Дано описание микросхемы 222 – генератора с независимой регулировкой частоты и коэффициента заполнения выходных импульсов. Микросхема имеет 6 выводов и способна выполнять свои функции всего при трёх навесных элементах. Приведены примеры возможного практического применения этой микросхемы в аналоговой и цифровой схемотехнике.
В 1971 г. швейцарский инженер-электрик и изобретатель Ганс Рудольф Каменцинд (Hans Rudolf Camenzind, 1934–2012) по контракту с компанией Signetics Corporation (США), затем Philips (Нидерланды) разработал универсальную интегральную микросхему-таймер 555 (The IC Time Machine), предназначенную для формирования одиночных и повторяющихся импульсов. Таймер 555 содержит два аналоговых компаратора, асинхронный RS-триггер, резистивный делитель напряжения и ряд других элементов [1, 2].
Микросхему 555 и её многочисленные аналоги применяют для создания таймеров, генераторов, устройств широтно-импульсного регулирования, модуляторов, пороговых устройств, реле времени, в преобразователях напряжения, системах автоматического регулирования и т.д.
Через полвека с момента создания микросхемы 555 автором настоящей статьи была предложена её альтернатива – микросхема 222, основное назначение которой – генерация широтно-импульсно модулированного (ШИМ) сигнала с независимой регулировкой частоты.
Отметим, что решение подобной задачи при помощи микросхемы 555 напрямую невозможно.
В отличие от микросхемы 555 микросхема 222 выполнена по более простой схеме (Рисунок 1): она содержит вдвое меньше деталей – в том числе всего два компаратора и 5 резисторов, выполняя практически все те же функции, что и её предшественница.
![]() | ||
Рисунок 1. | Внутренняя структура микросхемы 222 и простейшая схема ШИМ-генератора с независимым регулированием частоты. |
Большим преимуществом микросхемы 222 является то, что она имеет только 6 выводов (Рисунок 1) и может поместиться в корпус типа DIP6 (у микросхемы 555 8 выводов), а устанавливаться в панельку DIP8. В корпусе DIP14 поместятся три полноценных элемента микросхемы 222 или два элемента микросхемы 555 (микросхема 556).
Внутреннее строение микросхемы 222 показано на Рисунке 1. Вывод 1 микросхемы – выход сигнала прямоугольной формы (OUT); вывод 2 – вход, к которому подключается времязадающий конденсатор (Cx); вывод 3 – общий провод (GND); вывод 4 – выход ШИМ-сигнала (OUT PWM); вывод 5 – управление шириной выходного сигнала (ADJ) и вывод 6 – напряжение питания (Vcc).
Простейшая схема ШИМ-генератора с независимой регулировкой частоты (Рисунок 1) содержит всего 3 навесных элемента. Это времязадающие конденсатор C1 и потенциометр R1 (регулировка частоты), а также потенциометр R2, регулирующий коэффициент заполнения импульсов (КЗИ) от 0 до 100%. Положительным свойством микросхемы 222 является то, что при изменении напряжения источника питания КЗИ выходного сигнала и его частота не изменяются.
Рассмотрим основные разновидности схем, в которых может быть использована микросхема 222. В тестовой модели микросхемы 222 (программный пакет NI Multisim) использован компаратор LM339 и 5 резисторов номиналом по 10 кОм. Питание устройств производится от источника напряжением 12 В, хотя сама модель микросхемы работоспособна в диапазоне питающих напряжений от 2 до 36 В (для микросхемы 555 диапазон питающих напряжений от 4.5 до 18 В).
ШИМ-генератор с независимой регулировкой частоты (Рисунок 2) представлен в двух вариантах обозначения микросхемы 222. В отличие от предыдущей схемы (Рисунок 1) генератор содержит дополнительные элементы – резистор R2, ограничивающий верхнюю частоту генерации, а также резисторы R3 и R4, обеспечивающие изменение напряжения на входе ADJ микросхемы в пределах от 0.33 до 0.6 от напряжения питания Vcc при регулировке потенциометра R5 (регулировка КЗИ от 0 до 100%). Именно в таких пределах изменяется по пилообразному закону напряжение на конденсаторе C1. С выхода OUT и OUT PWM снимаются сигналы прямоугольной формы амплитудой 0.8Vcc и ≈ Vcc, соответственно.
![]() | ||
Рисунок 2. | ШИМ-генератор с независимым регулированием частоты. |
Частоту генерации можно регулировать потенциометром R1 в пределах от 1.05 до 10.5 кГц.
Генератор импульсов (Рисунок 3) для разряда конденсатора C1 использует внешний транзистор VT1 BC557. Для этого с вывода 1 микросхемы 222 снимается импульсный сигнал с КЗИ, близким к 99%, и через резистор R3 подаётся на базу транзистора VT1. С вывода 4 снимается ШИМ-сигнал частотой от 0.7 до 4.1 кГц (регулировка потенциометром R1) с возможностью регулирования потенциометром R6 КЗИ от 0 до 100%.
![]() | ||
Рисунок 3. | Генератор импульсов. |
Генератор импульсов на два выхода с раздельно регулируемыми коэффициентами заполнения импульсов (Рисунок 4) обладает уникальной особенностью. С вывода 1 микросхемы можно снимать ШИМ-сигнал, регулировка КЗИ которого производится потенциометром R4; с вывода 4 – ШИМ-сигнал той же частоты с регулировкой КЗИ потенциометром R5. К недостаткам устройства стоит отнести то, что при регулировке потенциометра R4 частота генерации изменяется в пределах от 2 до 3 кГц.
![]() | ||
Рисунок 4. | Генератор импульсов на два выхода с раздельно регулируемыми коэффициентами заполнения импульсов. |
Многоканальный ШИМ-регулятор (Рисунок 5) при использовании n микросхем 222 позволяет получать n раздельно регулируемых ШИМ каналов управления. В примере (Рисунок 5) показаны лишь три канала. При необходимости частоту генерации можно плавно или ступенчато регулировать за счёт цепи R1C1.
![]() | ||
Рисунок 5. | Многоканальный ШИМ-регулятор. |
Генератор пилообразных и прямоугольных импульсов (Рисунок 6) содержит токовое зеркало на транзисторах VT1 и VT2 BC558 в зарядной цепи времязадающего конденсатора C1. Генератор (вывод 2) позволяет получить линейно нарастающий во времени сигнал, который резко обрывается в конце цикла. С вывода 1 снимается сигнал прямоугольной формы с КЗИ, близким к 50%. С выхода 4 – ШИМ-сигнал с возможностью плавного регулирования КЗИ от 0 до 100%. Частота генератора регулируется потенциометром R3 от 880 до 2100 Гц.
![]() | ||
Рисунок 6. | Генератор пилообразных и прямоугольных импульсов. |
Генератор синусоидальных колебаний (Рисунок 7) выполнен с использованием двойного Т-моста на конденсаторах C1–C3 и резисторах R4–R6. С вывода 4 микросхемы 222 снимается сигнал синусоидальной формы частотой 1060 Гц и амплитудой 5.3 В, коэффициент нелинейных искажений (КНИ) 0.1%.
![]() | ||
Рисунок 7. | Генератор синусоидальных колебаний. |
Генератор (Рисунок 8) имеет фазосдвигающую цепочку R3–R5, C1–C3. С вывода 2 снимается сигнал синусоидальной формы частотой 500 Гц амплитудой 270 мВ, КНИ менее 4%. С вывода 4 одновременно можно снимать сигналы прямоугольной формы.
![]() | ||
Рисунок 8. | Генератор синусоидальных колебаний с фазосдвигающей цепочкой. |
Функциональный генератор (Рисунок 9) является развитием схемы генератора синусоидальных колебаний (Рисунок 8). Сигнал треугольной формы формируется при помощи цепочки R7C4: резистор R7 служит генератором стабильного тока. В состав формирователя треугольного сигнала также входят транзистор VT1 BC547 и светодиод голубого свечения HL1 (может быть заменён низковольтным стабилитроном). С коллектора транзистора VT1 снимается сигнал треугольной формы амплитудой 1 В.
![]() | ||
Рисунок 9. | Функциональный генератор. |
Кольцевой генератор импульсов (Рисунок 10) может быть выполнен на нечётном количестве микросхем 222 (3, 5, 7 …). С выходов генератора можно снимать соответствующее количество фаз. В частности, при наличии трёх микросхем – трёхфазный сигнал с перекрытием фаз во времени. Частота генератора F[кГц] = 0.33/(R[Ом]C[Ф]) определяется RC-постоянными времязадающих цепочек, где R = R1 = R2 = R6, C = C1 = C2 = C3. Для указанных на схеме номиналов F = 400 Гц. Фазовый сдвиг регулируется потенциометром R5.
![]() | ||
Рисунок 10. | Кольцевой генератор импульсов. |
Генератор качающейся частоты (Рисунок 11) включает в себя два генератора на микросхемах DA1 и DA2 222. Первый из генераторов вырабатывает прямоугольные импульсы с КЗИ, близким к 98%. С вывода 2 микросхемы DA1 222 управляющий сигнал пилообразной формы, соответствующий форме кривой заряда/разряда во времени конденсатора C1, поступает на управляющий вход (вывод 2) микросхемы DA2 222. С выхода микросхемы DA2 снимается сигнал, периодически изменяющейся по частоте.
![]() | ||
Рисунок 11. | Генератор качающейся частоты. |
Регулятор ширины внешнего сигнала (Рисунки 12 и 13) позволяет преобразовать входной сигнал прямоугольной формы в выходной сигнал той же формы с КЗИ от 0 до 100%.
![]() | ||
Рисунок 12. | Регулятор ширины внешнего сигнала. |
Регулятор (Рисунок 12) преобразует входной сигнал прямоугольной формы частотой 10 кГц с КЗИ 50% в выходной с КЗИ 0…100%, регулируемым потенциометром R5.
![]() | ||
Рисунок 13. | Преобразователь входного сигнала прямоугольной формы частотой 10 кГц с КЗИ 1 … 99% в выходной сигнал той же формы с КЗИ 0…100%. |
Регулятор (Рисунок 13) способен преобразовать входной сигнал прямоугольной формы частотой 10 кГц с КЗИ 1…99% в выходной с КЗИ 0…100%, регулируемым потенциометром R4.
Для преобразования сигналов иных частот необходима коррекция RC-элементов входных цепей преобразователей.
Преобразователь синусоидального сигнала в ШИМ (Рисунок 14). На вход устройства подаётся сигнал синусоидальной формы напряжением свыше 2 В; с вывода 1 микросхемы DA1 222 снимается сигнал прямоугольной формы с КЗИ порядка 50%, а с выхода 4 – ШИМ-сигнал с КЗИ от 0 до 100%. Регулировка осуществляется потенциометром R2.
![]() | ||
Рисунок 14. | Преобразователь синусоидального сигнала в ШИМ. |
Преобразователь аналоговых сигналов в ШИМ-сигналы прямоугольной формы (Рисунок 15) позволяет преобразовать входной сигнал, например, синусоидальной или треугольной формы в выходной ШИМ-сигнал прямоугольной формы.
![]() | ||
Рисунок 15. | Преобразователь аналоговых сигналов в ШИМ-сигналы прямоугольной формы. |
Восстановитель цифровых сигналов (Рисунок 16) предназначен для очистки зашумлённых или восстановления формы искажённых или ослабленных цифровых сигналов.
![]() | ||
Рисунок 16. | Восстановитель цифрового сигнала. |
Элемент НЕ (инвертор) (Рисунки 17 и 18). Микросхему 222 можно с успехом использовать в качестве элементов цифровой техники, в частности, на Рисунке 17 показана возможность использования микросхем 222 в качестве элемента НЕ (инвертора).
![]() | ||
Рисунок 17. | Элемент НЕ (инвертор). |
Вариант элемента НЕ показан на Рисунке 18.
![]() | ||
Рисунок 18. | Вариант элемента НЕ. |
Повторитель (Рисунок 19) на микросхеме 222 обладает повышенной нагрузочной способностью (выходной ток до 20 мА).
![]() | ||
Рисунок 19. | Повторитель. |
Элемент 2И-НЕ (Рисунок 20) выполнен на микросхеме 222 и транзисторе VT1.
![]() | ||
Рисунок 20. | Элемент 2И-НЕ. |
Импликатор (Рисунок 21) – логический элемент, имеющий два входа, один из которых имеет приоритет над другим. На выходе импликатора устанавливается уровень «лог. 0» только в том случае, если логический уровень на приоритетном входе превышает логический уровень на втором входе. Схема такого устройства, выполненного на микросхеме 222, его таблица истинности и эквивалент из элементов НЕ и 2ИЛИ, показаны на Рисунке 21.
![]() | ||
Рисунок 21. | Импликатор. |
Элементы дробной логики (Рисунок 22). Работа элементов дробной логики [3], полностью совместимой с традиционной, основана на суммировании токов на входном резисторе R4 порогового элемента (микросхема 222) и дробном сложении входных токов. На входном резистивном делителе происходит преобразование n входных сигналов уровня «лог. 1» в сигналы уровня «лог. 1/n», например, «лог. 1/2», «лог. 1/3», «лог. 1/4» и т.д. Если сумма весов всех этих сигналов будет равна единице, то на выходе логического элемента сменится уровень логического сигнала.
![]() | ||
Рисунок 22. | Элемент дробной логики. |
Преобразователь уровня (Рисунок 23) позволяет преобразовать уровень входного сигнала в необходимый пользователю выходной уровень, задаваемый с помощью потенциометра R3. Логический уровень выходного напряжения может быть как выше, так и ниже уровня входного. Максимальное выходное напряжение сигнала равно 0.9Vcc.
![]() | ||
Рисунок 23. | Преобразователь уровня. |
Универсальный преобразователь уровней логического сигнала вверх-вниз (Рисунок 24). При подаче на вход устройства прямоугольных импульсов напряжением от 1.2 до 60 В (верхняя граница определяется мощностью рассеивания резистора R3, например, 0.25 Вт) уровень выходного сигнала можно регулировать потенциометром R5 от 0 до 0.9Vcc. С вывода 1 микросхемы 222 снимается нерегулируемый сигнал уровня 0.9Vcc.
![]() | ||
Рисунок 24. | Универсальный преобразователь уровней логического сигнала вверх или вниз. |
- Datasheet Texas Instruments CD4013B
- Datasheet Texas Instruments CD4030B
- Datasheet Texas Instruments CD4093B
- Datasheet ON Semiconductor LM339
- Datasheet Microchip 1N4461
- Datasheet ON Semiconductor 2N6600
- Datasheet Microchip 2N7000
- Datasheet ON Semiconductor BC558B
- Datasheet Vishay BS170
Окончание следует