Пешка – солдат войны на шахматной доске. Некоторые малоопытные игроки часто пренебрегают ею в начале партии, и платят высокую цену за эт0 допущение в конце игры. Так и генератор – основной аппаратный комплекс в современной электронике, не должен быть просто «проигнорирован», ни новичками радиолюбителями, ни профессиональными разработчиками электроники.
Данная статья направлена на ознакомление с некоторыми видами генераторов и предназначена в основном для новичков. Планируется привести несколько рабочих схем, которые зарекомендовали себя, как хорошие решения.
Генератор сигналов – аппаратный или программно аппаратный комплекс позволяющий вырабатывать периодические электрические сигналы разной формы. Ввиду узкой направленности моих интересов, и необъятной классификации самих генераторов, я остановлюсь на генераторов импульсов, применяемых в цифровой электронике. В зависимости от принципов работы различают следующие виды генераторов:
- Релаксационные генераторы
- Генераторы на интегральных схемах (ИС) таймерах
- Генераторы на кварцевых резонаторах
- Генераторы на операционных усилителях (ОУ)
- Программно – аппаратные генераторы
Рассмотрим первый тип генераторов – релаксационные генераторы. Принцип работы таких генераторов основан на нелинейном характере такого активного элемента, как конденсатор. Рассмотрим простейшие схемы интегрирующей (рис. 1) и дифференцирующей (рис. 2) цепочек:
Рис. 1
Рис. 2
Математические выражения, описывающие зависимость напряжения в интегрирующей (1) и дифференцирующей (2) цепях от времени, можно записать в следующем виде:
где tau = RC – постоянная времени цепи. Диаграммы зависимостей приведены на рисунках 3 и 4, соответственно.
Рисунок 3 – Зависимость напряжения на емкости от времени в интегрирующей цепи
Рисунок 4 – Зависимость напряжения на резисторе от времени в дифференцирующей цепи
Характерными красными маркерами выделены точки на кривой, соответствующие временам, равным tau, 2tau и 3tau. Используя, такие замечательные свойства этих цепей, как интегрирование и дифференцирование сигналов, а так же незамысловатый элемент, как триггер Шмитта мы получим ни что иное, как генератор импульсов (рис. 5).
Рисунок 5 – Релаксационный генератор на триггерах Шмитта
Дам небольшое объяснение: триггер Шмитта – элемент, изначально предназначенный для повышения помехоустойчивости оборудования, позволяющий собственно «не замечать» помехи в приемо–передающем канале. Триггер представляет собой элемент с одним входом и одним инверсным выходом. Логика его работы основана на том, что при достижении сигналом некоторого порогового значения, соответствующего верхнему логическому уровню Umax или нижнего логического уровня Umin, триггер Шмитта переключается в противоположное состояние (рис. 6). При незначительных колебаниях уровня сигнала, триггер не переключается и позволяет поддерживать на выходе необходимое значение (уровень). Стоит отметить очень важный факт: триггеры Шмитта инвертируют сигнал на выходе.
Рисунок 6 – Графическая иллюстрация сигнала с помехой. Верхняя диаграмма – сигнал на входе триггера Шмитта, нижняя – на выходе
Вернемся к рис. 5 и попытаемся разобраться с логикой работы устройства. В первый момент времени на входе первого триггера Шмитта 0 вольт. Соответственно на его выходе напряжение соответствует напряжению питания (в большинстве случаев 5 вольт). Конденсатор C1 начинает заряжаться. Резисторы R1 и R2 ограничивают ток заряда и соответственно время заряда конденсатора. При достижении порогового напряжения на входе триггер Шмитта переключается (на выходе 0 вольт). После этого на выходе второго триггера Шмитта появляется 5 вольт. Напряжение на резисторах R3 и R4 меняется так же устанавливается на уровне 5 вольт. Затем с течением времени и зарядом конденсатора C2 напряжение падает до 0 вольт. Триггер 3 служит лишь для инверсии сигнала 2 триггера Шмитта. Суммируя все выше сказанное делаем окончательный вывод: подбирая номиналы элементов C1, R1 и R2 можно задавать частоту следования импульсов. Элементами C2, R3 и R4 – задается длительность импульсов. Резисторы R2 и R4 – переменные, необходимы для изменения значений частоты сигнала и длительности импульса.
Далее приведу осциллограммы (рис.7 – рис. 9) полученные на выходе из первого триггера Шмитта (вторую часть схемы не использовал). Во всех случаях использовал конденсатор на 10 нФ (суммарную величину сопротивления резисторов указал под каждой иллюстрацией). На рис.10 и рис. 11 осциллограммы переднего и заднего фронтов импульса.
Рисунок 7 – Осциллограмма выходного сигнала (суммарное сопротивление 250 Ом)
Рисунок 8 – Осциллограмма выходного сигнала (суммарное сопротивление 500 Ом)
Рисунок 9 – Осциллограмма выходного сигнала (суммарное сопротивление 1000 Ом)
Рисунок 10 – Осциллограмма переднего фронта импульса
Рисунок 11 – Осциллограмма заднего фронта импульса
Так же хочу отметить из собственного опыта следующие подводные камни:
С данной схемой и веткой нашей иерархии генераторов мы разобрались. Конечно же изучив поглубже различные микросхемы триггеров (RS триггеры, D триггеры) и включив фантазия можно повторить улучшить или сделать принципиально новые конструкции генераторов. Тут, как говориться – дерзайте. А следующей статье поговорим о генераторах на микросхемах – таймерах.
Ну и напоследок: принципиальная схема генератора, к которой составлен список радиокомпонент:
Список радиоэлементовОбозначение
Тип
Номинал
Количество
ПримечаниеМагазинМой блокнот
РезисторыR1, R3
Резистор510 Ом2
R2, R4
Переменный резистор16K1-B10K2
КонденсаторыC1
Конденсатор0.68 мкФ1
C2, C3
Конденсатор0.1 мкФ2
C4, C5
Конденсатор1 нФ2
МикросхемыDD1
Линейный регуляторLM7805CT1
DD2
ИС буфера, драйвераSN74HC141
РазъемX1, X2
Клемник300-021-122
X3
Штыревая линейкаPLS61
Добавить все
Скачать список элементов (PDF)
Прикрепленные файлы:
- Печатная плата.lay6 (42 Кб)