555-й таймер. Часть 2. Генератор прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью на таймере NE555
Итак, в первой статье о 555-м таймере мы разобрались как этот таймер работает и как сделать на нём генератор прямоугольных импульсов. Однако у рассмотренного в той статье генератора есть один минус — у него нельзя менять частоту и скважность импульсов. В сегодняшней статье мы разберёмся как эту проблему можно решить.
Изменим нашу схему так, как на рисунке 1. Сделаем резистор R2 переменным, сопротивление его нижней части обозначим через X (тогда сопротивление верхней части будет R2-X). Кроме того с помощью диодов разделим цепи заряда и разряда.
Теперь наш конденсатор заряжается по цепи R1→(R2-X)→D2, а разряжается по цепи D1→X.
Соответственно, длительность импульса (которая у нас определяется временем зарядки конденсатора) будет определяться формулой:
А длительность паузы (которая определяется временем разрядки конденсатора) будет определяться формулой:
Формула, определяющая период импульсов примет вид:
T = tи + tп = -ln(1/2)*(R1+R2)*C ≈ 0,693*(R1+R2)*C
Как видно из последней формулы, — период импульсов не зависит от положения ползунка переменного резистора R2, но, в тоже время, изменяя положение этого ползунка, мы можем изменять скважность.
Есть у этой схемы один недостаток. Мы не сможем увеличивать скважность до бесконечности, поскольку не сможем сделать минимальную длительность импульса равной нулю. Даже если выкрутить ползунок резистора R2 до упора вверх, то в цепи заряда останется ещё резистор R1, который мы никак не можем убрать или сделать очень маленьким, поскольку при разряде (когда транзистор на 7-й ноге микросхемы открыт на землю) резистор R1 оказывается включен между землёй и питанием.
Однако, увеличить скважность можно не только уменьшая резистор R1, но и увеличивая резистор R2. Тут ограничением является то, что при этом уменьшаются токи через резисторы, которые для нормальной работы схемы должны быть на пару порядков выше входных токов таймера (для клонов на биполярниках входные токи измеряются единицами микроампер) и, кроме того, увеличение резистора R2 ведёт к увеличению общего периода импульсов.
Источник
Обзор модуля генератора импульсов на NE555
Автор: Сергей · Опубликовано 08.06.2020 · Обновлено 08.04.2021
Сегодня расскажу о модуле генератора импульсов на микросхеме NE555 (YS-32), которая способна работать от 10 до 200 кГц. Данный модуль используется для намотки спидометра, ремонте и так далее.
Технические параметры
► Микросхема: NE555;
► Форма генерируемых импульсов: прямоугольные импульсы;
► Рабочее напряжение: 5-15 В;
► Диапазоны частот: 1-50Гц, 50Гц — 1кГц, 1-10кГц, 10-200 кГц;
► Потребляемый ток: 100 мА;
► Выходной ток: 35 мА;
► Размеры: 31 х 22 х 17 мм;
► Вес: 7 г.
Обзор модуля NE555
Модуль основан на микросхеме NE555, которая была выпущена еще в 1971 году, компанией Signetics и которая на сегодняшний день остается популярной. Сам модуль имеет небольшие размеры, всего 31 на 17 мм. Частота выходного сигнала регулируется с помощью потенциометра, в определенном диапазоне, который задается с помощью перемычек: 1-50Гц, 50Гц — 1кГц, 1-10кГц и 10-200 кГц. Вторым потенциометром регулируется скважность. Для подключения используется трех контактный штыревой разъем, шагом 2,54 мм.
Назначение контактов:
► GND – Вывод питания, земля.
► OUT – Сигнальный вывод.
► VCC – Вывод питания, от 5 до 15 В.
Принципиальная схема:
Показания осциллограмм выходного сигнала NE555
Покажу показания выходного сигнала снятые с помощью осциллографа, потенциометр частоты и скважности выкрутил на минимум и на максимум.
1. Перемычка установлен на 1 Гц — 50 Гц, потенциометры на минимуме.
2. Перемычка установлен на 50 Гц — 1 кГц, потенциометры на минимуме.
3. Перемычка установлен на 1 кГц — 10 кГц, потенциометры на минимуме.
4. Перемычка установлен на 10к Гц — 200 кГц, потенциометры на минимуме.
5. Перемычка установлен на 1 Гц — 50 Гц, потенциометр частоты на максимуме, а потенциометр скважности выкручен максимально (до спада импульса).
6. Перемычка установлен на 50 Гц — 1 кГц, потенциометр частоты на максимуме, а потенциометр скважности выкручен максимально (до спада импульса).
7. Перемычка установлен на 1 кГц — 10 кГц, потенциометр частоты на максимуме, а потенциометр скважности выкручен максимально (до спада импульса).
8. Перемычка установлен на 10 кГц — 200 кГц, потенциометр частоты на максимуме, а потенциометр скважности выкручен максимально (до спада импульса).
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.
Программа:
Скетч не сложный, просто считываем показания с аналогово порта А0 и полученные данные передаем в последовательный порт.
Источник
Генератор электрических импульсов на таймере 555
Электрический импульс — это кратковременный всплеск напряжения или силы тока. То есть это такое событие в цепи, при котором напряжение резко повышается в несколько раз, а затем так же резко падает к исходной величине. Самый понятный пример — электрический импульс, заставляющий наше сердце биться. Самое же большое количество импульсов возникает у нас в нервных клетках головного и спинного мозга. Мы мыслим и решаем уроки благодаря электрическим импульсам!
А что в электронике? В электронике импульсы применяются повсеместно. Например, в микроконтроллерах или даже в полноценных процессорах домашнего компьютера электрические импульсы задают ритм его работы. Они еще называются тактовыми, или синхро-импульсами. Порой быстродействие вычислительных машин сравнивают именно при помощи значений тактовой частоты.
Все данные внутри электронных устройств тоже передаются при помощи импульсов. Наш интернет, проводной и беспроводной, сотовая связь и даже пульт от телевизора — все используют импульсный сигнал. Попробуем выполнить несколько заданий и на собственном опыте понять особенности генерации электрических импульсов. А начнем мы со знакомства с их важными характеристиками.
1. Период и скважность импульсного сигнала
Представим себе, что мы готовимся к встрече Нового Года и нам просто необходимо сделать мигающую гирлянду. Поскольку мы не знаем, как заставить её мигать самостоятельно, сделаем гирлянду с кнопкой. Будем сами нажимать на кнопку, соединяя тем самым цепь гирлянды с источником питания и заставляя лампочки зажигаться.
Принципиальная схема гирлянды с ручным управлением будет выглядеть так:
Внешний вид макет
Собираем схему и проводим небольшой тест. Попробуем управлять гирляндой согласно нехитрому алгоритму:
- нажимаем на кнопку;
- ждем 1 секунду;
- отпускаем кнопку;
- ждем 2 секунды;
- переходим к пункту 1.
Это алгоритм периодического процесса. Нажимая на кнопку по алгоритму мы тем самым генерируем настоящий импульсный сигнал! Изобразим на графике его временную диаграмму.
У данного сигнала мы можем определить период повторения и частоту. Период повторения (T) — это отрезок времени, за который гирлянда возвращается в исходное состояние. На рисунке хорошо виден этот отрезок, он равен трем секундам. Величина обратная периоду повторения называется частотой периодического сигнала (F). Частота сигнала измеряется в Герцах. В нашем случае:
Период повторения можно разбить на две части: когда гирлянда горит и когда она не горит. Отрезок времени, в течение которого гирлянда горит называется длительностью импульса (t).
А теперь самое интересное! Отношение периода повторения (T) к длительности импульса (t) называется скважностью.
Скважность нашего сигнала равна S = 3/1 = 3. Скважность величина безразмерная.
В англоязычной литературе принят другой термин — коэффициент заполнения (Duty cycle). Это величина, обратная скважности.
В случае нашей гирлянды коэффициент заполнения равен:
D = 1 / 3 = 0.33(3) ≈ 33%
Этот параметр более нагляден. D = 33% означает, что треть периода занята импульсом. А, например, при D = 50% длительность высокого уровня сигнала на выходе таймера будет равна длительности низкого уровня.
2. 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.
Принципиальная схема
Внешний вид макета
Примечание. Конденсатор C2 в схеме можно не использовать.
В этой схеме есть три компонента без номиналов: резисторы Ra и Rb, а также конденсатор C1 (далее просто C). Дело в том, что именно с помощью этих элементов настраиваются нужные нам характеристики генерируемого импульсного сигнала. Делается это с помощью несложных формул, взятых из технической документации к микросхеме.
Здесь F — частота сигнала; T — период импульса; t — его длительность; Ra и Rb — искомые сопротивления. Исходя из этих формул, коэффициент заполнения не может быть меньше 50% (иначе мы получим отрицательное значение сопротивления). Вот это новость! А что же нам делать с гирляндой? Ведь согласно нашей постановке, коэффициент заполнения импульсного сигнала должен быть непременно 33%.
Чтобы обойти это ограничение имеется два способа. Первый способ заключается в использовании другой схемы подключения таймера. Существуют более сложные схемы, которые позволяют варьировать параметр D во всем диапазоне от 0 до 100%. Второй способ не требует переделки схемы. Мы просто-напросто инвертируем выход таймера!
Собственно, в предложенной выше схеме мы это уже и сделали. Вспомним, что катод светодиода мы соединили с выводом таймера. В этой схеме светодиод будет гореть, когда на выходе таймера будет низкий уровень.
Раз так, то нам нужно настроить сопротивления Ra и Rb схемы так, чтобы коэффициент заполнения D был равен 66.6%. Учитывая, что T = 3 сек, а D = 0.66, получаем:
Ra = 3*1.44*(2*0.66 — 1)/0.0001 = 13824 Ом
Rb = 3*1.44*(1-D)/0.0001 = 14688 Ом
На самом деле, если мы будет использовать более точные значения D, то получим Ra = Rb = 14400 Ом. Вряд ли мы найдем резистор с таким номиналом. Скорее всего нам потребуется поставить последовательно несколько резисторов, например: один резистор на 10 КОм и 4 штуки на 1 КОм. Для большей точности можем добавить еще два резистора по 200 Ом.
В результате должно получиться что-то подобное:
В этой схеме используются резисторы на 15 КОм.
3. Подключение группы светодиодов к таймеру 555
Теперь, когда мы научились задавать нужный ритм, соберем небольшую гирлянду. В новой схеме пять светодиодов будут включаться на 0.5 сек каждую секунду. Для такого ритма Ra = 0, Rb = 7.2 кОм. То есть, вместо резистора Ra мы можем поставить перемычку.
Выход микросхемы 555 слишком слабый для того, чтобы одновременно зажечь 5 светодиодов. А ведь в настоящей гирлянде их может быть штук 15, 20 и более. Чтобы решить эту проблему, используем биполярный транзистор, работающий с режиме электронного ключа. Возьмем самый распространенный NPN транзистор 2N2222. Также в этой схеме можно использовать полевой N-канальный транзистор, например 2N7000.
Нашим светодиодам потребуется токозадающий резистор. Суммарный ток пяти параллельно соединенных светодиодов должен быть равен I = 20 мА*5 = 100 мА. Напряжение питания всей схемы 9 Вольт. На светодиоде красного цвета напряжение падает на 2 Вольта. Таким образом закон ома на данном участке цепи имеет вид:
Округлим сопротивление до 100 Ом, которое можно получить параллельным соединением двух резисторов на 200Ом. А можно и вовсе оставить один резистор на 200Ом, просто светодиоды будут гореть немного тусклее.
Принципиальная схема
Внешний вид макета
Примечание. Конденсатор C2 в схеме можно не использовать.
Собираем схему, подключаем батарейку и наблюдаем за результатом. Если все работает как надо, закрепим полученные знания, сделав несколько забавных устройств.
Задания
- Генератор звука. В схеме гирлянды заменить группу светодиодов на пьезодинамик. Увеличить частоту звука, например, до 100 Гц. Если поднять частоту до 15 кГц, то можно будет отпугивать комаров!
- Железнодорожный светофор. Подключить к таймеру два светодиода таким образом, чтобы один соединялся с таймером катодом, а второй анодом. Установить частоту импульсов — 1 Гц.
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!
Источник