¿Cómo puedo hacer un multivibrador astable de 50% de servicio sintonizable linealmente?

El OP dice esto con respecto a su circuito 555: -

  

Si reduzco la resistencia a la mitad, la frecuencia es menos del doble.

Entiendo que esto significa que la frecuencia que quiere el OP es proporcional al inverso de la resistencia. Además, asumo que cuando el OP habla de un potenciómetro, él quiere, de hecho, usarlo como un reóstato, es decir, un limpiaparabrisas y un extremo del pot, también conocido como "una resistencia variable".

El uso del término "lineal" en la pregunta es posiblemente engañoso.

Entonces, considera usar un integrador y un disparador de schmitt como este: -

Básicamente,dependedequeelcapacitordelintegradorsecargueyluegosedescarguedelasalidadeldisparadorschmitt.Debidoaqueesunintegrador,tendráunasubidaybajadamuylinealdebidoalacorrientedeentradaysalidadelcondensadorqueseestableceporlaamplituddeondacuadradayR3.

Haymuchosdiseñosbasadosenestetipodecircuitoyaquíhayotro:-

Aquí está el artículo que lo describe con más detalle. Para sintonizarlo, puedes convertir R3 en un bote como el de abajo: -

Opuedeusarunaollaenserieconlaresistenciaderetroalimentaciónpositivaenelgatilloschmitt.InclusopuedesponerlaollaenlugardeR2.

Hayvariacionesdeestecircuitoquepermitenlamodulacióndeanchodepulso,esdecir,puedeshacerquelaondatriangularseamásparecidaaunasierra.

NUEVASECCIÓNsobrelaeleccióndelamplificadoroperacional.

Eláreademayorproblemaenestediseñoeselcomparador.Loidealseríaquecambiarasusalidadepositivoanegativoentiempocero,peroesonosucederá.Porejemplo,el741esunamalaelecciónporquetieneungranretrasoenarrastrarsustransistoresdesalidafueradelasaturación.Esprobablequeseagreguendecenasdemicrosegundosalretrasodepropagaciónmásnormaldealrededordeunmicrosegundo.

Luego,el741tieneunavelocidaddegirolimitadaensusalidaa0.5voltiospormicrosegundo.Sitieneunsuministrode+/-15V,losnivelestípicosdevoltajedesalidaestaránen+/-14V(cargadosconunaresistenciade10k).Cambiarlasalidadesde+14voltiosa-14voltiostoma56microsegundosydebehacerlodosvecesporciclodeoscilación:esoes112microsegundos.Lamayoríadelasveces,mientraslohace,elintegradornoestárealmentemoviendosusalidadeondatriangular,perocreoquepodríaacumularalmenos60microsegundosagregadosalciclodeoscilación.

Tambiéncuandocargalasalida,elniveldevoltajep-pcae.Lahojadedatosdicequeelniveldesalida741bajaráde+/-14Vconunacargade10ka+/-13Vconunacargade2k.

Entonces,¿quésignifica60enestediseño?Laoperadoradicequeredujoalamitadlaresistenciayesperaba800Hz,perosoloobtuvo756Hz.Ladiferenciadetiempoentreunciclode800Hzyunciclode756Hzesde73,esdecir,probablementetodopuedereducirsealalimitacióndevelocidaddegiro.

Paramejoraresto,obtengaunamplificadoroperacionalmuchomejordeaproximadamente10V/us.Luegoejecútelodesde+/-5Vrieles.Unamplificadoroperacionaltípicodeestetipopodríaproducirunasalidade+/-4V,esdecir,undeltade8Vy,debidoalamejoraenlavelocidadderespuesta,el"retardo" sería aproximadamente de 0,8 a nosotros, pero ¿qué significa esto? Compare esto con un error de 1Hz en 800 Hz: este es un retardo de tiempo por ciclo de 1,6 us, por lo que ahora, utilizando un op-amp de velocidad de giro de 10V / us, da un error de 1 Hz a 1600 Hz.

Para evitar el retardo de propagación adicional (común a una gran cantidad de amplificadores operacionales) cuando sus salidas se saturan, se puede usar una retroalimentación negativa para limitar la salida del comparador a tal vez +/- 2.5V. El uso de zeners shunt de precisión espalda con espalda puede ser capaz de hacer esto, pero, como siempre, el diablo está en los detalles de la hoja de datos, así que no voy a proponer nada duro y rápido para esta función. busque un amplificador operacional que sea rápido para salir de la saturación o busque un comparador rápido con salida push-pull.

Si construyes tu oscilador para funcionar al doble de la frecuencia deseada, y luego pones un flip-flop después de dividirlo por 2, la onda resultante tendrá un ciclo de trabajo del 50% todo el tiempo.

Tome su circuito 555 (u otro generador de frecuencia) y alimente su salida a una división por 2 contadores binarios. Todos los IC del contador en el mercado son una exageración total para una simple división por 2, pero todavía costarán menos que su potenciómetro. El 4024 es una opción (que se divide por 1,2,4,8,16,32,64,128, es decir, 7 octavas de salida) pero hay muchas otras opciones. enlace

Su oscilador 555 funcionará mucho mejor si usa una versión CMOS en lugar de la versión bipolar antigua (y solo carga la salida ligeramente). Si está colgado en un ciclo de trabajo del 50,0%, continúe con un flip-flop (y regule bien la tensión de alimentación, ya que los cambios durante el ciclo afectarán el ciclo de trabajo. Esto funcionará con cualquiera de los circuitos del oscilador.

El siguiente es un circuito VCO de suministro único decente y muy económico de la hoja de datos LM324 :

Puedes usar otro de los cuatro amplificadores operacionales en el paquete como seguidor de voltaje para amortiguar el voltaje de entrada de un potenciómetro. Reemplace el BJT con un MOSFET para obtener un poco más de rango en el extremo inferior, pero el BJT es bastante bueno. La onda triangular tiene mucho menos contenido armónico que una onda cuadrada, por lo que podría ser preferible para producir audio.

El circuito anterior produce una frecuencia que es lineal con el voltaje, por lo que con un potenciómetro cónico B + lineal, obtendrá una frecuencia que aumenta linealmente con la rotación del eje del potenciómetro. La mayoría de los otros circuitos tienen un período que aumenta linealmente con la rotación del potenciómetro, por lo que la frecuencia es proporcional al recíproco del ángulo de rotación del pozo.

[Actualización después de aclarar la pregunta]

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Una variación del circuito de realimentación de Andy aka con el disparador schmitt.

Cuando se liberen todos los interruptores, el integrador se desplazará lentamente a uno de los voltajes de suministro, dependiendo de la corriente de fuga y desviación.

Te divertirás intentando sintonizar esto.

[Respuesta original]

Microchip tiene Application Note TB3071 ofrece una posible solución pero requiere la programación de un chip.

  

En este informe técnico, se utiliza un PIC10F322 para implementar un   Oscilador simple controlado por voltaje (VCO). Rango de frecuencias de salida   de 16 Hz a 500 kHz, con una fuente de reloj generada internamente (sin   cristal externo requerido). El VCO opera desde una tensión de alimentación de   2.3 a 5.5V, con un consumo de corriente de aproximadamente 2.4 mA (5.0V V DD).

Hay un interesante VCO analógico lineal en la página 27 de Amplificadores de diferencia de corriente TI LM3900 . La frecuencia de salida es lineal con respecto a Vin. Puede hacer lo que necesites.

No puede tener una frecuencia linealmente proporcional a RC, pero puede tener el período así controlado. La frecuencia es entonces k / RC.

Puedes probar un circuito basado en este reverso del boceto del sobre.

ADVERTENCIA estos valores de componentes no generarán un oscilador sensible, aunque puede simular que está bien, eran simplemente los valores predeterminados cuando creé el esquema. Tendrá que averiguar los valores sensibles.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Este es un oscilador de relajación. La retroalimentación positiva se logra a través de R2 y R3, con control de tiempo a través de R1 y C1.

Tenga en cuenta que este circuito, como se dibuja, requiere rieles dobles, ya que C1 y R3 van a tierra. Es fácil de modificar para la operación de un solo riel con un punto de tierra efectivo.

La belleza de este circuito es que incluso si los valores bajos de R1 están cargando la salida del amplificador de tal manera que su salida disminuye, la caída se aplica tanto al voltaje en la resistencia de temporización R1 como a la cadena de histéresis R2 / R3, por lo que el período no se ve afectado por la impedancia de salida del amplificador. Lo mismo ocurre con las variaciones de los rieles de voltaje.

Este comportamiento contrasta con lo que sucedería si utilizara un inversor con disparador schmidt, como el 74HC14, en lugar de la combinación del amplificador + R2 + R3. Tiene una histéresis de entrada que es más o menos constante, independientemente del voltaje del riel y la caída de la salida, por lo que esto afectaría la frecuencia. Tampoco obtendría un ciclo de trabajo del 50%.

Es razonable tener R2 = R3, esto no proporciona una condición freq = 1 / RC, pero no está muy lejos. Puede ajustar la proporción R2 / R3 para obtener exactamente esa fórmula si lo desea. Hágalo ya sea analíticamente como un ejercicio, o juegue con valores en un simulador. Tendría que tirar un par de 10k o 100k en esas posiciones sin pensarlo más.

Deberá asegurarse de que la histéresis que elija con R2 y R3 se mantenga dentro del rango de entrada de modo común del amplificador. El amplificador predeterminado que aparece en el esquema es un TL081, que incluye el riel + ve pero no GND en su rango de modo común. Hay muchas otras opciones de amplificador que pueden incluir tierra o ambos rieles, pero no son necesarios a menos que desee utilizar relaciones R2 / R3 extremas.

CAVEATS

Este circuito es lineal y el 50% del ciclo de trabajo es de primer orden, es decir, cuando el amplificador operacional se está comportando idealmente .

Los amplificadores operacionales reales tendrán una tasa de giro finita y ganarán producto de ancho de banda. Una vez que la demora después del cambio se convierte en una parte importante del período, la frecuencia retrocederá de la ley lineal que tenía a frecuencias más bajas. Usa un amplificador operacional lo suficientemente rápido.

Aunque tanto la histéresis como la corriente de carga están controladas por el mismo pin, el valor de histéresis solo es relevante en el momento de la conmutación, mientras que la corriente de carga es válida durante todo el período. Si la salida del amplificador operacional varía a lo largo del período, debido a que se extrae una corriente excesiva de R1 y R2, o por una carga de salida excesiva, o por una ganancia no infinita, la frecuencia de salida no alcanzará la ley lineal en frecuencias más altas . Mantenga el valor mínimo de R1 suficientemente alto.

Si las resistencias se vuelven demasiado grandes, las corrientes de desviación tomadas por el amplificador se convertirán en una fracción significativa de las corrientes que pasan a través de las resistencias, y distorsionarán el ciclo de trabajo en un 50%.

Hay mejores diseños que tienen menos defectos, trabajando en modo de corriente en lugar de voltaje, por ejemplo, si se necesita una mejor linealidad en altas frecuencias.

Para un control lineal preciso, desea construir un oscilador rc de una manera que garantice que el condensador no se cargue resistivamente más que por cualquier otro medio necesario, por lo que tanto los comparadores como los búferes de salida deberían ser preferiblemente dispositivos de entrada FET.

Para un ciclo de trabajo exacto del 50%, el divisor de frecuencia ya sugerido es definitivamente la mejor solución.

Si también se desea una buena forma de diente de sierra, cargue el capacitor desde una fuente de corriente o desde un voltaje que sea muy alto en comparación con la amplitud en el capacitor.

Lo que solicita se llama convertidor de voltaje a frecuencia (VFC). Esto se puede usar con una resistencia variable configurada como un potenciómetro

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab} En lugar de perder tiempo con los temporizadores, elija un VFC real, como el Fairchild KA331 , que está disponible en Digikey.com por menos de un dólar. Dependiendo de la cantidad de circuitos de soporte que quieras proporcionar, puedes obtener linealidades VFC de .01%, lo que es mucho mejor que la linealidad de tu potenciómetro.

Y, como se ha sugerido, ponga una división por dos en la salida para obtener exactamente un ciclo de trabajo del 50%. Mientras quieras una onda cuadrada.

Si realmente desea una salida de onda cuadrada (ciclo de trabajo del 50%), comience con un oscilador de ciclo de trabajo arbitrario y divida la salida entre dos.

Ahora el problema es solo hacer un oscilador con frecuencia controlable. Eso es fácil con muchos diseños candidatos ya disponibles. Aquí hay algunas posibilidades:

1. Configure un comparador con histéresis y aliméntelo desde un condensador que se carga a través de una resistencia a un voltaje variable. Cuando la tapa llega al umbral alto, la salida se dispara y la descarga dura de la tapa a tierra. La forma de onda de la tapa será un diente de sierra redondeado con un tiempo de subida lento y un tiempo de caída rápido. El circuito emite un pulso durante el tiempo de caída. Esto entra en un flip-flop configurado como dividir por 2, que produce la salida final.

2. Igual que # 1, excepto que la tapa se alimenta desde una fuente de corriente ajustable. Esto permitirá un control más lineal del período, y la forma de onda de la tapa será un diente de sierra verdadero (la parte ascendente será lineal, no una caída exponencial como antes).

3. Igual que el # 1, pero en su lugar se ajusta la resistencia al suministro fijo. Esto cambia la constante de tiempo y la pendiente promedio de la parte ascendente del "diente de sierra" exponencial.

Hay muchas otras topologías de circuitos para hacer un oscilador de frecuencia ajustable. Varían sobre qué parámetro se está ajustando y en qué medida lineal o no se asigna al período o la frecuencia.

Nuevamente, el truco principal aquí es seguir el oscilador con un divisor 2x para que su ciclo de trabajo nativo pueda ser lo que se caiga convenientemente.