Генератор импульсов с регулировкой частоты. Генератор прямоугольных импульсов на NE555 Регулируемый генератор импульсов на 555
Для начинающих радиолюбителей переход от создания простейших схем с применением резисторов, конденсаторов, диодов к созданию печатных плат с различными микросхемами, означает переход на новый уровень мастерства. Однако при этом схемы основываются на базе простейших микросхем, одной из которых является микросхема интегрального таймера NE555.
Изучение любой микросхемы следует начинать с фирменной документации - DATA SHEET. Для начала следует обратить внимание на расположение выводов и их назначение для таймер NE555 (рисунок 1). Иностранные компании, как правило, не предоставляют принципиальные схемы своих устройств. Однако микросхема таймера NE555 является достаточно популярной и имеет свой отечественный аналог КР1006ВИ1, схема которого представлена на рисунке 2.
Рисунок 1
1. Одновибратор на базе NE555 (рисунок 3).
Рисунок 3
Работа схемы: на вывод 2 микросхемы подается импульс низкого уровня. На выходе 3 микросхемы получается прямоугольный импульс, длительность которого определяется времязадающей RC-цепочкой (ΔT = 1,1*R*C). Сигнал высокого уровня на выводе 3 формируется до тех пор, пока не зарядится времязадающий конденсатор С до напряжения 2/3Uпит. Диаграммы работы одновибратора показаны на рисунке 4. Для формирования импульса запуска работы микросхемы можно воспользоваться механической кнопкой (рисунок 5) или полупроводниковым элементом.
Рисунок 4
Рисунок 5
Назначение схемы одновибратора на базе микросхемы интегрального таймера NE555 – создание временных выдержек от нескольких миллисекунд до нескольких часов.
2 Генераторы на базе интегрального таймера NE555
Генератор на базе NE555 способен вырабатывать импульсы с максимальной частотой в несколько килогерц для прямоугольных импульсов и с частотой в несколько мегагерц для импульсов не прямоугольной формы. Частота, как и в случае с одновибратором, будет определяться параметрами времязадающей цепи.
2.1 Генератор импульсов формы меандр на базе NE555
Схема такого генератора представлена на рисунке 6, а временные диаграммы работы генератора на рисунке 7. Отличительной особенностью генератора импульсов формы меандр является то, что время импульса и время паузы равны между собой.
Рисунок 6
Рисунок 7
Принцип действия схемы аналогичен схеме одновибратора. Исключение составляет лишь отсутствующий импульс запуска работы микросхемы таймера на выводе 2. Частота вырабатываемых импульсов определяется выражением f = 0,722/(R1*C1).
2.2 Генератор импульсов с регулируемой скважностью на базе NE555
Регулирование скважности вырабатываемых импульсов позволяет строить на базе NE555 широтно-импульсные генераторы. Скважность определяется отношением времени импульса к длительности импульса. Обратной величиной скважности является коэффициент заполнения (англ. Duty cycle). Схема генератора импульсов с регулируемой скважностью на базе NE555 представлена на рисунке 8.
Рисунок 8
Принцип работы схемы: время импульса и время паузы определяется временем заряда конденсатора С1. Сигнал высокого уровня формируется при заряде С1 по цепи R1-RP1-VD1. При достижении напряжения 2/3Uпит таймер переключается и конденсатор С1 разряжается по цепи VD2-RP1-R1. По достижению 1/3Uпит таймер снова переключается и цикл повторяется.
Регулировка времени заряда и разряда конденсатора С1 осуществляется переменным резистором RP1. При этом происходит изменение скважности выходных импульсов при постоянном периоде следования импульса.
Для проверки работоспособности микросхемы интегрального таймера NE555 можно собрать схему, представленную на рисунке 9 (схема в симуляторе Multisim).
Рисунок 9
Регулировка выходного напряжения осуществляется переменным резистором R1. На приведенной схеме достаточно просто разобраться в алгоритме работы таймера. При величине питающего напряжения 12В опорное значение напряжения для переключения микросхемы составляет 4В и 8В. При напряжении 7,8В (Рисунок 10) на выходе таймера – высокий уровень сигнала (светодиод LED1 не горит). При достижении 8В (рисунок 11) произойдет переключение микросхемы – загорается светодиод LED1. Дальнейшее увеличение напряжение никаких изменений в работе таймера не вызовет.
Электрический импульс — это кратковременный всплеск напряжения или силы тока. То есть это такое событие в цепи, при котором напряжение резко повышается в несколько раз, а затем так же резко падает к исходной величине. Самый понятный пример — электрический импульс, заставляющий наше сердце биться. Самое же большое количество импульсов возникает у нас в нервных клетках головного и спинного мозга. Мы мыслим и решаем уроки благодаря электрическим импульсам! А что в электронике? В электронике импульсы применяются повсеместно. Например, в микроконтроллерах или даже в полноценных процессорах домашнего компьютера электрические импульсы задают ритм его работы. Они еще называются тактовыми, или синхро-импульсами. Порой быстродействие вычислительных машин сравнивают именно при помощи значений тактовой частоты. Все данные внутри электронных устройств тоже передаются при помощи импульсов. Наш интернет, проводной и беспроводной, сотовая связь и даже пульт от телевизора — все используют импульсный сигнал. Попробуем выполнить несколько заданий и на собственном опыте понять особенности генерации электрических импульсов. А начнем мы со знакомства с их важными характеристиками.
1. Период и скважность импульсного сигнала
Представим себе, что мы готовимся к встрече Нового Года и нам просто необходимо сделать мигающую гирлянду. Поскольку мы не знаем, как заставить её мигать самостоятельно, сделаем гирлянду с кнопкой. Будем сами нажимать на кнопку, соединяя тем самым цепь гирлянды с источником питания и заставляя лампочки зажигаться. Принципиальная схема гирлянды с ручным управлением будет выглядеть так:Внешний вид макет
Собираем схему и проводим небольшой тест. Попробуем управлять гирляндой согласно нехитрому алгоритму:
- нажимаем на кнопку;
- ждем 1 секунду;
- отпускаем кнопку;
- ждем 2 секунды;
- переходим к пункту 1.
У данного сигнала мы можем определить период повторения и частоту. Период повторения (T)
— это отрезок времени, за который гирлянда возвращается в исходное состояние. На рисунке хорошо виден этот отрезок, он равен трем секундам. Величина обратная периоду повторения называется частотой периодического сигнала (F)
. Частота сигнала измеряется в Герцах. В нашем случае:
F = 1/T = 1/3 = 0.33 Гц
Период повторения можно разбить на две части: когда гирлянда горит и когда она не горит. Отрезок времени, в течение которого гирлянда горит называется длительностью импульса (t)
.
А теперь самое интересное! Отношение периода повторения (T) к длительности импульса (t) называется скважностью
.
S = T / t
Скважность нашего сигнала равна S = 3/1 = 3.
Скважность величина безразмерная.
В англоязычной литературе принят другой термин — коэффициент заполнения (Duty cycle)
. Это величина, обратная скважности.
D = 1 / S = t / T
В случае нашей гирлянды коэффициент заполнения равен:
D = 1 / 3 = 0.33(3) ≈ 33%
Этот параметр более нагляден. D = 33% означает, что треть периода занята импульсом. А, например, при D = 50% длительность высокого уровня сигнала на выходе таймера будет равна длительности низкого уровня.
2. Генерация импульсного сигнала при помощи микросхемы 555
Теперь попробуем заменить человека и кнопку, ведь мы не хотим весь праздник включать и выключать гирлянду каждые 3 секунды. В качестве автоматического генератора импульсов используем очень известную микросхему семейства 555. Микросхема 555 — это генератор одиночных или периодических импульсов с заданными характеристиками. По-другому данный класс микросхем называют таймерами. Существуют разные модификации таймера 555, разработанные разными компаниями: КР1006ВИ1, NE555, TLC555, TLC551, LMC555. Как правило, все они имеют одинаковый набор выводов.
Также производители выделяют два режима работы таймера: одновибратор и мультивибратор. Нам подойдет второй режим, именно в нем таймер будет непрерывно генерировать импульсы с заданными параметрами.
Для примера, подключим к таймеру 555 один светодиод. Причем, используем вариант, когда положительный вывод светодиода соединяется с питанием, а земля к таймеру. Позже будет понятно, почему мы делаем именно так.
Принципиальная схема
Внешний вид макета
Примечание.
Конденсатор C2 в схеме можно не использовать.
В этой схеме есть три компонента без номиналов: резисторы Ra и Rb, а также конденсатор C1 (далее просто C). Дело в том, что именно с помощью этих элементов настраиваются нужные нам характеристики генерируемого импульсного сигнала. Делается это с помощью несложных формул, взятых из технической документации к микросхеме.
T = 1/F = 0.693*(Ra + 2*Rb)*C; (1)
t = 0.693*(Ra + Rb)*C; (2)
Ra = T*1.44*(2*D-1)/C; (3)
Rb = T*1.44*(1-D)/C. (4)
Здесь F — частота сигнала; T — период импульса; t — его длительность; Ra и Rb — искомые сопротивления. Исходя из этих формул, коэффициент заполнения не может быть меньше 50% (иначе мы получим отрицательное значение сопротивления). Вот это новость! А что же нам делать с гирляндой? Ведь согласно нашей постановке, коэффициент заполнения импульсного сигнала должен быть непременно 33%.
Чтобы обойти это ограничение имеется два способа. Первый способ заключается в использовании другой схемы подключения таймера. Существуют более сложные схемы, которые позволяют варьировать параметр D во всем диапазоне от 0 до 100%. Второй способ не требует переделки схемы. Мы просто-напросто инвертируем выход таймера!
Собственно, в предложенной выше схеме мы это уже и сделали. Вспомним, что катод светодиода мы соединили с выводом таймера. В этой схеме светодиод будет гореть, когда на выходе таймера будет низкий уровень.
Раз так, то нам нужно настроить сопротивления Ra и Rb схемы так, чтобы коэффициент заполнения D был равен 66.6%. Учитывая, что T = 3 сек, а D = 0.66, получаем:
Ra = 3*1.44*(2*0.66 — 1)/0.0001 = 13824 Ом
Rb = 3*1.44*(1-D)/0.0001 = 14688 Ом
На самом деле, если мы будет использовать более точные значения D, то получим Ra = Rb = 14400 Ом. Вряд ли мы найдем резистор с таким номиналом. Скорее всего нам потребуется поставить последовательно несколько резисторов, например: один резистор на 10 КОм и 4 штуки на 1 КОм. Для большей точности можем добавить еще два резистора по 200 Ом.
В результате должно получиться что-то подобное:
В этой схеме используются резисторы на 15 КОм.
3. Подключение группы светодиодов к таймеру 555
Теперь, когда мы научились задавать нужный ритм, соберем небольшую гирлянду. В новой схеме пять светодиодов будут включаться на 0.5 сек каждую секунду. Для такого ритма Ra = 0, Rb = 7.2 кОм. То есть, вместо резистора Ra мы можем поставить перемычку. Выход микросхемы 555 слишком слабый для того, чтобы одновременно зажечь 5 светодиодов. А ведь в настоящей гирлянде их может быть штук 15, 20 и более. Чтобы решить эту проблему, используем биполярный транзистор, работающий с режиме электронного ключа. Возьмем самый распространенный NPN транзистор 2N2222. Также в этой схеме можно использовать полевой N-канальный транзистор, например 2N7000. Нашим светодиодам потребуется токозадающий резистор. Суммарный ток пяти параллельно соединенных светодиодов должен быть равен I = 20 мА*5 = 100 мА. Напряжение питания всей схемы 9 Вольт. На светодиоде красного цвета напряжение падает на 2 Вольта. Таким образом закон ома на данном участке цепи имеет вид: 100 мА = (9В-2В)/R; отсюда R2 = 7В/0.1А = 70 Ом. Округлим сопротивление до 100 Ом, которое можно получить параллельным соединением двух резисторов на 200Ом. А можно и вовсе оставить один резистор на 200Ом, просто светодиоды будут гореть немного тусклее.Принципиальная схема
Внешний вид макета
Примечание.
Конденсатор C2 в схеме можно не использовать.
Собираем схему, подключаем батарейку и наблюдаем за результатом. Если все работает как надо, закрепим полученные знания, сделав несколько забавных устройств.
Задания
- Генератор звука. В схеме гирлянды заменить группу светодиодов на пьезодинамик. Увеличить частоту звука, например, до 100 Гц. Если поднять частоту до 15 кГц, то можно будет отпугивать комаров!
- Железнодорожный светофор. Подключить к таймеру два светодиода таким образом, чтобы один соединялся с таймером катодом, а второй анодом. Установить частоту импульсов — 1 Гц.
Заключение
Как уже говорилось, таймер 555 — очень популярная микросхема. Это объясняется тем, что большинству электронных устройств свойственны периодические процессы. Любой звук — это периодический процесс. ШИМ сигнал, управляющий скоростью двигателя — тоже периодический, причем с изменяющимся коэффициентом заполнения. И как уже говорилось, работа любого микроконтроллера и процессора основана на тактовом сигнале, имеющем очень точную частоту. На следующем уроке мы сделаем бинарные часы с помощью таймера и двоичного счетчика. Будет немного сложнее, но интереснее!Как-то попросили меня сделать простую мигалку, чтоб реле управлять или маломощной лампочкой мигать. Собирать простейший мультивибратор, будь то симметричный или не симметричный, как-то банально, да и схема нестабильна и не совсем надежна, при том что работать она должна при напряжение 24 вольта в грузовом автомобиле, да и еще размеры иметь не слишком большие.
Схема
Поискав по сети схемы, решил по даташиту включить популярную микросхему NE555N. Прецизионный таймер, стоимость которого очень мала - порядка 10 рубликов за микросхему в дип корпусе! Но так как нагрузка у нас не совсем слабая, и может потребоваться большие токи относительно питания таймера, то нам нужен какой-то ключ, которым и будет управлять сам таймер.
Можно взять обычный транзистор, но он будет греться ввиду больших потерь из-за больших падений на переходах - поэтому взял высоковольтный полевой транзистор на несколько ампер тока, такому ключу при токе даже в 2 ампера не потребуется радиатор вообще.
Сам таймер 555 имеет ограничения в питающем напряжение - порядка 18 вольт, хотя уже и при 15 может смело вылететь, поэтому собираем цепочку из ограничительного резистора и стабилитрона с фильтрующим конденсатором по входу питания!
В схему введен регулятор, дабы можно было вращая ручку регулятора изменить частоту импульсов вспышки лампочки или срабатывания реле. Если же регулировка не требуется, можно подстроить частоту на нужные, замерить сопротивление и впаять потом готовое. На приведённой выше - сразу 2 регулятора, которыми меняется скважность (отношение включенного состояния выхода к выключенному). Если требуется соотношение 1:1 - убираем всё кроме одного переменного резистора.
Видео
Часть элементов выполнено в дип корпусах, часть в смд - для компактности и лучшей компоновки в целом. Схема генератора импульсов заработала после включения практически сразу, осталось только подстроить под нужную частоту. Плату желательно залить термоклеем или поставить в корпус из пластика, дабы автовладельцы не догадались ее прикрутить напрямую к корпусу или положить на что-то металлическое.
Микросхема интегрального таймера 555 была разработана 44 года назад, в 1971 году и до сих пор популярна. Пожалуй, ещё ни одна микросхема так долго не служила людям. Чего только на ней не собирали, даже поговаривают, что номер 555 - это число вариантов её применения:) Одно из классических применений 555 таймера - регулируемый генератор прямоугольных импульсов.
В этом обзоре будет описание генератора, конкретное применение будет в следующий раз.
Плату прислали запечатанной в антистатический пакетик, но микросхема очень дубовая и статикой её так просто не убить.
Качество монтажа нормальное, флюс не отмыт
Схема генератора стандартная для получения скважности импульсов ≤2
Красный светодиод подключен на выход генератора и при малой выходной частоте - мигает.
По китайской традиции, производитель забыл поставить ограничивающий резистор последовательно с верхним подстроечником. По спецификации, он должен быть не менее 1кОм, чтобы не перегружать внутренний ключ микросхемы, однако, реально схема работает и при меньшем сопротивлении - вплоть до 200 Ом, при котором происходит срыв генерации. Добавить ограничивающий резистор на плату затруднительно из-за особенности разводки печатной платы.
Диапазон рабочих частот выбирается установленной перемычной в одной из четырёх позиций
Частоты продавец указал неверно.
Реально измеренные частоты генератора при питающем напряжении 12В
1 - от 0,5Гц до 50Гц
2 - от 35Гц до 3,5kГц
3 - от 650Гц до 65кГц
4 - от 50кГц до 600кГц
Нижний резистор (по схеме) задаёт длительность паузы импульса, верхний резистор задаёт период следования импульсов.
Напряжение питания 4,5-16В, максимальная нагрузка на выходе - 200мА
Стабильность выходных импульсов на 2 и 3 диапазонах невысока из-за применения конденсаторов из сегнетоэлектрической керамики типа Y5V - частота сильно уползает не только при изменении температуры, но даже при изменении питающего напряжения (причём в разы). Рисовать графики не стал, просто поверьте на слово.
На остальных диапазонах стабильность импульсов приемлемая.
Вот что он выдаёт на 1 диапазоне
На максимальном сопротивлении подстроечников
В режиме меандр (верхний 300 Ом, нижний на максимуме)
В режиме максимальной частоты (верхний 300 Ом, нижний на минимум)
В режиме минимальной скважности импульсов (верхний подстроечник на максимуме, нижний на минимуме)
Для китайских производителей: добавьте ограничивающий резистор 300-390 Ом, замените керамический конденсатор 6,8мкФ на электролитический 2,2мкФ/50В, и замените конденсатор 0,1мкФ Y5V на более качественный 47нФ X5R (X7R)
Вот готовая доработанная схема
Себе генератор не переделывал, т.к. указанные недостатки для моего применения не критичны.
Вывод: полезность устройства выясняется, когда какая-либо Ваша самоделка потребует подать на неё импульсы:)
Продолжение следует…
Простые генераторы можно создать на базе таймеров 555 или 556, их применение очень широко: звуковые сигнализаторы, сирены, генераторы для проведения измерений и так далее…
На рисунке 1 показана схема простого акустического генератора со звуковым динамиком, на рисунке 2 аналогичная схема но с использованием пьезоэлектрического звукового преобразователя. Далее на рисунке 3 показана схема генератора с универсальным выходом, например для проведения измерений или тестирования усилителей.
Частота генератора зависит от величины сопротивлений R1 R2 и емкости С1 (см рисунок без номера).
На рисунке 4 показана схема 2-х тонального генератора, первая часть схемы такого генератора управляет работой второй части. частота сигнала первой части схемы должна быть намного меньше (сигнал модуляции) второй части (модулируемый сигнал).
Схема электронной сирены показана на рисунке 5. С выхода двухтонального генератора на NE555 сигнал поступает на усилитель собранный на двух транзисторах. Схема имеет как внутренний запуск так и внешний.
- Похожие статьи
Войти с помощью:
Случайные статьи
- 04.10.2014
MSK5012 является высоконадежным регулирятором напряжения. Выходное напряжение может быть установлено с помощью двух резисторов. Регулятор имеет очень низкий уровень падения напряжения(0,45В на 10 А). MSK5012 имеет высокий уровень точности и стабильности выходного напряжения. Микросхема доступна в 5 pin корпусе, выводы электрически изолированны от корпуса микросхемы. Это дает нам свободу для …
- 16.11.2014
Диапазоны длин волн (частот) для радиовещания. Диапазоны частот для радиовещания, принятые в России Общее название Диапазон частот Обозначение Модуляция Стандарт стереовещания рус. англ. Длинные волны 148,5-283,5 кГц ДВ LW АМ, DRM DRM Средние волны 526,5-1606,5 кГц СВ MW АМ, DRM DRM Короткие волны 3,95-4,00 МГц КВ-1 (75 м) SW (75 …
