Circuito generatore di funzioni che utilizza un singolo IC 4049

In questo post impareremo come costruire 3 semplici circuiti generatori di funzioni utilizzando un singolo IC 4049, per generare onde quadre, onde triangolari e sinusoidali accurate attraverso semplici operazioni di commutazione.

Usando solo uno a basso costo CMOS IC 4049 e una manciata di moduli separati, è facile creare un robusto generatore di funzioni che fornirà una gamma di tre forme d'onda intorno e oltre lo spettro audio.

Lo scopo dell'articolo era creare un generatore di frequenze open source di base, conveniente e facile da costruire e utilizzato da tutti gli hobbisti e professionisti di laboratorio.

Questo obiettivo è stato senza dubbio raggiunto, poiché il circuito fornisce una varietà di forme d'onda sinusoidali, quadrate e triangolari e uno spettro di frequenza da circa 12 Hz a 70 KHz impiega solo un singolo IC inverter CMOS esagonale e pochi elementi separati.

Senza dubbio, l'architettura potrebbe non fornire l'efficienza di circuiti più avanzati, soprattutto in termini di coerenza della forma d'onda a frequenze aumentate, ma è comunque uno strumento incredibilmente utile per l'analisi audio.

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Diagramma a blocchi

Le basi del funzionamento del circuito dallo schema a blocchi mostrato sopra. La sezione principale del generatore di funzioni è un generatore di onde quadrate / triangolari che consiste in un integratore e un trigger Schmit.

Una volta che l'uscita del trigger di Schmitt è alta, la tensione di ritorno dall'uscita di Schmitt all'ingresso dell'integratore consente all'uscita dell'integratore di rampa negativa prima che superi il livello di uscita inferiore del trigger di Schmitt.

In questa fase l'uscita del trigger di Schmitt è lenta, quindi la piccola tensione restituita all'ingresso dell'integratore gli consente di aumentare positivamente prima che venga raggiunto il livello di trigger superiore del trigger di Schmitt.

L'uscita del trigger di Schmitt torna ad essere alta e l'uscita dell'integratore torna a picchi negativi, e così via.

Gli sweep positivi e negativi dell'uscita dell'integratore rappresentano una forma d'onda triangolare la cui ampiezza è calcolata dall'isteresi del trigger di Schmitt (ovvero la differenza tra i limiti di trigger alto e basso).

La produzione di trigger di Schmitt è, naturalmente, un'onda quadra composta da stati di uscita alti e bassi alternati.

L'uscita del triangolo viene fornita a un diodo shaper attraverso un amplificatore buffer, che arrotonda le alte e le basse del triangolo per creare un'approssimazione di un segnale sinusoidale.

Quindi, ciascuna delle 3 forme d'onda può essere scelta da un selettore a 3 vie S2 e fornita a un amplificatore buffer di uscita.

Come funziona il circuito

Lo schema del circuito completo del generatore di funzioni CMOS come mostrato nella figura sopra. L'integratore è interamente costruito utilizzando un inverter CMOS, Nl, mentre il meccanismo di Schmitt incorpora 2 inverter a feedback positivo. È N2 e N3.

L'immagine seguente mostra i dettagli del pinout dell'IC 4049 per l'applicazione nello schema sopra

Il circuito funziona in questo modo considerando, per il momento, che il tergicristallo P2 è nella sua posizione più bassa, con l'uscita di N3 alta, una corrente equivalente a:

Ub - U1 / P1 + R1

viaggia attraverso R1 e p1, dove Ub indica la tensione di alimentazione e Ut la tensione di soglia N1.

Poiché questa corrente non è in grado di entrare nell'ingresso ad alta impedenza dell'inverter, inizia a viaggiare verso C1 / C2 a seconda di quale condensatore è commutato in linea dall'interruttore S1.

La caduta di tensione su C1 diminuisce così linearmente in modo tale che la tensione di uscita di N1 aumenta linearmente prima che la tensione di soglia inferiore del trigger di Schmitt si avvicini proprio quando l'uscita del trigger di Schmitt diventa bassa.

Ora una corrente equivalente a -Out / P1 + R1 scorre sia attraverso R1 che P1.

Questa corrente scorre sempre attraverso C1, in modo tale che la tensione di uscita di N1 aumenta esponenzialmente fino a quando non viene raggiunta la tensione limite massima del trigger di Schmitt, l'uscita del trigger di Schmitt aumenta e l'intero ciclo ricomincia dall'inizio.

Per mantenere la simmetria dell'onda triangolare (cioè la stessa pendenza sia per la parte positiva che per quella negativa della forma d'onda) le correnti di carico e scarica del condensatore devono essere identiche, il che significa che Uj, -Ui dovrebbe essere identico a Ut.

Tuttavia, purtroppo, Ut, deciso dai parametri dell'inverter CMOS, è normalmente del 55%! La tensione sorgente Ub = Ut è di circa 2,7 V con 6 V e Ut circa a 3,3 V.

Questa sfida viene superata con P2 che richiede la modifica della simmetria. Per il momento, si consideri che thai R-è correlato alla linea di fornitura positiva (posizione A).

Indipendentemente dall'impostazione di P2, l'alta tensione di uscita del trigger di Schmitt rimane sempre 11.

Tuttavia, quando l'uscita N3 è bassa, R4 e P2 stabiliscono un potenziale divisore tale che, in base alla configurazione del tergicristallo di P2, una tensione compresa tra 0 V e 3 V possa essere restituita a P1.

Ciò garantisce che la tensione non sia più -Ut e ma Up2-Ut. Nel caso in cui la tensione del cursore P2 sia di circa 0,6 V, Up2-Ut dovrebbe essere di circa -2,7 V, quindi le correnti di carica e scarica sarebbero identiche.

Ovviamente, a causa della tolleranza nel valore di Ut, la regolazione P2 deve essere eseguita in modo che corrisponda al generatore di funzione specifico.

In situazioni in cui Ut è inferiore al 50 percento della tensione di ingresso, potrebbe essere appropriato collegare la parte superiore di R4 a terra (posizione B).

È possibile trovare un paio di scale di frequenza, che verranno assegnate utilizzando S1 12 Hz-1 kHz e 1 kHz a circa 70 kHz.

Il controllo della frequenza granulare è dato da P1 che cambia la corrente di carica e scarica di C1 o C2 e quindi la frequenza attraverso la quale l'integratore sale e scende.

L'uscita a onda quadra da N3 viene inviata a un amplificatore buffer tramite un selettore della forma d'onda, S2, che comprende una coppia di inverter polarizzati come un amplificatore lineare (collegati in parallelo per migliorare l'efficienza della corrente di uscita).

L'uscita dell'onda triangolare è fornita attraverso un amplificatore tampone N4 e da lì dal selettore all'uscita dell'amplificatore tampone.

Inoltre, l'uscita del triangolo da N4 viene aggiunta al formatore seno, costituito da R9, R11, C3, Dl e D2.

D1 e D2 assorbono poca corrente fino a circa +/- 0,5 volt, ma la loro diversa resistenza scende oltre questa tensione e limita logaritmicamente gli alti e i bassi dell'impulso triangolare per creare un equivalente a un'onda sinusoidale.

L'uscita sinusoidale viene trasmessa all'amplificatore di uscita tramite C5 e R10.

P4, che varia il guadagno di N4 e quindi l'ampiezza dell'impulso triangolare fornito al formatore seno, modifica la trasparenza del seno.

Un livello di segnale troppo basso e l'ampiezza del triangolo sarebbe al di sotto della tensione di soglia del diodo, e procederà senza alterazioni e un livello di segnale troppo alto, gli alti e i bassi verrebbero fortemente tagliati, fornendo così non bene onda sinusoidale formata.

Le resistenze di ingresso dell'amplificatore buffer di uscita sono scelte in modo tale che tutte e tre le forme d'onda abbiano un picco nominale alla tensione di uscita minima di circa 1,2 V. Il livello di uscita può essere modificato tramite P3.

Procedura di configurazione

Il metodo di regolazione consiste semplicemente nel modificare la simmetria del triangolo e la purezza dell'onda sinusoidale.

Inoltre, la simmetria del triangolo è idealmente ottimizzata esaminando l'input dell'onda quadra, poiché viene prodotto un triangolo simmetrico se il ciclo di lavoro dell'onda quadra è del 50% (1-1 mark-space).

Per fare ciò, dovrai regolare il preset P2.

In una situazione in cui la simmetria aumenta quando il tergicristallo P2 viene spostato verso l'uscita N3 ma non è possibile ottenere una simmetria corretta, la parte superiore di R4 deve essere unita nella posizione alternata.

La purezza dell'onda sinusoidale viene modificata regolando P4 fino a quando la forma d'onda 'sembra perfetta' o variando per una distorsione minima solo se è presente un misuratore di distorsione da controllare.

Poiché la tensione di alimentazione influisce sulla tensione di uscita delle diverse forme d'onda, e quindi sulla purezza del seno, il circuito deve essere alimentato da una robusta alimentazione a 6 V.

Quando le batterie vengono utilizzate come batterie di alimentazione, non dovrebbero mai essere forzate a funzionare troppo verso il basso.

I circuiti integrati CMOS utilizzati come circuiti lineari assorbono una corrente maggiore rispetto alla normale modalità di commutazione, quindi la tensione di alimentazione non deve superare i 6 V, altrimenti l'IC può surriscaldarsi a causa della forte dissipazione termica.

Un altro ottimo modo per costruire un circuito generatore di funzioni può essere tramite l'IC 8038, come spiegato di seguito

Circuito generatore di funzioni che utilizza IC 8038

L'IC 8038 è un generatore di forma d'onda di precisione IC appositamente progettato per creare forme d'onda di uscita sinusoidali, quadrate e triangolari, incorporando il minor numero di componenti elettronici e manipolazioni.

La sua gamma di frequenze di lavoro può essere determinata attraverso 8 passi di frequenza, a partire da 0.001Hz a 300kHz, attraverso l'apposita selezione degli elementi R-C allegati.

La frequenza oscillatoria è estremamente costante indipendentemente dalle fluttuazioni della temperatura o della tensione di alimentazione su un ampio intervallo.

Inoltre, il generatore di funzioni IC 8038 offre una gamma di frequenze di lavoro fino a 1 MHz. È possibile accedere contemporaneamente a tutte e tre le uscite della forma d'onda fondamentale, sinusoidale, triangolare e quadrata attraverso le singole porte di uscita del circuito.

La gamma di frequenza dell'8038 può essere variata tramite un'alimentazione di tensione esterna, sebbene la risposta possa non essere molto lineare. Il generatore di funzioni proposto fornisce anche simmetria triangolare regolabile e livello di distorsione dell'onda sinusoidale regolabile.

Generatore di funzioni utilizzando IC 741

Questo circuito generatore di funzioni basato su IC 741 offre una maggiore versatilità di test rispetto al tipico generatore di segnali sinusoidali, fornendo onde quadrate e triangolari da 1 kHz insieme, ed è sia a basso costo che molto semplice da costruire. Come sembra, l'uscita è di circa 3 V ptp su onda quadra e 2 V r.m.s. nell'onda sinusoidale. Un attenuatore commutato potrebbe essere rapidamente incluso se vuoi essere più delicato sul circuito che viene testato.

Come assemblare

Inizia a inserire le parti sul PCB come mostrato nello schema di layout dei componenti e assicurati di inserire correttamente la polarità di zener, elettrolitici e circuiti integrati.

Come impostare

Per impostare il semplice circuito del generatore di funzioni, regolare semplicemente RV1 fino a quando la forma d'onda sinusoidale è leggermente al di sotto del livello di clipping. Ciò fornisce l'onda sinusoidale più efficace attraverso l'oscillatore. Il quadrato e il triangolo non richiedono regolazioni o allestimenti specifici.

Come funziona

1. In questo circuito generatore di funzioni IC 741, l'IC1 è configurato sotto forma di un oscillatore a ponte di Vienna, operante a una frequenza di 1 kHz.
2. Il controllo dell'ampiezza è fornito dai diodi D1 e D2. L'uscita da questo IC viene pilotata tramite la presa di uscita o il circuito di squadratura.
3. Questo è collegato a SW1a tramite C4 ed è un trigger di Schmidt (Q1 -Q2). Lo zener ZD1 funziona come un trigger 'privo di isteresi'.
4. L'integratore IC2, C5 e R10 genera l'onda triangolare dall'onda quadra in ingresso.

Semplice generatore di funzioni UJT

Il oscillatore unigiunzione mostrato di seguito, è tra i generatori a dente di sega più semplici. Le due uscite di questo danno, cioè, una forma d'onda a dente di sega e una sequenza di impulsi di trigger. L'onda sale da circa 2V (il punto della valle, Vv) al picco massimo (Vp). Il punto di picco si basa sull'alimentazione Vs e sul rapporto BJT stand-off, che può variare da circa 0,56 a 0,75, dove 0,6 è un valore comune. Il periodo di un'oscillazione è approssimativamente:

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

dove '1n' indica l'utilizzo del logaritmo naturale. Considerando i valori standard, Vs = 6, Vv = 2 e il = 0.6, l'equazione di cui sopra si semplifica in:

t = RC x 1n (0,6)

Poiché la carica del condensatore è incrementale, la pendenza crescente del dente di sega non è lineare. Per molte applicazioni audio, questo non importa. La Figura (b) mostra il condensatore di carica tramite un circuito a corrente costante. Ciò consente al pendio di salire dritto.

La velocità di carica del condensatore è ora costante, indipendente da Vs, sebbene Vs influenzi ancora il punto di picco. Poiché la corrente dipende dal guadagno del transistor, non esiste una formula semplice per la misurazione della frequenza. Questo circuito è progettato per funzionare con le basse frequenze e ha implementazioni come generatore di rampa.

Utilizzo di amplificatori operazionali LF353

Due amplificatori operazionali vengono utilizzati per costruire un preciso circuito generatore di onde quadre e onde triangolari. Il set LF353 include due amplificatori operazionali JFET che sono più adatti per questa applicazione.

Le frequenze del segnale di uscita sono calcolate dalla formula f = 1 / RC . Il circuito mostra una gamma operativa estremamente ampia con pochissima distorsione.

R può avere qualsiasi valore compreso tra 330 Ohm e circa 4,7 M C può essere di qualsiasi valore compreso tra circa 220pF e 2uF.

Proprio come il concetto di cui sopra, due amplificatori operazionali vengono utilizzati nel prossimo onda sinusoidale un'onda coseno circuito generatore di funzioni.

Generano segnali a onda sinusoidale di frequenza quasi identica ma sfasati di 90 °, e quindi l'uscita del secondo amplificatore operazionale è definita come un'onda coseno.

La frequenza è influenzata dalla raccolta di valori R e C accettabili. R è compreso tra 220k e 10 M C è compreso tra 39pF e 22nF. La connessione tra R, C e / o è un po 'complessa, in quanto deve riflettere i valori di altri resistori e condensatori.

Usa R = 220k e C = 18nF come punto iniziale che fornisce una frequenza di 250Hz. I diodi Zener possono essere diodi di uscita a bassa potenza di 3,9 V o 4,7 V.

Generatore di funzioni che utilizza TTL IC

Un paio di porte di un 7400 quad porta NAND a due ingressi costituisce l'effettivo circuito dell'oscillatore per questo circuito generatore di funzioni TTL. Il cristallo e un condensatore regolabile funzionano come il sistema di feedback all'ingresso della porta U1-a e all'uscita della porta U1-b. Il gate U1-c funziona come un buffer tra lo stadio dell'oscillatore e lo stadio di uscita, U1-d.

L'interruttore S1 agisce come un controllo del cancello commutabile manualmente per attivare o disattivare l'uscita a onda quadra di U1-d sul pin 11. Con S1 aperto, come indicato, l'onda quadra viene generata in uscita, e una volta chiuso la forma d'onda equare viene spenta.

L'interruttore può essere sostituito con una porta logica per comandare digitalmente l'uscita. Un'onda sinusoidale da picco a picco quasi ideale da 6 a 8 volt viene creata nel punto di connessione di C1 e XTAL1.

L'impedenza su questa giunzione è molto alta e non è possibile fornire un segnale di uscita diretto. Il transistor Q1, configurato come amplificatore inseguitore di emettitore, fornisce un'alta impedenza di ingresso al segnale sinusoidale e una bassa impedenza di uscita a un carico esterno.

Il circuito alzerà quasi tutti i tipi di cristalli e funzionerà con frequenze di cristallo da inferiori a 1 MHz a superiori a 10 MHz.

Come impostare

L'impostazione di questo semplice circuito generatore di funzioni TTL può essere avviata rapidamente con i seguenti punti.

Se è disponibile un oscilloscopio con te, collegalo all'uscita a onda quadra di U1-d sul pin 11 e posiziona C1 al centro dell'intervallo che fornisce la forma d'onda di uscita più efficace.

Quindi, osserva l'uscita dell'onda sinusoidale e regola C2 per ottenere la forma d'onda dall'aspetto più fine. Tornare alla manopola di controllo C1 e regolarla un po 'avanti e indietro fino a ottenere l'uscita sinusoidale più sana sullo schermo dell'oscilloscopio.

Elenco delle parti

RESISTORI
(Tutti i resistori sono unità -watt, 5%.)
RI, R2 = 560 ohm
R3 = 100k
R4 = 1k

Semiconduttori
U1 = IC 7400
Q1 = 2N3904 transistor al silicio NPN

Condensatori
C1, C2 = 50 pF, condensatore trimmer
C3, C4 = 0,1 uF, condensatore a dischi ceramici

Miscellanea
S1 = interruttore a levetta SPST
XTAL1 = Any Crystal (vedi testo)

Migliore forma d'onda sinusoidale controllata da cristallo

Il seguente generatore di forme d'onda è un circuito oscillatore a cristallo a due transistor che si comporta in modo eccellente, economico da costruire e non richiede bobine o induttanze. Il prezzo dipende principalmente dal cristallo utilizzato, in quanto il costo complessivo degli altri elementi non deve essere di pochi dollari. Il transistor Q1 e le varie parti adiacenti formano il circuito dell'oscillatore.

Il percorso a terra per il cristallo è diretto per mezzo di C6, R7 e C4. Nella giunzione C6 e R7, che è una posizione di impedenza piuttosto piccola, la RF viene applicata a un amplificatore inseguitore di emettitore, Q2.

La forma d'onda alla giunzione C6 / R7 è davvero un'onda sinusoidale quasi perfetta. L'uscita, all'emettitore di Q2, varia in ampiezza da circa 2 a 6 volt picco-picco, in base al fattore Q dei valori del cristallo e dei condensatori C1 e C2.

I valori C1 e C2 determinano la gamma di frequenza del circuito. Per frequenze cristalline inferiori a 1 MHz, C1 e C2 dovrebbero essere 2700 pF (0,0027 p, F). Per frequenze comprese tra 1 MHz e 5 MHz, questi possono essere condensatori da 680 pF e per 5 MHz e 20 MHz. puoi applicare condensatori da 200 pF.

Potresti provare a testare con i valori di quei condensatori per ottenere l'uscita sinusoidale più fine. Inoltre, la regolazione del condensatore C6 può avere un effetto sui due livelli di uscita e sulla forma complessiva della forma d'onda.

Elenco delle parti

RESISTORI
(Tutti i resistori sono unità -watt, 5%.)
R1-R5-1k
R6-27k
R7-270-ohm
R8-100k
CONDENSATORI
C1, C2: vedere il testo
C3, C5-0.1-p.F, disco ceramico
C6-10 pF a 100 pF, trimmer
SEMICONDUTTORI
Q1, Q2-2N3904
XTAL1: vedere il testo

Circuito generatore a dente di sega

Nel circuito del generatore a dente di sega, le parti Q1, D1-D3, R1, R2 e R7 sono configurate come un semplice circuito generatore di corrente costante che carica il condensatore C1 con una corrente costante. Questa corrente di carica costante crea una tensione crescente lineare su C1.

I transistor Q2 e Q3 sono attrezzati come una coppia Darlington per spingere la tensione attraverso C1, fino all'uscita senza effetti di carico o distorsione.

Non appena la tensione intorno a C1 aumenta fino a circa il 70% della tensione di alimentazione, il gate U1-a si attiva facendo scattare l'uscita U1-b in alto e accendere brevemente Q4 che continua ad essere ON mentre il condensatore C1 si scarica.

Questo termina un singolo ciclo e avvia il successivo. La frequenza di uscita del circuito è regolata da R7, che fornisce una frequenza di fascia bassa di circa 30 Hz e una frequenza di fascia alta di circa 3,3 kHz.

La gamma di frequenza potrebbe essere aumentata diminuendo il valore di C1 e diminuita aumentando il valore di C1. Per mantenere sotto controllo la corrente di scarica di picco di Q4. C1 non dovrebbe essere maggiore di 0,27 uF.

Elenco delle parti

Circuito generatore di funzioni che utilizza una coppia di IC 4011

La base di questo circuito è in realtà un oscillatore a ponte di Vienna, che offre un'uscita sinusoidale. Le forme d'onda quadrate e triangolari vengono successivamente estratte da questo.

L'oscillatore a ponte di Vienna è costruito utilizzando una porta NAND CMOS da N1 a N4, mentre la stabilizzazione dell'ampiezza è fornita dal transistor T1 e dai diodi D1 e D2.

Questi diodi, possibilmente, devono essere accoppiati insieme di due, per la distorsione più bassa. Anche il potenziometro di regolazione della frequenza P1 deve essere un potenziometro stereo di alta qualità con tracce di resistenza interne accoppiate entro una tolleranza del 5%.

Il preset R3 offre possibilità di regolazione per la minima distorsione e nel caso in cui vengano utilizzate parti abbinate per D1, D2 e ​​P1, la distorsione armonica complessiva potrebbe essere inferiore allo 0,5%.

L'uscita dall'oscillatore a ponte di Vienna viene applicata all'ingresso di N5, che è polarizzato nella sua regione lineare e funziona come un amplificatore. Le porte NAND N5 e N6 migliorano e agganciano collettivamente l'uscita dell'oscillatore per generare una forma d'onda quadra.

Il ciclo di lavoro della forma d'onda è relativamente influenzato dai potenziali di soglia di N5 e N6, tuttavia è molto vicino al 50%.

L'uscita del gate N6 viene fornita in un integratore costruito utilizzando le porte NAND N7 e N8, che si armonizza con l'onda quadra per fornire una forma d'onda triangolare.

L'ampiezza della forma d'onda triangolare dipende sicuramente dalla frequenza, e poiché l'integratore è semplicemente poco accurato, la linearità devia ulteriormente rispetto alla frequenza.

In realtà la variazione di ampiezza è in realtà piuttosto banale, considerando che il generatore di funzioni verrà spesso utilizzato insieme ad un millivoltmetro o ad un oscilloscopio e l'uscita potrà essere facilmente verificata.

Circuito generatore di funzioni con LM3900 Norton Op Amp

Un generatore di funzioni estremamente pratico che ridurrà l'hardware e anche il prezzo potrebbe essere costruito con un singolo amplificatore quad Norton IC LM3900.

Se il resistore R1 e il condensatore C1 vengono rimossi da questo circuito, la configurazione risultante sarà quella comune per un generatore di onde quadre con amplificatore Norton, con la corrente di temporizzazione che entra nel condensatore C2. L'inclusione di un condensatore di integrazione C1 al generatore di onde quadre crea un'onda sinusoidale realisticamente precisa in uscita.

Il resistore R1, che facilita il completamento delle costanti di tempo del circuito, consente di regolare l'onda sinusoidale in uscita per una distorsione minima. Un circuito identico consente di collegare un'uscita sinusoidale al collegamento standard per un generatore di onde quadre / triangolari progettato con due amplificatori Norton.

Come mostrato nell'immagine, l'uscita triangolare funziona come l'ingresso per l'amplificatore sinusoidale.

Per i valori delle parti forniti in questo articolo, la frequenza di funzionamento del circuito è di circa 700 hertz. Il resistore R1 può essere utilizzato per regolare la distorsione sinusoidale più bassa e il resistore R2 può essere utilizzato per regolare la simmetria delle onde quadrate e triangolari.

Il quarto amplificatore nel pacchetto Norton quad potrebbe essere collegato come buffer di uscita per tutte e 3 le forme d'onda in uscita.