/ / Aaltomuodon generaattorit ajastussignaalien tuottamiseksi

Aaltomuodon generaattorit ajastussignaalien tuottamiseksi

Aaltomuodon generaattorit

Edellisissä opetusohjelmissa olemme tarkastelleetyksityiskohtaisesti kolmessa eri tyyppisessä perus-transistori-multivibraattoripiirissä, joita voidaan käyttää rentoutumisoskillaattoreina tuottamaan joko neliön tai suorakulmaisen aallon niiden lähdöissä käytettäväksi kello- ja ajoitussignaaleina.

Mutta on myös mahdollista rakentaa perus Waveform Generator piirit yksinkertaisista integroiduista piiristä taioperatiiviset vahvistimet, jotka on kytketty vastus-kondensaattori (RC) -säiliöpiiriin tai kvartsi- kiteeseen vaaditun binaarisen tai neliön aaltomuodon tuottamiseksi halutulla taajuudella.

Tämä aaltomuodon sukupolven opetusohjelma olisiepätäydellinen ilman joitakin esimerkkejä digitaalisia regeneratiivisia kytkentäpiirejä, koska se havainnollistaa sekä aaltomuodon generaattoreiden kytkentätoimintaa ja toimintaa, jota käytetään neliöaaltojen muodostamiseen käytettäväksi ajoituksina tai peräkkäisinä aaltomuotoina.

Tiedämme, että regeneratiiviset kytkentäpiirit, kuten Astable Multivibraattorit ovat yleisimmin käytetty rentoutumisoskillaattorityyppi, koska ne tuottavat jatkuvan neliön aallon, mikä tekee niistä ihanteellisen digitaalisen Waveform Generator.

Astable multivibraattorit tekevät erinomaisia ​​oskillaattoreitakoska ne vaihtavat jatkuvasti niiden kahden epävakaan tilan välillä vakiona toistotaajuudella ja tuottavat siten jatkuvan neliön aallon ulostulon, jossa on 1: 1-merkki-avaruussuhde ("ON" ja "OFF" kertaa sama) tuotannostaan ​​ja tässä opetuksessa tarkastellaan joitakin eri tapoja, joilla voimme rakentaa aaltomuodon generaattoreita käyttäen vain standardeja TTL- ja CMOS-logiikkapiirejä sekä joitakin erillisiä erillisiä ajoitusosia.

Schmittin aaltomuodon generaattorit

Yksinkertainen Aaltomuodon generaattorit voidaan rakentaa käyttämällä Schmittin perustoimintoatoiminta-invertterit, kuten TTL 74LS14. Tämä menetelmä on ylivoimaisesti helpoin tapa saada aikaan astable-aaltomuodon generaattori. Kun sitä käytetään kello- tai ajoitussignaalien tuottamiseen, astable-multivibraattorin on tuotettava vakaa aaltomuoto, joka vaihtaa nopeasti sen "HIGH" - ja "LOW" -tilojen välillä ilman vääristymiä tai kohinaa, ja Schmitt-invertterit tekevät juuri niin.

Tiedämme, että Schmittin lähtötilataajuusmuuttaja on päinvastainen tai käänteinen kuin sen tulotila (EI Gate-periaatteet) ja että se voi muuttaa tilaa eri jännitetasoilla antamalla sille hystereesi.

Schmitt-taajuusmuuttajat käyttävät Schmitt-laukaisutoimintaajoka muuttaa ylä- ja alarajatason tilaa, kun tulojännitteen signaali kasvaa ja pienenee tuloliitännän suhteen. Tämä ylempi kynnystaso "asettaa" lähdön ja alemman kynnystason "nollaa" lähdön, joka vastaa logiikkaa "0" ja logiikkaa "1" invertterille. Harkitse alla olevaa piiriä.

Schmitt Inverter Waveform Generator

schmittin laukaista aaltomuodon generaattori

Tämä yksinkertainen aaltomuodon generaattoripiiri koostuuyksittäisen TTL 74LS14 Schmitt -muuntimen logiikkaportin, jossa on kondensaattori C, joka on kytketty sen tuloliitännän ja maadoituksen väliin, (0v) ja positiivisen palautteen, jota piiri tarvitsee värähtelemään, jonka takaisinkytkentävastus on R.

Joten miten se toimii ?. Oletetaan, että lataus kondensaattorilevyjen alapuolella on alle Schmittin alemman kynnysarvon 0,8 voltin (Datalehden arvo). Tällöin invertteriin syötetään looginen ”0” -taso, joka johtaa loogiseen ”1” -tason tasoon (invertteriohjaimet).

Vastuksen R toinen puoli on nyt kytkettylogiikka ”1” -taso (+ 5V), kun vastuksen toinen puoli on kytketty kondensaattoriin C, joka on loogisella ”0” -tasolla (0,8 v tai vähemmän). Kondensaattori alkaa nyt latautua positiivisessa suunnassa vastuksen läpi nopeudella, jonka määrittää yhdistelmän RC-aikavakio.

Kun varaus kondensaattorin yli saavuttaaSchmitt-liipaisimen 1,6 volttisen ylärajan taso (datalehtiarvo) Schmitt-taajuusmuuttajan lähtö muuttuu nopeasti logiikkatasosta "1" logiikkatasolle "0" ja vastuksen läpi kulkeva virta muuttaa suunnan.

Tämä muutos aiheuttaa nyt kondensaattorinalun perin lataamalla vastuksen läpi, R aloittaakseen itsensä takaisin saman saman vastuksen läpi, kunnes kondensaattorilevyjen välinen varaus saavuttaa alemman kynnysarvon, joka on 0,8 volttia, ja taajuusmuuttajien lähtö kytkeytyy uudelleen, kun sykli toistaa itsensä uudelleen ja uudestaan kun syöttöjännite on paikallaan.

Kondensaattori C latautuu jatkuvasti japurkautuu itse jokaisen syklin aikana Schmitt-invertterin tulojen ylä- ja alarajatasojen välillä, jotka tuottavat loogisen tason "1" tai loogisen tason "0" taajuusmuuttajien ulostulossa. Lähtöaalto ei kuitenkaan ole symmetrinen, sillä se tuottaa noin 33%: n tai 1/3: n työjakson, koska merkin ja tilan välinen suhde "HIGH" ja "LOW" välillä on vastaavasti 1: 2 TTL: n tuloporttiominaisuuksien vuoksi invertteri.

Takaisinkytkennän vastuksen (R) arvo PITÄÄmyös pitää alhaalla alle 1 kΩ, jotta piiri värähtelee oikein, 220R - 470R on hyvä, ja vaihtelemalla kondensaattorin arvoa C vaihtelemaan taajuutta. Myös suurilla taajuustasoilla ulostulon aaltomuoto muuttuu muodoltaan nelikulmaisesta aaltomuodosta trapetsimuotoiseen aaltomuotoon, koska TTL-portin tulo-ominaisuudet vaikuttavat kondensaattorin nopeaan lataukseen ja purkamiseen. Värähtelyn taajuus Schmittin aaltomuodon generaattorit annetaan näin:

Schmitt Waveform Frequency

schmitt astable aaltomuodon generaattori

Kun vastusarvo on välillä: 100R - 1kΩ, ja kondensaattorin arvo välillä: 1 nF - 1000uF. Tämä antaisi taajuusalueen 1 Hz - 1 MHz (korkeat taajuudet tuottavat aaltomuodon vääristymistä).

Yleensä TTL-logiikkaportit eivät toimiliian hyvin aaltomuodon generaattoreita niiden keskimääräisten tulo- ja lähtöominaisuuksien, ulostuloaaltomuodon vääristymisen ja tarvittavan takaisinkytkentävastuksen pienen arvon vuoksi, jolloin tuloksena on suuri korkean arvon kondensaattori matalataajuista toimintaa varten.

Myös TTL-oskillaattorit eivät ehkä värähtele, jospalautekondensaattorin arvo on liian pieni. Voimme kuitenkin myös tehdä Astable Multivibrators -laitteista paremman CMOS-logiikkateknologian, joka toimii 3 V: n ja 15 V: n välillä, kuten CMOS 40106B Schmitt Inverter.

CMOS 40106 on yhden tulon invertteri, jossa onsama Schmitt-liipaisutoiminto kuin TTL 74LS14: ssä, mutta erittäin hyvällä meluimmuniteetilla, suurella kaistanleveydellä, suurella vahvistuksella ja erinomaisilla tulo- / lähtöominaisuuksilla saadaan aikaan enemmän "suorempi" lähtöaalto, kuten alla on esitetty.

CMOS Schmitt Waveform Generator

cmos schmitt laukaista aaltomuodon generaattori

Schmittin aaltomuodon generaattoripiiriCMOS 40106 on periaatteessa sama kuin edellisellä TTL 74LS14 -muuntimella, lukuun ottamatta 10 kΩ: n vastuksen lisäämistä, jota käytetään estämään kondensaattorin vahingoittamasta herkkiä MOSFET-tulotransistoreita, kun se purkautuu nopeasti suuremmilla taajuuksilla.

Merkin ja tilan suhde on tasaisempinoin 1: 1, kun takaisinkytkentävastuksen arvo nousi alle 100 k in: iin, mikä johtaa pienempään ja halvempaan ajoituskondensaattoriin, C. Värähtelyn taajuus ei välttämättä ole sama kuin: (1 / 1,2RC), koska CMOS-syötteen ominaisuudet ovat erilaisia ​​kuin TTL. Kun vastusarvo on välillä: 1kΩ ja 100kΩ, ja kondensaattorin arvo välillä: 1pF - 100uF. Tämä antaisi taajuusalueen välillä 0,1 Hz - 100 kHz.

Schmittin inverterin aaltomuodon generaattorit voidaan myös valmistaa erilaisistaloogiset portit, jotka on kytketty muuntimen piirin muodostamiseen. Perus Schmittin astable multivibraattoripiiri voidaan helposti muokata joidenkin lisäkomponenttien avulla eri tuotosten tai taajuuksien tuottamiseksi. Esimerkiksi kaksi käänteistä aaltomuotoa tai useita taajuuksia ja muuttamalla kiinteää palautusvastusta potentiometriksi lähtötaajuutta voidaan vaihdella alla esitetyllä tavalla.

Kellon aaltomuodon generaattorit

kellon aaltomuodon generaattori

Yllä olevassa ensimmäisessä piirissä ylimääräinen SchmittInverter on lisätty Schmitt-aaltomuodon generaattorin ulostuloon toisen aaltomuodon tuottamiseksi, joka on käänteinen tai peilikuva ensimmäisestä, joka tuottaa kaksi komplementaarista lähtöaaltoa, joten kun yksi lähtö on "HIGH", toinen on "LOW". Tämä toinen Schmitt-invertteri parantaa myös käänteisen ulostulon aaltomuodon muotoa, mutta lisää siihen pienen "portin viiveen", joten se ei ole juuri synkronoitu ensimmäisen kanssa.

Myös oskillaattorin lähtötaajuuspiiriä voidaan muuttaa muuttamalla kiinteä vastus R potentiometriksi, mutta pienempi takaisinkytkentävastus on edelleen tarpeen estämään potentiometrin oikosulku invertteriä, kun sen minimiarvo on 0,.

johtanut transistorin kytkin

Voimme myös käyttää kahta täydentävää lähtöä, Qja Q: n ensimmäisestä piiristä vaihtoehtoisesti flash-valot kahden valotyypin tai LED: ien kytkemiseksi liittämällä niiden lähdöt suoraan kahden kytkentätransistorin pohjaan kuvan mukaisesti.

Tällä tavoin kytketään yksi tai useampi LEDyhdessä sarjaan kytkentätransistoreiden kerääjän kanssa, joka johtaa kunkin LED-valon vaihtuvaan vilkkumaan, koska kukin transistori kytketään vuorotellen ”ON”.

Kun käytät tämän tyyppistä piiriä, muista laskea sopiva sarjan vastus, R rajoittaa LED-virtaa alle 20 mA (punainen LED) käytetyn jännitteen osalta.

Jotta voitaisiin tuottaa hyvin pieni taajuuslähtö, joka on muutaman Hertin LED-valojen salaamiseksi, Schmittin aaltomuodon generaattorit käyttävät korkean arvon ajoituskondensaattoreita, jotka itse voivat olla fyysisesti suuria ja kalliita.

Yksi vaihtoehtoinen ratkaisu on liian pienempiarvo kondensaattori tuottaa paljon korkeampi taajuus, eli 1 kHz tai 10 kHz, ja sitten jakaa tämän pää kellotaajuuden alas yksittäisiin pienempiin, kunnes vaadittu alhainen taajuusarvo saavutetaan, ja toinen yllä oleva piiri tekee juuri sen.

Ylempi ylempi piiri näyttää oskillaattorinsitä käytetään ajamaan aaltoilulaskurin kellotuloa. Ripple-laskurit ovat pohjimmiltaan useita divide-by-2, D-tyypin flip-floppeja, jotka muodostavat yhden jakokohtaisen laskurin, jossa N on yhtä suuri kuin laskurien bittilukema, kuten CMOS 4024 7-bittinen Ripple Counter tai CMOS 4040 12-bittinen Ripple Counter.

Schmittin kiinteä kellotaajuus tuottaaastable kellopulssipiiri on jaettu useisiin eri taajuuksiin, kuten ƒ ÷ 2, ƒ ÷ 4, ƒ ÷ 8, ƒ ÷ 256 jne. rippelin maksimiarvoon asti. laskuri on käytössä. Tämä prosessi, jossa käytetään joko "Flip-flops", "Binary Counters" tai "Ripple Counters" jakamaan tärkein kiinteä kellotaajuus eri taajuuksiksi, tunnetaan taajuusalueena, ja voimme käyttää sitä saadaksemme useita taajuusarvoja osoitteesta yhden aaltomuodon generaattorin.

NAND Gate Waveform generaattorit

Schmittin aaltomuodon generaattorit voidaan tehdä myös käyttämällä standardia CMOS Logic NANDGates kytketty tuottamaan invertteri piiri. Tässä kaksi NAND-porttia on kytketty toisiinsa tuottamaan toisen tyyppistä RC-rentoutumisoskillaattoripiiriä, joka luo neliöaaltoisen muotoisen ulostuloaaltomuodon, kuten alla on esitetty.

NAND Gate Waveform Generator

nand portin kellon aaltomuodon generaattori

Tämän tyyppisessä aaltomuodon generaattoripiirissäRC-verkko muodostuu vastuksesta, R1 ja kondensaattorista C, jolloin tätä RC-verkkoa ohjaa ensimmäisen NAND-portin ulostulo. Tämän R1C-verkon ulostulo syötetään takaisin ensimmäisen NAND-portin tuloon vastuksen, R2 kautta ja kun kondensaattorin latausjännite saavuttaa ensimmäisen NAND-portin ylemmän kynnystason, NAND-portti muuttuu tilaan aiheuttaen toisen NAND-portin seurata sitä ja muuttaa näin tilaa ja tuottaa muutos lähtötasossa.

R1C-verkon jännite on nytKäänteinen ja kondensaattori alkaa purkautua vastuksen läpi, kunnes se saavuttaa ensimmäisen NAND-portin alemman kynnystason, jolloin kaksi porttia muuttuu uudelleen. Kuten edellä oleva Schmitt-aaltomuodon generaattoripiiri, värähtelyn taajuus määräytyy R1C-aikavakion avulla, joka annetaan seuraavasti: 1 / 2,2R1C. Yleensä R2: lle annetaan arvo, joka on 10 kertaa vastuksen R1 arvo.

Kun tarvitaan vakautta tai taattua käynnistystä, CMOS-aaltomuodon generaattorit voidaan tehdä käyttämällä kolmea käänteistä NAND-porttia taimitä tahansa kolmea loogista invertteriä, jotka on liitetty yhteen alla esitetyllä tavalla ja jotka tuottavat piirin, jota kutsutaan joskus ”kolmen” aaltomuodon generaattoriksi. Värähtelyn taajuus määritetään uudelleen R1C-aikavakion avulla, joka on sama kuin edellä esitetyllä kahdella portti- oskillaattorilla, ja joka annetaan seuraavasti: 1 / 2,2R1C, kun R2: n arvo on 10-kertainen vastuksen arvoon R1.

Vakaa NAND Gate Waveform Generator

vakaa nand-portin aaltomuodon generaattori

Ylimääräisten NAND-porttien takuiden lisääminenettä oskillaattori käynnistyy jopa hyvin alhaisilla kondensaattoriarvoilla. Myös aaltomuodon generaattorin vakaus paranee huomattavasti, koska se on vähemmän alttiita virtalähteen vaihteluille, koska sen kynnyksen laukaisutaso on lähes puolet syöttöjännitteestä.

Vakauden määrä määräytyy pääasiassa värähtelyn taajuuden perusteella ja yleisesti ottaen mitä pienempi taajuus on, sitä stabiilimmin oskillaattori tulee.

Koska tällainen aaltomuodon generaattori toimiilähes puolet tai 50% syöttöjännitteestä, jonka tuloksena syntyvä aaltomuoto on lähes 50%: n käyttöjakso, 1: 1-merkki-avaruussuhde. Kolmen portin aaltomuodon generaattorilla on monia etuja verrattuna edellä olevaan kahteen porttioskillaattoriin, mutta sen yksi suuri haitta on se, että se käyttää ylimääräistä logiikkaporttia.

Rengastyypin aaltomuodon generaattori

Olemme nähneet sen edellä Aaltomuodon generaattorit voidaan tehdä sekä TTL: llä että paremmalla CMOS: llalogiikkateknologia, jossa RC-verkko tuottaa aikaviiveen piirin sisällä, kun se on kytketty joko yhden, kahden tai jopa kolmen loogisen portin kautta yksinkertaisen RC-rentoutumisoskillaattorin muodostamiseksi. Mutta voimme myös tehdä aaltomuodon generaattoreita käyttämällä vain Logic NOT Gatesia tai toisin sanoen inverttereita ilman muita passiivisia komponentteja, jotka liittyvät niihin.

Yhdistämällä ne yhteen OUTO EI-porttien lukumäärä (3, 5, 7, 9 jne.) muodostamaan a"Rengas" -piiri, niin että renkaan ulostulo kytketään suoraan takaisin renkaan tuloon, jota piiri jatkaa värähtelemään, kun logiikkataso "1" pyörii jatkuvasti verkon ympärille tuottamalla lähtötaajuus, joka määräytyy etenemisen perusteella käytettyjen taajuusmuuttajien viiveet.

Ring Waveform Generator

renkaan aaltomuodon generaattoripiiri

Värähtelyn taajuus määräytyyrenkaassa käytettyjen invertterien kokonaislevitysviive, joka itsessään määräytyy porttitekniikan tyypin, TTL: n, CMOS: n, BiCMOS: n mukaan, jotka taajuusmuuttaja on valmistettu. Lisääntymisviive tai etenemisaika on kokonaisaika, joka tarvitaan (yleensä Nanosekunnissa) signaalin siirtämiseksi suoraan Inverterin läpi logiikasta "0", joka saapuu sen tuloon, joka tuottaa logiikan "1" sen ulostulossa.

Myös tämän tyyppiselle rengasaaltomuodon generaattorillevirtapiirin vaihtelut syöttöjännitteessä, lämpötilassa ja kuormakapasitanssissa vaikuttavat kaikki logiikkaporttien etenemisviiveeseen. Yleensä keskimääräinen etenemisviive annetaan valmistajien tietolomakkeissa käytettävän digitaalisen logiikkaportin tyypin ja värähtelytaajuuden perusteella, joka annetaan seuraavasti:

rengasoskillaattorin taajuusyhtälö

Missä: ƒ on värähtelyn taajuus, n on käytettyjen porttien lukumäärä ja Tp on kunkin portin etenemisviive.

Oletetaan esimerkiksi, että yksinkertaisella aaltomuodon generaattoripiirillä on 5 yksittäistä invertteriä, jotka on kytketty toisiinsa sarjaan muodostamaan a Ring-oskillaattori, kunkin Inverterin etenemisviive annetaan 8ns. Sitten värähtelyn taajuus annetaan seuraavasti:

renkaan oskillaattorin taajuus

Tämä ei tietenkään ole käytännöllistäoskillaattori johtuu pääasiassa sen epävakaudesta ja erittäin suuresta värähtelytaajuudesta, 10-prosenttisesta Megahertsistä riippuen käytetyn logiikkaporttityypin tyypistä, ja yksinkertaisessa esimerkissä se laskettiin 12,5 MHz: ksi. Rengasoskillaattorin lähtötaajuus voidaan “virittää” hieman vaihtelemalla renkaassa käytettyjen invertterien määrää, mutta on paljon parempi käyttää stabiilia RC-aaltomuodon generaattoria, kuten edellä käsiteltyjä.

Se osoittaa kuitenkin, että loogiset portit voivatyhdistetään yhteen tuottamaan loogisesti perustuvia aaltomuodon generaattoreita ja huonosti suunniteltuja digitaalisia piirejä, joissa on paljon portteja, signaalireittejä ja palautesilmukoita on tiedetty värähtelevän tahattomasti.

Käyttämällä RC-verkkoa Inverterin ylipiiri, värähtelyn taajuus voidaan tarkasti ohjata tuottamalla käytännöllisempi astable relaksointioskillaattoripiiri käytettäväksi monissa yleisissä elektronisissa sovelluksissa.

Seuraavassa opetuksessa aaltomuodoista ja aaltomuodostaGeneration, tarkastelemme 555-ajastinta, joka on yksi suosituimmista ja monipuolisimmista tuotetuista integroiduista piireistä, jotka voivat tuottaa monenlaisia ​​aaltomuotoja ja ajoitussignaaleja monostabiileista astable multivibraattoreihin.

Huomautukset (0)
Lisää kommentti