この投稿では、簡単なスイッチ操作で正確な方形波、三角波、正弦波を生成するために、単一のIC4049を使用して3つの単純な関数発生器回路を構築する方法を学習します。

低コストを1つだけ使用 CMOS IC 4049 いくつかの個別のモジュールを使用すると、オーディオスペクトルの周囲およびそれを超える3つの波形の範囲を提供する堅牢な関数発生器を簡単に作成できます。

この記事の目的は、すべての愛好家やラボの専門家が簡単に構築して使用できる、基本的で費用効果の高いオープンソース周波数発生器を作成することでした。

この回路はさまざまな正弦波、方形波、三角波を提供し、約12Hzから70KHzの周波数スペクトルは、単一のCMOS六角インバーターICといくつかの個別の要素を使用するため、この目標は間違いなく達成されています。

間違いなく、このアーキテクチャは、特に周波数を上げたときの波形の一貫性の点で、より高度な回路の効率を実現できない可能性がありますが、それでもオーディオ分析には非常に便利な機器です。

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ブロック図

上に示したブロック図からの回路動作の基本。関数発生器のメインセクションは、積分器とシュミットトリガーで構成される三角波/方形波発生器です。

シュミットトリガーの出力がハイになると、シュミット出力から積分器の入力にフィードバックされる電圧により、シュミットトリガーの低い出力レベルを超える前に、積分器の出力が負にランプすることができます。

この段階では、シュミットトリガーの出力が遅いため、積分器の入力にフィードバックされる小さな電圧により、シュミットトリガーの上限トリガーレベルに達する前に、積分器が正にランプアップすることができます。

シュミットトリガーの出力は再びハイになり、インテグレーターの出力は再び負にスパイクします。

積分器出力の正と負のスイープは、振幅がシュミットトリガーのヒステリシス（つまり、トリガーの上限と下限の差）によって計算される三角波形を表します。

シュミットトリガーの生成は、当然、高出力状態と低出力状態が交互に繰り返される方形波です。

トライアングル出力は、バッファアンプを介してダイオードシェイパーに供給されます。バッファアンプは、トライアングルの高低を丸めて、正弦波信号に近似したものを作成します。

次に、3つの波形のそれぞれを3ウェイセレクタスイッチS2で選択し、出力バッファアンプに供給することができます。

回路のしくみ

上の図に見られるCMOS関数発生器の完全な回路図。積分器は完全にCMOSインバーターN1を使用して構築されていますが、シュミットメカニズムには2つの正帰還インバーターが組み込まれています。それはN2とN3です。

次の画像は、上記の回路図に適用するためのIC4049のピン配列の詳細を示しています。

回路は、現時点では、P2ワイパーが最も低い位置にあり、N3出力が高く、電流が次の値に等しいことを考慮して、このように機能します。

Ub-U1 / P1 + R1

R1とp1を経由して移動します。ここで、Ubは供給電圧を示し、UtはN1しきい値電圧を示します。

この電流はインバーターの高インピーダンス入力に移動できないため、スイッチS1によってどのコンデンサーがインラインで切り替えられるかに応じて、C1 / C2に向かって流れ始めます。

したがって、C1での電圧降下は直線的に減少し、シュミットトリガーの出力が低くなるのと同じように、シュミットトリガーの下限しきい値電圧に近づく前にN1の出力電圧が直線的に上昇します。

現在、 -アウト/ P1 + R1 R1とP1の両方を流れます。

“安定化電源とは ”

この電流は常にC1を流れ、シュミットトリガーの最大制限電圧に達するまで、N1の出力電圧が指数関数的に増加し、シュミットトリガーの出力が上昇し、サイクル全体が最初からやり直します。

三角波の対称性（つまり、波形の正方向と負方向の両方の部分で非常に同じ勾配）を維持するには、コンデンサの負荷電流と放電電流が同じである必要があります。つまり、Uj、-UiはUtと同じである必要があります。

ただし、残念ながら、CMOSインバーターのパラメーターによって決定されるUtは、通常55％です。ソース電圧Ub = Utは約2.7V、6 V、Utは約3.3Vです。

この課題は、対称性の変更を必要とするP2で克服されます。今のところ、タイのR-は正の供給ライン（位置A）に関連していると考えてください。

P2の設定に関係なく、シュミットトリガーの高出力電圧は常に11のままです。

それにもかかわらず、N3出力が低い場合、R4とP2は分圧器を確立し、P2のワイパー構成に基づいて、0 V〜3Vの電圧をP1に戻すことができます。

これにより、電圧が-UtではなくUp2-Utになります。 P2スライダーの電圧が約0.6Vの場合、Up2-Utは約-2.7 Vである必要があるため、充電と放電の電流は同じになります。

明らかに、Utの値には許容誤差があるため、特定の関数発生器に一致するようにP2調整を実行する必要があります。

Utが入力電圧の50％未満である状況では、R4の上部をグランド（位置B）に接続することが適切な場合があります。

S1 12 Hz〜1kHzおよび1kHz〜約70kHzを使用して割り当てられる周波数スケールがいくつかあります。

きめ細かい周波数制御は、C1またはC2の充電電流と放電電流を変更し、積分器がランプアップおよびランプダウンする周波数を変更するP1によって与えられます。

N3からの方形波出力は、波形セレクタスイッチS2を介してバッファアンプに送信されます。このスイッチは、リニアアンプのようにバイアスされた2つのインバータで構成されています（出力電流効率を向上させるために並列に接続されています）。

三角波出力はバッファアンプN4を介して提供され、そこからセレクタスイッチによってバッファアンプ出力に提供されます。

また、N4からの三角形の出力は、R9、R11、C3、D1、およびD2で構成されるサインシェイパーに追加されます。

D1とD2は、約+/- 0.5ボルトまでほとんど電流を引き込みませんが、それらの多様な抵抗はこの電圧を超えて低下し、三角パルスの高低を対数的に制限して、正弦波と同等のものを作成します。

サイン出力は、C5およびR10を介して出力アンプに送信されます。

P4は、N4のゲインを変化させ、それによってサインシェイパーに供給される三角パルスの振幅を変化させ、副鼻腔の透明度を変化させます。

信号レベルが低すぎると、三角形の振幅がダイオードのしきい値電圧を下回り、変更なしで進行します。信号レベルが高すぎると、高低が強くクリップされ、それによって十分に提供されません。形成された正弦波。

出力バッファアンプの入力抵抗は、3つの波形すべての公称ピークから最小出力電圧が約1.2 Vになるように選択されます。出力のレベルは、P3を介して変更できます。

設定手順

調整方法は、三角形の対称性と正弦波の純度を変更するだけです。

さらに、方形波のデューティサイクルが50％（1-1マークスペース）の場合に対称三角形が生成されるため、三角形の対称性は方形波入力を調べることによって理想的に最適化されます。

これを行うには、プリセットP2を調整する必要があります。

“圧力トランスデューサーのしくみ ”

P2ワイパーがN3出力に向かって下に移動するにつれて対称性が増加するが、正しい対称性を達成できなかった状況では、R4の上部を別の位置で結合する必要があります。

正弦波の純度は、波形が「完全に見える」までP4を調整するか、チェックする歪みメーターがある場合にのみ歪みを最小限に抑えるように変更することで変更されます。

電源電圧はさまざまな波形の出力電圧に影響を与え、したがって正弦波の純度に影響を与えるため、回路には堅牢な6V電源から電力を供給する必要があります。

バッテリーを電源バッテリーとして使用する場合は、無理に下向きに動かしてはいけません。

線形回路として使用されるCMOSICは、通常のスイッチングモードよりも高い電流を消費するため、供給電圧は6 Vを超えてはなりません。超えない場合、ICは大きな熱放散によって熱くなる可能性があります。

関数発生器回路を構築するもう1つの優れた方法は、以下で説明するように、IC8038を使用することです。

IC8038を使用した関数発生回路

IC 8038は、最小数の電子部品と操作を組み込むことにより、正弦波、方形波、三角波の出力波形を作成するために特別に設計された高精度波形発生器ICです。

その動作周波数範囲は、取り付けられたR-Cエレメントを適切に選択することにより、0.001Hzから300kHzまでの8つの周波数ステップで決定できます。

発振周波数は、広範囲にわたる温度や電源電圧の変動に関係なく、非常に安定しています。

さらに、IC 8038関数発生器は、最大1MHzの動作周波数範囲を提供します。正弦波、三角波、正方形の3つの基本波形出力はすべて、回路の個々の出力ポートから同時にアクセスできます。

8038の周波数範囲は、外部電圧フィードを介して変更できますが、応答はあまり線形ではない場合があります。提案された関数発生器は、調整可能な三角形の対称性、および調整可能な正弦波歪みレベルも提供します。

IC741を使用した関数発生器

このIC741ベースの関数発生器回路は、一般的な正弦波信号発生器と比較してテストの多様性が向上し、1 kHzの方形波と三角波を一緒に提供し、低コストで非常に簡単に構築できます。見たところ、出力は方形波で約3V ptp、2Vr.m.sです。正弦波で。テスト対象の回路に優しくしたい場合は、スイッチ付き減衰器がすぐに含まれる可能性があります。

組み立て方

コンポーネントのレイアウト図に示されているように、部品をPCBに詰め込み始め、ツェナー、電解質、およびICの極性が正しく挿入されていることを確認します。

設定方法

単純な関数発生回路を設定するには、正弦波形がクリッピングレベルをわずかに下回るまでRV1を微調整します。これにより、オシレーターを介して最も効果的な正弦波が得られます。正方形と三角形は、特別な調整や設定を必要としません。

使い方

このIC741関数発生回路では、IC1は1kHzの周波数で動作するウィーンブリッジ発振器の形で構成されています。
振幅制御はダイオードD1とD2によって供給されます。このICからの出力は、出力ソケットまたは二乗回路のいずれかに駆動されます。
これはC4によってSW1aに接続されており、シュミットトリガー（Q1 -Q2）です。ツェナーZD1は、「ヒステリシスのない」トリガーのように機能します。
IC2、C5、およびR10積分器は、入力方形波から三角波を生成します。

シンプルなUJT関数発生器

ザ・ユニジャンクション発振器以下に示すのは、最も簡単な鋸歯状ジェネレーターの1つです。これの2つの出力は、つまり、のこぎり波と一連のトリガーパルスを与えます。波は約2V（谷のポイントVv）から最大ピーク（Vp）までラチェットアップします。ピークポイントは、電源VsとスタンドオフBJT比に依存します。これは、約0.56〜0.75の範囲で、0.6が一般的な値です。 1回の振動の周期はおおよそ次のとおりです。

t = --RC x 1n [（1-η）/（1-Vv / Vs）]

ここで、「1n」は自然対数の使用法を示します。標準値を考慮すると、Vs = 6、Vv = 2、および インクルード = 0.6の場合、上記の式は次のように簡略化されます。

t = RC x 1n(0.6)

コンデンサの充電は増分であるため、鋸歯の増加する勾配は線形ではありません。多くのオーディオアプリケーションにとって、これはほとんど問題になりません。図（b）は、定電流回路を介した充電コンデンサを示しています。これにより、斜面をまっすぐに上ることができます。

Vsは依然としてピークポイントに影響を与えますが、コンデンサの充電率はVsに依存せず、一定になりました。電流はトランジスタのゲインに依存するため、周波数測定の簡単な式はありません。この回路は低周波数で動作するように設計されており、ランプジェネレータとして実装されています。

LF353オペアンプの使用

2つのオペアンプを使用して、正確な方形波と三角波のジェネレータ回路を構築します。 LF353セットには、このアプリケーションに最適な2つのJFETオペアンプが含まれています。

出力信号周波数は次の式で計算されます f=1 / RC 。回路は非常に広い動作範囲を示し、歪みはほとんどありません。

Rは330オームから約4.7Mまでの任意の値を持つことができ、Cは約220pFから2uFまでの任意の値にすることができます。

上記のコンセプトと同じように、次のオペアンプでは2つのオペアンプが使用されます正弦波と余弦波関数発生器回路。

これらはほぼ同じ周波数の正弦波信号を生成しますが、位相が90°ずれているため、2番目のオペアンプの出力は余弦波と呼ばれます。

頻度は、許容可能なR値とC値の収集によって影響を受けます。 Rは220kから10Mの範囲で、Cは39pFから22nFの間です。 R、C、および/または間の接続は、他の抵抗やコンデンサの値を反映する必要があるため、少し複雑です。

250Hzの周波数を提供する初期点としてR = 220kおよびC = 18nFを使用します。ツェナーダイオードは、3.9Vまたは4.7Vの低電力出力ダイオードにすることができます。

TTLICを使用した関数発生器

の門のカップル 7400クワッド2入力NANDゲートこのTTL関数発生回路の実際の発振回路を構成します。水晶と調整可能なコンデンサは、ゲートU1-aの入力とゲートU1-bの出力の両端のフィードバックシステムのように機能します。ゲートU1-cは、オシレータステージと出力ステージU1-dの間のバッファのように機能します。

スイッチS1は、手動で切り替え可能なゲートコントロールのように機能し、ピン11のオン/オフでU1-dの方形波出力を切り替えます。示されているように、S1が開いていると、方形波が出力で生成され、閉じられると、赤道波形がオフになります。

スイッチを論理ゲートに置き換えて、出力をデジタルで命令することができます。 C1とXTAL1の接続点で、ほぼ理想的な6〜8ボルトのピークツーピーク正弦波が生成されます。

この接合部のインピーダンスは非常に高く、直接出力信号を提供することはできません。エミッタフォロワ増幅器として設定されたトランジスタQ1は、正弦波信号に高い入力インピーダンスを供給し、外部負荷に低い出力インピーダンスを供給します。

この回路は、ほぼすべてのタイプの水晶をクランクアップし、1MHz未満から10MHzを超える水晶周波数で動作します。

設定方法

この簡単なTTL関数発生器回路のセットアップは、次の点ですばやく開始できます。

オシロスコープを使用できる場合は、ピン11のU1-dの方形波出力に接続し、最も効果的な出力波形を提供する範囲の中央にC1を配置します。

次に、正弦波出力を観察し、C2を調整して最高の波形を取得します。 C1コントロールノブに戻り、スコープ画面で最も健全な正弦波出力が得られるまで、少し前後に微調整します。

パーツリスト

抵抗器
（すべての抵抗器は-ワット、5％単位です。）
RI、R2 = 560オーム
R3 = 100k
R4 = 1k

半導体
U1 = IC 7400
Q1 = 2N3904NPNシリコントランジスタ

コンデンサ
C1、C2 = 50 pF、トリマコンデンサ
C3、C4 = 0.1 uF、セラミックディスクコンデンサ

その他
S1 = SPSTトグルスイッチ
XTAL1 =任意のクリスタル（テキストを参照）

水晶制御のベストサイン波形回路

次の波形発生器は、2トランジスタの水晶発振器回路であり、優れた性能を発揮し、安価に構築でき、コイルやチョークを必要としません。他の要素の全体的なコストはほとんど数ドルでなければならないので、価格は主に使用されるクリスタルに依存します。トランジスタQ1といくつかの隣接する部品が発振回路を形成します。

水晶の接地経路は、C6、R7、およびC4によって方向付けられます。非常に小さなインピーダンス位置であるC6とR7の接合部では、RFはエミッタフォロワ増幅器Q2に適用されます。

C6 / R7ジャンクションの波形形状は、実際にはほぼ完全な正弦波です。 Q2のエミッタでの出力は、水晶のQファクターとコンデンサのC1およびC2の値に基づいて、ピークツーピークで約2〜6ボルトの振幅範囲になります。

C1とC2の値は、回路の周波数範囲を決定します。 1 MHz未満の水晶周波数の場合、C1とC2は2700 pF（.0027 p、F）である必要があります。 1 MHz〜5 MHzの周波数の場合、これらは680 pFのコンデンサであり、5 MHz〜20MHzの場合です。 200pFのコンデンサを適用できます。

これらのコンデンサの値でテストして、最高の正弦波出力を得ることができます。さらに、コンデンサC6の調整は、2つの出力レベルと波形の全体的な形状に影響を与える可能性があります。

パーツリスト

抵抗器
（すべての抵抗器は-ワット、5％単位です。）
R1-R5-1k
R6-27k
R7-270オーム
R8-100k
コンデンサ
C1、C2-テキストを参照
C3、C5-0.1-p.F、セラミックディスク
C6-10pFから100pF、トリマー
半導体
Q1、Q2-2N3904
XTAL1-テキストを参照