Генератор прямоугольных импульсов на NE555. Генератор на NE555 с регулировкой частоты Генератор малых частот на таймере 555

В радиолюбительской практике часто возникает необходимости использовать генератор синусоидальных колебаний. Применения ему можно найти самые разнообразные. Рассмотрим как создать генератор синусоидального сигнала на мосту Вина со стабильной амплитудой и частотой.

В статье описывается разработка схемы генератора синусоидального сигнала. Сгенерировать нужную частоту можно и программно:

Наиболее удобным, с точки зрения сборки и наладки, вариантом генератора синусоидального сигнала является генератор, построенный на мосту Вина, на современном Операционном Усилителе (ОУ).

Мост Вина

Сам по себе мост Вина является полосовым фильтром, состоящим из двух . Он выделяет центральную частоту и подавляет остальные частоты.

Мост придумал, Макс Вин еще в 1891 году. На принципиальной схеме, сам мост Вина обычно изображается следующим образом:

Картинка позаимствована у Википедии

Мост Вина обладает отношением выходного напряжения ко входному b=1/3 . Это важный момент, потому что этот коэффициент определяет условия стабильной генерации. Но об этом чуть позже

Как рассчитать частоту

На мосту Вина часто строят автогенераторы и измерители индуктивности. Чтобы не усложнять себе жизнь обычно используют R1=R2=R и C1=C2=C . Благодаря этому можно упростить формулу. Основная частота моста рассчитывается из соотношения:

f=1/2πRC

Практически любой фильтр можно рассматривать как делитель напряжения, зависящий от частоты. Поэтому при выборе номиналов резистора и конденсатора желательно, чтобы на резонансной частоте комплексное сопротивление конденсатора (Z), было равно, или хотя бы одного порядка с сопротивлением резистора.

Zc=1/ωC=1/2πνC

где ω (омега) — циклическая частота, ν (ню) — линейная частота, ω=2πν

Мост Вина и операционный усилитель

Сам по себе мост Вина не является генератором сигнала. Для возникновения генерации его следует разместить в цепи положительной обратной связи операционного усилителя. Такой автогенератор можно построить и на транзисторе. Но использование ОУ явно упростит жизнь и даст лучшие характеристики.

Коэффициент усиления на троечку

Мост Вина имеет коэффициент пропускания b=1/3 . Поэтому условием генерации является то, что ОУ должен обеспечивать коэффициент усиления равный трем. В таком случает произведение коэффициентов пропускания моста Вина и усиления ОУ даст 1. И будет происходить стабильная генерация заданной частоты.

Если бы мир был идеальным, то задав резисторами в цепи отрицательной обратной связи, нужный коэфф усиления, мы бы получили готовый генератор.

Это неинвертирующий усилитель и его коэффициент усиления определяется соотношением: K=1+R2/R1

Но увы, мир не идеален. … На практике оказывается, что для запуска генерации необходимо, чтобы в самый начальный момент коэфф. усиления был немного больше 3-х, а далее для стабильной генерации он поддерживался равным 3.

Если коэффициент усиления будет меньше 3, то генератор заглохнет, если больше — то сигнал, достигнув напряжения питания, начнет искажаться, и наступит насыщение.

При насыщении, на выходе будет поддерживаться напряжение, близкое к одному из напряжений питания. И будут происходить случайные хаотичные переключения между напряжениями питания.

Поэтому, строя генератор на мосте Вина, прибегают к использованию нелинейного элемента в цепи отрицательной обратной связи, регулирующего коэффициент усиления. В таком случае генератор будет сам себя уравновешивать и поддерживать генерацию на одинаковом уровне.

Стабилизация амплитуды на лампе накаливания

В самом классическом варианте генератора на мосте Вина на ОУ, применяется миниатюрная низковольтная лампа накаливания, которая устанавливается вместо резистора.

При включении такого генератора, в первый момент, спираль лампы холодная и ее сопротивление мало. Это способствует запуску генератора (K>3). Затем, по мере нагрева, сопротивление спирали увеличивается, а коэффициент усиления снижается, пока не дойдет до равновесия (K=3).

Цепь положительной обратной связи, в которую был помещен мост Вина, остается без изменений. Общая принципиальная схема генератора выглядит следующим образом:

Элементы положительной обратной связи ОУ определяют частоту генерации. А элементы отрицательной обратной связи — усиление.

Идея использования лампочки, в качестве управляющего элемента очень интересна и используется по сей день. Но у лампочки, увы, есть ряд недостатков:

• требуется подбор лампочки и токоограничивающего резистора R*.
• при регулярном использовании генератора, срок жизни лампочки обычно ограничивается несколькими месяцами
• управляющие свойства лампочки зависят от температуры в комнате.

Другим интересным вариантом является применение терморезистора с прямым подогревом. По сути, идея та же, только вместо спирали лампочки используется терморезистор. Проблема в том, что его нужно для начала найти и опять таки подобрать его и токоограничиващие резисторы.

Стабилизация амплитуды на светодиодах

Эффективным методом стабилизации амплитуды выходного напряжения генератора синусоидальных сигналов является применение в цепи отрицательной обратной связи ОУ светодиодов (VD1 и VD2 ).

Основной коэффициент усиления задается резисторами R3 и R4 . Остальные же элементы (R5 , R6 и светодиоды) регулируют коэффициент усиления в небольшом диапазоне, поддерживая генерацию стабильной. Резистором R5 можно регулировать величину выходного напряжения в интервале примерное 5-10 вольт.

В дополнительной цепи ОС желательно использовать низкоомные резисторы (R5 и R6 ). Это позволит пропускать значительный ток (до 5мА) через светодиоды и они будут находиться в оптимальном режиме. Даже будут немного светиться:-)

На показанной выше схеме, элементы моста Вина рассчитаны для генерации на частоте 400 Гц, однако они могут быть легко пересчитаны для любой другой частоты по формулам, представленным в начале статьи.

Качество генерации и применяемых элементов

Важно, чтобы операционный усилитель мог обеспечить необходимый для генерации ток и обладал достаточной полосой пропускания по частоте. Использование в качестве ОУ народных TL062 и TL072 дало очень печальные результаты на частоте генерации 100кГц. Форму сигнала было трудно назвать синусоидальной, скорее это был треугольный сигнал. Использование TDA 2320 дало еще более худший результат.

А вот NE5532 показа себя с отличной стороны, выдав на выходе сигнал очень похожий на синусоидальный. LM833 так же справилась с задачей на отлично. Так что именно NE5532 и LM833 рекомендуются к использованию как доступные и распространенные качественные ОУ. Хотя с понижением частоты гораздо лучше себя будут чувствовать и остальные ОУ.

Точность частоты генерации напрямую зависит от точности элементов частотозависимой цепи. И в данном случае важно не только соответствие номинала элемента надписи на нем. Более точные детали имеют лучшую стабильность величин при изменении температуры.

В авторском варианте были применены резистор типа С2-13 ±0.5% и слюдяные конденсаторы точностью ±2%. Применение резисторов указанного типа обусловлено малой зависимостью их сопротивления от температуры. Слюдяные конденсаторы так же мало зависят от температуры и имеют низкий ТКЕ.

Минусы светодиодов

На светодиодах стоит остановиться отдельно. Их использование в схеме синус генератора вызвано величиной падения напряжения, которое обычно лежит в интервале 1.2-1.5 вольта. Это позволяет получать достаточно высокое значение выходного напряжения.

После реализации схемы, на макетной плате, выяснилось, что из-за разброса параметров светодиодов, фронты синусоиды на выходе генератора не симметричны. Это немного заметно даже на приведенной выше фотографии. Помимо этого присутствовали небольшие искажения формы генерируемого синуса, вызванные недостаточной скоростью работы светодиодов для частоты генерации 100 кГц.

Диоды 4148 вместо светодиодов

Светодиоды были заменены на всеми любимые диоды 4148. Это доступные быстродействующие сигнальные диоды со скоростью переключения менее 4 нс. Схема при этом осталась полноценно работоспособной, от описанных выше проблем не осталось и следа, а синусоида приобрела идеальный вид.

На следующей схеме элементы моста вина рассчитаны на частоту генерации 100 кГц. Так же переменный резистор R5 был заменен на постоянные, но об этом позже.

В отличие от светодиодов, падение напряжения на p-n переходе обычных диодов составляет 0.6÷0.7 В, поэтому величина выходного напряжения генератора составила около 2.5 В. Для увеличения выходного напряжения возможно включение нескольких диодов последовательно, вместо одного, например вот так:

Однако увеличение количества нелинейных элементов сделает генератор более зависимым от внешней температуры. По этой причине было решено отказаться от такого подхода и использовать по одному диоду.

Замена переменного резистора постоянными

Теперь о подстроечном резисторе. Изначально в качестве резистора R5 был применен многооборотный подстроечный резистор на 470 Ом. Он позволял точно регулировать величину выходного напряжения.

При построении любого генератора крайне желательно наличие осциллографа. Переменный резистор R5 напрямую влияет на генерацию — как на амлитуду так и на стабильность.

Для представленной схемы генерация стабильна лишь в небольшом интервале сопротивлений этого резистора. Если соотношение сопротивлений больше требуемого — начинается клиппинг, т.е. синусоида будет подрезаться сверху и снизу. Если меньше — форма синусоиды начинает искажаться, а при дальнейшем уменьшении генерация глохнет.

Так же это зависит от используемого напряжения питания. Описываемая схема исходно была собрана на ОУ LM833 с питанием ±9В. Затем, без изменения схемы, ОУ были заменены на AD8616, а напряжение питания на ±2,5В (максимум для этих ОУ). В итоге такой замены синусоида на выходе подрезалась. Подбор резисторов дал значения 210 и 165 ом, вместо 150 и 330 соответственно.

Как подобрать резисторы «на глаз»

В принципе можно оставить и подстроечный резистор. Все зависит от требуемой точности и генерируемой частоты синусоидального сигнала.

Для самостоятельного подбора следует, в первую очередь, установить подстроечный резистор номиналом 200-500 Ом. Подав выходной сигнал генератора на осциллограф и вращая подстроечный резистор дойти до момента когда начнется ограничение.

Затем понижая амплитуду найти положение, в котором форма синусоиды будет наилучшей.Теперь можно выпаять подстроечник, замерить получившиеся величины сопротивлений и впаять максимально близкие значения.

Если вам требуется генератор синусоидального сигнала звуковой частоты, то можно обойтись и без осциллографа. Для этого, опять таки, лучше дойти до момента когда сигнал, на слух, начнет искажаться из-за подрезания, а затем убавить амплитуду. Убавлять следует до тех пор пока искажения не пропадут, а затем еще немного. Это необходимо т.к. на слух не всегда можно уловить искажения и в 10%.

Дополнительное усиление

Генератор синуса был собран на сдвоенном ОУ, и половина микросхемы осталась висеть в воздухе. Поэтому логично задействовать ее под регулируемый усилитель напряжения. Это позволило перенести переменный резистор из дополнительной цепи ОС генератора в каскад усилителя напряжения для регулировки выходного напряжения.

Применение дополнительного усилительного каскада гарантирует лучшее согласование выхода генератора с нагрузкой. Он был построен по классической схеме неинвертирующего усилителя.

Указанные номиналы позволяют изменять коэффициент усиления от 2 до 5. При необходимости номиналы можно пересчитать под требуемую задачу. Коэффициент усиления каскада задается соотношением:

K=1+R2/R1

Резистор R1 представляет из себя сумму последовательно включенных переменного и постоянного резисторов. Постоянный резистор нужен, чтобы при минимальном положении ручки переменного резистора коэффициент усиления не ушел в бесконечность.

Как умощнить выход

Генератор предполагался для работы на низкоомную нагрузку в несколько Ом. Разумеется ни один маломощный ОУ не сможет выдать необходимый ток.

Для умощнения, на выходе генератора разместился повторитель на TDA2030. Все вкусности такого применения этой микросхемы описаны в статье .

А вот так собственно выглядит схема всего синусоидального генератора с усилителем напряжения и повторителем на выходе:

Генератор синуса на мосту Вина можно собрать и на самой TDA2030 в качестве ОУ. Все зависит от требуемой точности и выбранной частоты генерации.

Если нет особых требований к качеству генерации и требуемая частота не превышает 80-100 кГц, но при этом предполагается работа на низкоомную нагрузку, то этот вариант вам идеально подойдет.

Заключение

Генератор на мосту Вина — это не единственный способ генерации синусоиды. Если вы нуждаетесь в высокоточной стабилизации частоты то лучше смотреть в сторону генераторов с кварцевым резонатором.

Однако, описанная схема, подойдет для подавляющего большинства случаев, когда требуется получение стабильного, как по частоте так и по амплитуде, синусоидального сигнала.

Генерация это хорошо, а как точно измерить величину переменного напряжения высокой частоты? Для это отлично подходит схема которая называется .

Материал подготовлен исключительно для сайта

Как-то попросили меня сделать простую мигалку, чтоб реле управлять или маломощной лампочкой мигать. Собирать простейший мультивибратор, будь то симметричный или не симметричный, как-то банально, да и схема нестабильна и не совсем надежна, при том что работать она должна при напряжение 24 вольта в грузовом автомобиле, да и еще размеры иметь не слишком большие.

Схема

Поискав по сети схемы, решил по даташиту включить популярную микросхему NE555N. Прецизионный таймер, стоимость которого очень мала - порядка 10 рубликов за микросхему в дип корпусе! Но так как нагрузка у нас не совсем слабая, и может потребоваться большие токи относительно питания таймера, то нам нужен какой-то ключ, которым и будет управлять сам таймер.

Можно взять обычный транзистор, но он будет греться ввиду больших потерь из-за больших падений на переходах - поэтому взял высоковольтный полевой транзистор на несколько ампер тока, такому ключу при токе даже в 2 ампера не потребуется радиатор вообще.

Сам таймер 555 имеет ограничения в питающем напряжение - порядка 18 вольт, хотя уже и при 15 может смело вылететь, поэтому собираем цепочку из ограничительного резистора и стабилитрона с фильтрующим конденсатором по входу питания!

В схему введен регулятор, дабы можно было вращая ручку регулятора изменить частоту импульсов вспышки лампочки или срабатывания реле. Если же регулировка не требуется, можно подстроить частоту на нужные, замерить сопротивление и впаять потом готовое. На приведённой выше - сразу 2 регулятора, которыми меняется скважность (отношение включенного состояния выхода к выключенному). Если требуется соотношение 1:1 - убираем всё кроме одного переменного резистора.

Видео

Часть элементов выполнено в дип корпусах, часть в смд - для компактности и лучшей компоновки в целом. Схема генератора импульсов заработала после включения практически сразу, осталось только подстроить под нужную частоту. Плату желательно залить термоклеем или поставить в корпус из пластика, дабы автовладельцы не догадались ее прикрутить напрямую к корпусу или положить на что-то металлическое.

Для начинающих радиолюбителей переход от создания простейших схем с применением резисторов, конденсаторов, диодов к созданию печатных плат с различными микросхемами, означает переход на новый уровень мастерства. Однако при этом схемы основываются на базе простейших микросхем, одной из которых является микросхема интегрального таймера NE555.

Изучение любой микросхемы следует начинать с фирменной документации - DATA SHEET. Для начала следует обратить внимание на расположение выводов и их назначение для таймер NE555 (рисунок 1). Иностранные компании, как правило, не предоставляют принципиальные схемы своих устройств. Однако микросхема таймера NE555 является достаточно популярной и имеет свой отечественный аналог КР1006ВИ1, схема которого представлена на рисунке 2.

Рисунок 1

1. Одновибратор на базе NE555 (рисунок 3).

Рисунок 3

Работа схемы: на вывод 2 микросхемы подается импульс низкого уровня. На выходе 3 микросхемы получается прямоугольный импульс, длительность которого определяется времязадающей RC-цепочкой (ΔT = 1,1*R*C). Сигнал высокого уровня на выводе 3 формируется до тех пор, пока не зарядится времязадающий конденсатор С до напряжения 2/3Uпит. Диаграммы работы одновибратора показаны на рисунке 4. Для формирования импульса запуска работы микросхемы можно воспользоваться механической кнопкой (рисунок 5) или полупроводниковым элементом.

Рисунок 4

Рисунок 5

Назначение схемы одновибратора на базе микросхемы интегрального таймера NE555 – создание временных выдержек от нескольких миллисекунд до нескольких часов.

2 Генераторы на базе интегрального таймера NE555

Генератор на базе NE555 способен вырабатывать импульсы с максимальной частотой в несколько килогерц для прямоугольных импульсов и с частотой в несколько мегагерц для импульсов не прямоугольной формы. Частота, как и в случае с одновибратором, будет определяться параметрами времязадающей цепи.

2.1 Генератор импульсов формы меандр на базе NE555

Схема такого генератора представлена на рисунке 6, а временные диаграммы работы генератора на рисунке 7. Отличительной особенностью генератора импульсов формы меандр является то, что время импульса и время паузы равны между собой.

Рисунок 6

Рисунок 7

Принцип действия схемы аналогичен схеме одновибратора. Исключение составляет лишь отсутствующий импульс запуска работы микросхемы таймера на выводе 2. Частота вырабатываемых импульсов определяется выражением f = 0,722/(R1*C1).

2.2 Генератор импульсов с регулируемой скважностью на базе NE555

Регулирование скважности вырабатываемых импульсов позволяет строить на базе NE555 широтно-импульсные генераторы. Скважность определяется отношением времени импульса к длительности импульса. Обратной величиной скважности является коэффициент заполнения (англ. Duty cycle). Схема генератора импульсов с регулируемой скважностью на базе NE555 представлена на рисунке 8.

Рисунок 8

Принцип работы схемы: время импульса и время паузы определяется временем заряда конденсатора С1. Сигнал высокого уровня формируется при заряде С1 по цепи R1-RP1-VD1. При достижении напряжения 2/3Uпит таймер переключается и конденсатор С1 разряжается по цепи VD2-RP1-R1. По достижению 1/3Uпит таймер снова переключается и цикл повторяется.

Регулировка времени заряда и разряда конденсатора С1 осуществляется переменным резистором RP1. При этом происходит изменение скважности выходных импульсов при постоянном периоде следования импульса.

Для проверки работоспособности микросхемы интегрального таймера NE555 можно собрать схему, представленную на рисунке 9 (схема в симуляторе Multisim).

Рисунок 9

Регулировка выходного напряжения осуществляется переменным резистором R1. На приведенной схеме достаточно просто разобраться в алгоритме работы таймера. При величине питающего напряжения 12В опорное значение напряжения для переключения микросхемы составляет 4В и 8В. При напряжении 7,8В (Рисунок 10) на выходе таймера – высокий уровень сигнала (светодиод LED1 не горит). При достижении 8В (рисунок 11) произойдет переключение микросхемы – загорается светодиод LED1. Дальнейшее увеличение напряжение никаких изменений в работе таймера не вызовет.

Простые генераторы можно создать на базе таймеров 555 или 556, их применение очень широко: звуковые сигнализаторы, сирены, генераторы для проведения измерений и так далее…

На рисунке 1 показана схема простого акустического генератора со звуковым динамиком, на рисунке 2 аналогичная схема но с использованием пьезоэлектрического звукового преобразователя. Далее на рисунке 3 показана схема генератора с универсальным выходом, например для проведения измерений или тестирования усилителей.

Частота генератора зависит от величины сопротивлений R1 R2 и емкости С1 (см рисунок без номера).

На рисунке 4 показана схема 2-х тонального генератора, первая часть схемы такого генератора управляет работой второй части. частота сигнала первой части схемы должна быть намного меньше (сигнал модуляции) второй части (модулируемый сигнал).

Схема электронной сирены показана на рисунке 5. С выхода двухтонального генератора на NE555 сигнал поступает на усилитель собранный на двух транзисторах. Схема имеет как внутренний запуск так и внешний.

• Похожие статьи

Войти с помощью:

Случайные статьи

• 04.10.2014

  MSK5012 является высоконадежным регулирятором напряжения. Выходное напряжение может быть установлено с помощью двух резисторов. Регулятор имеет очень низкий уровень падения напряжения(0,45В на 10 А). MSK5012 имеет высокий уровень точности и стабильности выходного напряжения. Микросхема доступна в 5 pin корпусе, выводы электрически изолированны от корпуса микросхемы. Это дает нам свободу для …

• 16.11.2014

  Диапазоны длин волн (частот) для радиовещания. Диапазоны частот для радиовещания, принятые в России Общее название Диапазон частот Обозначение Модуляция Стандарт стереовещания рус. англ. Длинные волны 148,5-283,5 кГц ДВ LW АМ, DRM DRM Средние волны 526,5-1606,5 кГц СВ MW АМ, DRM DRM Короткие волны 3,95-4,00 МГц КВ-1 (75 м) SW (75 …

Продаётся за сущие копейки - микросхема в SMD исполнении, как правило, стоит порядка 5 рублей, в дипе - 7-10 рублей. Радиолюбителю, как в частности и мне, рано или поздно требуется относительно точный регулируемый и простой генератор для различных конструкций. Мне понадобился таковой для ознакомления с работой осциллографа. Нашел интересную схему в статье, которая описана как тестер для таймера, дабы проверить его исправность.

Принципиальная схема генератора импульсов на таймере

Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы. Период колебаний связан с номиналами резисторов R1, R2 и конденсатора С1. Чуть доработал схему, нарисовал свою печатку , правда рисовал под SMD, но решил в конечном итоге поставить Dip.

Вместо постоянных резисторов установлено два регулирующих резистора на 100 кОм для подстройки, новеньких, с хорошей регулировкой.

Выход таймера (вывод 3) разделен конденсатором на 100 нанофарад, обычным керамическим, чтобы исключить замыкание выхода или слишком завышенный уровень сигнала. По входу питания микросхемы установлен стеклянный диод который защищает схему от переполюсовки батареи - чтобы не сгорела, если подключишь полярность неправильно. Для индикации установлен светодиод с токоограничительным резистором - так видно когда устройство включено и работает. Большинство резисторов в схеме применены в планарном исполнении, чтоб снизить размеры и упростить монтаж без сверловки, типоразмер применен 1206 .

Схема генератора хорошо регулируется в широких пределах, подстройка, благодаря большим номиналам регуляторов, хорошая. Питается устройство во время тестов от аккумулятора в 6 вольт, ток потребления 15-25 мА, в зависимости от режима роботы которые выводятся движками регуляторов. Крайнее положение ставить не рекомендую, желательно последовательно с резисторами регулировки в схему поставить еще и дополнительно по несколько килоОм резисторы для надежности, но эта несложная платка сделанная на скорую руку для простейших тестов, поэтому устраивает и так.

На таймере 555 можно построить также генератор пилообразных колебаний.

Когда на выходе таймера присутствует напряжение высокого уровня, конденсатор С1 заряжается медленно от источника тока на полевом транзисторе. Как только напряжение на конденсаторе достигнет уровня 2Uпит / 3, высокий уровень напряжения на выходе таймера сменится на низкий и конденсатор быстро разрядится через открытый внутренний транзистор микросхемы.

Видео работы схемы

Частоту генерации определяют уровень источника постоянного тока на полевом транзисторе и емкость конденсатора С1. Период колебаний генератора равен Т=C1.Uпит/(3I) . Схему собрал и проверил redmoon.