Funktionsgenerator kredsløb ved hjælp af en enkelt IC 4049

Funktionsgenerator kredsløb ved hjælp af en enkelt IC 4049

I dette indlæg lærer vi at opbygge 3 enkle funktionsgeneratorkredsløb ved hjælp af en enkelt IC 4049 til generering af nøjagtige firkantbølger, trekantbølger og sinusbølger gennem nem switch-operation.



Brug kun en billig pris CMOS IC 4049 og en håndfuld separate moduler er det let at oprette en robust funktionsgenerator, der giver en række tre bølgeformer rundt om og ud over lydspektret.

Formålet med artiklen var at skabe en grundlæggende, omkostningseffektiv, open source-frekvensgenerator, der er let at konstruere og bruge af alle hobbyfolk og laboratoriefagfolk.





Dette mål er utvivlsomt opnået, da kredsløbet tilvejebringer en række forskellige sinus-, firkant- og trekantbølgeformer, og et frekvensspektrum fra ca. 12 Hz til 70 KHz anvender kun en enkelt CMOS-hex-inverter IC og et par separate elementer.

Ingen tvivl om, at arkitekturen muligvis ikke leverer effektiviteten af ​​mere avancerede kredsløb, især med hensyn til bølgeformkonsistens ved øgede frekvenser, men det er ikke desto mindre et utroligt praktisk instrument til lydanalyse.




For en Bluetooth-version, du kan Læs denne artikel


Blokdiagram

Grundlæggende om kredsløbets drift fra ovenstående viste blokdiagram. Funktionsgeneratorens hovedsektion er en trekant / kvadratbølgenerator, der består af en integrator og en Schmit-udløser.

Når udgangen fra Schmitt-udløseren er høj, giver spændingen, der tilføres tilbage fra Schmitt-udgangen til indgangen til integratoren, udgangen fra integratoren til at rampe negativt, før den overstiger Schmitt-udløserens lavere udgangsniveau.

På dette tidspunkt er Schmitt-triggerudgangen langsom, så den lille spænding, der føres tilbage til input fra integratoren, gør det muligt at rampe op positivt, før Schmitt-triggerens øvre triggerniveau nås.

Schmitt-triggerens output går højt igen, og integrater-outputen spikes negativt igen og så videre.

Integratorudgangens positive og negative fejninger repræsenterer en trekantet bølgeform, hvis amplitude beregnes af Schmitt-triggerens hysterese (dvs. forskellen mellem de høje og lave triggergrænser).

Schmitt-triggerproduktionen er naturligvis en firkantet bølge, der består af skiftende høje og lave outputtilstande.

Trekantudgangen leveres til en diodeformer gennem en bufferforstærker, der afrunder højder og lavt i trekanten for at skabe et omtrentligt til et sinusbølgesignal.

Derefter kan hver af de 3 bølgeformer vælges af en 3-vejs-omskifter S2 og leveres til en outputbufferforstærker.

Sådan fungerer kredsløbet

simpelt funktionsgenerator kredsløb

Hele kredsløbsdiagrammet for CMOS-funktionsgeneratoren som vist i figuren ovenfor. Integratoren er helt bygget ved hjælp af en CMOS-inverter, Nl, mens Schmitt-mekanismen indeholder 2 positive feedback-invertere. Det er N2 og N3.

Det følgende billede viser pinout-detaljerne i IC 4049 til anvendelse i ovenstående skematisk

IC 4049 pinout detaljer

Kredsløbet fungerer på denne måde i betragtning af i øjeblikket, at P2-viskeren er på sin laveste placering med N3-output, der er høj, en strøm svarende til:

Ub - U1 / P1 + R1

bevæger sig via R1 og p1, hvor Ub angiver forsyningsspændingen og N1-tærskelspændingen.

Da denne strøm ikke er i stand til at bevæge sig til inverterens høje impedansindgang, begynder den at bevæge sig mod C1 / C2 afhængigt af hvilken kondensator, der skiftes på linje af kontakten S1.

Spændingsfaldet over Cl falder således lineært, således at udgangsspændingen for N1 stiger lineært, før den nedre tærskelspænding for Schmitt-udløseren nærmer sig, ligesom udgangen af ​​Schmitt-udløseren bliver lav.

Nu en strøm svarende til -Ud / P1 + R1 strømmer gennem både R1 og P1.

Denne strøm flyder altid gennem C1, således at N1's udgangsspænding stiger eksponentielt, indtil Schmitt-triggerens maksimale grænsespænding er opnået, Schmitt-triggerens output stiger, og hele cyklussen begynder forfra.

For at opretholde trekantsbølgesymmetrien (dvs. den samme hældning for både de positive og de negativtgående dele af bølgeformen) skal kondensatorens belastnings- og afladningsstrømme være identiske, hvilket betyder Uj, -Ui skal være identisk med Ut.

Desværre er Ut normalt besluttet af CMOS-inverterparametrene 55%! Kildespændingen Ub = Ut er ca. 2,7 V med 6 V og Ut ca. ved 3,3 V.

Denne udfordring overvindes med P2, som kræver ændring af symmetrien. Overvej for øjeblikket, at thai R-er relateret til den positive forsyningslinje (position A).

Uanset indstillingen af ​​P2 forbliver Schmitt-triggerens høje udgangsspænding altid 11.

Ikke desto mindre, når N3-output er lavt, etablerer R4 og P2 en potentiel skillevæg, således at en spænding mellem 0 V og 3 V kan returneres tilbage til P1 baseret på P2s viskerkonfiguration.

Dette sikrer, at spændingen ikke længere er -Ut og men Up2-Ut. I tilfælde af at P2-skyderen er omkring 0,6 V, skal Up2-Ut være omkring -2,7 V, derfor vil strømmen til opladning og afladning være identisk.

På grund af tolerancen i værdien for Ut bør P2-justeringen naturligvis udføres for at matche specifik funktionsgenerator.

I situationer, hvor Ut er mindre end 50 procent af indgangsspændingen, kan det være passende at forbinde toppen af ​​R4 til jord (position B).

Et par frekvensskalaer kan findes, som tildeles ved hjælp af S1 12 Hz-1 kHz og 1 kHz til ca. 70 kHz.

Granulær frekvensstyring gives af P1, der ændrer strømmen af ​​ladning og afladning af C1 eller C2 og dermed frekvensen, gennem hvilken integratoren ramper op og ned.

Squarewave-output fra N3 sendes til en bufferforstærker via en bølgeformvælger, S2, der består af et par invertere, der er forspændt som en lineær forstærker (tilsluttet parallelt for at forbedre deres udgangsstrømeffektivitet).

Trekantbølgeoutputtet tilvejebringes gennem en bufferforstærker N4 og derfra ved hjælp af vælgerkontakten til bufferforstærkerudgangen.

Desuden føjes trekantsudgangen fra N4 til sinusformeren, der består af R9, R11, C3, Dl og D2.

D1 og D2 trækker lidt strøm op til omkring +/- 0,5 volt, men deres mangfoldige modstand falder ud over denne spænding og begrænser logaritmisk højder og nedture i trekantpulsen for at skabe et svar til en sinusbølge.

Sinusudgangen transmitteres til udgangsforstærkeren via C5 og R10.

P4, som varierer forstærkningen af ​​N4 og dermed amplituden af ​​den trekantpuls, der tilføres sinusformeren, ændrer sinustransparensen.

For lavt signalniveau, og amplituden af ​​trekanten ville være under diodens tærskelspænding, og det vil fortsætte uden ændringer, og for højt signalniveau, højder og nedture ville blive stærkt klippet, hvilket giver ikke godt dannet sinusbølge.

Outputbufferforstærkerens inputmodstande vælges således, at alle tre bølgeformer har en nominel spids til minimumudgangsspænding på omkring 1,2 V. Outputniveauet kan ændres gennem P3.

Opsætningsprocedure

Justeringsmetoden er simpelthen at ændre trekants symmetri og sinusbølgens renhed.

Derudover optimeres trekantsymmetrien ideelt ved at undersøge squarewave-input, da der produceres en symmetrisk trekant, hvis squarewave-duty cycle er 50% (1-1 mark-space).

For at gøre dette skal du justere den forudindstillede P2.

I en situation, hvor symmetrien øges, når P2-viskeren bevæges ned mod N3-udgangen, men korrekt symmetri ikke kunne opnås, skal den øverste del af R4 samles i den alternative position.

Renhed af sinusbølgen ændres ved at justere P4, indtil bølgeformen 'ser perfekt ud' eller ved kun at variere for minimal forvrængning, hvis der er en forvrængningsmåler at kontrollere.

Da forsyningsspændingen påvirker udgangsspændingen for de forskellige bølgeformer og derfor sinusens renhed, skal kredsløbet drives fra en robust 6 V forsyning.

Når batterier bruges som strømbatterier, skal de aldrig tvinges til at køre for meget nedad.

CMOS IC'erne, der bruges som lineære kredsløb, dræner højere strøm end i den sædvanlige skiftetilstand, og derfor må forsyningsspændingen ikke overstige 6 V, ellers kan IC'en varme op på grund af kraftig termisk spredning.

En anden god måde at opbygge et funktionsgenerator kredsløb på kan være gennem IC 8038, som forklaret nedenfor

Funktionsgenerator kredsløb ved hjælp af IC 8038

IC 8038 er en præcisionsbølgeformgenerator IC, der er specielt designet til at skabe sinus-, firkant- og trekantede udgangsbølgeformer ved at inkorporere mindst antal elektroniske komponenter og manipulationer.

Dets arbejdsfrekvensområde kunne bestemmes gennem 8 frekvensstrin, der starter fra 0,001Hz til 300kHz, gennem det passende valg af de vedhæftede RC-elementer.

Den oscillerende frekvens er ekstremt stabil uanset temperatur- eller forsyningsspændingsudsving over et bredt område.

Funktionsgenerator kredsløb ved hjælp af IC 8038

Derudover tilbyder IC 8038-funktionsgeneratoren et arbejdsfrekvensområde op til så stort som 1MHz. Alle de tre grundlæggende bølgeformudgange, sinusformede, trekantede og firkantede kan tilgås på samme tid gennem kredsløbets individuelle outputporte.

Frekvensområdet for 8038 kan varieres gennem en ekstern spænding, selvom responsen muligvis ikke er meget lineær. Den foreslåede funktionsgenerator giver også lignende justerbar trekantsymmetri og justerbar sinusbølgeforvrængningsniveau.

Funktionsgenerator Brug af IC 741

Dette IC 741-baserede funktionsgenerator kredsløb leverer øget test alsidighed sammenlignet med den typiske sinusbølgesignalgenerator, hvilket giver 1 kHz firkant og trekantbølger sammen, og det er både billigt og meget simpelt at konstruere. Som det ser ud, er output ca. 3V ptp på firkantbølge, og 2V r.m.s. i sinus-bølgen. En skiftet dæmper kan muligvis hurtigt medtages, hvis du vil være blidere mod det kredsløb, der testes.

Sådan samles

Begynd at fylde delene på printkortet som vist i komponentlayoutdiagrammet, og sørg for at indsætte zener, elektrolytik og IC'er korrekt.

Sådan konfigureres

For at opsætte det enkle funktionsgenerator kredsløb skal du bare finjustere RV1, indtil sinusbølgeformen er lidt under klipningsniveauet. Dette giver dig den mest effektive sinusbølge gennem oscillatoren. Kvadrat og trekant kræver ingen specifikke justeringer eller opsætninger.

Hvordan det virker

  1. I dette IC 741-funktionsgenerator kredsløb er IC1 konfigureret i form af en Wien-brooscillator, der fungerer ved 1 kHz frekvens.
  2. Amplitudekontrol leveres af dioderne D1 og D2. Outputtet fra denne IC drives enten til outputbøsningen eller til kvadratkredsløbet.
  3. Dette er forbundet til SW1a ved hjælp af C4, og det er en Schmidt-udløser (Q1 -Q2). Zener ZD1 fungerer som en 'hysterisisfri' trigger.
  4. IC2-, C5- og R10-integratoren genererer den trekantede bølge fra den indgående firkantbølge.

Enkel UJT-funktionsgenerator

Det unijunction oscillator vist nedenfor er blandt de nemmeste savtandsgeneratorer. De to udgange af dette giver, nemlig en savtandbølgeform og en sekvens af triggerimpulser. Bølgen skraler op fra omkring 2V (dalpunktet, Vv) til den maksimale top (Vp). Toppunktet afhænger af strømforsyningen Vs og stand-off BJT-forholdet, som kan variere fra ca. 0,56 til 0,75, hvor 0,6 er en fælles værdi. Perioden med en svingning er omtrent:

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

hvor '1n' angiver naturlig logaritmeforbrug. I betragtning af standardværdier er Vs = 6, Vv = 2 og det = 0,6, ovenstående ligning forenkler til:

t = RC x 1n (0,6)

UJT-baseret funktionsgenerator kredsløb

Da kondensatoropladning er trinvis, er savtandens stigende hældning ikke lineær. For mange lydapplikationer betyder det næppe noget. Figuren (b) viser ladekondensatoren via et konstantstrømskredsløb. Dette gør det muligt for skråningen at gå lige op.

Kondensatorens opladningshastighed er nu konstant uafhængig af Vs, selvom V stadig påvirker spidspunktet. Da strømmen er afhængig af transistorforstærkning, er der ingen enkel formel for frekvensmåling. Dette kredsløb er designet til at arbejde med lave frekvenser og har implementeringer som en rampegenerator.

Brug af LF353 op-forstærkere

To op-forstærkere bruges til at konstruere en præcis firkantbølge og trekantbølgegenerator kredsløb. LF353-sættet indeholder to JFET op-forstærkere, der er bedst egnet til denne applikation.

Udgangssignalfrekvenserne beregnes efter formlen f = 1 / RC . Kredsløbet viser et ekstremt bredt driftsområde med næsten ingen forvrængning.

R kan have en hvilken som helst værdi mellem 330 Ohm og omkring 4,7 M C kan have en hvilken som helst værdi fra omkring 220 pF til 2 uF.

Ligesom ovenstående koncept bruges to op-forstærkere i det næste sinusbølge en cosinusbølge funktionsgenerator kredsløb.

De genererer næsten identiske frekvenssinusbølgesignaler, men 90 ° ude af fase, og derfor betegnes output fra den anden op amp som en cosinusbølge.

Frekvensen påvirkes af indsamlingen af ​​acceptable R- og C-værdier. R er i området 220k til 10 M C er mellem 39pF og 22nF. Forbindelsen mellem R, C og / eller er lidt kompleks, da den skal afspejle værdierne for andre modstande og kondensatorer.

Brug R = 220k og C = 18nF som et startpunkt, der giver en frekvens på 250Hz. Zener-dioderne kan være laveffektdioder på 3,9V eller 4,7V.

Funktionsgenerator ved hjælp af TTL IC

Et par porte af en 7400 quad to-input NAND gate udgør det egentlige oscillatorkredsløb for dette TTL-funktionskredsløb. Krystallen og en justerbar kondensator fungerer som feedback-systemet på tværs af indgangen til gate U1-a og output fra gate U1-b. Port U1-c fungerer som en buffer mellem oscillatortrinet og outputtrinnet, U1-d.

Kontakt S1 fungerer som en manuel omskiftelig portkontrol for at skifte kvadratbølgeoutput fra U1-d ved pin 11 ON / OFF. Med S1 åben, som angivet, genereres firkantbølgen ved udgangen, og når den er lukket, er ligebølgeformen slukket.

Omskifteren kunne erstattes af en logisk port til digital kommando for output. En næsten ideel 6- til 8 volt peak-to-peak sinusbølge oprettes ved forbindelsespunktet for C1 og XTAL1.

Impedansen på dette kryds er meget høj og er umulig at give et direkte udgangssignal. Transistor Q1, opsat som en emitter-tilhængerforstærker, leverer en høj indgangsimpedans til sinusbølgesignalet og en lav udgangsimpedans til en ekstern belastning.

Kredsløbet vil skrue op næsten alle typer krystaller og køre med krystalfrekvenser på under 1 MHz til over 10 MHz.

Sådan opsættes

Opsætning af dette enkle TTL-funktionsgenerator kredsløb kan hurtigt startes med følgende punkter.

Hvis der er et oscilloskop tilgængeligt med dig, skal du tilslutte det til firkantbølgeoutputtet fra U1-d på pin 11 og placere C1 i midten af ​​det område, der leverer den mest effektive outputbølgeform.

Dernæst skal du observere sinusbølgeoutputtet og justere C2 for at få den fineste bølgeform. Gå tilbage til C1-kontrolknappen, og finjuster den lidt frem og tilbage, indtil den mest sunde sinusbølgeoutput opnås på skærmbilledet.

Liste over dele

MODSTANDE
(Alle modstande er -watt, 5% enheder.)
RI, R2 = 560-ohm
R3 = 100k
R4 = 1k

Halvledere
U1 = IC 7400
Q1 = 2N3904 NPN silicium transistor

Kondensatorer
C1, C2 = 50 pF, trimmer kondensator
C3, C4 = 0,1 uF, kondensator med keramisk skive

Diverse
S1 = SPST vippekontakt
XTAL1 = Enhver krystal (se tekst)

Crystal Controlled Best Sine waveform Circuit

Den følgende bølgeformgenerator er et to-transistor, krystaloscillatorkredsløb, der fungerer fremragende, billigt at bygge og kræver ingen spoler eller chokes. Prisen afhænger primært af den anvendte krystal, da de samlede omkostninger for de andre elementer næppe skal være et par dollars. Transistor Q1 og de flere tilstødende dele danner oscillatorkredsløbet.

Jordstien for krystallen styres ved hjælp af C6, R7 og C4. I C6- og R7-krydset, som er en ret lille impedansposition, påføres RF på en emitter-follower-forstærker, Q2.

Bølgeformens form ved C6 / R7-krydset er virkelig en næsten perfekt sinusbølge. Outputtet ved emitteren af ​​Q2 varierer i amplitude fra omkring 2- til 6 volt peak-to-peak, baseret på Q-faktoren for krystal- og kondensatorerne C1 og C2-værdier.

C1- og C2-værdierne bestemmer frekvensområdet for kredsløbet. For krystalfrekvenser under 1 MHz burde C1 og C2 være 2700 pF (.0027 p, F). For frekvenser mellem 1 MHz og 5 MHz kan disse være 680-pF kondensatorer og til 5 MHz og 20 MHz. du kan anvende 200-pF kondensatorer.

Du kan muligvis prøve at teste med værdierne for disse kondensatorer for at få den fineste sinusbølgeoutput. Derudover kan justeringen af ​​kondensator C6 have en effekt på det to udgangsniveau og den samlede form af bølgeformen.

Liste over dele

MODSTANDE
(Alle modstande er -watt, 5% enheder.)
R1-R5-1k
R6-27k
R7-270-ohm
R8-100k
KAPACITATORER
C1, C2 — Se tekst
C3, C5-0.1-p.F, keramisk skive
C6-10 pF til 100 pF, trimmer
HALVLEDERE
Q1, Q2-2N3904
XTAL1 — Se tekst

Savtandsgenerator kredsløb

I savtandsgeneratorkredsløbet er delene Q1, D1-D3, R1, R2 og R7 konfigureret som et simpelt generatorstrøm med konstant strøm, der oplader kondensator C1 med en konstant strøm. Denne konstante ladestrøm skaber en lineær stigende spænding over C1.

Transistorer Q2 og Q3 er rigget som et Darlington-par for at skubbe spændingen gennem C1 til udgangen uden belastning eller forvrængende effekter.

Så snart spændingen omkring C1 stiger til omkring 70% af forsyningsspændingen, aktiveres gate U1-a, hvilket udløser U1-b-udgangen til at gå højt og kort tænde for Q4, som fortsat er tændt, mens kondensator C1 aflades.

Dette afslutter en enkelt cyklus og starter den næste. Kredsløbets udgangsfrekvens styres af R7, som leverer en low-end frekvens på ca. 30 Hz og en øvre-end frekvens på omkring 3,3 kHz.

Frekvensområdet kunne gøres højere ved at reducere værdien af ​​C1 og faldt ved at øge C1s værdi. For at bevare Q4's maksimale udladningsstrøm under kontrol. C1 bør ikke være større end 0,27 uF.

Liste over dele

Funktionsgenerator kredsløb ved hjælp af et par IC 4011

Grundlaget for dette kredsløb er faktisk en Wien-bridge-oscillator, der tilbyder en sinusbølgeoutput. De firkantede og trekantede bølgeformer ekstraheres efterfølgende ud af dette.

Wien-bridge-oscillatoren er konstrueret ved hjælp af en CMOS NAND-porte N1 til N4, mens amplitudestabiliseringen leveres af transistoren T1 og dioderne D1 og D2.

Disse dioder skal muligvis matches med to sæt for lavest forvrængning. Frekvensjusteringspotentiometeret P1 skal også være et stereopotentiometer af høj kvalitet med interne modstandsspor parret til inden for 5% tolerance.

Den forudindstillede R3 giver justeringsfacilitet for mindst forvrængning, og i tilfælde af matchede dele anvendes til D1, D2 og P1, kan den samlede harmoniske forvrængning være under 0,5%.

Outputtet fra Wien-bridge-oscillatoren påføres input af N5, som er forspændt i dets lineære område og fungerer som en forstærker. NAND-porte N5 og N6 forbedrer og klipper oscillatorudgangen samlet for at generere en firkantet bølgeform.

Driftscyklussen for bølgeformen er relativt påvirket af tærskelpotentialerne for N5 og N6, men den er imidlertid tæt på 50%.

Gate N6 output leveres til en integrator bygget ved hjælp af NAND-porte N7 og N8, der harmonerer med firkantbølgen for at levere en trekantet bølgeform.

Den trekantede bølgeformamplitude er bestemt afhængig af frekvensen, og da integratoren simpelthen ikke er særlig nøjagtig, afviger lineariteten desuden med hensyn til frekvensen.

I virkeligheden er amplitudevariationen faktisk ret triviel, i betragtning af at funktionsgeneratoren ofte vil blive brugt sammen med et millivoltmeter eller et oscilloskop, og output kunne let kontrolleres.

Funktionsgenerator kredsløb ved hjælp af LM3900 Norton Op Amp

En ekstremt praktisk funktionsgenerator, der reducerer hardware og også prisen kan konstrueres med en enkelt Norton quad-forstærker IC LM3900.

Hvis modstand R1 og kondensator C1 fjernes ud af dette kredsløb, vil den resulterende opsætning være den almindelige for en Norton-forstærker firkantbølgenerator med timingstrømmen, der kommer ind i kondensator C2. Inkluderingen af ​​en integrerende kondensator C1 til firkantbølgeneratoren skaber en realistisk præcis sinusbølge ved udgangen.

Modstand R1, der gør det lettere at supplere kredsløbets tidskonstanter, giver dig mulighed for at justere udgangssinusbølgen for lavest forvrængning. Et identisk kredsløb giver dig mulighed for at sætte en sinusbølgeoutput til standardtilslutningen til en firkantbølge / trekantbølgenerator designet med to Norton-forstærkere.

Som det fremgår af billedet fungerer trekantet output som input til sinus-formforstærkeren.

For delværdierne i denne artikel er kredsløbets kørefrekvens cirka 700 hertz. Modstand R1 kan bruges til at justere laveste sinus-bølgeforvrængning, og modstand R2 kan bruges til at justere symmetrien af ​​firkantede og trekantede bølger.

Den 4. forstærker i Norton quad-pakken kunne tilsluttes som en outputbuffer til alle 3 outputbølgeformer.




Forrige: Hvordan man laver en solcelle fra en transistor Næste: Brug af UV-C lyskamre til desinfektion af mennesker fra Coronavirus