Funktionsgeneratorkrets med en enda IC 4049

I det här inlägget kommer vi att lära oss hur man bygger 3 enkla funktionsgeneratorkretsar med en enda IC 4049 för att generera exakta fyrkantiga vågor, triangelvågor och sinusvågor genom enkla växlingsoperationer.

Använd bara en låg kostnad CMOS IC 4049 och en handfull separata moduler är det enkelt att skapa en robust funktionsgenerator som ger en rad tre vågformer runt och bortom ljudspektret.

Syftet med artikeln var att skapa en grundläggande, kostnadseffektiv, öppen källkodsfrekvensgenerator som är lätt att konstruera och användas av alla hobbyister och yrkesverksamma inom labbet.

Detta mål har utan tvekan uppnåtts, eftersom kretsen tillhandahåller en mängd sinus-, fyrkant- och triangelvågformer och ett frekvensspektrum från ungefär 12 Hz till 70 KHz använder bara en CMOS-hex-inverter-IC och några separata element.

Utan tvekan kan arkitekturen inte leverera effektiviteten hos mer avancerade kretsar, särskilt när det gäller vågformskonsistens vid ökade frekvenser, men det är ändå ett otroligt praktiskt instrument för ljudanalys.

För en Bluetooth-version du kan Läs den här artikeln

Blockdiagram

Grunderna för kretsdriften från ovan visade blockschema. Funktionsgeneratorns huvudsektion är en triangel / kvadratvåggenerator som består av en integrator och en Schmit-utlösare.

När utgången från Schmitt-utlösaren är hög tillåter spänningen som matas tillbaka från Schmitt-utgången till ingången till Integratorn utgången från Integratorn att rampa negativt innan den överstiger den nedre utgångsnivån för Schmitt-utlösaren.

I detta skede är Schmitt-triggerutgången långsam, så den lilla spänningen som matas tillbaka till ingången till integratorn gör det möjligt att rampa upp positivt innan Schmitt-triggerns övre triggernivå uppnås.

Schmitt-triggerns utgång går hög igen och integratörens utgång spikar negativt igen och så vidare.

Integratorutgångens positiva och negativa svep representerar en triangulär vågform vars amplitud beräknas av Schmitt-utlösarens hysteres (dvs. skillnaden mellan de höga och låga utlösargränserna).

Schmitt-triggerproduktionen är naturligtvis en fyrkantig våg som består av alternerande höga och låga utmatningstillstånd.

Triangelutgången levereras till en diodformare genom en buffertförstärkare, som avrundar toppar och nedgångar i triangeln för att skapa en ungefärlig till en sinusvågsignal.

Därefter kan var och en av de 3 vågformerna väljas av en 3-vägs väljarknapp S2 och matas till en utgångsbuffertförstärkare.

Hur kretsen fungerar

Helkretsschemat för CMOS-funktionsgeneratorn enligt bilden ovan. Integratorn är helt byggd med en CMOS-inverter, Nl, medan Schmitt-mekanismen innehåller två positiva återkopplingsomvandlare. Det är N2 och N3.

Följande bild visar detaljerna i IC 4049 för applicering i ovanstående schema

Kretsen fungerar på det här sättet med tanke på just nu att P2-torkaren är på sin lägsta plats, med N3-utgången hög, en ström motsvarande:

Ub - U1 / P1 + R1

färdas via R1 och p1, där Ub anger matningsspänningen och Ut N1 tröskelspänningen.

Eftersom denna ström inte kan röra sig in i växelriktarens högimpedansingång, börjar den färdas mot C1 / C2 beroende på vilken kondensator som växlas i linje av omkopplaren S1.

Spänningsfallet över Cl minskar sålunda linjärt så att utspänningen för N1 stiger linjärt innan Schmitt-utlösarens nedre tröskelspänning närmar sig precis när utsignalen från Schmitt-utlösaren blir låg.

Nu en ström motsvarande -Ut / P1 + R1 strömmar genom både R1 och P1.

Denna ström flyter alltid genom C1, så att N1: s utspänning ökar exponentiellt tills Schmitt-utlösarens maximala gränsspänning uppnås, Schmitt-utlösarens utgång stiger och hela cykeln börjar om igen.

För att upprätthålla triangelns vågsymmetri (dvs. samma lutning för både de positiva och de negativa delarna av vågformen) måste kondensorns belastnings- och urladdningsströmmar vara identiska, vilket betyder att Uj, -Ui ska vara identiska med Ut.

Tyvärr är Ut normalt bestämt av CMOS-inverterparametrarna 55%! Källspänningen Ub = Ut är cirka 2,7 V med 6 V och Ut ungefär 3,3 V.

Denna utmaning övervinns med P2 som kräver modifiering av symmetrin. Tänk för närvarande på att thailändsk R-relation är relaterad till den positiva försörjningslinjen (position A).

Oavsett inställningen av P2 förblir Schmitt-utlösarens höga utspänning alltid 11.

Icke desto mindre, när N3-utgången är låg, etablerar R4 och P2 en potentialdelare så att en spänning mellan 0 V och 3 V, baserat på P2: s torkarkonfiguration, kan återföras till P1.

Detta säkerställer att spänningen inte längre är -Ut och utan Up2-Ut. Om P2-skjutspänningen är cirka 0,6 V bör Up2-Ut vara cirka -2,7 V, därför är laddnings- och urladdningsströmmarna identiska.

Uppenbarligen, på grund av toleransen i värdet på Ut, bör P2-justeringen utföras för att matcha specifik funktionsgenerator.

I situationer där Ut är mindre än 50 procent av ingångsspänningen kan det vara lämpligt att ansluta toppen av R4 till jord (position B).

Ett par frekvensskalor kan hittas, vilka tilldelas med S1 12 Hz-1 kHz och 1 kHz till cirka 70 kHz.

Granulär frekvensstyrning ges av P1 som ändrar laddnings- och urladdningsströmmen för C1 eller C2 och därmed frekvensen genom vilken integratorn ramper upp och ner.

Squarewave-utgången från N3 skickas till en buffertförstärkare via en vågformsväljare, S2, som består av ett par växelriktare som är förspända som en linjär förstärkare (ansluten parallellt för att förbättra deras uteffekteffektivitet).

Triangelvågutgången tillhandahålls genom en buffertförstärkare N4 och därifrån genom väljaromkopplaren till buffertförstärkarutgången.

Dessutom läggs triangelutmatningen från N4 till sinusformaren, bestående av R9, R11, C3, Dl och D2.

D1 och D2 drar lite ström upp till cirka +/- 0,5 volt men deras olika motstånd sjunker utöver denna spänning och begränsar logaritmiskt höga och låga triangelpulser för att skapa en motsvarighet till en sinusvåg.

Sinusutgången överförs till utgångsförstärkaren via C5 och R10.

P4, som varierar förstärkningen av N4 och därmed amplituden för triangelpulsen som tillförs sinusformaren, ändrar sinustransparensen.

För låg signalnivå och amplituden för triangeln skulle vara under diodens tröskelspänning, och den kommer att fortsätta utan förändring och för hög signalnivå skulle höjder och nedgångar klippas kraftigt, vilket ger inte bra bildad sinusvåg.

Utgångsbuffertförstärkarens ingångsmotstånd väljs så att alla tre vågformerna har en nominell topp till minsta utspänning på cirka 1,2 V. Utgångsnivån kan ändras genom P3.

Inställningsprocedur

Justeringsmetoden är helt enkelt att ändra symmetrin i triangeln och renheten hos sinusvågen.

Dessutom optimeras triangelns symmetri idealiskt genom att undersöka kvadratvåginmatningen, eftersom en symmetrisk triangel produceras om kvadratvågens arbetscykel är 50% (1-1 mark-utrymme).

För att göra detta måste du justera den förinställda P2.

I en situation där symmetrin ökar när P2-torkaren flyttas ner mot N3-utgången men korrekt symmetri inte kunde uppnås måste den övre delen av R4 förenas i det alternativa läget.

Renheten hos sinusvågen ändras genom att justera P4 tills vågformen 'ser perfekt ut' eller genom att variera för minimal distorsion endast om det finns en distorsionsmätare att kontrollera.

Eftersom matningsspänningen påverkar utgångsspänningen för de olika vågformerna och därför sinusens renhet, måste kretsen drivas från en robust 6 V-matning.

När batterier används som strömkällbatterier ska de aldrig tvingas springa för mycket nedåt.

CMOS IC: er som används som linjära kretsar dränerar högre ström än i vanligt omkopplingsläge, och därför får matningsspänningen inte överstiga 6 V, annars kan IC: n värmas upp på grund av kraftig värmeavledning.

Ett annat bra sätt att bygga en funktionsgeneratorkrets kan vara via IC 8038, som förklaras nedan

Funktionsgeneratorkrets med IC 8038

IC 8038 är en precisionsvågformgenerator IC speciellt utformad för att skapa sinus-, fyrkant- och triangulära utgångsvågformer, genom att inkludera minst antal elektroniska komponenter och manipulationer.

Dess arbetsfrekvensområde kan bestämmas genom åtta frekvenssteg, från 0,001Hz till 300kHz, genom lämpligt val av bifogade R-C-element.

Oscillationsfrekvensen är extremt stabil oavsett variationer i temperatur eller matningsspänning över ett stort område.

Dessutom erbjuder IC 8038-funktionsgeneratorn ett arbetsfrekvensområde upp till så stort som 1MHz. Alla de tre grundläggande vågformsutgångarna, sinusformade, triangulära och fyrkantiga kan nås samtidigt via kretsens individuella utgångsportar.

Frekvensområdet för 8038 kan varieras via en extern spänningsmatning, även om svaret kanske inte är särskilt linjärt. Den föreslagna funktionsgeneratorn ger också liknande justerbar triangelsymmetri och justerbar sinusvågsförvrängningsnivå.

Funktionsgenerator Använda IC 741

Denna IC 741-baserade funktionsgeneratorkrets ger ökad testmångsidighet jämfört med den typiska sinusvågsgeneratorn, vilket ger 1 kHz fyrkantiga och triangelvågor tillsammans, och det är både billigt och mycket enkelt att konstruera. Som det verkar är utgången ungefär 3V ptp på fyrkantvåg och 2V r.m.s. i sinus-våg. En växlad dämpare kan snabbt inkluderas om du vill vara mildare mot kretsen som testas.

Hur man monterar

Börja fylla delarna på kretskortet som visas i komponentlayoutdiagrammet och se till att sätta in zenern, elektrolytiken och IC: n på rätt sätt.

Hur man ställer in

För att ställa in den enkla funktionsgeneratorns krets, finjusterar du bara RV1 tills sinusvågformen är något under klippnivån. Detta ger dig den mest effektiva sinusvågen genom oscillatorn. Kvadrat och triangel kräver inga specifika justeringar eller inställningar.

Hur det fungerar

1. I denna IC 741-funktionsgeneratorkrets är IC1 konfigurerad i form av en Wien-bryggoscillator, som arbetar med en kHz-frekvens.
2. Amplitudstyrning levereras av dioderna D1 och D2. Utgången från denna IC drivs antingen till utgången eller till kvadratkretsen.
3. Denna är ansluten till SW1a med hjälp av C4 och det är en Schmidt-utlösare (Q1 -Q2). Zener ZD1 fungerar som en 'hysterisfri' utlösare.
4. IC2-, C5- och R10-integratorn genererar den triangulära vågen från den ingående fyrkantsvågen.

Enkel UJT-funktionsgenerator

De unijunction oscillator som visas nedan är bland de enklaste sågtandgeneratorerna. De två utsignalerna från detta ger, nämligen en sågtandvågform och en sekvens av triggerpulser. Vågen spärrar upp från cirka 2V (dalens punkt, Vv) till maximal topp (Vp). Toppunkten är beroende av strömförsörjningen Vs och avståndet BJT-förhållandet, som kan variera från cirka 0,56 till 0,75, varvid 0,6 är ett gemensamt värde. Perioden för en svängning är ungefär:

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

där '1n' indikerar naturlig logaritmanvändning. Med tanke på standardvärden är Vs = 6, Vv = 2 och de = 0.6, ovanstående ekvation förenklar till:

t = RC x 1n (0,6)

Eftersom kondensatorladdningen är stegvis är sågtandens ökande lutning inte linjär. För många ljudapplikationer betyder det knappast något. Figuren (b) visar laddningskondensatorn via en konstantströmskrets. Detta gör att lutningen går rakt upp.

Kondensatorns laddningshastighet är nu konstant, oberoende av Vs, även om V fortfarande påverkar toppunkten. Eftersom strömmen är beroende av transistorförstärkning finns det ingen enkel formel för frekvensmätning. Denna krets är utformad för att fungera med låga frekvenser och har implementeringar som en rampgenerator.

Använda LF353 op ampere

Två op-förstärkare används för att konstruera en exakt fyrkantvåg och triangelvåggeneratorkrets. LF353-satsen innehåller två JFET-förstärkare som passar bäst för denna applikation.

Utsignalens frekvenser beräknas med formeln f = 1 / RC . Kretsen visar ett extremt brett arbetsområde med knappast någon distorsion.

R kan ha vilket värde som helst mellan 330 Ohm och cirka 4,7 M C kan ha vilket värde som helst från cirka 220pF till 2uF.

Precis som ovanstående koncept används två op-förstärkare i nästa sinusvåg en cosinusvåg funktionsgenerator krets.

De genererar nästan identiska frekvenssinusvågssignaler men 90 ° ur fas, och därför kallas utsignalen från den andra op-förstärkaren som en cosinusvåg.

Frekvensen påverkas av insamlingen av acceptabla R- och C-värden. R ligger i området 220k till 10 M C ligger mellan 39pF och 22nF. Förbindelsen mellan R, C och / eller är lite komplex, eftersom den måste återspegla värdena på andra motstånd och kondensatorer.

Använd R = 220k och C = 18nF som en startpunkt som ger en frekvens på 250Hz. Zener-dioderna kan vara dioder med låg effekt på 3,9V eller 4,7V.

Funktionsgenerator med TTL IC

Ett par portar av en 7400 fyr-ingångs NAND-grind utgör den faktiska oscillatorkretsen för denna TTL-funktionsgeneratorkrets. Kristallen och en justerbar kondensator fungerar som återkopplingssystemet över ingången till grinden U1-a och utgången från grinden U1-b. Port U1-c fungerar som en buffert mellan oscillatorsteget och utgångssteget, U1-d.

Strömställaren S1 fungerar som en manuellt omkopplingsbar grindstyrning för att växla kvadratvågsutgången för U1-d vid stift 11 PÅ / AV. Med S1 öppen, som indikerat, genereras fyrkantvåget vid utgången och när den är stängd stängs ekvaresignformen av.

Omkopplaren kan ersättas med en logisk grind för att digitalt styra utgången. En nästan idealisk 6- till 8 volt topp-till-topp sinusvåg skapas vid anslutningspunkten för C1 och XTAL1.

Impedansen på denna korsning är mycket hög och är omöjlig att ge en direkt utsignal. Transistorn Q1, inställd som en emitter-follower-förstärkare, levererar en hög ingångsimpedans till sinusvågssignalen och en låg utgångsimpedans till en extern belastning.

Kretsen kommer att vrida upp nästan alla typer av kristaller och köras med kristallfrekvenser under 1 MHz till över 10 MHz.

Hur man ställer in

Att ställa in denna enkla TTL-funktionsgeneratorkrets kan snabbt initieras med följande punkter.

Om det finns ett oscilloskop tillgängligt kan du ansluta det till U1-ds fyrkantvågsutgång på stift 11 och placera C1 i mitten av det intervall som ger den mest effektiva utgångsvågformen.

Därefter observera sinusvågsutgången och justera C2 för att få den finaste vågformen. Återgå till C1-kontrollratten och finjustera den fram och tillbaka tills den mest hälsosamma sinusvågseffekten uppnås på scope-skärmen.

Dellista

MOTSTANDAR
(Alla motstånd är -watt, 5% enheter.)
RI, R2 = 560-ohm
R3 = 100k
R4 = 1k

Halvledare
U1 = IC 7400
Q1 = 2N3904 NPN-kiseltransistor

Kondensatorer
C1, C2 = 50 pF, trimmerkondensator
C3, C4 = 0,1 uF, kondensator med keramisk skiva

Diverse
S1 = SPST vippomkopplare
XTAL1 = Alla kristaller (se text)

Crystal Controlled Best Sine waveform Circuit

Följande vågformgenerator är en två-transistor, kristalloscillatorkrets som fungerar utmärkt, billigt att bygga och kräver inga spolar eller drosslar. Priset beror främst på den kristall som används, eftersom den totala kostnaden för de andra elementen knappast måste vara några dollar. Transistorn Q1 och de flera intilliggande delarna bildar oscillatorkretsen.

Markbanan för kristallen styrs med hjälp av C6, R7 och C4. I C6- och R7-korsningen, som är en ganska liten impedansposition, appliceras RF på en emitter-follower-förstärkare, Q2.

Vågformen vid C6 / R7-korsningen är verkligen en nästan perfekt sinusvåg. Utgången vid sändaren av Q2 varierar i amplitud från cirka 2- till 6 volt topp-till-topp, baserat på Q-faktorn för kristallens och kondensatorernas C1- och C2-värden.

C1- och C2-värdena bestämmer frekvensområdet för kretsen. För kristallfrekvenser under 1 MHz borde C1 och C2 vara 2700 pF (0,0027 p, F). För frekvenser mellan 1 MHz och 5 MHz kan dessa vara 680-pF kondensatorer och för 5 MHz och 20 MHz. du kan använda 200-pF kondensatorer.

Du kan eventuellt testa med värdena på dessa kondensatorer för att få den finaste sinusvågsutgången. Dessutom kan justeringen av kondensatorn C6 ha en effekt på de två utgångsnivåerna och vågformens övergripande form.

Dellista

MOTSTANDAR
(Alla motstånd är -watt, 5% enheter.)
R1-R5-1k
R6-27k
R7-270-ohm
R8-100k
KAPACITORER
C1, C2 — Se text
C3, C5-0.1-p.F, keramisk skiva
C6-10 pF till 100 pF, trimmer
HALVLEDARE
Q1, Q2-2N3904
XTAL1 — Se text

Sawtooth Generator Circuit

I sågtandgeneratorkretsen är delarna Q1, D1-D3, R1, R2 och R7 konfigurerade som en enkel generatorkrets med konstant ström som laddar kondensatorn C1 med en konstant ström. Denna konstanta laddningsström skapar en linjär ökande spänning över C1.

Transistorer Q2 och Q3 är riggade som ett Darlington-par för att skjuta spänningen genom C1, till utgången utan belastning eller snedvridande effekter.

Så snart spänningen runt C1 ökar till cirka 70% av matningsspänningen aktiveras grinden U1-a, vilket gör att U1-b-utgången går högt och kortvarigt slår på Q4 som fortsätter att vara PÅ medan kondensatorn C1 urladdas.

Detta avslutar en enda cykel och initierar nästa. Kretsens utgångsfrekvens styrs av R7, som ger en lågfrekvens på cirka 30 Hz och en övre frekvens på cirka 3,3 kHz.

Frekvensområdet kan göras högre genom att minska C1-värdet och minska genom att C1-värdet ökar. För att bevara Q4: s toppurladdningsström under kontroll. C1 bör inte vara större än 0,27 uF.

Dellista

Funktionsgeneratorkrets med ett par IC 4011

Grunden för denna krets är faktiskt en Wien-bridge-oscillator, som erbjuder en sinusvågsutgång. Därefter extraheras de fyrkantiga och triangulära vågformerna ur detta.

Wien-bridge-oscillatorn är konstruerad med hjälp av en CMOS NAND-grind N1 till N4, medan amplitudstabiliseringen tillhandahålls av transistorn T1 och dioderna D1 och D2.

Dessa dioder måste eventuellt matchas upp två, för lägsta distorsion. Frekvensjusterande potentiometer P1 måste också vara en högkvalitativ stereopotentiometer med interna motståndsspår ihopkopplade med 5% tolerans.

Den förinställda R3 ger justeringsmöjligheter för minst distorsion och om matchade delar används för D1, D2 och P1 kan den totala harmoniska distorsionen vara under 0,5%.

Utgången från Wien-bridge-oscillatorn appliceras på ingången till N5, som är förspänd i dess linjära region och fungerar som en förstärkare. NAND-grindar N5 och N6 förbättrar och klippar oscillatorutgången tillsammans för att generera en fyrkantig vågform.

Driftcykeln för vågformen påverkas relativt av tröskelpotentialerna för N5 och N6, men den ligger i närheten av 50%.

Port N6-utgången levereras i en integrator byggd med NAND-grindarna N7 och N8, som harmoniserar med fyrkantvåg för att leverera en triangulär vågform.

Den triangulära vågformens amplitud är helt klart beroende av frekvensen, och eftersom integratorn helt enkelt inte är mycket exakt avviker dessutom linjäriteten dessutom med avseende på frekvensen.

I själva verket är amplitudvariationen faktiskt ganska triviell, med tanke på att funktionsgeneratorn ofta kommer att användas tillsammans med en millivoltmeter eller ett oscilloskop och utgången kan enkelt kontrolleras.

Funktionsgeneratorkrets med LM3900 Norton Op Amp

En extremt praktisk funktionsgenerator som minskar hårdvaran och även priset kan konstrueras med en enda Norton fyrförstärkare IC LM3900.

Om motståndet R1 och kondensatorn C1 avlägsnas från denna krets kommer den resulterande installationen att vara den vanliga för en Norton-förstärkare fyrkantsvåggenerator, med tidsströmmen som går in i kondensatorn C2. Inkluderingen av en integrerande kondensator C1 till fyrkantsvåggeneratorn skapar en realistiskt exakt sinusvåg vid utgången.

Motstånd R1, som underlättar att komplettera kretsens tidskonstanter, gör att du kan justera sinusutgången för lägsta distorsion. En identisk krets gör att du kan lägga in en sinusvågsutgång till standardanslutningen för en fyrkantig / triangulärvågsgenerator utformad med två Norton-förstärkare.

Som framgår av bilden fungerar triangulär utgång som ingången för sinusformarförstärkaren.

För delvärdena i denna artikel är kretsens frekvens cirka 700 hertz. Motstånd R1 kan användas för att justera lägsta sinus-vågförvrängning, och motstånd R2 kan användas för att justera symmetrin för fyrkantiga och triangulära vågor.

Den fjärde förstärkaren i Norton quad-paketet kan anslutas som en utgångsbuffert för alla tre utgångsvågformer.