генератор імпульсів. Генератор прямокутних імпульсів з регульованою частотою на uA741 Генератор прямокутних імпульсів застосування

В електронній техніці широко застосовуються пристрої, форма вихідної напруги яких різко відрізняється від синусоїдальної. Такі коливання називають релаксаційними, мультивібратор є різновидом одного з релаксаційних генераторів. Мультивібратор (від латинських слів multim- багато і vibro- коливання) - релаксаційний генератор імпульсів прямокутної форми, виконаний у вигляді підсилювального пристрою з ланцюгом позитивного зворотного зв'язку (ПОС).

Генератори імпульсних сигналів можуть працювати в одному з трьох режимів: автоколивального, чекаючого або синхронізації.

В авто коливальному режимі генератори безперервно формують імпульсні сигнали без зовнішнього впливу. У режимі очікування генератори формують імпульсний сигнал по приходу зовнішнього (запускає) імпульсу. У режимі синхронізації генератори виробляють імпульси напруги, частота яких дорівнює чи кратна частоті синхронізуючого сигналу.

Сутність роботи мультивібратора - перемикання енергії конденсатора Cіз заряду на розряд, від джерела живлення до резистори R. Це перемикання здійснюється за допомогою електронних ключів.

Мультивібратор можна побудувати на базі біполярних та польових транзисторів, операційних підсилювачів, таймерів, виконаних у вигляді інтегральних мікросхем, потенційних логічних елементів чи спеціалізованих інтегральних мікросхем. Останній варіант набуває все більшого поширення.

Генератори імпульсів на операційних підсилювачахНа рис. 16.7 показаний класичний релаксаційний RЗ-генератор. Працює він таким чином: припустимо, що коли вперше прикладається напруга, вихідний сигнал ОУ виходить на позитивне насичення (як це станеться - неважливо). Конденсатор починає заряджатися до напруги UВХ ВИКЛ з постійним часом, що дорівнює τ = RC.Коли напруга конденсатора досягне напруги UВХ ВИКЛ R 1 / (R 1 + R 2 ), ОУ переключається в стан негативного насичення (він включений як тригер Шмітта) і конденсатор починає розряджатися до UВХ ВКЛ R 1 /(R 1 + R 2 ), з тієї ж постійної часу. Цикл повторюється з періодом, що не залежить від напруги живлення (рис. 16.8): T = У разі використання замість резистора Rдвох різних резисторів та діодів можна побудувати несиметричний мультивібратор (рис.16.9), у якого тривалості позитивного та негативного імпульсів не збігаються.

Різна тривалість позитивного та негативного імпульсів забезпечується різними постійними часами перезаряду ємностей. τ 1і τ 2: τ 1 = R 3 C; та τ 2 =R 4 C. (16.8)

Мал. 16.7. Генератор прямокутних імпульсів на ОУ

Рис.16.8. Тимчасові діаграми роботи генератора

Функціональні генераториякі одночасно виробляють коливання різних видів: прямокутні, трикутні, синусоїдальні, можна реалізувати на ОУ. Генерація змінної напруги трикутної форми здійснюється за простою схемою за допомогою інтегратора та тригера Шмітта. У свою чергу, використовуючи простий блок формування синусоїдальної функції (наприклад, фільтр нижніх частот) з трикутної напруги можна отримати синусоїдальну. Структурну схему такого генератора зображено на малюнок 16.10.

Мал. 16.11. Принципова схема функціонального генератора

Амплітуда трикутної напруги залежить тільки від встановлення рівня спрацьовування тригера Шмітта та складає

U D = Uмакс (16.9)

де Uмакс-межа насичення операційного підсилювача DA1. Період коливань дорівнює подвоєному часу, який необхідний інтегратору, щоб його вихідна напруга змінювалася від до. Звідси випливає: Т = 4RCТаким чином, частота напруги, що формується, не залежить від рівня межі насичення Uмакс операційного підсилювача.

Одновібратор - це мультивібратор в режимі очікування. Виходячи з функціональних ознак, одновібратору часто привласнюють і інші назви: спускова система, загальмований мультивібратор, однотактний релаксатор та ін. .

Формування імпульсу прямокутної форми здійснюється одновібратором після надходження імпульсу, що запускає, який переводить одновібратор зі стійкого стану в тимчасово стійке. Момент закінчення тимчасово стійкого стану визначається ланцюжком, що задає час. Змінюючи постійну часу ланцюжка (плавно чи стрибком), можна регулювати тривалість вихідних імпульсів у межах. Тому одновібратори широко застосовуються для формування прямокутних імпульсів заданої тривалості та амплітуди та для затримки імпульсів на заданий час.

Одновібратор може бути отриманий з автоколивального мультивібратора, якщо його примусово замкнути в одному з тимчасово стійких станів, перетворивши його на стійке (рис. 16.12).

У схему введені діод VD2, що здійснює режим очікування і ланцюг запуску на елементах С1, R3, VD1. Схема має один стійкий стан, коли напруга на виході дорівнює негативному напрузі насичення ОУ U-.

У вихідному стані (на виході U-) діод VD2 відкритий, напруга на вході, що інвертує UІ приблизно дорівнює нулю, а напруга на неінвертуючому вході UН = U- R2 / (R1 + R2), UН - UІ< 0, UВЫХ = U- .Диод VD1, подключенный к неинвертирующему входу, заперт. В момент времени t1 (рис. 16.13) входной сигнал открывает этот диод, на неинвертирующий вход подается положительный сигнал, (на инвертирующем входе остается нулевой сигнал), на выходе ОУ появляется положительной напряжение. После этого начинается заряд конденсатора C. Когда напряжение на нем становится больше напряжения UН = U+ R2 / (R1 + R2), дифференциальный сигнал UН - UИ становится отрицательным и ОУ возвращается в исходное устойчивое состояние. Очередной запускающий импульс можно подавать только после момента времени t3.

Рис.16.12. Принципова схема одновібратора

Рис.16.13. Тимчасові діаграми роботи одновібратора

Цей пристрій знайде застосування в різних приладах автоматики для періодичного переривання струму в ланцюгах навантаження або для генерування імпульсівіз змінними в широких межах періодом прямування та тривалості. Добре імпульсівможе досягати кількох тисяч, період їх повторення та тривалість - десятків секунд.

При включенні джерела живлення всі транзистори генераторазакриті, починається зарядка конденсатора С1 через ланцюг VD1, R3, R H . Коли напруга на емітері транзистора VT1 стане меншою, ніж на базі, вона відкриється. Слідом за ним відкриються і транзистори VT2 та VT3. Тепер конденсатор С1 розряджатиметься через ланцюг VT2, R4, VT1. Після розрядки конденсатора транзистори знову закриються, і процес повториться.

Крім зазначеної, генератор введено ще один ланцюг розрядки цього конденсатора - VT3, R5, VD2. Застосування складеного транзистора VT2VT3 дозволяє збільшити опір резистора R4, зменшуючи цим вплив ланцюга VT2, R4, VT1 на тривалість розрядки конденсатора С1. У цьому генератор проти вихідним отримав ряд переваг; з'явилася можливість у межах регулювати тривалість імпульсів; усунуто залежність тривалості імпульсів від періоду їхнього прямування; покращено форму вихідних імпульсів; напруга практично перестало впливати на параметри імпульсної послідовності.

Навантаження R H (лампа розжарювання, світлодіод, обмотка реле та ін.) може бути включена як у мінусовий, так і плюсовий провід живлення. Транзистор VT3 вибирають відповідно до струму, що споживається навантаженням. До інших елементів генератора особливих вимог не пред'являється.

При зазначених на схемі номіналах часозадаючих елементів - С1, R3, R4, R5 - період проходження імпульсів можна регулювати від 20 до 1500 мс, а їх тривалість - від 0,5 до 1 2 мс.

А. ДРИКОВ

Одного дня мені знадобився терміново генератор прямокутних імпульсів з наступними характеристиками:

--- Харчування: 5-12в


---
Частота: 5Гц-1кГц.

---
Амплітуда вихідних імпульсів щонайменше 10в

--- Струм: близько 100мА.

За основу було взято мультивібратор, він реалізований на трьох логічних елементах мікросхеми 2І-НЕ. Принцип якого за бажання можна прочитати у Вікіпедії. Але генератор сам по собі дає інверсний сигнал, що спонукало мене застосувати інвертор (це 4-й елемент). Тепер мультивібратор надає нам імпульси позитивного струму. Однак мультивібратор немає можливості регулювання шпаруватості. Він у нього автоматично виставляється 50%. І тут мене осінило поставити мультивібратор, що чекає, реалізований на двох таких же елементах (5,6), завдяки якому з'явилася можливість регулювати шпаруватість. Принципова схема малюнку:

Природно, межа вказана у моїх вимогах не критична. Все залежить від параметрів С4 та R3 – де резистором можна плавно змінювати тривалість імпульсу. Принцип роботи також можна прочитати у вікіпедії. Далі: для високої здатності навантаження був встановлений еммітерний повторювач на транзисторі VT-1. транзистор застосований найпоширеніший типу КТ315. резисторів R6 служить обмеження вихідного струму і зашита від перегорання транзистора у разі КЗ.

Мікросхеми можна використовувати як ТТЛ, і КМОП. У разі застосування ТТЛ опір R3 трохи більше 2к. тому що: вхідний опір цієї серії приблизно дорівнює 2к. особисто я використав КМОП К561ЛА7 (вона ж CD4011) - два корпуси живлення до 15в.

Відмінний варіант для використання як ЗГ для будь-якого перетворювача. Для використання генератора серед ТТЛ - підходять К155ЛА3, К155ЛА8 в останній колектори відкриті і на виході потрібно вішати резистори номіналом 1к.

5.6 Генератори імпульсів

Генератори імпульсів використовують у багатьох радіотехнічних пристроях (електронних лічильниках, реле часу), застосовують при налаштуванні цифрової техніки. Діапазон частот таких генераторів може бути від одиниць герц до багатьох мегагерц.

На рис. 116 наведено схему генератора, який формує одиночні імпульси прямокутної форми при натисканні кнопки SB1. На логічних елементах DD1.1 і DD1.2 зібраний RS-тригер, що запобігає проникненню імпульсів брязкальця контактів кнопки на перерахунковий пристрій. У положенні контактів кнопки SB1, показаному на схемі, на виході 1 буде напруга високого рівня, на виході 2 - напруга низького рівня; при натиснутій кнопці – навпаки. Цей генератор зручно використовувати під час перевірки працездатності різних лічильників.

На рис. 117 показано схему найпростішого генератора імпульсів на електромагнітному реле. При подачі живлення конденсатор С1 заряджається через резистор R1 і спрацьовує реле, відключаючи джерело живлення контактами До 1.1. Але реле відпускає не відразу, оскільки деякий час через його обмотку протікатиме струм за рахунок енергії, накопиченої конденсатором С1. Коли контакти 1.1 знову замкнуться, знову почне заряджатися конденсатор - цикл повторюється.

Частота перемикання електромагнітного реле залежить від його параметрів, а також номіналів конденсатора С1 та резистора R1. При використанні реле РЕМ-15 (паспорт РС4.591.004) перемикання відбувається приблизно раз на секунду.

Такий генератор можна використовувати, наприклад, для комутації гірлянд на новорічній ялинці, для отримання інших світлових

ефектів. Його недолік – необхідність використання конденсатора значної ємності.

На рис. 118 наведено схему ще одного генератора на електромагнітному реле, принцип роботи якого аналогічний попередньому генератору, але забезпечує частоту імпульсів 1 Гц при ємності конденсатора в 10 разів меншою. Під час подачі живлення конденсатор С1 заряджається через резистор R1. Через деякий час відкриється стабілітрон VD1 і спрацює реле К1. Конденсатор почне розряджатися через резистор R2 та вхідний опір складеного транзистора VT1VT2. Незабаром реле відпустить і розпочнеться новий цикл роботи генератора. Включення транзисторів VT1 та VT2 за схемою складеного транзистора підвищує вхідний опір каскаду.

Реле К 1 може бути таким самим, як і в попередньому пристрої. Але можна використовувати РЕМ-9 (паспорт РС4.524.201) або будь-яке інше реле, що спрацьовує при напрузі 15...17 і струмі 20...50 мА.

У генераторі імпульсів схема якого наведена на рис. 119, використані логічні елементи мікросхеми DD1 та польовий транзистор VT1. При зміні номіналів конденсатора С1 та резисторів R2 та R3 генеруються імпульси частотою від 0,1 Гц до 1 МГц. Такий широкий діапазон отримано завдяки використанню польового транзистора, що дозволило застосувати резистори R2 і R3 опором у кілька мегаом. За допомогою цих резисторів можна змінювати шпаруватість імпульсів: резистор R2 задає тривалість напруги високого рівня на виході генератора, а резистор R3 - тривалість напруги низького рівня. Максимальна ємність конденсатора С1 залежить від власного струму витоку. У разі вона становить 1...2 мкФ. Опір резисторів R2, R3 - 10...15 МОм. Транзистор VT1 може бути будь-яким із серій КП302, КП303

За наявності мікросхеми КМОП (серія К176 К561) можна зібрати широкодіапазонний генератор імпульсів без застосування польового транзистора.

Схема наведено на рис. 120. Для зручності встановлення частоти ємність конденсатора часзадающей ланцюга змінюють галетним перемикачем SA1. Діапазон частот, що формуються генератором, становить 1...10000 Гц.

На рис. 121 представлена ​​схема генератора імпульсів з регульованою шпаруватістю. Добре, т. е. відношення періоду проходження імпульсів до тривалості напруги високого рівня на виході логічного елемента DD1.3, резистором R1 може змінюватися від 1 до декількох тисяч. У цьому частота імпульсів також змінюється. Транзистор VT1, що працює у ключовому режимі, посилює імпульси по потужності.

Генератор, схема якого наведена на рис. 122, виробляє імпульси як прямокутної, так і пилкоподібної форми. Задає генератор виконаний на логічних елементах DD 1.1-DD1.3. На конденсаторі С2 і резисторі R2 зібрана ланцюг, що диференціює, завдяки якій на виході логічного елемента DD1.5 форми-

ються короткі позитивні імпульси (тривалістю близько 1 мкс). На польовому транзисторі VT2 та змінному резисторі R4 виконаний регульований стабілізатор струму. Цей струм заряджає конденсатор С3,і напруга у ньому лінійно зростає. У момент надходження на базу транзистора VT1 короткого позитивного імпульсу транзистор VT1 відкривається розряджаючи конденсатор СЗ. На його обкладках таким чином формується пилкоподібна напруга.

Резистором R4 регулюють струм зарядки конденсатора і, отже, крутизну наростання пилкоподібної напруги та його амплітуду. Конденсатори С1 та СЗ підбирають виходячи з необхідної частоти імпульсів.

Іноді виникає потреба у побудові генератора, який формує число імпульсів, що відповідає номеру натиснутої кнопки.

Принципова схема пристрою (перший варіант), що реалізує таку можливість, наведено на рис. 123. Функціонально воно включає генератор імпульсів, лічильник та дешифратор. Генератор прямокутних імпульсів зібраний на логічних елементах DD1.3 та DD1.4. Частота проходження імпульсів близько 10 Гц. З виходу генератора імпульси надходять на вхід десяткового лічильника, виконаного на мікросхемі DD2. Чотири виходи лічильника з'єднані з входами мікросхеми DD3, що є дешифратором на 4 входи і 16 виходів.

При подачі напруги живлення на правих (за схемою) контактах всіх п'ятнадцяти кнопок SB I-SB 15 буде напруга низького рівня, що забезпечується наявністю низькоомного резистора R5. Ця напруга подається на вхід мультивібратора, що чекає, виконаного на елементах DD1.1, DD1.2 і конденсаторі С1, і

гасить імпульси брязкальця контактів кнопок. На виході мультивібратора, що чекає, - напруга низького рівня, тому генератор імпульсів не працює. При натисканні однієї з кнопок конденсатор С3 миттєво заряджається через діод VD1 до напруги високого рівня, в результаті чого на висновках 2 і 3 лічильника DD2 з'являється напруга низького рівня, що встановлює його робочий стан. Одночасно через замкнутий контакт натиснутої кнопки напруга високого рівня подається на вхід мультивібратора, що чекає, і імпульси генератора надходять на вхід лічильника. При цьому на виходах дешифратора з'являється послідовно напруга низького рівня. Як тільки воно з'явиться на виході, з яким з'єднаний контакт кнопки, подача імпульсів на вхід лічильника припиниться. З виведення 11 елемента DD1.4 буде знято число імпульсів, що відповідає номеру кнопки. Якщо продовжувати утримувати кнопку натиснутою, через деякий час конденсатор СЗ розрядиться через резистор R2, лічильник DD2 встановиться в нульовий стан і генератор видасть нову серію імпульсів. До закінчення серії імпульсів кнопку відпускати не можна.

У пристрої використані резистори МЛТ-0,25; оксидні конденсатори – К50-6. Транзистори VT1, VT2 можуть бути серій КТ312, КТ315, КТ503, КТ201, діод VD1 – серій Д7, Д9, Д311. Кнопки SB 1 -SB 15 - типів П2К, KM 1-1 та ін.

Налаштування числоімпульсного генератора полягає в установці підбором резистора R1 і конденсатора С2 необхідної частоти проходження імпульсів генератора, яка може бути в межах від одиниць до десятків кілогерц. При частоті вище 100 Гц для видачі повної серії імпульсів потрібен час не більше 0,15 с, тому кнопку можна не утримувати пальцем - короткого натискання цілком достатньо для формування пачки імпульсів.

На рис. 124 представлена ​​схема ще одного числоімпульсного генератора (другий варіант), за принципом роботи аналогічного описаному вище. Завдяки застосуванню мікросхем серії К176, схема генератора спростилася. Генератор формує від 1 до 9 імпульсів.

У двох описаних вище варіантах числоімпульсних генераторів необхідно утримувати кнопку натиснутою до закінчення серії імпульсів, інакше на вихід надійде неповна пачка імпульсів. Це недолік. На рис. 125 наведена схема третього варіанта числоімпульсного генератора, в якому імпульси починають вироблятися після відпускання кнопки.

На мікросхемах DD1, DD2 і діодах VD1-VD3 зібрано шифратор, що перетворює десяткове число двійковий код. Сигнали з виходів шифратора подаються на входи D1, D2, D4, D8 мікросхеми

DD4 (реверсивний лічильник) та на входи логічного елемента 4АБО-HE(DD3.1).

Розглянемо роботу генератора під час натискання кнопки SB3. Коли натиснута кнопка, на виходах логічних елементів DD1.1 і DD1.2 встановиться напруга високого рівня, а на виходах DD2.1, DD2.2 збережеться напруга низького рівня. На виході логічного елемента DD3.1 з'явиться напруга низького рівня, яка через диференціюючий ланцюг C1R11 надійде на вхід С реверсивного лічильника DD4 і встановить його в стан 1100. При цьому на виході логічного елемента DD3.2 встановиться напруга низького рівня, що інвертується логічним елементом .1 та готує до роботи генератор на логічних елементах DD5.2-DD5.4. Після відпускання кнопки SB3 на виході елемента DD3.1 з'явиться напруга високого рівня, яка буде подана на вихід 12 мікросхеми DD5; почне працювати генератор Імпульси з виходу (висновок 11 мікросхеми DD5) надходять на вхід -1 реверсивного лічильника. При цьому відбувається зменшення числа, записаного в лічильнику, і на виходах 1, 2, 4, 8 лічильника послідовно з'являються комбінації логічних рівнів 0100, 1000, 0000. При установці лічильника стан 0000 на виході логічного елемента DD3.2 встановиться напруга високого рівня, та генератор зупиниться. На вихід надійде три імпульси.

Частота імпульсів генератора визначається елементами С2 і R 12 і може змінюватися в широких межах (від одиниць до герц сотень кілогерц).

В описаних тут генераторах імпульсів можна використовувати резистори МЛТ-0,25, конденсатори К50-6, КМ-6. Транзистори КТ315Б можна замінити транзисторами із серій КТ312, КТ315, КТ316, КТ503. Діоди - будь-які із серій Д7, Д9, Д311. Кнопки - типів П2К, КМ1 та ін. К561 – для другого варіанту.

Простий генератор прямокутних імпульсів

Для перевірки та налагодження різних підсилювачів, у тому числі підсилювачів 3Ч, корисно користуватися генератором прямокутних імпульсів. Зазвичай такі генератори виконують за схемою симетричного мультивібратора на двох біполярних транзисторах однакової структури і з двома ланцюгами. Однак можна зібрати більш простий генератор на двох транзисторах різної структури (див. малюнок) з одним частотоздатним ланцюгом.

Працює генератор так. При подачі напруги живлення (конденсатор С1 не заряджений) транзистор VT1 відкривається струмом, що протікає через резистор зміщення R1. Колекторний струм цього транзистора є базовим для VT2 та відкриває його. Напруга, що росте, на колекторному навантаженні останнього через ланцюжок C1R2 ще більше відкриває транзистор VT1, в результаті відбувається лавиноподібний процес відкривання обох транзисторів - формується фронт прямокутного імпульсу.

Тривалість вершини імпульсу визначається тривалістю заряджання конденсатора С1 через резистор R2. У міру заряджання цього конденсатора струм бази транзистора VT1 зменшується і настає момент, коли виникає лавиноподібний процес закривання обох транзисторів. На навантаженні формується негативний перепад напруги – спад імпульсу. Тривалість паузи між імпульсами визначається тривалістю розрядки конденсатора С1 струмом, що протікає через резистори R1 та R2. Потім процес повторюється.

Роботу генератора можна пояснити інакше. Двокаскадний підсилювач охоплений ланцюгом позитивного зворотного зв'язку (елементи R2C1) і в той же час виведений на лінійний режим транзистора VT1 подачею усунення його базу через резистор R1. Тому і виникають релаксаційні коливання. Для стабілізації роботи генератора кожен каскад охоплений ланцюгом ООС - у першому каскаді вона невелика і здійснюється через резистор R1, а в другому каскаді в емітерний ланцюг транзистора VT2 включений резистор R5.

Генератор стійко працює при напрузі живлення від 1,5 до 12 В, при цьому струм споживає від 0,15 до одиниць міліампер. Амплітуда вихідних імпульсів на "Виході 1" дещо перевищує половину напруги живлення, а на "Виході 2" вона приблизно в 10 разів менша. За бажанням можна зробити ще один ступінь поділу (1/100), додавши між нижнім за схемою виведенням резистора R4 і загальним проводом резистор опором 240м.

При зазначених на схемі номіналах деталей і при напрузі живлення 2,5 споживаний струм склав 0,2 мА, частота імпульсів - 1000Гц, шпаруватість - 2(меандр), амплітуда імпульсів на "Виході 1" - 1В.

Вочевидь, що з такому простому генераторі параметри сигналу помітно залежить від напруги джерела живлення. Тому налагоджувати генератор слід при тій напрузі, при якій він використовуватиметься. У разі відсутності генерації підбирають резистор R1 та, можливо, R5. Добре імпульсів встановлюють підбором резистора R2.

Одне з можливих застосувань генератора - як миготливий світловий маячок, наприклад, у сторожовому пристрої. Тоді послідовно з резистором R5 включають світлодіод або мініатюрну лампу розжарювання, а конденсатор використовують ємністю до часток мікрофаради, щоб частота генерації склала 0,5...1 Гц. Для отримання необхідної яскравості світлового індикатора можна встановити резистори R3, R5 меншого опору, а R4 виключити через непотрібність.