Электрический импульс — это кратковременный всплеск напряжения или силы тока. То есть это такое событие в цепи, при котором напряжение резко повышается в несколько раз, а затем так же резко падает к исходной величине. Самый понятный пример — электрический импульс, заставляющий наше сердце биться. Самое же большое количество импульсов возникает у нас в нервных клетках головного и спинного мозга. Мы мыслим и решаем уроки благодаря электрическим импульсам! А что в электронике? В электронике импульсы применяются повсеместно. Например, в микроконтроллерах или даже в полноценных процессорах домашнего компьютера электрические импульсы задают ритм его работы. Они еще называются тактовыми, или синхро-импульсами. Порой быстродействие вычислительных машин сравнивают именно при помощи значений тактовой частоты. Все данные внутри электронных устройств тоже передаются при помощи импульсов. Наш интернет, проводной и беспроводной, сотовая связь и даже пульт от телевизора — все используют импульсный сигнал. Попробуем выполнить несколько заданий и на собственном опыте понять особенности генерации электрических импульсов. А начнем мы со знакомства с их важными характеристиками.
1. Период и скважность импульсного сигнала
Представим себе, что мы готовимся к встрече Нового Года и нам просто необходимо сделать мигающую гирлянду. Поскольку мы не знаем, как заставить её мигать самостоятельно, сделаем гирлянду с кнопкой. Будем сами нажимать на кнопку, соединяя тем самым цепь гирлянды с источником питания и заставляя лампочки зажигаться. Принципиальная схема гирлянды с ручным управлением будет выглядеть так:Внешний вид макет
Собираем схему и проводим небольшой тест. Попробуем управлять гирляндой согласно нехитрому алгоритму:
- нажимаем на кнопку;
- ждем 1 секунду;
- отпускаем кнопку;
- ждем 2 секунды;
- переходим к пункту 1.
У данного сигнала мы можем определить период повторения и частоту. Период повторения (T)
— это отрезок времени, за который гирлянда возвращается в исходное состояние. На рисунке хорошо виден этот отрезок, он равен трем секундам. Величина обратная периоду повторения называется частотой периодического сигнала (F)
. Частота сигнала измеряется в Герцах. В нашем случае:
F = 1/T = 1/3 = 0.33 Гц
Период повторения можно разбить на две части: когда гирлянда горит и когда она не горит. Отрезок времени, в течение которого гирлянда горит называется длительностью импульса (t)
.
А теперь самое интересное! Отношение периода повторения (T) к длительности импульса (t) называется скважностью
.
S = T / t
Скважность нашего сигнала равна S = 3/1 = 3.
Скважность величина безразмерная.
В англоязычной литературе принят другой термин — коэффициент заполнения (Duty cycle)
. Это величина, обратная скважности.
D = 1 / S = t / T
В случае нашей гирлянды коэффициент заполнения равен:
D = 1 / 3 = 0.33(3) ≈ 33%
Этот параметр более нагляден. D = 33% означает, что треть периода занята импульсом. А, например, при D = 50% длительность высокого уровня сигнала на выходе таймера будет равна длительности низкого уровня.
2. Генерация импульсного сигнала при помощи микросхемы 555
Теперь попробуем заменить человека и кнопку, ведь мы не хотим весь праздник включать и выключать гирлянду каждые 3 секунды. В качестве автоматического генератора импульсов используем очень известную микросхему семейства 555. Микросхема 555 — это генератор одиночных или периодических импульсов с заданными характеристиками. По-другому данный класс микросхем называют таймерами. Существуют разные модификации таймера 555, разработанные разными компаниями: КР1006ВИ1, NE555, TLC555, TLC551, LMC555. Как правило, все они имеют одинаковый набор выводов.
Также производители выделяют два режима работы таймера: одновибратор и мультивибратор. Нам подойдет второй режим, именно в нем таймер будет непрерывно генерировать импульсы с заданными параметрами.
Для примера, подключим к таймеру 555 один светодиод. Причем, используем вариант, когда положительный вывод светодиода соединяется с питанием, а земля к таймеру. Позже будет понятно, почему мы делаем именно так.
Принципиальная схема
Внешний вид макета
Примечание.
Конденсатор C2 в схеме можно не использовать.
В этой схеме есть три компонента без номиналов: резисторы Ra и Rb, а также конденсатор C1 (далее просто C). Дело в том, что именно с помощью этих элементов настраиваются нужные нам характеристики генерируемого импульсного сигнала. Делается это с помощью несложных формул, взятых из технической документации к микросхеме.
T = 1/F = 0.693*(Ra + 2*Rb)*C; (1)
t = 0.693*(Ra + Rb)*C; (2)
Ra = T*1.44*(2*D-1)/C; (3)
Rb = T*1.44*(1-D)/C. (4)
Здесь F — частота сигнала; T — период импульса; t — его длительность; Ra и Rb — искомые сопротивления. Исходя из этих формул, коэффициент заполнения не может быть меньше 50% (иначе мы получим отрицательное значение сопротивления). Вот это новость! А что же нам делать с гирляндой? Ведь согласно нашей постановке, коэффициент заполнения импульсного сигнала должен быть непременно 33%.
Чтобы обойти это ограничение имеется два способа. Первый способ заключается в использовании другой схемы подключения таймера. Существуют более сложные схемы, которые позволяют варьировать параметр D во всем диапазоне от 0 до 100%. Второй способ не требует переделки схемы. Мы просто-напросто инвертируем выход таймера!
Собственно, в предложенной выше схеме мы это уже и сделали. Вспомним, что катод светодиода мы соединили с выводом таймера. В этой схеме светодиод будет гореть, когда на выходе таймера будет низкий уровень.
Раз так, то нам нужно настроить сопротивления Ra и Rb схемы так, чтобы коэффициент заполнения D был равен 66.6%. Учитывая, что T = 3 сек, а D = 0.66, получаем:
Ra = 3*1.44*(2*0.66 — 1)/0.0001 = 13824 Ом
Rb = 3*1.44*(1-D)/0.0001 = 14688 Ом
На самом деле, если мы будет использовать более точные значения D, то получим Ra = Rb = 14400 Ом. Вряд ли мы найдем резистор с таким номиналом. Скорее всего нам потребуется поставить последовательно несколько резисторов, например: один резистор на 10 КОм и 4 штуки на 1 КОм. Для большей точности можем добавить еще два резистора по 200 Ом.
В результате должно получиться что-то подобное:
В этой схеме используются резисторы на 15 КОм.
3. Подключение группы светодиодов к таймеру 555
Теперь, когда мы научились задавать нужный ритм, соберем небольшую гирлянду. В новой схеме пять светодиодов будут включаться на 0.5 сек каждую секунду. Для такого ритма Ra = 0, Rb = 7.2 кОм. То есть, вместо резистора Ra мы можем поставить перемычку. Выход микросхемы 555 слишком слабый для того, чтобы одновременно зажечь 5 светодиодов. А ведь в настоящей гирлянде их может быть штук 15, 20 и более. Чтобы решить эту проблему, используем биполярный транзистор, работающий с режиме электронного ключа. Возьмем самый распространенный NPN транзистор 2N2222. Также в этой схеме можно использовать полевой N-канальный транзистор, например 2N7000. Нашим светодиодам потребуется токозадающий резистор. Суммарный ток пяти параллельно соединенных светодиодов должен быть равен I = 20 мА*5 = 100 мА. Напряжение питания всей схемы 9 Вольт. На светодиоде красного цвета напряжение падает на 2 Вольта. Таким образом закон ома на данном участке цепи имеет вид: 100 мА = (9В-2В)/R; отсюда R2 = 7В/0.1А = 70 Ом. Округлим сопротивление до 100 Ом, которое можно получить параллельным соединением двух резисторов на 200Ом. А можно и вовсе оставить один резистор на 200Ом, просто светодиоды будут гореть немного тусклее.Принципиальная схема
Внешний вид макета
Примечание.
Конденсатор C2 в схеме можно не использовать.
Собираем схему, подключаем батарейку и наблюдаем за результатом. Если все работает как надо, закрепим полученные знания, сделав несколько забавных устройств.
Задания
- Генератор звука. В схеме гирлянды заменить группу светодиодов на пьезодинамик. Увеличить частоту звука, например, до 100 Гц. Если поднять частоту до 15 кГц, то можно будет отпугивать комаров!
- Железнодорожный светофор. Подключить к таймеру два светодиода таким образом, чтобы один соединялся с таймером катодом, а второй анодом. Установить частоту импульсов — 1 Гц.
Заключение
Как уже говорилось, таймер 555 — очень популярная микросхема. Это объясняется тем, что большинству электронных устройств свойственны периодические процессы. Любой звук — это периодический процесс. ШИМ сигнал, управляющий скоростью двигателя — тоже периодический, причем с изменяющимся коэффициентом заполнения. И как уже говорилось, работа любого микроконтроллера и процессора основана на тактовом сигнале, имеющем очень точную частоту. На следующем уроке мы сделаем бинарные часы с помощью таймера и двоичного счетчика. Будет немного сложнее, но интереснее!Для начинающих радиолюбителей переход от создания простейших схем с применением резисторов, конденсаторов, диодов к созданию печатных плат с различными микросхемами, означает переход на новый уровень мастерства. Однако при этом схемы основываются на базе простейших микросхем, одной из которых является микросхема интегрального таймера NE555.
Изучение любой микросхемы следует начинать с фирменной документации - DATA SHEET. Для начала следует обратить внимание на расположение выводов и их назначение для таймер NE555 (рисунок 1). Иностранные компании, как правило, не предоставляют принципиальные схемы своих устройств. Однако микросхема таймера NE555 является достаточно популярной и имеет свой отечественный аналог КР1006ВИ1, схема которого представлена на рисунке 2.
Рисунок 1
1. Одновибратор на базе NE555 (рисунок 3).
Рисунок 3
Работа схемы: на вывод 2 микросхемы подается импульс низкого уровня. На выходе 3 микросхемы получается прямоугольный импульс, длительность которого определяется времязадающей RC-цепочкой (ΔT = 1,1*R*C). Сигнал высокого уровня на выводе 3 формируется до тех пор, пока не зарядится времязадающий конденсатор С до напряжения 2/3Uпит. Диаграммы работы одновибратора показаны на рисунке 4. Для формирования импульса запуска работы микросхемы можно воспользоваться механической кнопкой (рисунок 5) или полупроводниковым элементом.
Рисунок 4
Рисунок 5
Назначение схемы одновибратора на базе микросхемы интегрального таймера NE555 – создание временных выдержек от нескольких миллисекунд до нескольких часов.
2 Генераторы на базе интегрального таймера NE555
Генератор на базе NE555 способен вырабатывать импульсы с максимальной частотой в несколько килогерц для прямоугольных импульсов и с частотой в несколько мегагерц для импульсов не прямоугольной формы. Частота, как и в случае с одновибратором, будет определяться параметрами времязадающей цепи.
2.1 Генератор импульсов формы меандр на базе NE555
Схема такого генератора представлена на рисунке 6, а временные диаграммы работы генератора на рисунке 7. Отличительной особенностью генератора импульсов формы меандр является то, что время импульса и время паузы равны между собой.
Рисунок 6
Рисунок 7
Принцип действия схемы аналогичен схеме одновибратора. Исключение составляет лишь отсутствующий импульс запуска работы микросхемы таймера на выводе 2. Частота вырабатываемых импульсов определяется выражением f = 0,722/(R1*C1).
2.2 Генератор импульсов с регулируемой скважностью на базе NE555
Регулирование скважности вырабатываемых импульсов позволяет строить на базе NE555 широтно-импульсные генераторы. Скважность определяется отношением времени импульса к длительности импульса. Обратной величиной скважности является коэффициент заполнения (англ. Duty cycle). Схема генератора импульсов с регулируемой скважностью на базе NE555 представлена на рисунке 8.
Рисунок 8
Принцип работы схемы: время импульса и время паузы определяется временем заряда конденсатора С1. Сигнал высокого уровня формируется при заряде С1 по цепи R1-RP1-VD1. При достижении напряжения 2/3Uпит таймер переключается и конденсатор С1 разряжается по цепи VD2-RP1-R1. По достижению 1/3Uпит таймер снова переключается и цикл повторяется.
Регулировка времени заряда и разряда конденсатора С1 осуществляется переменным резистором RP1. При этом происходит изменение скважности выходных импульсов при постоянном периоде следования импульса.
Для проверки работоспособности микросхемы интегрального таймера NE555 можно собрать схему, представленную на рисунке 9 (схема в симуляторе Multisim).
Рисунок 9
Регулировка выходного напряжения осуществляется переменным резистором R1. На приведенной схеме достаточно просто разобраться в алгоритме работы таймера. При величине питающего напряжения 12В опорное значение напряжения для переключения микросхемы составляет 4В и 8В. При напряжении 7,8В (Рисунок 10) на выходе таймера – высокий уровень сигнала (светодиод LED1 не горит). При достижении 8В (рисунок 11) произойдет переключение микросхемы – загорается светодиод LED1. Дальнейшее увеличение напряжение никаких изменений в работе таймера не вызовет.
В радиолюбительской практике часто возникает необходимости использовать генератор синусоидальных колебаний. Применения ему можно найти самые разнообразные. Рассмотрим как создать генератор синусоидального сигнала на мосту Вина со стабильной амплитудой и частотой.
В статье описывается разработка схемы генератора синусоидального сигнала. Сгенерировать нужную частоту можно и программно:
Наиболее удобным, с точки зрения сборки и наладки, вариантом генератора синусоидального сигнала является генератор, построенный на мосту Вина, на современном Операционном Усилителе (ОУ).
Мост Вина
Сам по себе мост Вина является полосовым фильтром, состоящим из двух . Он выделяет центральную частоту и подавляет остальные частоты.
Мост придумал, Макс Вин еще в 1891 году. На принципиальной схеме, сам мост Вина обычно изображается следующим образом:
Картинка позаимствована у Википедии
Мост Вина обладает отношением выходного напряжения ко входному b=1/3 . Это важный момент, потому что этот коэффициент определяет условия стабильной генерации. Но об этом чуть позже
Как рассчитать частоту
На мосту Вина часто строят автогенераторы и измерители индуктивности. Чтобы не усложнять себе жизнь обычно используют R1=R2=R и C1=C2=C . Благодаря этому можно упростить формулу. Основная частота моста рассчитывается из соотношения:
f=1/2πRC
Практически любой фильтр можно рассматривать как делитель напряжения, зависящий от частоты. Поэтому при выборе номиналов резистора и конденсатора желательно, чтобы на резонансной частоте комплексное сопротивление конденсатора (Z), было равно, или хотя бы одного порядка с сопротивлением резистора.
Zc=1/ωC=1/2πνC
где ω (омега) — циклическая частота, ν (ню) — линейная частота, ω=2πν
Мост Вина и операционный усилитель
Сам по себе мост Вина не является генератором сигнала. Для возникновения генерации его следует разместить в цепи положительной обратной связи операционного усилителя. Такой автогенератор можно построить и на транзисторе. Но использование ОУ явно упростит жизнь и даст лучшие характеристики.
Коэффициент усиления на троечку
Мост Вина имеет коэффициент пропускания b=1/3 . Поэтому условием генерации является то, что ОУ должен обеспечивать коэффициент усиления равный трем. В таком случает произведение коэффициентов пропускания моста Вина и усиления ОУ даст 1. И будет происходить стабильная генерация заданной частоты.
Если бы мир был идеальным, то задав резисторами в цепи отрицательной обратной связи, нужный коэфф усиления, мы бы получили готовый генератор.
Это неинвертирующий усилитель и его коэффициент усиления определяется соотношением: K=1+R2/R1
Но увы, мир не идеален. … На практике оказывается, что для запуска генерации необходимо, чтобы в самый начальный момент коэфф. усиления был немного больше 3-х, а далее для стабильной генерации он поддерживался равным 3.
Если коэффициент усиления будет меньше 3, то генератор заглохнет, если больше — то сигнал, достигнув напряжения питания, начнет искажаться, и наступит насыщение.
При насыщении, на выходе будет поддерживаться напряжение, близкое к одному из напряжений питания. И будут происходить случайные хаотичные переключения между напряжениями питания.
Поэтому, строя генератор на мосте Вина, прибегают к использованию нелинейного элемента в цепи отрицательной обратной связи, регулирующего коэффициент усиления. В таком случае генератор будет сам себя уравновешивать и поддерживать генерацию на одинаковом уровне.
Стабилизация амплитуды на лампе накаливания
В самом классическом варианте генератора на мосте Вина на ОУ, применяется миниатюрная низковольтная лампа накаливания, которая устанавливается вместо резистора.
При включении такого генератора, в первый момент, спираль лампы холодная и ее сопротивление мало. Это способствует запуску генератора (K>3). Затем, по мере нагрева, сопротивление спирали увеличивается, а коэффициент усиления снижается, пока не дойдет до равновесия (K=3).
Цепь положительной обратной связи, в которую был помещен мост Вина, остается без изменений. Общая принципиальная схема генератора выглядит следующим образом:
Элементы положительной обратной связи ОУ определяют частоту генерации. А элементы отрицательной обратной связи — усиление.
Идея использования лампочки, в качестве управляющего элемента очень интересна и используется по сей день. Но у лампочки, увы, есть ряд недостатков:
- требуется подбор лампочки и токоограничивающего резистора R*.
- при регулярном использовании генератора, срок жизни лампочки обычно ограничивается несколькими месяцами
- управляющие свойства лампочки зависят от температуры в комнате.
Другим интересным вариантом является применение терморезистора с прямым подогревом. По сути, идея та же, только вместо спирали лампочки используется терморезистор. Проблема в том, что его нужно для начала найти и опять таки подобрать его и токоограничиващие резисторы.
Стабилизация амплитуды на светодиодах
Эффективным методом стабилизации амплитуды выходного напряжения генератора синусоидальных сигналов является применение в цепи отрицательной обратной связи ОУ светодиодов (VD1 и VD2 ).
Основной коэффициент усиления задается резисторами R3 и R4 . Остальные же элементы (R5 , R6 и светодиоды) регулируют коэффициент усиления в небольшом диапазоне, поддерживая генерацию стабильной. Резистором R5 можно регулировать величину выходного напряжения в интервале примерное 5-10 вольт.
В дополнительной цепи ОС желательно использовать низкоомные резисторы (R5 и R6 ). Это позволит пропускать значительный ток (до 5мА) через светодиоды и они будут находиться в оптимальном режиме. Даже будут немного светиться:-)
На показанной выше схеме, элементы моста Вина рассчитаны для генерации на частоте 400 Гц, однако они могут быть легко пересчитаны для любой другой частоты по формулам, представленным в начале статьи.
Качество генерации и применяемых элементов
Важно, чтобы операционный усилитель мог обеспечить необходимый для генерации ток и обладал достаточной полосой пропускания по частоте. Использование в качестве ОУ народных TL062 и TL072 дало очень печальные результаты на частоте генерации 100кГц. Форму сигнала было трудно назвать синусоидальной, скорее это был треугольный сигнал. Использование TDA 2320 дало еще более худший результат.
А вот NE5532 показа себя с отличной стороны, выдав на выходе сигнал очень похожий на синусоидальный. LM833 так же справилась с задачей на отлично. Так что именно NE5532 и LM833 рекомендуются к использованию как доступные и распространенные качественные ОУ. Хотя с понижением частоты гораздо лучше себя будут чувствовать и остальные ОУ.
Точность частоты генерации напрямую зависит от точности элементов частотозависимой цепи. И в данном случае важно не только соответствие номинала элемента надписи на нем. Более точные детали имеют лучшую стабильность величин при изменении температуры.
В авторском варианте были применены резистор типа С2-13 ±0.5% и слюдяные конденсаторы точностью ±2%. Применение резисторов указанного типа обусловлено малой зависимостью их сопротивления от температуры. Слюдяные конденсаторы так же мало зависят от температуры и имеют низкий ТКЕ.
Минусы светодиодов
На светодиодах стоит остановиться отдельно. Их использование в схеме синус генератора вызвано величиной падения напряжения, которое обычно лежит в интервале 1.2-1.5 вольта. Это позволяет получать достаточно высокое значение выходного напряжения.
После реализации схемы, на макетной плате, выяснилось, что из-за разброса параметров светодиодов, фронты синусоиды на выходе генератора не симметричны. Это немного заметно даже на приведенной выше фотографии. Помимо этого присутствовали небольшие искажения формы генерируемого синуса, вызванные недостаточной скоростью работы светодиодов для частоты генерации 100 кГц.
Диоды 4148 вместо светодиодов
Светодиоды были заменены на всеми любимые диоды 4148. Это доступные быстродействующие сигнальные диоды со скоростью переключения менее 4 нс. Схема при этом осталась полноценно работоспособной, от описанных выше проблем не осталось и следа, а синусоида приобрела идеальный вид.
На следующей схеме элементы моста вина рассчитаны на частоту генерации 100 кГц. Так же переменный резистор R5 был заменен на постоянные, но об этом позже.
В отличие от светодиодов, падение напряжения на p-n переходе обычных диодов составляет 0.6÷0.7 В, поэтому величина выходного напряжения генератора составила около 2.5 В. Для увеличения выходного напряжения возможно включение нескольких диодов последовательно, вместо одного, например вот так:
Однако увеличение количества нелинейных элементов сделает генератор более зависимым от внешней температуры. По этой причине было решено отказаться от такого подхода и использовать по одному диоду.
Замена переменного резистора постоянными
Теперь о подстроечном резисторе. Изначально в качестве резистора R5 был применен многооборотный подстроечный резистор на 470 Ом. Он позволял точно регулировать величину выходного напряжения.
При построении любого генератора крайне желательно наличие осциллографа. Переменный резистор R5 напрямую влияет на генерацию — как на амлитуду так и на стабильность.
Для представленной схемы генерация стабильна лишь в небольшом интервале сопротивлений этого резистора. Если соотношение сопротивлений больше требуемого — начинается клиппинг, т.е. синусоида будет подрезаться сверху и снизу. Если меньше — форма синусоиды начинает искажаться, а при дальнейшем уменьшении генерация глохнет.
Так же это зависит от используемого напряжения питания. Описываемая схема исходно была собрана на ОУ LM833 с питанием ±9В. Затем, без изменения схемы, ОУ были заменены на AD8616, а напряжение питания на ±2,5В (максимум для этих ОУ). В итоге такой замены синусоида на выходе подрезалась. Подбор резисторов дал значения 210 и 165 ом, вместо 150 и 330 соответственно.
Как подобрать резисторы «на глаз»
В принципе можно оставить и подстроечный резистор. Все зависит от требуемой точности и генерируемой частоты синусоидального сигнала.
Для самостоятельного подбора следует, в первую очередь, установить подстроечный резистор номиналом 200-500 Ом. Подав выходной сигнал генератора на осциллограф и вращая подстроечный резистор дойти до момента когда начнется ограничение.
Затем понижая амплитуду найти положение, в котором форма синусоиды будет наилучшей.Теперь можно выпаять подстроечник, замерить получившиеся величины сопротивлений и впаять максимально близкие значения.
Если вам требуется генератор синусоидального сигнала звуковой частоты, то можно обойтись и без осциллографа. Для этого, опять таки, лучше дойти до момента когда сигнал, на слух, начнет искажаться из-за подрезания, а затем убавить амплитуду. Убавлять следует до тех пор пока искажения не пропадут, а затем еще немного. Это необходимо т.к. на слух не всегда можно уловить искажения и в 10%.
Дополнительное усиление
Генератор синуса был собран на сдвоенном ОУ, и половина микросхемы осталась висеть в воздухе. Поэтому логично задействовать ее под регулируемый усилитель напряжения. Это позволило перенести переменный резистор из дополнительной цепи ОС генератора в каскад усилителя напряжения для регулировки выходного напряжения.
Применение дополнительного усилительного каскада гарантирует лучшее согласование выхода генератора с нагрузкой. Он был построен по классической схеме неинвертирующего усилителя.
Указанные номиналы позволяют изменять коэффициент усиления от 2 до 5. При необходимости номиналы можно пересчитать под требуемую задачу. Коэффициент усиления каскада задается соотношением:
K=1+R2/R1
Резистор R1 представляет из себя сумму последовательно включенных переменного и постоянного резисторов. Постоянный резистор нужен, чтобы при минимальном положении ручки переменного резистора коэффициент усиления не ушел в бесконечность.
Как умощнить выход
Генератор предполагался для работы на низкоомную нагрузку в несколько Ом. Разумеется ни один маломощный ОУ не сможет выдать необходимый ток.
Для умощнения, на выходе генератора разместился повторитель на TDA2030. Все вкусности такого применения этой микросхемы описаны в статье .
А вот так собственно выглядит схема всего синусоидального генератора с усилителем напряжения и повторителем на выходе:
Генератор синуса на мосту Вина можно собрать и на самой TDA2030 в качестве ОУ. Все зависит от требуемой точности и выбранной частоты генерации.
Если нет особых требований к качеству генерации и требуемая частота не превышает 80-100 кГц, но при этом предполагается работа на низкоомную нагрузку, то этот вариант вам идеально подойдет.
Заключение
Генератор на мосту Вина — это не единственный способ генерации синусоиды. Если вы нуждаетесь в высокоточной стабилизации частоты то лучше смотреть в сторону генераторов с кварцевым резонатором.
Однако, описанная схема, подойдет для подавляющего большинства случаев, когда требуется получение стабильного, как по частоте так и по амплитуде, синусоидального сигнала.
Генерация это хорошо, а как точно измерить величину переменного напряжения высокой частоты? Для это отлично подходит схема которая называется .
Материал подготовлен исключительно для сайта
Путь в радиолюбительство начинается, как правило, с попытки сборки несложных схем. Если сразу же после сборки схема начинает подавать признаки жизни, - мигать, пищать, щелкать или разговаривать, то путь в радиолюбительство почти открыт. Насчет «разговаривать», скорее всего, получится не сразу, для этого придется прочитать немало книг, спаять и наладить некоторое количество схем, может быть, сжечь большую или маленькую кучу деталей (лучше маленькую).
А вот мигалки и пищалки получаются практически у всех и сразу. И лучшего элемента, чем найти для этих опытов, просто не удастся. Для начала рассмотрим схемы генераторов, но перед этим обратимся к фирменной документации - DATA SHEET. Прежде всего, обратим внимание на графическое начертание таймера, которое показано на рисунке 1.
А на рисунке 2 показано изображение таймера из отечественного справочника. Здесь оно приведено просто для возможности сравнения обозначений сигналов у них и у нас, к тому же «наша» функциональная схема показана более подробно и понятно.
Рисунок 1.
Рисунок 2.
Одновибратор на базе 555
На рисунке 3 изображена схема одновибратора. Нет, это не половинка мультивибратора, хотя сам он вырабатывать колебания не может. Ему требуется посторонняя помощь, пусть даже небольшая.
Рисунок 3. Схема одновибратора
Логика действия одновибратора достаточно проста. На вход запуска 2 подается кратковременный импульс низкого уровня, как показано на рисунке. В результате на выходе 3 получается прямоугольный импульс длительностью ΔT = 1,1*R*C. Если подставить в формулу R в омах, а C в фарадах, то время T получится в секундах. Соответственно при килоомах и микрофарадах результат будет в миллисекундах.
А на рисунке 4 показано, как сформировать запускающий импульс с помощью простой механической кнопки, хотя это вполне может быть полупроводниковый элемент, - микросхема или транзистор.
Рисунок 4.
В целом одновибратор (иногда называют моновибратор, а у бравых военных в ходу было слово кипп-реле) работает следующим образом. При нажатии на кнопку, импульс низкого уровня на выводе 2 приводит к тому, что на выходе таймера 3 устанавливается высокий уровень. Неспроста этот сигнал (вывод 2) в отечественных справочниках называется запуском.
Транзистор, соединенный с выводом 7 (DISCHARGE) в этом состоянии закрыт. Поэтому, ничто не мешает заряжаться времязадающему конденсатору C. Во времена кипп-реле, конечно, никаких 555 не было, все делалось на лампах, в лучшем случае на дискретных транзисторах, но алгоритм работы был такой же.
Пока конденсатор заряжается, на выходе удерживается напряжение высокого уровня. Если в это время на вход 2 подать еще импульс, состояние выхода не изменится, длительность выходного импульса таким образом уменьшить или увеличить нельзя, повторного запуска одновибратора не произойдет.
Другое дело, если подать импульс сброса (низкий уровень) на 4 вывод. На выходе 3 сразу же появится низкий уровень. Сигнал «сброс» имеет высший приоритет, и поэтому может быть подан в любой момент.
По мере заряда напряжение на конденсаторе возрастает, и, в конце концов, достигает уровня 2/3U. Как было рассказано в предыдущей статье, это есть уровень срабатывания, порог, верхнего компаратора, который приводит к сбросу таймера, что является окончанием выходного импульса.
На выводе 3, появляется низкий уровень и в этот же момент открывается транзистор VT3, который разряжает конденсатор C. На этом формирование импульса заканчивается. Если после окончания выходного импульса, но не раньше, подать еще один запускающий импульс, то на выходе сформируется выходной, такой же, как и первый.
Конечно, для нормальной работы одновибратора запускающий импульс должен быть короче, чем импульс, формирующийся на выходе.
На рисунке 5 показан график работы одновибратора.
Рисунок 5. График работы одновибратора
Как можно использовать одновибратор?
Или как говаривал кот Матроскин: «А какая от этого одновибратора польза будет?» Можно ответить, что достаточно большая. Дело в том, что диапазон выдержек времени, который можно получить от этого одновибратора, может достигать не только несколько миллисекунд, но и доходить до нескольких часов. Все зависит от параметров времязадающей RC цепочки.
Вот, пожалуйста, почти готовое решение для освещения длинного коридора. Достаточно дополнить таймер исполнительным реле или нехитрой тиристорной схемой, а в концах коридора поставить пару кнопок! Кнопку нажал, прошел коридор, и не надо заботиться о выключении лампочки. Все произойдет автоматически по окончании выдержки времени. Ну, это просто информация к размышлению. Освещение в длинном коридоре, конечно, не единственный вариант применения одновибратора.
Как проверить 555?
Проще всего спаять несложную схему, для этого почти не понадобится навесных деталей, если не считать таковыми единственный переменный резистор и светодиод для индикации состояния выхода.
У микросхемы следует соединить выводы 2 и 6 и подать на них напряжение, изменяемое переменным резистором. К выходу таймера можно подсоединить вольтметр или светодиод, конечно же, с ограничительным резистором.
Но можно ничего и не паять, более того, провести опыты даже при «наличии отсутствия» собственно микросхемы. Подобные исследования можно проделать с помощью программы - симулятора Multisim. Конечно, такое исследование очень примитивно, но, тем не менее, позволяет познакомиться с логикой работы таймера 555. Результаты «лабораторной работы» показаны на рисунках 6, 7 и 8.
Рисунок 6.
На этом рисунке можно увидеть, что входное напряжение регулируется переменным резистором R1. Около него можно рассмотреть надпись «Key = A», говорящую о том, что величину резистора можно изменять, нажимая клавишу A. Минимальный шаг регулировки 1%, вот только огорчает, что регулирование возможно лишь в сторону увеличения сопротивления, а уменьшение возможно только «мышкой».
На этом рисунке резистор «уведен» до самой «земли», напряжение на его движке близко к нулю (для наглядности измеряется мультиметром). При таком положении движка на выходе таймера высокий уровень, поэтому выходной транзистор закрыт, и светодиод LED1 не светится, о чем говорят его белые стрелки.
На следующем рисунке показано, что напряжение несколько увеличилось.
Рисунок 7.
Но увеличение происходило не просто так, а с соблюдением некоторых границ, а, именно, порогов срабатывания компараторов. Дело в том, что 1/3 и 2/3, если выразить в десятичных дробях в процентах будут 33,33… и 66,66… соответственно. Именно в процентах показана введенная часть переменного резистора в программе Multisim. При напряжении питания 12В это получится 4 и 8 вольт, что достаточно удобно для исследования.
Так вот, на рисунке 6 показано, что резистор введен на 65%, а напряжение на нем 7,8В, что несколько меньше расчетных 8 вольт. При этом светодиод на выходе погашен, т.е. на выходе таймера до сих пор высокий уровень.
Рисунок 8.
Дальнейшее незначительное увеличение напряжения на входах 2 и 6, всего на 1 процент (меньше не дают возможности программы) приводит к зажиганию светодиода LED1, что и показано на рисунке 8, - стрелочки возле светодиода приобрели красный оттенок. Такое поведение схемы говорит о том, что симулятор Multisim работает достаточно точно.
Если продолжить увеличивать напряжение на выводах 2 и 6, то никакого изменения на выходе таймера не произойдет.
Генераторы на таймере 555
Диапазон частот, генерируемый таймером, достаточно широк: от самой низкой частоты, период которой может достигать нескольких часов, до частот в несколько десятков килогерц. Все зависит от элементов времязадающей цепи.
Если не требуется строго прямоугольная форма сигнала, то можно сгенерировать частоту до нескольких мегагерц. Иногда такое вполне допускается, - форма не важна, но импульсы присутствуют. Чаще всего такая небрежность по поводу формы импульсов допускается в цифровой технике. Например, счетчик импульсов реагирует на фронт или спад импульса. Согласитесь, в этом случае «прямоугольность» импульса никакого значения не имеет.
Генератор импульсов формы меандр
Один из возможных вариантов генератора импульсов формы меандр показан на рисунке 9.
Рисунок 9. Схема генераторов импульсов формы меандр
Временные диаграммы работы генератора показаны на рисунке 10.
Рисунок 10. Временные диаграммы работы генератора
Верхний график иллюстрирует сигнал на выходе (вывод 3) таймера. А на нижнем графике показано, как изменяется напряжение на времязадающем конденсаторе.
Все происходит точно так же, как уже было рассмотрено в схеме одновибратора показанной на рисунке 3, только не используется запускающий одиночный импульс на выводе 2.
Дело в том, что при включении схемы на конденсаторе C1 напряжение равно нулю, именно оно и переведет выход таймера в состояние высокого уровня, как показано на рисунке 10. Конденсатор C1 начинает заряжаться через резистор R1.
Напряжение на конденсаторе возрастает по экспоненте до тех пор, пока не достигнет порога верхнего порога срабатывания 2/3*U. В результате таймер переключается в нулевое состояние, поэтому конденсатор C1 начинает разряжаться до нижнего порога срабатывания 1/3*U. По достижении этого порога на выходе таймера устанавливается высокий уровень и все начинается сначала. Формируется новый период колебаний.
Здесь следует обратить внимание на то, что конденсатор C1 заряжается и разряжается через один и тот же резистор R1. Поэтому время заряда и разряда равны, а, следовательно, форма колебаний на выходе такого генератора близка к меандру.
Частота колебаний такого генератора описывается очень сложной формулой f = 0,722/(R1*C1). Если сопротивление резистора R1 при расчетах указать в Омах, а емкость конденсатора C1 в Фарадах, то частота получится в Герцах. Если же в этой формуле сопротивление будет выражено в килоомах (КОм), а емкость конденсатора в микрофарадах (мкФ) результат получится в килогерцах (КГц). Чтобы получился генератор с регулируемой частотой, то достаточно резистор R1 заменить переменным.
Генератор импульсов с регулируемой скважностью
Меандр, конечно, хорошо, но иногда возникают ситуации, требующие регулирования скважности импульсов. Именно так осуществляется регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока (ШИМ регуляторы), это которые с постоянным магнитом.
Меандром называют прямоугольные импульсы, у которых время импульса (высокий уровень t1) равно времени паузы (низкий уровень t2). Такое название в электронику пришло из архитектуры, где меандром называют рисунок кирпичной кладки. Суммарное время импульса и паузы называют периодом импульса (T = t1 + t2).
Скважность и Duty cycle
Отношение периода импульса к его длительности S = T/t1 называется скважностью. Это величина безразмерная. У меандра этот показатель равен 2, поскольку t1 = t2 = 0,5*T. В англоязычной литературе вместо скважности чаще применяется обратная величина, - коэффициент заполнения (англ. Duty cycle) D = 1/S, выражается в процентах.
Если несколько усовершенствовать генератор, показанный на рисунке 9, можно получить генератор с регулируемой скважностью. Схема такого генератора показана на рисунке 11.
Рисунок 11.
В этой схеме заряд конденсатора C1 происходит по цепи R1, RP1, VD1. Когда напряжение на конденсаторе достигнет верхнего порога 2/3*U, таймер переключается в состояние низкого уровня и конденсатор C1 разряжается по цепи VD2, RP1, R1 до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не упадет до нижнего порога 1/3*U, после чего цикл повторяется.
Изменение положения движка RP1 дает возможность регулировать длительность заряда и разряда: если длительность заряда возрастает, то уменьшается время разряда. При этом период следования импульса остается неизменным, меняется только скважность, или коэффициент заполнения. Ну, это как кому удобней.
На основе таймера 555 можно сконструировать не только генераторы, но и еще много полезных устройств, о которых будет рассказано в следующей статье. Кстати, существуют программы - калькуляторы для расчета частоты генераторов на таймере 555, а в программе - симуляторе Multisim для этих целей есть специальная закладка.
Борис Аладышкин,
Продолжение статьи:
Резистором R1 регулируется частота следования импульсов. Резистором R2 регулируется длительность импульсов. Конденсатором С3 задается частотный диапазон.
Принцип работы схемы генератора
Пока конденсатор С3 заряжается через резистор R2 диод VD1, на выходе 3 микросхемы высокий уровень напряжения (на пол Вольта меньше по отношению к источнику питания). Транзистор в это время открыт. После зарядки конденсатора выход микросхемы переключается в низкий уровень. Транзистор закрывается. Одновременно переключается на массу вывод 7 микросхемы. Конденсатор С3 разряжается через этот выход и резистор R1. Далее процесс повторяется.
При указанных номиналах частота генератора находится в пределах 10 - 300 КГц. Минимальная длина импульса 1 мкс. Увеличение емкости конденсатора, скажем в десять раз до 1 нф, снижает диапазон до 1-30 КГц. При емкости 2,2 нф генератор перекрывает практически весь звуковой диапазон.
Резистор R2 не должен быть ниже 1 КОм. Иначе нарушается пропорциональность, поскольку у вывода 7 достаточно высокое сопротивление.