Простой генератор прямоугольных импульсов на логических элементах
4 ноября 2020 — Admin
Главная / Схемы / Генераторы
На рисунке приведена простейшая схема генератора на логических элементах. Ничего лишнего: времязадающая RC-цепочка и микросхемка.
Данное устройство собрано на микросхеме CD4011BE (отечественный аналог К561ЛА7). Она содержит в себе 4 логических элемента 2И-НЕ. Сразу вспомним, что элемент 2И-НЕ имеет два входа, и сперва применяет к двум входным сигналам операцию И, а затем результат инвертирует (операция НЕ). Вот табличка логики:
| Вход 1 | Вход 2 | Выход |
| 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Впрочем, на схеме входы элементов соединены друг с другом.
Принцип работы
Допустим, после включения питания на входе DD1.1 установился низкий уровень. Значит, на выходе будет высокий уровень, который попадает на вход DD1.2, на выходе которого, в свою очередь, будет опять низкий уровень. Конденсатор C1 разряжен. И он начинает заряжаться через резистор R1, который правым выводом подключён к выходу DD1.1 — к точке, где потенциал высокий.
Процесс заряда конденсатора C1
Вы вправе спросить: почему же этот ток не утекает на вход элемента DD1.1 — ведь на этом входе в данный момент низкий потенциал? Кажется, что логический элемент должен скушать весь ток, а конденсатору ничего не достанется.
Ответ: дело в высоком входном сопротивлении элементов DD. На их входы ответвляется мизерная часть тока, которой можно пренебречь. Кстати, благодаря этому факту, сопротивление R1 может быть достаточно большим, несколько мОм, что позволяет получить довольно низкие частоты генерации.
Итак, постепенно напряжение на C1 растёт, и в какой-то момент на левой обкладке накопится достаточный «плюс», который переключит DD1.1 в состояние 1 на входе, 0 на выходе. Тут же и DD1.2 поменяет состояние на противоположное: 0 на входе, 1 на выходе. И процессы в RC-цепочке пойдут в обратную сторону, до тех пор, пока напряжение на конденсаторе снова не переключит DD1.1, а за ним DD1.2 и весь цикл повторится сначала. Описание несколько упрощённое (вблизи момента переключения там происходят чуть более сложные процессы), но достаточное для первоначального понимания.
Пробуем на практике
Как вы уже поняли, частота генератора определяется параметрами времязадающей RC-цепочки: от сопротивления резистора и ёмкости конденсатора будет зависеть, сколько времени будет длиться заряд/разряд конденсатора.
Примерная формула такова:
Верхняя частота генератора ограничена скоростью переключения КМОП-элементов (условно, порядка 2 МГц). При этом и на низких частотах генератор работает уверенно:
- С1 . . . . . . . 1 мкФ
- R1 . . . . . . . 680 кОм
- f . . . . . . . . 1 Гц.
Схема собрана на макетной плате. Чтобы увидеть работу генератора, я подключил к его выходу светодиод через токоограничивающий резистор. Считается, что микросхема этого типа может выдерживать выходной ток до 6.8 мА, так что вполне способна засветить не очень мощный светодиод без дополнительного ключа на транзисторе. Вот что получилось:
Ну а вот как выглядит сигнал генератора на осциллограмме:
Осциллограмма выходного сигнала генератора
Улучшение схемы
Как можно было бы доработать эту схему? Вот некоторые соображения.
Частота такого генератора весьма нестабильна. Для исправления этого недостатка часто заменяют конденсатор на кварцевый резонатор нужной частоты, а также пропускают сигнал ещё через один-два элемента 2И-НЕ.
Для регулировки частоты можно постоянный резистор заменить на подстроечный, а также добавить переключатель и несколько конденсаторов, чтобы менять ёмкость. Однако, как и в любой схеме, есть ограничения на номиналы деталей. Например, сопротивление R1 не может быть менее 1 кОм.
Более интересная задача — регулировка скважности. В приведённой схеме длительность импульса равна длительности паузы, скважность 50%. А что если мы хотим короткий импульс и длинную паузу, или наоборот? Тогда нужно последовательно с R1 прицепить примерно такую конструкцию:
Схема регулировки скважности
Здесь заряд и разряд конденсатора идут через разные плечи R2 благодаря диодам VD1 и VD2, так что соотношение импульса и паузы будет разное в зависимости от положения движка R2.
Поделиться в соцсетях:
Схемы простых генераторов импульсов
Генераторы импульсов являются важной составляющей многих радиоэлектронных устройств.
Простейший генератор импульсов
Простейший генератор импульсов (мультивибратор) может быть получен из двух-каскадного УНЧ (рис. 1). Для этого достаточно соединить вход усилителя с его выходом.
Рис. 1. Простейший генератор импульсов — мультивибратор, схема.
Рабочая частота такого генератора определяется значениями R1C1, R3C2 и напряжением питания.
Схемы мультивибраторов
На рис. 2, 3 показаны схемы мультивибраторов, полученные простой перестановкой элементов (деталей) схемы, изображенной на рис. 1. Отсюда следует, что одну и ту же простейшую схему можно изобразить различными способами.
Рис. 2. Схема мультивибратора на транзисторах.
Рис. 3. Схема мультивибратора на транзисторах с небольшой перестановкой деталей на схеме.
Использование мультивибраторов
Практические примеры использования мультивибратора приведены на рис. 4, 5.
Рис. 4. Схема генератора, позволяющего плавно перераспределять длительность или яркость свечения светодиодов.
На рис. 4 показана схема генератора, позволяющего плавно перераспределять длительность или яркость свечения светодиодов, включенных в качестве нагрузки в цепи коллекторов. Вращением ручки потенциометра R3 можно управлять соотношением длительностей свечения светодиодов левой и правой ветвей.
Если увеличить емкость конденсаторов С1 и С2, частота генерации понизится, светодиоды начнут мигать. При уменьшении емкости этих конденсаторов частота генерации возрастает, мелькание светодиодов сольется в сплошное свечение, яркость которого будет зависеть от положения ручки потенциометра R3.
На основе подобного схемного решения могут быть собраны разнообразные полезные конструкции, например, регулятор яркости светодиодного фонарика; игрушка с мигающими глазами; устройство плавного изменения спектрального состава источника излучения (разноцветные светодиоды или миниатюрные лампочки и светосуммирую-
щий экран).
Рис. 5. Генератор переменной частоты — схема.
Генератор переменной частоты (рис.
5) конструкции В. Цибульского позволяет получать плавно изменяющееся со временем по частоте звучание [Р 5/85-54]. При включении генератора его частота возрастает с 300 до 3000 Гц за 6 сек (при емкости конденсатора C3 500 мкФ).
Изменение емкости этого конденсатора в ту или иную сторону ускоряет или, напротив, замедляет скорость изменения частоты. Плавно изменять эту скорость можно и переменным сопротивлением R6.
Для того чтобы этот генератор мог выполнять роль сирены, или быть использованным в качестве генератора качающейся частоты, можно предусмотреть схему принудительного периодического разряда конденсатора C3. Такие эксперименты можно рекомендовать для самостоятельного расширения познаний в области импульсной техники.
Управляемый генератор
Управляемый генератор прямоугольных импульсов показан на рис. 6 [Р 10/76-60]. Генератор также представляет собой двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью. Для упрощения схемы генератора достаточно соединить эмиттеры транзисторов конденсатором.
Рис. 6. Управляемый генератор прямоугольных импульсов — схема.
Емкость этого конденсатора определяет рабочую частоту генерации. В данной схеме для управления частотой генерации в качестве управляемой напряжением емкости использован варикап. Увеличение запирающего напряжения на варикапе приводит к уменьшению его емкости. Соответственно, как показано на рис. 7, возрастает рабочая частота генерации.
Рис. 7. Как возрастает рабочая частота генерации.
Варикап, в порядке эксперимента и изучения принципа работы этого полупроводникового прибора, можно заменить простым диодом. При этом следует учитывать, что германиевые точечные диоды (например, Д9) имеют очень малую начальную емкость (порядка нескольких пФ), и, соответственно, обеспечивают небольшое изменение этой емкости от величины приложенного напряжения.
Кремниевые диоды, особенно силовые, рассчитанные на большой ток, а также стабилитроны, имеют начальную емкость 100… 1000 пФ, поэтому зачастую могут быть использованы вместо варикапов.
В качестве варикапов можно применить и р-n переходы транзисторов.
Для контроля работы, сигнал с генератора (рис. 6) можно подать на вход частотометра и проверить границы перестройки генератора при изменении величины управляющего напряжения, а также при смене варикапа или его аналога. Рекомендуется полученные результаты (значения управляющего напряжения и частоту генерации) при использовании разного вида варикапов занести в таблицу и отобразить на графике (см., например, рис. 7). Отметим, что стабильность генераторов на RC-элементах невысока.
Схемы генераторов световых и звуковых импульсов
На рис. 8, 9 показаны типовые схемы генераторов световых и звуковых импульсов, выполненные на транзисторах различного типа проводимости. Генераторы работоспособны в широком диапазоне питающих напряжений.
Рис. 8. Схема генератора световых импульсов, собранного на транзисторах.
Первый из них вырабатывает короткие вспышки света частотой единицы Гц, второй — импульсы звуковой частоты.
Соответственно, первый генератор может быть использован в качестве маячка, светового метронома, второй — в качестве звукового генератора, частота колебаний которого зависит от положения ручки потенциометра R1. Эти генераторы можно объединить в единое целое.
Рис. 9. Схема генератора звуковых импульсов собранного на транзисторах.
Для этого достаточно один из генераторов включить в качестве нагрузки другого, либо параллельно ей. Например, вместо цепочки из светодиода HL1, R2 или параллельно ей (рис. 8) можно включить генератор по схеме на рис. 9. В итоге получится устройство периодической звуковой или светозвуковой сигнализации.
Генератор импульсов с пьезокерамическим излучателем
Генератор импульсов (рис. 10), выполненный на составном транзисторе (п-р-п и р-п-р), не содержит конденсаторов (в качестве частотозадающего конденсатора использован пьезокерамический излучатель BF1).
Генератор работает при напряжении от 1 до 10 Б и потребляет ток от 0,4 до 5 мА.
Для повышения громкости звучания пьезокерамического излучателя его настраивают на резонансную частоту подбором резистора R1.
Рис. 10. Генератор импульсов с пьезокерамическим излучателем.
Генератор релаксационных колебаний
На рис. 11 показан достаточно оригинальный генератор релаксационных колебаний, выполненный на биполярном лавинном транзисторе.
Генератор содержит в качестве активного элемента транзистор микросхемы К101КТ1А с инверсным включением в режиме с «оборванной» базой. Лавинный транзистор может быть заменен его аналогом (см. рис. 1).
Устройства (рис. 11) часто используют для преобразования измеряемого параметра (интенсивности светового потока, температуры, давления, влажности и т.д.) в частоту при помощи резистивных или емкостных датчиков.
Рис. 11. Генератор релаксационных колебаний — схема.
При работе генератора конденсатор, подключенный параллельно активному элементу, заряжается от источника питания через резистор. Когда напряжение на конденсаторе достигает напряжения пробоя активного элемента (лавинного транзистора, динистора или т.
п. элемента), происходит разряд конденсатора на сопротивление нагрузки, после чего процесс повторяется с частотой, определяемой постоянной RC-цепи.
Резистор R1 ограничивает максимальный ток через транзистор, препятствуя его тепловому пробою. Времязадающая цепь генератора (R1C1) определяет рабочую область частот генерации.
В качестве индикатора звуковых колебаний при качественном контроле работы генератора используют головные телефоны. Для количественной оценки частоты к выходу генератора может быть подключен частотомер или счетчик импульсов.
Устройство работоспособно в широком интервале изменения параметров: R1 от 10 до 100 кОм (и даже до 10 МОм), С1 — от 100 пФ до 1000 мкФ, напряжения питания от 8 до 300 В. Потребляемый устройством ток обычно не превышает одного мА.
Возможна работа генератора в ждущем режиме: при замыкании базы транзистора на землю (общую шину) генерация срывается. Преобразователь-генератор (рис. 11) может быть использован и в режиме сенсорного ключа, простейшего Rx-и Сх-метра, перестраиваемого широкодиапазонного генератора импульсов и т.
д.
Генераторы импульсов на лавинных транзисторах
Генераторы импульсов (рис. 12, 13) также выполнены на лавинных транзисторах микросхемы К101КТ1 типа п-р-п или К162КТ1 типа р-п-р, динисторах, или аналогах динисторов и лавинных транзисторов (см. рис. 1).
Рис. 12. Схема генератора импульсов на лавинных транзисторах К101КТ1.
Генераторы работают при напряжении питания выше 9 Б и вырабатывают напряжение треугольной формы. Выходной сигнал снимается с одного из выводов конденсатора.
Входное сопротивление следующего за генератором каскада (сопротивление нагрузки) должно в десятки раз превышать величину сопротивления R1 (или R2). Низкоомную нагрузку (до 1 кОм) можно включать в коллекторную цепь одного из транзисторов генератора.
Рис. 13. Схема генератора импульсов на лавинных транзисторах К162КТ1.
Генераторы импульсов с использованием индуктивной обратной связи
Довольно простые и часто встречающиеся на практике генераторы импульсов (блокинг-генераторы) с использованием индуктивной обратной связи показаны на рис.
14 [А. с. СССР 728214], 15 и 16.
Рис. 14. Генератор импульсов с использованием индуктивной обратной связи — схема.
Такие генераторы обычно работоспособны в широком диапазоне изменения напряжения питания. При сборке блокинг-генераторов необходимо соблюдать фазировку выводов: при неправильном подключении «полярности» обмотки генератор не заработает.
Рис. 15. Схема блокинг-генератора на транзисторе.
Рис. 16. Схема блокинг-генератора на транзисторе КТ315 с минимумом деталей.
Подобные генераторы можно использовать при проверке трансформаторов на наличие межвитковых замыканий: никаким иным методом такие дефекты не могут быть выявлены.
Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.
Как собрать генератор прямоугольных импульсов
Эта статья является первой из четырех статей об осцилляторах. В этой статье мы рассмотрим генераторы прямоугольных импульсов, а также ознакомьтесь с другими статьями о генераторах пилообразных и треугольных сигналов, генераторах синусоидальных сигналов и кварцевых генераторах.
Генераторы
Это электронная схема, которая меняет состояние с положительного на отрицательное в повторяющемся цикле без каких-либо стимулов, кроме питания постоянного тока. Это создает сигнал переменного тока на выходе.
Генераторы прямоугольных импульсов
Генераторы прямоугольных импульсов обычно используются в электронике и при обработке сигналов. Это похоже на схему триггера Шмитта, в которой опорное напряжение для компаратора зависит от выходного напряжения. Также говорят, что это нестабильный мультивибратор.
Генератор прямоугольных импульсов, очевидно, генерирует прямоугольные импульсы. Однако это также может регулироваться по отношению метки к пробелу и часто используется для схем синхронизации, импульсов и синхронизации. Один из самых простых способов генерировать прямоугольную волну — использовать релаксационный генератор.
Осцилляторы релаксации
Осцилляторы релаксации имеют два чередующихся состояния: длительный период релаксации, в течение которого система приходит в состояние покоя, и затем короткий период переключения, в течение которого стабильная точка переходит во второе устойчивое состояние на период, а затем возвращается обратно.
снова. Период задается постоянной времени, которая обычно представляет собой пару RC или LC.
Необходимо какое-то активное коммутационное устройство, например, пара транзисторов, или однопереходный транзистор, или компаратор на операционном усилителе, или нестандартная микросхема, такая как таймер 555. Активное устройство переключается между режимами зарядки и разрядки, создавая повторяющийся сигнал.
Чтобы любой осциллятор мог считаться релаксационным осциллятором, он должен:
- Производить несинусоидальный периодический сигнал, такой как треугольная, квадратная или прямоугольная волна.
- Схема релаксационного генератора должна быть нелинейной. Это означает, что в конструкции схемы должно использоваться полупроводниковое устройство, такое как транзистор, МОП-транзистор или операционный усилитель.
- В схеме должен использоваться компонент, накапливающий энергию, такой как катушка индуктивности или конденсатор, который непрерывно заряжается и разряжается для создания циклического сигнала.
Качели A показывают качели в состоянии равновесия и «расслабления», но по мере того, как ведро медленно наполняется, достигается критическая точка опрокидывания. Состояние быстро меняется, когда конец ковша опускается и ковш вываливается наружу. По мере опорожнения ведра левая сторона внезапно становится намного тяжелее и снова падает на землю, а затем ведро поднимается и снова начинает наполняться. (Предположим, что он снова исправляет себя). В электронной схеме это то, что происходит: конденсатор медленно заряжается через резистор, пока не будет достигнута нелинейная часть схемы, вызывающая внезапный разряд, и цикл начинается снова.
На графике выше и схеме мультивибратора ниже синяя кривая показывает напряжение на одном из конденсаторов C1. Он заряжается до тех пор, пока не будет достигнута точка срабатывания смещения, затем внезапно включается другой транзистор, а затем снова разряжается. Черная кривая — это напряжение на коллекторе, которое является выходом.
Ниже показана схема мультивибратора и макетная плата. Два светодиода попеременно мигают с частотой около 1,5 Гц. Транзисторы — любые транзисторы NPN GP. Соотношение меток и пробелов можно варьировать, изменяя C и/или R на одной половине.
R1 и R4 — 560 Ом, R2 и R3 — 47 кОм, а C1 и C2 — 10 мкФ.
Ниже приведена кривая напряжения коллектора.
Здесь показан прямоугольный сигнал на выходе описанной выше схемы мультивибратора. Вы можете видеть, что прямоугольная волна довольно хороша, но есть небольшая задержка зарядки.
Период каждой половины равен 0,69CR. Таким образом, если R2 равен 47 кОм, а C1 — 10 мкФ, это будет 0,32 с на половину или 0,64 вместе. Тогда f = 1/0,64 = 1,5 Гц.
Хороший релаксационный генератор можно сделать из любых инвертирующих вентилей. Хотя два вентиля будут работать (NOR, NAND, OR, Schmitt), три дают лучший запуск.
Частота устанавливается R1 и C1:
Итак, здесь у нас есть
, что дает 45 Гц.
Частота регулируется в диапазоне 10:1, а выход устанавливается резистором R4. R3 предназначен для обратной связи и не участвует в синхронизации. Форма волны красивая и квадратная.
При R1=100k, C=0,004 f=1 кГц, C=0,04 f=100 Гц, C=0,4 f=10 Гц.
Это все, что касается прямоугольных генераторов! Хороший осциллятор можно сделать из знаменитого таймера 555, и мы рассмотрим это в следующей статье о генераторах пилообразной и треугольной волны. Оставьте комментарий ниже, если у вас есть вопросы о чем-либо!
Создание генератора прямоугольных импульсов с быстрым фронтом — Блог — Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом
- Введение
- Как это работает?
- Строительство
- Части
- Пробуем
- Краткое содержание
Иногда полезно иметь возможность генерировать сигналы с острыми краями! Это может быть удобно для экспериментов с рефлектометром во временной области (TDR) или для проверки тестового оборудования.
Я хотел его для проверки методов зондирования, а также для запуска тестируемого оборудования. В этом сообщении блога описывается попытка получить эту возможность. Это очень быстрый проект, который можно собрать за день.
Есть много хороших способов сделать высокоскоростные переходы, метод, который я использовал, довольно типичен, чтобы получить время перепада менее 1 наносекунды. Он основан на использовании логики серии 74AC, которая работает быстро! Схема состоит из генератора, подключенного к четырем логическим элементам параллельно для увеличения выходного тока.
Генератор U1 подключен к переключателю и генерирует переключаемые выходные сигналы с частотой 100 кГц, 1 МГц и 10 МГц. Значения можно изменить, изменив значение R1. R1 может быть потенциометром, если требуется регулируемая возможность.
Выход поступает на четыре логических элемента, используемых в качестве буферов. Выходы запараллелены резисторами на 200 Ом, что приблизительно соответствует выходному импедансу 50 Ом.
Выходной разъем J1 подает сигнал прямоугольной формы во внешний мир.
Из-за высокоскоростных переходов я решил построить его на плате с медным покрытием, используя детали для поверхностного монтажа, но все детали по-прежнему довольно большие и их легко паять вручную. Во всяком случае, для него есть дизайн печатной платы (файлы прикреплены к нижней части этого сообщения в блоге), но я не тестировал его.
У каждого есть свои любимые методы прототипирования, я считаю, что наклеивание медной ленты поверх каптоновой ленты полезно для направляющих питания. Я использовал канцелярский нож, чтобы вырезать медный слой, чтобы сделать площадку для центрального контакта выходного разъема (разъем SMA). Логическая микросхема была размещена прямо поверх каптоновой ленты — это небольшая альтернатива подходу «мертвая ошибка» (перевернутая микросхема), который может затруднить отслеживание выводов микросхемы задом наперед.
Я попытался сделать вывод как можно лучше, используя провода одинаковой длины для каждого из четырех входов логических вентилей.
Я не знаю, имеет ли это какое-то значение. В любом случае это неточно, потому что металлические выводы внутри пластикового корпуса микросхемы тоже немного разной длины.
Для выходных соединений логических вентилей я также попытался соединить их на равном расстоянии поверх чипа, так как это было удобно. Четыре выходных резистора установлены вертикально, как показано на фото ниже. Длина провода от него до выходного разъема должна быть короткой.
При проектировании печатной платы я снова попытался сохранить сигналы одинаковой длины. Поскольку я не собирал версию печатной платы, я не могу быть уверен, что она работает так же хорошо или лучше/хуже, чем прототип ( Редактировать: версия печатной платы теперь собрана и работает лучше ).
Все резисторы имеют размер 0805 (0603 подойдет), а керамические конденсаторы имеют размер 0603. Гнездо постоянного тока — FC68148FC68148 (могут подойти и другие), а трехпозиционный переключатель — код детали OS203011MA2QP1OS203011MA2QP1.
Подходит большинство разъемов SMA для монтажа на печатную плату, например 3-14789.78-13-1478978-1 . Подходящим корпусом является Hammond 1593KGY 1593KGY или 1593KBK 1593KBK, но плата крошечная (50 x 50 мм или 50 x 28 мм, если неиспользуемая часть отрезана), поэтому она потенциально подходит для множества различных корпусов.
Везде я использовал 1% толстопленочные резисторы (упоминаю это на всякий случай, чтобы на выходе была заметная разница — не знаю), кроме R1, который задает время — это было более точно и более термостабильный тонкопленочный резистор.
Конкретная логическая ИС, которую я использовал, была частью Fairchild 74AC02 размера SOIC. Он больше не доступен, но я думаю, что On Semi MC74AC02DG MC74AC02DG должны быть идентичны или не иметь существенной разницы (Редактирование : с упомянутой частью On Semi версия для печатной платы достигла времени нарастания 500 пс и времени спада 420 пс ).
Я подключил выход к осциллографу и установил входное сопротивление 50 Ом.
На приведенной ниже трассе показан результат, а автоматическое измерение в нижней части снимка экрана показывает, что время нарастания составляло примерно 550 пикосекунд. Время падения было немного медленнее, оно составило около 750 пикосекунд.
На приведенном ниже снимке экрана показана пульсация края, увеличенная для нарастающего и спадающего фронтов:
При очень небольших затратах можно создать инструмент для быстрой генерации прямоугольных импульсов с краем, используя логику 74AC. ворота и не более. У него есть тестовое применение, но, возможно, однажды его можно будет использовать даже для экспериментов с высокоскоростной фотографией, быстро освещая объект в направлении открытого затвора.
Достигнутое время нарастания 550 пикосекунд и время спада 750 пикосекунд, конечно, не самое современное, но это самый быстрый простой инструмент, который у меня есть на данный момент, и он пригодится для экспериментов. . Для сравнения, он примерно в десять раз быстрее генераторов импульсов серии HP 811x, но они устарели (хотя на eBay все еще дороги!).
