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Signalgeneratoren zur Erzeugung von Taktsignalen

Wellenformgeneratoren

In den vorherigen Tutorials haben wir uns angeschautEinzelheiten zu den drei verschiedenen Arten von Basis-Transistor-Multivibratorschaltungen, die als Relaxationsoszillatoren verwendet werden können, um an ihren Ausgängen entweder eine Rechteck- oder Rechteckwelle zu erzeugen, die als Takt- und Timing-Signale verwendet werden.

Es ist aber auch möglich, Basic zu konstruieren Wellenformgenerator Schaltungen aus einfachen integrierten Schaltungen oderOperationsverstärker, die mit einer Widerstandskondensator- (RC) Tankschaltung oder einem Quarzkristall verbunden sind, um die erforderliche binäre oder rechteckförmige Ausgangswellenform bei der gewünschten Frequenz zu erzeugen.

Dieses Tutorial zur Erzeugung von Wellenformen wäreunvollständig ohne einige Beispiele für digitale regenerative Schaltkreise, da sie sowohl den Schaltvorgang als auch den Betrieb von Wellenformgeneratoren veranschaulicht, die zum Erzeugen von Rechteckwellen zur Verwendung als Zeitsteuerungs- oder Sequenzwellenformen verwendet werden.

Wir wissen, dass regenerative Schaltkreise wie Stabile Multivibratoren sind die am häufigsten verwendeten Arten von Relaxationsoszillatoren, da sie eine konstante Rechteckwellenausgabe erzeugen, wodurch sie ideal für digitale Zwecke sind Wellenformgenerator.

Stabile Multivibratoren sind hervorragende Oszillatorenweil sie ständig mit einer konstanten Wiederholungsrate zwischen ihren beiden instabilen Zuständen wechseln, wodurch eine kontinuierliche Rechteckwellenausgabe mit einem 1: 1-Markierungsraum-Verhältnis ("EIN" und "AUS" mal gleich) von ihrer Ausgabe erzeugt wird und in diesem Lernprogramm wir Wir werden einige Möglichkeiten untersuchen, wie wir Wellenformgeneratoren konstruieren können, indem wir nur Standard-TTL- und CMOS-Logikschaltungen zusammen mit einigen zusätzlichen diskreten Timing-Komponenten verwenden.

Schmitt-Wellenformgeneratoren

Einfach Wellenformgeneratoren kann mit einem einfachen Schmitt-Trigger konstruiert werdenWechselrichter wie der TTL 74LS14. Diese Methode ist bei weitem der einfachste Weg, um einen grundlegenden Generator für astable Wellenformen zu erstellen. Bei der Erzeugung von Takt- oder Timing-Signalen muss der astabile Multivibrator eine stabile Wellenform erzeugen, die schnell und ohne Verzerrung oder Rauschen zwischen den Zuständen "HIGH" und "LOW" wechselt. Dies tun Schmitt-Inverter.

Wir kennen den Ausgangszustand eines SchmittDer Inverter ist das Gegenteil oder invers zu seinem Eingangszustand (NICHT Gatterprinzipien) und kann den Zustand bei verschiedenen Spannungspegeln ändern, wodurch er "Hysterese" erhält.

Schmitt-Wechselrichter verwenden eine Schmitt-Triggeraktiondas den Zustand zwischen einem oberen und einem unteren Schwellenwert ändert, wenn sich das Eingangsspannungssignal um den Eingangsanschluß erhöht und verringert. Dieser obere Schwellenwert "setzt" den Ausgang und der untere Schwellenwert "setzt" den Ausgang zurück, was für einen Inverter einer logischen "0" bzw. einer logischen "1" entspricht. Betrachten Sie die Schaltung unten.

Schmitt Inverter Waveform Generator

Schmitt-Trigger-Wellenformgenerator

Diese einfache Wellenformgeneratorschaltung besteht auseines einzigen TTL 74LS14-Schmitt-Inverter-Logikgatters mit einem Kondensator C zwischen seiner Eingangsklemme und Masse (0 V) und der für die Schwingung der Schaltung erforderlichen Rückkopplung durch den Rückkopplungswiderstand R.

Wie funktioniert es? Angenommen, die Ladung über den Kondensatorplatten liegt unter dem unteren Grenzwert des Schmitt von 0,8 Volt (Datenblattwert). Dies führt dazu, dass der Eingang des Umrichters auf einem logischen "0" -Pegel liegt, was zu einem logischen "1" -Ausgangspegel führt (Umrichterprinzipien).

Eine Seite des Widerstands R ist jetzt mit verbundender logische "1" -Pegel (+ 5 V) wird ausgegeben, während die andere Seite des Widerstands mit dem Kondensator verbunden ist, C, der sich auf einem logischen "0" -Pegel befindet (0,8 V oder darunter). Der Kondensator beginnt sich nun in positiver Richtung über den Widerstand mit einer Rate aufzuladen, die durch die RC-Zeitkonstante der Kombination bestimmt wird.

Wenn die Ladung über dem Kondensator den Wert erreicht1,6 Volt oberer Schwellenwert des Schmitt-Triggers (Datenblattwert) Der Ausgang des Schmitt-Wechselrichters wechselt schnell von einem logischen Pegel "1" zu einem logischen Pegel "0" und der durch den Widerstand fließende Strom ändert seine Richtung.

Diese Änderung bewirkt jetzt, dass der Kondensator warUrsprünglich über den Widerstand aufgeladen, beginnt R, sich über den gleichen Widerstand wieder zu entladen, bis die Ladung über den Kondensatorplatten den unteren Schwellenwert von 0,8 Volt erreicht und der Ausgang des Wechselrichters den Zustand erneut wechselt, wobei sich der Zyklus immer wieder wiederholt solange die Versorgungsspannung anliegt.

Also lädt sich der Kondensator C ständig auf undEntladen sich während jedes Zyklus zwischen den oberen und unteren Schwellenwerten der Eingänge des Schmitt-Wechselrichters, wobei am Ausgang des Wechselrichters ein Logikpegel "1" oder ein Logikpegel "0" erzeugt wird. Die Ausgangswellenform ist jedoch nicht symmetrisch, was zu einem Tastverhältnis von etwa 33% oder 1/3 führt, da das Markierungsabstand zwischen "HIGH" und "LOW" aufgrund der Eingangsgattercharakteristik der TTL jeweils 1: 2 beträgt Wandler.

Der Wert des Rückkopplungswiderstandes (R) MUSSauf unter 1 kΩ gehalten werden, damit die Schaltung korrekt schwingt, sind 220R bis 470R gut, und durch Variieren des Wertes des Kondensators C kann die Frequenz variiert werden. Auch bei hohen Frequenzpegeln ändert die Ausgangswellenform ihre Form von einer quadratischen Wellenform zu einer trapezförmigen Wellenform, da die Eingangseigenschaften des TTL-Gatters durch das schnelle Laden und Entladen des Kondensators beeinflusst werden. Die Frequenz der Schwingung für Schmitt-Wellenformgeneratoren ist daher gegeben als:

Schmitt-Wellenformfrequenz

schmitt astabiler Wellenformgenerator

Mit einem Widerstandswert zwischen: 100R bis 1kΩ und einem Kondensatorwert zwischen: 1nF bis 1000uF. Dies würde einen Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 1 MHz ergeben (hohe Frequenzen erzeugen Wellenformverzerrungen).

Im Allgemeinen funktionieren Standard-TTL-Logikgatter nichtWellenformgeneratoren aufgrund ihrer durchschnittlichen Eingangs- und Ausgangscharakteristik, der Verzerrung der Ausgangswellenform und des niedrigen Wertes des Rückkopplungswiderstandes zu gut geeignet, was zu einem großen Kondensator mit hohem Wert für den Betrieb mit niedriger Frequenz führt.

Auch TTL-Oszillatoren dürfen nicht oszillieren, wenn dieWert des Rückkopplungskondensators ist zu klein. Wir können jedoch auch Astable Multivibrators mit besserer CMOS-Logiktechnologie herstellen, die von 3 V bis 15 V gespeist werden, wie der Schmitt-Inverter CMOS 40106B.

Der CMOS 40106 ist ein Einzelumrichter mitDieselbe Schmitt-Trigger-Aktion wie der TTL 74LS14, jedoch mit sehr guter Störfestigkeit, hoher Bandbreite, hoher Verstärkung und hervorragenden Eingangs- / Ausgangseigenschaften, um eine "quadratischere" Ausgangswellenform zu erzeugen (siehe unten).

CMOS Schmitt Waveform Generator

cmos schmitt-Trigger-Wellenformgenerator

Die Schmitt-Wellenformgeneratorschaltung für dieDer CMOS 40106 ist im Wesentlichen derselbe wie der des vorherigen TTL 74LS14-Wechselrichters, mit Ausnahme der Hinzufügung des 10 kΩ-Widerstands, der verwendet wird, um zu verhindern, dass der Kondensator die empfindlichen MOSFET-Eingangstransistoren beschädigt, wenn er bei höheren Frequenzen schnell entladen wird.

Das Markierungsraumverhältnis ist gleichmäßiger abgestimmt1: 1, wobei der Wert des Rückkopplungswiderstandes auf unter 100 kΩ erhöht wurde, was zu einem kleineren und billigeren Zeitsteuerungskondensator C führt. Die Oszillationsfrequenz ist möglicherweise nicht gleich: (1 / 1,2RC), da sich die CMOS-Eingangseigenschaften von TTL unterscheiden. Mit einem Widerstandswert zwischen 1 kΩ und 100 kΩ und einem Kondensatorwert zwischen 1 pF und 100 uF. Dies würde einen Frequenzbereich zwischen 0,1 Hz und 100 kHz ergeben.

Schmitt Inverter Waveform Generatoren kann auch aus einer Vielzahl verschiedener hergestellt werdenLogikgatter, die zu einer Inverterschaltung verbunden sind. Die grundlegende astabile Schmitt-Multivibratorschaltung kann leicht mit einigen zusätzlichen Komponenten modifiziert werden, um unterschiedliche Ausgänge oder Frequenzen zu erzeugen. Beispielsweise können zwei inverse Wellenformen oder mehrere Frequenzen und durch Ändern des festen Rückkopplungswiderstands in ein Potentiometer die Ausgangsfrequenz wie unten gezeigt variiert werden.

Taktsignalgeneratoren

Taktsignalgenerator

In der ersten Schaltung oben ein zusätzlicher SchmittDem Ausgang des Schmitt-Wellenformgenerators wurde ein Inverter hinzugefügt, um eine zweite Wellenform zu erzeugen, die das inverse oder spiegelbildliche Bild der ersten ist, die zwei komplementäre Ausgangssignalformen erzeugt. Wenn also ein Ausgang "HIGH" ist, ist der andere "LOW". Dieser zweite Schmitt-Inverter verbessert auch die Form der inversen Ausgangswellenform, fügt jedoch eine kleine "Gate-Verzögerung" hinzu, so dass er nicht genau mit der ersten übereinstimmt.

Auch die Ausgangsfrequenz des OszillatorsDie Schaltung kann durch Ändern des Festwiderstands R in ein Potentiometer geändert werden. Es ist jedoch noch ein kleinerer Rückkopplungswiderstand erforderlich, um zu verhindern, dass das Potentiometer den Wechselrichter kurzschließt, wenn sein Mindestwert 0 Ω ist.

LED-Transistorschalter

Wir können auch die beiden komplementären Ausgänge Q verwendenund Q des ersten Schaltkreises, um alternativ zwei Sätze von Leuchten oder LEDs zu blinken, indem ihre Ausgänge wie gezeigt direkt an die Basis von zwei Schalttransistoren angeschlossen werden.

Auf diese Weise werden eine oder mehrere LEDs angeschlossenin Reihe mit dem Kollektor der Schalttransistoren, was zu abwechselnden Blitzen jedes LED-Satzes führt, wenn jeder Transistor der Reihe nach auf "EIN" geschaltet wird

Denken Sie auch daran, einen geeigneten Vorwiderstand R zu berechnen, um den LED-Strom für die von Ihnen verwendete Spannung auf unter 20 mA (rote LED) zu begrenzen.

Um ein sehr niederfrequentes Ausgangssignal von wenigen Hertz zum Blinken der LEDs zu erzeugen, verwenden Schmitt-Wellenformgeneratoren hochwertige Timing-Kondensatoren, die selbst physikalisch groß und teuer sein können.

Eine alternative Lösung ist die Verwendung einer kleinerenKondensator, um eine viel höhere Frequenz zu erzeugen, beispielsweise 1 kHz oder 10 kHz, und diese Haupttaktfrequenz dann in einzelne kleinere zu unterteilen, bis der erforderliche niedrige Frequenzwert erreicht ist, und die zweite Schaltung oben tut genau dies.

Die untere Schaltung oben zeigt den Oszillatorwird verwendet, um den Takteingang eines Welligkeitszählers anzusteuern. Welligkeitszähler sind im Grunde eine Anzahl von D-Flip-Flops, die in zwei Teile geteilt werden, um einen einzigen N-Dividierer zu bilden, wobei N gleich dem Zähler-Bit-Zähler ist, wie z Wellenzähler oder der CMOS 4040 12-Bit-Wellenzähler.

Die feste Taktfrequenz erzeugt der SchmittEine stabile Taktimpulsschaltung ist in eine Anzahl verschiedener Teilfrequenzen unterteilt, wie z. B. 2, 4, 8, 256 usw. bis zu dem maximalen "Dividieren-durch-n" -Wert der Welligkeit Zähler verwendet werden. Dieser Vorgang der Verwendung von "Flip-Flops", "Binärzählern" oder "Ripple Counters" zum Unterteilen einer festen Haupttaktfrequenz in verschiedene Unterfrequenzen wird als "Frequency Division" bezeichnet und wir können damit eine Anzahl von Frequenzwerten erhalten ein einzelner Wellenformgenerator.

NAND-Gate-Signalgeneratoren

Schmitt-Wellenformgeneratoren kann auch unter Verwendung von Standard-CMOS-Logik-NAND hergestellt werdenGates angeschlossen, um eine Inverterschaltung zu erzeugen. Hier sind zwei NAND-Gatter miteinander verbunden, um eine andere Art von RC-Relaxationsoszillatorschaltung zu erzeugen, die eine rechteckwellenförmige Ausgangswellenform erzeugt, wie unten gezeigt.

NAND-Gate-Wellenformgenerator

nand Gate-Taktsignalgenerator

Bei dieser Art von Wellenformgeneratorschaltung kann derDas RC-Netzwerk wird aus dem Widerstand R1 und dem Kondensator C gebildet, wobei dieses RC-Netzwerk vom Ausgang des ersten NAND-Gatters gesteuert wird. Der Ausgang dieses R1C-Netzwerks wird über den Widerstand R2 an den Eingang des ersten NAND-Gatters zurückgeführt, und wenn die Ladespannung über dem Kondensator den oberen Schwellenwert des ersten NAND-Gatters erreicht, wechselt das NAND-Gatter den Zustand und verursacht das zweite NAND-Gatter um ihm zu folgen, ändern Sie den Zustand und erzeugen eine Änderung des Ausgangspegels.

Die Spannung über dem R1C-Netzwerk ist jetztumgekehrt, und der Kondensator beginnt sich durch den Widerstand zu entladen, bis er den unteren Schwellenwert des ersten NAND-Gatters erreicht, wodurch die beiden Gatter erneut den Status ändern. Wie bei der vorhergehenden Schmitt-Wellenformgeneratorschaltung oben wird die Oszillationsfrequenz durch die R1C-Zeitkonstante bestimmt, die gegeben ist als: 1 / 2.2R1C. Im Allgemeinen wird R2 ein Wert gegeben, der zehnmal so groß ist wie der Widerstand R1.

Wenn eine hohe Stabilität oder ein garantierter Selbststart erforderlich ist, CMOS-Wellenformgeneratoren kann mit drei invertierenden NAND-Gattern oder hergestellt werdenDrei logische Inverter für diese Angelegenheit, die wie unten gezeigt miteinander verbunden sind, erzeugen eine Schaltung, die manchmal als "Dreierring" bezeichnet wird. Die Oszillationsfrequenz wird erneut durch die Zeitkonstante R1C bestimmt, die gleiche wie für den oben genannten Zwei-Gate-Oszillator und die gegeben ist als: 1 / 2.2R1C, wenn R2 einen 10-fachen Wert hat, der dem Widerstandswert R1 entspricht.

Stabiler NAND-Gate-Signalgenerator

stabiler Nand-Gate-Wellenformgenerator

Die Hinzufügung des zusätzlichen NAND-Gates garantiertdass der Oszillator auch bei sehr niedrigen Kondensatorwerten startet. Auch die Stabilität des Wellenformgenerators wird erheblich verbessert, da er weniger anfällig für Änderungen der Stromversorgung ist, da der Schwellenwert für die Triggerung fast die Hälfte der Versorgungsspannung beträgt.

Die Höhe der Stabilität wird hauptsächlich durch die Oszillationsfrequenz bestimmt. Je niedriger die Frequenz ist, desto stabiler wird der Oszillator.

Diese Art von Wellenformgenerator arbeitet mitfast die Hälfte oder 50% der Versorgungsspannung hat die resultierende Ausgangswellenform nahezu ein Tastverhältnis von 50%, ein Markierungsabstand von 1: 1. Der Drei-Gate-Wellenformgenerator hat viele Vorteile gegenüber dem vorherigen Oszillator mit zwei Gattern, sein großer Nachteil ist jedoch, dass er ein zusätzliches Logikgatter verwendet.

Ringtyp-Signalgenerator

Wir haben darüber gesehen Wellenformgeneratoren kann sowohl mit TTL als auch mit dem besseren CMOS hergestellt werdenLogiktechnologie mit einem RC-Netzwerk, das innerhalb der Schaltung eine Zeitverzögerung erzeugt, wenn ein oder zwei oder sogar drei Logikgatter miteinander verbunden sind, um einen einfachen RC-Relaxationsoszillator zu bilden Wir können Wellenformgeneratoren aber auch nur mit Logic NOT Gates oder mit anderen Worten Invertern herstellen, ohne dass zusätzliche passive Komponenten daran angeschlossen sind.

Verbinden Sie alle miteinander UNGERADE Anzahl (3, 5, 7, 9 usw.) von NICHT-Gattern, um a zu bildenRingschaltung, so dass der Ausgang des Rings direkt wieder mit dem Eingang des Rings verbunden ist, oszilliert die Schaltung weiter, da ein logischer Pegel "1" ständig um das Netzwerk rotiert und eine durch die Ausbreitung bestimmte Ausgangsfrequenz erzeugt Verzögerungen der verwendeten Wechselrichter.

Ring Waveform Generator

Ringwellenform-Generatorschaltung

Die Schwingungsfrequenz wird durch die bestimmtDie Gesamtverzögerungsverzögerung der innerhalb des Rings verwendeten Wechselrichter wird durch die Art der Gate-Technologie (TTL, CMOS, BiCMOS) bestimmt, aus der der Wechselrichter besteht. Ausbreitungsverzögerung oder Ausbreitungszeit ist die Gesamtzeit (normalerweise in Nanosekunden), die ein Signal benötigt, um den Inverter direkt von einer logischen "0" durchlaufen zu lassen, die am Eingang ankommt, und an seinem Ausgang eine logische "1" erzeugt.

Auch für diese Art von RingsignalgeneratorSchaltungsschwankungen in der Versorgungsspannung, der Temperatur und der Lastkapazität beeinflussen alle die Laufzeit der Logikgatter. Im Allgemeinen wird eine durchschnittliche Laufzeitverzögerungszeit in den Herstellerdatenblättern für den Typ der verwendeten digitalen Logikgatter angegeben, wobei die Schwingungsfrequenz wie folgt angegeben wird:

Ringoszillatorfrequenzgleichung

Dabei gilt: ƒ ist die Frequenz der Oszillation, n ist die Anzahl der verwendeten Gates und Tp ist die Laufzeit für jedes Gatter.

Nehmen Sie beispielsweise an, dass eine einfache Wellenformgeneratorschaltung aus 5 einzelnen Invertern besteht, die in Reihe geschaltet sind, um a zu bilden Ringoszillatorwird die Ausbreitungsverzögerung für jeden Wechselrichter mit 8 ns angegeben. Dann wird die Schwingungsfrequenz wie folgt angegeben:

Ringoszillatorfrequenz

Das ist natürlich nicht wirklich praktischOszillator aufgrund seiner Instabilität und seiner sehr hohen Oszillationsfrequenz, 10 '' Megahertz, abhängig von der verwendeten Logikgattertechnologie, und in unserem einfachen Beispiel wurden 12,5 MHz berechnet !!. Die Ausgangsfrequenz des Ringoszillators kann durch Variieren der Anzahl der verwendeten Inverter im Ring etwas „abgestimmt“ werden. Es ist jedoch viel besser, einen stabileren RC-Signalgenerator wie den oben beschriebenen zu verwenden.

Dennoch zeigt es, dass Logikgatter dies könnenwerden miteinander verbunden, um logikbasierte Wellenformgeneratoren und schlecht konstruierte digitale Schaltungen mit vielen Gattern, Signalpfaden und Rückkopplungsschleifen zu erzeugen, die bekanntermaßen ungewollt schwingen.

Mit einem RC-Netzwerk über den WechselrichterIn der Schaltung kann die Oszillationsfrequenz genau gesteuert werden, wodurch eine praktischere astabile Relaxationsoszillatorschaltung zur Verwendung in vielen allgemeinen elektronischen Anwendungen erzeugt wird.

Im nächsten Tutorial zu Waveforms und WaveformWir werden den 555-Timer untersuchen, einer der populärsten und vielseitigsten integrierten Schaltkreise, die je produziert wurden und eine Vielzahl unterschiedlicher Wellenformen und Zeitsignale von monostabilen bis zu astabilen Multivibratoren erzeugen können.

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