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Générateurs de formes d'onde pour produire des signaux de synchronisation

Générateurs de formes d'onde

Dans les tutoriels précédents, nous avons examinéDétaillez les trois types différents de circuits multivibrateurs à transistors de base pouvant être utilisés comme oscillateurs à relaxation pour produire une onde carrée ou rectangulaire à leurs sorties et être utilisés comme signaux d’horloge et de synchronisation.

Mais il est également possible de construire des bases Générateur de forme d'onde circuits de circuits intégrés simples ouamplificateurs opérationnels connectés à un circuit de réservoir résistance-condensateur (RC) ou à un cristal de quartz pour produire la forme d'onde de sortie binaire ou carrée requise à la fréquence souhaitée.

Ce tutoriel de génération de formes d’ondes seraitincomplet sans quelques exemples de circuits de commutation à régénération numérique, car il illustre à la fois l’action de commutation et le fonctionnement des générateurs de formes d’ondes utilisés pour générer des ondes carrées à utiliser comme formes de synchronisation ou d’images séquentielles.

Nous savons que les circuits de commutation régénératifs tels que Multivibrateurs Astable sont le type d’oscillateur à relaxation le plus couramment utilisé car ils produisent une sortie à onde carrée constante, ce qui les rend idéaux en tant que Générateur de forme d'onde.

Les multivibrateurs astables font d'excellents oscillateursparce qu’ils commutent continuellement entre leurs deux états instables à un taux de répétition constant, produisant ainsi une sortie à onde carrée continue avec un rapport d’espace de marquage de 1: 1 («ON» et «OFF» identiques) depuis sa sortie. examinera différentes manières de construire des générateurs de signaux en utilisant uniquement des circuits logiques standard TTL et CMOS, ainsi que des composants de synchronisation discrets supplémentaires.

Générateurs de formes d'onde de Schmitt

Simple Générateurs de formes d'onde peut être construit en utilisant un déclencheur de Schmitt de baseinverseurs d'action tels que le TTL 74LS14. Cette méthode est de loin le moyen le plus simple de créer un générateur de signaux astable de base. Lorsqu'il est utilisé pour produire des signaux d'horloge ou de cadencement, le multivibrateur astable doit produire une forme d'onde stable qui bascule rapidement entre ses états «HIGH» et «LOW» sans distorsion ni bruit, ce que les inverseurs de Schmitt font justement.

Nous savons que l'état de sortie d'un Schmittl’onduleur est l’inverse ou l’inverse de celui de son état d’entrée (principe de la porte NON) et qu’il peut changer d’état à différents niveaux de tension, ce qui lui confère une «hystérésis».

Les inverseurs Schmitt utilisent une action de déclenchement Schmittqui change d'état entre un niveau de seuil supérieur et un niveau inférieur lorsque le signal de tension d'entrée augmente et diminue autour de la borne d'entrée. Ce niveau de seuil supérieur "règle" la sortie et le niveau de seuil inférieur "réinitialise" la sortie, qui correspond respectivement à un "0" logique et à un "1" logique pour un onduleur. Considérez le circuit ci-dessous.

Générateur de formes d'onde inverseur Schmitt

générateur de signaux de déclenchement de schmitt

Ce circuit générateur de signaux simple consisted'une seule porte logique inverseur Schmitt TTL 74LS14 avec un condensateur, C connecté entre sa borne d'entrée et la masse, (0v) et la réaction positive nécessaire à l'oscillation du circuit étant fournie par la résistance de réaction, R.

Alors, comment ça marche?. Supposons que la charge sur les plaques de condensateur soit inférieure au seuil inférieur de Schmitt de 0,8 volt (valeur de la fiche technique). Ainsi, l'entrée dans le variateur s'effectue à un niveau logique «0», ce qui donne un niveau de sortie logique «1» (principaux du variateur).

Un côté de la résistance R est maintenant connecté àle niveau logique «1» (+ 5V) à la sortie tandis que l’autre côté de la résistance est connecté au condensateur, C se trouvant à un niveau logique «0» (0.8v ou inférieur). Le condensateur commence maintenant à charger dans la direction positive à travers la résistance à un taux déterminé par la constante de temps RC de la combinaison.

Lorsque la charge à travers le condensateur atteint laNiveau supérieur de seuil de 1,6 volt du déclencheur de Schmitt (valeur de la fiche technique), la sortie de l'onduleur de Schmitt passe rapidement d'un niveau logique «1» à un état logique de niveau «0» et le courant circulant dans la résistance change de sens.

Ce changement provoque maintenant le condensateur qui étaitcharge à l'origine à travers la résistance, R commence à se décharger par la même résistance jusqu'à ce que la charge sur les plaques du condensateur atteigne le niveau de seuil inférieur de 0,8 volt et que la sortie des inverseurs commute à nouveau avec le cycle se répétant encore et encore tant que la tension d'alimentation est présente.

Donc, le condensateur, C est en charge constante etse déchargeant à chaque cycle entre les niveaux de seuil d'entrée supérieur et inférieur de l'inverseur de Schmitt, générant un niveau logique "1" ou un niveau logique "0" à la sortie de l'inverseur. Cependant, la forme d'onde de sortie n'est pas symétrique, ce qui produit un rapport cyclique d'environ 33% ou 1/3, car le rapport entre les repères dans l'espace entre «HIGH» et «LOW» est égal à 1: 2, en raison des caractéristiques de porte d'entrée du TTL. onduleur.

La valeur de la résistance de retour, (R) DOITégalement être maintenu bas en dessous de 1kΩ pour que le circuit oscille correctement, 220R à 470R est bon, et en faisant varier la valeur du condensateur, C pour faire varier la fréquence. De plus, à des niveaux de fréquence élevés, la forme d'onde de sortie change de forme carrée en forme d'onde trapézoïdale car les caractéristiques d'entrée de la porte TTL sont affectées par les charges et décharges rapides du condensateur. La fréquence d'oscillation pour Générateurs de formes d'onde de Schmitt est donc donné comme:

Fréquence de forme d'onde de Schmitt

Générateur de signaux astmatique de Schmitt

Avec une valeur de résistance comprise entre: 100R et 1kΩ et une valeur de condensateur comprise entre: 1nF et 1000uF. Cela donnerait une plage de fréquences comprise entre 1Hz et 1MHz (les hautes fréquences produisent une distorsion de forme d'onde).

Généralement, les portes logiques TTL standard ne fonctionnent pastrop bien comme générateurs de formes d’ondes en raison de leurs caractéristiques moyennes d’entrée et de sortie, de la distorsion de la forme d’onde de sortie et de la faible valeur de la résistance de contre-réaction requise, ce qui donne un condensateur de grande valeur élevée pour un fonctionnement à basse fréquence.

De plus, les oscillateurs TTL ne peuvent pas osciller si leLa valeur du condensateur de retour est trop petite. Cependant, nous pouvons aussi fabriquer des multivibrateurs Astable utilisant une meilleure technologie logique CMOS fonctionnant entre 3V et 15V, comme l’inverseur CMOS 40106B Schmitt.

Le CMOS 40106 est un inverseur à entrée unique avecmême action de déclenchement de Schmitt que le TTL 74LS14 mais avec une très bonne immunité au bruit, une bande passante élevée, un gain élevé et d’excellentes caractéristiques entrée / sortie pour produire un signal de sortie plus «carré», comme illustré ci-dessous.

Générateur de signaux CMOS Schmitt

générateur de signaux de déclenchement cmos schmitt

Le circuit des générateurs de formes d’onde de Schmitt pourLa CMOS 40106 est fondamentalement la même que celle de l’ancien onduleur TTL 74LS14, à l’exception de l’ajout de la résistance de 10 kΩ utilisée pour empêcher le condensateur d’endommager les transistors d’entrée sensibles MOSFET lorsqu’il se décharge rapidement à des fréquences plus élevées.

Le rapport entre les repères est plus homogène àenviron 1: 1 avec la valeur de la résistance de retour augmentée en dessous de 100 kΩ, ce qui donne un condensateur de synchronisation C plus petit et meilleur marché. La fréquence d'oscillation peut différer de: (1 / 1.2RC) car les caractéristiques d'entrée CMOS sont différentes de TTL Avec une valeur de résistance comprise entre 1kΩ et 100kΩ et une valeur de condensateur comprise entre 1pF et 100uF. Cela donnerait une plage de fréquences comprise entre 0,1 Hz et 100 kHz.

Générateurs de formes d'onde inverseurs Schmitt peut également être fabriqué à partir d’une variété deportes logiques connectées pour former un circuit inverseur. Le circuit multivibrateur Schmitt astable de base peut être facilement modifié avec certains composants supplémentaires pour produire différentes sorties ou fréquences. Par exemple, deux formes d'onde inverses ou plusieurs fréquences et en changeant la résistance de contre-réaction fixe en potentiomètre, la fréquence de sortie peut être modifiée comme indiqué ci-dessous.

Générateurs de signaux d'horloge

générateur de signaux d'horloge

Dans le premier circuit ci-dessus, un Schmitt supplémentaireUn onduleur a été ajouté à la sortie du générateur de signaux de Schmitt pour produire un deuxième signal qui est l’image inverse ou miroir de la première produisant deux signaux complémentaires, de sorte que, lorsque l’une des sorties est «HIGH», l’autre est «LOW». Ce deuxième inverseur de Schmitt améliore également la forme de la forme d'onde de sortie inverse, mais lui ajoute un petit «retard de porte», de sorte qu'il ne soit pas parfaitement synchronisé avec le premier.

En outre, la fréquence de sortie de l'oscillateurLe circuit peut être modifié en changeant la résistance fixe R en un potentiomètre, mais une résistance de retour plus petite est toujours nécessaire pour empêcher le potentiomètre de mettre en court-circuit le variateur lorsque sa valeur minimale est 0Ω.

interrupteur à transistor led

On peut aussi utiliser les deux sorties complémentaires, Qet Q du premier circuit pour faire clignoter alternativement deux ensembles de lumières ou DEL en connectant leurs sorties directement à la base de deux transistors de commutation, comme indiqué.

De cette façon, une ou plusieurs LED connectéesensemble en série avec le collecteur des transistors de commutation, ce qui provoque des clignotements alternés de chaque ensemble de diodes électroluminescentes lorsque chaque transistor est mis en circuit «ON».

De même, lors de l’utilisation de ce type de circuit, pensez à calculer une résistance série appropriée, R pour limiter le courant de la LED à moins de 20 mA (LED rouge) pour la tension que vous utilisez.

Afin de générer une sortie de très basse fréquence de quelques Hertz pour faire clignoter les DEL, les générateurs de signaux de Schmitt utilisent des condensateurs de cadencement de grande valeur qui peuvent être physiquement volumineux et coûteux.

Une solution alternative est aussi d'utiliser un plus petitvaleur condensateur pour générer une fréquence beaucoup plus élevée, par exemple 1 kHz ou 10 kHz, puis divisez cette fréquence d'horloge principale en fréquences individuelles plus petites jusqu'à ce que la valeur de basse fréquence requise soit atteinte, et le second circuit ci-dessus ne fait que.

Le circuit inférieur ci-dessus montre l'oscillateurétant utilisé pour piloter l'entrée d'horloge d'un compteur d'ondulations. Les compteurs d'ondulations sont essentiellement un certain nombre de bascules de type D à division par 2, montées en cascade pour former un seul compteur de division par N, où N est égal au nombre de bits du compteur tel que le CMOS 4024 7 bits Compteur d'ondulations ou compteur d'ondulations 12 bits CMOS 4040.

La fréquence d'horloge fixe produite par le SchmittLe circuit d'impulsions d'horloge astable est divisé en un certain nombre de sous-fréquences différentes telles que, ƒ ÷ 2, ƒ 4, ƒ ÷ 8, ƒ ÷ 256, etc. compteur utilisé. Ce processus d’utilisation de «bascules», de «compteurs binaires» ou de «compteurs d’ondulation» pour diviser une fréquence d’horloge fixe principale en différentes sous-fréquences est appelé division de fréquence et nous pouvons l’utiliser pour obtenir un un seul générateur de forme d'onde.

Générateurs de formes d'onde de porte NAND

Générateurs de formes d'onde de Schmitt peut également être fabriqué en utilisant la norme CMOS Logic NANDPortes connectées pour produire un circuit inverseur. Ici, deux portes NAND sont connectées ensemble pour produire un autre type de circuit d'oscillateur de relaxation RC qui générera une forme d'onde de sortie en forme d'onde carrée, comme indiqué ci-dessous.

Générateur de formes d'onde de porte NAND

générateur de signaux d'horloge nand gate

Dans ce type de circuit générateur de signaux, leLe réseau RC est constitué de la résistance R1 et du condensateur C, ce réseau RC étant contrôlé par la sortie de la première porte NAND. La sortie de ce réseau R1C est renvoyée à l'entrée de la première porte NAND par l'intermédiaire de la résistance R2 et lorsque la tension de charge aux bornes du condensateur atteint le niveau de seuil supérieur de la première porte NAND, la porte NAND change d'état, provoquant la deuxième porte NAND. pour le suivre, changeant ainsi d'état et produisant un changement du niveau de sortie.

La tension sur le réseau R1C est maintenantinversé et le condensateur commence à se décharger à travers la résistance jusqu'à atteindre le niveau de seuil inférieur de la première porte NAND, ce qui provoque le changement d'état des deux portes. Comme le précédent circuit générateur de signaux de Schmitt ci-dessus, la fréquence d'oscillation est déterminée par la constante de temps R1C, donnée par: 1 / 2.2R1C. Généralement, R2 reçoit une valeur égale à 10 fois la valeur de la résistance R1.

Lorsqu'une grande stabilité ou un démarrage automatique garanti est requis, Générateurs de forme d'onde CMOS peut être faite en utilisant trois portes inverses NAND ouTous les trois inverseurs logiques connectés entre eux, comme indiqué ci-dessous, produisant un circuit appelé parfois «générateur de forme d’anneau». La fréquence d'oscillation est à nouveau déterminée par la constante de temps R1C, identique à celle de l'oscillateur à deux portes ci-dessus, et exprimée par: 1 / 2.2R1C lorsque R2 a une valeur égale à 10 fois la valeur de la résistance, R1.

Générateur de formes d'onde de porte NAND stable

générateur de forme d'onde de porte stable

L'ajout de la porte supplémentaire NAND garantitque l'oscillateur démarre même avec des valeurs de condensateur très basses. De plus, la stabilité du générateur de formes d'onde est grandement améliorée, car il est moins sensible aux variations d'alimentation car son seuil de déclenchement correspond à près de la moitié de la tension d'alimentation.

Le degré de stabilité est principalement déterminé par la fréquence d'oscillation et de manière générale, plus la fréquence est basse, plus l'oscillateur devient stable.

Comme ce type de générateur de forme d'onde fonctionne àPrès de la moitié ou 50% de la tension d'alimentation, la forme d'onde de sortie résultante a un rapport cyclique / rapport de 1: 1 très proche de 50%. Le générateur de signaux à trois portes présente de nombreux avantages par rapport aux deux oscillateurs précédents, mais son inconvénient majeur est qu’il utilise une porte logique supplémentaire.

Type de sonnerie Générateur de forme d'onde

Nous avons vu plus haut que Générateurs de formes d'onde peut être fait en utilisant à la fois TTL et le meilleur CMOStechnologie logique avec un réseau RC produisant une temporisation dans le circuit lorsqu’il est connecté à une, deux ou même trois portes logiques pour former un simple oscillateur de relaxation RC. Mais nous pouvons également créer des générateurs de signaux en utilisant uniquement Logic NOT Gates ou, autrement dit, des onduleurs sans aucun composant passif supplémentaire qui leur soit connecté.

En connectant ensemble IMPAIR nombre (3, 5, 7, 9, etc.) de portes NON pour former unCircuit «en anneau», de sorte que la sortie de l’anneau soit reliée directement à l’entrée de l’anneau, le circuit continue à osciller lorsqu'un niveau logique «1» tourne constamment autour du réseau, produisant une fréquence de sortie déterminée par la propagation retards des inverseurs utilisés.

Anneau générateur de forme d'onde

circuit générateur de signaux en anneau

La fréquence d'oscillation est déterminée par letemps de propagation total des onduleurs utilisés dans l’anneau et qui est lui-même déterminé par le type de technologie de porte, TTL, CMOS, BiCMOS, à partir duquel l’onduleur est fabriqué. Le temps de propagation ou temps de propagation est le temps total nécessaire (généralement en nanosecondes) pour qu'un signal passe directement dans le variateur à partir d'un "0" logique qui arrive à l'entrée et génère un "1" logique à sa sortie.

Également pour ce type de générateur de signaux en anneauLes variations de circuit de la tension d'alimentation, de la température et de la capacité de charge affectent toutes le temps de propagation des portes logiques. Généralement, un temps de propagation moyen sera indiqué dans les fiches techniques du fabricant pour le type de portes logiques numériques utilisé, la fréquence d'oscillation étant donnée par:

équation de fréquence de l'oscillateur en anneau

Où: ƒ est la fréquence d'oscillation, n le nombre de portes utilisées et Tp le délai de propagation pour chaque porte.

Par exemple, supposons qu’un circuit générateur de signaux simple comporte 5 inverseurs individuels connectés en série pour former un Anneau oscillateur, le délai de propagation pour chaque onduleur est de 8ns. Alors la fréquence d'oscillation sera donnée comme:

fréquence d'oscillateur en anneau

Bien sûr, ce n’est pas vraiment une pratiquel’oscillateur en raison principalement de son instabilité et de sa fréquence d’oscillation très élevée, 10 mégahertz en fonction du type de technologie de porte logique utilisée. Dans notre exemple simple, il a été calculé à 12,5 MHz !!. La fréquence de sortie de l’oscillateur en anneau peut être «réglée» un peu en faisant varier le nombre d’Inverseurs utilisés dans l’anneau, mais il est préférable d’utiliser un générateur de formes d’ondes RC plus stable, comme ceux décrits précédemment.

Néanmoins, cela montre que les portes logiques peuventêtre connectés ensemble pour produire des générateurs de signaux basés sur la logique et des circuits numériques mal conçus comportant de nombreuses portes, des chemins de signaux et des boucles de rétroaction sont connus pour osciller involontairement.

En utilisant un réseau RC sur l’onduleurcircuit, la fréquence d’oscillation peut être contrôlée avec précision, produisant un circuit oscillateur à relaxation astable plus pratique destiné à être utilisé dans de nombreuses applications électroniques générales.

Dans le prochain tutoriel sur les formes d'onde et forme d'ondeGénération, nous examinerons le temporisateur 555, qui est l’un des circuits intégrés les plus populaires et les plus polyvalents jamais produits, capable de générer une large gamme de formes d’ondes et de signaux de synchronisation différents, allant de multivibrateurs monostables à astables.

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