Генератор электрических импульсов на таймере 555

tttttttt Мастерская

Что такое генератор

Генератор производит преобразование в энергию, не поддающуюся затуханию, для расчета и частоты и образованной формы электрических колебаний.

Приспособление приобрело популярность среди начинающих создателей электронных устройств, разработчиков компьютерных девайсов и радиоприемников. Выходное напряжение получается из 3 форм: прямоугольник, синусоида и пила.

Источник электрического тока передает возбужденные волны контуру колебаний, поэтому образуются волновые движения. Они постепенно затухают, потому что сопротивление поглощает энергетическую волну. Во избежание затухания в контур подается дополнительная энергия для восполнения потерянной. Такая процедура проводится с использованием положительной обратной связи. С помощью связи в контур поступает частица сигнала, совпадающего с колебанием обратной связи.

Такой прибор, как генератор сигналов на Ардуино, легко сделать в домашних условиях. Основа конструкции – микроконтроллер Arduino.

Описание генератора прямоугольных импульсов на NE555

555 — аналоговая интегральная микросхема, универсальный таймер — устройство для формирования (генерации) одиночных и повторяющихся  импульсов со стабильными временными характеристиками. Применяется для построения различных генераторов, модуляторов, реле времени, пороговых устройств и прочих узлов электронной аппаратуры. В качестве примеров применения микросхемы-таймера можно указать функции восстановления цифрового сигнала, искаженного в линиях связи, фильтры дребезга, двухпозиционные регуляторы в системах автоматического регулирования, импульсные преобразователи электроэнергии, устройства широтно-импульсного регулирования, таймеры и др.

В данной статье расскажу о построении генератора на этой микросхеме. Как написано выше мы уже знаем что микросхема формирует повторяющиеся импульсы со стабильными временными характеристиками, нам это и нужно.

Схема включения в астабильном режиме. На рисунке ниже это показано.

Генератор электрических импульсов на таймере 555

Так как у нас генератор импульсов, то мы должны знать их примерную частоту. Которую мы рассчитываем по формуле.

Генератор электрических импульсов на таймере 555

Значения R1 и R2 подставляются в Омах, C – в фарадах, частота получается в Герцах.
Время между началом каждого следующего импульса называется периодом и обозначается буковкой t. Оно складывается из длительности самого импульса – t1 и промежутком между импульсами – t2. t = t1+t2.

Частота и период – понятия обратные друг другу и зависимость между ними следующая:
f = 1/t.
t1 и t2 разумеется тоже можно и нужно посчитать. Вот так:
t1 = 0.693(R1+R2)C;
t2 = 0.693R2C;

С теорией закончили так что приступим к практике.

Разработал простенькую схему с доступными всем деталями.

Генератор электрических импульсов на таймере 555

Расскажу о ее особенностях. Как уже многие поняли, переключатель S2 используется для переключения рабочей частоты. Транзистор КТ805 используется для усиления сигнала (установить на небольшой радиатор). Резистор R4 служит для регулировки тока выходного сигнала. Сама микросхема служит генератором. Скважность и частоту рабочих импульсов изменяем резисторами R3 и R2. Диод служит для увеличения скважности(можно вообще исключить). Также присутствует шунт и индикатор работы, для него используется светодиод со встроенным ограничителем тока(можно использовать обычный светодиод ограничив ток резистором в 1 кОм). Собственно это все, далее покажу как выглядит рабочее устройство.

Вид сверху, видны переключатели рабочей частоты.

Генератор электрических импульсов на таймере 555

Снизу прикрепил памятку.

Генератор электрических импульсов на таймере 555

Данными подстроечными резисторами регулируется скважность и частота (на памятке видно их обозначение).

Генератор электрических импульсов на таймере 555

Сбоку выключатель питания и выход сигнала.

Генератор электрических импульсов на таймере 555

Принцип работы генератора прямоугольных импульсов

Принцип работы генератора прямоугольных импульсов заключается в генерации прямоугольных импульсов заданной длительности и частоты. Основным элементом генератора прямоугольных импульсов является инвертор, который переключает выходной сигнал между двумя уровнями напряжения — «0» и «1». Входной сигнал подается на инвертор через задерживающую цепь, которая обеспечивает задержку сигнала на время, необходимое для формирования прямоугольного импульса.

Пример конструкции генератора прямоугольных импульсов на мультивибраторе на элементах ИС представлен на рисунке ниже:

В данной схеме мультивибратор состоит из двух инверторов, соединенных в цепочку обратной связи. При определенных условиях мультивибратор переходит в режим самовозбуждения, что приводит к генерации прямоугольных импульсов на его выходе.

Для расчета параметров генератора прямоугольных импульсов необходимо учитывать ряд факторов, таких как частота генерируемых импульсов, длительность импульсов, амплитуда сигнала и т.д. Одним из основных параметров генератора прямоугольных импульсов является его частота. Частота генерируемых импульсов зависит от параметров задерживающей цепи и элементов мультивибратора. Формула для расчета частоты импульсов может быть выражена следующим образом:

f = 1 / (2 * R * C * ln(1 + K))

где f — частота импульсов, R — сопротивление задерживающей цепи, C — ее емкость, K — коэффициент усиления мультивибратора.

Таблица со значениями параметров задерживающей цепи и элементов мультивибратора для получения частоты генерируемых импульсов 1 кГц представлена ниже:

Параметр значение

R 1 кОм
C 1 нФ
K 15

Таким образом, подставив значения параметров в формулу, мы можем рассчитать, что частота генерируемых импульсов будет равна:

f = 1 / (2 * 1000 Ом * 1 нФ * ln(1 + 15)) = 1 кГц

Примеры применения генератора прямоугольных импульсов включают формирование сигналов для передачи данных по каналам связи, управление различными устройствами, обработку сигналов в аналоговых устройствах и т.д.

В целом, генератор прямоугольных импульсов является важным компонентом в электронике и его применение может быть найдено во многих областях. Расчеты параметров и использование таблиц позволяют точно настроить генератор прямоугольных импульсов для нужд конкретного приложения.

Конструкция генератора прямоугольных импульсов

Конструкция генератора прямоугольных импульсов может иметь различные варианты в зависимости от применения и требуемых параметров. Одним из наиболее распространенных вариантов является генератор на мультивибраторе на элементах ИС, который был рассмотрен в предыдущем ответе.

Однако, в общем случае конструкция генератора прямоугольных импульсов включает в себя задерживающую цепь и инвертор, а также дополнительные элементы, такие как резисторы, конденсаторы и транзисторы, если требуется управление частотой и длительностью импульсов.

Например, конструкция генератора прямоугольных импульсов на транзисторах может выглядеть следующим образом:

В данной схеме задерживающая цепь состоит из резистора R1 и конденсатора C1, а транзисторы Q1 и Q2 служат для управления выходным сигналом. Когда на вход задерживающей цепи подается импульс, конденсатор C1 начинает заряжаться через резистор R1. Когда напряжение на конденсаторе достигает определенного значения, транзистор Q1 открывается и выходной сигнал переключается на «1». Затем, когда напряжение на конденсаторе опускается до определенного уровня, транзистор Q2 открывается и выходной сигнал переключается на «0». Таким образом, на выходе формируется прямоугольный импульс.

Для настройки параметров генератора прямоугольных импульсов необходимо учитывать значения сопротивлений, емкостей и коэффициентов усиления транзисторов. Расчеты параметров могут быть выполнены с использованием специальных формул и таблиц.

Пример таблицы со значениями параметров для генератора прямоугольных импульсов на транзисторах представлен ниже:

Параметр значение

R1 1 кОм
C1 1 нФ
β 100

Значение коэффициента усиления транзистора (β) зависит от типа транзистора и может быть найдено в его спецификациях.

Таким образом, подставив значения параметров в формулы, можно рассчитать параметры генератора прямоугольных импульсов, такие как частота, длительность и форма импульсов.

В целом, конструкция генератора прямоугольных импульсов может иметь различные варианты в зависимости от нужд конкретного приложения. Расчеты параметров и использование таблиц позволяют точно настроить генератор прямоугольных импульсов для требуемых параметров и условий эксплуатации.

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.

Расчеты параметров генератора прямоугольных импульсов

Для расчета параметров генератора прямоугольных импульсов необходимо учитывать ряд факторов, таких как частота генерируемых импульсов, длительность импульсов, амплитуда сигнала и т.д. Одним из основных параметров генератора прямоугольных импульсов является его частота.

Для расчета частоты импульсов можно использовать формулу:

f = 1 / (2 * R * C * ln(1 + K))

где f — частота импульсов, R — сопротивление задерживающей цепи, C — ее емкость, K — коэффициент усиления мультивибратора.

Например, если мы хотим создать генератор прямоугольных импульсов с частотой 1 кГц, используя мультивибратор на элементах ИС с коэффициентом усиления K = 15 и сопротивлением задерживающей цепи R = 1 кОм, то можем рассчитать емкость задерживающей цепи следующим образом:

C = 1 / (2 * R * f * ln(1 + K)) = 1 нФ

Таблица со значениями параметров задерживающей цепи и элементов мультивибратора для получения частоты генерируемых импульсов 1 кГц приведена ниже:

Параметр значение

R 1 кОм
C 1 нФ
K 15

Кроме частоты, другим важным параметром генератора прямоугольных импульсов является длительность импульсов. Длительность импульсов зависит от времени зарядки и разрядки задерживающей цепи, а также от времени нарастания и спада выходного сигнала. Для расчета длительности импульсов можно использовать формулу:

t = ln(2) * R * C

где t — длительность импульса, R — сопротивление задерживающей цепи, C — ее емкость.

Например, если мы используем задерживающую цепь с сопротивлением R = 1 кОм и емкостью C = 1 нФ, то можем рассчитать длительность импульса:

t = ln(2) * 1 кОм * 1 нФ = 0.693 мкс

Также для расчета параметров генератора прямоугольных импульсов может использоваться таблица со значениями параметров элементов схемы. Например, таблица с параметрами для генератора на мультивибраторе на элементах ИС может выглядеть следующим образом:

Параметр значение

R1 1 кОм
C1 1 нФ
R2 1 кОм
C2 1 нФ
K 15

Значения параметров могут быть изменены в зависимости от требований к генератору прямоугольных импульсов и условий эксплуатации.

В целом, расчеты параметров генератора прямоугольных импульсов могут быть выполнены с использованием специальных формул и таблиц, что позволяет точно настроить генератор прямоугольных импульсов для нужд конкретного приложения.

Подключение модуля NE555 к Arduino

Необходимые детали:
► Arduino UNO R3 x 1 шт.
► Генератор импульсов на NE555 (от 1 Гц до 200 кГц ) x 1 шт.
► Провода DuPont M-F, 20 см x 1 шт.

Подключение:
Для наглядности подключим модуль генератора импульсов NE555 к аналоговому выводу Arduino, принципиальная схема подключена показана ниже.

Генератор электрических импульсов на таймере 555

Программа:
Скетч не сложный, просто считываем показания с аналогово порта А0 и полученные данные передаем в последовательный порт.

<текстареа wrap=”soft” class=”crayon-plain print-no” data-settings=”dblclick” readonly=”” style=”-moz-tab-size:4; -o-tab-size:4; -webkit-tab-size:4; tab-size:4; font-size: 12px !important; line-height: 15px !important;”> /* Тестировалось на Arduino IDE 1.8.5 Дата тестирования 08.06.2020г. */ void setup() { Serial.begin(9600); // Открываем последовательный порт pinMode(A0, INPUT); // Задаем A0 как вход } void loop() { int val; // Создаем переменную val = analogRead(A0); // Считываем показания с вывода А0 Serial.println(val, DEC); // Отправка данных в последовательный порт delay(100); // Пауза 100 мкс }

1234567891011121314151617 /*  Тестировалось на Arduino IDE 1.8.5  Дата тестирования 08.06.2020г.*/ voidsetup(){  Serial.begin(9600);         // Открываем последовательный порт  pinMode(A0,INPUT);         // Задаем A0 как вход}voidloop(){  intval;                    // Создаем переменную  val=analogRead(A0);       // Считываем показания с вывода А0  Serial.println(val,DEC);   // Отправка данных в последовательный порт  delay(100);                 // Пауза 100 мкс}

Генератор электрических импульсов на таймере 555
Открываем «Плоттер по последовательному соединению«, где можно получить показания в виде графика.

Генератор электрических импульсов на таймере 555
Генератор электрических импульсов на таймере 555

Цоколевка

Распиновка NE555 остается неизменной на протяжении долгих лет её использования в различных приложениях. Классическая версия выпускается приимущественно в пластиковом корпусе DIP-8. Оформление для поверхностного монтажа (SOP-8, SOIC-8) появились значительно позже. Однако расположение выводов осталось прежним: 1 (земля, минус); 2 (запуск); 3 (выход); 4 (сброс); 5 (контроль); 6 (останов); 7 (разряд); 8 (плюс источника питания). Первый из них всегда маркируется небольшим круглым углублением или выпуклой точкой.

Генератор электрических импульсов на таймере 555

Раньше существовала версия в круглом металлическом корпусе (LM555CH), но её уже давно никто не изготавливает. Структурно представляет собой управляющий RS-триггер, два компаратора, разрядный транзистор для времязадающего конденсатора и инвертирующий усилитель.

Примеры применения генератора прямоугольных импульсов

Генераторы прямоугольных импульсов имеют широкий спектр применения в различных областях, включая электронику, телекоммуникации, измерительную технику, автоматику и т.д. Ниже приведены некоторые примеры применения генераторов прямоугольных импульсов:

  1. Цифровые схемы и логические устройства
    Генераторы прямоугольных импульсов широко используются в цифровых схемах и логических устройствах для создания тактовых сигналов и импульсов управления. Например, для работы микропроцессоров, микроконтроллеров и других цифровых устройств используются тактовые генераторы, которые создают прямоугольные импульсы определенной частоты и длительности.
  2. Генерация модулированных сигналов
    Генераторы прямоугольных импульсов также используются для генерации модулированных сигналов, например, амплитудно-модулированных (АМ) или частотно-модулированных (ЧМ) сигналов. Для этого генератору необходимо изменять длительность импульсов в соответствии с модулирующим сигналом.
  3. Измерительная техника
    Генераторы прямоугольных импульсов используются в измерительной технике для создания импульсных сигналов, которые могут быть использованы для измерения параметров сигналов, таких как амплитуда, частота, фаза и т.д. Например, для измерения времени отклика электронных устройств используются импульсы с быстрым нарастанием и спадом.
  4. Тестирование и отладка электронных устройств
    Генераторы прямоугольных импульсов также используются для тестирования и отладки электронных устройств. Например, для проверки работы цифровых схем и логических устройств используются импульсы определенной частоты и длительности.

Для каждого конкретного применения генератора прямоугольных импульсов необходимо выбрать соответствующие параметры генератора, такие как частота, длительность, амплитуда и форма импульсов. Расчеты параметров могут быть выполнены с использованием формул и таблиц, а также опытным путем на основе экспериментальных данных.

Например, для создания генератора прямоугольных импульсов с частотой 1 кГц и длительностью 1 мс можно использовать задерживающую цепь с сопротивлением 1 кОм и емкостью 1 мкФ. Длительность импульса будет равна:

t = ln(2) * R * C = 0.693 * 1 кОм * 1 мкФ = 0.693 мс

Таблица со значениями параметров для такого генератора приведена ниже:

Параметр значение

R 1 кОм
C 1 мкФ
f 1 кГц
t 0.693 мс

Таким образом, генератор прямоугольных импульсов с такими параметрами может быть использован в различных приложениях, включая тестирование и отладку электронных устройств, создание модулированных сигналов и т.д.

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.

Если к выходу добавить еще RC-цепь (выделено красным цветом), то выходной сигнал по форме будет приближен к синусоиде.

Генератор высокой частоты на NE555

Для таймера NE555 – частота в 360кГц является максимальной, поскольку при увеличении ее, работа схемы становится нестабильной.

Генератор низкой частоты на NE555

Генератор низкой частоты по сути своей являются таймером времени. Увеличивая емкость электролитического конденсатора можно растянуть временной интервал. При интервале более 30 минут, показания схемы будут неточными.

Регулируемый генератор прямоугольных импульсов на NE555

Данная схема позволяет устанавливать на выходе таймера необходимую частоту генератора в пределах от 1 Гц до 100 кГц.

Проверка работоспособности

Для своих самоделок NE555 можно выпаять из старого, ненужного или уже неисправного оборудования. Она встречается в пультах управления, термостатах, терморегуляторах, ёлочных гирляндах, светомузыкальных и различных устройствах с временной задержкой включения, автомобильных тахометрах и др. Если повезло и Вам удалось найти её, то перед использованием в своих электронных конструкциях, необходимо определить её на работоспособность.

Проверить мультиметром не получится. Поэтому для этих целей обычно используют простенький тестер – он же «мигалка на светодиодах». Если после подключения питания оба диода поочередно помигивают, то NE-шка рабочая. В противном случае – неисправна.

Генератор электрических импульсов на таймере 555

К размышлению

Как уже говорилось, таймер 555 — очень популярная микросхема. Это объясняется тем, что большинству электронных устройств свойственны периодические процессы. Любой звук — это периодический процесс. ШИМ сигнал, управляющий скоростью двигателя — тоже периодический, причем с изменяющимся коэффициентом заполнения. И как уже говорилось, работа любого микроконтроллера и процессора основана на тактовом сигнале, имеющем очень точную частоту.

На следующем уроке мы сделаем бинарные часы с помощью таймера и двоичного счетчика. Будет немного сложнее, но интереснее!

Источники
  • https://ArduinoPlus.ru/generator-chastoti-arduino/
  • https://cxem.net/beginner/beginner127.php
  • https://Elektrik-a.su/elektrooborudovanie/generatory/generator-pryamougolnyh-impulsov-1800
  • https://IronPlast.ru/o-materialah/generator-na-ne555.html
  • https://robotchip.ru/obzor-modulya-ne555/
  • https://www.joyta.ru/5022-primery-primeneniya-tajmera-ne555-chast-2/

Как вам статья?

Павел
Павел
Бакалавр "210400 Радиотехника" – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Написать
Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы

Оцените статью
Полезная Электроника