Circuit del generador de funcions mitjançant un únic IC 4049

En aquest post aprendrem a construir 3 circuits generadors de funcions simples mitjançant un únic IC 4049, per generar ones quadrades, ones triangulars i ones sinuoses precises mitjançant operacions de commutació fàcils.

Utilitzant només un de baix cost CMOS IC 4049 i un grapat de mòduls separats, és fàcil crear un generador de funcions robust que proporcionarà una gamma de tres formes d'ona al voltant i més enllà de l'espectre d'àudio.

L’objectiu de l’article era crear un generador de freqüència bàsic, rendible i de codi obert que sigui fàcil de construir i que faci servir tots els aficionats i professionals del laboratori.

Sens dubte, s’ha assolit aquest objectiu, ja que el circuit proporciona una gran varietat de formes d’ona sinusoïdal, quadrada i triangular i un espectre de freqüència des d’uns 12 Hz fins a 70 KHz utilitza només un inversor hexagonal CMOS hexagonal IC i alguns elements separats.

Sens dubte, l’arquitectura pot no oferir l’eficiència de circuits més avançats, sobretot pel que fa a la consistència de la forma d’ona a freqüències augmentades, però, no obstant això, és un instrument increïblement útil per a l’anàlisi d’àudio.

Per a una versió Bluetooth que pugueu Llegiu aquest article

Diagrama de blocs

Els fonaments bàsics del funcionament del circuit a partir del diagrama de blocs mostrat anteriorment. La secció principal del generador de funcions és un generador d’ona triangular / quadrada que consisteix en un integrador i un activador de Schmit.

Una vegada que la sortida del disparador Schmitt és alta, la volta d'alimentació de la sortida de Schmitt a l'entrada de l'integrador permet que la sortida de l'integrador sigui negativa abans que superi el nivell de sortida inferior del disparador Schmitt.

En aquesta etapa, la sortida del disparador Schmitt és lenta, de manera que el petit voltatge retroalimentat a l'entrada de l'integrador li permet augmentar positivament abans que s'assoleixi el nivell d'activació superior del disparador Schmitt.

La sortida del disparador de Schmitt torna a pujar i la sortida de l’integrador torna a augmentar negativament, etc.

Els escombrats positius i negatius de la sortida de l’integrador representen una forma d’ona triangular l’amplitud de la qual es calcula per la histèresi del disparador de Schmitt (és a dir, la diferència entre els límits de disparador alt i baix).

La producció de desencadenants de Schmitt és, naturalment, una ona quadrada formada per estats de producció d'alts i baixos alternats.

La sortida del triangle es subministra a un modelador de díodes mitjançant un amplificador de memòria intermèdia, que arrodoneix els màxims i els mínims del triangle per crear un senyal d’ona sinusoïdal aproximada.

A continuació, cadascuna de les 3 formes d'ona es pot triar mitjançant un selector de selecció de 3 vies S2 i es pot subministrar a un amplificador de memòria intermèdia de sortida.

Com funciona el circuit

El diagrama complet del circuit del generador de funcions CMOS tal com es veu a la figura anterior. L’integrador està completament construït mitjançant un inversor CMOS, Nl, mentre que el mecanisme Schmitt incorpora 2 inversors de retroalimentació positiva. Són N2 i N3.

La imatge següent mostra els detalls detallats de l'IC 4049 per aplicar-los a l'esquema anterior

El circuit funciona d'aquesta manera tenint en compte, de moment, que el netejador P2 es troba a la seva ubicació més baixa, amb una sortida N3 elevada, un corrent equivalent a:

Ub - U1 / P1 + R1

viatja per R1 i p1, on Ub indica la tensió d'alimentació i Ut la tensió llindar N1.

Com que aquest corrent no pot moure’s cap a l’entrada d’alta impedància de l’inversor, comença a viatjar cap a C1 / C2 en funció del condensador que es commuti en línia mitjançant l’interruptor S1.

Per tant, la caiguda de tensió sobre C1 disminueix linealment de manera que la tensió de sortida de N1 augmenta linealment abans que s’acosti la tensió llindar inferior del disparador Schmitt just quan la sortida del disparador Schmitt es fa baixa.

Ara és un corrent equivalent a -Out / P1 + R1 flueix tant per R1 com per P1.

Aquest corrent sempre flueix per C1, de manera que la tensió de sortida de N1 augmenta exponencialment fins que s’aconsegueix la tensió límit màxima del disparador Schmitt, la sortida del disparador Schmitt augmenta i tot el cicle comença de nou.

Per mantenir la simetria d'ona del triangle (és a dir, el mateix pendent tant per a les parts positives com per a les negatives de la forma d'ona), els corrents de càrrega i descàrrega del condensador han de ser idèntics, és a dir, Uj, -Ui hauria de ser idèntic a Ut.

Tot i això, malauradament, Ut, que es decideix pels paràmetres de l’inversor CMOS, sol ser del 55%. La tensió de la font Ub = Ut és d'aproximadament 2,7 V amb 6 V i Ut aproximadament de 3,3 V.

Aquest desafiament es supera amb P2 que requereix modificació de la simetria. De moment, considerem que R-thai està relacionat amb la línia d’alimentació positiva (posició A).

Independentment de la configuració de P2, l’alta tensió de sortida del disparador Schmitt sempre es manté en 11.

No obstant això, quan la sortida N3 és baixa, R4 i P2 estableixen un divisor de potencial tal que, basant-se en la configuració de l'eixugaparabrises de P2, es podria retornar una volta entre 0 V i 3 V a P1.

Això garanteix que el voltatge ja no és -Ut i sinó Up2-Ut. En cas que la tensió del control lliscant P2 sigui al voltant de 0,6 V, llavors Up2-Ut hauria de ser al voltant de -2,7 V, per tant, els corrents de càrrega i descàrrega serien idèntics.

Viouslybviament, a causa de la tolerància en el valor d’Ut, l’ajust de P2 s’hauria de realitzar per coincidir amb el generador de funcions específiques.

En situacions en què Ut sigui inferior al 50 per cent de la tensió d'entrada, pot ser adequat connectar la part superior de R4 a terra (posició B).

Es poden trobar un parell d’escales de freqüència, que s’assignaran utilitzant S1 12 Hz-1 kHz i d’1 kHz a aproximadament 70 kHz.

El control de freqüència granular és donat per P1 que canvia el corrent de càrrega i descàrrega de C1 o C2 i, per tant, la freqüència a través de la qual l’integrador augmenta i baixa.

La sortida d’ona quadrada de N3 s’envia a un amplificador tampó mitjançant un commutador selector de forma d’ona, S2, que consta d’un parell d’inversors polaritzats com un amplificador lineal (connectats en paral·lel per millorar la seva eficiència de corrent de sortida).

La sortida d'ona triangular es proporciona a través d'un amplificador de memòria intermèdia N4 i des d'allà mitjançant el commutador selector a la sortida de l'amplificador de memòria intermèdia.

A més, la sortida del triangle de N4 s’afegeix al format de sinus, que consisteix en R9, R11, C3, Dl i D2.

D1 i D2 treuen poc corrent fins a uns +/- 0,5 volts, però la seva diversa resistència cau més enllà d’aquest voltatge i limita logarítmicament els màxims i els mínims del pols del triangle per crear un equivalent a una ona sinusoïdal.

La sortida sinusoïdal es transmet a l'amplificador de sortida mitjançant C5 i R10.

P4, que varia el guany de N4 i, per tant, l'amplitud del pols del triangle subministrat al modelador de senos, canvia la transparència del sinus.

Hi ha un nivell de senyal massa baix i l’amplitud del triangle estaria per sota del voltatge llindar del díode, i continuarà sense cap alteració, i un nivell de senyal massa alt, els màxims i els mínims serien fortament retallats, proporcionant així no ona sinusoïdal formada.

Les resistències d’entrada de l’amplificador de memòria intermèdia de sortida s’escullen de manera que les tres formes d’ona tinguin un pic nominal fins a una tensió de sortida mínima d’uns 1,2 V. El nivell de sortida es podria canviar mitjançant P3.

Procediment de configuració

El mètode d’ajust és simplement canviar la simetria del triangle i la puresa de l’ona sinusoïdal.

A més, la simetria del triangle s’optimitza idealment examinant l’entrada d’ona quadrada, ja que es produeix un triangle simètric si el cicle de treball de l’ona quadrada és del 50% (1-1 espai marcat).

Per fer-ho, haureu d’ajustar el P2 predefinit.

En una situació en què la simetria augmenta a mesura que el netejador P2 es mou cap avall cap a la sortida N3 però no es pot aconseguir una simetria correcta, la part superior de R4 s’ha d’ajuntar en la posició alternativa.

La puresa de l'ona sinusoïdal es modifica ajustant P4 fins que la forma d'ona 'es vegi perfecta' o variant la distorsió mínima només si hi ha un mesurador de distorsió per comprovar.

Com que la tensió d'alimentació afecta la tensió de sortida de les diferents formes d'ona i, per tant, la puresa del seno, el circuit s'ha d'alimentar a partir d'una alimentació robusta de 6 V.

Quan s’utilitzen piles com a piles de font d’energia, no s’haurien de forçar mai a baixar massa.

Els circuits integrats CMOS que s’utilitzen com a circuits lineals drenen un corrent més alt que en el mode de commutació habitual i, per tant, la tensió d’alimentació no ha de superar els 6 V, o bé, l’IC es pot escalfar a causa d’una forta dissipació tèrmica.

Una altra gran manera de construir un circuit generador de funcions pot ser mitjançant l'IC 8038, tal com s'explica a continuació

Circuit generador de funcions mitjançant IC 8038

L'IC 8038 és un generador de formes d'ona de precisió dissenyat especialment per crear formes d'ona de sortida sinusoïdal, quadrada i triangular, mitjançant la incorporació del mínim nombre de components electrònics i manipulacions.

El seu rang de freqüència de treball es podria determinar a través de 8 passos de freqüència, des de 0,001Hz fins a 300kHz, mitjançant la selecció adequada dels elements R-C adjunts.

La freqüència oscil·ladora és extremadament estable independentment de les fluctuacions de la temperatura o del voltatge de subministrament en un ampli rang.

A més, el generador de funcions IC 8038 ofereix un rang de freqüències de treball de fins a 1 MHz. Es pot accedir a totes les tres sortides de forma d’ona fonamentals, sinusoïdal, triangular i quadrada, a través dels ports de sortida individuals del circuit.

El rang de freqüències del 8038 es pot variar mitjançant una alimentació de tensió externa, tot i que la resposta pot no ser molt lineal. El generador de funcions proposat també proporciona una simetria triangular ajustable i un nivell de distorsió d’ona sinusoïdal ajustable.

Generador de funcions mitjançant IC 741

Aquest circuit generador de funcions basat en IC 741 ofereix una major versatilitat de la prova en comparació amb el típic generador de senyals d’ona sinusoïdal, donant junts quadrats i triangulars d’1 kHz, i és de baix cost i molt senzill de construir. Tal com sembla, la sortida és d'aproximadament 3V ptp en ona quadrada i 2V r.m.s. al seno -ona. Es pot incloure ràpidament un atenuador commutat si voleu ser més suaus amb el circuit que s'està provant.

Com muntar

Comenceu a omplir les peces al PCB tal com es mostra al diagrama de disposició dels components i assegureu-vos d’inserir correctament la polaritat del zener, electrolítics i IC.

Com es configura

Per configurar el circuit senzill del generador de funcions, cal afinar RV1 fins que la forma d'ona sinusoïdal quedi lleugerament per sota del nivell de retallada. Això us proporciona l’ona sinusoïdal més eficaç a través de l’oscil·lador. El quadrat i el triangle no requereixen ajustos ni configuracions específiques.

Com funciona

1. En aquest circuit generador de funcions IC 741, l'IC1 es configura en forma d'oscil·lador de pont de Wien, que funciona a una freqüència d'1 kHz.
2. El control d’amplitud el subministren els díodes D1 i D2. La sortida d'aquest IC es dirigeix ​​a la presa de sortida o al circuit de quadratura.
3. Es connecta a SW1a mitjançant C4 i és un activador de Schmidt (Q1-Q2). El zener ZD1 funciona com un activador 'lliure d'histèrisi'.
4. L’integrador IC2, C5 i R10 genera l’ona triangular a partir de l’ona quadrada d’entrada.

Generador de funcions UJT simple

El oscil·lador unijunction que es mostra a continuació, es troba entre els generadors de dents de serra més senzills. Les dues sortides d’això donen, a saber, una forma d’ona de dents de serra i una seqüència d’impulsos de desencadenament. Les onades trinqueten des d’uns 2V (el punt de la vall, Vv) fins al pic màxim (Vp). El punt màxim depèn de la font d'alimentació Vs i de la relació BJT, que pot oscil·lar entre 0,56 i 0,75, sent 0,6 un valor comú. El període d'una oscil·lació és aproximadament:

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

on '1n' indica l'ús del logaritme natural. Tenint en compte els valors estàndard, Vs = 6, Vv = 2 i el = 0,6, l'equació anterior es simplifica a:

t = RC x 1n (0,6)

Com que la càrrega del condensador és incremental, el pendent creixent de la dent de serra no és lineal. Per a moltes aplicacions d'àudio, això amb prou feines importa. La figura (b) mostra el condensador de càrrega mitjançant un circuit de corrent constant. Això permet que el pendent pugi recte amunt.

La taxa de càrrega del condensador ara és constant, independent de Vs, tot i que Vs encara influeix en el punt màxim. Com que el corrent depèn del guany del transistor, no hi ha una fórmula senzilla per mesurar la freqüència. Aquest circuit està dissenyat per funcionar amb freqüències baixes i té implementacions com a generador de rampa.

Utilitzant amplificadors operatius LF353

S’utilitzen dos amplificadors operatius per construir un circuit precís de generador d’ones quadrades i triangulars. El conjunt LF353 inclou dos amplificadors operatius JFET que són els més adequats per a aquesta aplicació.

Les freqüències del senyal de sortida es calculen mitjançant la fórmula f = 1 / RC . El circuit mostra un abast de funcionament extremadament ampli amb gairebé cap distorsió.

R pot tenir un valor entre 330 Ohm i al voltant de 4,7 M C pot tenir un valor d'entre 220pF i 2uF.

Igual que el concepte anterior, al següent s’utilitzen dos amplificadors operatius ona sinusoïdal una ona cosinus circuit generador de funcions.

Generen senyals d'ona sinusoïdal de freqüència gairebé idèntiques però desfasats a 90 ° i, per tant, la sortida del segon amplificador operacional es denomina ona cosinus.

La freqüència es veu afectada per la recopilació de valors R i C acceptables. R està en el rang de 220k a 10 M C està entre 39pF i 22nF. La connexió entre R, C i / o és una mica complexa, ja que ha de reflectir els valors d'altres resistències i condensadors.

Utilitzeu R = 220k i C = 18nF com a punt inicial que proporciona una freqüència de 250Hz. Els díodes Zener poden ser díodes de baixa potència de sortida de 3,9V o 4,7V.

Generador de funcions mitjançant TTL IC

Un parell de portes d'un Porta NAND de 7400 quad de dues entrades constitueix el circuit oscil·lador real d’aquest circuit generador de funcions TTL. El cristall i un condensador ajustable funcionen com el sistema de retroalimentació a través de l'entrada de la porta U1-a i la sortida de la porta U1-b. La porta U1-c funciona com una memòria intermèdia entre l’etapa de l’oscil·lador i l’etapa de sortida, U1-d.

El commutador S1 actua com un control de porta commutable manualment per commutar la sortida d’ona quadrada d’U1-d al pin 11 ON / OFF. Amb S1 obert, tal com s’indica, l’ona quadrada es genera a la sortida i, un cop tancada, la forma d’ona equiva s’apaga.

El commutador es podria substituir per una porta lògica per comandar digitalment la sortida. Es crea una ona sinusoïdal de 6 a 8 volts gairebé ideal al punt de connexió de C1 i XTAL1.

La impedància en aquesta unió és molt alta i no pot proporcionar un senyal de sortida directa. El transistor Q1, configurat com a amplificador emissor-seguidor, subministra una alta impedància d'entrada al senyal d'ona sinusoïdal i una baixa impedància de sortida a una càrrega exterior.

El circuit obrirà gairebé tots els tipus de cristalls i funcionarà amb freqüències de cristall inferiors a 1 MHz i superiors a 10 MHz.

Com configurar-lo

La configuració d’aquest senzill circuit de generador de funcions TTL es pot iniciar ràpidament amb els punts següents.

Si hi ha disponible un oscil·loscopi, enganxeu-lo a la sortida d’ona quadrada d’U1-d al pin 11 i col·loqueu C1 al centre del rang que proporciona la forma d’ona de sortida més eficaç.

A continuació, observeu la sortida d'ona sinusoïdal i ajusteu C2 per obtenir la millor forma d'ona. Torneu al comandament de control C1 i afineu-lo una mica i una altra fins que s'aconsegueixi la sortida d'ona sinusoïdal més sana a la pantalla de l'abast.

Llista de peces

RESISTORS
(Totes les resistències són -watts, un 5% d'unitats).
RI, R2 = 560 ohm
R3 = 100k
R4 = 1 k

Semiconductors
U1 = IC 7400
Q1 = 2N3904 transistor de silici NPN

Condensadors
C1, C2 = 50 pF, condensador de tall
C3, C4 = 0,1 uF, condensador de disc ceràmic

Divers
S1 = commutador SPST
XTAL1 = Qualsevol cristall (veure text)

Circuit de forma d'ona amb millor senyal controlat per cristall

El següent generador de formes d'ona és un circuit d'oscil·lador de cristall de dos transistors que funciona excel·lentment, és barat de construir i no requereix bobines ni estrangulaments. El preu depèn principalment del cristall utilitzat, ja que el cost global dels altres elements ha de ser de pocs dòlars. El transistor Q1 i les diverses parts adjacents formen el circuit de l’oscil·lador.

El camí de terra del cristall es dirigeix ​​mitjançant C6, R7 i C4. A la unió C6 i R7, que és una posició d’impedància força petita, la RF s’aplica a un amplificador emissor-seguidor, Q2.

La forma d'ona a la unió C6 / R7 és realment una ona sinusoïdal gairebé perfecta. La sortida, a l’emissor de Q2, varia en amplitud d’entre 2 i 6 volts de pic a pic, en funció del factor Q del cristall i dels valors C1 i C2 dels condensadors.

Els valors C1 i C2 decideixen el rang de freqüències del circuit. Per a freqüències de cristall inferiors a 1 MHz, C1 i C2 haurien de ser 2700 pF (.0027 p, F). Per a freqüències entre 1 MHz i 5 MHz, poden ser condensadors de 680-pF i per a 5 MHz i 20 MHz. podeu aplicar condensadors de 200 pF.

Podeu provar de provar amb els valors d’aquests condensadors per obtenir la millor sortida d’ona sinusoïdal. A més, l'ajust del condensador C6 pot afectar el nivell de sortida i la forma general de la forma d'ona.

Llista de peces

RESISTORS
(Totes les resistències són -watts, un 5% d'unitats).
R1-R5-1k
R6-27k
R7-270-ohm
R8-100k
CAPACITADORS
C1, C2: veure text
C3, C5-0.1-p.F, disc ceràmic
C6-10 pF a 100 pF, retallador
SEMICONDUCTORS
Q1, Q2-2N3904
XTAL1: veure text

Circuit de generador de dents de serra

Al circuit del generador de dents de serra, les parts Q1, D1-D3, R1, R2 i R7 es configuren com un simple circuit generador de corrent constant que carrega el condensador C1 amb un corrent constant. Aquest corrent de càrrega constant crea un voltatge creixent lineal sobre C1.

Els transistors Q2 i Q3 estan equipats com un parell de Darlington per passar el voltatge a través de C1, fins a la sortida sense efectes de càrrega ni distorsió.

Tan bon punt la tensió al voltant de C1 augmenta al voltant del 70% de la tensió d’alimentació, s’activa la porta U1-a, que provoca que la sortida U1-b pugui elevar-se i encengui breument Q4, que continua encès mentre es descarrega el condensador C1.

Amb això s’acaba un cicle únic i s’inicia el següent. La freqüència de sortida del circuit està governada per R7, que subministra una freqüència de gamma baixa d’aproximadament 30 Hz i una freqüència de gamma superior d’uns 3,3 kHz.

El rang de freqüències es podria augmentar disminuint el valor de C1 i disminuir augmentant el valor de C1. Per preservar el corrent màxim de descàrrega de Q4 sota control. C1 no ha de ser superior a 0,27 uF.

Llista de peces

Circuit del generador de funcions mitjançant un parell d'IC ​​4011

El fonament d’aquest circuit és en realitat un oscil·lador Wien-bridge, que ofereix una sortida d’ona sinusoïdal. Posteriorment, s’extreuen les formes d’ona quadrades i triangulars.

L'oscil·lador Wien-bridge es construeix mitjançant una porta CMOS NAND de N1 a N4, mentre que l'estabilització d'amplitud és subministrada pel transistor T1 i els díodes D1 i D2.

Aquests díodes possiblement han de coincidir amb dos, per obtenir una distorsió mínima. El potenciòmetre d’ajust de freqüència P1 també ha de ser un potenciòmetre estèreo d’alta qualitat amb pistes de resistència interna emparellades a una tolerància interior del 5%.

El R3 predeterminat facilita l’ajust per a una distorsió mínima i, en cas que s’utilitzin parts coincidents per a D1, D2 i P1, la distorsió harmònica general podria ser inferior al 0,5%.

La sortida de l’oscil·lador Wien-bridge s’aplica a l’entrada de N5, que es polaritza a la seva regió lineal i funciona com a amplificador. Les portes NAND N5 i N6 milloren i retallen col·lectivament la sortida de l’oscil·lador per generar una forma d’ona quadrada.

El cicle de deure de la forma d'ona està relativament influït pels potencials llindars de N5 i N6 àrid, però està molt a prop del 50%.

La sortida de la porta N6 es subministra a un integrador construït amb les portes NAND N7 i N8, que s’harmonitza amb l’ona quadrada per proporcionar una forma d’ona triangular.

L’amplitud de la forma d’ona triangular depèn, de ben segur, de la freqüència i, com que l’integrador simplement no és molt precís, la linealitat també es desvia respecte a la freqüència.

En realitat, la variació d'amplitud és realment bastant trivial, tenint en compte que el generador de funcions s'utilitzarà sovint juntament amb un milivoltímetre o un oscil·loscopi i la sortida es podria comprovar fàcilment.

Circuit generador de funcions amb LM3900 Norton Op Amp

Un generador de funcions extremadament útil que reduirà el maquinari i també es podrà construir el preu amb un únic amplificador de quad Norton IC LM3900.

Si la resistència R1 i el condensador C1 s’eliminen d’aquest circuit, la configuració resultant serà la comuna per a un generador d’ona quadrada amb amplificador Norton, amb el corrent de temporització que entra al condensador C2. La inclusió d’un condensador C1 integrador al generador d’ones quadrades crea una ona sinusoïdal precisa a la sortida.

La resistència R1, que facilita el complement de les constants de temps del circuit, us permet ajustar l’ona sinusoïdal de sortida per obtenir una distorsió mínima. Un circuit idèntic us permet introduir una sortida d'ona sinusoïdal a la connexió estàndard per a un generador d'ona quadrada / triangular dissenyat amb dos amplificadors Norton.

Com es demostra a la imatge, la sortida triangular funciona com l’entrada de l’amplificador sinusoidal.

Per als valors de peça proporcionats en aquest article, la freqüència de funcionament del circuit és d'aproximadament 700 Hz. La resistència R1 es pot utilitzar per ajustar la distorsió d’ona sinusoïdal més baixa i la resistència R2 es pot utilitzar per ajustar la simetria de les ones quadrades i triangulars.

El quart amplificador del paquet quad Norton es podria connectar com a memòria intermèdia de sortida per a les 3 formes d'ona de sortida.