Генератор – пешка на цифровой шахматной доске

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:

1. Не стоит уповать на данную схему если вам требуется высокая стабильность в приборе, в котором присутствует высокие ЭМ помехи.
2. Номиналы резисторов R1 и R4 подбирать таким образом, чтобы их значение было не менее: , где  – напряжение питания, а  – максимальный выходной ток.
3. Высокие частоты (все в этом мире относительно, поэтому условимся, что средние частоты это частоты выше 3 МГц) получить не получиться.

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 радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Генератор
• Sprint-Layout