Wie kann ich einen linear abstimmbaren astabilen Multivibrator mit 50% Einschaltdauer herstellen?

Das OP sagt dies bezüglich seiner 555-Schaltung: -

Wenn ich den Widerstand halbiere, wird die Frequenz weniger als verdoppelt.

Ich verstehe dies so, dass die vom OP gewünschte Frequenz proportional zum Kehrwert des Widerstands ist. Außerdem gehe ich davon aus, dass das OP, wenn es von einem Potentiometer spricht, es tatsächlich als Rheostat verwenden möchte, dh als Wischer und ein Ende des Topfes, auch bekannt als "variabler Widerstand".

Die Verwendung des Begriffs „linear“ in der Frage ist möglicherweise irreführend.

Erwägen Sie also die Verwendung eines Integrators und eines Schmitt-Triggers wie folgt: -

Grundsätzlich beruht es darauf, dass der Integratorkondensator geladen und dann vom Ausgang des Schmitt-Triggers entladen wird. Da es sich um einen Integrator handelt, haben Sie einen sehr linearen Anstieg und Abfall, da der Strom in und aus dem Kondensator durch die Rechteckwellenamplitude und R3 eingestellt wird.

Es gibt viele Designs, die auf dieser Art von Schaltung basieren, und hier ist noch eine: -

Hier ist der Artikel, der es ausführlicher beschreibt. Zum Stimmen können Sie R3 in einen Topf wie den folgenden verwandeln: -

Oder Sie können ein Poti in Reihe mit dem positiven Rückkopplungswiderstand am Schmitt-Trigger verwenden. Sie können den Pot sogar anstelle von R2 einsetzen.

Es gibt Variationen dieser Schaltung, die eine Pulsweitenmodulation ermöglichen, dh Sie können die Dreieckswelle sägeartiger machen.

NEUER ABSCHNITT über die Wahl des Operationsverstärkers.

Der größte Problembereich bei diesem Design ist der Komparator. Idealerweise möchten Sie, dass es seinen Ausgang in Nullzeit von positiv auf negativ umschaltet, aber das wird nicht passieren. Zum Beispiel ist der 741 eine schlechte Wahl, weil er eine große Verzögerung hat, wenn er seine Ausgangstransistoren aus der Sättigung zieht. Dies wird wahrscheinlich mehrere zehn Mikrosekunden betragen, die zu der normaleren Ausbreitungsverzögerung von etwa einer Mikrosekunde hinzugefügt werden.

Dann ist die Anstiegsgeschwindigkeit des 741 an seinem Ausgang auf 0,5 Volt pro Mikrosekunde begrenzt. Wenn Sie eine +/-15-V-Versorgung haben, liegen die typischen Ausgangsspannungspegel bei +/-14 V (belastet mit einem 10-kΩ-Widerstand). Um den Ausgang vollständig von +14 Volt auf -14 Volt zu ändern, dauert es 56 Mikrosekunden, und dies muss zweimal pro Oszillationszyklus erfolgen - das sind 112 Mikrosekunden. Während er dies tut, bewegt der Integrator die meiste Zeit nicht wirklich seinen Dreieckswellenausgang, aber ich schätze, Sie können sich darauf verlassen, dass dem Oszillationszyklus mindestens 60 Mikrosekunden hinzugefügt werden.

Auch wenn Sie den Ausgang laden, fällt der pp-Spannungspegel ab - das Datenblatt besagt, dass der Ausgangspegel des 741 von +/- 14 V bei einer Last von 10 k auf +/- 13 V bei einer Last von 2 k abfällt.

Was bedeutet also 60 us in diesem Design? Der OP sagt, dass er den Widerstand halbiert und 800 Hz erwartet hat, aber nur 756 Hz bekommen hat. Der Zeitunterschied zwischen einer Periode von 800 Hz und einer Periode von 756 Hz beträgt 73 us, dh wahrscheinlich kann alles auf die Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit zurückgeführt werden.

Um dies zu verbessern, erhalten Sie einen viel besseren Operationsverstärker mit einer Anstiegsrate von ca. 10 V / us. Führen Sie es dann von +/- 5V-Schienen aus. Ein typischer Operationsverstärker dieses Typs könnte einen Ausgang von +/-4 V erzeugen, dh ein Delta von 8 V, und aufgrund der Verbesserung der Anstiegsgeschwindigkeit würde die "Verzögerung" etwa 0,8 us betragen, aber was bedeutet das? Vergleichen Sie dies mit einem 1-Hz-Fehler bei 800 Hz - dies ist eine Zeitverzögerung pro Zyklus von 1,6 us. Wenn Sie also einen Operationsverstärker mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 10 V / us verwenden, ergibt sich jetzt ein 1-Hz-Fehler bei 1600 Hz.

Um die zusätzliche Ausbreitungsverzögerung (die bei vielen Operationsverstärkern üblich ist) zu vermeiden, wenn ihre Ausgänge gesättigt sind, kann eine negative Rückkopplung verwendet werden, um den Komparatorausgang auf vielleicht +/-2,5 V zu begrenzen. Die Verwendung von Back-to-Back-Präzisions-Shunt-Zenern der Serie kann dies möglicherweise tun, aber wie immer steckt der Teufel in den Details des Datenblatts, daher werde ich für diese Funktion nichts Hartes und Schnelles vorschlagen - ich würde es einfach tun Suchen Sie nach einem Operationsverstärker, der schnell aus der Sättigung kommt, oder entscheiden Sie sich für einen schnellen Komparator mit Gegentaktausgang.

Ihr 555-Oszillator funktioniert viel besser, wenn Sie eine CMOS-Version anstelle der alten bipolaren Version verwenden (und den Ausgang nur leicht belasten). Wenn Sie bei einem Tastverhältnis von 50,0 % aufgehängt sind, folgen Sie ihm mit einem Flip-Flop (und regulieren Sie die Versorgungsspannung gut, da Änderungen während des Zyklus das Tastverhältnis beeinflussen. Das funktioniert mit jeder der Oszillatorschaltungen.

Das Folgende ist eine anständige und sehr billige Single-Supply-VCO-Schaltung aus dem LM324-Datenblatt :

Sie können einen anderen der vier Operationsverstärker im Paket als Spannungsfolger verwenden, um die Eingangsspannung von einem Topf zu puffern. Ersetzen Sie den BJT durch einen MOSFET, um am unteren Ende etwas mehr Reichweite zu erzielen, aber der BJT ist ziemlich gut. Die Dreieckswelle hat viel weniger harmonischen Inhalt als eine Rechteckwelle, daher ist sie möglicherweise für die Audioproduktion vorzuziehen.

Die obige Schaltung erzeugt eine Frequenz, die linear zur Spannung ist, sodass Sie mit einem B (linear) Taper Pot + Buffer eine Frequenz erhalten, die linear mit der Drehung der Pot Welle ansteigt. Die meisten anderen Schaltungen haben eine Periode, die linear mit der Topfdrehung zunimmt, sodass die Frequenz proportional zum Kehrwert des Drehwinkels der Topfwelle ist.

Wenn Sie Ihren Oszillator so bauen, dass er mit der doppelten gewünschten Frequenz läuft, und dann ein Flip-Flop nachschalten, um ihn durch 2 zu teilen, hat die resultierende Welle die ganze Zeit über ein Tastverhältnis von 50%.

Nehmen Sie Ihre 555-Schaltung (oder einen anderen Frequenzgenerator) und führen Sie ihren Ausgang einem durch 2 dividierten Binärzähler zu. Alle Zähler-ICs auf dem Markt sind für eine einfache Division durch 2 total übertrieben, aber sie kosten immer noch weniger als Ihr Potentiometer. Der 4024 ist eine Option (teilt durch 1,2,4,8,16,32,64,128, dh 7 Oktaven Ausgabe), aber es gibt viele andere Optionen. http://www.nxp.com/documents/data_sheet/74HC4024.pdf

[Update nach Klärung der Frage]

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Eine Variation der Rückkopplungsschaltung von Andy alias mit Schmitt-Trigger.

Wenn alle Schalter losgelassen werden, driftet der Integrator langsam zu einer der Versorgungsspannungen, abhängig von Offset und Leckstrom.

Sie werden Spaß daran haben, dieses Ding abzustimmen.

[ursprüngliche Antwort]

Der Anwendungshinweis TB3071 von Microchip bietet eine mögliche Lösung, erfordert jedoch die Programmierung eines Chips.

In diesem technischen Briefing wird ein PIC10F322 verwendet, um einen einfachen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) zu implementieren. Ausgangsfrequenzen reichen von 16 Hz bis 500 kHz, mit einer intern generierten Taktquelle (kein externer Quarz erforderlich). Der VCO arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 2,3 bis 5,5 V bei einer Stromaufnahme von ca. 2,4 mA (5,0 V V DD).

Auf Seite 27 von TI LM3900 Current-Differencing Amplifiers finden Sie einen interessanten analogen linearen VCO . Die Ausgangsfrequenz ist bezüglich Vin linear. Es kann tun, was Sie brauchen.

Sie können die Frequenz nicht linear proportional zu RC haben, aber Sie können die Periode so steuern lassen. Die Frequenz ist dann k/RC.

Sie könnten eine Schaltung basierend auf dieser Skizze auf der Rückseite des Umschlags ausprobieren.

WARNUNG Diese Komponentenwerte ergeben keinen vernünftigen Oszillator, obwohl es gut simulieren kann, sie waren lediglich die Standardwerte, als ich den Schaltplan erstellte. Sie müssen vernünftige Werte herausfinden.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Dies ist ein Relaxationsoszillator. Positives Feedback wird über R2 und R3 erreicht, mit Zeitsteuerung über R1 und C1.

Beachten Sie, dass diese Schaltung wie gezeichnet zwei Schienen erfordert, da C1 und R3 auf Masse gehen. Es ist einfach, für den Einschienenbetrieb mit einem effektiven Erdungspunkt zu modifizieren.

Das Schöne an dieser Schaltung ist, dass selbst wenn niedrige Werte von R1 den Ausgang des Verstärkers so belasten, dass sein Ausgang abfällt, der Abfall sowohl für die Spannung am Zeitwiderstand R1 als auch für die Hysteresekette R2/R3 gilt, sodass die Periode erhalten bleibt unbeeinflusst von der Ausgangsimpedanz des Verstärkers. Dasselbe gilt für Variationen der Spannungsschienen.

Dieses Verhalten steht im Gegensatz zu dem, was passieren würde, wenn Sie anstelle der Kombination aus Verstärker + R2 + R3 einen Schmidt-Trigger-Wechselrichter wie beispielsweise den 74HC14 verwenden würden. Es hat eine Eingangshysterese, die unabhängig von der Schienenspannung und dem Ausgangsabfall mehr oder weniger konstant ist, sodass sich diese auf die Frequenz auswirken würden. Sie würden auch keine 50% Einschaltdauer erhalten.

Es ist vernünftig, R2 = R3 zu haben, dies liefert keine Freq = 1 / RC-Bedingung, aber es ist nicht weit davon entfernt. Sie können das R2/R3-Verhältnis anpassen, um genau diese Formel zu erhalten, wenn Sie möchten. Machen Sie es entweder analytisch als Übung oder spielen Sie mit Werten in einem Simulator. Ich würde dazu neigen, einfach ein paar 10.000 oder 100.000 in diese Positionen zu werfen, ohne weiter darüber nachzudenken.

Sie müssen sicherstellen, dass die Hysterese, die Sie mit R2 und R3 wählen, innerhalb des Gleichtakteingangsbereichs des Verstärkers bleibt. Der Standardverstärker, der im Schaltplan auftaucht, ist ein TL081, der die +ve-Schiene, aber nicht GND in seinem Gleichtaktbereich enthält. Es gibt viele andere Verstärkeroptionen, die Masse oder beide Schienen umfassen können, aber sie sind nicht erforderlich, es sei denn, Sie möchten extreme R2/R3-Verhältnisse verwenden.

VORBEHALTE

Diese Schaltung ist linear und hat ein Tastverhältnis von 50% in erster Ordnung, dh wenn sich der Operationsverstärker ideal verhält .

Echte Operationsverstärker haben eine endliche Anstiegsgeschwindigkeit und ein Bandbreitengewinnprodukt. Sobald die Verzögerung nach dem Umschalten ein wesentlicher Teil der Periode wird, fällt die Frequenz von dem linearen Gesetz zurück, das sie bei niedrigeren Frequenzen hatte. Verwenden Sie einen ausreichend schnellen Operationsverstärker.

Obwohl sowohl die Hysterese als auch der Ladestrom vom selben Pin gesteuert werden, ist der Hysteresewert nur im Moment des Umschaltens relevant, während der Ladestrom für die gesamte Zeit gültig ist. Wenn der Ausgang des Operationsverstärkers über den Zeitraum schwankt, weil R1 und R2 übermäßig viel Strom ziehen, oder durch übermäßige Ausgangsbelastung oder durch nicht unendliche Verstärkung, wird die Ausgangsfrequenz bei höheren Frequenzen hinter dem linearen Gesetz zurückbleiben . Halten Sie den Mindestwert von R1 ausreichend hoch.

Wenn die Widerstände zu groß werden, werden die vom Verstärker aufgenommenen Offset-Ströme zu einem erheblichen Bruchteil der durch die Widerstände fließenden Ströme und verzerren das Tastverhältnis von 50 % weg.

Es gibt bessere Designs mit weniger Defekten, die beispielsweise im Strom- statt im Spannungsmodus arbeiten, wenn eine bessere Linearität bei hohen Frequenzen erforderlich ist.

Für eine genaue lineare Steuerung möchten Sie einen RC-Oszillator so bauen, dass sichergestellt ist, dass der Kondensator nicht mehr als unbedingt erforderlich ohmsch belastet wird. Daher sollten sowohl Komparatoren als auch Ausgangspuffer vorzugsweise FET-Eingangsgeräte sein.

Für exakt 50% Duty Cycle ist der bereits vorgeschlagene Frequenzteiler definitiv die beste Lösung.

Wenn auch eine gute Sägezahnform gewünscht wird, laden Sie den Kondensator entweder aus einer Stromquelle oder aus einer Spannung auf, die im Vergleich zur Amplitude am Kondensator sehr hoch ist.

Was Sie verlangen, wird als Spannungs-Frequenz-Konverter (VFC) bezeichnet. Dies kann mit einem als Potentiometer konfigurierten variablen Widerstand verwendet werden

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan} Anstatt mit Timern herumzuspielen, entscheiden Sie sich für einen echten VFC, wie den Fairchild KA331 , der bei Digikey.com für weniger als einen Dollar erhältlich ist. Je nachdem, wie viel Unterstützungsschaltung Sie bereitstellen möchten, können Sie VFC-Linearitäten von 0,01 % erzielen, was weitaus besser ist als die Linearität Ihres Pots.

Und teilen Sie, wie vorgeschlagen, den Ausgang durch zwei, um genau 50% Einschaltdauer zu erhalten. Solange Sie eine Rechteckwelle wollen.

Wenn Sie wirklich eine Rechteckwellenausgabe (50% Tastverhältnis) wünschen, beginnen Sie mit einem beliebigen Tastverhältnisoszillator und teilen Sie die Ausgabe durch zwei.

Jetzt besteht das Problem nur darin, einen Oszillator mit steuerbarer Frequenz herzustellen. Das ist einfach, da es bereits viele Kandidatendesigns gibt. Hier sind ein paar Möglichkeiten:

1. Richten Sie einen Komparator mit Hysterese ein und speisen Sie ihn von einem Kondensator, der über einen Widerstand auf eine variable Spannung aufgeladen wird. Wenn die Kappe den hohen Schwellenwert erreicht, löst der Ausgang aus und entlädt die Kappe hart auf Masse. Die Cap-Wellenform ist ein abgerundeter Sägezahn mit langsamer Anstiegszeit und schneller Abfallzeit. Die Schaltung gibt während der Abfallzeit einen Impuls aus. Dies geht in ein Flip-Flop, das als Teiler durch 2 eingerichtet ist, das die endgültige Ausgabe erzeugt.

2. Wie Nr. 1, außer dass die Kappe von einer einstellbaren Stromquelle gespeist wird. Dies ermöglicht eine linearere Steuerung der Periode, und die Cap-Wellenform ist ein echter Sägezahn (der ansteigende Teil ist linear, kein exponentieller Abfall wie zuvor).

3. Wie Nr. 1, aber stattdessen wird der Widerstand an die feste Versorgung angepasst. Dies ändert die Zeitkonstante und die durchschnittliche Steigung des ansteigenden Teils des exponentiellen "Sägezahns".

Es gibt viele andere Schaltungstopologien, um einen frequenzeinstellbaren Oszillator herzustellen. Sie variieren je nachdem, welcher Parameter angepasst wird und wie linear oder nicht dies auf Periode oder Frequenz abgebildet wird.

Auch hier besteht der Haupttrick darin, dem Oszillator mit einem 2x-Teiler zu folgen, damit sein nativer Arbeitszyklus das sein kann, was bequem herausfällt.