звуковой ГУН на операционных усилителях MBS Electronics
Управляемый Напряжением Генератор (ГУН, VCO — Voltage Controlled Oscillator) — это генератор , частота выходного сигнала которого зависит от величины напряжения, подаваемого на специальный управляющий вход. Такие генераторы могут работать в разных частотных диапазонах, например, они издавна используются в радиочастотном диапазоне для настройки УКВ приемников.
В контексте данной статьи нас интересует ГУН, работающий в звуковом диапазоне. Такой генератор необходим для построения различных электронных музыкальных инструментов, таких как аналоговые музыкальные синтезаторы или синтезаторы звуков ударных инструментов. Кроме того, звуковой ГУН можно использовать в измерительном генераторе качающейся частоты, который, совместно с осциллографом, позволяет снимать амплитудно-частотные характеристики звуковых трактов, например усилителей, фильтров и т.д.
Чаще всего современный ГУН строится на основе специализированных микросхем, таких как NE566 или аналогичных.
Самый дешевый ГУН можно создать на очень распространенной ОУ типа LM358. Это очень дешевое решение и его можно использовать если вам нужны частоты не выше 5 килогерц. Подобный ГУН на LM358 не очень хорошо работает на более высоких частотах. Дело в том, что LM358 — это маломощный операционный усилитель с очень простыми характеристикам. Однако, на этой микросхеме легко реализовать низкочастотный ГУН, для которого требуется только один источник питания +5ВВ…+15В. Схема такого ГУН с однополярным питанием приведена ниже:
Схема построена по известной структуре «интегратор-компаратор» и имеет два выхода, выход треугольного сигнала и выход прямоугольного сигнала.
Как работает схема ГУН?
На первом ОУ U1A построен интегратор, на втором U1B — компаратор. Электронный ключ построен на транзисторе Q1.
Интегратор (U1A) интегрирует поступающее на вход управляющее напряжение. Когда плавно увеличивающееся напряжение на выходе интегратора достигает порогового уровня, компаратор U1B переключается в противоположное состояние и переключает ключ на транзисторе Q1. При этом начинается обратное интегрирование и на входе интегратора появляется линейно спадающее напряжение. Это продолжается до момента следующего переключения компаратора, после чего цикл повторяется.
Сигнал на выходеU1A представляет собой очень линейную треугольную волну. Частотный диапазон определяется емкостью конденсатора C2 и номиналами всех резисторов во входных цепях, но первичными частотозадающими резисторами являются R2 и R3 (A и B). Соотношение R1 и R4, а также R2 и R3 должно быть таким, как показано для треугольной волны. Если точные соотношения не поддерживаются, форма волны станет пилообразной с разными временами подъема и спада.
U1B — это компаратор (триггер Шмитта). Его выходное состояние меняется скачкообразно когда входное напряжение достигает верхнего или нижнего порога. Положительная обратная связь в компараторе используется для обеспечения того, чтобы треугольная волна имела определенный размах напряжения. Источник питания должен быть стабилизированным, иначе амплитуда двух выходов будет изменяться в зависимости от напряжения питания. При напряжении питания 12 В треугольная форма волны будет иметь амплитуду 3,6 В от пика до пика с центром на половине напряжения питания.
Нет простого способа определить выходную частоту генератора, потому что она зависит от параметров входной цепи (особенно R2 и R3A, R3B) и C2. Кроме того, частота также зависит от пороговых напряжений компаратора (U1B). Резисторы R6 и R7 устанавливают порог, на который также влияет выходное напряжение U1B. Все это также немного зависит от сопротивления нагрузки и температуры микросхемы. При показанных значениях и в среднем положении движка VR1 частота составляет примерно 292 Гц. Согласно симулятору, зависимость частоты от входного напряжения — примерно 55 Гц на один вольт. Это означает, что если входное напряжение составляет 1 В, выходная частота составляет 55 Гц, 110 Гц для 2 В, 165 Гц для 3 В и так далее. В зависимости частоты от напряжения присутствует некоторая нелинейность. Наихудшая линейность будет при значениях входного напряжения близких к нулю или напряжению питания.
Если вам требуется прецизионный ГУН, то потребуется схема полной температурной компенсации.
Таким образом, данную схему можно рассматривать как ГУН общего назначения.
Лучшая производительность может быть получена при замене ОУ на TL072 (или любой другой достаточно быстрый операционный усилитель) с использованием двуполярного источника питания. Поскольку большинство из таких ОУ не могут снизить выходное напряжение до уровня отрицательного источника питания, нам необходимо добавить дополнительный резистор (R9, см. рис. ниже), чтобы гарантировать, что транзистор (Q1) будет включаться и выключаться должным образом. Q1 можно заменить полевым МОП-транзистором с малым сигналом, таким как 2N7000, но реального преимущества нет. Однако использование 2N7000 или аналогичного может незначительно улучшить симметрию формы сигнала, поскольку его сопротивление ниже, чем у биполярного транзистора.
В данной схеме ГУН работает от двуполярного источника питания, однако особой выгоды от этого мы не получаем, так как это никаким образом не упрощает схему, кроме того, что это позволяет напрямую поддавать модулирующий сигнал.
В среднем положении движка VR1 в этой версии частота составляет около 296 Гц, а чувствительность модуляции составляет около 28 Гц/В . Чувствительность уменьшена вдвое, поскольку эффективное напряжение питания было увеличено вдвое по сравнению с версией с одним источником питания.
Выходные сигналы U1A и U1B более или менее симметричны относительно нуля. Начальная частота может быть установлена потенциометром VR1, а сигнал модуляции симметричен относительно нуля. Если цепь источника имеет непосредственную связь (если закоротить конденсатор C1), она должна обеспечивать некоторый ток. В среднем положении потенциометра входное напряжение не будет нулевым (как может показаться на первый взгляд). Напряжение будет около -1,3 В, и для получения линейного изменения частоты источник модулирующего напряжения должен иметь низкий выходной импеданс. При желании входной сигнал может подаваться через буфер на дополнительном операционном усилителе, но для большинства приложений в этом нет необходимости.
Если вход модуляции подтянут к земле (например, если подается постоянный ток от другого операционного усилителя), базовая частота будет увеличена примерно до 330 Гц. Цифра 296 Гц выше применима только тогда, когда сигнал модуляции имеет емкостную связь, как показано на схеме, и допускает смещение -1,3 В постоянного тока.
Преобразователь треугольного сигнала в синусоидальный
Для многих приложений, особенно таких, как сканирование частот динамиков или кроссоверных сетей, вам обычно требуется по крайней мере разумное подобие синусоидлального сигнала. Следующая схема сделает именно это, но это не точная схема. Уровень выходного сигнала (и искажения) будут меняться в зависимости от температуры. В большинстве случаев это не является серьезным ограничением, но вряд ли вы получите низкий коэффициент искажений. Он будет примерно на уровне 1,5% THD (преимущественно нечетные гармоники).
Преобразователь треугольного сигнала в синусоидальный
Для многих приложений, особенно таких, как сканирование частот динамиков или кроссоверных сетей, вам обычно требуется по крайней мере разумное подобие синусоидлального сигнала.
Схема использует свойство нелинейности вольт — амперной характеристики полупроводниковых диодов. четыре диода используются для ограничения треугольной волны таким образом, чтобы получить минимальные искажения. Подстроечный резистор VR1 используется для обрезки искажений, но очень маловероятно, что вы сможете получить THD намного ниже 2%, потому что схема ограничителя значительно упрощена. Многие ИС функциональных генераторов используют расширенную версию диодного ограничителя для уменьшения искажений (но с гораздо более сложной схемой), но, несмотря на усложнение схемы, результат редко бывает лучше, чем 0,5.
Если вы не слишком беспокоитесь о минимизации искажений.
просто используйте пару резисторов 2,2 кОм (обозначенных как «Alternate Divider», R1A и R2A). Схема, показанная на рисунке, рассчитана на входное напряжение около 8 В (пик-пик). Именно такой сигнал выдает ГУН на второй схеме. Если вы используете первую версию с одним источником питания, можно подавать сигнал на диодный ограничитель через конденсатор на 10 мкФ и одиночный резистор 1к. Просто удалите из схемы элементы VR1, R1A и R2A и подключите R1 напрямую к диодам.
Материал переведен с английского MBS Electronics. Источник https://sound-au.com/project162.htmhttps://sound-au.com/project162.htm
| Прочие схемы и схемотехника | |
|---|---|
|
|
🏠 Интернет Всего 🚗 – 555
Published: Вт.
13 Декабрь 2016 By Oleg Mazko In Electronics.
tags: gEDA ngspice 555
Продолжаем осваивать NGSPICE.
Первые микросхемы интегральных таймеров появились в 1971 г. и были представлены фирмой Signetics Corporation (SE555 и NE555), позволяя формировать достаточно точные временные интервалы путём добавления времязадающих резисторов и конденсаторов. Интегральные таймеры сочетают в себе как элементы аналоговой схемотехники – компараторы, так и цифровой – триггеры. В настоящее время существует две разновидности 555-таймеров – классические, изготовленные на основе биполярных транзисторов, и их современные аналоги с меньшим энергопотреблением на полевых транзисторах. Несмотря на различия в принципиальных схемах и технологиях изготовления 555-таймеров от различных производителей все они полностью совместимы по номерам и назначению выводов и работают аналогично. На блок-схеме классического 555-таймера присутствует делитель напряжения из трёх последовательных резисторов 5 кОм – отсюда и название 555.
В современных модификациях на полевых транзисторах номиналы сопротивлений могут отличаться.
На блок-схеме инвертирующий вход первого компаратора с опорным напряжением 1/3 напряжения питания соединён с ногой Trigger. В свою очередь Threshold поступает на неинвертирующий вход второго компаратора с опорным напряжением 2/3 напряжения питания. С выходов обоих компараторов сигнал поступает на RS-триггер (flip-flop). Для разминки начнём с таблицы истинности триггера c учётом инверсии входа Trigger.
В следующих схемах использовались SPICE модель интегрального таймера TLC555 на полевых транзисторах:
~$ wget http://www.ti.com/sc/data/msp/models/tlc555.mod
таблица истинности | netlist | ngspice.js
ngspice 1 -> source truth-table.net ngspice 2 -> dc rr2 0 1g 1g rs2 0 1g 1g ngspice 3 -> print s r q ngspice 4 -> print ceil(max(1.5-s,0)/1.5) ceil(max(r-1.5,0)/1.5) ceil(max(q-1.5,0)/1.5)
Последняя строчка здесь помогает привести аналоговые величины напряжение к двоичному виду 0 или 1.
Полученная таблицы истинности несколько упрощённая т.к. предыдущее состояние триггера всегда аппаратно сброшенное. Вцелом логика типичная если сравнивать с обычными RS-триггерами (R – reset, S – set) за исключением одной комбинации R=S=1, при которой на выходе имеем единицу – получается S как бы сильнее R:
------------------------------------------------- Index s r q ------------------------------------------------- 0 1.000000e+00 0.000000e+00 1.000000e+00 1 1.000000e+00 1.000000e+00 1.000000e+00 2 0.000000e+00 0.000000e+00 0.000000e+00 3 0.000000e+00 1.000000e+00 0.000000e+00
На практике 555-таймеры являются достаточно универсальными устройствами и могут выполнять различные функции, хотя наибольшее применение находят только первые две, которые являются классикой для микросхем данного семейства:
ждущий мультивибратор (иногда говорят одновибратор)
генератор прямоугольных импульсов (мультивибратор)
генератор, управляемый напряжением (ГУН)
триггер Шмитта, RS-триггер (бистабильный мультивибратор)
В ждущем мультивибраторе система находится в устойчивом состоянии до тех пор пока на вход не поступит импульс, продолжительность которого не имеет особого значения, порождая выходной импульс рассчитанной при проектировании схемы длительности.
Нажали кнопку, отработали нужное время и выключилось.
ждущий мультивибратор | netlist | ngspice.js
ngspice 1 -> source monostable.net ngspice 2 -> tran 2.5m 5 ngspice 3 -> plot (v(in)+3) v(out)
После подачи питания таймер аппаратно сбрасывается и выставляет напряжение на выходе 0. На вход TRIG у компаратора подаётся напряжение больше опорного и на выходе у него 0, который поступает на вход Set RS-триггера и соответственно на выходе RS-триггера по-прежнему 0. На инверсном выходе RS-триггера 1, транзистор открыт, на входе таймера THRES напряжение ниже опорного у соответствующего компаратора и тогда на вход Reset RS-триггера поступает 0.
В таком режиме схема будет находится бесконечно долго, ожидая изменения на входе TRIG. При напряжении достаточном для переключения компаратора на вход Set RS-триггера поступает 1, на выходе таймера установится 1, транзистор закрывается и начинает экспоненциально заряжаться конденсатор C1 через резистор R1 с постоянной времени R1C1.
-6 ≈ 3.3 сек
В режиме мультивибратора входы таймера TRIG и THRES соединены вместе. После подачи питания напряжение на них ниже опорных, на входе RS-триггера Set=1, на выходе 1, транзистор закрыт и конденсатор С1 заряжается через последовательно соединённые резисторы Ra и Rb. Когда напряжение на конденсаторе достигнет 1/3 питания Set переключится в 0, но при S=R=0 RS-триггер сохраняет предыдущее состояние. При напряжении 2/3 питания Reset переключится в 1, на выходе таймера 0, транзистор открывается и конденсатор разряжается через резистор Rb до 1/3 питания и процесс повторяется заново. Перед симуляцией мультивибратора в браузере рекомендуется сделать глубокий вдох и набраться терпения, т.к. процесс занимает порядка минуты !
мультивибратор | netlist | ngspice.js
ngspice 1 -> source astable.net ngspice 2 -> tran 0.1u 6.4m 5m ngspice 3 -> plot v(out)
В отличие от мультивибратора на транзисторах на выходе имеем чёткие прямоугольные импульсы правильной формы.
-6*3000 ≈ 0.31 мс
P.S. в документации к TLC555 нагрузку R подключают к Vdd а не к земле.
Далее цифровая электроника.
There are comments.
Генератор PWM / Схемотехника / Сообщество EasyElectronics.ru
Столкнулся с необходимостью получать PWM достаточно высокой частоты и оказалось, что получить из микроконтроллера его не так просто. С ростом частоты быстро падает разрешающая способность. Пришлось генерировать это дело руками, а выход контроллера использовать только как управляющий…Довольно долго рылся в поисках подходящей схемы, но все, что попадалось, или использует операционники, или 555-й таймер. Эти варианты имеют множество недостатков, в частности с их помощью высокочастотный PWM получить тоже не просто, к тому же рабочее «окно» управляющего напряжение сдвинуто вверх, причем довольно сильно. Пришлось почесать репу и нарисовать нужную схему самому. Получилась вот такая вот штука:
В принципе, ничего особо хитрого нет.
На неинвертирующем триггере Шмитта и полевике собран генератор пилы, затем, как обычно, компаратор. С номиналами указанными на схеме максимальная частота PWM около 1.3МГц. Из особенностей стоит упомянуть, разве что, то, что полевик достаточно медленный и не сразу реагирует на появление нуля на выходе триггера Шмитта, в итоге конденсатор успевает разрядиться значительно ниже порога нуля триггера, так что пила стартует почти от самого нуля напряжения. Верхний уровень напряжения определяется порогом единицы триггера Шмитта и для пятивольтовой схемы составляет около 3.6В (0.7 напряжения питания). Особая линейность мне не требовалась (хотя визуально на экране осциллографа «пила» достаточно линейная), но если это критично, то резистор R1 можно заменить источником тока.UPDATE Когда снимал параметры, не посмотрел, что был впаян триггер не LVC серии (а AHC или AHCT). С LVC-шкой параметры немного другие (поскольку другие пороги у триггера) — размах пилы от ~50мв до ~2.9В и, судя по даташиту, при питании от 5. 5В порог не может превышать 3.33В, что практически идеально вписывается в диапазон напряжений, который может сгенерить МК при питании от 3.3В. Да, диапазон частот тоже несколько другой (тоже из-за порога). Прикидка показывает формулу для частоты примерно 1/(0.55RC).
Фазовая схема – CoderLessons.com
Фазовая петля (ФАПЧ) является одним из жизненно важных блоков в линейных системах. Это полезно в системах связи, таких как радары, спутники, FM и т. Д.
В этой главе подробно рассматривается блок-схема PLL и IC 565.
Блок-схема ФАПЧ
Фазовая петля (ФАПЧ) в основном состоит из следующих трех блоков:
- Фазовый детектор
- Активный фильтр нижних частот
- Генератор, управляемый напряжением (ГУН)
Блок-схема ФАПЧ показана на следующем рисунке —
Выход фазового детектора применяется в качестве входа активного фильтра нижних частот. Точно так же выход активного фильтра нижних частот применяется в качестве входа VCO.
Работа ФАПЧ заключается в следующем:
Фазовый детектор вырабатывает постоянное напряжение, которое пропорционально разности фаз между входным сигналом с частотой fin и сигналом обратной связи (выходным) с частотой fout.
Фазовый детектор является множителем и на его выходе выдает две частотные составляющие — сумму частот fin и fout и разность частот fin & fout ,
Активный фильтр нижних частот вырабатывает постоянное напряжение на своем выходе после устранения высокочастотной составляющей, присутствующей на выходе фазового детектора. Это также усиливает сигнал.
ГУН генерирует сигнал с определенной частотой, когда на него не подается вход. Эту частоту можно сдвинуть в любую сторону, приложив к ней постоянное напряжение. Поэтому отклонение частоты прямо пропорционально постоянному напряжению, присутствующему на выходе фильтра нижних частот.
Фазовый детектор вырабатывает постоянное напряжение, которое пропорционально разности фаз между входным сигналом с частотой fin и сигналом обратной связи (выходным) с частотой fout.
Фазовый детектор является множителем и на его выходе выдает две частотные составляющие — сумму частот fin и fout и разность частот fin & fout ,
Активный фильтр нижних частот вырабатывает постоянное напряжение на своем выходе после устранения высокочастотной составляющей, присутствующей на выходе фазового детектора. Это также усиливает сигнал.
ГУН генерирует сигнал с определенной частотой, когда на него не подается вход. Эту частоту можно сдвинуть в любую сторону, приложив к ней постоянное напряжение. Поэтому отклонение частоты прямо пропорционально постоянному напряжению, присутствующему на выходе фильтра нижних частот.
Вышеуказанные операции выполняются до тех пор, пока частота VCO не станет равной частоте входного сигнала. В зависимости от типа приложения мы можем использовать либо выход активного фильтра низких частот, либо выход VCO. ФАПЧ используются во многих приложениях, таких как FM-демодулятор, тактовый генератор и т.
Д.
PLL работает в одном из следующих трех режимов —
- Режим свободного бега
- Режим захвата
- Режим блокировки
Первоначально PLL работает в режиме автономной работы, когда к нему не применен ввод. Когда входной сигнал, имеющий некоторую частоту, подается на PLL, тогда частота выходного сигнала VCO начнет изменяться. На этом этапе говорят, что ФАПЧ работает в режиме захвата . Частота выходного сигнала VCO будет непрерывно изменяться, пока она не станет равной частоте входного сигнала. Теперь говорят, что PLL работает в режиме блокировки .
IC 565
IC 565 является наиболее часто используемой ИС с фазовой автоподстройкой частоты. Это 14-контактный разъем Dual-Inline (DIP). Схема выводов IC 565 показана на следующем рисунке —
Назначение каждого вывода очевидно из приведенной выше схемы. Из 14 контактов только 10 контактов (контакты с 1 по 10) используются для работы ФАПЧ.
Итак, оставшиеся 4 контакта (контакты с 11 по 14) помечены как NC (нет соединения).
ГУН выдает выходной сигнал на выводе 4 микросхемы 565, когда выводы 2 и 3 заземлены. Математически мы можем записать выходную частоту fout VCO как.
Fиз= гидроразрыва0.25RVCV
где,
RV — это внешний резистор, который подключен к выводу № 8
CV — это внешний конденсатор, который подключен к выводу № 9
Выбрав правильные значения RV и CV, мы можем зафиксировать (определить) выходную частоту, fout VCO.
Выводы с номерами 4 и 5 должны быть закорочены внешним проводом, чтобы выход VCO можно было использовать как один из входов фазового детектора.
IC 565 имеет внутреннее сопротивление 3,6K Omega. Конденсатор С должен быть подключен между выводами 7 и 10, чтобы создать фильтр низких частот с этим внутренним сопротивлением.
Выбрав правильные значения RV и CV, мы можем зафиксировать (определить) выходную частоту, fout VCO.
Выводы с номерами 4 и 5 должны быть закорочены внешним проводом, чтобы выход VCO можно было использовать как один из входов фазового детектора.
IC 565 имеет внутреннее сопротивление 3,6K Omega. Конденсатор С должен быть подключен между выводами 7 и 10, чтобы создать фильтр низких частот с этим внутренним сопротивлением.
Обратите внимание, что согласно требованию мы должны правильно настроить выводы IC 565.
| Как известно, частота RC-генератора, как на логических элементах, так и на другой элементной базе, сильно зависит от напряжения питания. Главным образом это происходит из-за влияния напряжения питания на емкости полупроводниковых переходов и каналов. Что касается мультивибратора на логических элементах, то эффект наибольшим образом проявляется если емкостная составляющая частото-задающей цепи мала, а так же, это очень зависит от схемы. Как показывает практика, наиболее неблагоприятен с точки зрения стабильности частоты генерации при изменении напряжения питания, мультивибратор на инверторе с триггером Шмитта, в схеме которого емкость включена между входом и общим минусом (рис.  1). Наибольшей нестабильностью отличается схема на элементах микросхемы CD4584, содержащей шесть инверторов с триггерным эффектом.Принцип работы Здесь, кроме влияния внутренней емкости микросхемы, существенное влияние оказывает и относительное изменение порогов данного триггера Шмитта при изменении напряжения питания, фактически приводящего к изменению эквивалентного сопротивления между его входом и выходом. Изменяя напряжение питания микросхемы от 3 до 10V можно получить более чем десятикратное изменение частоты. На рисунке 2 показана практическая схема ГУНа. Генератором импульсов является микросхема D1. Регулировка частоты производится изменением её напряжения питания (управляющее напряжение +Uупр поступает выводы питания микросхемы. В результате изменяется не только частота импульсов, но и их амплитуда. Поэтому, для согласования с другими частями логической схемы, в которой будет работать этот ГУН, используется преобразователь уровня на инверторах микросхемы D2. Микросхема CD4069 представляет собой набор их шести инвертирующих преобразователей уровней. В отличие от К561ЛН2 она может работать при входном уровне значительно превышающем напряжение питания. Для других микросхем К561 или CD40 это недопустимо, так как может повредить входные цепи логического элемента. Поэтому, заменять CD4069 похожей К561ЛН2 в данной схеме нельзя. Обратите внимание, питание на CD4069 подается необычно, – на 1-й вывод. В схеме на рисунке 2, при изменении управляющего напряжения от 2,5V до 12V генерируемая частота меняется от 1 кГц до 26 кГц. Такой генератор, например, может стать основой АЦП, преобразующего входное постоянное напряжение в частоту, в схеме сирены или устройства звуковых эффектов, чтобы тон звука можно было плавно изменять, и во многих других схемах, где требуется плавное изменение частоты под влиянием величины напряжения. |
Причем, здесь первый инвертор (D2.1) благодаря наличию обратной связи через R2 работает в режиме усилителя – ограничителя, и когда размах импульсов мал из-за низкого напряжения питания D1 (управляющего напряжения) происходит их усиление до необходимой величины. Импульсы же с большим размахом ограничиваются.
Простой генератор, управляемый напряжением, с использованием IC 555
Аккуратная небольшая схема генератора, управляемая напряжением, может быть разработана и применена для конкретной цели с использованием одной микросхемы IC 555 и нескольких других пассивных компонентов, давайте узнаем об этой простой, но полезной схеме из следующего обсуждения .
Как работает схема
Генератор, управляемый напряжением (ГУН), использующий таймер 555, показан на следующей диаграмме.
Эту схему часто называют преобразователем напряжения в частоту, учитывая, что выходная частота может быть преобразована путем изменения входного напряжения.
Как было сказано ранее, вывод 5 является выводом управления напряжением, и его особые функции заключаются в управлении пороговым значением и уровнем срабатывания. Обычно управляющее напряжение составляет + 2/3 В постоянного тока из-за внутреннего делителя напряжения.
Даже в этом случае внешнее напряжение может быть подано на эту клемму напрямую или через потенциометр, как показано на рисунке, путем изменения потенциометра управляющее напряжение может быть изменено.
Напряжение на синхронизирующем конденсаторе показано на рисунке, которое может изменяться между управлением + V и управлением ½ V.Когда управляющее напряжение повышается, конденсатору требуется больше времени для зарядки и разрядки, следовательно, частота уменьшается. Следовательно, частота может быть улучшена путем линейного изменения управляющего напряжения.
Форма сигнала, генерируемая по выводам IC 555
Было бы также интересно узнать, какие формы сигнала инициируются по различным выводам IC 555.
Когда на управляющий вход IC подается переменное напряжение , амплитуда треугольных волн на временном конденсаторе или между контактом №6 / 2 и землей также изменяется пропорционально.Более высокие напряжения на выводе №5 вызывают более высокую амплитуду треугольных волн и наоборот.
Однако вывод №3 ИС дает совершенно другой отклик для этой схемы генератора, управляемого напряжением. Вывод № 3 генерирует сигнал ШИМ, рабочий цикл которого изменяется точно пропорционально уровню напряжения, приложенного к выводу № 5 ИС.
EE 322
Лаборатория 6: ТАЙМЕР 555
Целью данной лабораторной работы является исследование использования встроенного таймера 555. схема как генератор и как моностабильный мультивибратор для генерации импульсы и задержки.
Таймер 555 использует два компаратора и цифровой триггер для управления выходной драйвер и “разрядный” транзистор (см. рисунок ниже). Компараторы состояние переключателя на 1/3 и 2/3 напряжения питания (V cc ), называется уровни “триггер” и “порог” соответственно. Когда триггерный вход (Tr) падает ниже (1/3) V cc , выходное напряжение становится высоким и разрядный транзистор ведет себя как разомкнутый переключатель. Когда порог вход (Th) поднимается выше (2/3) V cc выход становится низким и разрядный транзистор закорачивает разрядный вывод (контакт 7) на массу.
Астабильный или релаксационный осциллятор
При подключении, как показано ниже, 555 работает как «нестабильный» (нестабильный) мультивибратор.
или “релаксационный” осциллятор. C взимает до A и B рандов.
пока его напряжение V C не достигнет порогового уровня (2/3) V cc .
Затем включается разрядный транзистор, соединяющий переход между
R A и R B на землю и разряд (расслабление) C
до V C = (1/3) V cc , после чего разрядный транзистор
выключается, и процесс повторяется.Период колебаний задан
по
T = 0,69 (R A + 2 R B ) C.
- Разработайте схему так, чтобы период колебаний T = 2 мс, с R A = R B и C = 0,1 мкФ. Постройте и протестируйте схему, используя
возможность двойной трассировки вашего осциллографа для просмотра как выходных, так и
напряжение конденсатора (обязательно используйте связь по постоянному току и следите за 0 В постоянного тока).
Сделайте распечатку или набросайте осциллограммы и объясните их. Как
сравнивать наблюдаемый период / частоту с теоретически ожидаемыми значениями?
Какова цель 0.
01 мкФ конденсатор на клемме управляющего напряжения? Обязательно подключите контакт сброса к источнику питания.
01 мкФ конденсатор на клемме управляющего напряжения? Обязательно подключите контакт сброса к источнику питания.
- Почему выходной импульс на высоком уровне длиннее, чем на низком уровень? Согласуется ли количественно соотношение времени заряда и разряда? с твоим объяснением?
- Замыкание резистора R B . Как это влияет на формы волны,
и почему? Наклон формы волны разряда можно использовать для вычисления силы тока.
нарисованный внутренним разрядным транзистором 555.
- Если у вас 555 IC – версия BJT, получить выражение для расчета тока разряда и оценки (Совет dV / dt = I / C для конденсатора). Предполагая, что разряд транзистор имеет бета 100, ток какой базы подается внутренним RS-триггер модели 555?
- Если ваша ИС – версия CMOS, разрядка должна быть экспоненциальной. Использовать
начальный наклон, чтобы найти “включенное” сопротивление разрядного полевого транзистора. Подсказка: начальный наклон
убывающая экспонента – Vo / RC.
- Восстановить исходное значение R B и заменить R резистором 470 Ом. Как теперь выглядят осциллограммы и почему? Почему мы не закорачиваем R A ?
- Измените напряжение куб.см между +5 +15 вольт, чтобы увидеть выходную частоту. зависит от напряжения питания. Является ли? Используйте частотомер для измерения частота при 5, 10 и 15 В.
Генератор, управляемый напряжением
Часто для схемы требуется генератор, управляемый напряжением, то есть генератор, частота которого зависит от входного напряжения.Частота указанный выше нестабильный мультивибратор зависит только от значений R A , R B и C. Использование источника тока, управляемого напряжением, для зарядки C можно регулировать скорость зарядки и, следовательно, частоту. Если текущий источник заряжает конденсатор постоянным током I, как в схеме ниже время заряда конденсатора от V Th до V Tr это
t ch = C (V Th -V Tr ) / I = C V cc / (3 I).
Цепь ниже разрядится практически мгновенно, поэтому частота колебания составит
f osc = 1 / (t ch + t dis ) = 1 / t ch = 3 I / (C V куб.см ).
- Вернуть V cc на 5 В для таймера 555.
- Источник тока, управляемый напряжением, приведенный ниже, был получен от Горовиц и Хилл (рис. 4.11). Создайте этот текущий источник. Используйте блоки питания + -15 В для ОУ.Выберите R так, чтобы частота колебаний изменялась. от 5 кГц до 10 кГц при изменении Vin от 10 В до 5 В. Проверьте ток источник с резистивной нагрузкой 1 кОм.
- Используйте источник тока для зарядки конденсатора в цепи генератора 555. Этот должна получиться хорошая пилообразная волна.
- Измените входное напряжение от 5 до 10 В. Запишите и постройте график зависимости f osc от V в .
Моностабильная работа
Схема, показанная ниже, выдает выходной импульс всякий раз, когда срабатывает триггер.
вход (Tr) падает ниже (1/3) V cc .Продолжительность вывода
импульс равен T = 1,1 R A C. По истечении этого времени выход остается «стабильным».
при 0 вольт до появления следующего триггерного импульса.
- Разработайте схему так, чтобы длительность импульса составляла 1 мс, и запустите ее с помощью кратковременные импульсы отрицательной полярности, как показано на рисунке.
- Входной сигнал запуска может можно получить, правильно настроив свой импульсный или сигнальный генератор. Посмотрите на импульс от генератора сигналов с помощью осциллографа, чтобы отрегулировать его.Хорошим импульсным сигналом будет частота 100 Гц, переходящая от 5 В до 0 В в течение 0,1 мс каждый цикл.
- Посмотреть формы выходных и конденсаторных сигналов. Набросайте или скопируйте и объясните.
- Измерьте ширину выходного импульса и сравните с ее теоретическим значением.
Измените ширину триггерного импульса, чтобы определить его влияние на выходной сигнал. ширину импульса и опишите результаты.
- Моностабильный может использоваться для создания длительных задержек за счет увеличения значения R A и C. Попробуйте создать 10-секундную задержку (импульс) с использованием электролитического конденсатора емкостью 100 мкФ.Запустите цепь вручную, как показано ниже. В Переключатель может быть просто проводом, который вы касаетесь земли, чтобы начать 10-секундный импульс.
- Как длина импульса соотносится с теорией? (Примечание: вы может использовать долгую временную базу и режим “прокрутки” на вашем цифровом прицеле, чтобы следить за зарядом конденсатора и измерить время задержки.)
ширину импульса и опишите результаты.Building the Electric druid Генератор огибающей, управляемый напряжением
Когда дело дошло до создания генератора огибающей, мои первоначальные мысли заключались в том, чтобы использовать таймер 555, существует довольно много схем, использующих их, и не так много других компонентов требуется. Потратив некоторое время на поиски дизайна, отвечающего моим потребностям, я обнаружил веб-сайт электрических друидов. Если вы не знакомы с этим сайтом, там можно найти различные интересные модульные синтезаторы. Довольно многие из них используют PIC, это то, что раньше меня отталкивало, но с моей новой обретенной уверенностью в использовании и программировании их для успешного проекта я решил поближе познакомиться с одним из них.
Два очевидных, которые мне показались, были двумя генераторами огибающей, оба очень похожими, но один с возможностью зацикливания.Что мне сразу понравилось, так это простая схемотехника. Казалось, что это было в моих силах, и я понял, как это работает, во всяком случае, с аппаратной стороны. Уж точно не программное обеспечение!
Еще мне понравилось то, что он использовал только небольшой, довольно недорогой 14-контактный DIL PIC 16F684 и имел входы, управляемые напряжением. В документах на веб-сайте Electric druid поясняется, что CEM3312 была одной из интегральных схем, которые вдохновили проект, и я ранее встречал CEM3310 в «Sequential Circuits Pro One», а также «Spectrum Synth от Electronics and Music Maker».
Хотя ни один из них на самом деле не использует входы модуляции, управляемые напряжением. Недавно поиграв с полиморфом Quasimidi и прослушав некоторые предустановки, в которых время атаки модулировалось секвенсором, я решил, что это то, что я хотел от генератора огибающих.
Две платы, смонтированные на панели с помощью потенциометров, установленных на печатной плате.
Вы можете в значительной степени запрограммировать 16F684 и подключить кристалл и конденсаторы на макетной плате и поэкспериментировать со схемой, на выходе есть фильтр.Фильтр Бесселя 1 кГц, существует несколько его вариантов с разными значениями компонентов. Я попробовал оба варианта и не обнаружил никакой разницы в результатах. Я думаю, что генератор огибающей цикла использует более позднюю версию, и он также использует несколько меньше компонентов, а три конденсатора – 10 нФ, поэтому у меня есть более распространенные значения, поэтому я решил использовать эту версию, поскольку в конечном итоге собирался построить десять из них.
После того, как хлеб заколочен и запрограммирован PIC, остается лишь поиграть с входами напряжения.Мне нравится иметь возможность производить действительно быструю атаку, и, согласно документации, эта атака может производить атаку всего за 1 миллисекунду, что соответствует самым быстрым аналоговым генераторам огибающей.
Есть также немало возможностей, с которыми вы можете поиграть: экспоненциальные и линейные огибающие могут быть получены путем создания высокого или низкого уровня входного сигнала, так что вы можете либо просто подключить его, либо сделать переключаемым.
Детальный вид печатной платы и старых переработанных переменных резисторов.
Помимо управления напряжением атаки, затухания, сустейна и выпуска, вы также можете использовать управляющее напряжение для управления общим временем огибающей и глубиной. В конце концов, вы также можете получить слишком много элементов управления, я решил просто зашифровать эти параметры для простоты.
Есть также отдельные провода для входов затвора и триггера, но я решил просто использовать простой вход затвора.
Полная схема с моими дополнениями. Вы можете скачать его, щелкнув правой кнопкой мыши «Сохранить как», это даст вам более четкое изображение для увеличения.
Поскольку я собирался использовать эти генераторы огибающей в модульной системе без предсказуемого входа затвора, я подумал, что было бы неплохо добавить какую-то защиту от перенапряжения, поэтому я просто использовал простые диод и транзистор для дешевизны и простоты. То же самое для входов, управляемых напряжением. Я использовал схему из техпаспорта, а также те же транзисторы и диоды для защиты входов, а также для смешивания управляющих напряжений и напряжения с потенциометров.Как видно из принципиальной схемы. Как я уже упоминал ранее, я собираюсь построить десять из них, поэтому я решил, что лучше всего разместить два из них на одной передней панели 8U. Затем я мог бы разместить входы управления напряжением для одного из двух генераторов огибающей и сэкономить четыре разъема в конструкции. У меня все еще было бы пять генераторов огибающей с регулируемым напряжением и пять обычных, поскольку передние панели становились переполненными, а стоимость из-за количества розеток увеличивалась.
Я решил, что это будет справедливый компромисс с точки зрения стоимости, сложности и размера панели.
В схеме я решил использовать переменные резисторы для монтажа на печатную плату по двум причинам. Один заключался в том, чтобы избавить от необходимости монтировать печатную плату, а второй – в упрощении конструкции, поскольку не нужно было соединять их все проводами! Это также означало, что мне нужно было быть очень осторожным с макетом, чтобы убедиться, что все они не работают в обратном направлении! Я также поместил светодиод затвора на плату, чтобы максимально упростить проводку, и использовал десятиконтактное гнездо IDC для питания. Тогда мне оставалось только позаботиться о подключении розеток.
Конструкция была довольно простой с использованием метода вначале с использованием мельчайших компонентов, к сожалению, когда я купил детали, я обнаружил, что PICS доступны по очень низкой цене, но то, что я дважды не проверял, так это то, что я купил устройства SMD. Это был случай их использования и пайки к платам адаптера для программирования и использования в схемах, поскольку печатные платы уже были произведены.
Полный проект, готовый поместиться в мою коробку eurorack.
Единственная проблема, с которой я столкнулся при тестировании, заключалась в том, что некоторые элементы управления не работали.Пять из десяти плат работали отлично, но на других пяти были проблемы, все были связаны с неисправными потенциометрами, я думаю, это то, что вы получаете, если повторно используете старые, но когда вам понадобятся сорок из них, это обязательно! Сначала я использовал все линейные 10k, которые у меня были, но поскольку они просто подключены к нулю и пяти вольтам, линейные 1 мегабайты, которыми я их заменил, работали точно так же.
9.3: Однокристальные генераторы и генераторы частоты
Генерация сигналов является основным требованием для широкого спектра приложений, поэтому ряд производителей выпускают отдельные генераторы на интегральных схемах и генераторы частоты.Некоторые из них, как правило, работают в диапазоне ниже 1 МГц и обычно требуют какой-либо внешней сети резисторов / конденсаторов для установки рабочей частоты. Также доступны другие узкоспециализированные схемы для целевых приложений. В этом разделе мы рассмотрим несколько микросхем, которые обычно называются генераторами тактовых импульсов, генераторами, управляемыми напряжением, контурами фазовой автоподстройки частоты и таймерами.
9.3.1: Генератор прямоугольных сигналов / тактовых импульсов
Потребность в стабильных, недорогих и простых в использовании интегральных схемах для генерации прямоугольных сигналов для нужд синхронизации широко распространена.Такие устройства производят несколько компаний. Одним из примеров является LTC6900 от Linear Technology. Лист описания с базовой формулой программирования показан на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): описание LTC6900. Перепечатано с любезного разрешения Linear Technology
. LTC6900 – это схема с низким энергопотреблением на 5 В, доступная в корпусе SOT-23 (5 контактов). Он работает в диапазоне от 1 кГц до 20 МГц.
Выходная частота программируется с помощью одного резистора и подключения к его выводу делителя (обозначенному DIV).Частота задающего генератора определяется уравнением
\ [f_o = 10 МГц \ frac {20 k} {R_ {set}} \ label {9.33} \]
\ (R_ {set} \) подключен от вывода источника питания к выводу SET. Допустимые значения находятся в диапазоне от 10 k \ (\ Omega \) до 2 M \ (\ Omega \). Если вывод DIV заземлен, выходная частота будет рассчитанной. Если вывод DIV остается неподключенным, выходная частота будет разделена на 10, а если вывод DIV подключен к +5 В, выходная частота будет уменьшена в 100 раз.Это показано графически на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): осциллятор LTC6900. операция Перепечатано с разрешения Linear Technology
Пример \ (\ PageIndex {1} \)
Используя LTC6900, спроектируйте прямоугольный генератор с частотой 10 кГц.
10 кГц вполне подходит для этой ИС. Чтобы добиться этого с комфортом, нам понадобится настройка деления на 100, основанная на графике на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).
Это потребует от нас привязать вывод DIV к +5 вольт.Значение \ (R_ {set} \) можно аппроксимировать по графику или вычислить напрямую.
\ [f_ {osc} = 10 МГц \ frac {20 k} {N \ times R_ {set}} \ notag \]
\ [R_ {set} = 10 МГц \ frac {20 k} {N \ times f_ {osc}} \ notag \]
\ [R_ {set} = 10 МГц \ frac {20 кГц} {100 \ times 100 кГц} \ notag \]
\ [R_ {set} = 200 k \ notag \]
9.3.2: Генератор, управляемый напряжением
Генератор, управляемый напряжением (обычно сокращенно VCO) не выдает фиксированную выходную частоту.Как следует из названия, выходная частота ГУН зависит от управляющего напряжения. Между управляющим напряжением и выходной частотой существует фиксированная зависимость. Теоретически любой генератор можно превратить в ГУН. Например, если резистор используется как часть схемы настройки, его можно заменить на какой-либо резистор, управляемый напряжением, такой как полевой транзистор или комбинация светозависимого резистора и лампы.
Таким образом можно использовать внешний потенциал для установки частоты колебаний.Это очень полезно, если необходимо быстро изменить частоту или точно пройти через какой-то диапазон.
Классический пример полезности VCO показан на рисунке \ (\ PageIndex {3} \). Это упрощенная схема аналогового монофонического музыкального клавишного синтезатора. Клавиши синтезатора – это не более чем переключатели. Эти переключатели отводят потенциалы от делителя напряжения. По мере того как музыкант играет на клавиатуре, переключатели включают все более и более высокие потенциалы. Эти уровни используются для очень точного управления VCO.Чем выше управляющее напряжение, тем выше будет выходная частота или шаг.
Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Упрощенный музыкальный синтезатор с использованием VCO.
ГУН можно использовать для ряда других приложений, включая анализаторы спектра с качающейся частотой, частотную модуляцию и демодуляцию, а также системы управления. Как мы увидим позже в этой главе, он также является неотъемлемой частью контура фазовой автоподстройки частоты.
Примером VCO является LTC6990. Он является частью серии микросхем таймера / счетчика / часов Linear Technology TimerBlox.В эту серию входят источники часов, которые работают на частотах выше 100 МГц, и таймеры, которые переключаются с многочасовой скоростью. LTC6990 работает в диапазоне от 500 Гц до 2 МГц. Хотя его можно использовать для приложений с фиксированной частотой, он также обеспечивает гибкость ГУН. Обзор показан на рисунке \ (\ PageIndex {4} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): LTC6990 VCO. Перепечатано с любезного разрешения Linear Technology
. Как и LTC6900, LTC6990 запрограммирован всего с одним резистором и имеет вариант делителя частоты.В отличие от своего брата, возможности делителя намного шире, охватывая восемь значений степени двойки против всего трех десятичных значений. Базовый генератор с фиксированной частотой показан в нижнем левом углу рисунка \ (\ PageIndex {4} \), где задающая частота колебаний управляется \ (R_ {set} \).
Стандартный режим работы ГУН показан в правом нижнем углу. LTC6990 также имеет возможность выхода с высоким импедансом, что дает в общей сложности 16 возможностей делителя / выхода. Эта установка обычно программируется с помощью двух внешних резисторов.Таблица программирования воспроизведена на рисунке \ (\ PageIndex {5} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): осциллятор LTC6990. программирование Перепечатано с любезного разрешения Linear Technology
Состояние выхода зависит от комбинации вывода разрешения выхода (OE) и логики Hi-Z. Когда OE высокий, выход будет активен. Если OE низкий, а Hi-Z низкий, то выход будет низким. Наконец, если OE низкий, а Hi-Z высокий, то выход перейдет в состояние высокого импеданса.
Напряжение на выводе DIVCODE устанавливает делитель частоты и режим импеданса. Это напряжение интерпретируется внутренним 4-битным аналого-цифровым преобразователем (АЦП – тема двенадцатой главы). Хотя можно запитать этот вывод каким-либо внешним источником, более практичным методом является просто создание делителя напряжения с парой резисторов с допуском 1%; один подключен от источника питания к выводу DIVCODE, а второй – от DIVCODE к земле.
Задающий генератор LTC6990 управляется током на выводе SET.Внутри напряжение на этом выводе поддерживается на уровне 1 вольт, поэтому частоту можно установить с помощью одного резистора \ (R_ {set} \), подключенного от этого вывода к земле. Затем его можно разделить на более низкую частоту. По сути, это та же ситуация, которую мы обнаружили с LTC6900. Ток 20 \ (\ mu \) A (то есть 50 к \ (\ Omega \)) даст максимальную частоту 1 МГц. Более низкие токи (более высокое сопротивление) будут производить пропорционально более низкие частоты.
Значение DIVCODE будет делить эту базовую частоту на степени двойки.Мы можем выразить эту связь следующей формулой:
\ [f_ {osc} = 1 МГц \ frac {50 k} {N_ {DIV} R_ {set}} \ label {9.34} \]
, где \ (N_ {DIV} \) находится из таблицы на рисунке \ (\ PageIndex {5} \)
Процесс проектирования начинается с определения подходящего частотного диапазона. Лучше всего, если желаемая частота колебаний не находится в крайних точках любого заданного диапазона.
После определения диапазона находится соответствующее значение для \ (N_ {DIV} \), а вместе с ним требуемые значения резистора делителя, \ (R_1 \) и \ (R_2 \).Отсюда легко решить уравнение \ ref {9.34} в терминах \ (R_ {set} \).
Пример \ (\ PageIndex {2} \)
LTC6990 подключен, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {6} \). Он используется как преобразователь света в частоту. То есть выходная частота будет контролироваться количеством света, попадающего на датчик. Датчик представляет собой элемент CdS (сульфид кадмия), который подключается в положении \ (R_ {set} \). В условиях низкой освещенности ячейка будет производить высокое сопротивление, а по мере увеличения уровня освещенности сопротивление падает.Предполагая, что ячейка изменяется от 500 кОм до 60 кОм, определите диапазон выходных частот. Сначала определите значение DIVCODE. Это можно найти, вычислив коэффициент делителя напряжения \ (R_1 \) и \ (R_2 \), но в этой схеме были использованы рекомендуемые значения из таблицы DIVCODE.
По наблюдениям \ (N_ {DIV} = 16 \).
Далее рассчитываем предельные частоты.
Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Схема преобразователя света в частоту для примера \ (\ PageIndex {2} \).
\ [f_ {osc} = 1MHz \ frac {50 k} {N_ {DIV} R_ {set}} \ notag \]
\ [f_ {osc} = 1MHz \ frac {50k} {16 \ times 500 k} \ notag \]
\ [f_ {osc} = 6,25 кГц \ notag \]
\ [f_ {osc} = 1MHz \ frac {50 k} {N_ {DIV} R_ {set}} \ notag \]
\ [f_ {osc} = 1MHz \ frac {50k} {16 x 60k} \ notag \]
\ [f_ {osc} = 52,08 кГц \ notag \]
Обратите внимание, что по мере увеличения уровня освещенности частота увеличивается пропорционально.
При использовании в режиме VCO наиболее важным элементом, о котором следует помнить, является то, что частота задающего генератора устанавливается током, выходящим из вывода SET, \ (I_ {set} \), как выражается следующей формулой
\ [f_o = 1 МГц \ times 50 k \ frac {I_ {set}} {V_ {set}} \ notag \]
\ (V_ {set} \) поддерживается на уровне 1 вольт внутри, поэтому это уменьшается до
\ [f_o = 1 МГц \ умножить на 50 тыс \ раз I_ {set} \ label {9.
35} \]
\ (f_ {osc} \) затем делится на \ (N_ {DIV} \). Конечная частота колебаний может быть выражена как
.\ [f_ {osc} = 1 МГц \ times 50 k \ frac {I_ {set}} {N_ {DIV}} \ label {9.36} \]
Обратите внимание, что \ (I_ {set} \) выходит из микросхемы. Кроме того, обратите внимание, что частота колебаний и \ (I_ {set} \) прямо пропорциональны. Также имейте в виду, что вариация \ (I_ {set} \) и, следовательно, вариация частоты должны быть сохранены на уровне 16: 1 для лучшей производительности, где максимальное значение \ (I_ {set} \) равно 20. \ (\ му \) А.Простой способ получения контроля напряжения показан на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Здесь есть некоторые потенциальные проблемы. Во-первых, диапазон напряжения от схемы управления может не соответствовать желаемой частоте с этой схемой. Во-вторых, обратите внимание, что более высокие управляющие напряжения приведут к более низким выходным частотам, то есть обратная зависимость. Это может быть проблемой в некоторых приложениях.
Следовательно, мы рассмотрим более общий метод управления схемой с использованием внешнего операционного усилителя для масштабирования и смещения.
Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): метод отображения управляющего напряжения.
Схема на рисунке \ (\ PageIndex {7} \) представляет метод отображения существующего управляющего напряжения на LTC6990 или любой аналогичный ГУН. В этой схеме для масштабирования и смещения используется простой суммирующий усилитель. Управляющее напряжение \ (V_C \) масштабируется по одному каналу взвешенного сумматора. Этот сигнал смещается постоянным напряжением \ (V_ {offset} \), подаваемым через другой канал. Напряжение на выходе операционного усилителя используется для отвода тока от ГУН через управляющий резистор \ (R_C \).Напомним, что вывод SET микросхемы внутри выдает 1 вольт, и это выходной ток, \ (I_ {set} \), который устанавливает частоту задающего генератора, как выражено в уравнении \ ref {9.35}. Очевидно, что выходное напряжение операционного усилителя должно быть меньше 1 вольт, чтобы операционный усилитель потреблял ток (т.
е. чтобы \ (I_ {set} \) выходил из LTC6990). Разница напряжений между выходом операционного усилителя и 1 вольт на выводе SET падает на \ (R_C \), и это то, что создает \ (I_ {set} \). Обратите внимание, что когда управляющее напряжение становится более положительным на входе операционного усилителя, его выход и, следовательно, \ (I_ {set} \) также увеличивается.Таким образом, частота увеличивается с увеличением управляющего напряжения.
Пример \ (\ PageIndex {3} \)
Используя рисунок \ (\ PageIndex {7} \) в качестве руководства, спроектируйте схему ГУН, которая будет генерировать выходные частоты от 20 кГц до 50 кГц при управляющем напряжении от 6 до 8 вольт (т. Е. 6 вольт будут производить 20 кГц. , 7 вольт – 35 кГц, 8 вольт – 50 кГц и т. Д.)
Во-первых, обратите внимание, что диапазон частот составляет 2,5: 1. Поскольку LTC6990 всегда может покрыть любой диапазон 8: 1 (до 16: 1), а максимальная частота 50 кГц значительно ниже максимальной частоты LTC6990, мы знаем, что эта ИС является хорошим кандидатом для этой конструкции.
Теперь нам нужно определить номиналы резистора делителя. Из рисунка \ (\ PageIndex {5} \) видно, что мы можем достичь этого диапазона, используя \ (N_ {DIV} \) 4, 8 или 16. Выбирая среднее значение и предполагая, что нас не волнует Hi- Z состояние, мы приходим к DIVCODE = 3 с \ (R_1 \) = 1 M \ (\ Omega \) и \ (R_2 \) = 280 k \ (\ Omega \).
Наш частотный диапазон составляет 2,5: 1, что означает, что наш диапазон \ (I_ {set} \) также должен быть 2,5: 1. Для удобства выберите на выходе операционного усилителя значение 0 вольт для минимальной частоты.Это даст 1 вольт на \ (R_C \) и произойдет, когда управляющее напряжение в операционном усилителе достигнет минимального значения 6 вольт. Когда управляющее напряжение достигает максимального значения 8 вольт, нам потребуется 2,5 вольта на \ (R_C \) (т.е. в 2,5 раза больше предыдущего \ (I_ {set} \)). Это означает, что на выходе операционного усилителя должно быть -1,5 В. Обратите внимание, что изменение входного управляющего напряжения на 2 вольта вызовет изменение на 1,5 вольта на выходе операционного усилителя.
Таким образом, усиление этого канала составляет -0,75. Если мы выберем \ (R_f \) = 100 k \ (\ Omega \), то \ (R_b \) = 75 k \ (\ Omega \).
На этом этапе нам нужно добавить смещение. Только с масштабированием усиления, 6 вольт \ (V_C \) дает -0,75 умножить на 6 или -4,5 вольт, а \ (V_C \) в 8 вольт аналогичным образом дает -6 вольт. Следовательно, нам нужно добавить к выходу смещение +4,5 В. Если мы привяжем \ (V_ {offset} \) к шине питания -15 В на операционном усилителе, то нам потребуется коэффициент усиления 4,5 / (-15) или -0,3. При \ (R_f \), равном 100 к \ (\ Omega \), \ (R_a \) должно быть 333,3 к \ (\ Omega \) (ближайшее стандартное значение 1% – 332 к \ (\ Omega \)).
Наконец, чтобы определить \ (R_C \), обратитесь к уравнению \ ref {9.36} и решите относительно \ (I_ {set} \)
\ [I_ {set} = \ frac {f_ {osc} \ times N_ {DIV}} {1 МГц \ times 50 k} \ notag \]
Использование минимального fosc 20 кГц дает
\ [I_ {set} = \ frac {20 кГц \ times 8} {1 МГц \ times 50 k} \ notag \]
\ [I_ {set} = 3,2 мкА \ notag \]
Это происходит при 1 вольт на \ (R_C \).
Следовательно, \ (R_C \) = 312,5 k \ (\ Omega \). Перекрестная проверка, когда \ (V_C \) = 8 В, мы видим 2,5 вольта на \ (R_C \) для тока 8 \ (\ mu \) A. Подставляя это в уравнение \ ref {9.36} дает 50 кГц, нашу желаемую максимальную частоту.
В заключение отметим, что способ качания частоты зависит от формы волны \ (V_c \). Если используется синусоида, выходная частота будет плавно изменяться в указанных пределах. С другой стороны, если форма волны для \ (V_c \) является пилообразной, выходная частота будет начинаться с одного экстремума, а затем плавно переместиться к другому пределу по мере продолжения пилообразного изменения \ (V_c \). Когда рампа сбрасывается, выходная частота возвращается к своей начальной точке.Пример этого показан на рисунке \ (\ PageIndex {8} \). Наконец, если форма волны управления имеет квадратную форму, выходная частота будет скачкообразно изменяться с минимальной на максимальную частоту и обратно. Этот эффект показан на рисунке \ (\ PageIndex {9} \) и может использоваться для генерации сигналов FSK (частотный сдвиг).
FSK используется в индустрии связи для передачи двоичной информации.
Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): изменение частоты ГУН с использованием пилообразного изменения.
Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): двухтональный выход ГУН с использованием прямоугольной волны.
9.3.3: Цепь фазовой автоподстройки частоты
На одну ступень выше от ГУН входит контур фазовой автоподстройки частоты или ФАПЧ. ФАПЧ – это самокорректирующаяся схема; он может фиксироваться на входной частоте и настраиваться для отслеживания изменений на входе. ФАПЧ используются в модемах, системах ЧМн, частотном синтезе, тональных декодерах, демодуляции ЧМ-сигналов и других приложениях. Блок-схема базовой системы ФАПЧ показана на рисунке \ (\ PageIndex {10} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {10} \): Цепь фазовой автоподстройки частоты.
По сути, ФАПЧ использует обратную связь, чтобы синхронизировать генератор с фазой и частотой входящего сигнала.
Он состоит из трех основных частей; фазовый компаратор, контурный фильтр (обычно запаздывающая сеть некоторой формы) и ГУН. В контуре также может быть усилитель. Фазовый компаратор управляется входным сигналом и выходом ГУН. Он выдает сигнал ошибки, который пропорционален разности фаз между его входами. Затем этот сигнал ошибки фильтруется для удаления паразитных высокочастотных сигналов и шума.Результирующий сигнал ошибки используется в качестве управляющего напряжения для ГУН и, как таковой, устанавливает выходную частоту ГУН. Пока сигнал ошибки не слишком велик, контур будет самостабилизироваться. Другими словами, сигнал ошибки в конечном итоге приведет к тому, что ГУН будет иметь идеальную частоту и фазовую синхронизацию с входным сигналом. Когда это происходит, говорят, что ФАПЧ синхронизируется с входом. Диапазон частот, в котором ФАПЧ может оставаться в синхронизированном состоянии при изменении входного сигнала, называется диапазоном захвата.Обычно диапазон захвата симметричен относительно свободной или центральной частоты ГУН.
Отклонение от центральной частоты до границы диапазона захвата называется диапазоном слежения и, следовательно, составляет половину диапазона захвата. Это показано на рисунке \ (\ PageIndex {11} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {11} \): Рабочие диапазоны для петли фазовой автоподстройки частоты.
Хотя ФАПЧ может отслеживать изменения во всем диапазоне захвата, она может быть не в состоянии первоначально получить синхронизацию с частотами в пределах диапазона.Несколько более узкая полоса частот, называемая диапазоном захвата, указывает частоты, которые ФАПЧ всегда сможет захватить. Опять же, диапазон захвата обычно симметричен относительно \ (f_o \). Отклонение в обе стороны от \ (f_o \) называется диапазоном втягивания. Для правильной работы системы ФАПЧ входная частота должна сначала находиться в пределах диапазона захвата. Как только система ФАПЧ зафиксировала сигнал, входная частота может изменяться в большем диапазоне захвата. Центральная частота ГУН обычно устанавливается внешним резистором или конденсатором.
Для петлевого фильтра также могут потребоваться внешние компоненты. В зависимости от приложения желаемый выходной сигнал от ФАПЧ может быть либо выходом ГУН, либо управляющим напряжением для ГУН.
Один из способов передачи двоичных сигналов – через FSK. Это может быть использовано для того, чтобы два компьютера могли обмениваться данными по телефонным линиям. Из-за ограниченной полосы пропускания непрактично напрямую передавать цифровую информацию в ее нормальной импульсной форме. Вместо этого высокий и низкий логические уровни могут быть представлены разными частотами.Например, прямоугольная волна будет представлена как чередующийся набор двух тонов. FSK очень легко сгенерировать. Все, что вам нужно сделать, это запустить ГУН с желаемым логическим сигналом. Чтобы восстановить данные, схема приема должна создать высокий или низкий уровень, в зависимости от того, какой тон получен. Для этой цели может использоваться система ФАПЧ. Выходной сигнал будет сигналом ошибки, который управляет ГУН.
Логика работы схемы обманчиво проста. Если ФАПЧ заблокирована, выходная частота его ГУН должна быть такой же, как входной сигнал.Помня, что входящий сигнал FSK сам является производным от VCO, для того, чтобы VCO были заблокированы, они должны управляться идентичными управляющими сигналами. Следовательно, управляющий сигнал, который управляет внутренним ГУН ФАПЧ, должен быть таким же, как управляющий сигнал, который изначально генерировал сигнал FSK. Затем сигнал управления ФАПЧ может быть подан на компаратор, чтобы должным образом согласовать сигнал со следующей логической схемой.
По той же схеме, что и демодулятор ЧМн, находится стандартный демодулятор ЧМ-сигнала.Опять же, операционная логика такая же. Для того, чтобы ФАПЧ оставалась заблокированной, ее управляющий сигнал ГУН должен быть таким же, как исходный модулирующий сигнал. В случае типичных радиопередач модулирующим сигналом является голос или музыка. Выходной сигнал необходимо будет дополнительно усилить по переменному току.
ФАПЧ служит усилителем промежуточной частоты, ограничителем и демодулятором. В результате получается очень экономичная система.
Рисунок \ (\ PageIndex {12} \): синтезатор частоты с ФАПЧ.
Еще одно применение ФАПЧ – синтез частоты. Из одного точного опорного сигнала можно использовать систему ФАПЧ для получения ряда новых частот. Блок-схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {12} \). Основное изменение заключается в добавлении программируемого делителя между ГУН и фазовым компаратором. ФАПЧ может оставаться синхронизированной с опорным генератором, только создавая ту же частоту на делителе. Это означает, что ГУН должен генерировать частоту в \ (N \) раз выше, чем опорный генератор.Мы можем использовать выход VCO по желанию. Чтобы изменить выходную частоту, все, что нужно изменить, – это коэффициент делителя. Обычно используется высокоточный и стабильный эталон, например кварцевый генератор. Таким образом, вновь синтезированные частоты также будут очень стабильными и точными.
Одним из примеров усовершенствованной цифровой системы ФАПЧ является LTC6950. Это устройство работает на частоте до 1,4 ГГц и имеет пять выходов. Каждый из выходов имеет независимо программируемый делитель и задержку тактового сигнала ГУН.Входная опорная частота устанавливается в диапазоне от 2 МГц до 250 МГц. Благодаря множеству выходов и возможностям синхронизации это устройство может использоваться в больших распределенных системах, требующих точного управления несколькими часами. Действительно, одно устройство можно использовать для управления несколькими другими LTC6950 в очень больших системах. Примером этого может быть система, использующая несколько высокоскоростных аналого-цифровых или цифро-аналоговых преобразователей с высоким разрешением. Точность этих устройств во многом зависит от очень точных и стабильных источников синхронизации.Мы рассмотрим аналого-цифро-аналоговое преобразование в двенадцатой главе.
9.3.4: 555 Таймер
Таймер 555 – это универсальная интегральная схема, впервые представленная Signetics в начале 1970-х годов.
Он остается популярным строительным блоком в самых разных приложениях, от простых прямоугольных генераторов до охранной сигнализации и широтно-импульсных модуляторов. В его самых основных формах, одноразовом, или моностабильном, и нестабильном генераторе, для 555 требуется лишь несколько внешних компонентов.Обычно для основных функций требуются только два конденсатора и два резистора. 555 выпускается разными производителями и в нескольких формах. Например, 556 – это сдвоенный 555. 555 может воспроизводить частоты примерно до 500 кГц. Выходной ток установлен как 200 мА, хотя это влечет за собой довольно высокие внутренние падения напряжения. Более разумное ожидание будет ниже 50 мА. Схема может питаться от источников питания от 5 до 18 вольт. Это делает 555 пригодным как для цифровой логики TTL, так и для типичных систем операционных усилителей.Время нарастания и спада для выходной прямоугольной волны обычно составляет 100 нс.
Рисунок \ (\ PageIndex {13} \): Блок-схема таймера 555.
Блок-схема 555 показана на рисунке \ (\ PageIndex {13} \). Он состоит из пары компараторов, связанных с цепочкой из трех одинаковых резисторов. Обратите внимание, что верхний, или пороговый, компаратор видит примерно 2/3 \ (V_ {cc} \) на своем инвертирующем входе, при условии, что никакие внешние схемы не подключены к выводу управления. (Если контакт управления не используется, между контактом и землей следует установить конденсатор емкостью 10 нФ.) Нижний, или триггерный, компаратор видит примерно 1/3 \ (V_ {cc} \) на своем неинвертирующем входе. Эти два компаратора питают триггер, который, в свою очередь, питает выходную схему и транзисторы разряда и сброса. Если на выходе триггера низкий уровень, транзистор разряда будет выключен. Обратите внимание, что выходной каскад является инвертирующим, поэтому, когда выход триггера низкий, выход схемы высокий. Напротив, если на входе транзистора сброса низкий уровень, выходной сигнал будет подавлен. Если возможности сброса не требуются, контакт сброса должен быть привязан к \ (V_ {cc} \).
Возвращаясь к компараторам, если бы неинвертирующий вход порогового компаратора поднялся выше 2/3 \ (V_ {cc} \), выход компаратора изменил бы состояние, запустив триггер и выдав низкое значение из 555 Аналогично, если вход инвертирующего входа компаратора триггера упадет ниже 1/3 \ (V_ {cc} \), выходной сигнал компаратора изменится, и, в конечном итоге, выход 555 станет высоким.
9.3.5: 555 Моностабильная работа
Базовая моностабильная схема показана на рисунке 9.39. В этой форме 555 будет генерировать одиночный импульс заданной ширины, когда на вход триггера подается отрицательный импульс. Обратите внимание, что три входных компонента, \ (R_ {in} \), \ (C_ {in} \) и \ (D \) служат для ограничения и дифференциации приложенного импульса. Таким образом, будет получен очень узкий импульс, что снижает вероятность ложных срабатываний. Чтобы увидеть, как работает схема, обратитесь к осциллограммам, представленным на рисунке 9.40.
Рисунок \ (\ PageIndex {14} \): 555 моностабильное соединение.
Рисунок \ (\ PageIndex {15} \): 555 моностабильных сигналов.
Предположим, что мощность 555 изначально низкая. Это означает, что транзистор разряда включен, замыкая синхронизирующий конденсатор \ (C \). На вход схемы подается узкий слабый импульс. Это заставит триггерный компаратор изменить состояние, запустив триггер, что, в свою очередь, вызовет высокий уровень на выходе, а также отключит транзистор разряда. В этот момент \ (C \) начинает заряжаться в сторону \ (V_ {cc} \) через \ (R \).Когда напряжение конденсатора достигает 2/3 \ (V_ {cc} \), срабатывает пороговый компаратор, устанавливая на выходе низкий уровень и включающий разрядный транзистор. Это разряжает конденсатор синхронизации, и схема готова к подаче нового входного импульса. Обратите внимание, что без входной схемы формирования сигналов запускающий импульс должен быть уже, чем желаемый выходной импульс. Уравнение для ширины выходного импульса
\ [T_ {out} = 1.1 RC \ notag \]
Интересно отметить, что значение \ (V_ {cc} \) не входит в уравнение.Это связано с тем, что компараторы всегда сравнивают входные сигналы с определенными процентами от \ (V_ {cc} \), а не с конкретными напряжениями.
Пример \ (\ PageIndex {4} \)
Определите значения синхронизирующего резистора и конденсатора для получения выходного импульса 100 мкс от 555.
Разумным выбором для \ (R \) будет 10 k \ (\ Omega \).
\ [T_ {out} = 1.1 RC \ notag \]
\ [C = \ frac {T_ {out}} {1.1 R} \ notag \]
\ [C = \ frac {100 \ mu s} {1.1 \ times 10 k} \ notag \]
\ [C = 9.09 nF \ notag \]
Ближайшее стандартное значение будет 10 нФ, поэтому лучшим выбором для \ (R \) может быть 9,1 к \ (\ Omega \) (также стандартное значение). Эта пара достаточно точно даст желаемую ширину импульса.
9.3.6: 555 Нестабильная работа
На рисунке \ (\ PageIndex {16} \) показана основная нестабильная или автономная форма генератора прямоугольных сигналов. Обратите внимание на сходство с моностабильной схемой. Очевидная разница
заключается в том, что прежний вход триггера теперь подключен к цепи синхронизации резистор-конденсатор.Фактически, схема будет постоянно срабатывать. Чтобы увидеть, как работает схема,
обратитесь к рисунку \ (\ PageIndex {17} \) для просмотра интересующих сигналов.
Сначала предположим, что выход 555 находится в высоком состоянии. В этот момент разрядный транзистор выключен, а конденсатор C заряжается в направлении Vcc через RA и RB. В конце концов, напряжение конденсатора превысит 2/3 В постоянного тока, что приведет к срабатыванию триггера порогового компаратора. Это включит разрядный транзистор и вызовет низкий уровень на выходе 555.Разрядный транзистор эффективно помещает верхний конец RB на землю, исключая RA и Vcc. Теперь C разряжается через RB до 0. В конечном итоге напряжение конденсатора упадет ниже 1/3 В постоянного тока. Это приведет к срабатыванию триггерного компаратора, который, в свою очередь, вернет схему в исходное состояние, и цикл повторится.
Рисунок \ (\ PageIndex {16} \): 555 нестабильное соединение.
Рисунок \ (\ PageIndex {17} \): 555 нестабильных сигналов.
Частота колебаний явно зависит только от C, RA и RB. Временные периоды:
.\ [T_ {high} = 0,69 (R_A + R_B) C \ notag \]
\ [T_ {low} = 0,69 R_B C \ notag \]
Это приводит к частоте
\ [f = \ frac {1.44} {R_A +2 R_B} \ notag \]
Рабочий цикл обычно определяется как максимальное время, деленное на период. Документация 555 часто меняет это определение, но мы будем придерживаться отраслевых норм.
\ [Рабочий цикл = \ frac {R_A + R_B} {R_A + 2 R_B} \ notag \]
Быстрый анализ рабочего цикла. Уравнение показывает, что не существует разумной комбинации резисторов, которая дала бы 50% рабочего цикла, не говоря уже о меньшем.Однако есть простой способ решить эту проблему. Все, что вам нужно сделать, это разместить диод параллельно RB, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {18} \). Диод будет смещен в прямом направлении в течение высокого периода времени и эффективно закорачивает RB. В течение низкого периода времени диод будет смещен в обратном направлении, и RB все еще будет доступен для фазы разряда. Если RA и RB установлены на одно и то же значение, конечный результат будет составлять 50% рабочего цикла. Конечно, из-за неидеальности диода он не будет идеальным, поэтому может потребоваться некоторая корректировка номиналов резистора.Кроме того, обратите внимание, что если \ (R_A \) также заменить потенциометром (и, возможно, последовательным ограничивающим резистором), получится настраиваемый генератор прямоугольных сигналов
.
Рисунок \ (\ PageIndex {18} \): 555 с шунтирующим диодом для рабочих циклов \ (\ leq \) 50%.
Пример \ (\ PageIndex {5} \)
Определите значения компонентов для генератора прямоугольных импульсов 2 кГц с рабочим циклом 80%. Во-первых, обратите внимание, что период является обратной величиной желаемой частоты или 500 \ (\ mu \) s.
Для 80% рабочего цикла получается
\ [T_ {high} = \ text {Duty Cycle} \ times T \ notag \]
\ [T_ {high} = 0.8 \ раз 500 \ му с \ нотаг \]
\ [T_ {high} = 400 \ mu s \ notag \]
\ [T_ {low} = T − T_ {high} \ notag \]
\ [T_ {low} = 500 \ mu s-400 \ mu s \ notag \]
\ [T_ {low} = 100 \ mu s \ notag \]
Выбор \ (R_B = 10 k \ Omega \),
\ [T_ {low} = 0,69 R_B C \ notag \]
\ [C = \ frac {T_ {low}} {0,69 R_B} \ notag \]
\ [C = \ frac {100 \ mu s} {0,69 \ times 10 k \ Omega} \ notag \]
\ [C = 14,5 нФ \ notag \]
\ [T_ {high} = 0.69 (R_A + R_B) C \ notag \]
\ [R_A = \ frac {T_ {high}} {0,69C} – R_B \ notag \]
\ [R_A = \ frac {400 \ mu s} {0,69 \ times 14,5 нФ} – 10 к \ Omega \ notag \]
\ [R_A = 30k \ Omega \ notag \]
Сильноточный генератор 555 импульсов с использованием регулятора напряжения
Этот сильноточный генератор 555 импульсов полезен в приложениях, где импульсы, подаваемые одним только 555, не имеют достаточного тока. С таймером 555 вы получаете выход с двумя уровнями напряжения, высоким и низким, но текущая емкость этой ИС очень ограничена.
Если на выходе установлен силовой транзистор, высокая пропускная способность по току может быть получена только тогда, когда он находится на высоком уровне или только на низком уровне (это зависит от типа транзистора и способа его подключения).
Так как желательно получить импульс большой силы тока (импульс мощности) как на высоком, так и на низком уровне, в качестве основных компонентов используются таймер 555, транзистор и регулятор напряжения. См. Схему.
Генератор импульсов мощности (генератор сильноточных импульсов)
Форма выходного сигнала генератора импульсов (Vout)
Из диаграммы видно, что минимальное значение выхода равно 1.2 В (минимальное напряжение, обеспечиваемое используемыми регуляторами), а максимальное напряжение будет примерно на 3 В ниже, чем напряжение питания. Падение на 3 вольта связано с падением напряжения между входом (контакт 2) и выходом (контакт 3) регулятора напряжения.
Форма выходного сигнала генератора сильноточных импульсовКак работает генератор сильноточных импульсов 555?
На этой схеме показано, как таймер 555, сконфигурированный как нестабильный генератор, соединяется на своем выходе с очень популярным регулятором переменного напряжения, таким как LM317, LM150, LM250, LM350, которые могут выдавать напряжения в диапазоне от 1.От 2 до 33 вольт с максимальным током 3 ампера.
Минимальное напряжение на низком уровне будет минимальным напряжением, полученным от регулятора, а максимальный высокий уровень будет зависеть от максимального напряжения источника питания, который использует схему.
С этим типом схемы можно напрямую управлять лампами постоянного тока. Мощные лампы, которые периодически включаются и выключаются, в качестве сигнала опасности на дороге – хорошее применение.
555 Timer Pin Out
Также можно управлять двигателями постоянного тока.Регулировка частоты колебаний (с помощью резистора 100K) может изменить скорость двигателя.
LM350K – регулятор переменного напряжения (вывод)
Поскольку 555 работает как генератор, он заставляет транзистор постоянно входить в свои зоны отсечки и насыщения. Частота, с которой это делается, регулируется потенциометром 100K, а потенциометр 10K используется для изменения ширины импульса.
Распиновка 2N2222 NPN транзистора
Список компонентов схемы
- 1 Регулятор напряжения LM350T / LM250T / LM150T / LM317T.(Рег). Эти регуляторы напряжения могут различаться по току. Выберите тот, который подходит для приложения
- 1 таймер 555 (IC)
- 1 2N2222 NPN транзистор или эквивалентный (T)
- 1 резистор 10 кОм (R1)
- 1 резистор 1 кОм (R2)
- 1 резистор 220 Ом (R3)
- 1 Потенциометр 100 кОм (1/2 Вт) (P1)
- 1 Потенциометр 10 кОм (1/2 Вт) (P2)
- 1 Конденсатор 0,1 мкФ (микрофарад) (C2)
- 1 0,01 мкФ до 10 мкФ (микрофарад) электролитический конденсатор (C1)
- 1 радиатор для регулятора напряжения
(PDF) ЛЕСТНИЧНЫЙ ГЕНЕРАТОР С ДЛИТЕЛЬНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ
ЛЕСТНИЧНЫЙ ГЕНЕРАТОР С ДЛИТЕЛЬНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ
Иван М.
Трайч, Институт ядерных наук Винча, Белград, Югославия
Стефан Чороба, Франц-Рюдигер Кайзер, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Гамбург, Германия
Аннотация – В этой статье мы представляем решение для лестничного генератора
, конечное выходное напряжение которого контролируется управляющим напряжением
. Широтно-импульсная модуляция в сочетании с операционным интегратором усилителя
используется для получения большого времени нарастания от 15
до 60 мин. Для аналогового управления питанием накала
катода клистрона будет использоваться ступенчатый генератор
с длительным управлением напряжением.
1. ВВЕДЕНИЕ
Коллаборация TESLA работает над созданием нового ускорителя
– сверхпроводящего электрон-позитронного линейного коллайдера
длиной примерно 33 км с интегрированными рентгеновскими лазерами
. Работы по развитию проекта –
под названием TESLA (TeV – Energy Super holding Linear
Accelerator) начались в 1993 году.
В TTF (TESLA Test Facility) в качестве оконечного усилителя
каскад ВЧ (Радио -Частота) используется клистрон 5 МВт – TH
2104C или 10 МВт – TH 1801 [1].Для нагрева нити
TH 2104C требует 20–28 В, 17–28 А, а
Th2801 требует 8,0–9,25 В, 39–45 А [2,3,4].
Температура катода клистрона должна поддерживаться постоянной
с очень узкими допусками во время работы клистрона.
Следовательно, мощность нити накала должна быть постоянной, и если
не меняется сопротивление нити накала, можно регулировать
напряжение нагрева или ток нагрева. Производитель Klystron
рекомендует стабилизированные источники питания переменного тока.Питание накаливания
должно иметь на выходе регулируемое напряжение ± 1%,
, которое указано производителем клистрона. Для
по этой причине выбран источник питания с регулируемым переменным током, который
подключен к нагревателю накала с трансформатором, поэтому выбран
. В качестве источника питания отопления используется источник питания (БП) FUG AC Регулируемый
, модель NYW 1500M – 250. Блок питания
имеет регулировку напряжения от 0 до 250 В переменного тока, а блок питания
– от 0 до 6 А.PS
может управляться извне с помощью электронных схем.
Одним из наиболее важных факторов, влияющих на срок службы лампы
, является напряжение нагрева нити, например
время нарастания приложенного напряжения нагрева. По этой причине было необходимо время нарастания напряжения нагрева
15 минут.
Изготовитель клистрона требует, чтобы
приложили напряжение нагрева нити накала, а ток нагрева должен быть
, ограниченным до определенного значения.
Для выполнения этой задачи потребовался лестничный генератор
с длительным управлением напряжением.
2. ОПИСАНИЕ РЕШЕНИЯ
Для получения 15-минутного (или более) периода нарастания напряжения
используется схема интегратора. Интеграция выполняется
с использованием прецизионного операционного усилителя (OPA). Поскольку
период относительно длинный, период интеграции увеличивается до
с использованием последовательного переключателя PMOSFET BS250.Выходное напряжение имеет форму лестницы
с шагом
∆V = Voutput / 225 (1)
, где Voutput – выходное напряжение лестничного генератора.
Фактически, желаемое время нарастания (15 мин), деленное на период
, нестабильная схема LM556A (4 с) дает количество шагов.
Высококачественный конденсатор (полипропилен или полистирол) должен использоваться в цепи интегратора до
.
Переключатель разомкнут / замкнут (интегрирование / удержание) с последовательностью из
импульсов, генерируемых известным таймером LM555, фактически используется двойной таймер
LM556, который состоит из двух таймеров
LM555 [5,6 , 7,8,9,10,11,12].Первая часть LM556A – это
, подключенная как нестабильная цепь, которая запускает LM556B.
Период между импульсами, например разомкнутый переключатель, составляет около 4 с, определяется
внешними компонентами LM556A. Длительность импульса
определяется напряжением Vcv, приложенным к CV LM556B, который
подключен как моностабильная цепь. Изменяя напряжение
Vcv, приложенное к CV LM556B, можно изменять длительность импульса
моностабильной схемы LM556B.Теперь
можно поддерживать длительный период нарастания от 15 до 60
минут в очень широком диапазоне приложенных напряжений, фактически
от 1 В до 12 В, когда LM556 питается от Vcc =
+ 15 В (рис. 1), путем изменения времени, в течение которого
PMOSFET открыт. В этом случае
V
cont = Vcv. (2)
Зависимость длительности импульса от приложенного напряжения показана на рис. 2.
Интегральная схема LM556 не может поддерживать линейную зависимость приложенного управляющего напряжения от времени нарастания
в такой широкой области и напряжение, приложенное к CV
LM556B не может начать с нуля.Чтобы иметь возможность
управлять напряжением, начиная с нуля, необходимо было добавить
один OPA, который добавляет или сдвигает управляющее напряжение на один вольт. Более
линейных характеристик были достигнуты с помощью LM556 [10] компании National
Semiconductor с питанием от Vcc = + 18 В. В
в этом случае зависимость длительности импульса от управляющего напряжения
имеет линейность в пределах ± 5% при изменении управляющего напряжения от
.от нуля до десяти вольт.Теперь напряжение, приложенное к CV
LM556B, составляет
В
cv = Vcont + 1 В. (3)
В качестве интегратора используется прецизионный операционный усилитель
LM308A [13,14,15, 16]. Можно использовать металлический корпус с 8 выводами или корпус
14DIP, который имеет два дополнительных защитных контакта слева
и справа от выходных контактов. Следует соблюдать осторожность
для этого операционного усилителя в дизайне печатной платы для входного сигнала
(ограничение тока), а защитные кольца с обеих сторон
печатной платы должны минимизировать токи утечки.Входной ток смещения
компенсируется стандартным методом с использованием
1N4148 в качестве температурной компенсации [15,16].
Управляющее напряжение Vcont также используется как выходное ограничение.
Без этого ограничения выход схемы интегратора достигнет
13,5 В для Vcc = + 15 В.
Зборник радова XLVI Konf za ETRAN, Banja Vrućica – Teslić, 4-7 июня 2002, tom I
Proc. XLVI конференция ETRAN, Баня Вручица – Теслич, 4-7 июня 2002 г., т.I
25
Введение, основы и работа с различными режимами работы
Таймер IC 555 – хорошо известный компонент в электронных кругах, но то, что не известно большинству людей, – это внутренняя схема ИС и функции различных выводов, присутствующих в ИС. Позвольте мне рассказать вам факт о том, почему таймер 555 называется так , таймер получил свое название от трех последовательно включенных резисторов по 5 кОм, используемых во внутренней цепи ИС.
Таймер IC 555 – одна из наиболее широко используемых микросхем в электронике, которая используется в различных электронных схемах благодаря своим прочным и стабильным свойствам. Он работает как генератор прямоугольной формы с рабочим циклом от 50% до 100%, осциллятор, а также может обеспечивать временную задержку в цепях. Таймер 555 получил свое название от трех резисторов на 5 кОм, подключенных по схеме делителя напряжения, которая показана на рисунке ниже. Упрощенная схема внутренней схемы приведена ниже для лучшего понимания, поскольку полная внутренняя схема состоит из более чем 16 резисторов, 20 транзисторов, 2 диодов, триггера и многих других компонентов схемы.
Таймер 555 поставляется в виде 8-контактного устройства DIP (Dual In-Line Package). Существует также двойная версия 556 таймера 555, который состоит из двух полных 555 таймеров в 14 DIP и счетверенный таймер 558, который состоит из четырех таймеров 555 в одной IC и доступен на рынке как 16-контактный DIP.
Рис.1: Схема выводов микросхемы 555
Рис.2: Схема внутренних цепей IC 555
Основные понятия:
· Компаратор: Компаратор – это основной электронный компонент, который сравнивает два входных напряжения i.е. между инвертирующим (-) и неинвертирующим (+) входом, и если неинвертирующий вход больше, чем инвертирующий вход, то выход компаратора высокий. Также входное сопротивление идеального компаратора бесконечно.
· Делитель напряжения: Поскольку мы знаем, что входное сопротивление компараторов бесконечно, входное напряжение делится поровну между тремя резисторами. Значение V в /3 на каждом резисторе.
· Flip / Flop: Flip / Flop – это элемент памяти цифровой электроники.Выход (Q) триггера является «высоким», если вход на клемме «S» имеет «высокий», а «R» находится на «низком уровне», а выход (Q) – «низкий», когда вход на « S – это «низкий», а «R» – высокий.
Функция различных контактов: –
1. Земля: этот вывод используется для обеспечения шины нулевого напряжения для интегральной схемы для разделения потенциала питания между тремя резисторами, показанными на схеме.
2. Триггер: Как мы видим, напряжение на неинвертирующем конце компаратора составляет V в /3, поэтому, если триггерный вход используется для установки выхода F / F в «высокое» состояние путем подачи напряжения, равного или меньшего V в /3, или любого отрицательного импульса, поскольку напряжение на неинвертирующем конце компаратора составляет V в /3.
3. Выход: это выходной контакт ИС, подключенный к Q ’(Q-полоса) F / F с инвертором между ними, как показано на рисунке.
4. Сброс: этот вывод используется для сброса выхода F / F независимо от начального состояния F / F, а также это активный низкий вывод, поэтому он подключен к «высокому» состоянию, чтобы избежать любых шумовых помех. если не требуется операция сброса. Поэтому большую часть времени он подключен к источнику питания, как показано на рисунке.
5.Управляющее напряжение: как мы видим, вывод 5 подключен к инвертирующему входу, имеющему уровень напряжения (2/3) В в . Он используется для отмены инвертирующего напряжения для изменения ширины выходного сигнала независимо от схемы синхронизации RC.
6. Порог: вывод подключен к неинвертирующему входу первого компаратора. Выход компаратора будет высоким, когда пороговое напряжение будет больше (2/3) В в , таким образом сбрасывая выход (Q) F / F с «высокого» на «низкий».
7. Разряд: этот вывод используется для разряда синхронизирующих конденсаторов (конденсаторов, участвующих во внешней цепи, чтобы ИС работала как генератор прямоугольных импульсов) на землю, когда выход вывода 3 переключается на «низкий».
8. Питание: этот вывод используется для подачи на ИС напряжения питания для функционирования и выполнения различных операций, которые должны выполняться таймером 555.
Использует: –
Таймер IC 55 используется во многих схемах, например, в генераторе одноразовых импульсов в моностабильном режиме в качестве генератора в нестабильном режиме или в бистабильном режиме для создания действия типа триггера / флопа.Он также используется во многих других схемах для достижения различных целей, например, амплитудно-импульсной модуляции (PAM), широтно-импульсной модуляции (PWM) и т. Д.
Подробнее об этих схемах будет рассказано в следующих руководствах.
]]>
Изучение таблицы данных
Мы могли использовать 555 Timer IC в одном или нескольких приложениях, таких как генератор, таймер, PWM и т. Д. Мы могли видеть IC 555 в большинстве приложений. Но большинство из нас не знает, как устроены эти схемы таймера 555.Как IC555 используется в таких приложениях. Для разработки приложений на базе IC555 необходимо сначала обратиться к его техническому описанию. Он предоставляет всю необходимую информацию о микросхеме. Он предоставляет схему выводов, функции выводов, работу, операции и, что наиболее важно, различные рабочие параметры, такие как номинальное напряжение и ток питания, высокое выходное напряжение, низкое выходное напряжение, ток потребления, рабочая температура и т. Д. Обратившись ко всему этому, можно разработать собственное приложение с использованием IC555 или использовать IC555 надлежащим образом.
Итак, здесь я собираюсь объяснить некоторые из рабочих параметров IC555 , которые подскажут вам, как правильно использовать IC555. Для всех приведенных параметров я использовал таблицу данных LM555 / NE555 / SA555, предоставленную «Fairchild Semiconductor».
параметр | состояние | Мин. Значение | Максимальное значение | Пояснение |
Напряжение питания (Vcc) | 4.5 В | 16 В | Предел напряжения смещения не должен превышать эти два предела | |
Ток питания (Icc) | Vcc = 5 В и R L =? | 6 мА | Для питания 5 В и разомкнутой цепи выхода максимальный ток питания ограничен до 6 мА | |
Рассеиваемая мощность (P D ) | 600 мВт | Когда IC555 находится в рабочем состоянии, он рассеивает 600 мВт | ||
Рабочая температура | 0 o С | 70 o C | IC555 следует эксплуатировать в этом диапазоне температур.В дальнейшем производительность ухудшится | |
Температура пайки | За 10 с | 300 o C | Если IC555 впаян непосредственно в цепь, максимальная температура пайки не должна превышать 300 o C | |
Температура хранения | -65 o С | 150 o C | IC555 не следует хранить за пределами этих температурных пределов хранения | |
Управляющее напряжение (Vc) | Vcc = 5 В | 2.6 В | 4 В | Входное напряжение на контакте 5 ограничено от 2,6 В до 4 В для питания 5 В |
Пороговое напряжение (В th ) | Vcc = 5 В | 3,33 В | 3,33 В | Входное напряжение на выводе номер 6 должно быть немного выше этого значения |
Напряжение срабатывания (В tr ) | Vcc = 5 В | 1.1 В | 2,2 В | Входное напряжение на контакте 2 должно быть меньше 2,2 В для питания 5 В. Типичное значение 1,67 В |
Напряжение сброса (В сначала ) | 0,4 В | 1 В | Входное напряжение сброса на контакте 4 должно быть выше 0,4 В для правильной работы | |
Пороговый ток (I th ) | Vcc = 5 В | 0.25 мкА | Этот ток ограничит значение общего сопротивления (R1 + R2) = 6,7 МОм. | |
Ток срабатывания (I tr ) | В tr = 0 В | 2 мкА | Для входа триггера требуется максимальный ток 2 мкА | |
Ток сброса (I rst ) | 0.4 мА | |||
Низкое выходное напряжение (В или ) | Vcc = 5 В I , сток = 5 мА | 0 В | 0,35 В | Для источника питания 5 В максимальное выходное низкое напряжение составляет 0,35 В |
Высокое выходное напряжение (В oh ) | Vcc = 5 В I источник = 100 мА | 2.75 В | Vcc | Для источника питания 5 В минимальное выходное высокое напряжение составляет 2,75 В |
Пониженный ток (I сток ) | Vcc = 5 В | 5 мА | Для питания 15 В при низком выходном сигнале микросхема может потреблять максимум 50 мА тока от источника питания | |
Vcc = 15 В | 10 мА | 50 мА | ||
Источник тока (I источник ) | Vcc = 5 В | 100 мА | Для питания 15 В при высоком выходном сигнале микросхема может подавать максимальный ток 200 мА для нагрузки | |
Vcc = 15 В | 100 мА | 200 мА | ||
Время нарастания (T r ) | 100 нСм | Время, необходимое для повышения выхода с низкого значения до 50% от максимального значения, составляет всего 100 нсек | ||
Время падения (T f ) | 100 нСм | Время, необходимое для снижения выхода с высокого значения до 50%, составляет всего 100 нсек |
]]>
]]>
Основы таймера 555 IC
Мультивибраторынаходят свое место во многих приложениях, поскольку они являются одними из наиболее широко используемых схем.Приложение может быть бытовым (бытовым), промышленным, контрольным, коммуникационным и т. Д. Кем угодно. Мультивибраторы используются во всех таких приложениях, как генераторы, цифровые триггеры, схемы генератора импульсов, схемы генератора задержки, таймеры и многое другое.
Мультивибраторы бывают трех типов
1. Мультивибратор нестабильный – не имеет стабильного состояния. Он имеет два квазистабильных состояния, которые автоматически меняются с одного на другое и обратно.Таким образом, на самом деле он переходит из высокого состояния в низкое и из низкого состояния в высокое без какого-либо триггерного входа по истечении предварительно определенного времени.
{2. Моностабильный мультивибратор – имеет одно стабильное состояние и одно квази-стабильное состояние. Он переходит в квазистабильное состояние из стабильного состояния при подаче триггерного входа. Он автоматически переходит в стабильное состояние из квазистабильного состояния по истечении заданного времени.
3. Бистабильный мультивибратор – имеет оба стабильных состояния.Два разных триггерных входа используются для изменения состояния с высокого на низкий и с низкого на высокий.
Все эти три типа мультивибраторов можно легко сделать с помощью транзисторов. Но доступна одна ИС, которая может использоваться как нестабильный, моностабильный или бистабильный мультивибратор, и это IC555 .
IC 555 – самый универсальный чип, и он (может быть) использован практически во всех приложениях из-за своей многофункциональности. Его 8-контактный чип типа DIP или SOP с выходом постоянного тока 200 мА.Он называется микросхемой смешанного сигнала, потому что внутри находятся как аналоговые, так и цифровые компоненты. Его основными приложениями являются генерация таймингов, тактовых сигналов, генерация сигналов синхронизации, прямоугольный генератор в последовательной цепи и многое другое.
Схема контактов, описание контактов и функции контактов
Рис.3: Схема выводов микросхемы 555
Контактный номер | Название штифта | В / В | функция |
1 | Земля | вход | Обеспечивает землю |
2 | Триггер | вход | Входной контакт триггерного компаратора.Отрицательный триггер (<1/3 Vcc) применяется в моностабильном режиме |
3 | Выход | выход | Его выходной контакт |
4 | Сброс | вход | Внутренний штифт сброса триггера. Должен быть высоким, чтобы разрешить выход |
5 | Контроль | вход | Вход управляющего напряжения для управления зарядкой и разрядкой внешнего конденсатора |
6 | Порог | вход | Входной контакт порогового компаратора.Положительный триггер (> 2/3 Vcc) применяется в бистабильном режиме |
7 | Разряд | вход | Нагнетательный штифт. Обеспечивает путь разряда к внешнему конденсатору |
8 | Vcc | вход | Для напряжения смещения + Ve. От 4,5 В до 16 В |
Внутренняя блок-схема –
Фиг.4: Блок-схема 555 IC
Как показано на рисунке IC555 включает в себя два компаратора, один RS-триггер и несколько других дискретных компонентов, таких как транзисторы, резисторы и т. Д., Напряжение смещения (Vcc) делится на три части через делитель напряжения с использованием того же номинала резисторов R. / 3 Vcc подается на неинвертирующую клемму триггерного компаратора, а 2/3 Vcc подается на инвертирующую клемму порогового компаратора. Выходы обоих компараторов подаются на входы R и S триггера.Выход Q ’является фактическим выходом IC, а выход Q управляет разрядным транзистором, который обеспечивает путь разрядки к внешнему конденсатору всякий раз, когда он высокий.
Когда отрицательный триггер <1/3 Vcc применяется на входном контакте триггера, компаратор триггера дает высокий выходной сигнал, который сбрасывает триггер, и выход Q ', который является выходом микросхемы, становится высоким. на входном выводе порогового значения пороговый компаратор выдает высокий выходной сигнал, который устанавливает триггер. Выход Q станет высоким, а выход чипа станет низким.В это время разряжается транзистор, который обеспечивает путь разряда к внешнему конденсатору. Высокий вход сброса сохраняет триггер включенным. Если он низкий, триггер отключится и выходной сигнал будет низким. Никакого влияния выходов порогового и триггерного компаратора нет.
]]>
]]>
Общие сведения о режимах работы
Режимы работы IC555
IC555 имеет три различных рабочих режима . Эти режимы работы фактически соответствуют трем различным конфигурациям мультивибратора.
1. Астабильный режим – он также известен как самозапускающийся или автономный режим . У него нет стабильного состояния. Он имеет два квазистабильных состояния, которые автоматически меняются с одного на другое. Он переходит из высокого состояния в низкое и из низкого состояния в высокое без какого-либо триггерного входа по истечении предварительно определенного времени. Этот режим используется для генерации прямоугольных колебаний, тактовых импульсов, ШИМ-волн и т. Д.
2. Моностабильный режим – также известен как режим single shot .Он имеет одно стабильное состояние и одно квазистабильное состояние. Он переходит в квазистабильное состояние из стабильного состояния при подаче триггерного входа и автоматически возвращается в стабильное состояние после заданного времени. Он используется для генерации импульсов, временной задержки и т. Д.
3. Бистабильный режим – также известен как триггерный режим . Имеет оба стабильных состояния. Два разных триггерных входа используются для изменения состояния с высокого на низкий и с низкого на высокий.Он используется в приложениях автоматического переключения, для генерации импульсов переменного времени и т. Д.
Астабильный режим
Рис.5: Принципиальная схема микросхемы 555 в нестабильном режиме
На приведенном выше рисунке показаны подключения IC555, используемого в качестве нестабильного мультивибратора.
Подключения: – сопротивление R1 подключено между контактом Vcc (№ 8) и разрядным контактом (№ 7). Другой резистор R2 подключен между пороговым контактом (№6) и нагнетательный штифт. Пусковой штифт (№ 2) закорочен с пороговым штифтом. Конденсатор C подключен, как показано, между выводом порога и землей. Контакт входа управляющего напряжения (№ 5) подключен к земле через конденсатор емкостью 0,1 мкФ. Выходной сигнал берется с контакта №. 3. Входной контакт сброса (№ 4) подключен к Vcc, чтобы разрешить работу внутреннего триггера. № контакта. 8 подключен к Vcc для смещения + Ve, а контакт №. 1 подключен к земле для смещения –Ve.
Операция: – Как мы уже знаем, этот режим запускается автоматически и автоматически меняет свое состояние с высокого на низкий, с низкого и высокого.Это достигается за счет короткого замыкания порога и триггерного штифта. Форма выходного сигнала также показана на рисунке.
· Первоначальная производительность высокая. Конденсатор заряжается в направлении Vcc через R1 и R2
.· Когда оно достигает 2/3 Vcc, пороговый компаратор дает высокий выходной сигнал. Это установит триггер. Таким образом, выходной сигнал становится низким, и разрядный транзистор становится включенным.
· Таким образом, конденсатор находит путь разряда через R2 к контакту разряда.
· Когда конденсатор разряжается до 1/3 В постоянного тока, триггерный компаратор дает высокий выходной сигнал.Это сбросит триггер. Таким образом, выходной сигнал снова становится высоким, а разрядный транзистор выключен.
· Значит, конденсатор снова начнет заряжаться.
· Таким образом, конденсатор будет заряжаться и разряжаться в пределах от 2/3 до 1/3 В постоянного тока. Этот цикл является непрерывным, и мы постоянно получаем высокий-низкий-высокий-низкий выходной сигнал со скоростью зарядки и разрядки конденсатора.
Расчетные уравнения: –
Конденсатор заряжается до Vcc через резисторы R1 и R2.Таким образом, время зарядки равно
.T1 = (R1 + R2) × C × ln 2
В это время выходной сигнал высокий, поэтому мы можем написать
T H = (R1 + R2) × C × ln 2 = 0,693 × (R1 + R2) × C
В разрядном тракте отображается только сопротивление R2. Таким образом, время разряда равно
.T2 = R2 × C × ln 2
В это время выходной сигнал низкий, поэтому мы можем написать
T L = R2 × C × ln 2 = 0,693 × R2 × C
Но общее время
T T = T H + T L
= 0.693 × (R1 + R2) × C + 0,693 × R2 × C
= 0,693 × (R1 + 2 × R2) × C
И поскольку частота обратно пропорциональна времени,
F = 1 / / T T = 1 / 0,693 × (R1 + 2 × R2) × C
Это означает
Частота = 1,44 / (R1 + 2 × R2) × C ___________________ (I)
Рабочий цикл равен
Рабочий цикл = время включения / общее время%
= 0.693 × (R1 + R2) × C / 0,693 × (R1 + 2 × R2) × C
Рабочий цикл = (R1 + R2) / (R1 + 2 × R2)% ______________ (II)
Уравнения (I) и (II) являются расчетными уравнениями для нестабильного мультивибратора, использующего IC555. Используя эти два уравнения, можно узнать значения R1, R2 и C. Как это делается, объясняется в следующем уроке.
Астабильный режим для рабочего цикла 50% (или меньше): –
Одна из проблем при подключении нестабильного мультивибратора описанным выше способом заключается в том, что рабочий цикл будет больше 50%.Невозможно спроектировать его менее чем на 50%, потому что
Рабочий цикл = (R1 + R2) / (R1 + 2 × R2)%
В этом уравнении, если вы исключите R1 (приняв R1 = 0), вы получите
Рабочий цикл = R2 / 2 × R2% = 50%
Но мы не можем сделать R1 = 0 в приведенной выше схеме. Вот почему точный рабочий цикл 50% или меньше невозможен.
Итак, что можно сделать, чтобы получить точную продолжительность включения 50% (или меньше)?
Ответ – использовать один простой диод. Вот схема.
Рис.6: Принципиальная схема ИС 555 в нестабильном режиме для 50% рабочего цикла
Как показано на рисунке выше, один диод подключен в прямом направлении через сопротивление R2. В схеме теперь вместо двух резисторов разного номинала используется только одно значение (R) в качестве R1 и R2.
Работа схемы проста. Первоначально выходной сигнал высокий, и конденсатор заряжается до 2/3 В постоянного тока через верхний резистор. В это время производительность становится низкой. Затем конденсатор разряжается до 1/3 В постоянного тока через нижний резистор.Поскольку оба значения сопротивления одинаковы, мы получим одинаковое время зарядки и разрядки, что означает точный рабочий цикл 50%.
Чтобы вычислить уравнение частоты, время зарядки конденсатора, для которого выходной сигнал высокий, равно
.T H = R × C × ln 2 = 0,693 × R × C
Аналогично времени разряда конденсатора при низком выходе
T L = R × C × ln 2 = 0,693 × R × C
Теперь, потому что общее время
T T = T H + T L
= 2 × T H (или 2 × T L )
= 2 × 0.693 × R × C
= 1,368 × R × C
А частота равна
F = 1 / T T = 1 / (1,368 × R × C)
F = 0,72 / RC
Теперь для уменьшения продолжительности рабочего цикла (менее 50%) необходимо уменьшить значение верхнего сопротивления (R1), чем нижнего сопротивления (R2). Это уменьшит время зарядки. Таким образом, уменьшается время включения (время высокого выходного сигнала) и рабочий цикл также уменьшается. Чтобы увеличить рабочий цикл, необходимо сделать полностью обратный. Чтобы изменить рабочий цикл от минимального до максимального, можно использовать потенциометр вместо резисторов с фиксированным значением (на R1 или R2).Здесь показана одна из таких возможных схем со всеми значениями компонентов.
Рис.7: Принципиальная схема ИС 555 в нестабильном режиме для 50% рабочего цикла
Примечание: – выход этой схемы называется выходом с широтно-импульсной модуляцией. Он широко используется для управления скоростью двигателей постоянного тока.
Астабильный режим для генерации выходного сигнала ШИМ с постоянной частотой: –
Проблема в приведенной выше схеме ШИМ заключается в том, что ее выходная частота также будет изменяться при изменении выходной ширины.Выходная частота обратно пропорциональна значению сопротивления. Таким образом, когда сопротивление увеличивается или уменьшается, частота уменьшается или увеличивается.
Итак, что нужно сделать, чтобы выходная частота оставалась постоянной или постоянной?
Ответ снова использовать диод. На этот раз не один, а два диода. Схема такая, как показано ниже.
Рис. 8: Принципиальная схема микросхемы 555 в нестабильном режиме, генерирующей выход ШИМ
Соединения: – два диода соединены спина к спине с двумя выводами потенциометра 10K с разрядным штырем, как показано.Штырь ползунка соединен с конденсатором 1 мкФ и пороговым штырем. Остальные соединения аналогичны.
Эксплуатация: – Как я сказал ранее, чтобы частота оставалась постоянной, общее сопротивление должно поддерживаться постоянным. Делается это с помощью двух диодов
.Когда выходной сигнал высокий, конденсатор заряжается через 1 кОм, D1 и часть резистора 10 кОм (скажем, R1) и достигает 2/3 В постоянного тока
Выходной сигнал становится низким, и теперь конденсатор разряжается через другую часть 10K (скажем, R2) и D2 до 1/3 Vcc
Таким образом, при перемещении потенциометра 10K влево R1 уменьшается – время зарядки уменьшается – время включения уменьшается – рабочий цикл уменьшается.Но при этом увеличивается R2 – увеличивается время разряда – увеличивается время выключения
Аналогично тому, как если бы горшок был повернут вправо, R1 увеличивается – время зарядки увеличивается – время включения увеличивается – рабочий цикл увеличивается. Но поскольку R2 уменьшается, время выключения уменьшается
Таким образом, при перемещении потенциометра с обеих сторон время включения и выключения увеличивается / уменьшается, но общее время остается постоянным, и поэтому частота также остается постоянной. Формы сигналов показаны на рисунке.
Моностабильный режим
Моностабильный режим: –
На данном рисунке показаны подключения IC555, используемого в качестве моностабильного мультивибратора
.Фиг.9: Принципиальная схема микросхемы 555 в моностабильном режиме
Подключения: – вместо подключения одного резистора между порогом и разрядным контактом они закорочены здесь, как показано. Один резистор R подключен между выводом Vcc и выводом разряда. Конденсатор C подключен, как показано, между выводом порога и землей. Внешний триггер применяется на входном контакте триггера. Этот вывод поддерживается на высоком уровне Vcc, подключая его к Vcc через 1K? резистор. Контакт входа управляющего напряжения (№5) подключается к земле через конденсатор емкостью 0,1 мкФ. Выходной сигнал берется с контакта №. 3. Входной контакт сброса (№ 4) подключен к Vcc, чтобы разрешить работу внутреннего триггера. № контакта. 8 подключен к Vcc для смещения + Ve, а контакт №. 1 подключен к земле для смещения –Ve.
Работа: – в этом режиме состояние выхода изменится с низкого на высокий (а затем обратно на низкий) только при подаче внешнего отрицательного триггерного импульса. Триггерный вход и выходной импульс показаны на рисунке.
· Перед срабатыванием триггера конденсатор заряжается до Vcc через R1
· Когда оно достигает 2/3 Vcc, пороговый компаратор дает высокий выходной сигнал. Это установит триггер. Выходной сигнал низкий, а разрядный транзистор включен
.· Значит, конденсатор разряжается, и поэтому выходная мощность низкая.
· При подаче отрицательного триггерного импульса триггерный компаратор дает высокий выходной сигнал. Это сбросит триггер.
· Выходной сигнал становится высоким, а разрядный транзистор выключен.
· И снова конденсатор начинает заряжаться в сторону Vcc. Когда оно достигает 2/3 Vcc, триггер срабатывает, и выходной сигнал автоматически становится низким.
· Таким образом, выходной сигнал становится высоким только при срабатывании триггера и остается высоким до тех пор, пока конденсатор не зарядится до 2/3 В постоянного тока.
Расчетные уравнения: –
Конденсатор экспоненциально заряжается до 2/3 В постоянного тока за счет постоянной времени RC.
Время, необходимое для достижения значения 2/3 Vcc, составляет
T d = 1.1 × R × C ____________________ (I)
И когда конденсатор заряжается до значения 2/3 Vcc, пороговый компаратор устанавливает триггер, и выход немедленно становится низким. Таким образом, это уравнение временной задержки фактически определяет ширину выходного импульса, что означает, что до этого времени выходной сигнал остается высоким. Таким образом, уравнение (I) – это расчетное уравнение для моностабильного мультивибратора. Используя это уравнение для требуемого периода времени, можно узнать значения R и C. Как это делается, объясняется в следующем уроке.
Примечание: – период времени внешнего триггера должен быть больше, чем ширина выходного импульса, потому что до тех пор, пока выходной сигнал не будет высоким, нет никакого влияния триггерного входа.Также, если вход триггера постоянно низкий, выход будет постоянно высоким независимо от постоянной времени RC. Поэтому при проектировании в первую очередь следует учитывать частоту внешнего запуска.
Бистабильный режим
Бистабильный режим: –
Подключение бистабильного мультивибратора IC555 показано на рисунке выше.
Рис.10: Принципиальная схема микросхемы 555 в бистабильном режиме
Подключения: – , потому что теперь нет самозапуска, конденсатор исключен из схемы.Один резистор 1 кОм подключается между выводом порогового значения и землей, как показано, а другой резистор 1 кОм подключается между Vcc и выводом триггера. Остальные соединения являются общими и аналогичны нестабильным и моностабильным мультивибраторам.
Работа: – бистабильный мультивибратор требует двух разных импульсов запуска, как показано на рисунке. Один положительный импульс на выводе порога и второй отрицательный импульс на выводе триггера.
Изначально выход низкий.Как показано на осциллограммах, при подаче отрицательного импульса (<1/3 Vcc) сразу выход становится высоким. И продолжает оставаться на высоком уровне
Затем после того, как положительный импульс (> 2/3 Vcc) подается на вывод порогового значения, выход становится низким и остается низким после этого
Таким образом, ширина выходного импульса определяется временной задержкой между двумя импульсами.
Нет никаких расчетных уравнений или каких-либо неизвестных значений компонентов, которые нужно было бы выяснить, потому что вся операция зависит от внешних импульсов.
Использование входного контакта управления: –
Во всех вышеперечисленных режимах контакт управляющего входа (№ 5) всегда заземлен через конденсатор емкостью 0,1 мкФ. Как показано на внутренней схеме IC555, этот вывод подключен к инвертирующему выводу порогового компенсатора (который зафиксирован на 2/3 Vcc). Таким образом, изменение напряжения на этом входе изменит ограничение на 2/3 Vcc и изменит время зарядки конденсатора. Изменяя управляющее входное напряжение, время зарядки конденсатора может быть увеличено или уменьшено.Таким образом, ширина выходного импульса будет увеличиваться или уменьшаться. Таким образом, вход управляющего напряжения используется для увеличения / уменьшения ширины выходного импульса. Схема приведена ниже
Рис.11: Принципиальная схема микросхемы 555 в бистабильном режиме
В схему IC555 включен в нестабильном режиме. Один потенциометр подключен к управляющему выводу (№ 5), как показано. Его ползунок соединен с контактом, а два фиксированных терминала подключены к Vcc и GND. Таким образом, когда ползунок перемещается, напряжение на управляющем контакте увеличивается / уменьшается, а ширина выходного импульса также увеличивается / уменьшается.
Примечание: – если на вход управляющего напряжения подается какой-либо низкочастотный аналоговый сигнал (аудиосигнал), то ширина выходного импульса будет изменяться в соответствии с амплитудой входного сигнала. Это называется широтно-импульсной модуляцией, одним из широко используемых современных методов модуляции
.Использование входного контакта сброса: –
Почти во всех цепях таймера 555 вход сброса подключен к Vcc. На самом деле это активный низкий вход, который включает или отключает работу внутреннего триггера.Согласно внутренней схеме, этот вывод управляет одним транзистором PNP, который подключен к предварительно заданному входу триггера. Итак
· Если этот вывод получает низкий логический уровень (подключен к GND), транзистор PNP становится включенным и устанавливает триггер. Это означает, что разрядный транзистор включен, а выходной сигнал низкий. Нет никакого эффекта от входа с порогового или триггерного контактов.
· Если на этот вывод задана высокая логика (подключена к Vcc), транзистор PNP отключается. Нет никакого влияния на триггер, и выход становится высоким или низким в зависимости от входа от вывода порогового значения или вывода триггера.
· Таким образом, входной контакт сброса фактически работает как переключатель ВКЛ / ВЫКЛ для работы IC555. Если вывод сброса включен (задан высокий логический уровень), работа IC555 включена, и наоборот.
]]>
Работа с таймером 555 IC
IC555 – самый универсальный чип, и он (может быть) использован практически во всех приложениях из-за своей многофункциональности. Как мы знаем, мультивибратор на кристалле означает, что с IC555 можно создавать нестабильные, моностабильные, бистабильные мультивибраторы.Его основными приложениями являются генерация таймингов, тактовых сигналов, генерация синхронизирующих сигналов, генератора прямоугольных импульсов и многого другого.
Итак, здесь мы собираемся обсудить некоторые применения IC555. Но перед этим я начну с основной теории. Здесь я не буду обсуждать внутреннюю блок-схему и теорию IC555 о том, как она работает в нестабильном или моностабильном режиме, поскольку все уже знакомы с этим. Но здесь дается практический подход, объясняющий, как разрабатывать различные приложения чипа.(Также проверьте некоторые схемы таймера 555)
Астабильный мультивибратор: –
Для нестабильной работы IC555 у нас есть два расчетных уравнения
f = 1,44 / (R1 + 2 * R2) * C и
% рабочего цикла = (R1 + R2) / (R1 + 2 * R2)
Здесь частота и рабочий цикл являются проектными параметрами, и мы должны найти три неизвестных R1, R2 и C. Для заданных значений проектных параметров мы должны найти эти три неизвестных.
Итак, давайте разберемся с этим на одном примере.давайте спроектируем мультивибратор 40 кГц для рабочего цикла 60%.
Из заданных значений
40000 = 1,44 / (R1 + 2 * R2) * C ______ (1) и
0,6 = (R1 + R2) / (R1 + 2 * R2) ______ (2)
Здесь мы должны принять значение C, так как из двух уравнений мы не можем найти три неизвестных. Допустим, C = 0,01 мкФ. Подставляя это значение в первое уравнение
(R1 + 2 * R2) = 3600 _________ (3)
Подставив это значение (R1 + 2 * R2) во второе уравнение
(R1 + R2) = 2160 __________ (4)
Из уравнений (3) и (4) мы можем определить R1 = 720 Ом и R2 = 1.44К. Ближайшие практические значения будут 715 Ом и 1,43 К. Подставляя эти значения обратно в расчетные уравнения, мы получим частоту = 40 кГц (почти равную) и рабочий цикл = 60%. Если мы используем потенциометр 4,7 кОм вместо фиксированного значения R2, то мы можем установить точную частоту 40 кГц. настройкой значения R2.
Рис.12: Принципиальная схема нестабильного мультивибратора на базе микросхемы 555
Теперь невозможно спроектировать нестабильный мультивибратор с точным 50% рабочим циклом, используя эти уравнения и приведенную выше схему.Если вы хотите спроектировать нестабильный мультивибратор для точного 50% рабочего цикла, мы должны внести небольшие изменения в приведенную выше схему, подключив один диод к резистору R2.
Значения обоих резисторов будут R1 = R2 = R, и будет только одно расчетное уравнение
f = 1 / 0,69 * R * C.
Здесь, приняв номинал конденсатора, легко найти номинал резистора. Рабочий цикл всегда будет 50%. Для вышеуказанных значений частоты (40 кГц) и конденсатора (10 нФ) значение R будет равно 3.6К. Схема такая, как показано ниже.
Рис.13: Принципиальная схема нестабильного мультивибратора на базе микросхемы 555
Моностабильный и бистабильный мультивибратор
Мультивибратор моностабильный: –
Для моностабильной работы существует только одно расчетное уравнение
Период времени T = 1.1RC
Это период времени, в течение которого o / p остается высоким.
Если требуемый период времени составляет 1 мс.затем
0,001 = 1.1RC
Здесь предполагается любое подходящее значение емкости конденсатора, скажем, 1 мкФ. Итак
R = 0,001 / 1,1 * 0,000001 = 990 Ом.
Если мы возьмем ближайшее значение 1К, то временной период будет 1,1 мс. Здесь также вместо использования какого-либо фиксированного значения сопротивления, если мы используем потенциометр 10 кОм, мы можем получить на выходе импульс переменного времени (1 – 11 мс). Схема такая, как показано.
Рис.14: Принципиальная схема моностабильного мультивибратора на базе микросхемы 555
Бистабильный мультивибратор: –
Это самое простое применение IC555, потому что здесь нет расчетного уравнения.просто мы должны применить логику высокого / низкого уровня к контактам 6/2, чтобы получить низкий / высокий выход. Вот схема.
Рис.15: Принципиальная схема бистабильного мультивибратора на базе микросхемы 555
Как показано на схеме, контакт № 6 соединен с землей через R1, а контакт № 2 соединен с Vcc через R2. Два кнопочных переключателя S1 – S2 подключены, как показано, для подачи на эти контакты входов высокого и низкого уровня. операция очень проста. При кратковременном нажатии S1 выход становится высоким, а при нажатии S2 выход становится низким.
Вместо переключателей, если мы подадим серию положительных и отрицательных импульсов на соответствующие контакты, как показано на рисунке, мы можем получить прямоугольный волновой выход.
Итак, это три конфигурации IC 555. Теперь давайте рассмотрим некоторые из очень интересных приложений, которые используют эти конфигурации.
Генерация PAM – PWM – PPM с использованием IC555
Беспроводное управление скоростью шагового двигателя с помощью лазера и IC555
Беспроводное управление скоростью двигателя постоянного тока с помощью ИК-порта и IC555
Беспроводное управление скоростью двигателя переменного тока с помощью ИК-порта и ZCD
]]>
]]> ]]>В рубрике: Рекомендуемые материалы
С тегами: микросхема таймера 555, режимы работы
.
