/ / Waveform Generators til at producere Timing Signals

Waveform Generators til at producere Timing Signals

Waveform generatorer

I de tidligere tutorials har vi kigget inddetaljer i de tre forskellige typer af basis transistor multivibratorkredsløb, der kan bruges som afslapningsoscillatorer til at producere enten en kvadratisk eller rektangulær bølge ved deres udgange til brug som klokke- og timingsignaler.

Men det er også muligt at konstruere grundlæggende Waveform Generator kredsløb fra simple integrerede kredsløb elleroperationelle forstærkere forbundet til en modstandskondensator (RC) tank kredsløb eller til en kvartskrystal for at frembringe den nødvendige binære eller firkantede bølge output bølgeform ved den ønskede frekvens.

Denne bølgeform generation tutorial ville væreufuldstændig uden nogle eksempler på digitale regenerative koblingskredsløb, da det illustrerer både omskiftning og drift af bølgeformgeneratorer, der anvendes til at generere firkantbølger til brug som timing eller sekventielle bølgeformer.

Vi ved, at regenerative skifte kredsløb som Astable Multivibrators er den mest anvendte type afslapningsoscillator, da de producerer en konstant firkantbølgeudgang, hvilket gør dem ideelle som en digital Waveform Generator.

Astable multivibratorer gør fremragende oscillatorerfordi de kontinuerligt skifter mellem deres to ustabile tilstande ved en konstant gentagelseshastighed, hvorved der produceres en kontinuerlig firkantbølgeudgang med et 1: 1 mark-space-forhold ("ON" og "OFF" gange det samme) fra dets output og i denne vejledning vi vil se på nogle af de forskellige måder, vi kan konstruere bølgeformgeneratorer ved hjælp af bare standard TTL- og CMOS-logikkredsløb sammen med nogle ekstra diskrete timingskomponenter.

Schmitt Waveform Generators

Enkel Waveform Generators kan konstrueres ved hjælp af basic Schmitt triggeraction invertere som TTL 74LS14. Denne metode er langt den nemmeste måde at lave en grundlæggende astable waveform generator på. Når den bruges til at producere klokke- eller timingsignaler, skal den astable multivibrator producere en stabil bølgeform, der hurtigt skifter mellem dens "HIGH" og "LOW" -stilstand uden forvrængning eller støj, og Schmitt-omformere gør netop det.

Vi ved, at en Schmitts udgangstilstandinverter er modsat eller omvendt til dets input state (NOT gate principper) og at det kan ændre tilstand på forskellige spændingsniveauer giver det "hysterese".

Schmitt invertere bruger en Schmitt trigger handlingder ændrer tilstand mellem et øvre og et lavere tærskelniveau, da indgangsspændingssignalet øges og falder omkring indgangsterminalen. Dette øvre tærskelniveau "sætter" udgangen og det lavere tærskelniveau "nulstiller" outputen, der svarer til en logisk "0" og en logisk "1" for en inverter. Overvej kredsløbet nedenfor.

Schmitt Inverter Waveform Generator

schmitt trigger waveform generator

Denne enkle bølgeform generator kredsløb beståraf en enkelt TTL 74LS14 Schmitt inverterlogisk gate med en kondensator, C forbundet mellem dens indgangsterminal og jord, (0v) og den positive tilbagekobling, der kræves for at kredsløbet skal oscillere tilvejebringes af feedbackmodstanden R.

Så hvordan virker det ?. Antag at ladningen på tværs af kondensatorpladerne er under Schmitts lavere tærskelværdi på 0,8 volt (dataarkværdi). Dette gør derfor indgangen til inverteren til et logisk "0" niveau, hvilket resulterer i et logisk "1" udgangsniveau (invertorprincipper).

Den ene side af modstanden R er nu forbundet tilden logiske "1" -niveau (+ 5V) udgang, mens den anden side af modstanden er forbundet til kondensatoren, C, som er på en logisk "0" -niveau (0,8v eller derunder). Kondensatoren begynder nu at oplade i en positiv retning gennem modstanden med en hastighed bestemt af kombinationens RC tidskonstant.

Når ladningen over kondensatoren når1,6-tommers øvre tærskelværdi for Schmitt-triggeren (dataarkværdi) ændres output fra Schmitt-inverteren hurtigt fra et logisk niveau "1" til en tilstand på logisk niveau "0" og strømmen, som strømmer gennem modstanden, ændrer retning.

Denne ændring forårsager nu kondensatoren der varoprindelig opladning gennem modstanden R for at begynde at udlade sig tilbage gennem samme modstand, indtil ladningen over kondensatorpladerne når det nedre tærskelniveau på 0,8 volt, og omformerne output skifter tilstand igen med cyklen, der gentager sig igen og igen som så længe forsyningsspændingen er til stede.

Så kondensatoren C oplader konstant ogafgivelse af sig selv under hver cyklus mellem indgangene øvre og nedre tærskelværdier af Schmitt-inverteren, der frembringer et logisk niveau "1" eller et logisk niveau "0" ved omformerenes udgang. Udgangsbølgeformen er imidlertid ikke symmetrisk, hvilket frembringer en arbejdscyklus på ca. 33% eller 1/3, idet forholdet mellem "HIGH" og "LOW" er henholdsvis 1: 2 på grund af indgangsportegenskaberne af TTL inverter.

Værdien af ​​feedbackmodstanden, (R) SKAL MÅogså holdes lavt til under 1kΩ for at kredsløbet skal svinge korrekt, 220R til 470R er godt, og ved at variere kondensatorens værdi, C for at variere frekvensen. På højfrekvensniveau ændrer outputbølgeformen også fra en firkantet formet bølgeform til en trapezformet bølgeform, da indgangskarakteristika for TTL-porten påvirkes af hurtig opladning og afladning af kondensatoren. Oscillationsfrekvensen for Schmitt Waveform Generators er derfor givet som:

Schmitt Waveform Frequency

schmitt astable waveform generator

Med en modstandsværdi mellem: 100R til 1kΩ og en kondensatorværdi på mellem: 1nF til 1000uF. Dette ville give et frekvensområde på mellem 1Hz og 1MHz, (høje frekvenser producerer bølgeformforvrængning).

Generelt fungerer standard TTL logiske porte ikkealt for godt som bølgeformgeneratorer på grund af deres gennemsnitlige input- og udgangskarakteristika, forvrængning af outputbølgeformen og den lave værdi af tilbagekoblingsmodstanden, hvilket resulterer i en stor højverdiskondensator til lavfrekvent drift.

Også TTL-oscillatorer må ikke oscillere, hvisVærdien af ​​feedback kondensatoren er for lille. Vi kan dog også lave Astable Multivibrators ved hjælp af bedre CMOS logik teknologi, der fungerer fra en 3V til 15V forsyning, såsom CMOS 40106B Schmitt Inverter.

CMOS 40106 er en enkelt input omformer medden samme Schmitt-trigger-handling som TTL 74LS14, men med meget god støjimmunitet, høj båndbredde, høj forstærkning og fremragende input / output egenskaber til at producere en mere "firkantet" udgangsbølgeform som vist nedenfor.

CMOS Schmitt Waveform Generator

cmos schmitt trigger waveform generator

Schmitt-kurven generatorer kredsløb tilCMOS 40106 er stort set den samme som for den tidligere TTL 74LS14 inverter, bortset fra tilføjelsen af ​​10kΩ modstanden, som bruges til at forhindre kondensatoren i at beskadige de følsomme MOSFET-indgangstransistorer, da den hurtigt afgives ved højere frekvenser.

Mark-plads forholdet er mere jævnt matchet påca. 1: 1 med tilbagekoblingsmodstandsværdien forøget til under 100kΩ, hvilket resulterer i en mindre og billigere timing kondensator, C. Oscillationsfrekvensen er muligvis ikke den samme som: (1 / 1.2RC), da CMOS-indgangskarakteristika er forskellige fra TTL. Med en modstandsværdi mellem: 1kΩ og 100kΩ, og en kondensatorværdi på mellem: 1pF til 100uF. Dette ville give et frekvensområde på mellem 0,1 Hz og 100 kHz.

Schmitt Inverter Waveform Generators kan også laves af en række forskelligelogiske porte tilsluttet til at danne et omformer kredsløb. Det grundlæggende Schmitt astable multivibrator kredsløb kan nemt ændres med nogle ekstra komponenter til at producere forskellige udgange eller frekvenser. For eksempel kan to inverse bølgeformer eller multiple frekvenser og ved at ændre den faste tilbagekoblingsmodstand til et potentiometer udgangsfrekvensen varieres som vist nedenfor.

Clock Waveform Generators

clock waveform generator

I det første kredsløb ovenfor, en yderligere SchmittInverter er blevet tilføjet til output fra Schmitt-bølgeformgeneratoren for at producere en anden bølgeform, der er det inverse eller spejlbillede af de første producerende to komplementære udgangsvågformer, så når en udgang er "HIGH", den anden er "LOW". Denne anden Schmitt inverter forbedrer også formen af ​​den inverse output bølgeform, men tilføjer en lille "gate delay" til den, så den er ikke helt synkroniseret med den første.

Også oscillatorens udgangsfrekvenskredsløbet kan varieres ved at ændre den faste modstand, R til et potentiometer, men en mindre tilbagemelding modstand er stadig påkrævet for at forhindre potentiometeret at kortslutte inverteren, når den er ved sin minimumsværdi, 0Ω.

led transistor switch

Vi kan også bruge de to komplementære udgange, Qog Q af det første kredsløb til alternativt at blinke to sæt lys eller LED'er ved at forbinde deres udgange direkte til baserne af to koblingstransistorer som vist.

På denne måde er en eller flere LED'er tilsluttetsammen i serie med samleren af ​​omskiftningstransistorerne, hvilket resulterer i skiftende blink i hvert sæt LED'er, idet hver transistor er tændt "ON" igen.

Også ved brug af denne type kredsløb skal du huske at beregne en passende seriemodstand, R for at begrænse LED-strømmen til under 20mA (røde lysdioder) for den spænding, du bruger.

For at generere en meget lavfrekvent udgang fra nogle få Hertz til at blinke LED'erne, bruger Schmitt-bølgeformgeneratorer højverdige timing kondensatorer, som selv kan være fysisk store og dyre.

En alternativ løsning er også at bruge en mindreværdi kondensator til at generere en meget højere frekvens, sige 1kHz eller 10kHz, og divider derefter denne hovedklokkefrekvens ned i individuelle mindre, indtil den krævede lavfrekvente værdi opnås, og det andet kredsløb ovenfor gør netop det.

Det nederste kredsløb ovenfor viser oscillatorenbliver brugt til at køre klokkeindgangen på en krusetæller. Ripple tællere er i grunden en række divide-by-2, D-type flip-flops kaskade sammen for at danne en enkelt divide-by-N tæller, hvor N er lig med tællerbit count som CMOS 4024 7-bit Ripple Counter eller CMOS 4040 12-bit Ripple Counter.

Den faste klokfrekvens producerer af Schmittastable clock puls kredsløb er opdelt i en række forskellige subfrekvenser som ƒ ÷ 2, ƒ ÷ 4, ƒ ÷ 8, ƒ ÷ 256 osv. op til den maksimale "Divide-by-n" -værdi af krusningen tæller bliver brugt. Denne proces med at bruge enten "Flip-flops", "Binære Counters" eller "Ripple Counters" til at dividere en hovedfrekvens i forskellige subfrekvenser kaldes Frekvens Division, og vi kan bruge den til at opnå et antal frekvensværdier fra en enkelt bølgeform generator.

NAND Gate Waveform Generators

Schmitt Waveform Generators kan også laves ved hjælp af standard CMOS Logic NANDGates forbundet til at producere et inverter kredsløb. Her er to NAND-porte forbundet til hinanden for at producere en anden type af RC-afslapningsoscillatorkredsløb, som vil generere en firkantbølgeformet outputbølgeform som vist nedenfor.

NAND Gate Waveform Generator

nand gate clock waveform generator

I denne type bølgeform generator kredsløb, denRC-netværk er dannet fra modstanden R1 og kondensatoren C, idet dette RC-netværk styres af udgangen af ​​den første NAND-port. Udgangen fra dette R1C-netværk føres tilbage til indgangen på den første NAND-gate via modstanden R2, og når ladningsspændingen over kondensatoren når det øverste tærskelniveau for den første NAND-port, ændrer NAND-porten tilstand, der forårsager den anden NAND-port at følge det og dermed ændre tilstand og producere en ændring i udgangsniveauet.

Spændingen på tværs af R1C-netværket er nureverseres, og kondensatoren begynder at udtømme gennem modstanden, indtil den når det nedre tærskelniveau for den første NAND-port, hvilket får de to porte til at ændre tilstand igen. Ligesom den tidligere Schmitt-bølgeformgenerator-kredsløb ovenfor bestemmes oscillationsfrekvensen af ​​R1C-tidskonstanten, som er angivet som: 1 / 2.2R1C. Generelt gives R2 en værdi, som er 10 gange værdien af ​​modstanden R1.

Når høj stabilitet eller garanteret selvstart er påkrævet, CMOS Waveform Generators kan fremstilles ved hjælp af tre omvendte NAND porte ellerEnhver tre logiske omformere for den sags skyld, forbundet sammen som vist nedenfor, producerer et kredsløb, der undertiden kaldes "ringen af ​​tre" bølgeformgeneratoren. Oscillationsfrekvensen bestemmes igen ved R1C-tidskonstanten, den samme som for de to portoscillatorer ovenfor, og som er angivet som: 1 / 2.2R1C, når R2 har en værdi, som er 10 gange værdien af ​​modstanden R1.

Stabil NAND Gate Waveform Generator

stabil nand gate waveform generator

Tilsætningen af ​​den ekstra NAND-port garantererat oscillatoren starter selv med meget lave kondensatorværdier. Stabiliteten af ​​bølgeformgeneratoren forbedres også kraftigt, da den er mindre modtagelig for strømforsyningsvariationer, fordi dens tærskeludløsningsniveau er næsten halvdelen af ​​forsyningsspændingen.

Mængden af ​​stabilitet bestemmes hovedsageligt af hyppigheden af ​​oscillation og i almindelighed er jo lavere frekvensen jo mere stabil oscillatoren bliver.

Som denne type bølgeformgenerator opererer pånæsten halvdelen eller 50% af forsyningsspændingen har den resulterende outputbølgeform næsten en 50% duty cycle, 1: 1 mark-space ratio. Den tre gate waveform generator har mange fordele i forhold til den tidligere to gate oscillator ovenfor, men den ene store ulempe er, at den bruger en ekstra logisk gate.

Ring Type Waveform Generator

Vi har set ovenfor det Waveform Generators kan laves ved hjælp af både TTL og de bedre CMOSlogikteknologi med et RC-netværk, der producerer en tidsforsinkelse i kredsløbet, når den er forbundet på tværs af enten en, to eller endog tre logiske porte til dannelse af en simpel RC Relax Oscillator. Men vi kan også lave bølgeformgeneratorer, der kun bruger Logic NOT Gates eller med andre ord invertere uden yderligere passive komponenter forbundet med dem.

Ved at forbinde nogen sammen ULIGE nummer (3, 5, 7, 9 osv.) af IKKE porte til at danne a"Ring" kredsløb, således at udgangen af ​​ringen er forbundet lige tilbage til ringens indgang, vil kredsløbet fortsætte med at svinge, da et logisk niveau "1" konstant drejer rundt om netværket, der producerer en udgangsfrekvens, der bestemmes af udbredelsen forsinkelser af de anvendte invertere.

Ring Waveform Generator

ring bølgeform generator kredsløb

Oscillationsfrekvensen bestemmes aftotal forplantningsforsinkelse af omformerne, der anvendes inden for ringen, og som i sig selv bestemmes af typen af ​​gate teknologi, TTL, CMOS, BiCMOS, som inverteren er lavet af. Forplantningsforsinkelse eller udbredelsestid er den samlede tid, der kræves (normalt i nanosekunder) for et signal til at passere lige gennem inverteren fra en logisk "0" ankommer til indgangen til den, der frembringer en logisk "1" ved dens udgang.

Også for denne type ring bølgeform generatorkredsløbsvariationer i forsyningsspænding, temperatur og belastningskapacitans påvirker alle forplantningsforsinkelsen af ​​logiske porte. Generelt vil der blive givet en gennemsnitlig forplantningsforsinkelsestid i producentens datablade for den type digitale logiske porte, der anvendes med frekvensen af ​​svingning angivet som:

ring oscillator frekvens ligning

Hvor: ƒ er frekvensen af ​​oscillation, n er antallet af porte, der anvendes, og Tp er forplantningsforsinkelsen for hver port.

For eksempel antager, at et simpelt bølgeformgenerator kredsløb har 5 individuelle omformere forbundet sammen i serie for at danne a Ring Oscillator, forplantningsforsinkelsen for hver inverter er angivet som 8ns. Så vil frekvensen af ​​svingning gives som:

ring oscillator frekvens

Selvfølgelig er dette ikke rigtig praktiskoscillator skyldes hovedsagelig sin ustabilitet og meget høj svingningsfrekvens, 10'erne af Megahertz, afhængigt af hvilken type logisk gate-teknologi der anvendes, og i vores enkle eksempel blev det beregnet som 12,5MHz !!. Ring-oscillatorens udgangsfrekvens kan "justeres" lidt ved at variere antallet af omformere, der anvendes i ringen, men det er meget bedre at bruge en mere stabil RC-bølgeformgenerator som dem, vi har diskuteret ovenfor.

Ikke desto mindre viser det sig, at logiske porte kanforbindes sammen for at producere logisk baserede bølgeformgeneratorer og dårligt designede digitale kredsløb med mange porte, signalveje og tilbagekoblingssløjfer har vist sig at oscillere utilsigtet.

Ved at bruge et RC-netværk på tværs af inverterenkredsløb, kan oscillationsfrekvensen styres nøjagtigt, hvilket giver et mere praktisk astabilitets-oscillatorkredsløb til anvendelse i mange generelle elektroniske applikationer.

I næste vejledning om Waveforms og WaveformGeneration vil vi undersøge 555 Timer, som er et af de mest populære og alsidige integrerede kredsløb, der nogensinde er produceret, der kan generere en bred vifte af forskellige bølgeformer og timingsignaler fra monostabile til astable multivibratorer.

Kommentarer (0)
Tilføj en kommentar