Генератор логических импульсов 1Гц-10кГц

Генератор прямоугольных импульсов

Приветствую, радиолюбители-самоделкины!

В ходе радиолюбительской деятельности часто приходится проводить различные эксперименты, где требуются сигналы разных форм — например, синусоида, треугольник, пила, прямоугольные импульсы — последние используются чаще всего, например, на них основан ШИМ — широтно импульсная модуляция. В продаже существуют различные устройства, позволяющие генерировать сигналы различных форм, частот и амплитуд, чаще всего они имеют немалую стоимость и используются там, где эксперименты проводить нужно регулярно, например, в лабораториях. Для одного-двух раз покупать специальный прибор не обязательно, ведь подобный генератор, который будет создавать прямоугольные импульсы регулируемой частоты и длительности можно построить всего за пару часов своими руками, используя лишь самые доступные и дешёвые элементы, которые есть под рукой у радиолюбителя. Вариантов схем таких генераторов может быть довольно много, данная же схема основана на паре логических микросхем, к её достоинствам можно отнести возможности регулировки частоты от 5 Гц до 1 кГц — этого хватит для многих применений, также дополнительно имеется регулировка скважности (длительности) импульса.

Принципиальная схема представлена на картинке выше. Как можно увидеть, задействовано всего 6 логических элементов 2И-НЕ. Каждый такой элемент имеет два входа и один выход, приставка «НЕ» означает, что сигнал на выходе инвертируется. Работает каждый такой элемент следующим образом — если на оба входа подана логическая единица (т.е. напряжение выше определённого порога), то на выходе напряжение будет отсутствовать (т.к. есть приставка «НЕ»), если же хотя бы на одном входе, или сразу на двух будет логический ноль, то на выходе микросхемы будет напряжение, близкое к напряжению питания. Логическим нулём считается напряжение, близкое к нулю, т.е. отсутствие напряжения. Если включить эти элементы определённым образом, добавив конденсатор и резистор, может получиться генератор прямоугольных импульсов — первые три элемента как раз его и образуют. Как можно увидеть, резистор установлен переменный, с его помощью будет в широких пределах регулироваться частота. Стоящий последовательно с ним постоянный резистор на 1 кОм служит для ограничения крайнего положения, чтобы в крайнем положении резистор не становился перемычкой и не нарушал работу схемы. Для удобства можно установить последовательно два переменных резистора, например один на 1 МОм, как на схеме, ля грубой настройки, и вместе с ним второй на 100 кОм, с помощью которого частоту можно устанавливать уже более точно. Схема не предусматривает какого-либо отображения текущей частоты, поэтому использовать её очень удобно в паре с частотомером, например, самым простейшим на нескольких транзисторах, схема такого частотомера была описана в одной из предыдущих статей, частотомер будет отображать текущую частоту импульсов на выходе. Другой вариант — установить переменный резистор на переднюю панель корпуса и нарисовать вокруг него шкалу с частотами, предварительно проградуировав её с помощью того же частотомера или осциллографа. Конденсатор С3 также является частотозадающим, с его номиналом можно поэкспериментировать, меняя диапазон регулируемых резистором частот. На 4-м логическом элементе собран инвертор, для того, чтобы прямоугольные импульсы с генератора имели положительную амплитуду. Если замкнуть два входа элемента 2И-НЕ, он просто становится инвертором. С помощью тех же логических элементов 5 и 6 собрана часть схемы, которая позволяет регулировать скважность, то есть длительность импульса — достигается это с помощью работы одновибратора. Резистор R3 также переменный, с его помощью происходит плавная регулировка. Конденсатор С4 также непосредственно участвует в работе одновибратора, с его номиналом можно поэкспериментировать, меняя диапазон регулировки. С выхода 6-го логического элемента снимается уже готовый сигнал прямоугольных импульсов, после всех необходимых регулировок, его можно использовать. Но предпочтительнее сперва пропустить этот сигнал через буфер (эмиттерный повторитель) на транзисторе, этот каскад имеет большое входное сопротивление и низкое выходное, развязывает выход микросхемы и подключаемую к генератору нагрузку. В качестве транзистора можно применить любой маломощный NPN транзистор, будь то популярные BC457, КТ3102, КТ315 или их аналоги. Сигнал снимается с эмиттера транзистора и через резистор на 100 Ом поступает на выход — уже непосредственно туда, где требуются прямоугольные импульсы. Этот резистор не сильно увеличивает выходное сопротивление, но зато защищает транзистор от короткого замыкания в нагрузку — выход можно хоть напрямую замкнуть на землю, это не повредит схеме и ничего не сгорит. Однако максимальный выходной ток такой схемы генератора не велик и составляет всего несколько единиц, максимум десятков миллиампер — если генератором необходимо коммутировать мощную нагрузку, например, катушки или соленоиды, следует дополнительно поставить силовой каскад на мощном полевом транзисторе.

Как известно, логические микросхемы могут быть типа ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика, и КМОП — комплементарная логика на МОП-транзисторах, то есть полевых. ТТЛ характеризуется низким входных сопротивлением и более высоким энергопотреблением, КМОП же наоборот имеет высокое входное сопротивление и потребляет мизерный ток. Очень часто одни и те же микросхемы, с одной и той же логикой работы могут быть выполнены по технологии и ТТЛ и КМОП, например, нужная для данного генератора микросхема К561ЛА7 (импортный аналог CD4011) соответствует КМОП, а её ТТЛ аналогом является К155ЛА3. И та и другая микросхема содержит в себе 4 элемента 2И-НЕ, также они имеют одинаковую цоколёвку и вполне взаимозаменяемы в данной схемы. Единственный нюанс — в случае применения К155ЛА3 следует уменьшить сопротивление переменного резистора R3 до 2-х кОм, это связано с низким входным сопротивлением ТТЛ-микросхем. Цоколёвку микросхем можно увидеть на фотографии выше.

Напряжение питания схемы зависит от типа применяемой микросхемы, например, если используется К155ЛА3, то напряжение питания должно быть равно 5В — весьма удобно в этом случае для питания использовать любой USB порт, например, от компьютера, Power Bankа или сетевого адаптера-зарядки, потребляемый ток всей схемы небольшой, поэтому мощность источника питания будет не критична. В случае использования К561ЛА7 диапазон питающих напряжений довольно широк — от 5-ти до 15В, поэтому для питания можно использовать куда больше различных вариантов источников, например, различные сетевые адаптеры от бытовых устройств. Потребляемый ток с этой микросхемой ещё меньше, поэтому в качестве источника без проблем можно использовать и батарейку крону — в этом случае генератор станет полностью автономным. Обратите внимание, что используемые микросхемы содержат внутри по 4 логических элемента, для схемы же их необходимо 6, поэтому использовать придётся сразу две микросхемы, у одной из них останется два неиспользуемых элемента — лишние выводы желательно подключить к минусу питания. Но при желании можно обойтись и одной микросхемой, если убрать блок регулировки длительности импульсов на 5 и 6 элементах и снимать сигнал с выхода 4-го элемента, скважность в этом случае будет равно 50%, то есть длительность импульса равна длительности паузы. Амплитуда импульсов на выходе будет равна напряжению питания. Таким образом, при использовании микросхемы К561ЛА7 можно регулировать напряжение питания от 5 до 15В — точно так же будет меняться и амплитуда сигнала на выходе. Конденсаторы С1 и С2, один из них полярный электролитический и второй керамический, стоят по цепи питания для фильтрации помех — не стоит ими пренебрегать, чтобы сигнал на выходе был ровный и без искажений. Схема не требует настройки и при подаче напряжения сразу начинает работать, при условии правильного монтажа. Готовую плату не помешает установить в корпус для удобства пользования, наружу вывести ручки переменных резисторов для регулировок. Удачной сборки! Источник (Source)

Схемы простых генераторов импульсов

Генераторы импульсов являются важной составляющей многих радиоэлектронных устройств. Простейший генератор импульсов (мультивибратор) может быть получен из двух-каскадного УНЧ (рис. 6.1). Для этого достаточно соединить вход усилителя с его выходом. Рабочая частота такого генератора определяется значениями R1C1, R3C2 и напряжением питания. На рис. 6.2, 6.3 показаны схемы мультивибраторов, полученные простой перестановкой элементов (деталей) схемы, изображенной на рис. 6.1. Отсюда следует, что одну и ту же простейшую схему можно изобразить различными способами.

Рис. 6.1

Рис. 6.2

Практические примеры использования мультивибратора приведены на рис. 6.4, 6.5.

На рис. 6.4 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. 6.3

Рис. 6.4

Генератор переменной частоты (рис. 6.5) 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 СЗ 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 СЗ. Такие эксперименты можно рекомендовать для самостоятельного расширения познаний в области импульсной техники.

Рис. 6.5

Рис. 6.6

Управляемый генератор прямоугольных импульсов показан на рис. 6.6 [Р 10/76-60]. Генератор также представляет собой двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью. Для упрощения схемы генератора достаточно соединить эмиттеры транзисторов конденсатором. 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. 6.7, возрастает рабочая частота генерации.

Рис. 6.7

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, см. также главу 2.

Для контроля работы сигнал с генератора (рис. 6.6) 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. 6.7). Отметим, что стабильность генераторов на RC-элементах невысока.

Рис. 6.8

Рис. 6.9

На рис. 6.8, 6.9 показаны типовые схемы генераторов световых и звуковых импульсов, выполненные на транзисторах различного типа проводимости. Генераторы работоспособны в широком диапазоне питающих напряжений. 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. 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. 6.8) можно включить генератор по схеме на рис. 6.9. В итоге получится устройство периодической звуковой или светозвуковой сигнализации.

Генератор импульсов (рис. 6.10), выполненный на составном транзисторе (п-р-п и р-п-р), не содержит конденсаторов (в качестве частотозадающего конденсатора использован пьезокерамиче-ский 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. 6.10

Рис. 6.11

На рис. 6.11 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. 2.1).

Устройства (рис. 6.11) часто используют для преобразования измеряемого параметра (интенсивности светового потока, температуры, давления, влажности и т.д.) в частоту при помощи резистивных или емкостных датчиков.

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. 6.11) может быть использован и в режиме сенсорного ключа, простейшего Rx-и Сх-метра, перестраиваемого широкодиапазонного генератора импульсов и т.д.

Генераторы импульсов (рис. 6.12, 6.13) также выполнены на лавинных транзисторах микросхемы К101КТ1 типа п-р-п или К162КТ1 типа р-п-р, динисторах, или их аналогах (см. рис. 2.1). 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. 6.12

Рис. 6.13

Рис. 6.14

Довольно простые и часто встречающиеся на практике генераторы импульсов (блокинг-генераторы) с использованием индуктивной обратной связи показаны на рис. 6.14 [А. с. СССР 728214], 6.15 и 6.16. 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. 6.15

Рис. 6.16

Подобные генераторы можно использовать при проверке трансформаторов на наличие межвитковых замыканий (см. главу 32): никаким иным методом такие дефекты не могут быть выявлены.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год