Funksjonsgeneratorkrets ved bruk av en enkelt IC 4049

I dette innlegget vil vi lære hvordan du bygger 3 enkle funksjonsgeneratorkretser ved hjelp av en enkelt IC 4049, for å generere nøyaktige firkantbølger, trekantbølger og sinusbølger gjennom enkle bryteroperasjoner.

Bruker bare en lavpris CMOS IC 4049 og en håndfull separate moduler, er det enkelt å lage en robust funksjonsgenerator som vil gi en rekke tre bølgeformer rundt og utenfor lydspekteret.

Hensikten med artikkelen var å lage en grunnleggende, kostnadseffektiv, åpen kildekode frekvensgenerator som er enkel å konstruere og brukes av alle hobbyister og fagpersoner i laboratoriet.

Dette målet har utvilsomt blitt oppnådd, siden kretsen gir en rekke bølgeformer i sinus, firkant og trekant, og et frekvensspektrum fra omtrent 12 Hz til 70 KHz benytter bare en enkelt CMOS hex inverter IC og noen få separate elementer.

Ingen tvil om at arkitekturen kanskje ikke gir effektiviteten til mer avanserte kretser, spesielt når det gjelder bølgeformkonsistens ved økte frekvenser, men det er likevel et utrolig praktisk instrument for lydanalyse.

For en Bluetooth-versjon du kan Les denne artikkelen

Blokkdiagram

Grunnleggende om kretsdriften fra det viste blokkdiagrammet ovenfor Funksjonsgeneratorens hovedseksjon er en trekant / kvadratbølgenerator som består av en integrator og en Schmit-utløser.

Når utgangen fra Schmitt-utløseren er høy, tillater spenningen som mates tilbake fra Schmitt-utgangen til inngangen til Integratoren, at utgangen fra Integratoren kan rampe negativt før den overstiger det nedre utgangsnivået til Schmitt-utløseren.

På dette stadiet er Schmitt-utløserutgangen treg, så den lille spenningen som blir matet tilbake til inngangen til integratoren, gjør at den kan øke positivt før Schmitt-utløserens øvre utløsernivå er nådd.

Schmitt-utløserens utgang går høyt igjen, og integratorutgangen øker negativt igjen og så videre.

Integratorutgangens positive og negative sveip representerer en trekantet bølgeform hvis amplitude beregnes av Schmitt-utløserens hysterese (dvs. forskjellen mellom høye og lave triggergrenser).

Schmitt-utløserproduksjonen er naturligvis en firkantbølge som består av vekslende høye og lave utgangstilstander.

Trekantutgangen leveres til en diodeformer gjennom en bufferforsterker, som avrunder høyden og nedgangen i trekanten for å skape et omtrentlig til et sinusbølgesignal.

Deretter kan hver av de tre bølgeformene velges av en 3-veis velgerbryter S2 og leveres til en utgangsbufferforsterker.

Hvordan kretsen fungerer

Hele kretsskjemaet til CMOS-funksjonsgeneratoren som vist i figuren ovenfor. Integratoren er helt bygget med en CMOS-omformer, Nl, mens Schmitt-mekanismen inneholder to positive tilbakemeldingsomformere. Det er N2 og N3.

Følgende bilde viser pinout-detaljene til IC 4049 for bruk i skjemaet ovenfor

Kretsen fungerer på denne måten med tanke på for øyeblikket at P2-viskeren er på sitt laveste sted, med N3-utgang er høy, en strøm som tilsvarer:

Ub - U1 / P1 + R1

beveger seg via R1 og p1, der Ub indikerer forsyningsspenningen og Ut N1 terskelspenningen.

Fordi denne strømmen ikke er i stand til å bevege seg inn i omformerens høyimpedansinngang, begynner den å bevege seg mot C1 / C2 avhengig av hvilken kondensator som er koblet på linje av bryteren S1.

Spenningsfallet over C1 avtar således lineært slik at utgangsspenningen til N1 stiger lineært før den nedre terskelspenningen til Schmitt-utløseren nærmer seg akkurat når utgangen fra Schmitt-utløseren blir lav.

Nå en nåværende tilsvarende -Ut / P1 + R1 strømmer gjennom både R1 og P1.

Denne strømmen flyter alltid gjennom C1, slik at N1s utgangsspenning øker eksponentielt til Schmitt-utløserens maksimale grensespenning oppnås, Schmitt-utløserens utgang stiger, og hele syklusen begynner på nytt.

For å opprettholde trekantbølgesymmetrien (dvs. den samme hellingen for både de positive og de negativtgående delene av bølgeformen) må kondensatorens belastnings- og utladningsstrøm være identisk, noe som betyr at Uj, -Ui skal være identisk med Ut.

Dessverre er Ut normalt 55%! Kildespenningen Ub = Ut er omtrent 2,7 V med 6 V og Ut omtrent 3,3 V.

Denne utfordringen overvinnes med P2 som krever endring av symmetrien. For øyeblikket, vurder at thai R-er relatert til den positive tilførselslinjen (posisjon A).

Uansett innstilling av P2, forblir Schmitt-utløserens høye utgangsspenning alltid 11.

Likevel, når N3-utgangen er lav, etablerer R4 og P2 en potensiell skillelinje slik at, basert på P2s viskerkonfigurasjon, kan en spenning mellom 0 V og 3 V returneres tilbake til P1.

Dette sikrer at spenningen ikke lenger er -Ut og men Up2-Ut. I tilfelle P2-gliderspenningen er rundt 0,6 V, bør Up2-Ut være rundt -2,7 V, derfor vil strømmen til lading og utlading være identisk.

Åpenbart, på grunn av toleransen i verdien til Ut, bør P2-justeringen utføres for å matche spesifikk funksjonsgenerator.

I situasjoner der Ut er mindre enn 50 prosent av inngangsspenningen, kan det være hensiktsmessig å koble toppen av R4 til jord (posisjon B).

Et par frekvensskalaer kan bli funnet, som tildeles ved bruk av S1 12 Hz-1 kHz og 1 kHz til omtrent 70 kHz.

Granulær frekvensstyring er gitt av P1 som endrer strømmen for ladning og utladning av C1 eller C2 og dermed frekvensen som integratoren ramper opp og ned gjennom.

Squarewave-utgangen fra N3 sendes til en bufferforsterker via en bølgeformvelger, S2, som består av et par invertere som er forspent som en lineær forsterker (koblet opp parallelt for å forbedre utgangsstrømeffektiviteten).

Trekantbølgeutgangen tilføres gjennom en bufferforsterker N4 og derfra ved å velge bryteren til bufferforsterkerutgangen.

Dessuten blir trekantutgangen fra N4 lagt til sinusformeren, bestående av R9, R11, C3, Dl og D2.

D1 og D2 trekker liten strøm opp til rundt +/- 0,5 volt, men deres mangfoldige motstand faller utover denne spenningen og begrenser logaritmisk høyden og nedgangen i trekantpulsen for å skape en ekvivalent med en sinebølge.

Sinusutgangen overføres til utgangsforsterkeren via C5 og R10.

P4, som varierer forsterkningen av N4 og dermed amplituden til trekantpulsen som tilføres sinusformeren, endrer sinustransparansen.

For lavt signalnivå, og amplituden til trekanten ville være under terskelspenningen til dioden, og den vil fortsette uten endring, og for høyt signalnivå, høyde og lavtpunkt vil bli sterkt klippet, og gir dermed ikke bra dannet sinusbølge.

Utgangsbufferforsterkerens inngangsmotstander er valgt slik at alle tre bølgeformene har en nominell topp til minimum utgangsspenning på rundt 1,2 V. Utgangsnivået kan endres gjennom P3.

Oppsettprosedyre

Justeringsmetoden er ganske enkelt å endre symmetrien til trekanten og renheten til sinusbølgen.

I tillegg optimaliseres trekantsymmetrien ideelt ved å undersøke squarewave-inngangen, siden det produseres en symmetrisk trekant hvis squarewave-plikten er 50% (1-1 mark-space).

For å gjøre dette må du justere den forhåndsinnstilte P2.

I en situasjon der symmetrien øker når P2-viskeren beveges ned mot N3-utgangen, men riktig symmetri ikke kunne oppnås, må den øvre delen av R4 kobles sammen i den alternative stillingen.

Renheten til sinusbølgen endres ved å justere P4 til bølgeformen 'ser perfekt ut' eller ved å variere for minimal forvrengning bare hvis det er en forvrengningsmåler å sjekke.

Siden forsyningsspenningen påvirker utgangsspenningen til de forskjellige bølgeformene, og derfor sinusens renhet, må kretsen drives fra en robust 6 V-forsyning.

Når batterier brukes som strømkildebatterier, skal de aldri tvinges til å løpe for mye nedover.

CMOS IC-ene som brukes som lineære kretser drenerer høyere strøm enn i vanlig koblingsmodus, og derfor må forsyningsspenningen ikke overstige 6 V, ellers kan IC-en varme opp på grunn av kraftig termisk spredning.

En annen flott måte å bygge en funksjonsgeneratorkrets kan være gjennom IC 8038, som forklart nedenfor

Funksjonsgeneratorkrets ved bruk av IC 8038

IC 8038 er en presisjonsbølgeformgenerator IC spesielt designet for å lage sinus-, firkant- og trekantede utgangsbølgeformer, ved å innlemme minst antall elektroniske komponenter og manipulasjoner.

Dets arbeidsfrekvensområde kan bestemmes gjennom åtte frekvensstrinn, fra 0,001Hz til 300kHz, gjennom riktig valg av de vedlagte RC-elementene.

Oscilleringsfrekvensen er ekstremt jevn, uavhengig av temperatur- eller forsyningsspenningssvingninger over et bredt spekter.

I tillegg tilbyr funksjonsgeneratoren IC 8038 et arbeidsfrekvensområde opp til så store som 1MHz. Alle de tre grunnleggende bølgeformutgangene, sinusformede, trekantede og firkantede kan nås samtidig gjennom individuelle utgangsporter i kretsen.

Frekvensområdet til 8038 kan varieres gjennom en ekstern spenning, selv om responsen kanskje ikke er veldig lineær. Den foreslåtte funksjonsgeneratoren gir også som justerbar trekantsymmetri og justerbart sinusbølgeforvrengningsnivå.

Funksjonsgenerator ved bruk av IC 741

Denne IC 741-baserte funksjonsgeneratorkretsen gir økt test allsidighet sammenlignet med den typiske sinusbølgesignalgeneratoren, og gir 1 kHz firkant- og trekantbølger sammen, og det er både billig og veldig enkelt å konstruere. Som det ser ut, er utgangen omtrent 3V ptp på firkantbølge, og 2V r.m.s. i sinus-bølgen. En slått demper kan raskt bli inkludert hvis du vil være mildere mot kretsen som blir testet.

Hvordan montere

Begynn å fylle delene på kretskortet som vist i komponentoppsettdiagrammet, og sørg for å sette inn polariteten til zeneren, elektrolytikken og IC-ene riktig.

Hvordan sette opp

For å sette opp den enkle funksjonsgeneratorkretsen, må du bare finjustere RV1 til sinusbølgeformen er litt under klippingnivået. Dette gir deg den mest effektive sinebølgen gjennom oscillatoren. Firkanten og trekanten krever ingen spesifikke justeringer eller oppsett.

Hvordan det fungerer

1. I denne IC 741-funksjonsgeneratorkretsen er IC1 konfigurert i form av en Wien-brooscillator, som opererer med 1 kHz frekvens.
2. Amplitudekontroll leveres av diodene D1 og D2. Utgangen fra denne IC-en drives enten til uttaket eller til kvadratkretsen.
3. Dette er koblet til SW1a ved hjelp av C4 og det er en Schmidt-utløser (Q1 -Q2). Zener ZD1 fungerer som en 'hysterisefri' trigger.
4. IC2-, C5- og R10-integratoren genererer den trekantede bølgen fra den inngående firkantbølgen.

Enkel UJT-funksjonsgenerator

De unijunction oscillator vist nedenfor, er blant de enkleste sagtanngeneratorene. De to utgangene av dette gir, nemlig en sagtannbølgeform og en sekvens av triggerpulser. Bølgen skraler opp fra rundt 2V (dalpunktet, Vv) til maksimumstoppen (Vp). Toppunktet er avhengig av strømforsyningen Vs og avstands-BJT-forholdet, som kan variere fra ca. 0,56 til 0,75, med 0,6 som en felles verdi. Perioden med en svingning er omtrent:

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

der ‘1n’ indikerer naturlig logaritmebruk. Med tanke på standardverdier, Vs = 6, Vv = 2, og de = 0,6, ligningen ovenfor forenkler til:

t = RC x 1n (0,6)

Siden lading av kondensator er inkrementell, er sagtannens økende skråning ikke lineær. For mange lydapplikasjoner betyr dette knapt noe. Figuren (b) viser ladekondensatoren via en konstantstrømskrets. Dette gjør at skråningen går rett opp.

Kondensatorens ladningshastighet er nå konstant, uavhengig av Vs, selv om Vs fortsatt påvirker toppunktet. Siden strømmen er avhengig av transistorforsterkning, er det ingen enkel formel for frekvensmåling. Denne kretsen er designet for å fungere med lave frekvenser, og har implementeringer som en rampegenerator.

Bruke LF353 op ampere

To op-forsterkere brukes til å konstruere en presis firkantbølge og trekantbølgenerator krets. LF353-settet inneholder to JFET op-forsterkere som er best egnet for denne applikasjonen.

Utgangssignalfrekvensene beregnes etter formelen f = 1 / RC . Kretsen viser et ekstremt bredt driftsområde med knapt noen forvrengning.

R kan ha en hvilken som helst verdi mellom 330 ohm og rundt 4,7 M C kan ha en hvilken som helst verdi fra rundt 220 pF til 2 uF.

Akkurat som konseptet ovenfor brukes to op-forsterkere i det neste sinusbølge en cosinusbølge funksjon generator krets.

De genererer nesten identiske frekvens sinusbølgesignaler, men 90 ° utenfor fase, og derfor blir utgangen fra den andre op-ampen betegnet som en cosinusbølge.

Frekvensen påvirkes av samlingen av akseptable R- og C-verdier. R er i området 220k til 10 M C er mellom 39pF og 22nF. Forbindelsen mellom R, C og / eller er litt kompleks, da den må gjenspeile verdiene til andre motstander og kondensatorer.

Bruk R = 220k og C = 18nF som utgangspunkt som gir en frekvens på 250Hz. Zener-dioder kan være dioder med lav effekt på 3,9V eller 4,7V.

Funksjonsgenerator ved bruk av TTL IC

Et par porter av en 7400 quad to-inngang NAND gate utgjør den faktiske oscillatorkretsen for denne TTL-funksjonsgeneratorkretsen. Krystallen og en justerbar kondensator fungerer som tilbakemeldingssystemet over inngangen til porten U1-a og utgangen til porten U1-b. Gate U1-c fungerer som en buffer mellom oscillatortrinnet og utgangstrinnet, U1-d.

Bryter S1 fungerer som en manuelt bryterbar portkontroll for å veksle kvadratbølgeutgangen til U1-d ved pin 11 PÅ / AV. Når S1 er åpen, som angitt, genereres firkantbølgen ved utgangen, og når den er lukket, blir ekvarebølgeformen slått av.

Bryteren kan erstattes av en logisk gate for å digitalt styre utgangen. En nesten ideell 6- til 8 volt topp-til-topp sinusbølge opprettes ved tilkoblingspunktet til C1 og XTAL1.

Impedansen på dette krysset er veldig høy og er umulig å gi et direkte utgangssignal. Transistor Q1, satt opp som en emitter-follower-forsterker, leverer en høy inngangsimpedans til sinusbølgesignalet og en lav utgangsimpedans til en utvendig belastning.

Kretsen vil skru opp nesten alle typer krystaller og vil kjøre med krystallfrekvenser under 1 MHz til over 10 MHz.

Hvordan sette opp

Å sette opp denne enkle TTL-funksjonsgeneratorkretsen kan raskt startes med følgende punkter.

Hvis det er et oscilloskop tilgjengelig med deg, kobler du det til U1-ds firkantbølgeutgang på pinne 11 og plasser C1 i midten av området som gir den mest effektive utgangsbølgeformen.

Deretter observerer du sinusbølgeutgangen og justerer C2 for å få den fineste bølgeformen. Gå tilbake til C1-kontrollknappen og finjuster den litt frem og tilbake til den sunneste sinusbølgeeffekten oppnås på omfangsskjermen.

Deleliste

MOTSTAND
(Alle motstandene er -watt, 5% enheter.)
RI, R2 = 560 ohm
R3 = 100k
R4 = 1k

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

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

Diverse
S1 = SPST vippebryter
XTAL1 = Enhver krystall (se tekst)

Crystal Controlled Best Sine waveform Circuit

Følgende bølgeformgenerator, er en to-transistor, krystalloscillatorkrets som fungerer ypperlig, billig å bygge, og krever ingen spoler eller chokes. Prisen avhenger først og fremst av krystallen som brukes, da den totale kostnaden for de andre elementene neppe må være noen få dollar. Transistor Q1 og de flere tilstøtende delene danner oscillatorkretsen.

Bakken for krystallen er rettet ved hjelp av C6, R7 og C4. I C6- og R7-krysset, som er en ganske liten impedansposisjon, påføres RF på en emitter-follower-forsterker, Q2.

Bølgeformen ved C6 / R7-krysset er virkelig en nesten perfekt sinusbølge. Utgangen ved emitteren til Q2 varierer i amplitude fra rundt 2- til 6 volt topp-til-topp, basert på Q-faktoren til krystallets og kondensatorene C1 og C2-verdier.

C1- og C2-verdiene bestemmer frekvensområdet til kretsen. For krystallfrekvenser under 1 MHz, bør C1 og C2 være 2700 pF (0,0027 p, F). For frekvenser mellom 1 MHz og 5 MHz kan disse være 680-pF kondensatorer og for 5 MHz og 20 MHz. du kan bruke kondensatorer på 200 pF.

Du kan muligens prøve å teste med verdiene til kondensatorene for å få den fineste sinusbølgen. I tillegg kan justeringen av kondensator C6 ha en effekt på de to utgangsnivåene og den generelle formen til bølgeformen.

Deleliste

MOTSTAND
(Alle motstandene er -watt, 5% enheter.)
R1-R5-1k
R6-27k
R7-270-ohm
R8-100k
KAPASITORER
C1, C2 — Se tekst
C3, C5-0.1-p.F, keramisk plate
C6-10 pF til 100 pF, trimmer
HELVEDLEDERE
Q1, Q2-2N3904
XTAL1 — Se tekst

Sawtooth Generator Circuit

I sagkretsgeneratorkretsen er delene Q1, D1-D3, R1, R2 og R7 konfigurert som en enkel generatorstrømgenerator med konstant strøm som lader kondensatoren C1 med en konstant strøm. Denne konstante ladestrømmen skaper en lineær økende spenning over C1.

Transistorer Q2 og Q3 er rigget som et Darlington-par for å skyve spenningen gjennom C1, til utgangen uten belastning eller forvrengende effekter.

Så snart spenningen rundt C1 øker til rundt 70% av forsyningsspenningen, aktiveres gate U1-a, og utløser U1-b-utgangen for å gå høyt og slå kort på Q4 som fortsetter å være PÅ mens kondensator C1 utlades.

Dette avslutter en enkelt syklus og starter den neste. Kretsens utgangsfrekvens styres av R7, som leverer en lavfrekvens på omtrent 30 Hz og en øvre endefrekvens på rundt 3,3 kHz.

Frekvensområdet kan gjøres høyere ved å redusere verdien av C1 og senkes ved å øke C1-verdien. For å bevare Q4s topputladningsstrøm under kontroll. C1 skal ikke være større enn 0,27 uF.

Deleliste

Funksjonsgeneratorkrets ved bruk av et par IC 4011

Grunnlaget for denne kretsen er faktisk en Wien-bridge-oscillator, som tilbyr en sinusbølgeutgang. De firkantede og trekantede bølgeformene blir deretter ekstrahert ut av dette.

Wien-bridge-oscillatoren er konstruert ved hjelp av en CMOS NAND-porter N1 til N4, mens amplitudestabiliseringen tilføres av transistoren T1 og diodene D1 og D2.

Disse diodene må muligens matches to sett for lavest forvrengning. Frekvensjusteringspotensiometeret P1 må også være et stereopotentiometer av høy kvalitet med interne motstandsspor sammenkoblet med 5% toleranse.

Den forhåndsinnstilte R3 gir justeringsanlegg for minst forvrengning, og i tilfelle samsvarende deler brukes for D1, D2 og P1, kan den totale harmoniske forvrengningen være under 0,5%.

Utgangen fra Wien -bridge-oscillatoren påføres inngangen til N5, som er forspent i sin lineære region og fungerer som en forsterker. NAND-porter N5 og N6 forbedrer og klipper sammen oscillatorutgangen for å generere en firkantet bølgeform.

Driftssyklusen til bølgeformen er relativt påvirket av terskelpotensialene til N5 og N6, men den er i nærheten av 50%.

Gate N6-utgangen leveres til en integrator bygget med NAND-portene N7 og N8, som harmonerer med firkantbølgen for å levere en trekantet bølgeform.

Den trekantede bølgeformamplituden er helt sikkert avhengig av frekvensen, og da integratoren rett og slett ikke er veldig nøyaktig, avviker lineariteten i tillegg i forhold til frekvensen.

I virkeligheten er amplitudevariasjonen faktisk ganske triviell, med tanke på at funksjonsgeneratoren ofte vil bli brukt sammen med et millivoltmeter eller et oscilloskop, og utgangen kan lett kontrolleres.

Funksjonsgeneratorkrets ved bruk av LM3900 Norton Op Amp

En ekstremt praktisk funksjonsgenerator som vil redusere maskinvaren, og også prisen kan konstrueres med en enkelt Norton quad-forsterker IC LM3900.

Hvis motstanden R1 og kondensatoren C1 blir fjernet fra denne kretsen, vil det resulterende oppsettet være det vanlige for en Norton-forsterker firebølge-generator, med tidsstrømmen som kommer inn i kondensatoren C2. Inkluderingen av en integrerende kondensator C1 til firkantbølgeneratoren skaper en realistisk presis sinusbølge ved utgangen.

Motstand R1, som gjør det mulig å komplettere kretsens tidskonstanter, gjør det mulig å justere utgangssinusbølgen for lavest forvrengning. En identisk krets lar deg sette inn en sinusbølgeutgang til standard tilkobling for en firkantbølge / trekantbølgenerator designet med to Norton-forsterkere.

Som vist i bildet fungerer trekantutganger som inngangen til sinusformerforsterkeren.

For delverdiene gitt i denne artikkelen er kretsens frekvens på omtrent 700 hertz. Motstand R1 kan brukes til å justere laveste sinus-bølgeforvrengning, og motstand R2 kan brukes til å justere symmetrien til firkant og trekantede bølger.

Den fjerde forsterkeren i Norton quad-pakken kan kobles til som en utgangsbuffer for alle de tre utgangsbølgeformene.