Генератор с независимой регулировкой ширины и частоты импульсов
Texas Instruments LM555
Автоколебательный мультивибратор является популярным источником прямоугольных импульсов, полезным для многих приложений, таких как схемы синхронизации и звуковые извещатели. Один из наиболее распространенных способов генерации прямоугольных сигналов основан на использовании недорогого таймера 555. Иногда возникает необходимость в прямоугольных импульсах с фиксированной частотой, но переменной шириной импульса, или наоборот. Выполнить эти требования с помощью обычной автоколебательной схемы на основе 555 достаточно трудно. На Рисунке 1 показана модификация базовой схемы мультивибратора на таймере 555. Эту схему можно использовать для формирования стабильных импульсов, ширина и частота которых не зависят друг от друга и регулируются с помощью отдельных элементов управления. Выход 3 микросхемы таймера заряжает и разряжает конденсатор C1. Диоды D1 и D2 обеспечивают индивидуальные пути для зарядного и разрядного тока, соответственно. Два времязадающих потенциометра P1 и P2 управляют постоянной времени RC1 в течение циклов заряда и разряда.
| Рисунок 1. | Регулируя два потенциометра, можно независимо управлять шириной и частотой импульсов. |
При высоком уровне на выводе 3 микросхемы 555 конденсатор заряжается через R2 (часть P1, сопротивление которой зависит от положения движка потенциометра). Когда C1 заряжается до двух третей VCC, напряжение на выводе 3 опускается, и C1 разряжается через D2, P2 (сопротивление R1) и P1 (сопротивление R3). Когда напряжение на C1 достигает одной трети VCC, выходной уровень на выводе 3 вновь становится высоким. Процесс попеременного заряда и разряда С1 периодически повторяется, и результатом является выходной сигнал с требуемой шириной и частотой импульса. Поскольку прямое сопротивление диодов незначительно, ширина импульса равна
Период импульсов (величина, обратная частоте) равен
Таким образом, ширина импульса не зависит от положения движка потенциометра P2, а частота не зависит от положения движка потенциометра P1.
↑ Интерпретация показаний и устранение застарелой ошибки
В интернете кочует иллюстрация возможных искажений и описание к ней с грубой ошибкой. Копипастеры, как обычно, или не читают, или не понимают что копируют. Воспользуемся для начала этими рисунками.
а) идеальная форма при отсутствии частотных искажений, б), в) ослабление ВЧ умеренное и большое, г) умеренное ослабление НЧ, д) кривизна говорит об ослаблении и средних частот, е), ж) в «оригинале» ошибочно говорится о подъёме на НЧ, конечно, это справедливо для е), а ж) — сильное ослабление НЧ и заметное СЧ. з) небольшой спад на самых высоких частотах, в зависимости от частоты ГПИ спад может быть далеко за пределами звукового диапазона, и) плавный провал на средних частотах, к) неглубокий провал в узком диапазоне на средних частотах, скорее всего вызван каким-то резонансом, но процесс апериодический т. к. нет выбросов.
Колебания кривой на последних рисунках л) и м) показывают на неустойчивую работу усилителя
, что хуже, чем просто частотные искажения, такие колебания могут быть незаметны при испытании синусоидальным сигналом!
Можно добавить, что получить импульсы, как на рис. а) возможно только для УПТ (усилителя постоянного тока), любые разделительные конденсаторы приводят к наклону верхушки импульса и даже если частота среза всего несколько Гц, при частоте импульсов 50 и даже 100 Гц, это приводит к форме показанной на рис. г).
Импульсы предложенного генератора при прямом изучении на экране осциллографа не идеальны, но, для звукового диапазона частот, этой «прямоугольности» хватает с многократным запасом.
Типовые характеристики
NE555 не относится к биполярным ИС, КМОП или ТТЛ-схемам, однако совместима с ними. Рекомендуемое питание для неё находится в диапазоне от +4.5В до +16В. Если его значение составляет +5В, то выход таймера согласуется с ТТЛ-входами других ИС. Иначе надо применять дополнительные согласующие устройства для задания импульсам необходимого уровня.
Предельные допустимые
Рассмотрим типовые предельные эксплуатационные параметры NE555, характерные большинству её модификаций. Они могут незначительно отличаться между собой в зависимости от компании-изготовителя, но в основном повторяются во всех технических описаниях:
- напряжение источника питания от +4.5 до +18В;
- мощность рассеивания до 600 мВт;
- выходной ток до 200 мА;
- максимальная рабочая частота 500 кГц;
- температура: рабочая от 0 до 70ОС; хранения от -65 до +150ОС.
Аналоги
Чем можно заменить и какой подобрать аналог для ne555 ? В советские годы, примерно с 1975 года, полным аналогичным устройством являлась КР1006ВИ1. Сейчас её продолжают выпускать на Рижском в Латвии. Сохранилось производство и на белорусском предприятии «Интеграл», там её маркируют так — IN555.
Понятно, что данные на КР1006ВИ1 указаны на русском языке и почти полностью повторяют информацию представленную в англоязычном datasheet на 555. Поэтому многие радиолюбители предпочитают ознакамливаться именно с русскоязычной версией этого универсального таймера.
Но есть один нюанс, который стоит знать, особенно когда надо подобрать подходящую замену. Так, в нашей версии устройства имеется логический приоритет в работе выводов «останова» над «запуском», в то время как у оригинала все наоборот. И хотя в большинстве типовых схем данный функционал не используется, его все же необходимо учитывать в своих разработках.
Область применения НЕ555
Возможности микросхемы дают широкий спектр техники, в которой она используется. Мультивибраторы на 555 серии встречаются практически во всех схемах генерации сигналов.
Примером служат различные звуковые и световые оповещающие устройства, детекторы металла, освещенности, влажности или касания. Таймер, заложенный в микросхему, позволяет создавать реле времени, для контроля работы различного оборудования по определенным человеком периодам.
Варианты исполнения в виде триггера Шмитта применяются как фильтрующие преобразователи зашумленных сигналов, для придания им правильной прямоугольной формы. Актуальность подобные схемы имеют и в цифровой технике, в которой используются только два вида импульсов – его наличие и отсутствие.
ON-OFF выключатель нагрузки на NE555.
ON-OFF выключатель нагрузки на NE555.
ON-OFF Selector NE555 Project
В предыдущей статье я написал, что подготовил материал по двум схемам выключателей ON/OFF для управления нагрузкой с помощью одной кнопки, поэтому данная статья является как бы продолжением этой темы. В этом варианте ON-OFF селектор выполнен на таймере NE555, принципиальная схема ниже:
Лейка создавалась с использованием исходных изображений, которые вы сможете найти в архиве, но это не полные копии, плата была малость переделана, изменены положения некоторых элементов и немного уменьшена в размерах. Еще один нюанс, в архиве есть вторая принципиальная схема именно от картинок плат исходников, не знаю по каким соображения в качестве C1 поставлена электролитическая емкость 0,47mF. Пересмотрел кучу информации по данной схеме, в которой многие пишут, что достаточно будет использовать неполярный конденсатор емкостью 100n вместо 0,47mF, поэтому в лейке применил макрос обычного с расстоянием между ножками 5 mm, но это не помешает воткнуть на это место и 0,47 если захотите. Вид платы ON-OFF выключателя нагрузки следующий:
ON-OFF Selector NE555 LAY6
ON-OFF Selector NE555 LAY6 foto
Список элементов ON-OFF селектора:
• 1N4004 – 1 шт.• Светодиод 5 mm – 1 шт.
Резисторы 0,25W:
• 10k – 3 шт.• 1k – 1 шт.• 910R – 1 шт.
• Реле с катушкой на 9 Вольт – 1 шт.• Малогабаритная кнопка без фиксации – 1 шт.• Разъемы — на ваше усмотрение, плата рассчитана на расстояние между ножками 5 mm. Средний разъем служит для подключения внешней кнопки управления.
И последнее по данной схеме, её можно запитать напряжением, например, 5 Вольт, при этом достаточно будет заменить реле на пятивольтовое и пересчитать номинал резистора в цепи светодиода.
Размер архива с материалами по ON/OFF выключателю на NE555 – 0,6 Mb.
Производители
Рассмотренный универсальный таймер, созданный американской компанией Signeticsв далеком 1971 г., до сих пор продолжают выпускать почти все известными мировые брэнды полупроводниковой промышленности. При этом маркировка её полных аналогов у различных компании может отличатся от оригинала, несмотря на полную функциональную и физическую идентичность. Например судя по datasheet NE555 P (она же LM555P) и NE555N являются одним и тем же устройством двух конкурентов: Texas Instruments и STMicroelectronics соответственно. NE555L является продуктом китайской Unisonic Technologies Co (UTC). Японская Motorolа когда то делала CMOS-версии с обозначением MC1455. В настоящее время продолжается процесс её совершенствования и модернизации под современные требования.
https://youtube.com/watch?v=X4StIeI5Fm8
Режимы работы NE555
Таймер 555 серии работает в одном из трёх режимов, рассмотрим их более детально на примере микросхемы NE555.
Одновибратор
Принципиальная электрическая схема одновибратора приведена на рисунке. Для формирования одиночных импульсов, кроме микросхемы NE555, понадобится сопротивление и полярный конденсатор. Схема работает следующим образом. На вход таймера (2) подают одиночный импульс низкого уровня, который приводит к переключению микросхемы и появлению на выходе (3) высокого уровня сигнала. Продолжительность сигнала рассчитывается в секундах по формуле: t=1,1*R*C.
По истечении заданного времени (t) на выходе формируется сигнал низкого уровня (исходное состояние). По умолчанию вывод 4 объединен с выводом 8, то есть имеет высокий потенциал.
Во время разработки схем нужно учесть 2 нюанса:
- Напряжение источника питания не влияет на длительность импульсов. Чем больше напряжение питания, тем выше скорость заряда времязадающего конденсатора и тем больше амплитуда выходного сигнала.
- Дополнительный импульс, который можно подать на вход после основного, не повлияет на работу таймера, пока не истечет время t.
На работу генератора одиночных импульсов можно влиять извне двумя способами:
- подать на Reset сигнал низкого уровня, который переведёт таймер в исходное состояние;
- пока на вход 2 поступает сигнал низкого уровня, на выходе будет оставаться высокий потенциал.
Таким образом, с помощью одиночных сигналов на входе и параметров времязадающей цепочки можно получать на выходе импульсы прямоугольной формы с чётко заданной длительностью.
Мультивибратор
Мультивибратор представляет собой генератор периодических импульсов прямоугольной формы с заданной амплитудой, длительностью или частотой, в зависимости от поставленной задачи. Его отличие от одновибратора состоит в отсутствии внешнего возмущающего воздействия для нормального функционирования устройства. Принципиальная схема мультивибратора на базе NE555 показана на рисунке. В формировании повторяющихся импульсов участвуют резисторы R1, R2 и конденсатор С1. Время импульса (t1), время паузы(t2), период (T) и частоту (f) рассчитывают по нижеприведенным формулам:
Из данных формул несложно заметить, что время паузы не сможет превысить время импульса, то есть достичь скважности (S=T/t1) более 2 единиц не удастся. Для решения проблемы в схему добавляют диод, катод которого соединяют с выводом 6, а анод с выводом 7
Схема работает следующим образом. В момент подачи питания конденсатор С1 разряжен, что переводит выход таймера в состояние высокого уровня. Затем С1 начинает заряжаться, набирая ёмкость до верхнего порогового значения 2/3 UПИТ. Достигнув порога ИМС переключается, и на выходе появляется низкий уровень сигнала. Начинается процесс разряда конденсатора (t1), который продолжается до нижнего порогового значения 1/3 UПИТ. По его достижении происходит обратное переключение, и на выходе таймера устанавливается высокий уровень сигнала. В результате схема переходит в автоколебательный режим.
Прецизионный триггер Шмитта с RS-триггером
Внутри таймера NE555 встроен двухпопроговый компаратор и RS-триггер, что позволяет реализовывать прецизионный триггер Шмитта с RS-триггером на аппаратном уровне. Входное напряжение делится компаратором на три части, при достижении каждой из которых происходит очередное переключение. При этом величина гистерезиса (обратного переключения) равна 1/3 UПИТ. Возможность применения NE555 в качестве прецизионного триггера востребована в построении систем автоматического регулирования.
Микросхема и генератор импульсов ne555
По своим техническим характеристикам микросхему NE555 относят к универсальным таймерам с широким диапазоном устанавливаемых временных интервалов. Почти во всех схемах ne555 используют и включают – как генератор прямоугольных импульсов напряжения различной частоты и длительности. С минимальным дополнительным набором радиоэлементов (резисторов и конденсатор), на её основе реализуют множество вариаций электронных приборов: реле времени, генераторов, модуляторов, ШИМ-регуляторов, разнообразных мигалок, звуковых имитаторов низких/высоких частот и ещё много чего другого.
- Цоколевка
- Типовые характеристики
- Предельные допустимые
- Аналоги
- Схемы включения ne555
- Моностабильный режим
- Режим мультивибратора
- Проверка работоспособности
- Применение
- Производители
Микросхема 555
Всем привет. Сегодня я хочу рассказать вам о микросхеме 555. Её история началась ещё в далеком 1971 году, когда компания Signetics Corporation выпустила микросхему SE555/NE555 под названием «Интегральный таймер» (The IC Time Machine). В те времена это была единственная «таймерная» микросхема, которая была доступна массовому потребителю. Сразу после выхода 555 завоевала бешеную популярность и её начали выпускать почти все производители полупроводников. Отечественные производители тоже выпускали данную микросхему под названием КР1006ВИ1.
Что это за чудо?
Микросхема выпускается в двух вариантах корпуса — пластиковом DIP и круглом металлическом. Правда встретить 555 в круглом металлическом корпусе в наши времена очень сложно, чего не скажешь о версии в пластиковом DIP корпусе. Внутри корпуса с восемью выводами скрываются транзисторы, диоды и резисторы. Не будем вдаваться в доскональное изучение 555, но про ножки этой микросхемы я расскажу более подробно. Всего ножек 8.
1. Земля
. Вывод, который во всех схемах нужно подключать к минусу питания. 2.Триггер , он же запуск. Если напряжение на пуске падает ниже 1/3 Vпит, то таймер запускается. Ток, потребляемый входом, не превышает 500нА. 3.Выход . Напряжение выхода примерно на 1,7 В ниже напряжения питания, когда он включен. Максимальная нагрузка, которую может выдержать выход — 200 мА. 4.Сброс . Если подать на него низкий уровень напряжения (меньше 0,7 В), то схема переходит в исходное состояние не зависимо от того, в каком режиме находится таймер на данный момент. Если в схеме не нужен сброс, то рекомендуется подключить этот вывод к плюсу питания. 5.Контроль . Этот вывод позволит нам получить доступ к опорному напряжению компаратора №1. Используется этот вывод очень редко, а вися в воздухе может сбивать работу, поэтому в схеме его лучше всего присоединить к земле. 6.Порог , он же стоп. Если напряжение на этом выходе выше 2/3 Vcc, то таймер останавливается и выход переводится в состояние покоя. Стоит заметить, что работает выход только тогда, когда вход выключен. 7.Разряд . Этот выход соединяется с землей внутри самой микросхемы, когда на выходе микросхемы низкий уровень и закрыт, когда на выходе высокий уровень. Может пропускать до 200 мА и иногда используется как дополнительный выход. 8.Питание . Данный выход нужно подключать к плюсу питания. Микросхема поддерживает напряжение в пределах 4,5-16 В. Может работать от обычной 9В-батарейки или от проводка USB.
Режимы
Ну что же пришло время поведать вам о режимах микросхемы 555. Их всего 3 и о каждом я расскажу более подробно.
Моностабильный
При подаче сигнала на вход нашей микросхемы, она включается, генерирует выходной импульс заданной длины и выключается, ожидая входного импульса
Важно, что после включения микросхема не будет реагировать на новые сигналы. Длину импульса можно рассчитать по формуле t=1.1*R*C
Пределов по длительности импульсов нет — как по минимальной, так и по максимальной длительности. Есть некоторые практические ограничения, которые можно обойти, но стоит задуматься над тем, нужно ли это и не проще ли выбрать другое решение. Итак, минимальные значения, установленные практическим образом для R составляет 10кОм, а для С — 95пФ. Можно и меньше, но при этом схема начнет поглощать много электричества.
Нестабильный мультивибратор
В этом режиме все довольно таки просто. Управлять таймером не нужно. Он все сделает сам — сперва включится, подождет время t1, потом выключится, подождет время t2 и начнет все заново. На выходе у нас получится забор из высоких и низких состояний. Частота с которой будет колебаться зависит от параметров величин R1,R2 и C и определяется она по формуле F= 1,44/((R1+R2)C). В течение времени t1 = 0.693(R1+R2)C на выходе будет высокий уровень, а в течение времени 2 = 0.693R2C — низкий.
Бистабильный
В данном режиме наша микросхема 555 используется как выключатель. Нажал одну кнопку — выход включился, нажал другую — выключился.
Схемы включения ne555
Сама по себе данная микросхема это как бы «незавершенное» изделие с возможностью реализации на нем двух режимов эксплуатации — таймера запуска (моностабильный) и генератора одиночных импульсов (мультивибратора). Чтобы заставить её функционировать в одном из них, необходима небольшая доработка. Для этого межу контактами 1 и 8 добавляется RC-цепочка (она же времязадающая), для которой заранее подбираются резистор и конденсатор. Их значения будут задавать необходимую частоту и периодичность прямоугольных сигналов «включения/выключения» на выходе микросхемы после подачи на неё питания. Для повышения точности в работе и избегания влияния внешних помех 5 пин (контроль) рекомендовано шунтировать ёмкостью, величина которой должна быть не более 0,1 мкФ.
Моностабильный режим
Рассмотрим принцип работы в режиме таймера. Для его реализации необходимы дополнительные элементы — один резистор Rt и пара ёмкостей. После подачи питания, на третьей ножке относительно земли будет около 0В. Времязадающий конденсатор Сt полностью разряжен и в таком состоянии схема может находиться достаточно долго, пока на контакт 2 (запуск) не поступит положительный сигнал. Его величина должна быть в три раза меньшей питающего напряжения (Ucc/3).
После подачи сигнала на контакт 2 (запуск), на выходе микросхемы появляется напряжение аналогичное питающему (высокий уровень). Его длительность зависит от времени заряда Сt до уровня 2/3 от Ucc через резистор Rt. Как только это произойдет, выходное напряжение снизится практически до 0В и Сt разрядится.
Важным моментом в этой схеме является то, что после её включения, любые воздействия на контакт 2 (запуск) больше не будут вилять на высокий уровень на выходе. Но его все же можно сбросить, если подать сигнал на четвертую ножку (сброс). Временной интервал выходного импульса (Т) рассчитывается по формуле T=1.1*Rt*Ct.
Режим мультивибратора
В режиме мультивибратора микросхема ne555 выдает серию прямоугольных сигналов, периодичность которых также определяются значениями времязадающей RC-цепочки. Как видно из рисунка ниже, конструкция немного изменена и в неё добавлено еще одно сопротивление. Контакт 7 (разряд) физически соединен между резисторами Ra и Rb, но логически он отключен внутри универсального таймера.
После подачи питания на микросхему, на 3 пине (выходе) появится высокий уровень относительно земли, а конденсатор Сt начинает заряжается через Ra и Rb. Как только Сt достигнет заряда 2/3 от величины питающего напряжения, схема переключится и на её выходе будет около 0В. При этом включится контакт 7 (разряд) и через резистор Rb будет разряжаться Сt.
После того как конденсатор Ct разрядится на 1/3 схема снова переключится, и на её выходе появится высокий уровень. Разъединится контакт 7 (разряд) и Ct начнет опять заряжаться через Ra и Rb. Результатом такой работы станет серия прямоугольных импульсов, длительность которых будет определяться величинами элементов Ra, Rb и Сt. Промежуток между началом каждого из импульсов называют общим периодом ТП. Его можно увеличивать до 30 секунд путем повышения ёмкости Ct. Частоту колебаний определяют по формуле F = 1/ТП.
Моностабильный мультивибратор.
Моностабильный означает, что стабильное состояние у таймера только одно, когда он выключен. Во включенное состояние его можно перевести временно, подав на вход таймера какой-либо сигнал. Время нахождения таймера в активном режиме определяется RC цепочкой.
В начальном состоянии, на выходе таймера (вывод №3) низкий уровень — примерно 0,25 вольт, транзистор Т1 открыт и соответственно конденсатор разряжен. Это состояние таймера стабильное. При поступлении на вход (вывод №2) импульса низкого уровня, включается компаратор №2, который переключает триггер таймера, и как результат на выходе таймера устанавливается высокий уровень. Транзистор Т1 закрывается и через резистор R начинает заряжаться конденсатор С. И пока заряжается конденсатор С на выходе таймера сохраняется высокий уровень. За это время изменения сигнала на входе (вывод №2) не вызовут никакое воздействие на таймер. После того как напряжение на конденсаторе С достигнет 2/3 напряжения питания, включается компаратор №1 и тем самым переключает триггер. В результате на выходе (вывод №3) установится низкий уровень, и таймер восстановит исходное, стабильное состояние. Транзистор Т1 откроется и разрядит конденсатор С.
Высокоточный генератор ШИМ с кнопочным контролем
Как было сказано ранее, очень распространены аналоговые схемы ШИМ-генераторов, в частности на основе NE555
Они просты, неприхотливы, могут работать с большим диапазоном напряжений, но имеют недостаток, который в некоторых случаях может быть недопустим — параметры ШИМ-сигнала (частоту, скважность), во-первых, нельзя установить с большой точностью, а во-вторых, эти параметры могут «уплывать» при изменении температуры, влажности и т.д. Для того, чтобы построить высокоточный генератор ШИМ-сигналов не обойтись без микроконтроллера, тактируемого от точного кварца
В этом случае можно будет настраивать скважность с точностью до 1%, а также выбирать частоту из заранее заданных вариантов. Предусмотрен выбор частот между 10/20/40/80/1,25/2,5/5 кГц, этих вариантов хватит для любого применения ШИМ-генератора. Схема представлена ниже.
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.
Применение таймера NE555. Часть 2 — генератор прямоугольных импульсов на NE555
Пример №7 — Простой генератор прямоугольных импульсов на NE555
В момент включения схемы, конденсатор C1 разряжен и на выходе 3 таймера NE555 находится высокий уровень. Затем конденсатор C1 через резистор R1 начинает постепенно заряжаться.
В момент, когда потенциал на конденсаторе, и соответственно на выводе 6 (стоп) таймера, достигнет примерно 2/3 напряжения питания, сигнал на выводе 3 переключится на низкий уровень. Теперь конденсатор через сопротивление R1 начинает разряжаться. Когда уровень напряжения на входе 2 (запуск) упадет до 1/3 Uпит., на выходе снова будет высокий уровень. И процесс повторится снова.
