Генератор прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью

Генератор прямоугольных импульсов — это базовое электронное устройство, с которого начинается понимание цифровой электроники и ШИМ-управления. Он формирует импульсный сигнал с заданной частотой и скважностью, позволяя управлять мощностью, скоростью и логическими процессами в электронных схемах. В этой статье на понятных примерах объясняется, что такое скважность, как работает генератор импульсов, из каких компонентов он состоит и как своими руками собрать генератор прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью для практики и обучения.

Генератор импульсов — что это такое

Генератор импульсов представляет собой электронный модуль, который создаёт повторяющийся импульсный сигнал с определёнными характеристиками: частотой следования, уровнем напряжения, временем включенного состояния. В составе электронных устройств такой генератор выполняет роль источника синхронизации, управляющего воздействия или контрольного сигнала, необходимого для корректной работы и проверки схем.

На практике наиболее распространен генератор прямоугольных импульсов, который формирует сигнал с чётко выраженными логическими уровнями «0» и «1». Такая форма сигнала особенно удобна для цифровой электроники, так как легко воспринимается логическими элементами, микросхемами и микроконтроллерами. Прямоугольные импульсы применяются в схемах управления, системах тактирования, формирователях сигналов, а также в ШИМ-регуляторах для управления мощностью, скоростью и яркостью нагрузки.

Прямоугольные импульсы и их основные параметры

Прямоугольный импульсный сигнал описывается рядом технических характеристик, по которым оцениваются его параметры и пригодность для использования в электронных устройствах:

• период сигнала T — интервал времени, за который формируется один полный цикл импульса;
• частота прямоугольных импульсов f — количество импульсов, возникающих за одну секунду работы генератора;
• амплитуда импульсного сигнала — уровень напряжения, соответствующий логическим состояниям «0» и «1»;
• длительность импульса t — время нахождения сигнала в активном, включенном состоянии;
• фронт и спад импульса — показатели быстроты перехода между низким и высоким логическими уровнями;
• скважность и коэффициент заполнения — параметры, показывающие долю активного импульса относительно всего периода.

Именно совокупность этих характеристик формирует временную диаграмму прямоугольного сигнала, влияет на устойчивость частоты и определяет возможность применения генератора импульсов в конкретных электронных схемах и практических устройствах.

Изучение генератора сигналов

Что такое скважность и коэффициент заполнения

Как только звучит слово «скважность», опытный электронщик понимает, речь идёт о прямоугольных импульсах. Другие виды сигналов (синусоидальный, пилообразный и пр.) не имеют этого параметра. Если представить длительность положительного прямоугольного импульса как t, а период прямоугольного сигнала как T, то соотношение T / t = S, это и есть скважность.

Существует и обратная величина t / T = D, которую называют «коэффициентом заполнения». Также часто можно услышать термин «заполняемость» и, как правило, его представляют в процентах, а именно, D = t / T * 100%.

Примечание: В – Duty cycle (англ.).

Прямоугольный сигнал, у которого скважность S = 2 (а заполняемость, соответственно, D = 50%) называют «меандром». Термин «заполняемость» удобно и даже считается хорошим тоном использовать в тех случаях, когда требуется учитывать среднеквадратичную энергию, передаваемую прямоугольным сигналом, например, в электронагревательных приборах, в схемах управления мощностью.

Скважность и заполняемость прямоугольного сигнала

ШИМ — широтно-импульсная модуляция

Принудительное управление скважностью прямоугольного сигнала принято называть Широтно-Импульсной Модуляцией (ШИМ), а устройство, модулирующее прямоугольный сигнал и управляющее длительностью положительного импульса — ШИМ-контроллером.

PWM-контроллеры широко применяются, например, в импульсных источниках питания, для управления яркостью освещения и скоростью вращения электродвигателей. С помощью этих контроллеров также задаётся положение управляющих рычагов рулевых машинок (сервоприводов) авиамоделей.

Генератор прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью своими руками

В сети Интернет можно встретить разные схемы генераторов прямоугольных импульсов, например, весьма популярны микросхемы-одновибраторы NE555. Мы же будем использовать то, что есть под рукой, простые логические микросхемы КМОП-серии. Эти микросхемы удобны в применении; экономичны с точки зрения энергопотребления, имеют широкий диапазон питающих напряжений (от 3-х до 15-и вольт), не боятся короткого замыкания входов и выходов на землю или вывод питания, например, к выходам этих микросхем можно напрямую подключать светодиоды без токоограничивающих резисторов. Любой выход микросхемы – это источник тока ~ 3 мА. Если нужен ток побольше, его можно увеличить, используя простейший ключ на n-p-n биполярном (или n-канальном MOSFET) транзисторе, подключив базу (затвор) к выходу микросхемы, эмиттер (исток) – к минусовому контакту источника питания, а нагрузку – к коллектору (стоку) этого транзистора.

У нас под рукой оказалось несколько микросхем:

CD4001 – 4 элемента 2ИЛИ-НЕ,

CD4011– 4 элемента 2И-НЕ,

CD4069– 6 элементов НЕ,

На макетной плате, используя микросхему CD4011, соберём следующую схему генератора прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью:

Схема генератора прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью на микросхеме CD4011

Для этого нам понадобятся:

Входы каждого элемента 2И-НЕ микросхемы соединены между собой, т.е. каждый элемент работает в режиме инвертора (элемент НЕ), если на его входе 0, то на выходе – 1, если на входе 1, то на выходе – 0. Ноль (0) – это низкий уровень логического сигнала, например, «-», «VSS» или «GND», а единица (1) — это «+», «VCC» или «VDD».

4 элемента нашей микросхемы соединены последовательно по принципу «выход подключен к входу». Собственно сам генератор – это элементы DD1.1 и DD1.2, а элементы DD1.3 и DD1.4 работают как повторители для улучшения формы прямоугольного сигнала. Без них наш генератор продолжит работать без проблем. При необходимости, элементы DD1.3 и DD1.4 можно также использовать для создания второго независимого генератора.

Схема генератора прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью на макетной плате

Принцип работы схемы генератора импульсов

Работает схема так: к моменту подачи питания на схему конденсатор С1 разряжен, а на выходах микросхемы 1-2, 4 и 3, 5-6 появляются значения противоположного логического уровня (если выводы 1-2 и 4 в нуле, то на выводах 3 и 5-6 – единица, и наоборот). Из-за разницы потенциалов на этих группах выводов конденсатор С1 начинает заряжаться через один из диодов VD1 или VD2 и через верхнее или нижнее плечо переменного резистора R1. Как только конденсатор зарядился, на входах 1-2 микросхемы логический уровень меняется на противоположный (был ноль – стала единица, и наоборот). Конденсатор C1 начинает менять потенциал на своих выводах на противоположный через один из встречно подключенных диодов и нижнее или верхнее плечо переменного резистора R1, что приводит к смене логического уровня на входах 1-2 микросхемы спустя некоторое время. Процесс повторяется раз за разом, и происходит генерация непрерывного прямоугольного сигнала нашим генератором.

Процесс заряда и разряда времязадающего конденсатора С1 представлен на осциллограмме на входах 1-2 микросхемы.

Осциллограмма заряда и разряда времязадающего конденсатора генератора прямоугольных сигналов

Расчёт частоты и скважности импульсов

Время заряда и разряда конденсатора зависит от его ёмкости и от положения движка переменного резистора R1. Частота генератора зависит от ёмкости конденсатора С1 и номинала резистора R1. Приблизительно частоту генератора можно вычислить по формуле: F = 1 / C*R, где F — частота в Гц, C — ёмкость в мкФ, R – сопротивление в мОм. От положения движка резистора зависит скважность сигнала, что хорошо видно на экране осциллографа.

Низкая заполняемость прямоугольного сигнала на выходе генератора

Высокая заполняемость прямоугольного сигнала на выходе генератора

Если за основу схемы взять микросхему CD4069 (6 элементов НЕ), у нас появляется возможность собрать сразу два генератора с регулируемой скважностью; одним, например, мы можем управлять рулевой машинкой для изменения положения передних колес модели автомобиля, а другим, используя ШИМ, управлять скоростью вращения задних колёс этой модели.

Практические рекомендации и выводы

• Генератор прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью является универсальным инструментом для радиолюбителей, инженеров и специалистов по ремонту электроники. Он позволяет на практике изучить формирование импульсных сигналов, принципы ШИМ и базовые элементы цифровой схемотехники.
• Самостоятельная сборка и настройка генератора импульсов существенно повышает понимание электронных процессов, работы RC-цепей и логических элементов, а также является важным этапом профессионального обучения электронике.
• Для надёжного практического применения данной схемы рекомендуется использовать дополнительный резистор (на схеме не показан) сопротивлением ~ 500Ом, подключенный между выводами 1-2 микросхемы и выводом «со стрелкой» переменного резистора R1, т.к. в крайних положениях движка резистора R1 работа нашего генератора может срываться или переходить в неконтролируемое состояние.
• На очных занятиях по электронике работа генератора прямоугольных импульсов изучается: с использованием осциллографа, измерительных приборов и реальных схем. Обучающиеся наглядно видят влияние частоты и скважности на форму сигнала, что ускоряет освоение практических навыков и понимание принципов работы электронных устройств.