Осциллятор (VCO) | Digital Music Academy
В классическом синтезаторе звук генерируется осцилляторами (VCO — voltage-controlled oscillator). Это устройства, непрерывно генерирующие периодические колебания определенной формы:
- синусоидальные
- квадратные
- треугольные
- пилообразные
- импульсные
Подробнее о различных формах волны
В аналоговом синтезаторе частота колебаний модулируется управляющим CV-сигналом (управляющим напряжением) и/или LFO (например, для создания эффекта вибрато). Помимо частоты, модулироваться могут и другие параметры, например скважность импульсного сигнала.
Помимо осцилляторов также обычно имеются генераторы шума:
В студийных синтезаторах, как правило, используются генераторы белого (WHITE) и розового (PINK) шумов, а также низкочастотного (low frequency) шума. В данном случае имеется также регулятор уровня (громкости) шума (OUTPUT LEVEL).
CV-сигнал склонен к изменчивости характеристик, которые могут зависеть от различных факторов — температура воздуха, напряжение в сети и т.д. Эти естественные изменения сигнала приводят к появлению эффекта «slope» – плавного дрифта высоты осцилляторов, который может привести к расстройке инструмента, с другой стороны – именно этот эффект делает звук VCO таким «жирным».
С появлением протокола MIDI, генераторы VCO аналоговых синтезаторов начали оснащать специальными цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП), отвечающими исключительно за перевод входящих цифровых MIDI-сообщений в аналоговый управляющий сигнал CV, который в итоге и попадает на осциллятор. При этом уровень CV-сигнала определяется номером MIDI-ноты, поступающей на ЦАП.
Первые осцилляторы с новым, цифровым способом управления DCO отличались гораздо большей стабильностью, чем VCO, однако за стабильность пришлось поплатиться качеством звучания. Технические характеристики ЦАП того времени делали тонкую подстройку высоты осцилляторов (fine tune) практически невозможной.
Кроме того, в ранних DCO фаза каждого из осцилляторов (даже если они относились к разным голосам полифонического синтезатора) управлялась единственным clock-генератором. Это заставляло осцилляторы начинать воспроизведение всегда в едином цикле фазы. В аналоговом синтезе рассинхронизация фаз приводят к разнообразию и живости звучания осцилляторов, а ранние DCO из-за отсутствия фазовых расхождений звучали плоско и тускло.
Однако, в современных аналоговых синтезаторах с DCO эти недостатки исправлены за счет использования индивидуальных clock-генераторов для каждого из осцилляторов и высокой разрядности ЦАП. Во многих из них также эмулируется классический эффект «slope».
DCO не следует путать с цифровыми генераторами сигнала на основе частотной модуляции (в FM-синтезаторах) или импульсно-кодовой модуляции (PCM) (в синтезаторах, использующих сэмплы или физическое моделирование).
VCO и DCO — в чем отличия?
Многие современные аналоговые синтезаторы оснащены так называемыми DCO – т.е. осцилляторами, управляемыми с помощью цифровых сигналов.
Однако, среди современных электронных музыкантов и других любителей аналоговых синтезаторов до сих пор нет полного понимания, чем такой осциллятор отличается от полноценного аналогового осциллятора, управляемого напряжением (VCO)?
Давайте, наконец, разрешим этот вопрос и вместе разберемся, что представляет собой типичный Digitally-Controlled Oscillator (DCO).
Начнем с VCO. Такой тип осцилляторов харатерен для традиционных аналоговых синтезаторов в «винтажном» стиле. Этот полностью аналоговый осциллятор управляется посредством подачи на него управляющего напряжения (CV).
Изменяя силу подаваемого на осциллятор напряжения с помощью CV-клавиатуры или секвенсора, мы получаем прямо пропорциональные изменения частоты генератора. Именно этот способ позволяет использовать традиционные VCO для игры «нотами».
В целом, этот далеко не самый точный способ «настройки» осцилляторов, имеет свои плюсы и минусы. Какие именно? Поясним.
CV-сигнал склонен к переменным характеристикам, изменчивость которых зависит от множества факторов, таких как температура воздуха, напряжение в сети и т.д. Эти естественные, природные изменения CV-сигнала приводят к появлению эффекта «slope» – плавного дрифта высоты осцилляторов, который, с одной стороны, может привести к общей расстройке звучания и неточному строю инструмента, с другой же – именно этот эффект делает звук VCO таким «жирным».
С появлением цифрового протокола MIDI, генераторы VC0 аналоговых синтезаторов начали оснащать специальными цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП), отвечающими исключительно за перевод входящих цифровых MIDI-сообщений в аналоговый управляющий сигнал CV, который в итоге и попадает на осциллятор. В этой новой схеме CV – напряжение, а значит и высота осциллятора напрямую зависила от номера MIDI-ноты, поступающей на специализированный ЦАП.
Первые осцилляторы с новым, цифровым способом управления DCO отличались гораздо большей стабильностью, чем VCO, однако за стабильность пришлось поплатиться.
Использованные в ранних цифро-аналоговых преобразователях clock-генераторы и 16-битная разрядность, делали мягкую подстройку высоты осцилляторов (fine tune) практически невозможной. Дискретность цифровых значений, преобразованная в аналоговый CV сигнал, давала ступенчатые, угловатые изменения высоты осциллятора. А это, в свою очередь, привело к невозможности высокоточной художественной расстройки осцилляторов, делавшей звучание винтажных VCO таким жирным. Кроме того, точный строй ликвидировал эффект «slope», естественным образом расстраивающий осцилляторы винтажных VCO.
Еще один нюанс – в ранних DCO фаза каждого из осцилляторов (даже если они относлись к разным голосам полифонического синтезатора) управлялась единственным clock-генератором. Это заставляло осцилляторы начинать воспроизведение всегда в едином цикле фазы.
В аналоговом синтезе (в отличие от звукозаписи, в которой рассинхрон фазы крайне нежелателен) различные значения фазы приводят к разообразию и живости звучания осцилляторов. Ранние DCO, из-за отсутствия фазовых расхождений, звучали плоско и тускло.
Все эти нюансы хоть и не были до конца понятны музыкантам, однако они были понятны их уху – сухой и угловатый звук ранних DCO привел к появлению устойчивого негативного мнения относительно таких осцилляторов.
Однако, мы спешим успокоить и обрадовать вас – практически все современные аналоговые синтезаторы, оснащенные DCO, лишены всех вышеперечисленных недостатков!
DCO оснащены практически все современные аналоговые синтезаторы, имеющие память и MIDI-имплементацию, например, синтезаторы таких серьезнейших брендов как MOOG или Dave Smith Instruments.
Конечно же, ведь современный синтезатор должен отвечать требованиям времени – а значит, иметь банки памяти для сохранения пэтчей и возможность автоматизации параметров с помощью внешних секвенсоров.
Ну а присущие DCO недостатки были исправлениы засчет использования индивидуальных clock-генераторов для каждого из осцилляторов а также – высокоточной 24-битной разрядности новых ЦАП. Для управления такими модулями с помощью цифрового протокола, как правило, используется подкласс MIDI, называемый NRPN-сообщения, позволяющий мягко и плавно управлять любыми параметрами. Каждое такое сообщение имеет более 16000 варианов значения (сравните с 128 вариантами значения, присущими классическому MIDI) – благодаря этому точнная настройка высоты современных DCO стала вполне реальной.
Классический эффект «slope» также был сохранен в новых DCO – этот эффект имеется практически в каждом из современных синтезаторов от Moog или DSI. Более того, теперь мы можем выключить или включить его! При отключенном «slope» современные аналоговые синтезаторы будут иметь безукоризненную точность строя, однако стоит активировать эффект, как DCO начинают допускать небольшие случайные отклонения по высоте, приводящие к тому самому легкому дрифту высоты!
Таким образом, можно подытожить, что современные DCO-осцилляторы практически не проигрывают по качеству звучания классическим VCO.
Конечно же, управление любым DCO так или иначе будет иметь некоторую дискретность, да и эффект «slope» на таких осцилляторах как правило является смоделированным. Однако, эти практически незаметные мелочи полностью окупаются возможностью сохранения пэтчей и MIDI управлением.
Основы, дизайн, принцип работы и типы
Большинство бытовых электронных устройств вокруг нас, таких как мобильные телефоны, телевизоры, радио, MP3-плееры и т. д., представляют собой комбинацию цифровой и аналоговой электроники. Везде, где есть беспроводная передача/прием или аудиосигналы, задействованные в электронной конструкции, нам понадобятся периодические колебательные электронные сигналы, эти сигналы называются . Осциллирующие сигналы и очень полезны при беспроводной передаче или для выполнения операций, связанных с синхронизацией.
Генератор в электронике обычно относится к схеме, которая способна создавать формы волны. Этот сигнал может быть синусоидальным, треугольным или даже пилообразным.
Некоторыми из наиболее распространенных схем генератора являются LC-схема, схема резервуара и т. Д. Генератор, управляемый напряжением , представляет собой генератор, который генерирует колебательные сигналы (волны) с переменной частотой. Частота этого сигнала изменяется путем изменения величины входного напряжения. На данный момент вы можете представить генератор, управляемый напряжением (VCO), в виде черного ящика, который принимает напряжение переменной величины и выдает выходной сигнал переменной частоты, а частота выходного сигнала прямо пропорциональна величине входного напряжения. . В этом уроке мы узнаем больше об этом черном ящике и о том, как использовать его в наших проектах.
Принцип работы Генератора, управляемого напряжением (VCO)
Существует много типов схем VCO ; очень простой можно построить, просто используя конденсатор, катушку индуктивности и резистор, чтобы создать цепь бака.
Также операционные усилители, мультивибратор, транзисторы, таймеры 555 также могут быть использованы для построения колебательных контуров
В RC-генераторе частота выходной волны зависит от емкости используемого в цепи конденсатора, так как частота определяется формулами
Частота (f) = 1 / 2 πRC
Следовательно, в этом случае частота колебаний обратно пропорциональна величине емкости, используемой в цепи. Итак, теперь, чтобы контролировать выходную частоту и заставить его работать как ГУН, мы должны изменять емкость конденсатора в зависимости от значения входного напряжения. Этого можно добиться с помощью варакторных диодов. Эти диоды изменяют значение емкости на них в зависимости от приложенного напряжения.
Пример выходного графика VCO показан ниже.
Предположим, что управляющее напряжение равно Vc, а выходная частота равна fo. Затем при нормальных рабочих условиях на ГУН подается номинальное напряжение, для которого ГУН создает номинальную частоту. При увеличении входного напряжения (управляющего напряжения) увеличивается выходная частота и наоборот.
Типы генераторов, управляемых напряжением
Существует много типов схем VCO, используемых в различных приложениях, но их можно разделить на два типа в зависимости от их выходного напряжения.
Гармонические осцилляторы: Если выходной сигнал осциллятора синусоидальный, то он называется гармоническим осциллятором. В эту категорию попадают цепи RC, LC и баковые цепи. Эти типы осцилляторов сложнее реализовать, но они более стабильны, чем осциллятор релаксации. Гармонические генераторы также называются генераторами, управляемыми линейным напряжением.
Генератор релаксации: Если выходной сигнал генератора имеет пилообразную или треугольную форму, то генератор называется генератором релаксации. Они сравнительно просты в реализации и, следовательно, наиболее широко используются. Релаксационный осциллятор можно далее классифицировать как
- Генератор с эмиттерной связью, управляемый напряжением
- Генератор, управляемый напряжением, с заземленным конденсатором
- Кольцевой осциллятор с задержкой, управляемый напряжением
Генератор, управляемый напряжением – Практическое применение
Как упоминалось ранее, ГУН можно просто сконструировать, используя RC- или LC-пару, но в реальных приложениях никто так не делает. Существует специальная микросхема, способная генерировать колебания в зависимости от входного напряжения. Одной из таких широко используемых ИС является LM566 от National Semiconductor.
Эта ИС способна генерировать как треугольную, так и прямоугольную волну , и номинальную частоту этой волны можно установить с помощью внешнего конденсатора и резистора.
Позже эта частота также может изменяться в реальном времени в зависимости от подаваемого на нее входного напряжения.
Схема выводов микросхемы LM566 IC показана ниже. Контакты 3 и 4 являются выходными контактами, которые дают нам прямоугольную волну и треугольную волну соответственно. Номинальную частоту можно установить, подключив правильное значение конденсатора и резистора к контактам 7 и 6.
Формулы для расчета значения R и C на основе выходной частоты (Fo) задаются формулами
Fo = 2,4 (Vss - Vc) / Ro+Co+Vss
Где
Vss — напряжение питания (здесь 12 В), а Vc — управляющее напряжение, подаваемое на контакт 5, в зависимости от величины которого определяется выходная частота. контролируется. (Здесь мы сформировали делитель потенциала, используя резисторы 1,5 кОм и 10 кОм для подачи постоянного напряжения на контакт 5). Примерная принципиальная схема для LM566 показана ниже
На практике резисторы 1,5 кОм и 10 кОм можно игнорировать, а управляющее напряжение можно напрямую подавать на контакт 5.
Вы также можете изменить значение Ro и Co в зависимости от требуемого диапазона выходной частоты. Также обратитесь к техническому описанию, чтобы проверить, насколько линейно изменяется выходная частота по отношению к входному управляющему напряжению. Значение выходной частоты регулируется управляющим напряжением (на контакте 5) с соотношением 10:1, что помогает нам обеспечить широкий диапазон управления.
Применение генераторов, управляемых напряжением (VCO)
- Частотная манипуляция
- Идентификаторы частоты
- Распознаватели тона клавиатуры
- Генераторы часов/сигналов/функций
- Используется для создания контуров фазовой автоподстройки частоты.
Генератор, управляемый напряжением, является основным функциональным блоком в системе фазовой автоподстройки частоты. Итак, давайте также разберемся с контуром фазовой автоподстройки частоты , почему это важно и что делает ГУН внутри контура фазовой автоподстройки частоты.
Что такое контур фазовой автоподстройки частоты (PLL)?
Контур фазовой автоподстройки частоты, также называемый PPL, представляет собой систему управления, которая в основном состоит из трех важных блоков. Это фазовый детектор, фильтр нижних частот и осциллятор, управляемый напряжением. Вместе эти три элемента образуют систему управления, которая постоянно регулирует частоту выходного сигнала в зависимости от частоты входного сигнала. Блок-схема PLL показана ниже
Система PLL используется в приложениях, где необходимо получить высокую стабильную частоту (f OUT ) из сигнала нестабильной частоты (f IN ). Основной функцией схемы ФАПЧ является создание выходного сигнала с той же частотой, что и входной сигнал. Это очень важно в беспроводных приложениях, таких как маршрутизаторы, радиочастотные системы передачи, мобильные сети и т. д.
Фазовый детектор сравнивает входную частоту (f IN ) с выходной частотой (f OUT ), используя предоставленный канал обратной связи.
Разница в этих двух сигналах сравнивается и выражается в виде значения напряжения, что называется сигналом напряжения ошибки. Этот сигнал напряжения также будет иметь некоторый высокочастотный шум, связанный с ним, который можно отфильтровать с помощью фильтра нижних частот. Затем этот сигнал напряжения подается на ГУН, который, как мы уже знаем, изменяет выходную частоту в зависимости от предоставленного сигнала напряжения (управляющего напряжения).
PLL — Практическое применение
Одной из наиболее часто используемых микросхем PLL является микросхема LM567 . Это микросхема декодера тона, что означает, что он прослушивает определенный настроенный пользователем тип тона на контакте 3, если этот тон получен, он соединяет выход (контакт 8) с землей. Таким образом, в основном прослушивается весь звук, доступный на частоте, и постоянно сравнивается частота этих звуковых сигналов с заданной частотой, используя технику PLL. Когда частоты совпадают с выходным контактом, он становится низким.
Как показано на выводах, микросхема состоит из схемы детектора фаз I и Q внутри нее. Эти фазовые детекторы проверяют разницу между установленной частотой и входным частотным сигналом. Внешние компоненты используются для установки значения этой заданной частоты. ИС также состоит из схемы фильтра, которая отфильтровывает неустойчивый шум переключения, но для этого требуется внешний конденсатор, подключенный к выводу 1. Вывод 2 и используется для установки полосы пропускания ИС, чем выше емкость, тем ниже будет пропускная способность. Контакты 5 и 6 используются для установки значения установленной частоты. Это значение частоты может быть рассчитано с использованием приведенных ниже формул
Базовая схема микросхемы LM567 показана ниже.
Входной сигнал, частота которого должна сравниваться, подается на контакт 3 через фильтрующий конденсатор емкостью 0,01 мкФ.
Эта частота сравнивается с установленной частотой. Частота устанавливается с помощью резистора 2,4 кОм (R1) и конденсатора 0,0033 (C1). Эти значения можно рассчитать в соответствии с установленной частотой, используя приведенные выше формулы.
Когда входная частота соответствует установленной частоте, выходной контакт (контакт 8) будет заземлен. В противном случае этот контакт останется высоким. Здесь мы использовали резистор (R L ) в качестве нагрузки, но обычно это светодиод или зуммер, как того требует конструкция. Таким образом, LM567 использует возможность VCO для сравнения частот , что очень полезно в аудио/беспроводных приложениях.
Надеюсь, теперь у вас есть хорошее представление о VCO, если у вас есть какие-либо сомнения, напишите их в разделе комментариев или используйте форумы.
Также проверьте:
- Генератор фазового сдвига RC
- Осциллятор моста Вейна
- Кварцевый осциллятор
6 Изучена полезная схема генератора, управляемого напряжением
В этом посте мы узнаем, как построить 6 полезных схем генератора, управляемого напряжением, используя различные операционные усилители и интегральные схемы.
Как следует из названия, генератор, управляемый напряжением, или схема VCO — это схема генератора, выходная частота которой может регулироваться или изменяться с помощью регулируемого входа управляющего напряжения. Это означает, что если входное управляющее напряжение увеличивается, выходная частота будет пропорционально увеличиваться, и наоборот.
Если управляющее напряжение непрерывно изменяется вверх и вниз, то выходная частота также будет соответственно увеличиваться и уменьшаться в ответ на изменение амплитуды уровней управляющего напряжения.
Как и в любой другой схеме VCO, в обсуждаемой ниже схеме выходная частота определяется уровнем приложенного управляющего напряжения.
1) Основные характеристики (с использованием ИС LM558)
- Основным преимуществом этой конструкции ГУН является то, что она имеет широкий диапазон управляющих напряжений, который простирается от 0 В до максимального положительного предела напряжения питания. Уровень питания может быть любым от +3В до +25В.
- Кроме того, этот управляемый напряжением генератор (VCO) предназначен для генерации как треугольных, так и прямоугольных выходных сигналов.
Список деталей
- R1, R5, R6 = 100K
- R2, R3, R4 = 47K
- R7, R10, R10 = 6K 6 R9, R9
- C1 = 47 нФ
- T1 = BC547
- A1, A2 = LM358
При этом пользователь должен соблюдать осторожность при работе с низковольтными входами и убедиться, что максимальный уровень входного напряжения составляет не менее 1,5 В. ниже напряжения питания.
Как работает схема
Схема работает на основе теории «интегратор/компаратор». Конденсатор C1 является частью интегратора (сконструированного на основе операционного усилителя A1) и заряжается от источника постоянного тока, определяемого мгновенным уровнем приложенного управляющего напряжения.
В результате выходное напряжение А1 падает линейно.
Выход компаратора (построенный с использованием A2) меняет состояние, и транзистор T1 начинает открываться, как только достигается нижний порог переключения компаратора.
Конденсатор C1 в этот момент разряжается, вызывая увеличение выходного напряжения A1 (опять же, это возрастающее напряжение носит линейный характер). Действие повторяется, и в тот момент, когда выход A1 доходит до верхнего предела переключения компаратора, он выключает T1.
Рабочий цикл регулируемой частоты выходного напряжения будет составлять ПЯТЬДЕСЯТ ПРОЦЕНТОВ, если значения R2 и R3 идентичны (R2 = R3), и когда значение R1 в два раза больше, чем значение R4 (R1 = 2 x R4 ).
Связь между R9а значения R10 становятся ответственными за уровень выходного напряжения постоянного тока треугольной формы.
Что касается номиналов R9/R10, показанных на схеме, треугольный уровень постоянного тока, вероятно, будет равен 1/2 напряжения питания. Пиковый уровень выходного сигнала можно определить, решив следующее уравнение:
(Vpp) = R5 / (R5 + R6) x Vin
Связь между управляющим напряжением и напряжением питания Предлагаемый генератор, управляемый напряжением, или ГУН, использующий пару (общих) напряжений питания, можно увидеть на следующем графике.
Когда оба входа питания равны (Vin = Vc) по величине, максимальная частота, которую можно получить от схемы, может быть увеличена или уменьшена путем соответствующего выбора значения C1 ниже или выше. Что касается скорости нарастания операционного усилителя, вертикальный угол сигнала прямоугольной формы может уменьшаться для более высоких частот.
2) ГУН с использованием микросхемы IC 7555
На микросхеме Resolute IC 555 и нескольких других вспомогательных компонентах также можно построить аккуратный небольшой управляемый напряжением генератор, как показано ниже:
Процесс разрядки конденсатора C1 регулируется напряжением. Это реализуется импульсами быстрой зарядки, управляемыми внутренним разрядным транзистором IC2.
Чтобы понять принцип работы, представьте, что на выводе 3 таймера IC2 изначально низкий уровень, а вывод 7 разрядного транзистора включен, пропуская ток через R6 для активации транзистора TR3. Этот конкретный транзистор поддерживает на базе транзистора TR2 положительное напряжение питания.
Это гарантирует, что он выключен.
Следовательно, конденсатор C1 может начать разряжаться через резистор R4 со скоростью, определяемой током коллектора TR1. Когда напряжение на C1 падает примерно до 1/3 уровня напряжения питания, на выходе IC555 устанавливается высокий уровень. Одновременно разрядный транзистор вместе с TR3 также выключается, что означает, что ток через R3 теперь активирует TR2, который начинает заряжать C1 через R4.
Как только напряжение на C1 достигает 2/3 напряжения питания, IC2 снова меняет состояние, и цикл повторяется. Функционирующее свойство транзисторов таково, что практически весь ток, идущий на сторону эмиттера, уходит обратно с коллектора. Небольшое количество тока выходит из базы, однако обычно это очень мало, чтобы его можно было учитывать.
Из-за того, что напряжение на эмиттере следует за приложенным базовым напряжением, за вычетом прямого падения на базе/эмиттере около 0,6 В, этот выход напряжения позволяет вам управлять напряжением на эмиттерном резисторе R2 с помощью этой схемы.
В результате базовое напряжение транзистора управляет током коллектора, что приводит к источнику тока, управляемому напряжением.
Управляющее напряжение может подаваться непосредственно на базу транзистора TR1 для управления частотным выходом в этой схеме.
3) Использование операционного усилителя с ИС 555
В другой ситуации, если операционный усилитель используется с транзистором, как показано на следующей диаграмме ниже, тогда напряжение на резисторе R2 может точно соответствовать входному напряжению, а операционный усилитель -amp автоматически начнет компенсировать падение напряжения эмиттер-база, а также несоответствия из-за изменений температуры. Результирующий диапазон регулирования выходной частоты может начинаться с нуля, а не с 0,6 вольт.
Расчеты, необходимые для проектирования этой схемы VCO на основе IC555, могут быть такими же простыми, как и для простых схем с фиксированной частотой, что означает необходимость соблюдения всего нескольких правил.
Резистор R4 должен иметь относительно низкие значения по сравнению со значением R2.
Для работы TR 1 всегда должно быть достаточное напряжение, поэтому вход ни в коем случае не должен пересекать значение на 1 В ниже 1/3 напряжения питания. Эта конкретная схема генератора, управляемого напряжением, чувствительна к колебаниям напряжения питания, поэтому питание должно строго регулироваться.
После фиксирования максимального диапазона управляющего напряжения период разрядного элемента каждого отдельного цикла можно рассчитать по формуле:
t = (C x R x E) / V
Здесь C обозначает времязадающий конденсатор C1, R обозначает эмиттерный резистор R2, E обозначает 1/3 уровня питания, а V обозначает напряжение на резисторе R2.
К результату приведенного выше выражения мы должны добавить время, необходимое для зарядной части цикла:
t = 0,7 x C1 x R4 цикла, поэтому, как правило, их инверсия обеспечивает эквивалентную частоту.
Со значениями деталей, обозначенными цифрой 9V, схема выдает частотную характеристику от 0 Гц до примерно 1 кГц в ответ на входное управляющее напряжение от 0 до 2 вольт.
Выходная частота состоит из положительных импульсов шириной 100 мкс, отлично подходящих для создания широкого диапазона шумов через небольшой громкоговоритель с использованием самого простого из выходных буферных каскадов, возможно, всего одного каскада BJT. Используя конденсатор C1 в качестве конденсатора емкостью 1 нФ, он обеспечивает частоту приблизительно 9 кГц для точно такого же диапазона входного напряжения, используя пропорционально более короткие выходные импульсы.
Какие операционные усилители подходят
Помните, что в случае использования операционного усилителя, как показано на приведенной выше принципиальной схеме VCO, он должен быть такого типа, чтобы его вход и выход были рассчитаны на работу вплоть до отрицательного напряжения питания. IC CA3140, как указано, приемлема, некоторыми другими возможными вариантами могут быть CA3130 или один из операционных усилителей от IC CA3240, LM358 или LM324.
Различные другие транзисторы также могут работать очень хорошо вместо показанного на схеме, если они собраны с соблюдением полярности.
Практическое использование этой схемы генератора, управляемого напряжением IC 555, может быть не очень обширным и может быть ограничено работой, связанной со звуком, но конструкция очень дешевая, простая и довольно стабильная со своими характеристиками.
4) Использование ИС 7556
В предыдущей схеме генератора, управляемого напряжением, использовались транзисторы для обеспечения постоянного тока и реверсирования сигнала разряда от таймера ИС. Чтобы показать, что возможно, вот конструкция VCO, в которой используется интегратор на операционном усилителе вместо времязадающего конденсатора и источника тока, а также двойной таймер IC7556 для инверсии. Интегратор операционного усилителя включает в себя пару входов: один неинвертирующий и обычно связан с опорным напряжением, а другой инвертирующий и связан с входным напряжением через резистор с отрицательной обратной связью от выхода при условии конденсатором.
Операционный усилитель использует обратную связь для поддержания напряжения на инвертирующем входе таким же, как напряжение на неинвертирующем входе, в пределах напряжения питания.
Если на входной резистор подается постоянное напряжение, напряжение на нем будет равно разнице между этим и опорным напряжением, в результате чего на вход будет поступать постоянный ток. Этот ток заряжает конденсатор обратной связи. В результате выходное напряжение операционного усилителя изменяется со стабильной скоростью, чтобы поддерживать постоянное инвертирующее входное напряжение.
Это может быть реализовано для создания генератора путем изменения полярности входного напряжения, когда выходное напряжение превышает входные пределы микросхемы таймера. Одна небольшая загвоздка заключается в том, что выходной сигнал интегратора реверсируется, при этом положительные входные сигналы падают, а отрицательные увеличиваются.
Должна быть инверсия полярности в определенный момент, чтобы построить работающий генератор с инвертирующей IC7556.
Двойной операционный усилитель, в котором последний инвертирует выход первого, является одним из способов достижения этого. Тем не менее, это требует добавления как минимум двух дополнительных резисторов, что может снизить частоту схемы.
Лучшее решение — использовать два таймера, причем второй служит инвертором для выхода первого. На рис. 1.5 изображена схема, работающая таким образом. IC1 является интегратором, имеющим резисторы R3 и R4, обеспечивающие опорное напряжение примерно 1/3 напряжения питания на его неинвертирующий входной контакт 3.
Напряжение, превышающее опорное, подаваемое на резистор R1, когда разрядный транзистор второго таймера, контакт 13, выключен, приведет к падению выходного сигнала IC1 со скоростью, определяемой входным напряжением и значениями Rt, R2 и конденсатор С1. Первый таймер переключает состояние, как только оно приближается к 1/3 напряжения питания, при этом выходной контакт 5 становится высоким.
Поскольку это связано с входами второго таймера, контакты 8 и 12, выход этого теперь становится низким, и разрядный транзистор, контакт 13, включается.
Выход интегратора начинает увеличиваться, поскольку он имеет очевидный отрицательный вход примерно в 1/3 от питания, связанного с R2. Два таймера снова меняются состояниями в тот момент, когда оно достигает 2/3 напряжения питания, и процесс продолжается. Время первой части цикла рассчитывается следующим образом:
t = C x R x V / E
Где C представляет C1, R1 представляет R1+ R2, V представляет 1/3 напряжения питания, а E представляет входное напряжение питания.
Аналогичное уравнение можно использовать для расчета времени второй части цикла в этой ситуации. Поскольку R сам по себе является R2, а значения V и E почти идентичны, время можно рассчитать следующим образом:
t = C1 x R2
Используя всего пару операционных усилителей CA3130, он по-прежнему способен демонстрировать передаточную характеристику линейности напряжения/частоты намного лучше, чем 0,5%, в то время как его температурный коэффициент остается ниже 0,01%/°C.
Работу схемы можно понять по следующим пунктам: IC1 работает как мультивибратор, управляемый напряжением. Предположим, что выходное напряжение IC1 в начале составляет +15 В, C1 начинает заряжаться через D3, R4 и P1 посредством составляющих постоянной времени (R4 + P1) C1.
C1 продолжает заряжаться до тех пор, пока потенциал на инвертирующем входе IC1 не превысит потенциал на неинвертирующем входе. На мгновение игнорируя диоды D1 и D2, мы получаем около 10 В, фиксируемых резистивной цепочкой делителей R1, R3 и R2.
Выход IC1 теперь мгновенно переключается на 0 В, а потенциал на неинвертирующем входе IC падает примерно до 5 В из-за гистерезиса R3.
Затем конденсатор C1 начинает разряжаться через выход IC2 со скоростью, зависящей от номинала резистора R7, и через выходное напряжение IC2. Это продолжается до тех пор, пока потенциал на инвертирующем входе IC1 не упадет ниже 5 В. Как только это произойдет, выход IC1 мгновенно снова возрастет до +15 В, и этот цикл будет повторяться.
Таким образом, форма сигнала, генерируемого на выходе IC1, представляет собой последовательность положительных импульсов с постоянным временным интервалом (T2), ширина импульса (T1) которого определяется выходным напряжением IC2.
Резистор R6 и конденсатор отвечают за фильтрацию выходного напряжения IC1, обеспечивая постоянное напряжение (V2), эквивалентное среднему значению сигнала IC1, которое можно выразить формулой:
V2 = 15 x T2 /T1
Учитывая, что T2 постоянна, V2 будет пропорциональна 1/T1, что означает, что она будет пропорциональна выходной частоте, генерируемой IC1. Управляющее напряжение V1 подается на инвертирующий вход IC2, который включен как интегрирующий компаратор.
Когда V1 ниже, чем V2, на выходе IC2 создается положительное линейное изменение. Это, в свою очередь, приводит к медленному разряду C1, в результате чего временной интервал T1 становится длиннее, а V2 уменьшается.
Когда V1 становится выше, чем V2, это приводит к тому, что выход IC2 формирует отрицательное линейное изменение (т.
е. в направлении нуля), заставляя C1 разряжаться быстрее и уменьшая T1.
Если V1 и V2 идентичны, напряжение от IC2 остается постоянным. Таким образом, схема VCO всегда стремится к равновесию, когда V1 = V2.
Тем не менее, учитывая, что V2 и выходная частота IC1 пропорциональны, это означает, что выходная частота IC1 также будет пропорциональна входному напряжению V1, учитывая, что V1 и V2 идентичны. Включены некоторые незначительные улучшения для повышения температурной стабильности генератора, управляемого напряжением.
Температурные коэффициенты D3 и D4 могут вызвать сбои из-за изменения периодов заряда и разряда C1, поэтому их влияние регулируется путем включения диодов с аналогичными характеристиками последовательно с резистором R3, чтобы обеспечить эквивалентное встречное отклонение опорного напряжения на неинвертирующем входе IC1.
Предварительная установка P2 может использоваться для настройки напряжения смещения IC2 на ноль. Предустановка P1 позволяет точно настроить коэффициент преобразования, который при указанных значениях может составлять примерно 1 кГц/вольт.
6) Простая линейная схема ГУН
На следующем рисунке показан еще один простой линейный ГУН. В дизайне можно увидеть пару буферизованных выходов, треугольник и прямоугольную волну. Точно так же частота колебаний определяется изменением выходного напряжения триггера Шмитта, IC2. При наличии стабилизированного источника питания эта схема работает превосходно.
Q1 можно заменить переключающим полевым транзистором для улучшения рабочих характеристик. Следовательно, деградация, вызванная напряжением насыщения и временем хранения, исключена. Высокочастотные характеристики также могут быть улучшены за счет высокоскоростных операционных усилителей на полевых транзисторах.
7) Применение ГУН: Вольтметр на основе звукового тона
Следующие концепции объясняют, как можно использовать ГУН для создания схемы вольтметра на основе звукового тона.
Схема тонового вольтметра изображена на рисунке ниже. Схема построена на интегральной схеме фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) CD4046B со встроенным генератором, управляемым напряжением (ГУН).