Микросхема 222 - альтернатива 555. ШИМ-генератор с независимой регулировкой частоты. Часть 1

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.

Литература

1. Camenzind H. Designing Analog Chips. – Virtualbookworm.Com Publishing, Incorporated, 2005. – 242 p.
2. Шустов М. А. Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. – СПб.: Наука и Техника, 2013. – 352 с.
3. Шустов М. А. Дробная логика.

Материалы по теме

1. Datasheet Diodes NE555 
2. Datasheet Texas Instruments CD4013B
3. Datasheet Texas Instruments CD4030B
4. Datasheet Texas Instruments CD4093B
5. Datasheet ON Semiconductor LM339
6. Datasheet Microchip 1N4461
7. Datasheet ON Semiconductor 2N6600
8. Datasheet Microchip 2N7000
9. Datasheet ON Semiconductor BC558B
10. Datasheet Vishay BS170