук ежегодно. Микросхема таймера 555 будет использоваться тем или иным способом в большинстве схем, которые нам еще придется рассмотреть.

2. Микросхема таймера 555 представляет собой отличное введение в интегральные микросхемы, поскольку она является надежными, универсальным устройством и демонстрирует сразу две функции, с которыми мы познакомимся позднее: функцией компаратора и триггера (flip-flop).

3. После чтения всех руководств по ИС 555, которые я смог найти, начиная с исходного текста оригинального технического описания от компании Fairchild Semiconductor и завершая различными описаниями, посвященными электронике в качестве хобби, я пришел к заключению, что его внутреннее функционирование редко объясняется достаточно понятно. Я хочу предоставить вам графическое изображение того, что происходит внутри, поскольку, если вы не будете иметь его, то не получите возможность творческого использования данной микросхемы.

Рис.1. Внешний вид микросхемы 555 (полное название NE555)

Вам понадобятся:

1.    Источник питания с напряжением 9 В.

2.    Макетная плата, провода для перемычек и мультиметр.

3.    Потенциометр с линейной характеристикой и сопротивлением 5 кОм. Количество — 1 шт.

4.    Микросхема таймера 555. Количество — 1 шт.

5.    Набор резисторов и конденсаторов.

6.    Однополюсные однопозиционные кнопки без фиксации. Количество — 2 шт.

7.    Светодиод (любого типа). Количество — 1 шт.

Порядок действий

Микросхема таймера 555 очень надежный электронный компонент, но все же, теоретически, разрядом статического электричества вы можете вывести ее из строя. Поэтому, чтобы это исключить, перед тем, как начинать работу с микросхемой, вам надо будет заземлиться. Эта процедура подробно описана далее в Эксперименте 18. в примечании «Заземление себя». Хотя это примечание прежде всего относится к такому типу микросхем, которые называются CMOS (от англ. Complementary Metal-Oxide Semiconductor — комплементарный металлооксидный полупроводник — КМОП) и которые особенно уязвимы, заземление это именно та предосторожность, которой не следует пренебрегать в любом случае.

Посмотрите на маленький идентификационный элемент в форме круглого точечного углубления, на корпусе микросхемы и поверните корпус таким образом, чтобы эта метка (или иначе ключ) находилась в левом верхнем углу при направленных от вас выводах микросхемы. Если же на вашей микросхеме идентификационный элемент (ключ) выглядит как полукруглая выемка на середине одного из торцов корпуса, то надо повернуть микросхему таким образом, чтобы эта выемка находилась вверху.

При таком расположении микросхемы ее выводы нумеруются против часовой стрелки, начиная с левого верхнего вывода (находящегося рядом с ключом). Обратите внимание на рис. 2, на котором, кроме того, приведены наименования выводов микросхемы таймера 555, хотя вам пока нет необходимости знать о них что-то больше.

Рис. 2. Обозначение выводов микросхемы таймера 555. Выводы всех подобных микросхем нумеруются против часовой стрелки, начиная с левого верхнего угла. При этом метка (ключ) на корпусе должна находиться в верхней части корпуса

Вставьте микросхему в вашу макетную плату таким образом, чтобы его выводы попали в отверстия посередине платы. Теперь можно легко подать напряжение питания на одни выводы и получить сигналы с других выводов. Для более точного определения положения микросхемы в первом устройстве посмотрите на рис. 3. Таймер на нем обозначен, как «IC1», поскольку «IC» является общепринятым сокращением словосочетания «Integrated Circuit» (интегральная схема — ИС).

Рис. 3. Эта схема дает возможность исследовать поведение микросхемы таймера 555. Используйте ваш мультиметр, чтобы осуществлять контроль напряжения на выводе 2, как это показано на рисунке. Обращаю ваше внимание на то, что на схеме нет резисторов с обозначениями R1, R2 или R3 и нет конденсаторов C1 или C2, поскольку они будут добавлены в схему позднее. В схеме используются следующие элементы: R4 — резистор с сопротивлением 100 кОм; R5 — резистор с сопротивлением 2,2 кОм; R6 — резистор с сопротивлением 10 кОм; R7 — резистор с сопротивлением 1 кОм; R8 — потенциометр с линейный характеристикой и сопротивлением 5 кОм; C3 — конденсатор электролитический емкостью 100 мкФ; C4 — конденсатор электролитический емкостью 47 мкФ; C5 — конденсатор керамический 0,1 мкФ; IC1 — микросхема таймера 555; S1, S2 — кнопочные однополюсные однопозиционные переключатели без фиксации; D1 — светодиод общего назначения. Резистор R5 поддерживает положительный потенциал на выводе 2 (Запуск) до тех пор, пока не будет нажата кнопка S1, которая понижает напряжение в этой точке до значения, задаваемого положением оси потенциометра R8. Когда напряжение на входе «Запуск» падает ниже 1/3 напряжения питания, выход микросхемы (вывод 3) переходит в состояние высокого уровня в течение периода времени, которое определяется номиналами R4 и C4. Кнопочный переключатель S2 осуществляет сброс таймера путем уменьшения напряжения на выводе 4 (Сброс). Конденсатор C3 сглаживает пульсации напряжения питания, а конденсатор С5 изолирует вывод 5 (Управляющее напряжение), чтобы он не смог оказать влияние на функционирование этой схемы. (Мы будем использовать вывод 5 в следующем эксперименте.)

Для всех интегральных схем необходим источник питания. На микросхему таймера 555 напряжение питания должно быть подано следующим образом — отрицательное напряжение на вывод 1, а положительное на вывод 8. Если вы случайно перепутаете полярность, то это может привести к выходу ИС из строя, поэтому будьте очень внимательны при подключении ваших перемычек для подачи питания.

Установите на вашем сетевом адаптере выходное напряжение равным 9 В. Это вполне подходящее значение напряжения для выполнения эксперимента, если вы присоедините плюс питания к правой стороне макетной платы, а минус к левой стороне, как это показано на рис. 3. C3 — это электролитический конденсатор большой емкости, по меньшей мере 100 мкФ, который подключен параллельно источнику напряжения для сглаживания его пульсаций и для обеспечения накопления определенного заряда при подаче напряжения питания на микросхему, которая осуществляет переключения. Кроме этого, он также ограничивает другие быстрые перепады напряжения. Хотя микросхема таймера 555 не является устройством, которое было специально спроектировано для очень быстрого переключения. Однако существуют и другие микросхемы, являющиеся таковыми, и поэтому вы должны взять за правило применять такого рода средства защиты от быстрых переключений.

Сначала повернем ось потенциометра против часовой стрелки до конца для того, чтобы максимально увеличить сопротивление между точками, к которым он подключен. После этого, когда вы приложите измерительный провод вашего тестера к выводу 2, то вы должны получить напряжение 6 В после нажатия кнопки S1.

Теперь поверните потенциометр по часовой стрелке и снова нажмите кнопку S1. Если светодиод D1 не загорится, то продолжайте вращать потенциометр и нажимать и отпускать эту кнопку. Когда вы повернете ось потенциометра примерно на две трети ее полного хода, то вы должны увидеть, что светодиод после каждого нажатия кнопки S1 будет загораться и светиться примерно 5 сек. Далее приведены некоторые факты, в справедливости которых вам следует убедиться самостоятельно.

•    Светодиод продолжает гореть после того, как вы отпускаете кнопку S1.

•    Вы можете удерживать нажатой кнопку S1 достаточно долго (но меньше продолжительности цикла таймера) и светодиод всегда будет выдавать световой импульс одной и той же длительности.

•    Таймер срабатывает после снижения напряжения на выводе 2. Вы можете проверить это своим мультиметром.

•    Светодиод D1 будет либо полностью включен, либо полностью выключен. Вы не сможете увидеть слегка мерцающий светодиод, когда он находится в выключенном состоянии, а переход из положения «выключено» и «включено» происходит очень быстро и четко.

Посмотрите на соответствующую электрическую схему устройства (рис. 4) и на расположение всех компонентов на вашей макетной плате (рис. 5). Согласно справочной информации, представленной в листах технических данных таймера 555, в схему нужно будет добавить некоторые компоненты, которые мы обозначим как R1, R2, C1 и C2. Поэтому в этой исходной схеме резисторы обозначены, начиная с R4, а конденсаторы, начиная с C3.

Рис. 4. Графическое представление электрической схемы устройства, монтажная схема которого показана на рис. 3. Мы будем рассматривать принципиальные схемы, которые выполнены таким образом, что они максимально похожи на расположение компонентов на макетной плате. Это не всегда самое оптимальное изображение компоновки, но пользуясь этим изображением проще всего выполнять монтаж. Номиналы всех компонентов схемы представлены на рис. 3

Когда кнопка S1 не нажата, на вывод 2 таймера 555 через резистор R5, который имеет сопротивление 2,2 кОм, поступает положительное напряжение. Поскольку внутреннее входное сопротивление таймера на выводе 2 имеет очень высокое значение, то напряжение на нем будет почти равно напряжению источника питания, т. е. 9 В.

Рис. 5. Здесь показано, как выглядят компоненты схемы после их установки на макетную плату. Зажимы типа «крокодил» присоединены к проводу, который соединяет электролитический конденсатор С3 емкостью 100 мкФ с потенциометром R8. Напряжение питания на плату не подано

Если же нажать на кнопку S1, то помимо этого к выводу 2 через резистор R8 (потенциометр с сопротивлением 5 кОм) будет подключен еще и минусовой вывод источника питания. Таким образом, для вывода 2 резисторы R8 и R5 образуют делитель напряжения. Вы, наверное, можете вспомнить аналогичное решение, когда вы выполняли тестирование транзисторов. Напряжение между этими резисторами будет меняться в зависимости от значений их сопротивлений.

Если ось потенциометра R8 повернуть примерно наполовину, то сопротивление потенциометра будет примерно равно сопротивлению резистора R5, т. е. в средней точке делителя, подключенной к выводу 2, напряжение будет равно примерно половине напряжения источника питания. Но когда вы будете поворачивать ось потенциометра таким образом, чтобы его сопротивление уменьшалось, напряжение на выводе 2 микросхемы начнет постепенно уменьшаться.

Если у вас есть зажимы на измерительных проводах вашего мультиметра, то вы можете закрепить их на соответствующих выводах элементов, а затем следить за тестером при повороте потенциометра в одну и в другую сторону, после чего каждый раз следует нажимать на кнопку S1.

Графики на рис. 6 иллюстрируют происходящее. На верхнем графике показано напряжение, которое приложено к выводу 2 микросхемы при произвольных нажатиях кнопки и различных положениях оси потенциометра. На нижнем графике показано, что микросхема таймера 555 срабатывает тогда, и только тогда, когда напряжение на выводе 2 становится меньше напряжения 3 В. Что такого особенного в этой величине 3 В? Это одна треть от напряжения питания 9 В.

Рис. 6. На верхнем графике показано напряжение запуска (вывод 2), когда нажата кнопка, причем интервалы нажатия и отпускания кнопки разные при различных положениях оси потенциометра. Нижний график иллюстрирует выходной сигнал (вывод 3), который скачкообразно меняется от нуля до напряжения питания, в тот момент времени, когда напряжение на выводе 2 станет меньше 1/3 напряжения питания

Далее следуют пункты, которые надо проверить при выполнении домашнего задания.

• Выход микросхемы таймера 555 (вывод 3) выдает положительный импульс только тогда, когда напряжение запуска (вывод 2) становится меньше одной трети напряжения питания схемы.

• Микросхема таймера 555 каждый раз формирует положительной импульс одной и той же длительности (начиная с момента выдачи запускающего напряжения на выводе 2).

• Чем больше сопротивление резистора R4 или емкость конденсатора C4, тем больше длительность выходного импульса.

• Когда на выходе (вывод 3) будет напряжение высокого уровня, то это напряжение будет практически равно напряжению питания. Когда на выходе напряжение низкого уровня, то оно почти равно нулю.

Микросхема таймера 555 преобразует хаотичный мир входных запускающих импульсов в прецизионный и регулируемый на выходе. Микросхема на самом деле не включается и не выключается абсолютно мгновенно, но все-таки достаточно быстро, чтобы каждый раз можно было бы считать ее изменяющейся мгновенно.

Теперь осталась еще одна вещь, которую следует попробовать. Срабатывание таймера приводит к тому, что загорается светодиод D1. Если же в это время нажать на кнопку S2, то она на вывод 4 (Сброс) подаст нулевое напряжение. При этом светодиод должен мгновенно погаснуть.

Когда напряжение на выводе «Сброс» станет низким, выход тоже становится низким вне зависимости от напряжения, которое приложено к выводу «Запуск».

Есть еще одна вещь, о которой я хотел бы упомянуть до начала использования таймера в более интересных схемах. Я включил резисторы R5 и R6 таким образом, что как только вы подадите питание на таймер, он не должен формировать импульсы, но был бы готов к выполнению этого. Данные резисторы задают положительные напряжения соответственно на выводах «Запуск» и «Сброс», что создает такие условия, при которых таймер 555 будет готов запуститься, как только на него подадите напряжение питания.

Пока напряжение на выводе «Запуск» будет оставаться высоким, таймер не будет генерировать импульсы. (Он генерирует импульсы только, когда это напряжение будет меньше некоторого порогового значения.)

Пока напряжение на выводе «Сброс» будет оставаться высоким, таймер будет в состоянии формировать импульсы. (Генерация прекращается, когда напряжение на этом выводе будет иметь низкий уровень.)

Резисторы R5 и R6 известны, как подтягивающие резисторы, поскольку подтягивают напряжение в точках их подключения к напряжению питания. Вы с легкостью можете подавить это напряжение, используя непосредственное подключение этих точек к отрицательному выводу источника питания. Типичное значение сопротивления подтягивающего резистора для таймера 555 составляет 10 кОм. В соответствии с законом Ома при наличии источника питания с напряжением 9 В через резистор будет протекать ток, равный 0,9 мА.

Наконец, вы можете задаться вопросом о назначении конденсатора C5, присоединенного к выводу 5. Этот вывод известен, как вывод «Управляющего напряжения», что означает, что если вы подаете на него напряжение, то вы можете управлять чувствительностью таймера. Я вернусь и рассмотрю это более подробно несколько позднее. Поскольку мы не используем эту функцию прямо сейчас, то в качестве нормального решения будет подключение к выводу 5 конденсатора, чтобы защитить его от колебаний напряжения питания и предотвратить попадание на него какого-либо сигнала, который окажет на этот вывод негативное воздействие при нормальном функционировании.

Прежде чем продолжите чтение, убедитесь, что вы знакомы с основными функциями таймера 555.

Теория

Внутри таймера 555.Режим одновибратора (моностабильный) Пластмассовый корпус таймера 555 содержит пластинку кремния (кристалл), на которой вытравлены сотни транзистор­ных переходов согласно схеме, которая слишком сложна, чтобы ее можно было сразу. Тем не менее я смог обобщить функции этих внутренних элементов, разделив их на основные группы, которые показаны на рис. 7. Кроме этого на этой схеме показаны внешний резистор R4 и два внешних конденсатора С4 и С5, которые обозначены так же, как и на схе­ме, приведенной на рис. 4. Символами питания с минусом «-» и плюсом «+» внутри ин­тегральной микросхемы отмечено напряжение питания, кото­рое подается на ее выводы 1 и 8 соответственно. Я опустил вну­тренние соединения этих выводов, чтобы сделать схему более понятной. Два желтых треугольника, обозначенных буквами «А» и «В», означают два внутренних компаратора. Каждый компаратор сравнивает два напряжения на двух входах (в основании тре­угольника) и выдает выходное напряжение (из вершины тре­угольника) в зависимости от того, одинаковый сигнал на входах или различный. В дальнейшем мы обязательно будем использовать компараторы для различных целей. Прямоугольник зеленого цвета, который внизу обозна­чен буквами «FF», означает триггер (flip-flop) . На структурной схеме я показал его в виде двухполюсного двухпозиционного переключателя, поскольку в данном случае он функционирует именно так, хотя, естественно, это твердотельный полупроводниковый переключатель. Рис. 7. Внутренняя структурная схема таймера 555. Белыми линиями показаны резисторы и соединения внутри микросхемы. Треугольниками с буквами «А» и «В» обозначены два компаратора. Прямоугольник, обозначенный «FF» — это триггер (flip-flop), который находится либо в одном, либо в другом стабильном состоянии, аналогично двухполюсному двух-позиционному переключателю. Снижение уровня напряжения на выводе 2 контролируется компаратором «А», который при определенном значении напряжения переключает триггер (переключатель) в нижнее по схеме положение (DOWN), и таким образом формирует положительный импульс на выходе микросхемы (вывод 3). Когда конденсатор C4 зарядится до напряжения, равного 2/3 напряжения питания, что определяется компаратором «В», который в это время переключает триггер (переключатель) в верхнее по схеме положение (UP). В этом состоянии триггера заряженный ранее конденсатор C4 разряжается через вывод 7 Изначально, когда вы подаете напряжение питания на микросхему, триггер находится в верхнем по схеме положении (которое и показано на рис. 7), когда отрицательный (общий) вывод источника питания, обозначенный символом «-», поступает на выход микросхемы (вывод 3). Если на триггер приходит сигнал (DOWN) от компаратора «А», то он переключается в нижнее по схеме положение и затем какое-то время остается в этом состоянии. Когда же на триггер приходит сигнал (UP) от компаратора «В», то он снова переключается в верхнее по схеме положение и фиксируется уже в этом состоянии. Обозначения «UP» (вверх) и «DOWN» (вниз) на выходах соответствующих компараторов будут напоминать вам, что каждый из них делает, когда переходит в активное состояние. Триггер является основным элементом в цифровой электронике. Компьютеры не смогли бы функционировать без использования этого элемента. Обратите внимание на внешний провод, который присоединяет вывод 7 к конденсатору С4. Пока триггер находится в верхнем по схеме положении, на этот вывод поступает «-» источника питания, что препятствует заряду конденсатора от «+» источника питания через резистор R4. Если напряжение на выводе 2 падает до 1/3 напряжения питания, то компаратор «А», замечая это, выполняет переключение триггера. Это приводит к началу формирования положительного импульса на выводе 3, а также к отключению «-» источника питания от вывода 7. Поэтому в это время конденсатор C4 через резистор R4 начинает заряжаться от «+» источника питания. Пока выполняется заряд конденсатора, на выходе таймера продолжает присутствовать «+» источника питания, т. е. продолжается формирование положительного импульса. По мере заряда конденсатора C4 компаратор «В» через вывод 6, который называется «Порог» (Threshold), отслеживает возрастающее на конденсаторе напряжение. Когда конденсатор зарядится до значения, равного 2/3 напряжения источника питания, компаратор «В» сработает и выдаст сигнал «UP» (вверх) на триггер, возвращая его обратно в исходное состояние, которое показано на рисунке. Это приводит к разряду конденсатора через вывод 7, который так и называется «Разряд» (Discharge). В это время триггер прекращает формирование положительного импульса на выходе микросхемы (вывод 3) и выдает на него «-» источника питания. Таким образом таймер 555 возвращается в исходное состояние. Обобщая все предыдущее, приведу последовательность основных выполняемых событий: 1.    Изначально триггер через источник питания закорачивает (разряжает) конденсатор C4 и выдает на выходе микросхемы (вывод 3) низкий уровень сигнала («-» источника питания). 2.    После уменьшения напряжения на выводе 2 до значения, равного 1/3 напряжения питания или менее того, микросхема на выходе (вывод 3) начинает формирование положительного импульса и предоставляет возможность конденсатору C4 начать заряжаться через резистор R4. 3.    Когда конденсатор достигает 2/3 напряжения питания, микросхема разрядит конденсатор C4, завершится формирование положительного импульса и на выходе (вывод 3) снова будет напряжение низкого уровня. В рассмотренном случае таймер 555 работает в режиме ждущего одновибратора, что означает, что он выдает только по одному импульсу, а вы, чтобы получить каждый следующий импульс, должны заставить его сработать.

Длительность формируемого импульса можно регулировать за счет изменения значений сопротивления резистора и емкости конденсатора С4. Каким же образом вам узнать какие значения надо выбрать? Обратитесь к следующему разд. «Фундаментальные сведения» и посмотрите на табл. 1 с приблизительными уже рассчитанными данными. В этом же разделе имеется формула, воспользовавшись которой, вы можете рассчитать и свои собственные значения.

Я не побеспокоился о том, чтобы в данную таблицу включить импульсы длительностью менее 0,01 сек, поскольку одиночный импульс такой длительности, как правило, не имеет практической ценности. Кроме того, я округлил значения в таблице до 2 цифр после запятой, поскольку значения емкости конденсатора редко бывают более точными.

Фундаментальные сведения

Таблица. 1 показывает длительность фор­мируемого таймером 555 импульса в режиме одновибратора. •  Длительность импульса приводится в секундах с округлени­ем до двух значащих цифр после запятой. •  Горизонтальная шкала показывает значение сопротивления меж­ду выводом 7 и положительным выводом источника питания. •  Вертикальная шкала показывает общие значения емкости меж­ду выводом 6 и отрицательным выводом источника питания. Чтобы рассчитать различную длительность импульса, надо выполнить умножение по формуле: tи = сопротивление х емкость х 0,0011, где сопротивление приводится у килоомах, емкость в микрофа­радах, а длительность получается в секундах.  Таблица 1.

Базовые сведения

Как родился таймер В конце 1970 года, когда имелось полдюжины корпораций, пустивших корни на плодородной почве Силиконовой долины, компания Signetics приобрела идею у инженера по имени Ханс Камензинд (Hans Camenzind). Это не была такая уж революцион­ная идея — имелось всего 23 транзистора и набор резисторов, которые могли работать, как программируемый таймер. Таймер обещал быть универсальным, стабильным и простым, но все эти достоинства бледнели при обращении к его начальной стои­мости. Используя революционную технологию создания инте­гральных микросхем, компания Signetics смогла оформить все устройство в одном кремниевом чипе. Рис. 8. Ханс Камерзинд (Hans Camenzind) изобретатель и разработчик микросхемы таймера 555 производства компании Signetics Разработка предполагала пройти некоторый путь проб и ошибок. Камензинд, работая один, выполнил все устройства в большом масштабе, используя имеющиеся в наличии транзисто­ры, резисторы и диоды, установленные на макетной плате. Он начал с того, что немного поменял номинальные значения раз­ных компонентов, следя за тем, каким образом схема будет реа­гировать на разные изменения в процессе производства и такие факторы, как, например, изменение температуры в процессе эксплуатации. Он сделал, по меньшей мере, около 10 различных вариантов схемы. На это ушло несколько месяцев работы. Затем настало время ручной работы. Камензинд садился за рабочий стол и, используя специально изготовленный компа­нией нож «X-Acto», наносил свою схему на большой лист пла­стика. Компания Signetics затем уменьшила это изображение с помощью фотографии в масштабе примерно 300 : 1. Они про­травили ее в тонкой кремниевой пластине, а затем поместили всю эту конструкцию в прямоугольный пластмассовый корпус с номером изделия, который был отпечатан на крышке. Таким образом родился таймер 555. Ему была уготована судьба наиболее популярной микросхе­мы в истории, как по количеству проданных единиц (десятки миллионов, и этот счет растет) и продолжительности существо­вания конструкции (она остается неизменной вот уже сорок лет). Микросхема таймера 555 использовалась везде — от ракет до детских игрушек. Он может заставить мигать огни, приводить в действие охранную сигнализацию, менять длительность меж­ду звуковыми сигналами и создавать сами звуковые сигналы. В настоящее время ИС разрабатываются большими коман­дами производителей и тестируются путем моделирования их поведения с помощью программного обеспечения компьютера. Таким образом, микросхемы, расположенные внутри компьюте­ра, предоставляют возможность спроектировать новые ИС. Зо­лотые дни конструкторов-одиночек, таких как Ханс Камерзинд, давно прошли, но его гений до сих пор живет внутри каждого таймера 555, который выходит с заводского конвейера.

 

 

Фундаментальные сведения

Почему таймер 555 так полезен? В своем режиме одновибратора (моностабильном), кото­рый мы только что рассмотрели, таймер 555 генерирует один импульс фиксированной (но программируемой) длительности. Есть ли у вас какие-либо мысли, как можно было бы использо­вать этот прибор? Подумайте о продолжительности времени, когда импульс от таймера 555 управляет некоторым другим компонентом. Датчик движения для включения наружного освещения, например. Когда инфракрасный детектор «видит», что что-то движется, то загорается свет на определенный пери­од времени, который может задаваться таймером 555. Другим применением может быть тостер. Когда кто-то опу­скает кусок хлеба, переключатель замыкает контакты, что при­водит к включению цикла работы тостера. Чтобы изменять длительность этого цикла, вы вместо сопротивления R4 можете использовать потенциометр и присоединить его к ручке, уста­новленной на корпусе устройства, чтобы с его помощью за­давать необходимый уровень прожаренности хлеба. В конце цикла тостера выходной сигнал от таймера 555 должен пройти через мощный транзистор, который в свою очередь подает на­пряжение питания на катушку электромагнита (это что-то вроде реле, за исключением того, что у нее нет контактов для включе­ния/выключения), выбрасывающего прожаренный кусок хлеба. Еще одно применение. Периодически включаемые дворни­ки автомобиля могут управляться таймером 555 — и в прежних моделях автомобилей это было именно так. А что можно сказать об охранной сигнализации, которую мы описывали в Эксперименте 15? Одна из функций, которую я упо­минал, и которая не была реализована, это возможность само­стоятельного отключения системы сигнализации через опреде­ленный, фиксированный интервал времени. Для выполнения этого мы можем использовать регулируемый выходной сигнал таймера. Эксперимент, который вы сейчас будете выполнять, выгля­дит примитивным, но в нем фактически реализуются все его возможности.

 

Ограничения при использовании микросхемы таймера 555

1.    Таймер может запускаться от стабильного источника питания с напряжением от 5 до 15 В.

2.    Большинство производителей рекомендуют регулирующий резистор, присоединенный к выводу 7, в диапазоне сопротивлений от 1 кОм до 1 МОм.

3.    Величина емкости времяопределяющего конденсатора может быть настолько высокой, насколько продолжительным вы хотите получить временной интервал, но точность при увеличении длительности интервала будет падать.

4.    На выходе микросхемы может быть получена мощность до 100 мА при напряжении питания 9 В. Этого достаточно для большинства небольших реле или миниатюрных динамиков, что вы увидите в следующих экспериментах.

Остерегайтесь, чтобы не перепутать выводы!
Во всех схемах я привожу микросхемы точно с таким расположением, как было показано ранее — вывод 1 находится вверху слева. В других схемах, которые вы можете найти на веб-сайтах, все может быть показано иначе. Для удобства изображения схем некоторые часто указывают номера выводов микросхем таким образом, что вывод 1 необязательно находится рядом с выводом 2.

Рис. 9. Многие рисуют схемы, в которых номера выводов микросхем располагаются в произвольном порядке, что значительно уменьшает схему и упрощает понимание ее функций. Это не помогает, когда вы начинаете реально выполнять подключения. Здесь приведена точно такая же схема, как и на рис. 4. Однако этот вариант схемы будет труднее реализовать на макетной плате

Автор: Чарльз Платт

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ОУ В УСТРОЙСТВАХ НА МИКРОСХЕМАХ

Функциональные генераторы предназначены для синхронного формирования сигналов синусоидальной, прямоугольной и пилообразной формы в области частот, обычно не превышающей единиц мегагерц.

Схема типового функционального генератора

Функциональный генератор или генератор, способный одновременно генерировать сигналы прямоугольной и пилообразной формы, обычно состоит из двух частей (рис. 36.1):

♦  неинвертирующего триггера Шмитта на микросхеме DA1;

♦  интегратора на микросхеме DA2.

Интегратор на микросхеме DA2 интегрирует напряжение, снимаемое с выхода триггера Шмитта на микросхеме DA1. Напряжение на выходе интегратора нарастает (прямой ход «пилы»). Когда выходное напряжение интегратора превысит порог переключения триггера Шмитта, происходит его скачкообразное переключение, напряжение на выходе триггера сменит знак.

Напряжение на выходе интегратора начнет изменяться в обратную сторону (спадающий участок «пилы»). Спад напряжения происходит до тех пор, пока это напряжение не сравняется со вторым, нижним, порогом срабатывания триггера Шмитта. Произойдет очередное его переключение, и процесс будет периодически повторяться.

Период генерируемых колебаний можно вычислить из приближенного выражения

Примечание.

Таким образом, частота генерируемых сигналов прямо пропорционально ‘ зависит от произведения RC-элементов интегрирующей цепочки R3C1 и не зависит от напряжения питания. С выходов генератора можно одновременно снимать сигналы прямоугольной и треугольной формы.

Несколько усложнив схему функционального генератора, можно получить на его выходе сигнал и синусоидальной формы. Обычно для

получения такого сигнала используют сигнал треугольной формы с его последующей обработкой.

Рис. 36. Ί. Схема типового функционального генератора (фрагмент)

Функциональный генератор по типовой схеме (рис. 36.2) выполнен двух операционных усилителях в однокорпусном исполнении

Рис. 36.2. Схема функционального генератора

[36.1]. При С 1=4,7 нФ частота генерации — 30 кГц, при 0=47 нФ —

20 Гц. Напряжение питания генератора может варьироваться в пределах 4,5—18 В.

Функциональный генератор (рис. 36.3) при изменении величины управляющего напряжения в пределах от 0,25 до 50 В синхронно изменяет частоту выходных сигналов прямоугольной и пилообразной формы в пределах от 700 Гц до 100 кГц [36.2].

Рис. 36.3. Схема широкодиапазонного функционального генератора на основе компараторов LM 7 93

Регулируемый функциональный генератор (рис. 36.4) выполнен на трех одинаковых операционных усилителях, например, типа LM148, собранных в одном корпусе для компактности [36.3]. Генератор способен вырабатывать одновременно пилообразные и прямоугольные импульсы, форму которых (А) и (В) можно ступенчато менять, пользуясь переключателем S1. Соотношение времен Т1 и Т2 определяется соотношением коммутируемых переключателем S1 резисторов, например, R:R/100. Периоды времен Т1 и Т2 определяются как T1=2RC и T2=RC/50.

Рис. 36.4. Схема регулируемого функционального генератора

Учитывая высокую актуальность функциональных генераторов, были созданы специализированные микросхемы таких генераторов. Примером функционального генератора является микросхема ICL8038 фирмы Harris Semiconductor.

Генератор, выполненный по типовой схеме включения (рис. 36.5), при варьировании номиналов RC-элементов способен работать в диапазоне частота 0,001 Гц — 300 кГц. Искажения формы синусоидального сигнала не превышают 1 %. Ширину прямоугольного (треугольного) импульса можно регулировать в пределах 2—98 %.

Рис. 36.5. Типовое включение микросхемы ICL8038 в качестве функционального генератора

Напряжение питания ±(5—15) В при двуполярном питании или 10—30 В — при однополярном. Потребляемый микросхемой ток не превышает 20 мА (номинальный — 12 мА) при напряжении питания ±10 В. Амплитуда выходного напряжения треугольной формы на сопротивлении нагрузки 100 кОм достигает 1/3 от напряжения питания, для сигнала синусоидальной формы — до 0,22 от напряжения питания.

Варианты подключения внешних элементов регулировки режима работы микросхемы ICL8038 приведены на рис. 36.6.

При использовании микросхемы ICL8038 (рис. 36.7) удобно

Рис. 36.6. Варианты подключения резистивных элементов к микросхеме ICL8038

Рис. 36.7. Вариант включения микросхемы ICL8038 с частотной модуляцией генерируемых сигналов

осуществлять частотную модуляцию генерируемых сигналов. Используя эту особенность микросхемы несложно создать генератор сигналов прямоугольной, треугольной и синусоидальной формы, одновременно управляемых уровнем внешнего напряжения.

Для уменьшения искажений сигнала синусоидальной формы применяют регулировки, предусмотренные схемным решением, представленным на рис. 36.8.

Рис. 36.8. Схема включения микросхемы ICL8038 с минимизацией искажения сигнала синусоидальной формы

Для того чтобы повысить нагрузочную способность генератора используют схему, показанную на рис. 36.9. Использован обычный буферный каскад, который можно использовать для каждого из выходов функционального генератора. Сопротивление нагрузки определяется выбором

микросхемы ОУ; для приведенного случая сопротивление нагрузки не должно быть менее 1 кОм.

Рис. 36.9. Схема функционального генератора на микросхеме ICL8038 с повышенной нагрузочной способностью для сигнала синусоидальной формы

Рис. 36Л0. Схема функционального генератора на микросхеме ICL8038 с регулировкой частоты от 20 Гц до 20 кГц

Практическая схема широкодиапазонного функционального генератора, перекрывающего весь диапазон звуковых частот, приведена на рис. 36.10. Потенциометром R7 минимизируют искажения сигнала синусоидальной формы. Потенциометр R3 предназначен для регулировки соотношения импульс/ пауза (или симметрии) генерируемых сигналов. Потенциометром R10 регулируют частоту генерируемых сигналов.

Аддитивный формирователь сигналов треугольной формы

Электрические сигналы треугольной формы обычно получают при использовании зарядно-разрядных процессов в RC-цепочках. В работах [36.4—36.6] описан и проанализирован [36.7] принцип формирования сигналов треугольной формы путем противофазного сложения выпрямленных с использованием двухполупериодных выпрямителей сигналов синусоидальной формы, сдвинутых между собой на угол 90°. Ниже приведен вариант практической реализации перестраиваемого по частоте генератора сигналов треугольной формы, использующий данный принцип синтеза.

На микросхемах DA1—DA3 собран LR-генератор сигналов синусоидальной формы, с выходов которого снимаются сдвинутые по фазе на угол 90° сигналы (точки А и В). Эти сигналы подаются на входы двух прецизионных выпрямителей, выполненных на микросхемах DA4, DA5 и DA6, DA7, соответственно. Сигналы с выходов выпрямителей (точки С и D) смешиваются на резистивном сумматоре-делителе напряжения R13, R15, R16 (точка Е). Выходной сигнал (точка Е) имеет треугольную форму с отклонением от линейности до 3 %.

Рабочая частота генератора определяется номиналами частотозадающих цепей — индуктивностей LI, L2, сдвоенного потенциометра R9, R10 и резисторов R7, R8. Для указанных номиналов диапазон частоты перестройки составляет 3300—4000 Гц.

Ступенчато изменить частотный диапазон работы можно переключением катушек индуктивности LI, L2. При расширении диапазона перестройки путем дальнейшего изменения соотношения элементов

Рис. 36.11. Схема беземкостного перестраиваемого генератора сигналов треугольной формы

R7/R9=R8/R10 становится заметной выраженная зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты. Для исключения этого недостатка необходимо либо сузить диапазон перестройки генератора, либо использовать промежуточные усилители с автоматической регулировкой усиления.

Функциональный генератор инверсного построения

При создании функциональных генераторов традиционно используют генератор прямоугольных импульсов, к выходу которого подключают формирователь треугольного напряжения, основанный на зарядно-разрядных процессах. Затем сигнал треугольной формы преобразуют в подобие синусоидального, выделяя из нее первую гармонику [36.8]. Недостатки таких схемных решений очевидны: это явно выраженная нелинейность зарядноразрядных процессов, особенно заметная при перестройке частоты генератора и заметные искажения синусоидального сигнала в результате некачественной фильтрации высших гармоник сложного сигнала.

Ниже описан функциональный генератор, формирование сигналов в котором происходит в обратной последовательности. Вначале формируется сигнал синусоидальной формы, который затем преобразуется в сигнал треугольной формы [36.4—36.6], а из последнего получают биполярный сигнал прямоугольной формы [36.9].

Практическая схема инверсного функционального генератора представлена на рис. 36.12. Устройство содержит генератор сигналов синусоидальной формы (микросхемы DA1—DA3), вырабатывающий сигналы, сдвинутые по фазе на 90°. Эти сигналы подаются на удвоитель частоты С. И. Семенова [36.5] — прецизионные двухполупериодные выпрямители (микросхемы DA4, DA5 и DA9, DA10), выходные сигналы которых складываются в противофазе, формируя тем самым сигнал треугольной формы. Сигнал треугольной формы поступает затем на схему формирования биполярных импульсов прямоугольной формы (микросхемы DA6—DA8).

Диаграммы сигналов в различных точках устройства показаны на рис. 36.12.

Генератор работает в диапазоне частот: для сигналов синусоидальной формы — 50—500 Гц, для сигналов треугольной и прямоугольной формы (с удвоением исходной частоты) — 100—1000 Гц. Рабочую частоту плавно меняют перестройкой сдвоенного потенциометра R9, R10. Ступенчатое переключение диапазона генерируемых частот вплоть до субгерцовых может быть обеспечено переключением частотозадающих конденсаторов С2 и СЗ. Так, при уменьшении емкостей конденсаторов С2 и СЗ в 10 раз, т. е. до 3,3 нФ, диапазон генерируемых частот составляет 1000—10000 Гц по пилообразному и прямоугольному сигналам; по синусоидальному — 500—5000 Гц.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.