Circuit de générateur de fonction utilisant un seul IC 4049

Dans cet article, nous allons apprendre à construire 3 circuits de générateur de fonctions simples à l'aide d'un seul IC 4049, pour générer des ondes carrées, triangulaires et sinusoïdales précises grâce à des opérations de commutation faciles.

En utilisant un seul low-cost CMOS IC 4049 et une poignée de modules séparés, il est facile de créer un générateur de fonctions robuste qui fournira une gamme de trois formes d'onde autour et au-delà du spectre audio.

Le but de cet article était de créer un générateur de fréquence open source basique, rentable, facile à construire et à utiliser par tous les amateurs et professionnels de laboratoire.

Cet objectif a sans aucun doute été atteint, car le circuit fournit une variété de formes d'onde sinusoïdales, carrées et triangulaires et un spectre de fréquences d'environ 12 Hz à 70 KHz utilise un seul circuit intégré d'inverseur hexadécimal CMOS et quelques éléments séparés.

Sans aucun doute, l'architecture peut ne pas offrir l'efficacité des circuits plus avancés, en particulier en termes de cohérence de forme d'onde à des fréquences accrues, mais c'est néanmoins un instrument incroyablement pratique pour l'analyse audio.

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Diagramme

Les bases de fonctionnement du circuit à partir du schéma fonctionnel ci-dessus. La section principale du générateur de fonctions est un générateur triangle / onde carrée qui se compose d'un intégrateur et d'un déclencheur Schmit.

Une fois que la sortie du déclencheur de Schmitt est élevée, le retour de tension de la sortie de Schmitt à l'entrée de l'intégrateur permet à la sortie de l'intégrateur de monter en rampe négative avant de dépasser le niveau de sortie inférieur du déclencheur de Schmitt.

À ce stade, la sortie du déclencheur de Schmitt est lente, de sorte que la petite tension renvoyée à l'entrée de l'intégrateur lui permet de monter en puissance avant que le niveau de déclenchement supérieur du déclencheur de Schmitt ne soit atteint.

La sortie du déclencheur de Schmitt devient à nouveau élevée, et la sortie de l'intégrateur pointe à nouveau négative, et ainsi de suite.

Les balayages positifs et négatifs de la sortie de l'intégrateur représentent une forme d'onde triangulaire dont l'amplitude est calculée par l'hystérésis du déclencheur de Schmitt (c'est-à-dire la différence entre les limites de déclenchement haute et basse).

La production de déclencheurs de Schmitt est, naturellement, une onde carrée composée d'états de sortie alternés haut et bas.

La sortie du triangle est fournie à un façonneur de diode via un amplificateur tampon, qui arrondit les hauts et les bas du triangle pour créer une approximation d'un signal sinusoïdal.

Ensuite, chacune des 3 formes d'onde peut être choisie par un sélecteur à 3 voies S2 et fournie à un amplificateur tampon de sortie.

Comment fonctionne le circuit

Le schéma de circuit complet du générateur de fonctions CMOS comme indiqué dans la figure ci-dessus. L'intégrateur est entièrement construit à l'aide d'un inverseur CMOS, Nl, tandis que le mécanisme de Schmitt incorpore 2 inverseurs à rétroaction positive. C'est N2 et N3.

L'image suivante montre les détails de brochage de l'IC 4049 à appliquer dans le schéma ci-dessus

Le circuit fonctionne de cette façon en considérant, pour le moment, que l'essuie-glace P2 est à son emplacement le plus bas, la sortie N3 étant élevée, un courant équivalent à:

Ub - U1 / P1 + R1

se déplace via R1 et p1, où Ub indique la tension d'alimentation et Ut la tension de seuil N1.

Du fait que ce courant ne peut pas se déplacer dans l'entrée haute impédance de l'onduleur, il commence à se déplacer vers C1 / C2 en fonction du condensateur basculé en ligne par le commutateur S1.

La chute de tension sur Cl diminue ainsi linéairement de sorte que la tension de sortie de N1 augmente linéairement avant que la tension de seuil inférieure du déclencheur de Schmitt ne soit approchée juste au moment où la sortie du déclencheur de Schmitt devient basse.

Maintenant un équivalent actuel de -Out / P1 + R1 traverse à la fois R1 et P1.

Ce courant circule toujours à travers C1, de sorte que la tension de sortie de N1 augmente de manière exponentielle jusqu'à ce que la tension limite maximale du déclencheur de Schmitt soit atteinte, la sortie du déclencheur de Schmitt augmente et le cycle entier recommence.

Pour maintenir la symétrie de l'onde triangulaire (c'est-à-dire la même pente pour les parties positive et négative de la forme d'onde), les courants de charge et de décharge du condensateur doivent être identiques, ce qui signifie que Uj, -Ui doit être identique à Ut.

Cependant, malheureusement, Ut étant décidé par les paramètres de l'onduleur CMOS, est normalement de 55%! La tension source Ub = Ut est d'environ 2,7 V avec 6 V et Ut d'environ 3,3 V.

Ce défi est surmonté avec P2 qui nécessite une modification de la symétrie. Pour le moment, considérez que thai R-est lié à la ligne d'alimentation positive (position A).

Quel que soit le réglage de P2, la tension de sortie élevée du déclencheur de Schmitt reste toujours 11.

Néanmoins, lorsque la sortie N3 est faible, R4 et P2 établissent un diviseur de potentiel tel que, sur la base de la configuration de l'essuie-glace de P2, une tension comprise entre 0 V et 3 V puisse être renvoyée dans P1.

Cela garantit que la tension n'est plus -Ut mais Up2-Ut. Dans le cas où la tension du curseur P2 est d'environ 0,6 V, Up2-Ut devrait être d'environ -2,7 V, donc les courants de charge et de décharge seraient identiques.

De toute évidence, en raison de la tolérance de la valeur de Ut, l'ajustement P2 doit être effectué pour correspondre au générateur de fonction spécifique.

Dans les situations où Ut est inférieur à 50 pour cent de la tension d'entrée, la connexion du haut de R4 à la terre (position B) peut être appropriée.

Quelques échelles de fréquence peuvent être trouvées, qui seront attribuées en utilisant S1 12 Hz-1 kHz et 1 kHz à environ 70 kHz.

Le contrôle de fréquence granulaire est donné par P1 qui modifie le courant de charge et de décharge de C1 ou C2 et donc la fréquence à laquelle l'intégrateur monte et descend.

La sortie en onde carrée de N3 est envoyée à un amplificateur tampon via un sélecteur de forme d'onde, S2, qui comprend un couple d'inverseurs polarisés comme un amplificateur linéaire (connectés en parallèle pour améliorer leur efficacité de courant de sortie).

La sortie d'onde triangulaire est fournie par un amplificateur tampon N4 et de là par le sélecteur vers la sortie de l'amplificateur tampon.

En outre, la sortie du triangle de N4 est ajoutée au shaper sinusoïdal, constitué de R9, R11, C3, Dl et D2.

D1 et D2 tirent peu de courant jusqu'à environ +/- 0,5 volts, mais leur résistance diversifiée chute au-delà de cette tension et limite logarithmiquement les hauts et les bas de l'impulsion triangulaire pour créer un équivalent à une onde sinusoïdale.

La sortie sinusoïdale est transmise à l'amplificateur de sortie via C5 et R10.

P4, qui fait varier le gain de N4 et donc l'amplitude de l'impulsion triangulaire fournie au shaper sinus, modifie la transparence sinusale.

Un niveau de signal trop bas, et l'amplitude du triangle serait inférieure à la tension de seuil de la diode, et il se déroulera sans altération, et un niveau de signal trop élevé, les hauts et les bas seraient fortement écrêtés, fournissant ainsi pas bien formé une onde sinusoïdale.

Les résistances d'entrée de l'amplificateur tampon de sortie sont choisies de telle sorte que les trois formes d'onde aient une tension de sortie nominale crête à minimum d'environ 1,2 V. Le niveau de sortie pourrait être modifié via P3.

Procédure de configuration

La méthode d'ajustement consiste simplement à modifier la symétrie du triangle et la pureté de l'onde sinusoïdale.

De plus, la symétrie du triangle est idéalement optimisée en examinant l'entrée d'onde carrée, car un triangle symétrique est produit si le rapport cyclique d'onde carrée est de 50% (espace de marque 1-1).

Pour ce faire, vous devrez ajuster le préréglage P2.

Dans une situation où la symétrie augmente lorsque l'essuie-glace P2 est abaissé vers la sortie N3 mais où une symétrie correcte n'a pas pu être obtenue, la partie supérieure de R4 doit être jointe dans la position alternative.

La pureté de l'onde sinusoïdale est modifiée en ajustant P4 jusqu'à ce que la forme d'onde `` semble parfaite '' ou en variant pour une distorsion minimale uniquement s'il y a un compteur de distorsion à vérifier.

Comme la tension d'alimentation affecte la tension de sortie des différentes formes d'onde, et donc la pureté du sinus, le circuit doit être alimenté par une alimentation 6 V robuste.

Lorsque les batteries sont utilisées comme batteries d'alimentation, elles ne doivent jamais être forcées de fonctionner trop vers le bas.

Les circuits intégrés CMOS utilisés comme circuits linéaires absorbent un courant plus élevé qu'en mode de commutation habituel, et par conséquent la tension d'alimentation ne doit pas dépasser 6 V, sinon le circuit intégré peut chauffer en raison d'une forte dissipation thermique.

Un autre excellent moyen de construire un circuit générateur de fonctions peut être via l'IC 8038, comme expliqué ci-dessous

Circuit de générateur de fonction utilisant IC 8038

L'IC 8038 est un circuit intégré générateur de formes d'onde de précision spécialement conçu pour créer des formes d'onde de sortie sinusoïdales, carrées et triangulaires, en incorporant le moins de composants électroniques et de manipulations.

Sa gamme de fréquences de travail pourrait être déterminée par 8 échelons de fréquence, à partir de 0,001 Hz à 300 kHz, grâce à la sélection appropriée des éléments R-C attachés.

La fréquence oscillatoire est extrêmement stable quelles que soient les fluctuations de température ou de tension d'alimentation sur une large plage.

De plus, le générateur de fonctions IC 8038 offre une plage de fréquences de travail allant jusqu'à 1 MHz. Les trois sorties de forme d'onde fondamentale, sinusoïdale, triangulaire et carrée, peuvent être accédées en même temps via des ports de sortie individuels du circuit.

La gamme de fréquences du 8038 peut être modifiée par une alimentation en tension externe, bien que la réponse puisse ne pas être très linéaire. Le générateur de fonctions proposé fournit également une symétrie triangulaire réglable et un niveau de distorsion sinusoïdale réglable.

Générateur de fonctions utilisant IC 741

Ce circuit générateur de fonctions basé sur IC 741 offre une polyvalence de test accrue par rapport au générateur de signal sinusoïdal typique, donnant des ondes carrées et triangulaires de 1 kHz ensemble, et il est à la fois peu coûteux et très simple à construire. Comme il apparaît, la sortie est d'environ 3 V ptp sur une onde carrée et 2 V r.m.s. dans l'onde sinusoïdale. Un atténuateur commuté peut être rapidement inclus si vous voulez être plus doux avec le circuit testé.

Comment assembler

Commencez à remplir les pièces sur le PCB comme indiqué dans le schéma de disposition des composants et assurez-vous d'insérer correctement la polarité du zener, des électrolytiques et des circuits intégrés.

Comment mettre en place

Pour configurer le circuit du générateur de fonctions simples, ajustez simplement RV1 jusqu'à ce que la forme d'onde sinusoïdale soit légèrement sous le niveau d'écrêtage. Cela vous fournit l'onde sinusoïdale la plus efficace à travers l'oscillateur. Le carré et le triangle ne nécessitent aucun réglage ou configuration spécifique.

Comment ça fonctionne

1. Dans ce circuit générateur de fonctions IC 741, l'IC1 est configuré sous la forme d'un oscillateur à pont de Wien, fonctionnant à une fréquence de 1 kHz.
2. Le contrôle d'amplitude est assuré par les diodes D1 et D2. La sortie de ce circuit intégré est dirigée soit vers la prise de sortie, soit vers le circuit de mise au carré.
3. Ceci est connecté à SW1a au moyen de C4 et c'est un déclencheur de Schmidt (Q1 -Q2). Le zener ZD1 fonctionne comme un déclencheur «sans hystérésis».
4. L'intégrateur IC2, C5 et R10 génère l'onde triangulaire à partir de l'onde carrée d'entrée.

Générateur de fonctions UJT simple

Le oscillateur unijonction illustré ci-dessous, est parmi les générateurs en dents de scie les plus faciles. Les deux sorties de celui-ci donnent, à savoir, une forme d'onde en dents de scie et une séquence d'impulsions de déclenchement. L'onde monte d'environ 2V (le point de la vallée, Vv) au pic maximum (Vp). Le point de crête dépend de l'alimentation Vs et du rapport BJT à distance, qui peut aller d'environ 0,56 à 0,75, 0,6 étant une valeur commune. La période d'une oscillation est à peu près:

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

où «1n» indique l’utilisation du logarithme naturel. Compte tenu des valeurs standard, Vs = 6, Vv = 2 et le = 0,6, l'équation ci-dessus se simplifie en:

t = RC x 1n (0,6)

Puisque la charge du condensateur est incrémentale, la pente croissante de la dent de scie n'est pas linéaire. Pour de nombreuses applications audio, cela n'a guère d'importance. La figure (b) montre le condensateur de charge via un circuit à courant constant. Cela permet à la pente de monter tout droit.

Le taux de charge du condensateur est maintenant constant, indépendant de Vs, bien que Vs influence toujours le point de crête. Puisque le courant dépend du gain du transistor, il n'y a pas de formule simple pour la mesure de fréquence. Ce circuit est conçu pour fonctionner avec des basses fréquences et a des implémentations en tant que générateur de rampe.

Utilisation d'amplis op LF353

Deux amplis op sont utilisés pour construire un circuit générateur d'onde carrée et d'onde triangulaire précis. L'ensemble LF353 comprend deux amplis op JFET qui conviennent le mieux à cette application.

Les fréquences du signal de sortie sont calculées par la formule f = 1 / RC . Le circuit présente une plage de fonctionnement extrêmement large avec pratiquement aucune distorsion.

R peut avoir n'importe quelle valeur entre 330 Ohm et environ 4,7 M C peut être de n'importe quelle valeur d'environ 220pF à 2uF.

Tout comme le concept ci-dessus, deux amplis op sont utilisés dans le suivant onde sinusoïdale une onde cosinus circuit de générateur de fonction.

Ils génèrent des signaux sinusoïdaux de fréquence presque identiques mais déphasés de 90 °, et par conséquent, la sortie du deuxième ampli opérationnel est appelée onde cosinus.

La fréquence est affectée par la collecte des valeurs R et C acceptables. R est compris entre 220k et 10 M C est compris entre 39pF et 22nF. La connexion entre R, C et / ou est un peu complexe, car elle doit refléter les valeurs d'autres résistances et condensateurs.

Utilisez R = 220k et C = 18nF comme point initial qui fournit une fréquence de 250Hz. Les diodes Zener peuvent être des diodes de sortie de faible puissance de 3,9 V ou 4,7 V.

Générateur de fonctions utilisant TTL IC

Quelques portes d'un 7400 porte NAND quadruple à deux entrées constitue le circuit oscillateur proprement dit pour ce circuit générateur de fonctions TTL. Le cristal et un condensateur ajustable fonctionnent comme le système de rétroaction entre l'entrée de la porte U1-a et la sortie de la porte U1-b. La porte U1-c fonctionne comme un tampon entre l'étage d'oscillateur et l'étage de sortie, U1-d.

Le commutateur S1 agit comme une commande de porte commutable manuellement pour activer / désactiver la sortie d'onde carrée de U1-d à la broche 11. Avec S1 ouvert, comme indiqué, l'onde carrée est générée à la sortie, et une fois fermée, la forme d'onde equare est désactivée.

Le commutateur pourrait être remplacé par une porte logique pour commander numériquement la sortie. Une onde sinusoïdale crête à crête presque idéale de 6 à 8 volts est créée au point de connexion de C1 et XTAL1.

L'impédance sur cette jonction est très élevée et ne permet pas de fournir un signal de sortie direct. Le transistor Q1, configuré comme un amplificateur émetteur-suiveur, fournit une impédance d'entrée élevée au signal sinusoïdal et une faible impédance de sortie à une charge extérieure.

Le circuit montera presque tous les types de cristaux et fonctionnera avec des fréquences de cristal de moins de 1 MHz à plus de 10 MHz.

Comment configurer

La configuration de ce circuit générateur de fonctions TTL simple peut être rapidement lancée avec les points suivants.

Si un oscilloscope est disponible avec vous, connectez-le à la sortie carrée de U1-d sur la broche 11 et positionnez C1 au centre de la plage qui fournit la forme d'onde de sortie la plus efficace.

Ensuite, observez la sortie sinusoïdale et ajustez C2 pour obtenir la forme d'onde la plus fine. Revenez au bouton de commande C1 et ajustez-le un peu d'avant en arrière jusqu'à ce que la sortie sinusoïdale la plus saine soit obtenue sur l'écran de l'oscilloscope.

Liste des pièces

RÉSISTANCES
(Toutes les résistances sont des unités -watt, 5%.)
RI, R2 = 560 ohms
R3 = 100 000
R4 = 1k

Semi-conducteurs
U1 = IC 7400
Q1 = transistor silicium NPN 2N3904

Condensateurs
C1, C2 = 50 pF, condensateur de réglage
C3, C4 = 0,1 uF, condensateur à disque céramique

Divers
S1 = interrupteur à bascule SPST
XTAL1 = N'importe quel cristal (voir texte)

Meilleur circuit de forme d'onde sinusoïdale contrôlé par cristal

Le générateur de forme d'onde suivant est un circuit oscillateur à cristal à deux transistors qui fonctionne superbement, bon marché à construire et ne nécessite aucune bobine ou self. Le prix dépend principalement du cristal utilisé, car le coût global des autres éléments doit être à peine de quelques dollars. Le transistor Q1 et les différentes parties adjacentes forment le circuit oscillateur.

Le trajet de masse pour le cristal est dirigé au moyen de C6, R7 et C4. Dans la jonction C6 et R7, qui est une position d'impédance assez petite, le RF est appliqué à un amplificateur émetteur-suiveur, Q2.

La forme d'onde à la jonction C6 / R7 est vraiment une onde sinusoïdale presque parfaite. La sortie, au niveau de l'émetteur de Q2, varie en amplitude d'environ 2 à 6 volts crête à crête, sur la base du facteur Q du cristal et des valeurs des condensateurs C1 et C2.

Les valeurs C1 et C2 décident de la gamme de fréquences du circuit. Pour les fréquences cristallines inférieures à 1 MHz, C1 et C2 devraient être de 2700 pF (0,0027 p, F). Pour les fréquences comprises entre 1 MHz et 5 MHz, il peut s'agir de condensateurs de 680 pF et de 5 MHz et 20 MHz. vous pouvez appliquer des condensateurs de 200 pF.

Vous pouvez éventuellement essayer de tester avec les valeurs de ces condensateurs pour obtenir la meilleure sortie d'onde sinusoïdale. De plus, l'ajustement du condensateur C6 peut avoir un effet sur les deux niveaux de sortie et la forme générale de la forme d'onde.

Liste des pièces

RÉSISTANCES
(Toutes les résistances sont des unités -watt, 5%.)
R1-R5-1k
R6-27k
R7-270 ohms
R8-100k
CONDENSATEURS
C1, C2 — Voir le texte
C3, C5-0.1-p.F, disque céramique
C6-10 pF à 100 pF, taille-bordures
SEMI-CONDUCTEURS
Q1, Q2-2N3904
XTAL1: voir le texte

Circuit de générateur en dents de scie

Dans le circuit générateur en dents de scie, les parties Q1, D1-D3, R1, R2 et R7 sont configurées comme un simple circuit générateur à courant constant qui charge le condensateur C1 avec un courant constant. Ce courant de charge constant crée une tension linéaire croissante sur C1.

Les transistors Q2 et Q3 sont montés comme une paire Darlington pour pousser la tension à travers C1, vers la sortie sans effet de charge ou de distorsion.

Dès que la tension autour de C1 augmente jusqu'à environ 70% de la tension d'alimentation, la porte U1-a s'active, déclenchant la sortie U1-b pour qu'elle passe à l'état haut et allume brièvement Q4 qui continue d'être allumé pendant que le condensateur C1 se décharge.

Cela termine un seul cycle et lance le suivant. La fréquence de sortie du circuit est régie par R7, qui fournit une fréquence basse d'environ 30 Hz et une fréquence supérieure d'environ 3,3 kHz.

La gamme de fréquences pourrait être augmentée en diminuant la valeur de C1 et diminuée en augmentant la valeur de C1. Pour conserver le courant de décharge de pointe du Q4 sous contrôle. C1 ne doit pas être supérieur à 0,27 uF.

Liste des pièces

Circuit de générateur de fonction utilisant un couple d'IC ​​4011

La base de ce circuit est en fait un oscillateur à pont de Vienne, qui offre une sortie sinusoïdale. Les formes d'onde carrées et triangulaires en sont ensuite extraites.

L'oscillateur à pont de Vienne est construit à l'aide de portes CMOS NAND N1 à N4, tandis que la stabilisation d'amplitude est fournie par le transistor T1 et les diodes D1 et D2.

Ces diodes doivent éventuellement être appariées ensemble de deux, pour une distorsion la plus faible. Le potentiomètre de réglage de fréquence P1 doit également être un potentiomètre stéréo de haute qualité avec des pistes de résistance interne couplées à une tolérance de 5%.

Le préréglage R3 permet d'ajuster la moindre distorsion et dans le cas où des parties appariées sont utilisées pour D1, D2 et P1, la distorsion harmonique globale pourrait être inférieure à 0,5%.

La sortie de l'oscillateur du pont de Wien est appliquée à l'entrée de N5, qui est polarisée dans sa région linéaire et fonctionne comme un amplificateur. Les portes NAND N5 et N6 améliorent et écrêtent collectivement la sortie de l'oscillateur pour générer une forme d'onde carrée.

Le cycle de service de la forme d'onde est relativement influencé par les potentiels de seuil de N5 et N6, mais il est proche de 50%.

La sortie de la porte N6 est fournie dans un intégrateur construit à l'aide des portes NAND N7 et N8, qui s'harmonise avec l'onde carrée pour fournir une forme d'onde triangulaire.

L'amplitude de la forme d'onde triangulaire dépend, à coup sûr, de la fréquence, et comme l'intégrateur n'est tout simplement pas très précis, la linéarité s'écarte en outre par rapport à la fréquence.

En réalité, la variation d'amplitude est en fait assez triviale, étant donné que le générateur de fonctions sera souvent utilisé avec un millivoltmètre ou un oscilloscope et que la sortie pourrait être facilement vérifiée.

Circuit de générateur de fonction utilisant LM3900 Norton Op Amp

Un générateur de fonctions extrêmement pratique qui réduira le matériel et le prix pourrait être construit avec un seul amplificateur quad Norton IC LM3900.

Si la résistance R1 et le condensateur C1 sont retirés de ce circuit, la configuration résultante sera celle commune pour un générateur d'ondes carrées Norton-amplificateur, avec le courant de synchronisation entrant dans le condensateur C2. L'inclusion d'un condensateur d'intégration C1 dans le générateur d'onde carrée crée une onde sinusoïdale réaliste en sortie.

La résistance R1, qui facilite le complément des constantes de temps du circuit, vous permet d'ajuster l'onde sinusoïdale de sortie pour une distorsion la plus faible. Un circuit identique vous permet de mettre une sortie sinusoïdale au raccordement standard pour un générateur d'onde carrée / triangulaire conçu avec deux amplificateurs Norton.

Comme le montre l'image, la sortie triangulaire fonctionne comme l'entrée de l'amplificateur sinusoïdal.

Pour les valeurs de pièce fournies dans cet article, la fréquence de fonctionnement du circuit est d'environ 700 hertz. La résistance R1 peut être utilisée pour ajuster la distorsion sinusoïdale la plus basse, et la résistance R2 peut être utilisée pour ajuster la symétrie des ondes carrées et triangulaires.

Le 4ème amplificateur du boîtier Norton quad pourrait être connecté comme tampon de sortie pour les 3 formes d'onde de sortie.