В запасниках каждого мастера со стажем имеется немало вполне работоспособных устройств и приборов, разработанных в свое время для некоторых практических задач, и после их решения перешедших в разряд экспонатов. Недавно мне понадобились несколько многооборотных потенциометров, но обнаружилось, что запасы 10-килоомных потенциометров исчерпаны. «Ч&Д» в десяти минутах езды, но цены там баснословные – более 40 USD за экземпляр. К счастью в одной из очень древних самоделок имелись четыре качественных потенциометра именно такого номинала.
Однако, взяв прибор в руки, я вспомнил обстоятельства, в которых он был создан, и рука не поднялась его разбирать. Наоборот, решил проверить его работоспособность и, как оказалось, он и сейчас вполне пригоден для лабораторных работ.
А история, связанная с этим прибором, такова.
В студенческие годы мне повезло совершить большое морское путешествие на сухогрузе «Кавказ», где старшим помощником капитана служил большой друг нашей семьи, в прошлом боевой офицер, командир эскадренного миноносца.
Корабль с гуманитарной помощью должен был зайти в несколько африканских портов на атлантическом побережье, потом, дозаправившись топливом в Кейптауне, загрузиться натуральным каучуком на Шри-Ланке и через Красное море и Суэцкий канал вернуться на Родину. Однако после того как корабль обогнул побережье Северной Африки и взял курс на Индию, капитан неожиданно получил распоряжение пароходства изменить курс и забрать в порту Туамасина на Мадагаскаре часть научного коллектива океанографического судна, вставшего на прикол из-за поломки судовой машины.
Ученые, оказавшиеся ребятами веселыми, загорелыми и бородатыми, поставили на палубе палатки и тенты, под которыми сложили свое оборудование и в том числе спускаемый аппарат, который они непременно хотели опустить в нескольких точках Индийского океана.
На палубе они в основном и жили, так как погода нам благоприятствовала на протяжении всего плавания.
Однажды я вызвался помочь ученым с ремонтом прибора, вышедшего из строя в самый ответственный момент. Прибор этот был генератором импульсов, весившим не менее полутора пудов, какой то Г5-6… – точно не помню. Открыв его я понял, что починить его не смогу – там выгорела часть проводки, кроме того, отсутствовали инструкция и схема, оставшиеся на океанографическом судне. Огорченные ученые забрали свой переносной, т.е. имевший ручки для переноски прибор, а через несколько дней спросили, не смогу ли я сделать для них лайт-версию генератора, необходимую для экспериментов. Я попросил их составить ТЗ, которое примерно через час они мне и принесли.
Требовался генератор прямоугольных импульсов с частотой от 1000 Гц до 100 кГц с изменяемой длительностью импульсов. Кроме того, эти импульсы должны были генерироваться пачками различной длительности, имеющими частоту следования, изменяемую в широких пределах, примерно от 0.1 Гц до 100 Гц.
Следовательно, нужен был не один, а два взаимосвязанных генератора, причем ведущий генератор должен был обеспечить плавное изменение частоты ведомого генератора в пределах всего диапазона выходных частот. Амплитуда выходных импульсов должна быть в районе 30-35 В, а все параметры должны были управляться дистанционно.
На каждом судне есть инженер-электрик, отвечающий за работу судовой автоматики и электрических механизмов, и радисты (ну куда же без них). Так что какой-то запас радиодеталей у них был. Кроме этого имелись электронные компоненты, в том числе и различные микросхемы, купленные в Кейптауне и Дурбане на валюту, щедро выданную упомянутым старпомом.
После стадии размышлений и экспериментов родился импульсный генератор, который и будет описан ниже. Генератор был смонтирован в жестяной коробке из-под африканских сладостей, обеспечивающей экранировку от помех. На всякий случай я добавил ручную регулировку параметров, где и были задействованы многооборотные потенциометры.
Прибор исправно служил ученым до конца нашего путешествия и, несмотря на их просьбы, был оставлен у разработчика.
Прежде чем представить этот раритет читателям, я провел полную ревизию прибора, заменил операционные усилители на более современные, а биполярные транзисторы на полевые. Также я произвел тестирование управления и составил таблицы зависимости выходных параметров от управляющего напряжения.
Основой прибора является управляемый напряжением генератор импульсов на основе TL494, принципиальная схема которого изображена на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Принципиальная схема генератора прямоугольных импульсов, управляемого напряжением. Вход 1 – управление частотой, Вход 2 – управление коэффициентом заполнения. |
Частота генератора определяется управляемым напряжением источником тока на операционном усилителе А1.1 и транзисторе VT1. Ток может изменяться от примерно от 1.7 мкА до 350 мкА, что при указанных на схеме величинах конденсатора С1 и резистора R1 позволяет получить ЛИНЕЙНОЕ изменение частоты генератора от 63 Гц до 12239 Гц. На Рисунке 2 представлен график зависимости частоты от управляющего напряжения.
 |
|
| Рисунок 2. | График зависимости частоты от управляющего напряжения. По оси X – управляющее напряжение (В), по оси Y – частота в реперных точках (Гц). |
Управление коэффициентом заполнения осуществляется изменением напряжения на входе компаратора «мертвого времени» от 0 до 2.75 В, при этом коэффициент заполнения ЛИНЕЙНО изменяется от 96% до 0.
Температурная стабильность генератора определяется свойствами ТL494 (см. даташит) и ТКЕ конденсатора C1.
Генератор, принципиальная схема которого приведена на Рисунке 1, является не только точным лабораторным инструментом, но может быть использован для удаленного контроля двух параметров и передачи полученной информации по линии питания на значительное расстояние.
Линейная зависимость частоты и коэффициента заполнения от управляющих напряжений позволяет реализовать ЛЮБОЙ закон изменения выходных параметров, вплоть до модуляции случайным сигналом.
Дополнив генератор, изображенный на Рисунке 1, стандартным для TL494 усилителем мощности, можно сконструировать оригинальную охранную сигнализацию, светомузыкальную установку и еще множество полезных устройств.
Внимательный читатель, конечно, заметил обратный характер пропорциональности между управляющим напряжением и коэффициентом заполнения выходной последовательности импульсов генератора, изображенного на Рисунке 1.
Для того чтобы коэффициент заполнения выходной импульсной последовательности был прямо пропорционален входному напряжению, один из усилителей ошибки используется в качестве единичного инвертора управляющего напряжения. Модифицированная схема генератора представлена на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Принципиальная схема модифицированного генератора прямоугольных импульсов, управляемого напряжением с защитой выхода. Вход 1 – управление частотой, Вход 2 – управление коэффициентом заполнения. |
Управляющее напряжение подается на инвертирующий вход усилителя ошибки, а на неинвертирующий вход подается положительное смещение около 1.9 В. Точное значение этого смещения подбирается при настройке. Поскольку смещение подается от высокостабильного напряжения UREF, в процессе эксплуатации корректировка смещения не требуется.
При изменении управляющего напряжения от 0.1 В до 2.75 В коэффициент заполнения выходного сигнала линейно изменяется от 0 до 96% на частоте 1 кГц. На Рисунке 4 показан график зависимости коэффициента заполнения от управляющего напряжения для генератора на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 4. | График зависимости коэффициента заполнения от управляющего напряжения для модифицированного генератора. По оси X – коэффициент заполнения (%), по оси Y – управляющее напряжение (В). |
Примечание. Регулировкой коэффициента преобразования напряжения в ток (резистор R1) и коэффициента усиления инвертирующего усилителя (резистор R5) можно изменить верхние границы диапазона управляющих напряжений.
Для использования генератора в качестве лабораторного инструмента он имеет защиту выхода oт перегрузки и короткого замыкания.
Для защиты от перегрузки выходного каскада используется второй усилитель ошибки, работающий в данном приложении как компаратор.
Выходы усилителей ошибки объединены по схеме «ИЛИ», а, значит, импульсы на выходе микросхемы будут отсутствовать при напряжении на входе управления коэффициентом заполнения, равном нулю, ИЛИ при перегрузке выхода.
Выходной ток создает на сенсоре R6, включенном последовательно с сопротивлением нагрузки, некоторое падение напряжения. До тех пор, пока это напряжение не превысит 0.56 - 0.6 В, диод VD1 будет закрыт. Если падение напряжения на резисторе R6 превысит порог отпирания диода VD1, напряжение на неинвертирующем входе компаратора превысит напряжение на его инвертирующем входе, и на выходе компаратора появится высокий уровень напряжения, который прекратит генерацию импульсов.
Конденсатор С4 играет очень важную роль в этом процессе. Он не только фильтрует высокочастотные компоненты выходного сигнала. Как только генерация прекратится, и ток через сенсор спадет до нуля, компаратор должен будет вернуться в исходное состояние. В этот момент напряжение на конденсаторе C4 удержит его от этого безрассудного поступка 
. Разумеется, конденсатор C4 начнет разряжаться через R7, разность напряжений между входами компаратора начнет уменьшаться, и в какой-то момент напряжение на его выходе начнет снижаться, запуская процесс генерации самых коротких импульсов, на которые способна микросхема. Они имеют настолько малую длительность, что не способны существенно нагреть кристалл даже при коротком замыкании выхода, В то же время их энергия достаточна, чтобы зарядить конденсатор С4, выход компаратора снова переключится в высокое состояние и генерация прекратится. Описанный выше процесс будет повторяться, пока сохраняется перегрузка.
Однако вернемся к генератору из жестяной коробки…
В схему, показанную на Рисунке 5, внесены некоторые изменения относительно оригинала с целью более простой компоновки принципиальной схемы для публикации. Внешнее управление не показано, а управляющие напряжения формируются потенциометрами. Управление коэффициентом заполнения осуществляется способом, показанным на Рисунке 1. При ручном регулировании коэффициента заполнения отпадает необходимость в инвертировании управляющего напряжения.
На Рисунке 5 мы видим два генератора прямоугольных импульсов, подробно описанных выше. Для большей простоты дальнейшего изложения условимся называть генератор на элементах DA1, A1.1 и VT1 «Генератор 1», а генератор на элементах DA2, A2.2, VT2 и VT3 – «Генератор 2».
 |
|
| Рисунок 5. | Лабораторный генератор прямоугольных импульсов с диапазоном от 10 мГц до 114 кГц. |
Частотный диапазон каждого генератора разбит на три поддиапазона. Генераторы имеют следующие поддиапазоны (указаны верхние частоты) «Генератор 1»: 1.23 Гц, 12.3 Гц, 123 Гц; «Генератор 2»: 1.23 кГц, 12.3 кГц, 114 кГц. В самом конце высокочастотного диапазона линейность зависимости частоты от напряжения ухудшается.
Разумеется, о температурной стабильности в широком диапазоне температур говорить не приходится, особенно для самых низких частот, в связи с использованием электролитического конденсатора С1. С2 и С3 – керамика по типу КМ6, также не отличающихся стабильным ТКЕ, а вот С5, С6 и С7 – высококачественные полипропиленовые конденсаторы.
При подготовке этой публикации проведено суточное тестирование. Температура в лаборатории изменялась от 18 градусов ночью до 22 градусов днем. На частоте 1 кГц колебания частоты за сутки не превысили ±1 Гц. Выходная частота и температура фиксировались регистратором на базе 32-битного микроконтроллера ARM Cortex-M4 каждые 10 минут. При изменении напряжения питания от 8 В до 36 В изменений частоты не отмечено.
Кратко остановимся на возможностях генератора на Рисунке 5. При замыкании переключателя SA2 происходит 100% модуляция «Генератора 2» выходным напряжением «Генератора 1». При смене уровня сигнала на выходе «Генератора 1» с высокого на низкий открывается транзистор VT2, напряжение на входе компаратора «мертвого времени» DA2 повышается до 5 В, прекращая генерацию импульсов. При обратной смене уровня сигнала на выходе «Генератора 1» транзистор VT2 закрывается, разрешая генерацию.
Таким образом, на выходе «Генератора 2» формируются пачки импульсов, частота следования которых определяется частотой «Генератора 1», а длительность пачек его коэффициентом заполнения.
Наличие линейного пилообразного напряжения на выводе 5 микросхемы TL494 позволяет осуществить режим «свип-генератора», при котором частота следования импульсов на выходе «Генератора 2» будет плавно изменяться.
Изменение режимов управления выходной частотой «Генератора 2» производится переключателем SA4. В нижнем положении переключателя SA4 выходная частота «Генератора 2» зависит от положения движка потенциометра R16, а в верхнем положении этого переключателя выходная частота «Генератора 2» определяется текущим уровнем пилообразного напряжения.
На Рисунке 6 показан общий вид генератора с включенным режимом свипирования. Верхний луч осциллографа отображает управляющее пилообразное напряжение, а нижний луч показывает соответствующее изменение частоты «Генератора 2».
 |
|
| Рисунок 6. | Внешний вид прибора и осциллограммы режима свип-генератора. |
Управляющее пилообразное напряжение формируется с учетом особенности задающего генератора ТL494.
Времязадающий конденсатор на входе CT (вывод 5) при достижении порогового напряжения разряжается внутренним транзистором микросхемы. При этом наблюдаются следующий эффект: на низких частотах емкость, имеющая большую величину, не успевает полностью разрядится из-за конечного времени разряда. При этом минимальное остаточное напряжение на конденсаторе увеличивается.
Чтобы управляющее напряжение изменялось от 0 до 3.5 В, используется диод VD1 для сдвига начальной точки пилообразного напряжения, которое затем усиливается операционным усилителем A2.1.
Повторитель на усилителе A1.2 обеспечивает высокое входное сопротивление, необходимое для сдвига уровня. Температурный коэффициент диода VD1 составляет 2 мВ/°C, но при относительно постоянной температуре в корпусе прибора, его влияние можно не учитывать.
Примечание. В описанном выше генераторе прямоугольных импульсов использованы оригинальные микросхемы TL494 от Texas Instruments. При использовании микросхем других производителей уровни напряжений, указанных в тексте, могут отличаться на ±0.1 В.
Купить TL494 на РадиоЛоцман.Цены
