Схема функционального генератора на одной микросхеме IC 4049

В этом посте мы узнаем, как построить 3 простые схемы функционального генератора с использованием одной микросхемы IC 4049 для генерации точных прямоугольных, треугольных и синусоидальных волн с помощью простых операций переключения.

Используя только одну недорогую CMOS IC 4049 и горстки отдельных модулей, легко создать надежный генератор функций, который обеспечит диапазон из трех форм волны вокруг звукового спектра и за его пределами.

Целью статьи было создание базового, экономичного генератора частоты с открытым исходным кодом, который легко построить и использовать всем любителям и профессионалам в лаборатории.

Эта цель, несомненно, была достигнута, поскольку схема обеспечивает множество синусоидальных, прямоугольных и треугольных сигналов, а частотный спектр примерно от 12 Гц до 70 кГц использует только одну ИС шестнадцатеричного инвертора CMOS и несколько отдельных элементов.

Несомненно, архитектура может не обеспечивать эффективность более сложных схем, особенно с точки зрения согласованности формы сигнала на повышенных частотах, но, тем не менее, это невероятно удобный инструмент для анализа звука.

Для версии Bluetooth вы можете Прочтите эту статью

Блок-схема

Основы работы схемы из приведенной выше блок-схемы. Основная часть функционального генератора представляет собой генератор треугольников / прямоугольных сигналов, который состоит из интегратора и триггера Шмита.

Когда на выходе триггера Шмитта высокий уровень, напряжение, возвращаемое с выхода Шмитта на вход интегратора, позволяет выходному сигналу интегратора становиться отрицательным, прежде чем он превысит нижний выходной уровень триггера Шмитта.

На этом этапе выходной сигнал триггера Шмитта является медленным, поэтому небольшое напряжение, подаваемое обратно на вход интегратора, позволяет ему положительно нарастать до того, как будет достигнут верхний уровень триггера Шмитта.

Выходной сигнал триггера Шмитта снова становится высоким, а выходной сигнал интегратора снова становится отрицательным и т. Д.

Положительные и отрицательные значения развертки на выходе интегратора представляют собой треугольную форму волны, амплитуда которой вычисляется по гистерезису триггера Шмитта (то есть разнице между верхним и нижним пределами триггера).

Генерация триггера Шмитта, естественно, представляет собой прямоугольную волну, состоящую из чередующихся состояний высокого и низкого выходного сигнала.

Выходной сигнал треугольника подается на формирователь диода через буферный усилитель, который округляет максимумы и минимумы треугольника, чтобы создать сигнал, приближенный к синусоидальному.

Затем каждая из трех форм сигнала может быть выбрана трехпозиционным селекторным переключателем S2 и подана на выходной буферный усилитель.

Как работает схема

Полная принципиальная схема генератора функций CMOS, как показано на рисунке выше. Интегратор полностью построен с использованием КМОП-инвертора N1, а механизм Шмитта включает 2 инвертора с положительной обратной связью. Это N2 и N3.

На следующем изображении показаны детали распиновки IC 4049 для применения в приведенной выше схеме.

Схема работает таким образом, учитывая, что на данный момент дворник P2 находится в самом нижнем положении, а выход N3 высокий, ток эквивалентен:

Уб - U1 / P1 + R1

проходит через R1 и p1, где Ub указывает напряжение питания, а Ut - пороговое напряжение N1.

Поскольку этот ток не может пройти на высокоомный вход инвертора, он начинает двигаться в направлении C1 / C2 в зависимости от того, какой конденсатор переключается в линию переключателем S1.

Таким образом, падение напряжения на C1 уменьшается линейно, так что выходное напряжение N1 линейно возрастает до достижения нижнего порогового напряжения триггера Шмитта, так же как выход триггера Шмитта становится низким.

Теперь текущий эквивалент -Выход / P1 + R1 протекает как через R1, так и через P1.

Этот ток всегда протекает через C1, так что выходное напряжение N1 увеличивается экспоненциально, пока не будет достигнуто максимальное предельное напряжение триггера Шмитта, выходное напряжение триггера Шмитта возрастет, и весь цикл начнется заново.

Для поддержания симметрии треугольной волны (т.е. одинакового наклона как для положительной, так и для отрицательной части формы волны) токи нагрузки и разряда конденсатора должны быть идентичны, то есть Uj, -Ui должны быть идентичны Ut.

Однако, к сожалению, Ut, определяемое параметрами инвертора CMOS, обычно составляет 55%! Напряжение источника Ub = Ut составляет приблизительно 2,7 В при 6 В и Ut приблизительно при 3,3 В.

Эта проблема решена с помощью P2, который требует модификации симметрии. На данный момент примите во внимание, что тайский R связан с положительной линией питания (позиция A).

Независимо от настройки P2 высокое выходное напряжение триггера Шмитта всегда остается равным 11.

Тем не менее, когда выход N3 низкий, R4 и P2 устанавливают делитель потенциала, так что на основе конфигурации дворника P2 напряжение от 0 В до 3 В может быть возвращено обратно в P1.

Это гарантирует, что напряжение больше не -Ut, а Up2-Ut. Если напряжение ползунка P2 составляет около 0,6 В, тогда Up2-Ut должно быть около -2,7 В, поэтому токи зарядки и разрядки будут идентичными.

Очевидно, что из-за допуска в значении Ut регулировка P2 должна выполняться в соответствии с конкретным генератором функций.

В ситуациях, когда Ut составляет менее 50 процентов входного напряжения, может оказаться целесообразным подключение верхней части R4 к земле (положение B).

Можно найти пару частотных шкал, которые будут назначены с использованием S1 12 Гц – 1 кГц и 1 кГц примерно до 70 кГц.

Регулировка дискретной частоты осуществляется посредством P1, который изменяет ток заряда и разряда C1 или C2 и, таким образом, частоту, с которой интегратор нарастает и понижается.

Прямоугольный выходной сигнал от N3 отправляется на буферный усилитель через переключатель выбора формы сигнала S2, который состоит из пары инверторов, смещенных как линейный усилитель (подключенных параллельно для повышения эффективности их выходного тока).

Выходной сигнал треугольной формы обеспечивается через буферный усилитель N4, а оттуда переключателем выбора на выход буферного усилителя.

Кроме того, выходной сигнал треугольника от N4 добавляется к формирователю синуса, состоящему из R9, R11, C3, D1 и D2.

D1 и D2 потребляют небольшой ток примерно до +/- 0,5 вольт, но их разнообразное сопротивление падает за пределы этого напряжения и логарифмически ограничивает максимумы и минимумы треугольного импульса, чтобы создать эквивалент синусоиды.

Выходной синусоидальный сигнал передается на выходной усилитель через C5 и R10.

P4, который изменяет коэффициент усиления N4 и, следовательно, амплитуду треугольного импульса, подаваемого на формирователь синуса, изменяет прозрачность синуса.

Слишком низкий уровень сигнала, и амплитуда треугольника будет ниже порогового напряжения диода, и он будет работать без изменений, а при слишком высоком уровне сигнала максимумы и минимумы будут сильно ограничены, тем самым обеспечивая плохую работу. формируется синусоида.

Входные резисторы выходного буферного усилителя выбираются таким образом, чтобы все три формы волны имели номинальное выходное напряжение от пика до минимума около 1,2 В. Уровень выходного сигнала можно было изменить с помощью P3.

Процедура настройки

Метод регулировки - просто изменить симметрию треугольника и чистоту синусоиды.

Кроме того, симметрия треугольника идеально оптимизирована путем исследования входного прямоугольного сигнала, поскольку симметричный треугольник получается, если рабочий цикл прямоугольного сигнала составляет 50% (интервал между отметками 1–1).

Для этого вам придется настроить предустановку P2.

В ситуации, когда симметрия увеличивается, когда дворник P2 перемещается вниз к выходу N3, но правильная симметрия не может быть достигнута, верхняя часть R4 должна быть соединена в альтернативном положении.

Чистота синусоиды изменяется путем регулировки P4 до тех пор, пока форма волны не будет выглядеть идеальной, или путем изменения минимального искажения только при наличии измерителя искажений, который необходимо проверить.

Поскольку напряжение питания влияет на выходное напряжение различных форм сигналов и, следовательно, на чистоту синусоиды, схема должна питаться от надежного источника питания 6 В.

Когда батареи используются в качестве батарей источника питания, их никогда не следует заставлять слишком сильно разряжаться.

КМОП-микросхемы, используемые в качестве линейных схем, потребляют более высокий ток, чем в обычном режиме переключения, и, следовательно, напряжение питания не должно превышать 6 В, иначе ИС может нагреться из-за сильного рассеивания тепла.

Еще один отличный способ построить схему функционального генератора - использовать IC 8038, как описано ниже.

Схема функционального генератора с использованием IC 8038

IC 8038 - это ИС прецизионного генератора сигналов, специально разработанная для создания выходных сигналов синусоидальной, квадратной и треугольной формы путем включения минимального количества электронных компонентов и манипуляций.

Его рабочий частотный диапазон может быть определен с помощью 8 частотных шагов, начиная с 0,001 Гц до 300 кГц, путем соответствующего выбора подключенных элементов R-C.

Колебательная частота чрезвычайно устойчива независимо от температуры или колебаний напряжения питания в широком диапазоне.

Кроме того, функциональный генератор IC 8038 предлагает рабочий диапазон частот до 1 МГц. Доступ ко всем трем выходным сигналам основной формы сигнала, синусоидальному, треугольному и квадратному, можно получить одновременно через отдельные выходные порты схемы.

Частотный диапазон 8038 может изменяться с помощью внешнего источника напряжения, хотя ответ может быть не очень линейным. Предлагаемый генератор функций также обеспечивает как регулируемую симметрию треугольника, так и регулируемый уровень искажения синусоидальной волны.

Генератор функций с использованием IC 741

Эта схема функционального генератора на основе IC 741 обеспечивает повышенную универсальность тестирования по сравнению с типичным генератором синусоидального сигнала, давая вместе прямоугольные и треугольные волны 1 кГц, и она является недорогой и очень простой в сборке. Похоже, что выходной сигнал составляет примерно 3 В пикап на прямоугольную волну и 2 В среднеквадратичное значение. в синусоиде. Переключаемый аттенюатор может быть быстро включен, если вы хотите более бережно относиться к проверяемой цепи.

Как собрать

Начните вставлять детали на печатную плату, как показано на схеме компоновки компонентов, и убедитесь, что полярность стабилитрона, электролитов и микросхем соблюдена правильно.

Как настроить

Чтобы настроить схему простого функционального генератора, просто настройте RV1 так, чтобы синусоидальный сигнал был немного ниже уровня ограничения. Это дает вам наиболее эффективную синусоиду через генератор. Квадрат и треугольник не требуют особых настроек или настроек.

Как это устроено

1. В этой схеме функционального генератора IC 741 микросхема IC1 сконфигурирована в виде генератора моста Вина, работающего на частоте 1 кГц.
2. Регулировка амплитуды осуществляется диодами D1 и D2. Выход из этой ИС подается либо на выходной разъем, либо на схему возведения в квадрат.
3. Он подключен к SW1a через C4 и является триггером Шмидта (Q1 -Q2). Стабилитрон ZD1 работает как триггер без гистерезиса.
4. Интегратор IC2, C5 и R10 генерирует треугольную волну из входной прямоугольной волны.

Простой генератор функций UJT

В однопереходный генератор показанный ниже, является одним из самых простых генераторов пилы. Два его выхода дают, а именно пилообразную форму волны и последовательность запускающих импульсов. Волна нарастает от примерно 2V (точка впадины, Vv) до максимального пика (Vp). Пиковая точка зависит от источника питания Vs и коэффициента выдержки BJT, который может варьироваться от 0,56 до 0,75, при этом 0,6 является обычным значением. Период одного колебания примерно равен:

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

где «1n» обозначает использование натурального логарифма. Принимая во внимание стандартные значения, Vs = 6, Vv = 2 и в = 0,6, приведенное выше уравнение упрощается до:

t = RC x 1n (0,6)

Поскольку зарядка конденсатора является инкрементальной, наклон пилообразного сигнала не является линейным. Для многих аудиоприложений это не имеет значения. На рисунке (b) показан зарядный конденсатор через цепь постоянного тока. Это позволяет спуску идти прямо вверх.

Скорость заряда конденсатора теперь постоянна, независимо от Vs, хотя Vs все еще влияет на точку пика. Поскольку ток зависит от усиления транзистора, простой формулы для измерения частоты не существует. Эта схема предназначена для работы с низкими частотами и реализована в виде генератора пилообразного сигнала.

Использование операционных усилителей LF353

Два операционных усилителя используются для построения точной схемы генератора прямоугольных и треугольных сигналов. В комплект LF353 входят два операционных усилителя с JFET-транзисторами, которые лучше всего подходят для этого приложения.

Частоты выходного сигнала рассчитываются по формуле f = 1 / RC . Схема демонстрирует чрезвычайно широкий рабочий диапазон без каких-либо искажений.

R может иметь любое значение от 330 Ом до 4,7 МОм. C может иметь любое значение от 220 пФ до 2 мкФ.

Как и в описанной выше концепции, в следующем синусоидальная волна косинусоидальная волна схема функционального генератора.

Они генерируют синусоидальные сигналы почти идентичной частоты, но не совпадают по фазе на 90 °, поэтому выходной сигнал второго операционного усилителя называется косинусоидальной волной.

На частоту влияет набор допустимых значений R и C. R находится в диапазоне от 220 кОм до 10 M, C находится между 39 пФ и 22 нФ. Связь между R, C и / или немного сложна, так как должна отражать значения других резисторов и конденсаторов.

Используйте R = 220 кОм и C = 18 нФ в качестве начальной точки, которая обеспечивает частоту 250 Гц. Стабилитроны могут быть маломощными выходными диодами 3,9 В или 4,7 В.

Генератор функций с использованием TTL IC

Пара ворот 7400 четырехканальный вентиль NAND с двумя входами составляет фактическую схему генератора для этой схемы генератора функции TTL. Кристалл и регулируемый конденсатор работают как система обратной связи на входе затвора U1-a и выходе затвора U1-b. Затвор U1-c функционирует как буфер между каскадом генератора и выходным каскадом U1-d.

Переключатель S1 действует как переключаемый вручную элемент управления затвором для включения / выключения прямоугольного выхода U1-d на выводе 11. При разомкнутом S1, как указано, прямоугольный сигнал генерируется на выходе, а после закрытия равный сигнал отключается.

Переключатель можно заменить логическим вентилем для цифрового управления выходом. В точке соединения C1 и XTAL1 создается почти идеальная синусоидальная волна от 6 до 8 В от пика до пика.

Импеданс на этом переходе очень высок и не может обеспечить прямой выходной сигнал. Транзистор Q1, настроенный как усилитель эмиттерного повторителя, обеспечивает высокое входное сопротивление для синусоидального сигнала и низкое выходное сопротивление для внешней нагрузки.

Схема запускает почти все типы кристаллов и работает с частотами кристаллов от менее 1 МГц до более 10 МГц.

Как настроить

Настроить эту простую схему генератора функций TTL можно быстро, выполнив следующие действия.

Если у вас есть осциллограф, подключите его к прямоугольному выходу U1-d на контакте 11 и расположите C1 в центре диапазона, который обеспечивает наиболее эффективную форму выходного сигнала.

Затем наблюдайте за выходным синусоидальным сигналом и отрегулируйте C2 для получения наилучшего вида сигнала. Вернитесь к ручке управления C1 и немного отрегулируйте ее взад и вперед, пока на экране осциллографа не будет получен наиболее здоровый синусоидальный сигнал.

Список деталей

РЕЗИСТОРЫ
(Все резисторы - ватт, 5% единиц.)
RI, R2 = 560 Ом
R3 = 100 тыс.
R4 = 1к

Полупроводники
U1 = IC 7400
Q1 = 2N3904 кремниевый транзистор NPN

Конденсаторы
C1, C2 = 50 пФ, подстроечный конденсатор
C3, C4 = 0,1 мкФ, керамический дисковый конденсатор

Разное
S1 = тумблер SPST
XTAL1 = Любой кристалл (см. Текст)

Контролируемая кристаллом схема наилучшей синусоиды

Следующий генератор сигналов представляет собой двухтранзисторную схему кварцевого генератора, которая работает превосходно, дешево в сборке и не требует катушек или дросселей. Цена зависит в первую очередь от используемого кристалла, так как общая стоимость других элементов не должна составлять несколько долларов. Транзистор Q1 и несколько смежных частей образуют схему генератора.

Заземляющий путь для кристалла направляется посредством C6, R7 и C4. В переходе C6 и R7, который имеет довольно малый импеданс, ВЧ передается на усилитель эмиттер-повторитель Q2.

Форма волны на переходе C6 / R7 действительно почти идеальная синусоида. Выходной сигнал на эмиттере Q2 имеет амплитуду от 2 до 6 вольт от пика до пика в зависимости от добротности кристалла и конденсаторов C1 и C2.

Значения C1 и C2 определяют частотный диапазон схемы. Для кварцевых частот ниже 1 МГц C1 и C2 должны быть 2700 пФ (0,0027 пФ). Для частот от 1 МГц до 5 МГц это могут быть конденсаторы емкостью 680 пФ, а для частот от 5 до 20 МГц. можно применить конденсаторы емкостью 200 пФ.

Вы могли бы попробовать протестировать эти конденсаторы, чтобы получить наилучший синусоидальный выходной сигнал. Кроме того, регулировка конденсатора C6 может влиять на два выходных уровня и общую форму сигнала.

Список деталей

РЕЗИСТОРЫ
(Все резисторы - ватт, 5% единиц.)
R1-R5-1k
R6-27k
R7-270-ом
R8-100 тыс.
КОНДЕНСАТОРЫ
C1, C2 - см. Текст
C3, C5-0.1-p.F, керамический диск
C6-10 пФ до 100 пФ, подстроечный резистор
ПОЛУПРОВОДНИКИ
Q1, Q2-2N3904
XTAL1 - см. Текст

Цепь пилообразного генератора

В схеме пилообразного генератора части Q1, D1-D3, R1, R2 и R7 сконфигурированы как простая схема генератора постоянного тока, которая заряжает конденсатор C1 постоянным током. Этот постоянный зарядный ток создает линейное возрастающее напряжение по C1.

Транзисторы Q2 и Q3 устроены как пара Дарлингтона, чтобы протолкнуть напряжение через C1 на выход без нагрузки или искажающих эффектов.

Как только напряжение вокруг C1 увеличивается примерно до 70% от напряжения питания, активируется вентиль U1-a, запускающий выход U1-b на высокий уровень и кратковременное включение Q4, который продолжает оставаться включенным, пока конденсатор C1 разряжается.

Это завершает один цикл и запускает следующий. Выходная частота схемы регулируется R7, который обеспечивает нижнюю частоту около 30 Гц и верхнюю частоту около 3,3 кГц.

Частотный диапазон можно увеличить, уменьшив значение C1, и уменьшить, увеличив значение C1. Чтобы контролировать пиковый ток разряда Q4. C1 не должен быть больше 0,27 мкФ.

Список деталей

Схема функционального генератора с использованием пары микросхем IC 4011

Основой этой схемы фактически является генератор с мостом Вина, который обеспечивает выходной сигнал синусоидальной формы. Затем извлекаются квадратные и треугольные формы сигналов.

Генератор моста Вина построен с использованием логических элементов КМОП И-НЕ N1 – N4, а стабилизация амплитуды обеспечивается транзистором T1 и диодами D1 и D2.

Эти диоды, возможно, должны быть подобраны комплектом из двух для минимального искажения. Потенциометр регулировки частоты P1 также должен быть высококачественным стереопотенциометром с дорожками внутреннего сопротивления, спаренными с допуском в пределах 5%.

Предварительная установка R3 дает возможность регулировки для минимального искажения, и в случае использования согласованных частей для D1, D2 и P1 общее гармоническое искажение может быть менее 0,5%.

Выходной сигнал генератора моста Вина подается на вход N5, который смещен в свою линейную область и функционирует как усилитель. Логические элементы NAND N5 и N6 совместно усиливают и ограничивают выходной сигнал генератора для генерации прямоугольной формы волны.

На рабочий цикл формы волны относительно влияют пороговые потенциалы N5 и N6, однако он находится в непосредственной близости от 50%.

Выходной сигнал логического элемента N6 подается в интегратор, построенный с использованием логических элементов И-НЕ N7 и N8, который гармонизирует с прямоугольной волной для получения треугольной формы волны.

Амплитуда треугольной формы сигнала наверняка зависит от частоты, а поскольку интегратор просто не очень точен, линейность дополнительно отклоняется по отношению к частоте.

В действительности изменение амплитуды на самом деле довольно тривиально, учитывая, что функциональный генератор часто используется вместе с милливольтметром или осциллографом, и выходной сигнал можно легко проверить.

Схема генератора функций с использованием операционного усилителя LM3900 Norton

Чрезвычайно удобный генератор функций, который снизит затраты на оборудование и цену, может быть построен с помощью одного четырехъядерного усилителя Norton IC LM3900.

Если из этой схемы удалить резистор R1 и конденсатор C1, полученная установка будет общей для генератора прямоугольных импульсов с усилителем Norton, с током синхронизации, входящим в конденсатор C2. Включение интегрирующего конденсатора C1 в генератор прямоугольных импульсов создает на выходе реально точную синусоидальную волну.

Резистор R1, который помогает дополнить постоянные времени схемы, позволяет регулировать выходную синусоидальную волну для минимального искажения. Идентичная схема позволяет вам подключить выход синусоидальной волны к стандартному подключению для генератора прямоугольных / треугольных волн, разработанного с двумя усилителями Norton.

Как показано на рисунке, треугольный выход работает как вход для синусоидального усилителя.

Для значений деталей, указанных в этой статье, рабочая частота схемы составляет примерно 700 герц. Резистор R1 можно использовать для регулировки наименьшего искажения синусоидальной волны, а резистор R2 можно использовать для регулировки симметрии прямоугольной и треугольной волн.

Четвертый усилитель в четырехъядерном корпусе Norton может быть подключен как выходной буфер для всех трех выходных сигналов.