Генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) на триггерах Шмитта К561ТЛ1, CD4093

Описываемый генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) и осциллограф позволят быстро и наглядно проверить линейность усилительного низкочастотного тракта, характер частотных искажений, работу регуляторов тембра, тонкомпенсации, устойчивость работы усилителя, наличие конденсаторов требующих замены.

↑ Как дело было

У нас на Датагоре совсем недавно была статья «Генератор звуковой частоты на LM324. Прибор и игрушка» с описанием подобного генератора. Решил развить тему и собрать своё устройство.

При проектировании данной конструкции я исходил из следующих требований:
 — простота и доступность деталей,
 — автономное питание (желательно от батареи 9 В),
 — малый потребляемый ток,
 — малые размеры,
 — регулировка выходного напряжения от десятых долей до 2 В,
 — две фиксированные частоты для проверки НЧ и ВЧ,
 — хорошая форма выходного сигнала.

↑ Схема генератора прямоугольных импульсов (ГПИ)

Обычно для ГПИ используются микросхемы К561ЛА7 или К561ЛЕ5, но мне захотелось использовать триггеры Шмитта.
Немного пояснений по схеме. Стабилизатор 78L05 по питанию я поставил из тех соображений, что размах напряжения на выходе более ±2 В нежелателен, легче будет выставлять небольшие выходные напряжения, да и стабильное питание не помешает. При отсутствии 78L05 можно смело обойтись без неё.

Точные частоты 50 и 1000 Гц оказались не только не нужны, но и вредны. Дело в том, что линейность луча на осциллографе С1-94 на самых краях экрана плохая, что некритично для синусоиды, но неудобно именно для прямоугольника. Плавной регулировки по горизонтали у С1-94 нет, поэтому пришлось немного увеличить частоту и «отойти» по одной клетке экрана от краёв.

Сейчас я думаю, что лучше использовать частоты примерно 100 и 2000 Гц, уменьшив ёмкость С1 до 15 нФ, но переделывать свой вариант не буду.
Поскольку любительские конструкции часто имеют вход без разделительного конденсатора, я поставил его на выходе ГПИ и добавил перемычку, позволяющую его обойти. Иначе импульсы будут однополярные, что нежелательно, особенно для ламповых усилителей.

Для усилителей с разделительной ёмкостью на входе используется выход непосредственно с резистора R3, для усилителей без ёмкости на входе перемычка снимается и сигнал поступает через С2, С3.

↑ Внешний вид платы, детали, наладка

Коммутация перемычками (используются в компьютерной технике) выбрана из соображений минимальных размеров и доступности.

Резисторы SMD легко заменить на обычные, но тогда придётся сверлить отверстия. По два резистора последовательно я поставил для того, чтобы точно выставить нужные частоты, но в этом нет особой необходимости.

Батарея просто прикручена к плате скотчем — это простейшее и достаточно надёжное крепление. Ввиду очень малого тока, потребляемого генератором, батарея должна проработать не менее года.

Рисунок платы очень прост, вся конструкция годится для повторения начинающими радиолюбителями. При правильной сборке из исправных деталей, ГНЧ начинает работать сразу, наладка не требуется.
При желании можно подобрать частоту для удобного отображения на экране осциллографа.

↑ Интерпретация показаний и устранение застарелой ошибки

В интернете кочует иллюстрация возможных искажений и описание к ней с грубой ошибкой. Копипастеры, как обычно, или не читают, или не понимают что копируют. Воспользуемся для начала этими рисунками.

а) идеальная форма при отсутствии частотных искажений, б), в) ослабление ВЧ умеренное и большое,
г) умеренное ослабление НЧ,
д) кривизна говорит об ослаблении и средних частот,
е), ж) в «оригинале» ошибочно говорится о подъёме на НЧ, конечно, это справедливо для е), а ж) — сильное ослабление НЧ и заметное СЧ.
з) небольшой спад на самых высоких частотах, в зависимости от частоты ГПИ спад может быть далеко за пределами звукового диапазона,
и) плавный провал на средних частотах,
к) неглубокий провал в узком диапазоне на средних частотах, скорее всего вызван каким-то резонансом, но процесс апериодический т. к. нет выбросов.

Колебания кривой на последних рисунках л) и м) показывают на неустойчивую работу усилителя, что хуже, чем просто частотные искажения, такие колебания могут быть незаметны при испытании синусоидальным сигналом!

Можно добавить, что получить импульсы, как на рис. а) возможно только для УПТ (усилителя постоянного тока), любые разделительные конденсаторы приводят к наклону верхушки импульса и даже если частота среза всего несколько Гц, при частоте импульсов 50 и даже 100 Гц, это приводит к форме показанной на рис. г).

Импульсы предложенного генератора при прямом изучении на экране осциллографа не идеальны, но, для звукового диапазона частот, этой «прямоугольности» хватает с многократным запасом.

↑ Практика!

А теперь примеры из практики – испытания и настройки модернизированного усилителя «Радиотехника У-101». Сначала подадим сигнал с ГПИ непосредственно на вход осциллографа.
Напомню, вход осциллографа может быть «закрытым» т. е. не реагирующим на постоянное напряжение и «открытым», реагирующим как на переменное, так и на постоянное напряжение.

Первый сюрприз – закрытый вход осциллографа заметно искажает меандр 50 Гц, это надо учесть.
Второй сюрприз – прямоугольный сигнал выявляет искажения самого осциллографа на разных участках экрана, особенно на краях и в углах экрана, при перемещении луча и т. д. Это тоже надо учитывать.


При частоте следования ГПИ 1000 Гц, форма сигнала практически идеальная (обратите внимание на положение переключателя развёртки, по нему можно судить о частоте подаваемых импульсов).
Линии на экране не совсем горизонтальны, после фотографирования мне пришлось разобрать его и сделать небольшую юстировку трубке.

↑ Влияние регулятора тембра

Далее — изображения на выходе полного УНЧ под нагрузкой при мощности несколько ватт, в усилителе включены фильтры и регуляторы.

При включенных РТ (на экране осциллограмма линейного в диапазоне 20 Гц…20 кГц усилителя) малейшее изменение регулировки ВЧ вызывает заметный подъём или спад фронта в указанном месте.
Можно судить о том, линейна или нет АЧХ в среднем положении РТ, можно ли вообще этого добиться. Небольшой спад обманчив — АЧХ линейна, а область ниже 20 Гц нас (меня) не интересует. Поэтому можно вместо ГПИ 50 Гц использовать 100 Гц, кроме того, при очень низких частотах горизонтальной развёртки (5 мс на клетку и более) изображение мерцает, что неудобно.
Для упрощения будем считать, что диапазон РТ ±8 дБ на 100 Гц и 10 кГц.



Чтобы картина не была слишком благостной, вот пример неустойчивой, «нервной» работы усилителя с недостаточной коррекцией. При этом усилитель линейно работал в диапазоне 20…20000 Гц, а при проверке синусоидальным генератором Г3-102 наблюдался некоторый плавный горб в районе 80000 Гц.

↑ Итого

Делаем вывод — использование ГПИ и осциллографа быстро и наглядно показывает проблемы, которые могут быть не видны при обычной проверке генератором и вольтметром.
В небольшой статье невозможно перечислить все нюансы, но надеюсь, что часть владельцев осциллографов я убедил дополнить свой измерительный парк маленьким, простым, но полезным прибором.

↑ Файлы

Прилагаю файл со схемой и рисунком печатной платы.
🎁GPI.zip  17.71 Kb ⇣ 93

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации