Генератор прямоугольных импульсов на популярной микросхеме к561ла7, проблемы на ВЧ.
Микросхема к561ла7 в своё время была популярна и даже любима. Вполне заслуженно, так как в ту пору это был этакий «универсальный солдат», позволявший строить не только логику, но и различные генераторы, и даже усиливать аналоговые сигналы. Забавно, что и сегодня в поисковики отправляется много запросов типа описание микросхемы К561ЛА7, аналог к561ла7, генератор на к561ла7, генератор прямоугольных импульсов на К561ЛА7 и т.п.
К сожалению, не всё так просто с этой вобщем-то полезной микросхемой…
Удивительно мне было обнаружить, что, например, Texas Instruments по-прежнему выпускают то, полным аналогом чего является к561ла7 — микросхему CD4011A. Для любопытных — вот ссылка на страницу с документацией или datasheet на CD4011A от TI.
Обратите внимание, что цоколёвка к561ла7 отличается от привычной раскладки 4х 2И-НЕ ТТЛ (к155ла3 и компания).
Микросхема действительно удобна:
- Пренебрежимо малый входной ток утечки — отличительная черта всей КМОП логики
- Ток потребления в статическом режиме — обычно доли микроампер
- Возможность работать от 3 до 15 вольт питающего напряжения
- Симметричная, хоть и небольшая (меньше миллиампера) нагрузочная способность выходов
- Микросхема была доступна даже в непростые советские времена. Сегодня же вообще — 3 рубля штучка, а то и дешевле.
Для того, чтобы быстренько смакетировать одно плечо моста бустера DCC, я привычно использовал к561ла7 для построения классического релаксационного генератора на КМОП логике.
Резистор R2 и конденсатор C1 задают частоту генерации, примерно равную 0.7/R2C1. Резистор R1 ограничивает ток разряда конденсатора C1 через защитные диоды на входе первого инвертора Q1.
Принцип работы генератора вкратце таков: конденсатор охватывает два инвертора положительной обратной связью, таким образом получается защёлка, триггер. Проделайте мысленный эксперимент: замените конденсатор и R1 проводником, при этом влиянием R2 можно пренебречь (но только ненадолго).
Через R2 на верхнюю по схеме обкладку конденсатора подаётся ток, перезаряжающий конденсатор «в другую сторону», тоесть не дающий нашей защёлке оставаться в одном состоянии бесконечно долго. Этот ток и определяет время перезаряда конденсатора, а, следовательно, и частоту генерации. Поскольку по ВЧ защёлка охвачена положительной обратной связью в точности как в мысленном эксперименте, только что проведённом — переключение в идеале должно происходить с максимально возможной для ключей скоростью: малейшее нарастание напряжения на выходе Q2 напрямую подаётся на вход Q1, что приводит к уменьшению напряжения
Генераторы импульсов на цифровых КМОП микросхемах
На сегодняшнем мероприятии, посвящённом Дню пивовара России, поговорим о радиоаппаратах с самовозбуждением, а конкретно — об устройствах, охваченных цепью положительной обратной связи и позволяющих выдавать на выходе периодические сигналы определённой колебательной природы.
А начнём с самого простого — генераторов прямоугольных импульсов с использованием цифровых КМОП микросхем.
О состоянии дел на участке генераторостроительного цеха и изыскании внутренних резервов «доложит нам начальник транспортного цеха».
Опишем несколько схемных решений генераторов прямоугольных импульсов, построенных на различных микросхемах серии К561,
или каких-либо им подобным.
Все представленные схемы могут быть реализованы на элементах 2И—НЕ (ЛА7), 2ИЛИ—НЕ (ЛЕ5), триггерах Шмитта (ТЛ1), или
инверторах (ЛН2).
В качестве докладчика выступил и поделился своими знаниями в журнале Радио №1 (2000г) господин С.Елимов — достойный сын столицы славной, города-героя Шупашкар (по-нашему — Чебоксары).
 Рис.1 |
|
 Рис.2 |
Обе схемы обладают весомыми величинами потребления тока, увеличивающимся с повышениями
напряжения питания и частоты генерации. Значения эти находятся в диапазоне — от единиц до десятков мА. |
 Рис.3 |
F = 0,59/(R1×C1). |
 Рис.4 |
Скважность импульсов приведённых генераторов близка к двум, однако из-за несимметричности входных защитных цепей некоторых типов микросхем
возможно некоторое отклонение формы выходных сигналов от меандра. F = 0,50/(R1×C1). Как не прискорбно, но это факт — стабильность колебаний RC генераторов невысока. |
 Рис.5 |
На Рис.5 показана схема простейшего LC-генератора. LC-цепь сдвигает фазу выходного сигнала элемента на 180°, в результате
чего происходит самовозбуждение генератора. Для устойчивой работы генератора величина волнового сопротивления LC-контура не должна быть менее 2кОм. Частота генерации практически совпадает с резонансной частотой LC-контура и описывается стандартной формулой F= 1/2π√LС. |
Формулы для расчёта частоты рассматриваемых генераторов соответствуют напряжению питания 5В и температуре окружающей среды 25°С.
Нагрузочная способность генераторов такая же, как у элементов применяемых серий микросхем.
«Спасибо начальнику транспортного цеха! У нас есть вопросы к докладчику?»
Вопросов к докладчику не имеем, можно переходить к таблице для расчёта номиналов элементов генератора, исходя из заданной частоты генерации.
Схему, приведённую на Рис.5, из калькулятора вычёркиваем по причине существования ранее разработанной таблицы ссылка на страницу, позволяющей рассчитать элементы резонансного LC-контура для высоких и низких частот. Там же высчитывается и величина волнового (оно же — характеристическое) сопротивления получившегося LC-контура.
Для остальных схем, для получения на выходе предсказуемой формы сигнала со скважностью близкой к двум, рекомендую выбирать значение сопротивления резистора R1 от 10к и выше.
ТАБЛИЦА РАСЧЁТА НОМИНАЛОВ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕНЕРАТОРОВ НА КМОП МИКРОСХЕМАХ.
Все представленные характеристики генераторов получены в результате экспериментов вышеуказанного уважаемого автора с конкретными образцами микросхем. С другими экземплярами микросхем характеристики могут быть несколько отличными.
Скважность импульсов описанных генераторов близка к двум, ну а генераторы импульсов с раздельной установкой длительности импульсов и паузы между ними рассмотрим на следующей странице.
Функциональный генератор на К561ЛА7
Генераторы
Функциональными генераторами принято называть генераторы способными выдавать сразу несколько видов сигналов, например, прямоугольных, треугольных и синусоидальных.Разнообразие форм сигналов таких генераторов позволяют использовать их для тестирования, отладки и исследования самой разнообразной электронной аппаратуры.
Структурная схема функционального генератора изображена на рис. 161. Работает он следующим образом: постоянное напряжение с выхода триггера Шмитта поступает на интегратор, на выходе которого формируется линейно-изменяющееся напряжение (в зависимости от того, в каком состоянии находится триггер, напряжение возрастает или уменьшается). Триггер имеет два порога срабатывания — верхний и нижний. При достижении одного из них триггер Шмитта срабатывает, напряжение на его выходе (а значит, и на входе интегратора) изменяется, начинается формирование второй ветви треугольного напряжения. Амплитуда треугольного напряжения определяется разностью пороговых напряжений триггера, а частота — постоянной времени интегратора и значениями пороговых напряжений триггера (чем меньше разница пороговых напряжений, тем быстрее будет переключаться триггер). Если требуется сформировать пилообразное (несимметричное треугольное) напряжение, то необходимо автоматически изменять постоянную времени интегрирования при смене знака производной треугольного напряжения.
Схема функционального генератора существенно упрощается, если интегратор, триггер и формирователь синусоидального напряжения выполнить на операционных усилителях. При этом уменьшается количество радиоэлементов, повы-
Рис. 161. Структурная схема функционального генератора
шается повторяемость, уменьшается объем регулировок. В простых генераторах вместо ОУ обычного типа можно использовать инверторы КМОП-микросхем. Известно, что если .инвертор с помощью внешних элементов перевести в активный режим, он превращается в инвертирующий усилитель с коэффициентом передачи от нескольких десятков до нескольких сотен.
Для построения функционального генератора оказывается достаточно одной микросхемы K176ЛA7 или аналогичной. На одном элементе 2И-НЕ (входы объединены и он превращен в инвертор) выполняется интегратор, на двух, соединенных последовательно, — триггер Шмитта, и еще один четвертый элемент используется в блоке формирования синусоидального сигнала.
Принципиальная схема одного из вариантов простого функционального генератора приведена на рис. 162. Триггер Шмитта выполнен по традиционной схеме на инверторах DD1.2 и DD1.3. Инвертор DD1.1 используется в интеграторе, a DD1.4 — в формирователе синусоидального напряжения.
Частота функционального генератора регулируется переменным резистором R4. Для изменения коэффициента заполнения (скважности) прямоугольного сигнала и симметрии треугольного и синусоидального сигналов служит цепь VD2, VD3, R5. Перемещая движок переменного резистора R5, можно изменять постоянные времени заряда и разряда хронирующего конденсатора С2 интегратора, изменяя тем самым постоянные времени интегратора для каждой ветви треугольного напряжения, а значит, и скважность прямоугольных импульсов и симметрию синусоидального сигнала. Конденсатор СЗ — антипаразитный, его величина подбирается по отсутствию на треугольном напряжении выбросов и нелинейности. Элемент DD1.4 формирует из треугольных импульсов трапецеидальные. В силу особенностей вольт-амперных характеристик полевых транзисторов, входящих в состав КМОП-инвертора, углы трапецеидальных импульсов слажены, и их форма близка к синусоиде.
Для получения наилучшей формы синусоиды треугольное напряжение должно быть строго симметрично, поэтому при работе с синусоидальным сигналом не-
Рис. 162, Принципиальная схема простого функционального генератора
обходимо корректировать его форму не только переменным резистором R6 «Форма», которым регулируется коэффициент усиления ОУ на элементе DD1.4, но и потенциометром R5 «Симметрия». Коэффициент гармоник синусоидального напряжения на выходе элемента DD1.4 велик — до 10% и даже более, поэтому для окончательного формирования синусоиды вслед за DD1.4 включен однозвенный фильтр нижних частот R12C4 с частотой среза примерно 1,4 кГц.
На каждом из трех выходов функционального генератора установлены делители напряжения, с помощью которых выравниваются амплитуды прямоугольного, треугольного и синусоидального сигналов. Чтобы выходное сопротивление генератора было одинаково по всем трем выходам, сопротивление нижнего по схеме плеча делителей выбрано одинаковым, равным 12 кОм. Выходное сопротивление генератора довольно велико — около 10 кОм, поэтому желательно, чтобы входное сопротивление проверяемых устройств было не менее 100 кОм, в противном случае амплитуда выходного сигнала будет зависеть от значения входного сопротивления. Если это нежелательно — выходное сопротивление генератора можно понизить, уменьшив пропорционально сопротивление резисторов делителей. На выходах генератора отсутствуют разделительные конденсаторы, поэтому выходные сигналы однополярны. При работе с устройствами, на входе которых нет разделительных конденсаторов и постоянная составляющая выходного сигнала генератора нарушает их нормальную работу, конденсаторы можно включить в разрыв сигнального провода.
Следует отметить, что несмотря на то, что частоту функционального генератора можно изменять в довольно широких пределах, делать это нецелесообразно. Во-первых, для проверки основных характеристик большинства радиоэлектронных узлов достаточно изучить прохождение прямоугольных и треугольных импульсов фиксированной частоты, во-вторых, в простейших функциональных генераторах, а именно к ним и относится рассматриваемый генератор, при изменении частоты одновременно изменяется и скважность (симметрия) сигнала, а при корректировке симметрии несколько изменяется частота. В результате перестройки частоты требует манипуляций двумя ручками, что неудобно уже само по себе и, кроме того, сужается диапазон перестройки, в пределах которого остается неизменной скважность (симметрия) выходного сигнала. Наиболее приемлемым представляется работа с функциональным генератором, настроенным «а одну фиксированную частоту.
Для проверки устройства звукового диапазона частот в качестве опорной удобно взять частоту 1 кГц или, например, для проверки магнитофонов 400 Гц.. Известно, что для удовлетворительной передачи прямоугольных импульсов со скважностью 2 (меандр) полоса пропускания тракта должна по крайней мере на порядок превышать частоту следования импульсов. При большей скважности требуется еще большая полоса пропускания тракта. Таким образом, по искажению формы прямоугольных импульсов можно судить о полосе пропускания проверяемого тракта и при необходимости вносить коррективы. Малые габаритные размеры, экономичность и простота функционального генератора позволяют встраивать его непосредственно в аппаратуру —в магнитофон, усилитель звуковой частоты, измерительный прибор и т. д. — и использовать при контрольных проверках.
Функциональный генератор, схема которого приведена на рис. 162, имеет следующие параметры:
Количество выходных сигналов…….3 (прямоуголь
ный, ‘треугольный, синусоидальный
Рабочая частота, Гц………… 1000±350
Амплитуда прямоугольного, треугольного и синусоидального
сигналов, В…………. 0,28
Эффективное значение синусоидального сигнала, В 0,2
Коэффициент гармоник синусоидального сигнала, % . . 2
Длительность фронтов прямоугольного сигнала, мкс. … 5
Нелинейность треугольного сигнала, % …… 3
Ток, потребления от источника питания напряжением 12 В, мА…………….12
При необходимости функциональный генератор можно сделать многодиапазонным, для этого достаточно установить переключатель диапазонов, коммутирующий конденсаторы С2, С4 и СЗ, емкость которых нужно подобрать для каждого диапазона.
Функциональный генератор смонтирован на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5… 2 мм. Плата для однодиапазонного варианта генератора имеет размеры 40X100 мм, ее чертеж изо-
Рис. 163. Чертеж платы для однодиапазонного варианта генератора: а — расположение проводников; б — расположение деталей
бражен на рис. 163,а, а расположение деталей —на рис. 163,6. Печатная плата рассчитана на применение резисторов МЛТ мощностью 0,25 Вт, конденсаторов КМ-6 (С2—С4) и К50-6 (С1), переменных резисторов СП4-1, диодов КД503Б (VD2, VD3), стабилитрона КС156А (VD1), интегральной микросхемы К176ЛА7 (DD1).
Схема некритична к параметрам и типам применяемых радиодеталей. Резисторы и конденсаторы могут быть любых типов, желательно только, чтобы конденсатор С2 имел минимально возможный ТКЕ. Вместе К176ЛА7 можно использовать без изменения рисунка печатной платы микросхему К176ЛЕ5. Допустимо применение К176ПУ1, К176ПУ2, а также других КМОП-микросхем, содержащих не менее четырех инверторов, в частности микросхем серии К561. При этом, естественно, придется изменить рисунок печатной платы. Необходимо также учитывать специфику некоторых серий. Так, например, микросхемы серии К561 можно питать стабилизированным напряжением от 3 до 15 В. Следует отметить, что •несмотря на то, что номинальное напряжение питания микросхем серии К176 равно 9 В, большинство из них устойчиво работает и при пониженном напряжении питания, что позволило питать функциональный генератор напряжением 5,6 В. Это напряжение некритично и при необходимости (например, с целью увеличения амплитуды выходного сигнала) напряжение питания можно увеличить, заменив стабилитрон КС156А (VD1) на более высоковольтный.
Работать с генератором несложно. Различные виды сигналов треугольной формы удобны при проверке линейности амплитудной характеристики и динамического диапазона устройства — на прямых, с четкими перегибами ветвях треугольного сигнала гораздо лучше, чем на синусоиде, заметны искажения типа «ограничение», «ступенька» и т. п. На фронтах прямоугольного сигнала и на треугольном сигнале хорошо заметны микровозбуждения проверяемого устройства, проявляющиеся в виде выбросов.
Синусоидальный сигнал полезен при измерении коэффициентов усиления каскадов, калибровке индикаторов и т. п.
Простые конструкции на логической микросхеме К561ЛА7 (К176ЛА7)
Простые конструкции на логической микросхеме К561ЛА7 (К176ЛА7)
категория
Простые радиосхемы начинающим
материалы в категории
В этой статье мы рассмотрим несколько простых электронных устройств на основе логических микросхем К561ЛА7 и К176ЛА7. В принципе эти микросхемы практически одинаковые и имеют одинаковое предназначение. Несмотря на небольшую разницу в неокторых параметрах они практически взаимозаменяемы.
Коротко о микросхеме К561ЛА7
Микросхемы К561ЛА7 и К176ЛА7 представляют собою четыре элемента 2И-НЕ. Конструктивно выполнены они в пластмассовом корпусе черного цвета с 14-ю выводами. Первый вывод микросхемы обозначен в виде метки (так называемый ключ) на корпусе. Это может быть или точка или выемка. Внешний вид микросхем и цоколевка выводов показаны на рисунках.
Питание микросхем составляет 9 Вольт, питающее напряжение подается на выводы: 7 вывод- «общий», 14 вывод- «+».
При монтаже микросхем необходимо быть внимательным с цоколевкой- случайная установка микросхемы «наизнанку» выводит ее из строя. Пайку микросхем желательно производить паяльником мощностью не более 25 Ватт.
Напомним что эти микросхемы назвали «логическими» поэтому что они имеют всего лишь два состояния- или «логический ноль» или «логическая единица». Причем при уровне «единица» подразумевается напряжение близкое к напряжению питания. Следовательно- при уменьшении напряжения питания самой микросхемы и уровень «Логической единицы» будет меньше.
Давайте проведем небольшой эксперимент (рисунок 3)
Сначала превратим элемент микросхемы 2И-НЕ просто в НЕ, соединив для этого входы. На выход микросхемы подключим светодиод, а на вход будем подавать напряжение через переменный резистор, контролируя при этом напряжение. Для того чтобы светодиод загорелся необходимо на выходе микросхемы (это вывод 3) получить напряжение равное логической «1». Контролировать напряжение можно при помощи любого мультиметра включив его в режим измерений постоянного напряжения (на схеме это PA1).
А вот с питанием немного поиграем- сначала подключим одну батарейку 4,5 Вольта.Так как микросхема является инвертором, следовательно для того чтобы получить на выходе микросхемы «1» необходимо наоборот на вход микросхемы подать логический «0». Поэтому начнем наш эксперимент с логической «1»- то есть движок резистора должен быть в верхнем положении. Вращая движок переменного резистора дождемся момента когда загорится светодиод. Напряжение на движке переменного резистора, а следовательно и на входе микросхемы будет примерно около 2,5 Вольт.
Если подключить вторую батарейку, то мы получим уже 9 Вольт, и светодиод у нас в этом случае загорится при напряжении на входе примерно 4 Вольта.
Здесь, кстати, необходимо дать небольшое разъяснение: вполне возможно что в Вашем эксперименте могут быть другие результаты отличные от вышеуказанных. Ничего удивительного в этом нет: во первых двух совершенно одинаковых микросхем не бывает и параметры у них в любом случае будут отличаться, во-вторых логическая микросхема может любое понижение входного сигнала распознать как логический «0», а в нашем случае мы понизили входное напряжение в два раза, ну и в-третьих в данном эксперименте мы пытается заставить работать цифровую микросхему в аналоговом режиме (то есть управляющий сигнал у нас проходит плавно) а микросхема, в свою очередь работает как ей положено- при достижении определенного порога перебрасывает логическое состояние мгновенно. Но ведь и этот самый порог у различных микросхем может отличаться.
Впрочем цель нашего эксперимента была простая- нам необходимо было доказать что логические уровни напрямую зависят от питающего напряжения.
Еще один нюанс: такое возможно лишь с микросхемами серии КМОП которые не очень критичны к питающему напряжению. С микросхемами серии ТТЛ дела обстоят иначе- питание у них играет огромную роль и при эксплуатации допускается отклонение не более чем в 5%
Ну вот, краткое знакомство закончилось, переходим к практике…
Простое реле времени
Схема устройства показана на рисунке 4. Элемент микросхемы здесь включен так-же как и в эксперименте выше: входы замкнуты. Пока кнопка кнопка S1 разомкнута, конденсатор С1 находится в заряженном состоянии и ток через него не протекает. Однако вход микросхемы подключен и к «общему» проводу ( через резистор R1) и поэтому на входе микросхемы будет присутствовать логический «0». Так как элемент микросхемы является инвертором то значит на выходе микросхемы получится логическая «1» и светодиод будет гореть.
Замыкаем кнопку. На входе микросхемы появится логическая «1» и, следовательно, на выходе будет «0», светодиод погаснет. Но при замыкании кнопки и конденсатор С1 мгновенно разрядится. А это значит что после того как мы отпустили кнопку в конденсаторе начнется процесс заряда и пока он будет продолжаться через него будет протекать электрический ток поддерживая уровень логической «1» на входе микросхемы. То есть получится что светодиод не загорится до тем пор пока конденсатор С1 не зарядится. Время заряда конденсатора можно изменять подбором емкости конденсатора или изменением сопротивления резистора R1.
Схема вторая
На первый взгляд практически то же самое что и предыдущая, но кнопка с времязадающим конденсатором включена немного по-другому. И работать она будет тоже немного иначе- в ждущем режиме светодиод не горит, при замыкании кнопки светодиод загорится сразу, а погаснет уже с задержкой.
Простая мигалка
Если включить микросхему как показано на рисунке то мы получим генератор световых импульсов. По сути это самый простой мультивибратор, принцип работы которого был подробно описан на этой странице.
Частота импульсов регулируется резистором R1 (можно даже установить переменный) и конденсатором С1.
Управляемая мигалка
Давайте немного изменим схему мигалки (которая была выше на рисунке 6) введя в нее цепь из уже знакомого нам реле времени- кнопку S1 и конденсатор С2.
Что у нас получится: при замкнутой кнопке S1, на входе элемента D1.1 будет логический «0». Это элемент 2И-НЕ и поэтому не важно что у него творится на втором входе- на выходе в любом случае будет «1».
Эта самая «1» поступит на вход второго элемента (который D1.2 ) и значит на выходе этого элемента будет прочно сидеть логический «0». А раз так то светодиод загорится и будет гореть постоянно.
Как только мы отпустили кнопку S1, начинает заряд конденсатора С2. В течение времени заряда через него будет протекать ток удерживая уровень логического «0» на выводе 2 микросхемы. Как только конденсатор зарядится, ток через него прекратится, мультивибратор начнет работать в своем обычном режиме- светодиод будет мигать.
На следующей схеме также введена эта-же цепочка но включена она уже иначе: при нажатии на кнопку светодиод начнет мигать а по истечение некоторого времени станет гореть постоянно.
Простая пищалка
В этой схеме ничего особо необычного нет: все мы знаем что если к выходу мультивибратора подключить динамик или наушник то он начнет издавать прерывистые звуки. На малых частотах это будет просто «тикание» а на более высоких частотах это будет писк.
Для эксперимента больший интерес представляет схема показанные ниже:
Здесь опять же знакомое нам реле времени- замыкаем кнопку S1, размыкаем ее и через некоторое время устройство начинает пищать.
Радиоконструктор 2000 год, № 2, стр 32- 34.
Выключатель света с таймером
В этой схеме опять применяется все тоже реле времени. Устройство это предназначено для автоматического отключения освещения в тех помещениях где оно используется кратковременно- например в прихожей или кладовой.
При нажатии на кнопку S1 свет включится сразу, но отпустив ее свет будет продолжать гореть еще примерно 2 минуты пока на зарядится конденсатор С1. При необходимости время включения света можно увеличить- для этого можно увеличить емкость конденсатора С1.
Если применять лампу мощностью не более 60 Ватт, то тиристор VS1 можно применять без радиатора что значительно уменьшит размер изделия.
Как упоминалось выше- микросхемы КМОП имеют большое преимущество по сравнению с теми-же ТТЛ, а именно: некритичность к питанию и низкий ток потребления. Поэтому питание микросхемы здесь производится через простейший источник- гасящие резисторы R4, R5 и стабилитрон VD1.
Автор этой схемы- Онисенко Г.П. Публикация из журнала Радиоконструктор 2000 год, № 3, стр 22.
| В статье рассмотрим схему простого пробника на одной отечественной микросхеме которая поможет прозвонить различные цепи, проверять диоды, резисторы и кремниевые транзисторы. В роли индикаторов могут быть как светодиоды, так и миниатюрный динамик или наушник от телефона. Схема довольно примитивна, для начинающего радиолюбителя не составит труда собрать данную схему. Работает устройство следующим образом. На элементах DD1.1 и DD1.2 собран генератор прямоугольных импульсов, следующих с частотой ровно 1000 Герц. Импульсы генератора поступают на согласующий каскад (элемент DD1.3), а после него – на инвертор (элемент DD1.4). Если на выводе 10 микросхемы сигнал высокого уровня, то на выводе 11 присутствует низкий уровень, и соответственно наоборот. Таким образом формируется переменное напряжение, которое через щупы Х1 и Х2 подается в прозваниваемую цепь.
|
Генератор прямоугольных импульсов на логике HEF4011BP
В радиолюбительской практике часто возникает потребность в настройке различных преобразовательных узлов схем, особенно если дело касается изобретательской деятельности, когда схема зарождается в голове. В такие моменты будет как нельзя кстати источник управляющего сигнала.
Представляю Вашему вниманию генератор сигнала прямоугольной формы.
Характеристики
Питание: 10 ÷ 15 В постоянного тока.
Три режима генерации:
1 – симметричный (меандр), дискретное переключение диапазонов генерируемых частот, плавная регулировка частоты внутри диапазона;
2 – независимый, дискретное переключение диапазонов генерируемых частот, плавная раздельная регулировка длительности импульса и паузы между импульсами внутри диапазона;
3 – широтно-импульсная модуляция (ШИМ), дискретный выбор частоты переключателем диапазонов, плавная регулировка скважности импульсов.
Два раздельных канала – прямой и инверсный.
Раздельная регулировка уровня выходного сигнала каналов от 0 В до значения напряжения источника питания при подключении высокоомной нагрузки, и до половины напряжения источника питания при подключении нагрузки с входным сопротивлением 50 Ом.
Выходное сопротивление канала примерно 50 Ом.
Базовые схемы
| Рисунок 1. Мультивибратор на логических инверторах. |
Для построения генератора за основу взята схема автогенератора на двух логических инверторах (рисунок 1). Принцип её работы основан на периодической перезарядке конденсатора. Момент переключения состояния схемы определяется степенью заряда конденсатора C1. Процесс перезаряда происходит через резистор R1. Чем больше ёмкость C1 и сопротивление R1, тем дольше происходит процесс заряда конденсатора, и тем больше длительность периодов переключения состояния схемы. И наоборот.
Для построения схемы генераторов в качестве логических элементов была взята микросхема с четырьмя элементами 2И-НЕ – HEF4011BP. Базовая схема, показанная выше, позволяет получать на выходе Q прямоугольный сигнал фиксированной частоты и скважности 50% (меандр). Для расширения возможностей устройства было принято решение объединить в нём три различных схемы, реализуемых на тех же двух логических инверторах.
Схема генератора меандра
Схема генератора меандра изображена на рисунке 2-а. Времязадающая ёмкость схемы может изменяться от значения C1 до суммарного значения C1 и ёмкости, подключаемой перемычкой П. Это позволяет изменять диапазон частот генерируемого сигнала.
| Рисунок 2. Принципиальные схемы генераторов на логических инверторах. |
Резистор R1 позволяет плавно изменять ток заряда (перезаряда) ёмкости. Резистор R2 является токоограничивающим, для исключения перегрузки выходного канала логического элемента DD1.1 в случае, когда ползунок резистора R2 находится в крайнем верхнем положение и его сопротивление приближено к нулю. Поскольку заряд и перезаряд конденсатора производится по одной цепочке с неизменными параметрами, длительности импульса и паузы между ними равны. Такой сигнал имеет симметричную прямоугольную форму и называется меандр. Регулировкой R1 изменяется только частота генерируемого сигнала в определённом диапазоне, заданном времязадающей ёмкостью.
Схема генератора прямоугольных импульсов с раздельной регулировкой длительности импульса и паузы
На рисунке 2-б цепь заряда и цепь перезаряда разделены диодами VD1 и VD2. Если импульс формируется во время заряда времязадающей ёмкости, его длительность характеризуется сопротивлением цепочки VD1-R2-R1. Длительность паузы между импульсами при обратном перезаряде ёмкости характеризуется сопротивлением цепи R1-R3-VD2. Так, изменяя положение ползунков резисторов R2 и R3 можно плавно раздельно задавать длительность импульса и паузы между ними.
Диапазон частот генерируемого сигнала, как и в первом случае, переключается перемычкой П.
Схема генератора с ШИМ
Схема на рисунке 2-в имеет аналогичное разделение цепей прямого и обратного заряда времязадающей ёмкости с той разницей, что переменные сопротивления являются плечами переменного резистора R2, которые имеют обратную зависимость параметров по отношению друг к другу. Т.е., при увеличении одного плеча резистора прямопропорционально уменьшается второе, а общая сума их сопротивлений постоянна. Таким образом, регулируя соотношение плеч резистора R2 можно плавно изменять соотношение длительности импульсов к длительности пауз между ими, а время периода следования импульсов будет оставаться неизменным. Этот способ регулировки позволяет реализовать функцию широтно- импульсной модуляции (ШИМ)
Частота генерируемого сигнала в данной схеме выбирается дискретно переключением перемычки П. При необходимости можно использовать несколько перемычек П для суммирования больших и малых значений ёмкостей, добиваясь более точной требуемой частоты генерации сигнала внутри всего диапазона.
Окончательная схема генератора
На рисунке 3 представлена схема генератора, в которой реализованы все три схемы, рассмотренные на рисунке 2. В основе генератора два логических инвертора на элементах DD1.1 и DD1.2. Выбор диапазона частот (частоты в режиме ШИМ) осуществляется переключением перемычки П.
| Рисунок 3. Схема генератора прямоугольных импульсов. |
Для сборки нужного варианта схемы генератора введены штыревые разъёмы, коммутируемые параллельными сборками перемычек, изображенных цветными линиями. Каждый цвет перемычек соответствует своей схеме соединений. Перемычки реализованы путём соединения пар контактов проволочками от шлейфа разъёма типа FC-10P A. Сами штыревые разъёмы расположены тремя группами по пять пар для удобства коммутации. Разъём-перемычки позволяет переключать режим генерации.
Элементы DD1.3 и DD1.4 выполняют роль инвертирующих повторителей и служат для развязки времязадающих и выходных цепей генератора для исключения их взаимовлияния. С выхода DD1.3 берётся инвертированный сигнал, с выхода DD1.4 – основной.
Резисторы R5 и R6 служат для регулировки уровня напряжения импульсов соответствующих каналов. Транзисторы VT1 и VT2 включены по схеме эмиттерного повторителя для усиления сигналов, снимаемых с ползунков резисторов R5 и R6 соответственно. Транзисторы VT3 и VT4 шунтируют выходные цепи своих каналов, подтягивая к минусу питания. Их роль важна при подаче сигнала генератора на нагрузку с наличием ёмкости, когда в бестоковую паузу необходим разряд этой ёмкости, как например при управлении полевыми транзисторами. Диоды VD5 и VD6 отделяют базовые цепи шунтирующих транзисторов от выхода генератора, исключая влияние ёмкостной нагрузки на работу этих транзисторов. Резисторы R9 и R10 необходимы для согласования выходов генератора с сопротивлением нагрузки 50 Ом, а также для ограничения максимального тока транзисторов выходных каскадов каналов.
Диод VD3 защищает схему от подключения питающего напряжения обратной полярности. Светодиод VD4 выполняет роль индикатора питания. Конденсатор C21 частично сглаживает пульсации при питании от нестабилизированного источника.
Особенности схемы
С целью уменьшения габаритов устройства для времязадающей ёмкости применены SMD конденсаторы C1-C20. При наименьшей ёмкости конденсатора C1=68 пФ генератор формирует сигнал частотой до 17÷500 кГц. При промежуточных значениях ёмкостей 3,3 нФ и 100 нФ генератор формирует сигналы в диапазонах частот 360÷20000 Гц и 6,25÷500 Гц соответственно. При наименьшей ёмкости С2=5,1 мкФ получается частота в диапазоне 0,2-10 Гц. Таким образом, при использовании всего четырёх конденсаторов можно перекрыть диапазонами частот интервал от 0,2 Гц до 500 кГц. Но при этом в режиме ШИМ будет доступна генерация сигнала всего четырёх значений частоты при использовании одной перемычки П. Поэтому, для улучшения характеристики генератора было принято решение ввести в схему 20 конденсаторов различной ёмкости с равномерным распределением значений по интервалам. Дополнительную точность установки частоты в режиме ШИМ можно получить, применяя несколько перемычек идентичных П, которые позволят корректировать частоту подключением емкостей меньших значений в сравнении с основной добавочной.
Питание схемы имеет некоторые ограничения. Не смотря на достаточно широкий диапазон напряжения питания микросхемы 3÷15 В, как показал опыт, при напряжении питания схемы ниже 9 В не происходит запуск генератора. При напряжении 9 В запуск не стабилен. Поэтому рекомендуется использовать источник питания 12÷15 В.
При напряжении питания 15 В, нагрузке сопротивлением 50 Ом подключенной к одному каналу генератора и максимальном выходном уровне сигнала, устройство потребляет не более 2,5 Вт мощности. При этом основная доля мощности рассеивается на нагрузке и согласующем выходном резисторе R9 (R10).
Не рекомендуется включать генератор на короткозамкнутую нагрузку, поскольку выходной транзистор при этом работает в предельном режиме. Это касается и тестирования схем с биполярными ключами, не имеющими в цепи базы ограничивающего резистора. В таких случаях рекомендуется уровень выходного сигнала снижать как минимум за половину оборота ручки резистора, а потом по мере необходимости добавлять.
В моём случае для варьирования частотных диапазонов генерации я использовал следующий ряд номиналов конденсаторов:
С1 — 68 пФ;
С2 — 100 пФ;
С3 — 220 пФ;
С4 — 330 пФ;
С5 — 680 пФ;
С6 — 1 нФ;
С7 — 2,2 нФ;
С8 — 3,3 нФ;
С9 — 9,1 нФ;
С10 — 22 нФ;
С11 — 33 нФ;
С12 — 47 нФ;
С13 — 82 нФ;
С14 — 100 нФ;
С15 — 220 нФ;
С16 — 330 нФ;
С17 — 510 нФ;
С18 — 1 мкФ;
С19 — 2,4 мкФ;
С20 — 5,1 мкФ.
Вы из каких либо соображений можете применить номиналы, отличные от указанных. Единственное ограничение, минимальная ёмкость не должна быть меньше 68 пФ, иначе генератор на этой ёмкости может просто не запуститься, либо начать автогенерацию в ненасыщающемся режиме, при котором форма сигнала не прямоугольная, а искажённый прямоугольник, стремящийся к синусоиде.
Красным цветом выделены номиналы, при которых перекрывается весь диапазон генерируемых частот.
Фотогалерея
Здесь показана укладка проводов-перемычек в разъём, собранный разъём и уже готовый разъём-перемычка с обрезанными проводниками.
На этих фото генератор с разных ракурсов
А это со стороны печатки. Качество дорожек получилось просто отвратительное, поэтому пришлось налудить так много олова.
А это, собственно, перемычка переключения диапазонов и перемычка переключения режимов. Чуть правее выдны гнёзда и штыри, которые эти перемычки коммутируют.
Печатную плату каждый может сделать под детали, которые есть в наличии. Кого интересует печатка моего варианта генератора, можете скачать архив по ссылке ниже. Там есть печатка в формате страници PDF, а так же в формате PCB для P-CAD версии не ниже 2010. Схема так же есть в архиве, можете не пытаться сохранять её со страницы, просто скачайте архив.
Файлы проекта.
Генератор на к561ла7 с регулировкой частоты. Генератор прямоугольных импульсов
1.Введение 3
1.Обоснование выбора и описание работы схемы 4
1.1Анализ задания и разработка структурной схемы. 4
1.2Анализ возможных схемных решений 5
1.3 Описание работы выбранной схемы и назначение элементов. 10
2.Расчет и выборы элементов 11
2.1 Расчет RC-цепи задания частоты 11
2.2 Расчет усилителя мощности. 12
2.3 Расчет вторичного источника питания 13
3.Моделирование. 15
4.Заключение. 18
5.Литература. 19
Введение
Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства являются генераторы. Они используются в БРЭА в качестве модулированного сигнала, также как самостоятельная аппаратура для лабораторных исследований, для построение АЧХ. Генератором положительных прямоугольных импульсов называется устройство, с помощью которого энергия источника постоянного тока преобразуется в энергию переменного тока, изменяющегося во времени. В зависимости от области применения такого генератора, к нему могут быть предъявлены различные требования, скажем, стабильность заданной частоты, амплитуды, скважность, время фронта, точность.
Обоснование выбора и описание работы схемы
Анализ задания и разработка структурной схемы.
Согласно поставленной задаче принципиальная схема должна работать от сети переменного напряжения 220В и частотой 50 Гц. Электронные компоненты использующие такие параметры отсутствуют, поэтому необходим источник питания – ИП. Для создания прямоугольного сигнала из постоянного необходим генератор, который может быть выполнен на аналоговых или цифровых элементах. Для регулировки выходного напряжения необходим соответствующий блок. Также не стоит забывать о быстродействии генератора, которое обеспечит необходимое время фронта.
Анализ возможных схемных решений Генератор на интегральном таймере 555 (кр1006ви1)
Схема имеет высокую стабильность (около 1 %), она может работать от единственного источника питания напряжением от 4,5 до 16 В, сохраняя стабильную частоту при изменении напряжения источника питания.
Недостатки – большой потребляемый ток.
Генератор на логических элементах
Автогенератор (рис. 1.2) собран на логических элементах D 1.1, D 1.2 и DJ .3, резисторе R/ и конденсаторе С1. При включении электропитания конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор К1. По мере заряда конденсатора повышается напряжение на его обкладке, соединенной с выводами I, 2 логического элемента D 1.1. Когда оно достигнет 1,2… 1,5 В, на выводе 6 логического элемента D 1.2 появится сигнал «лог. 1» («4 В). а на выводе 8 логического элемента D 1.3 — сигнал «лог. О» («0,4 В). После этого конденсатор С1 начнет разряжаться через резистор R 1 и логический элемент D 1.3. В итоге на выводе 6 логического элемента D 1.2 будут формироваться прямоугольные импульсы. Такие же импульсы, но сдвинутые по фазе на 180°, будут на выводе 8 логического элемента D 1.3 (он выполняет роль инвертора).
Продолжительность заряда и разряда конденсатора С1, а значит, и частота генерируемых импульсов, зависят от емкости конденсатора С1 и сопротивления резистора R 1.
Автогенератор (рис. 1.3) построен на трех инверторах микросхемы D 1, времязадающем конденсаторе С1 и последовательном резисторе R 1 на входе частотоопределяющего инвертора D 1.3 .
По сравнению с аналогичными устройствами автогенератор об» ладает повышенной стабильностью. Кроме того, возможна подстройка или регулировка частоты при изменении сопротивления резистора R 1 .
Однако, эти схемы на ТТЛ микросхемах имеет серьезные недостатки:
Низкое сопротивление хронирующих резисторов, и большая емкость конденсаторов
Ограниченный диапазон плавной регулировки частоты
Низкая стабильность при изменении питающего напряжение и температуры окружающей среды
Генераторы на КМОП логике по принципу построения ничем не отличаются от генераторов на ТТЛ микросхемах, но ввиду малого энергопо
