หน่วยที่ 11 การกำเนิดสัญญาณ

เอกสารประกอบการเรยี น วชิ า วงจรพัลส์และสวิตชิง รหัสวชิ า 2105-2006 หนว่ ยการเรียนที่ 11 การกาเนิดสญั ญาณ จัดทาโดย ครูปราณทพิ ย์ ชนวีรจ์ ารณุ ฐัสาขาวชิ าอิเล็กทรอนกิ ส์ วิทยาลยั เทคนคิ จันทบุรีสานักงานคณะกรรมการการอาชีวศกึ ษา กระทรวงศกึ ษาธิการ

การกาเนดิ สญั ญาณแนวคิด สัญญาณต่าง ๆ จะกาเนิดข้ึนมาได้น้ัน จาเป็นต้องอาศัยแหล่งกาเนิด หรือวงจรกาเนิดสัญญาณ ซึ่งวงจรกาเนิดสัญญาณจะทาหน้าที่ กาเนิดสัญญาณไฟฟ้าให้มีรูปร่างตามท่ีต้องการ เพ่ือนาสัญญาณเหล่าน้ีไปใช้กับวงจรอิเล็กทรอนิกส์อ่ืน ๆ ในหน่วยน้ีจะกล่าวถึง วงจรกาเนิดสัญญาณรูปฟันเลื่อย และวงจรกาเนิดสญั ญาณรปู ส่ีเหลยี่ มโดยใช้ไอซเี บอร์ 555 เป็นตัวสรา้ งสัญญาณสาระการเรียนรู้ 1. วงจรกาเนดิ สัญญาณ 2. วงจรกาเนดิ สญั ญาณฟนั เล่ือยโดยใชไ้ อซีเบอร์ 555 3. วงจรกาเนิดสัญญาณรูปส่ีเหล่ียมโดยใช้ไอซเี บอร์ 555จดุ ประสงคก์ ารเรียนรู้ จุดประสงค์ทั่วไป 1. เพื่อใหม้ คี วามรู้ และเข้าใจเกย่ี วกบั การกาเนิดสญั ญาณแบบต่าง ๆ 2. เพื่อใหม้ ีกจิ นิสยั ในการพัฒนาคณุ ธรรม จริยธรรม จดุ ประสงค์เชงิ พฤติกรรม 1. บอกหน้าที่ของวงจรกาเนิดสัญญาณได้ 2. อธบิ ายการทางานของวงจรกาเนิดสัญญาณรปู ฟนั เลอ่ื ยได้ 3. คานวณหาคา่ พารามเิ ตอร์ของวงจรกาเนิดสญั ญาณรปู ฟนั เล่อื ยได้ 4. อธบิ ายการทางานของวงจรกาเนิดสัญญาณรูปส่ีเหลีย่ มได้ 5. คานวณหาค่าพารามเิ ตอร์ของวงจรกาเนิดสัญญาณรูปสี่เหลย่ี มได้ 6. มีการพฒั นาคุณธรรม จรยิ ธรรม และคุณลกั ษณะอนั พึงประสงค์ทีผ่ สู้ อนสามารถสงั เกตเหน็ ได้ในดา้ นมนษุ ยสมั พันธ์ มีวนิ ัยใช้วสั ดุอปุ กรณ์ ความรบั ผิดชอบ ตรงต่อเวลาละเอยี ดรอบคอบ มคี วามกระตือรอื ร้นในการทางาน เชอ่ื มั่นในตนเอง ซื่อสัตย์สจุ ริต สนใจใฝ่รู้ รกั สามัคคี

1.วงจรกาเนดิ สญั ญาณ สัญญาณตา่ ง ๆ จะกาเนิดขึ้นมาได้นนั้ จาเปน็ ต้องอาศยั แหลง่ กาเนิด โดยจะกาเนิดสัญญาณที่มีรูปร่างแตกต่างกันออกไป ซ่ึงรูปสัญญาณต่าง ๆ เหล่านี้ จะถูกสร้างมาจากวงจรกาเนิดสัญญาณ(Oscillator Circuit) วงจรกาเนิดสัญญาณไฟฟ้า หมายถึง วงจรที่ทาหน้าท่ี กาเนิดสัญญาณไฟฟ้าต่าง ๆ ให้มีรปู ร่างตามต้องการ เพ่อื นาสญั ญาณเหลา่ นี้ไปใช้กับวงจรอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ แบ่งออกได้เป็นสองกลุ่มใหญ่ ๆ ดว้ ยกนั คือ วงจรกาเนดิ สัญญาณรูปไซน์ (Sinusoidal wave) และวงจรกาเนิดสัญญาณท่ีไม่ใช่รูปไซน์ (Non-Sinusoidal Wave) ซ่ึงได้แก่ สัญญาณรูปสามเหลี่ยมสัญญาณรูปฟันเลื่อย และสัญญาณรูปส่ีเหล่ียมเป็นต้น ในหน่วยนี้จะกล่าวถึงเฉพาะวงจรกาเนิดสัญญาณท่ีไม่ใช่รูปไซน์ คือวงจรกาเนิดสัญญาณรูปฟันเล่ือย (Sawtooth Wave) และวงจรกาเนิดสัญญาณรูปสี่เหลี่ยม (SquareWave) ทส่ี ร้างจากไอซเี บอร์ 5552.วงจรกาเนิดสัญญาณฟันเลอ่ื ยโดยใช้ไอซีเบอร์ 555 วงจรกาเนิดสัญญาณรูปฟันเล่ือย เป็นวงจรท่ีสร้างสัญญาณรูปคล่ืนลาดเอียง ซ่ึงมีลักษณะเพิม่ หรอื ลดลงอยา่ งเป็นเชงิ เส้นเมื่อเทียบกับเวลา เราสามารถสร้างวงจรกาเนิดสัญญาณรูปฟันเลื่อยแบบงา่ ย ๆ และมเี สถยี รภาพทดี่ ีได้ โดยใชไ้ อซีเบอร์ 555 แสดงดงั รปู ท่ี 11.1 +VCC VCC D1 IE 4 8 OUTPUT 1 OUTPUT 1 1N4001 BD140 Q1 IC 0 t 555 3 tR1 IB IC 5 VCCOUTPUT 2 7 6 C2 2 C1 OUTPUT 2 2 VCC 3 1 1 VCC 3 0 tp td Tก. วงจรกาเนิดสญั ญาณฟันเล่ือย ข. สัญญาณรูปคลืน่รปู ที่ 11.1 วงจรกาเนิดสญั ญาณฟนั เล่ือยท่ีใช้ ไอซเี บอร์ 555 จากรูปท่ี 11.1 แสดงวงจรกาเนิดสัญญาณฟันเล่ือยท่ีใช้ไอซีเบอร์ 555 ประยุกต์ใช้งานโดยการต่อขา 2 (ขาทริกเกอร์) ขา 7 (ขาดิสชาร์จ) และขา 6 (ขาเทรสโฮล) เข้าด้วยกัน ต่อเข้ากับตัว C1

ให้อีกขั้วหน่ึงต่อลงกราวด์ และตรงจุดต่อระหว่างขา 2, ขา 6 และขา 7 ต่อเข้ากับขา C ของตัว Q1ขา E ตอ่ เข้ากับขา 4 ขา 8 ซ่ึงตอ่ เข้ากบั แหล่งจา่ ย  VCC ขาท่ี 3 จะเป็น OUTPUT 1 และระหว่างขา 2, ขา 6 และขา 7 จะเป็น OUTPUT 2 เมื่อแรงดันตกคร่อมตัว C1 เท่ากับ 2 VCC ทาให้ตัว Q1 นากระแสและตัว C1 คายประจุผ่านขา 7 จน 3แรงดันตกคร่อมตัว C1 มีค่าลดลงเท่ากับ 1 VCC ก็จะทาการเก็บประจุอีกคร้ังหน่ึง เป็นเช่นน้ีไปเรื่อย 3ทาใหไ้ ดร้ ปู คลน่ื ตกครอ่ ม C1เปน็ สัญญาณคล่ืนรปู ฟันเล่อื ยออกที่ OUTPUT 2สาหรับค่าคาบเวลา (T) ในการกาเนดิ สัญญาณจะมคี า่ ใกลเ้ คียงกับเวลาในการเกบ็ ประจุของตัวเก็บประจุ C1 หาค่าไดจ้ ากสมการ T = VCC C (สมการท1ี่ 1-1) 3 IC (สมการท่ี 11-2) IB = VCC - VBE (สมการที่ 11-3) R IC = βIBการคานวณค่าความถ่ีของการกาเนดิ สัญญาณฟนั เลือ่ ย หาได้จากสมการ F = 3 IC (สมการที่ 11-4) VCC Cเม่ือ T คอื ค่าคาบเวลา F คอื คา่ ความถี่  คอื อัตราการขยายสัญญาณ C คือตวั เกบ็ ประจุมหี นว่ ยเปน็ ฟารดั (F) IB คอื กระแสเบสมหี น่วยเปน็ แอมแปร์ (A) IC คือกระแสคอลเลคเตอร์มีหน่วยเป็น แอมแปร์ (A) VCC คอื แรงดันแหล่งจ่ายไฟฟา้ มหี นว่ ยเปน็ โวลต์ (V) VBE คือแรงดันตกคร่อมรอยต่อเบสและอิมติ เตอร์ของทรานซิสเตอรเ์ ม่ือ อ่มิ ตัว มหี นว่ ยเป็นโวลต์ (V) จะเหน็ ว่าค่าความถ่ีของสญั ญาณฟันเลอื่ ยท่ีกาเนดิ ได้จะขึ้นอยู่กับค่า R และ C ในวงจรซึ่งจะทาการปรบั ค่าตัว R ไดโ้ ดยการใช้ตัวต้านทานปรบั คา่ ได้ต่ออนกุ รมท่ีขา B ของตวั Q1

ตัวอย่างที่ 11.1 จากวงจรรูปที่ 11.2 วงจรกาเนิดสัญญาณรูปฟันเล่ือย จงคานวณหาความถ่ีของสญั ญาณเอาต์พตุ เมอ่ื ทรานซิสเตอร์เบอร์ 2N3906 มี hfe = 60 + 9VR1 D1 1N4001 IE 4 8 3100K IB Q1 IC 5 OUTPUT 1 555 2N3906 IC C2 7OUTPUT 2 6 0.1μF 2 C1 1 0 .01 μ Fรปู ท่ี 11.2 วงจรกาเนิดรูปสัญญาณฟันเลื่อยวิธีทา จากสตู ร IB = VCC - VBE R1 = = 9 V - 0.7 V 100 K 83 μAจากโจทย์ กาหนด hfe = 60 ดงั นนั้ คานวณหาคา่ IC ได้ดงั นี้ จากสตู ร IC = βIB = 60  83 μA 60 x 83 = 4980 μAจากสตู ร F = 3I C VCC  C = 3  4980μA 9 V  0.01 μF = 3 4980 106 9 V  0.0110-6 = 166,000 Hz = 166 kHzดังน้ันความถี่ของสญั ญาณเอาต์พตุ ของวงจรเท่ากับ 166 kHz ตอบ

3.วงจรกาเนดิ สญั ญาณรูปสเ่ี หลย่ี มโดยใช้ไอซเี บอร์ 555 วงจรกาเนิดสัญญาณรูปสี่เหลี่ยมโดยใช้ไอซีเบอร์ 555 ท่ีต้องการ Duty Cycle 50 % จะประกอบดว้ ยตัว R1, R2 และตวั C1 เปน็ ตัวกาหนดคาบเวลาและความถี่ของสัญญาณท่ีเกิดและตัว D1ทใ่ี หก้ ระแสไหลผ่านขณะคายประจุ โดยไมต่ ้องผ่านตัว R2 ทาให้เวลาของสัญญาณพัลส์บวกเท่ากับเวลาของสัญญาณพลั ส์ลบ แสดงดงั รูปที่ 11.3 +VCC 48 V VCC R1 7 3 OUTPUTD1 R2 5 IC C2 0 ts t C1 555 tp 6 2 T 1รปู ท่ี 11.3 วงจรกาเนิดสญั ญาณรปู ส่ีเหล่ยี มโดยใชไ้ อซเี บอร์ 555 จากรูปท่ี 11.3 เป็นวงจรกาเนิดสัญญาณรูปสี่เหลี่ยมโดยใช้ไอซีเบอร์ 555 ท่ีจะสามารถหาค่าความถ่ี และคา่ ดวิ ตไี ซเคิล ได้ด้วยสตู รต่อไปนี้ F= 1.44 (สมการที่ 11-5)ค่า % Duty Cycle = (R1  2R 2 )C1 (สมการท่ี 11-6)เมอ่ื tp 100 tp  tsF คอื ค่าความถี่R1 คือตวั ต้านทานมีหนว่ ยเป็นโอหม์ (Ω)R2 คือตัวเก็บประจุมหี น่วยเปน็ ฟารดั (F)C1 คือตัวเก็บประจมุ หี น่วยเปน็ ฟารดั (F)% Duty Cycle คือค่าอัตราส่วนที่เป็นรอ้ ยละของช่วงเวลาที่เกดิ พลั ส(์ tP) กบั ชว่ งเวลาท่ีไมเ่ กิดพัลส์ (tS)tP คอื ช่วงเวลาที่เกิดพลั ส์ มหี น่วยเปน็ วินาที (sec)tS คือ ชว่ งเวลาทไ่ี ม่เกิดพลั ส์ มีหน่วยเปน็ วินาที (sec)

ตัวอย่างที่ 11.2 จากวงจรรูปที่ 11.4 กาเนิดสัญญาณสี่เหล่ียมความถี่ มีค่า 2 kHz Duty Cycle 50 %ขนาดสัญญาณ 9 V จงหาคา่ R1, R2 +9V 48 R1 D1 R2 7 3 OUTPUT1N4001 IC 5 C1 555 C2 0.1μF 6 2 0.1μF 1รปู ที่ 11.4 วงจรกาเนิดสญั ญาณรูปสี่เหลี่ยมความถี่ 2 kHzวิธีทา จากสูตร F= 1.44 ทคี่ วามถี่ (R1  2R 2 )C1 2 kHz ให้ 2 kHz = 1.44 (R1  2R 2 )C1 ให้ 2103 Hz = 1.44 C1 = 0.1 µF (R1  2R 2 )C1 2103 Hz = 1.44 (R1+ 2R2) = (R1  2R 2 ) 0.1106 F ตอบ R1= R2 = 1.44 R1+ 2R2 (2103 Hz)(0.1106 F) = 3R1 = 7,200 Ω R1 = = 7,200 Ω R1, R2 = 7,200 Ω 7,200  3 2,400 Ω 2.4 kΩ

สรุป วงจรกาเนิดสัญญาณ จะทาหน้าที่ กาเนิดสัญญาณไฟฟ้าตามรูปร่างที่ต้องการ เพื่อนาสัญญาณเหล่าน้ีไปใช้กับวงจรอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ สาหรับหน่วยน้ี จะกล่าวถึง วงจรกาเนิดสัญญาณรปู ฟนั เล่อื ย และ วงจรกาเนิดสญั ญาณรปู สี่เหล่ยี ม โดยใชไ้ อซีเบอร์ 555 วงจรกาเนิดสัญญาณรูปฟันเลื่อย เป็นวงจรที่สร้างสัญญาณรูปคล่ืนลาดเอียง ซ่ึงมีลักษณะเพมิ่ หรือลดลงอยา่ งเปน็ เชงิ เส้นเม่ือเทียบกับเวลา เราสามารถสร้างวงจรกาเนิดสัญญาณรูปฟันเล่ือยแบบงา่ ย ๆ และมีเสถยี รภาพท่ดี ไี ดโ้ ดยใช้ไอซีเบอร์ 555 วงจรกาเนิดสัญญาณรูปส่ีเหล่ียมโดยใช้ไอซีเบอร์ 555 ท่ีต้องการDuty Cycle 50 % จะประกอบด้วยตวั ต้านทาน R1, R2 ตวั เกบ็ ประจุ C1 เปน็ ตัวกาหนดคาบเวลาและความถ่ีของสัญญาณที่เกิดและไดโอด D1 ท่ีให้กระแสไหลผ่านขณะคายประจุ โดยไม่ต้องผ่าน R2 ทาให้เวลาของสัญญาณพัลสบ์ วกเท่ากับเวลาของสัญญาณพลั สล์ บ วงจรกาเนิดสญั ญาณ มีความสาคญั ในงานทางอิเล็กทรอนิกส์อย่างมาก ปัจจุบันการกาเนิดสญั ญาณต่าง ๆ เหล่านี้ อาจจะใช้ไอซีเบอร์ 555 ทรานซิสเตอร์ เฟต ออปแอมป์ หรือไอซีสาเร็จรูปมาสรา้ งเป็นวงจรกาเนิดสัญญาณมาใช้งานได้