/ Generátory časových průběhů pro výrobu časových signálů

Generátory průběhů pro výrobu časových signálů

Generátory tvaru vlny

V předchozích tutoriálech jsme se podívali dovnitřdetail na třech různých typech základních tranzistorových multivibrátorových obvodů, které mohou být použity jako relaxační oscilátory pro výrobu buď čtvercové nebo obdélníkové vlny na jejich výstupech pro použití jako hodinové a časovací signály.

Je ale také možné vytvořit základní Generátor křivek obvody z jednoduchých integrovaných obvodů nebooperační zesilovače připojené k obvodu odporového kondenzátoru (RC) nebo krystalu křemene k produkci požadovaného binárního nebo čtvercového vlnového výkonu na požadované frekvenci.

Tento návod na generování vln by bylnekompletní bez některých příkladů digitálních regenerativních spínacích obvodů, protože ilustruje jak spínací činnost, tak i činnost generátorů křivek používaných pro generování čtvercových vln pro použití jako časování nebo sekvenční průběhy.

Víme, že regenerační spínací obvody jako např Astabilní multivibratory jsou nejpoužívanějším typem relaxačního oscilátoru, protože produkují konstantní výkon čtvercové vlny, což je činí ideálním digitálním Generátor křivek.

Astabilní multivibrators dělají vynikající oscilátoryprotože se nepřetržitě přepínají mezi dvěma nestabilními stavy při konstantním opakovacím kmitočtu, čímž se vytváří nepřetržitý výstup se čtvercovou vlnou s poměrem značek 1: 1 („ZAPNUTO“ a „VYP“ je stejný čas) ze svého výstupu a v tomto tutoriálu se podíváme na některé z různých způsobů, jak můžeme konstruovat generátory křivek pomocí standardních logických obvodů TTL a CMOS spolu s některými dalšími komponentami diskrétního časování.

Schmittovy generátory vln

Jednoduchý Generátory křivek lze vytvořit pomocí základního spouštěče Schmittměniče, jako je TTL 74LS14. Tato metoda je zdaleka nejjednodušší způsob, jak vytvořit základní generátor křivek. Když je astabilní multivibrátor použit pro výrobu hodinových nebo časovacích signálů, musí produkovat stabilní průběh, který rychle přepíná mezi stavy „HIGH“ a „LOW“ bez jakéhokoliv zkreslení nebo šumu, a střídače Schmitt to dělají.

Víme, že výstupní stav SchmittaStřídač je opačný nebo inverzní než stav jeho vstupního stavu (principy NOT gate) a může měnit stav na různých úrovních napětí, což je „hystereze“.

Střídače Schmitt používají spouštěcí akci Schmittkterý mění stav mezi horní a dolní prahovou úrovní, když se signál vstupního napětí zvyšuje a snižuje o vstupní svorku. Tato horní prahová úroveň „nastavuje“ výstup a spodní prahová úroveň „resetuje“ výstup, který odpovídá logice „0“ a logice „1“ pro měnič. Zvažte níže uvedený okruh.

Schmittův generátor vlnových průběhů

generátor křivek spouštění

Tento jednoduchý generátor obvodu se skládá zjednoho logického hradla jednoho TTL 74LS14 Schmittova invertorového logika s kondenzátorem C připojeným mezi jeho vstupní svorkou a uzemněním (0v) a kladnou zpětnou vazbou požadovanou pro obvod, který má kmitat, poskytován zpětnovazebním odporem R.

Tak jak to funguje ?. Předpokládejme, že náboj napříč deskami kondenzátorů je nižší než dolní prahová hodnota Schmittovy hodnoty 0,8 voltu (hodnota datového listu). Tím je vstup do měniče na logické úrovni „0“, což má za následek logickou výstupní úroveň „1“ (principy měniče).

Nyní je připojena jedna strana rezistoru Rlogický výstup „1“ (+ 5V), zatímco druhá strana rezistoru je připojena k kondenzátoru C, který je na logické úrovni „0“ (0,8v nebo nižší). Kondenzátor se nyní nabíjí v kladném směru přes odpor při rychlosti určené časovou konstantou RC kombinace.

Když nabití přes kondenzátor dosáhneMezní hodnota 1,6 voltů Schmittovy spouštěče (hodnota datového listu) výstup ze Schmittovy měniče se rychle mění z logické úrovně „1“ na stav „0“ logické úrovně a proud protékající odporem mění směr.

Tato změna nyní způsobí kondenzátorpůvodně nabíjení přes odpor, R se začne vybíjet zpět přes stejný odpor, dokud náboj přes kondenzátorové desky nedosáhne dolní prahové úrovně 0,8 voltu a měniče výstup přepnou stav znovu s cyklem opakující se znovu a znovu jako znovu pokud je přítomno napájecí napětí.

Kondenzátor C je tedy neustále nabíjen aSamotné vybíjení během každého cyklu mezi vstupy horní a dolní prahové úrovně měniče Schmitt produkuje logickou úroveň „1“ nebo logickou úroveň „0“ na výstupu střídačů. Výstupní průběh však není symetrický, což vytváří pracovní cyklus přibližně 33% nebo 1/3, protože poměr značek k prostorům mezi „HIGH“ a „LOW“ je 1: 2 vzhledem k charakteristikám vstupní brány TTL. měniče.

Hodnota rezistoru zpětné vazby (R) MUSÍtaké aby se obvod udržoval na nízké úrovni pod 1kΩ, aby obvod správně kmital, 220R až 470R je dobrý a změnou hodnoty kondenzátoru C se mění frekvence. Také při vysokofrekvenčních úrovních výstupní tvar vlny mění tvar z čtvercového tvaru vlny na tvar lichoběžníkového tvaru, protože vstupní charakteristiky TTL hradla jsou ovlivněny rychlým nabíjením a vybíjením kondenzátoru. Frekvence kmitání pro Schmittovy generátory vln je proto uveden jako:

Frekvence křivek Schmittovy křivky

generátor křivek schmitt astable

S hodnotou odporu mezi: 100R až 1kΩ a hodnotou kondenzátoru mezi: 1nF až 1000uF. To by poskytlo frekvenční rozsah mezi 1 Hz až 1 MHz, (vysoké frekvence způsobují zkreslení tvaru vlny).

Obecně platí, že standardní brány TTL logiky nefungujípříliš dobře jako generátory křivek v důsledku jejich průměrných vstupních a výstupních charakteristik, zkreslení výstupního tvaru vlny a nízké hodnoty požadovaného odporu zpětné vazby, což vede k velkému kondenzátoru s vysokou hodnotou pro provoz s nízkou frekvencí.

Také TTL oscilátory nemusí oscilovat, pokudhodnota zpětnovazebního kondenzátoru je příliš malá. Můžeme však také vyrobit Astable Multivibrators s využitím lepší technologie logiky CMOS, která pracuje od 3V do 15V, jako je CMOS 40106B Schmitt Inverter.

CMOS 40106 je jeden vstupní měnič sstejná Schmitt-spoušťová akce jako TTL 74LS14, ale s velmi dobrou odolností proti šumu, vysokou šířkou pásma, vysokým ziskem a vynikajícími vlastnostmi vstupu / výstupu pro vytvoření více „squarer“ výstupního tvaru vlny, jak je uvedeno níže.

Generátor křivek CMOS Schmitt

cmos schmitt generátor spouštěcích vln

Obvody generátorů vln Schmitt proCMOS 40106 je v podstatě stejná jako u předchozího měniče TTL 74LS14, s výjimkou přidání odporu 10kΩ, který se používá k zabránění poškození kondenzátoru citlivými vstupními tranzistory MOSFET, protože se rychle vybíjí při vyšších frekvencích.

Poměr mark-space je rovnoměrnějšíasi 1: 1 s hodnotou zpětnovazebního odporu zvýšenou pod 100kΩ, což má za následek menší a levnější časovací kondenzátor C. Frekvence oscilací nemusí být stejná jako: (1 / 1,2RC), protože vstupní charakteristiky CMOS se liší od TTL. S hodnotou odporu mezi: 1kΩ a 100kΩ a hodnotou kondenzátoru mezi: 1pF až 100uF. To by poskytlo frekvenční rozsah mezi 0,1 Hz a 100 kHz.

Schmittovy generátory vlnových průběhů mohou být také vyrobeny z různých druhůlogických bran připojených k vytvoření obvodu měniče. Základní Schmittův astabilní multivibrátor může být snadno modifikován některými dalšími komponentami pro výrobu různých výstupů nebo frekvencí. Například dva inverzní průběhy vln nebo více frekvencí a změnou pevného odporového odporu na potenciometr může být výstupní frekvence měněna, jak je znázorněno níže.

Generátory tvaru hodin

generátor časových průběhů

V prvním okruhu výše, další SchmittMěnič byl přidán k výstupu generátoru vlnového tvaru Schmitt, aby vytvořil druhou vlnovou křivku, která je inverzním nebo zrcadlovým obrazem prvního produkujícího dvou komplementárních výstupních průběhů, takže když je jeden výstup „HIGH“, druhý je „LOW“. Tento druhý střídač Schmitt také zlepšuje tvar inverzní výstupní vlny, ale přidává k ní malé „zpoždění hradla“, takže není přesně synchronizován s prvním.

Také výstupní frekvence oscilátoruObvod může být měněn změnou pevného odporu R na potenciometr, ale menší odpor zpětné vazby je stále potřebný, aby se předešlo zkratu potenciometru při jeho minimální hodnotě 0Ω.

přepínač led tranzistor

Můžeme také použít dva komplementární výstupy, Qa Q prvního obvodu alternativně záblesky dvou sad světel nebo LED diod připojením jejich výstupů přímo k základnám dvou spínacích tranzistorů, jak je znázorněno na obrázku.

Tímto způsobem je připojena jedna nebo několik LED diodspolečně v sérii s kolektorem spínacích tranzistorů, což má za následek střídavé záblesky každé sady LED, protože každý tranzistor je zase zapnut.

Také při použití tohoto typu obvodu nezapomeňte vypočítat vhodný sériový odpor R, aby se omezil proud LED pod 20mA (červená LED) na napětí, které používáte.

Aby bylo možné generovat velmi nízkofrekvenční výstup několika Hertzů, který bude blikat LED diodami, generátory vlnových křivek Schmitt používají vysokohodnotové časovací kondenzátory, které samy o sobě mohou být fyzicky velké a drahé.

Dalším alternativním řešením je použití menšíhohodnota kondenzátor generovat mnohem vyšší frekvenci, řekněme 1kHz nebo 10kHz, a pak rozdělit tuto hlavní hodinovou frekvenci dolů do jednotlivých menších, dokud se nedosáhne požadované hodnoty nízké frekvence, a druhý obvod výše to dělá.

Spodní obvod nahoře ukazuje oscilátorslouží k řízení hodinového vstupu zvlňovacího čítače. Čítače zvlnění jsou v podstatě počet dělicích obvodů typu d-by-2, typu D, které se kaskádovitě skládají dohromady, aby vytvořily jeden čítač dělení podle N, kde N se rovná počtu bitů čítačů, jako je například CMOS 4024 7-bit Čítač zvlnění nebo čítač CMOS 4040 12 bitů.

Pevná hodinová frekvence produkuje Schmittastable clock pulse circuit je rozdělen na několik různých subfrekvencí, jako jsou ƒ ÷ 2, ƒ ÷ 4, ƒ ÷ 8, ƒ ÷ 256, atd., až do maximální hodnoty „Divide-by-n“ zvlnění čítače. Tento proces používající buď „Flip-flopy“, „Binary Counters“ nebo „Ripple Counters“ pro rozdělení hlavní frekvence pevných hodin do různých subfrekvencí je známý jako Frequency Division a můžeme jej použít k získání řady frekvenčních hodnot od jeden generátor vlnové křivky.

Generátory tvaru vlny NAND

Schmittovy generátory vln lze také vytvořit pomocí standardní logiky CMOS NANDVrata připojená k vytvoření měniče. Zde jsou dvě brány NAND spojeny dohromady, aby vytvořily další typ obvodu RC relaxačního oscilátoru, který bude generovat výstupní tvar vlny ve tvaru čtvercové vlny, jak je uvedeno níže.

NAND Gate Waveform Generator

nand gateway generátor křivek

V tomto typu obvodu generátoru vlnRC síť je tvořena odporem, R1 a kondenzátorem C, přičemž tato RC síť je řízena výstupem první brány NAND. Výstup z této sítě R1C je veden zpět na vstup prvního NAND brány přes odpor, R2 a když nabíjecí napětí na kondenzátoru dosáhne horní prahové úrovně prvního NAND brány, NAND brána změní stav způsobující druhou NAND bránu následovat, a tím změnit stav a vytvořit změnu výstupní úrovně.

Napětí v síti R1C je nyníreverzní a kondenzátor začne vybíjet přes odpor, dokud nedosáhne dolní prahové úrovně první brány NAND, což způsobí, že obě brány opět změní stav. Stejně jako předchozí obvod generátorů Schmittovy křivky, frekvence kmitání je určena časovou konstantou R1C, která je udávána jako: 1 / 2,2R1C. Obecně R2 je dána hodnota, která je desetinásobkem hodnoty rezistoru R1.

Pokud je vyžadována vysoká stabilita nebo zaručený samočinný rozběh, Generátory tvaru CMOS lze provést pomocí tří invertujících NAND bran nebovšechny tři logické střídače pro tuto záležitost, spojené dohromady, jak je ukázáno níže, vytvářející obvod, který se někdy nazývá „prstencem tří“ generátoru. Frekvence oscilace je opět určena časovou konstantou R1C, která je stejná jako u dvoukanálového oscilátoru výše a která je dána jako: 1 / 2,2R1C, když R2 má hodnotu, která je desetinásobkem hodnoty odporu, R1.

Stabilní NAND Gate Waveform Generator

stabilní nand gate wave generátor

Přidání dalších záruk NAND brányže oscilátor začne i při velmi nízkých hodnotách kondenzátoru. Stabilita generátoru vln je také výrazně zlepšena, protože je méně náchylná ke změnám v napájecím zdroji, protože jeho prahová spouštěcí úroveň je téměř polovina napájecího napětí.

Množství stability je určováno hlavně frekvencí kmitání a obecně řečeno, čím nižší je frekvence, tím stabilnější oscilátor se stává.

Protože tento typ generátoru vln pracuje natéměř polovina nebo 50% napájecího napětí má výsledný výstupní průběh velmi téměř 50% pracovní cyklus, poměr značek 1: 1. Generátor vlnové křivky s třemi hradly má mnoho výhod oproti předchozímu oscilátoru dvou bran, ale jeho velkou nevýhodou je, že používá další logickou bránu.

Generátor tvaru křivky

Viděli jsme to výše Generátory křivek lze provést pomocí TTL i lepší CMOSlogická technologie s RC sítí produkující časové zpoždění uvnitř obvodu, když je připojen přes jeden, dva nebo dokonce tři logické brány, aby vytvořily jednoduchý RC Relaxation Oscillator. Můžeme však také generovat průběhy pomocí pouze logických NOT Gates nebo jinými slovy Invertory, aniž by k nim byly připojeny další pasivní komponenty.

Spojením všech ZVLÁŠTNÍ číslo (3, 5, 7, 9 atd.) NOT bran k vytvoření a„Kruhový“ obvod, takže výstup kruhu je připojen přímo zpět ke vstupu prstence, obvod bude i nadále oscilovat, protože logická úroveň „1“ se neustále otáčí kolem sítě a produkuje výstupní frekvenci, která je určena šířením. zpoždění použitých měničů.

Generátor prstencových průběhů

obvod generátoru vlnové křivky

Frekvence kmitání je dánacelkové zpoždění šíření střídačů používaných uvnitř prstence, které je určeno typem technologie hradla, TTL, CMOS, BiCMOS, ze kterého je střídač vyroben. Zpoždění šíření nebo doba šíření, je celkový čas potřebný (obvykle v Nanoseconds) pro signál přejít přímo přes střídač od logiky “0” přijít na vstup k tomu produkovat logiku “1” u jeho výstupu.

Také pro tento typ generátoru křivkyzměny obvodu v napájecím napětí, teplotě a kapacitní zátěži ovlivňují zpoždění šíření logických hradel. Obecně bude průměrná doba zpoždění šíření uvedena v katalogových listech výrobců pro typ používaných digitálních logických bran s frekvencí kmitání udávanou jako:

kmitočtová rovnice kruhového oscilátoru

Kde: ƒ je frekvence oscilace, n je počet použitých bran a Tp je zpoždění šíření pro každou bránu.

Předpokládejme například, že jednoduchý obvod generátoru vln má 5 jednotlivých střídačů spojených dohromady v sérii do tvaru a Kruhový oscilátor, zpoždění šíření pro každý střídač je dáno jako 8ns. Pak bude frekvence kmitání udávána jako:

kmitočtu oscilátoru

Samozřejmě to není opravdu praktickéoscilátor především kvůli jeho nestabilitě a velmi vysoké frekvenci oscilací, 10 'Megahertz v závislosti na typu použité logické hradlové technologie a v našem jednoduchém příkladu to bylo vypočítáno jako 12,5MHz !!. Výstupní kmitočet kruhového oscilátoru může být „vyladěn“ trochu změnou počtu střídačů používaných v rámci kruhu, ale je mnohem lepší použít stabilnější generátor vlnových křivek, jaký jsme popsali výše.

Nicméně ukazuje, že logické brány mohoubýt spojeny dohromady, aby produkovaly logické generátory vlnových tvarů a špatně navržené digitální obvody se spoustou bran, signální cesty a smyčky zpětné vazby byly o sobě náhodně kmeny.

Pomocí sítě RC přes střídačObvod kmitočtu, kmitočet kmitání může být přesně řízen, čímž se vytvoří praktičtější obvod astabilního relaxačního oscilátoru pro použití v mnoha obecných elektronických aplikacích.

V dalším tutoriálu o vlnách a tvaru vlnyGenerace, budeme zkoumat 555 Timer, který je jedním z nejpopulárnějších a všestranných integrovaných obvodů, které kdy byly vyrobeny a které mohou generovat širokou škálu různých vlnových průběhů a časovacích signálů od monostabilní až po astabilní multivibratory.

Komentáře (0)
Přidat komentář