Простой генератор прямоугольных импульсов. Генератор прямоугольных импульсов: принцип работы и схемы

В данной схеме:

• DA1 — операционный усилитель
• R1, R2 — резисторы, задающие частоту колебаний
• C1 — конденсатор времязадающей цепи

Частота генерируемых импульсов определяется формулой:

f ≈ 1 / (2.2 * R1 * C1)

При этом для получения симметричных импульсов (скважность 2) необходимо выбирать R2 ≈ 2.2 * R1.

Преимущества и недостатки генераторов прямоугольных импульсов

Генераторы прямоугольных импульсов имеют ряд достоинств и ограничений:

Преимущества:

• Простота реализации
• Широкий диапазон рабочих частот
• Возможность точной настройки параметров
• Высокая стабильность частоты при использовании кварцевых резонаторов
• Низкое энергопотребление в КМОП-реализациях

Недостатки:

• Зависимость параметров от температуры и напряжения питания
• Наличие высших гармоник в спектре сигнала
• Сложность получения очень малых скважностей
• Необходимость дополнительных цепей формирования для получения сложных последовательностей импульсов

Методы стабилизации частоты генератора

Для повышения стабильности частоты генераторов прямоугольных импульсов применяются следующие методы:

1. Использование прецизионных компонентов с малым температурным коэффициентом
2. Термостатирование критичных элементов схемы
3. Применение кварцевых или керамических резонаторов
4. Использование стабилизированного источника питания
5. Введение цепей температурной компенсации

Выбор конкретного метода зависит от требований к стабильности и условий эксплуатации устройства.

Современные тенденции в разработке генераторов прямоугольных импульсов

В настоящее время развитие генераторов прямоугольных импульсов идет по следующим направлениям:

• Интеграция генераторов в состав сложных систем на кристалле (SoC)
• Разработка программируемых генераторов с цифровым управлением
• Повышение рабочих частот до гигагерцового диапазона
• Снижение энергопотребления для применения в мобильных устройствах
• Улучшение спектральных характеристик генерируемых сигналов

Эти тенденции отражают растущие потребности современной электроники в высокоскоростных и прецизионных источниках тактовых сигналов.

Генераторы прямоугольных импульсов | Основы электроакустики

Главная » Генераторы сигналов

Генераторы прямоугольных импульсов

В электронной технике широко применяются устройства, форма выходного напряжения которых резко отличается от синусоидальной. Такие колебания называют релаксационными, мультивибратор представляет собой разновидность одного из релаксационных генераторов. Мультивибратор (от латинских слов multim – много и vibro – колебание) – релаксационный генератор импульсов прямоугольной формы, выполненный в виде усилительного устройства с цепью положительной обратной связи (ПОС).

Генераторы импульсных сигналов могут работать в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем или синхронизации.

В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего воздействия. В ждущем режиме генераторы формируют импульсный сигнал по приходу внешнего (запускающего) импульса. В режиме синхронизации генераторы вырабатывают импульсы напряжения, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала.

Сущность работы мультивибратора – переключение энергии конденсатора C с заряда на разряд, от источника питания к резистору R. Это переключение осуществляется с помощью электронных ключей.

Мультивибратор можно построить на базе биполярных и полевых транзисторов, операционных усилителей, таймеров, выполненных в виде интегральных микросхем, потенциальных логических элементов или специализированных интегральных микросхем. Последний вариант получает все большее распространение.

Генераторы импульсов на операционных усилителях. На рис. 16.7 показан классический релаксационный RС-генератор. Работает он таким образом: допустим, что когда впервые прикладывается напряжение, выходной сигнал ОУ выходит на положительное насыщение (каким образом это произойдет – неважно). Конденсатор начинает заряжаться до напряжения U_{ВХ ВЫКЛ} спостоянной времени, равной τ = RC.Когда напряжение конденсатора достигнет напряжения U_{ВХ ВЫКЛ} R₁ / (R₁+R₂), ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения (он включен как триггер Шмитта) и конденсатор начинает разряжаться до U_ВХ ВКЛR₁/(R₁+R₂), с той же самой постоянной времени.

Разная длительность положительного и отрицательного импульсов обеспечивается различными постоянными времени перезаряда емкостей τ₁ и τ₂:  τ₁ = R₃C; и τ₂ =R₄C.  (16.8)

Рис. 16.7. Генератор прямоугольных импульсов на ОУ

Рис.16.8. Временные диаграммы работы генератора

Функциональные генераторы, которые одновременно вырабатывают колебания различных видов: прямоугольные, треугольные, синусоидальные, можно реализовать на ОУ. Генерация переменного напряжения треугольной формы осуществляется по простой схеме с помощью интегратора и триггера Шмитта. В свою очередь, используя простой блок формирования синусоидальной функции (например, фильтр нижних частот) из треугольного напряжения можно получить синусоидальное. Структурная схема такого генератора изображена на рисунок 16.10.

Рис. 16.11. Принципиальная схема функционального генератора

Амплитуда треугольного напряжения  зависит только от установки уровня срабатывания триггера Шмитта и составляет

^{U_D = U_макс}(16.9)

где Uмакс– граница насыщения операционного усилителя DA1. Период колебаний равен удвоенному времени, которое необходимо интегратору, чтобы его выходное напряжение изменялось от  до . Отсюда следует:   Т = 4RCТаким образом, частота формируемого напряжения не зависит от уровня границы насыщения Uмакс операционного усилителя.

Одновибратор – это мультивибратор в ждущем режиме. Исходя из функциональных признаков, одновибратору часто присваивают и другие названия: спусковая система, заторможенный мультивибратор, однотактный релаксатор и др. Однако независимо от названия одновибратор представляет собой устройство с положительной обратной связью, имеющее одно устойчивое и одно временно-устойчивое состояние, формирующие одиночный прямоугольный импульс.

Формирование импульса прямоугольной формы осуществляется одновибратором после поступления запускающего импульса, который переводит одновибратор из устойчивого состояния во временно устойчивое. Момент окончания временно устойчивого состояния определяется времязадающей цепочкой. Изменяя постоянную времени цепочки (плавно или скачком), можно регулировать длительность выходных импульсов в широких пределах. Поэтому одновибраторы широко применяются для формирования прямоугольных импульсов заданной длительности и амплитуды и для задержки импульсов на заданное время.

Одновибратор может быть получен из автоколебательного мультивибратора, если его принудительно запереть в одном из временно устойчивых состояний, превратив его в устойчивое (рис. 16.12).

В схему введены диод VD2, осуществляющий ждущий режим и цепь запуска на элементах С1, R3, VD1. Схема имеет одно устойчивое состояние, когда напряжение на выходе равно отрицательному напряжению насыщения ОУ U– .

В исходном состоянии (на выходе U–) диод VD2 открыт, напряжение на инвертирующем входе UИ примерно равно нулю, а напряжение на неинвертирующем входеUН = U– R2 / (R1 + R2), UН – UИ < 0, UВЫХ = U– .Диод VD1, подключенный к неинвертирующему входу, заперт. В момент времени t1 (рис. 16.13) входной сигнал открывает этот диод, на неинвертирующий вход подается положительный сигнал, (на инвертирующем входе остается нулевой сигнал), на выходе ОУ появляется положительной напряжение. После этого начинается заряд конденсатора C. Когда напряжение на нем становится больше напряжения UН = U+ R2 / (R1 + R2), дифференциальный сигнал UН – UИ становится отрицательным и ОУ возвращается в исходное устойчивое состояние. Очередной запускающий импульс можно подавать только после момента времени t3.

Рис.16.12. Принципиальная схема одновибратора

Рис.16.13. Временные диаграммы работы одновибратора

Генераторы импульсов на интегральных микросхемах таймеров

Генераторы на логических элементах

Импульсные стабилизаторы напряжения

Триггер Шмитта

Кварцевые генераторы

Аналоговые компараторы напряжения Устройство и принцип действия

Генераторы гармонических колебаний

Генераторы сигналов

Схемы генераторов прямоугольных и треугольных импульсов

  Схема генератора на микросхемах. Используя ОУ, можно собрать достаточно стабильный генератор импульсов треугольной и прямоугольной формы ( Рис. 1 ). Генератор состоит из интегратора, инвертора и компаратора. 

       Интегратор представляет собой усилитель на ОУ DA1, в цепь обратной связи которого включены времязадающие элементы R1, C3. Большой коэффициент усиления ОУ позволяет при подачи на его вход прямоугольных импульсов получить на выходе напряжение треугольной формы высокой линейности. С выхода интегратора напряжение поступает на вход инвертора, выполненного на ОУ DA2. В цепь обратной связи этого ОУ включён делитель R2, R3. Коэффициент передачи инвертора равен отношению сопротивлений резисторов R3 и R2, взятому со знаком минус. Если сопротивления резисторов равны, коэффициент передачи равен единице, а напряжение на выходе обратно по знаку входному.
  Когда напряжение на выходе инвертора уменьшается до определённого значения, уровень выходного напряжения на выходе компаратора ( ОУ DA3 ) становится положительным и, попадая на вход DA1 будет вызывать уменьшение напряжения на выходе.  

На выходе инвертора будет наблюдаться обратная картина. когда напряжение достигнет второго уровня сравнения, компаратор возвращается в исходное значение и весь процесс повторяется.
   Таким образом на выходе DA1 получаем треугольное напряжение, на выходе DA2 также треугольное, но обратного знака, на выходе DA3 – напряжение прямоугольной формы.
  Частота колебаний приблизительно определяется соотношением f ≈ 0,75/R1C3 ( при равенстве сопротивлений резисторов R2, R3 и R7, R8 ). Максимальная рабочая частота ограничена инерционными свойствами ОУ и равна 500 кГц. Минимальная рабочая частота определяется ёмкостью конденсатора С3 и сопротивлением резистора R1, которое не должно превышать 100 кОм. Сопротивление нагрузки не должно быть менее 5 кОм, а ёмкость не более 100 пФ.
  При использовании элементов и деталей, номиналы которых указаны на схеме, частота выходных импульсов – 7500 Гц.  

Простой генератор прямоугольных импульсов можно использовать при проверке различной аппаратуры. Схема генератора очень проста ( Рис.2 ). При отсутствии кварцевого резонатора вместо него можно использовать конденсатор ёмкостью от 240 пФ до 1 мкФ. В случае генератор будет выдавать импульсы с частотой следования от 600 до 2000 Гц. При уменьшении индуктивности катушки L1 увеличивается нижняя предельная частота устойчивой работы генератора.
  При использовании кварцевых резонаторов на другие частоты изменится соответственно и частота следования импульсов. Генератор можно собрать только на двух элементах микросхемы DD1, не используя DD1.3. Этот инвертор желательно установить для того, чтобы уменьшить влияние нагрузки на генератор. Питать такой генератор можно от любого источника напряжением 5 … 10 В. Микросхемы К133ЛА3 можно заменить любой, имеющей элементы И – НЕ.

Э. П. Борноволоков, В. В. Фролов «РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКИЕ СХЕМЫ» Киев, «Техника», 1985г, стр.219

Простой генератор прямоугольных импульсов

Радио 2002, 5

Обычно генераторы прямоугольных импульсов строятся на основе симметричного мультивибратора с биполярными транзисторами одинаковой структуры и с двумя частотно-определяющими цепями. Однако можно построить более простой генератор на двух транзисторах разной структуры (см. рис. 1) только с одной частотно-определяющей цепью.

Рисунок 1. Схема генератора прямоугольных импульсов
C1 — 470 пФ, VT1 — BC547, VT2 — BC557

Схема работает так: при подаче напряжения питания (конденсатор С1 не заряжен) транзистор VT1 начинает проводить ток, протекающий через резистор смещения R1. Коллекторный ток этого транзистора является током базы для транзистора VT2 и этот коллекторный ток открывает транзистор VT2. Напряжение на коллекторной нагрузке транзистора VT2 увеличивается через сеть C1R2, и это дополнительно открывает транзистор VT1, в результате чего происходит лавинный процесс открытия двух транзисторов — это формирование фронта прямоугольного импульса.

Длительность импульса определяется зарядкой конденсатора С1 через резистор R2. По мере заряда конденсатора С1 ток базы транзистора VT1 уменьшается, и наступает момент, когда начинается лавинный процесс закрывания обоих транзисторов. На нагрузке формируется спадающий фронт импульса. Длительность между импульсами определяется длительностью разряда конденсатора С1 током, протекающим через резисторы R1 и R2. Затем процесс повторяется.

Работу генератора можно объяснить по-разному. Схема двухкаскадного усилителя имеет положительную обратную связь (цепь R2C1) и одновременно усилитель переводится в линейный режим транзистора VT1 подачей смещения на его базу через резистор R1. Поэтому генерируются релаксационные колебания. Для стабилизации работы генератора каждый каскад имеет отрицательную обратную связь — в первом каскаде она слабая (резистор R1), а во втором каскаде эмиттерная цепь транзистора VT2 имеет резистор R5.

simple_square_wave_generator_circuit_e.html

Генератор стабильно работает при напряжении питания от 1,5 до 12 В, а ток потребления от 0,15 мА до нескольких мА. Амплитуда выходных импульсов на «Выходе 1» составляет чуть более половины напряжения питания, а на «Выходе 2» примерно в 10 раз меньше. При желании можно добавить еще один каскад делителя напряжения (1/100), вставив резистор 24 Ом между нижним выводом резистора R4 и общим проводом.

При номиналах компонентов, показанных на рис. 1, а при напряжении питания 2,5 В ток потребления цепи 0,2 мА, частота 1000 Гц, скважность 50% (меандр), амплитуда сигнала на «Выходе 1» 1В .

Конечно, в таком простом генераторе параметры сигнала существенно зависят от напряжения питания. Поэтому генератор следует настроить на то же напряжение, с которым он будет использоваться. В случае отсутствия генерации подкорректировать номинал резистора R1 и, возможно, R5 (заменить резисторами другого номинала). Скважность устанавливается подбором номинала резистора R2.

Одно из возможных применений этого генератора — мигающая лампочка. Затем нагрузку (светодиод или лампу накаливания) включают последовательно с резистором R5, а с помощью конденсатора С1 емкостью 1 мкФ получают частоту колебаний около 0,5…1 Гц. Для получения необходимой яркости света номинал резисторов R3, R5 можно уменьшить, а резистор R4 исключить за ненадобностью.

В. Поляков, Москва

Скачать модель схемы LTSpice: simple_square_wave_generator_circuit_e.asc. В нем используются транзисторы КТ315Г и КТ361Г. Загрузите модели этих транзисторов из PSpice и вставьте их в файл «LTspiceIV\lib\cmp\standard.bjt» LTSpice.

НАЗАД

Простой триггер Шмитта SN74HC14 Генератор прямоугольных импульсов

Льюис Лофлин

Обязательно используйте SN74C14 или SN74HC14.

Теория и практические схемы использования генератора прямоугольных импульсов SN74HC14 на основе триггера Шмитта.

Видео на YouTube: Простой триггер Шмитта SN74HC14 Генератор прямоугольных импульсов

In Vol. 63 Июнь/июль Make Magazine Чарльз Платт написал статью об использовании инвертора SN74HC14N Schmitt Trigger HEX. Используя только один из шести инверторов, конденсатор и резистор обратной связи, он создал базовый прямоугольный генератор.

Рис. 1 Внутренние соединения SN74HC14.

Он не стал вдаваться в подробности расчета значений компонентов или теории работы. Здесь я расскажу об этом. Рис. 1 — внутренние соединения устройства. Обратите внимание, что на следующих схемах я не буду показывать контакт +Vcc 14 или контакт заземления 7. +Vcc — это 5 вольт, HIGH — 5 вольт, а LOW — 0 вольт.

Я буду иметь дело с одним инвертором, и все измерения основаны на действующей схеме, построенной из реальных компонентов. Я не использую SPICE или программное обеспечение для моделирования и не могу гарантировать его работу с таким программным обеспечением.

Измерения выполняются с помощью цифрового мультиметра Radio Shack 22-812, который может измерять частоту, длительность импульса и коэффициент заполнения.

Рис. 2 Схема генератора прямоугольных импульсов SN74HC14N.

На рис. 2 показана схема, которую я буду использовать. Он состоит из одного инвертора, сопротивления обратной связи и зарядного конденсатора. Давайте обсудим разницу между инвертором с триггером Шмитта и инвертором без триггера Шмитта.

Очень просто инвертор инвертирует входной логический уровень — ВЫСОКИЙ на выходе НИЗКИЙ, НИЗКИЙ на выходе ВЫСОКИЙ. Проблема заключается в том, какой уровень напряжения от 0 В до 5 В является ВЫСОКИМ или НИЗКИМ? Что такое 2,5 вольта?

Триггерные входы Шмитта решают эту проблему для шумных цепей. Низкий уровень выводится только тогда, когда на входе 3 вольта или больше. HIGH выводится только тогда, когда на входе 2 вольта или меньше. Уровень переключается только если ниже ~2В или выше ~3В.

На рис. 2 показаны формы сигналов в точках A и B. При включении питания вход A имеет НИЗКИЙ уровень, а B — ВЫСОКИЙ; конденсатор C заряжается от выхода HIGH через резисторы R1 и R2.

Когда A достигает ~3 вольта, B становится низким, а C разряжается обратно через R1 и R2 на выход инвертора. В действительности, когда HIGH выводится, когда внутренний транзистор переключается на +Vcc, LOW использует транзистор для переключения на землю.

Треугольная форма сигнала на зарядке/разрядке A между ~2-вольтами и ~3-вольтами или ~1-вольтом от пика к пику. Выходное напряжение составляет 5-вольт от пика к пику. Конденсатор C никогда полностью не заряжается до +Vcc и не разряжается до GRD. Этот зазор переключения в 1 вольт является секретом генератора.

Обратите внимание на две красные стрелки. C заряжается, когда B HIGH, и разряжается, когда B LOW.

Рис. 3 Кривая заряда RC.

На рис. 3 представлена ​​кривая заряда RC. Когда конденсатор заряжается через резистор, время T зависит от значений R и C или R * C. Но для полной зарядки требуется 5T. Если C = 1 мкФ и R = 10K, тогда T = 0,0000001 * 10 000 = 0,01 сек. или 10 мс. Для полной зарядки или 98,2% занимает 50 мс.

Примечание: всегда переводите C в фарады. Предположим, 1 мкФ и 10 кОм.

За время 1Т С заряжается до 63,2%. В случае 5 вольт это ~ 3,16 вольта. Только при первом включении t = 10 мсек. и при 3,16 В выход инвертора становится НИЗКИМ или 0 В.

Когда C разряжается до ~2 вольт, выход B становится ВЫСОКИМ, заряжая конденсатор C обратно до ~3 вольт и т.д. Для расчета T на выходе будет (R * C) / 2,8. Я вывел это экспериментальным путем.

Таким образом, каждый полупериод включения/выключения составляет 10 мс. / 2,8 = 3,57 мс. Чтобы получить частоту выходного прямоугольного сигнала = 3,57 мс. * 2, то возьмите обратное. В данном случае 140 Гц.

Рис. 4 Схема прямоугольного генератора SN74HC14N с формулами.

На рис. 4 показаны формулы для этой схемы. Я собираюсь рассчитать значения, используемые в действующей цепи, и измерить значения на моем мультиметре. Я использовал резистор номиналом 22 кОм с сопротивлением 21 700 Ом. Я также измерил используемые конденсаторы.

Пример 1: C = 1 мкФ; R = 21 700 Ом.

R * C = 21,7 мс; t = 21,7 мс. / 2,8 = 7,75 мс.
f = 1/(2 * t) = 1/15,5 мсек. = 64,5 Гц

Измеренное значение = 63,3 Гц ошибка 2%; рабочий цикл 47%. Очень близко к симметричной прямоугольной волне.

Рис. 5 SN74HC14N Форма сигнала генератора прямоугольной формы.

Пример 2: C = 34,72 мкФ; R = 21 700 Ом.

R * C = 0,7534 сек.; 0,7534 сек. / 2,8 = 0,2691 сек. = t
f = 1/(2 * t) = 1/0,53816 = 1,86 Гц.

Измеренное значение 1,9 Гц погрешность 2 %; Рабочий цикл 47%.

Рис. 6 SN74HC14N Сигналы цепи прямоугольного генератора на осциллографе.

Рис. 6 на основе примера 3.

Пример 3: C = 0,095 мкФ; R = 21 700 Ом.

R * C = 2,06 мс; 2,06 мс / 2,8 = 0,736 мс. = t
f = 1/(2 * t) = 1/1,4725 мс. = 679 Гц.

Измерено: 707 Гц, погрешность 4%. Рабочий цикл 47%. Обратите внимание, что паразитная емкость в макетной плате и т. д. может сыграть роль при более низких значениях C.

Рис. 7 Генератор прямоугольных импульсов на основе SN74HC14 со схемой дифференциатора.

Дополнительные сведения об этой схеме см. в разделе Схема генератора импульсов с тремя выходами для цифровых схем.

Веселись.

• Быстрая навигация по этому сайту:
• Базовое обучение электронике и проекты
• Основные проекты твердотельных компонентов
• Проекты микроконтроллеров Arduino
• Электроника Raspberry Pi, Программирование

• Цифровые схемы:
• Простой триггер Шмитта SN74HC14 Генератор прямоугольных импульсов
• Введение в схемы RC-дифференциаторов и их использование
Генератор прямоугольных импульсов
• SN74HC14 использует триггер SN7476 JK
• SN74C14 Цепь генератора импульсов с тремя выходами
• Нестабильный блок питания счетчика Гейгера CD4047
• CD4047 Схема моностабильного мультивибратора
• Примеры базовой схемы буфера с тремя состояниями TTL
• Учебное пособие NOR Gate SR Latch Circuits
• Учебное пособие NAND Gate SR Latch Circuit
• Учебное пособие по схемам ИЛИ-НЕ, включая моностабильный мультивибратор
• Краткое руководство по логическим элементам XOR и XNOR
• LM555-NE555 Однотактный мультивибратор Регулятор мощности переменного тока
• YouTube:
• Генератор цифровых импульсов с тремя выходами

• Цифровые схемы:
• Двухтранзисторная схема мигающего светодиода
• Нестабильный блок питания счетчика Гейгера CD4047
• CD4047 Моностабильный мультивибратор, схема
• Примеры базовой схемы буфера с тремя состояниями TTL
• Учебное пособие NOR Gate SR Latch Circuits
• Учебное пособие NAND Gate SR Latch Circuit

• Катушки для высокоселективного кристаллического радиоприемника
• Неоновые (NE-2) схемы, которые можно собрать
• Общие сведения о ксеноновых импульсных лампах и схемах

Веб-сайт Copyright Lewis Loflin, Все права защищены.