/ / Hullámforma generátorok időzítési jelek előállításához

Hullámforma generátorok időzítési jelek előállításához

Hullámforma generátorok

A korábbi oktatómunkainkban megnézzükrészletesen ismertetjük a három különböző típusú alapvető tranzisztoros multivibrátor áramköröket, amelyeket relaxációs oszcillátorokként használhatunk, hogy a kimeneteiken egy négyzet vagy téglalap alakú hullámot állítsanak elő órajel és időzítő jelként való használatra.

De az is lehetséges, hogy építsünk bázist Hullámforma generátor áramkörök az egyszerű integrált áramkörökből vagy. \ taz ellenállás-kondenzátor (RC) tartálykörhöz vagy egy kvarckristályhoz csatlakoztatott működési erősítők a kívánt bináris vagy négyzetes hullám kimeneti hullámforma előállításához a kívánt frekvencián.

Ez a hullámforma generációs bemutató lennehiányos a digitális regeneratív kapcsolási áramkörök néhány példája nélkül, mivel mind a kapcsolási műveletet, mind a hullámforma-generátorok működését szemlélteti, amelyeket négyszöghullámok generálására használnak az időzítés vagy a szekvenciális hullámformák használatához.

Tudjuk, hogy a regeneratív kapcsolási áramkörök, mint például a Astable multivibrátorok a leggyakrabban használt relaxációs oszcillátor típus, mivel állandó négyzethullámú kimenetet hoznak létre, így ideálisak digitálisnak Hullámforma generátor.

Az Astable multivibrátorok kiváló oszcillátorokat hoznak létremert állandóan ismétlődési sebességgel folyamatosan váltakoznak a két instabil állapotuk között, így folyamatos négyzethullámú kimenetet hoznak létre a kimenetéből és ebben a bemutatóban 1: 1 jelölés-tér arányával ("ON" és "OFF"). meg fogja vizsgálni a különböző formákat, amelyekkel csak a szabványos TTL és CMOS logikai áramkörökkel rendelkező hullámforma-generátorokat építhetünk, valamint néhány további különálló időzítő komponenst is.

Schmitt hullámforma generátorok

Egyszerű Hullámforma-generátorok az alap Schmitt trigger segítségével is felépíthetőműveleti inverterek, például a TTL 74LS14. Ez a módszer messze a legegyszerűbb módja az alapvető astable hullámforma-generátor létrehozásának. Óra- vagy időzítési jelek előállításához az Astable multivibrátornak stabil hullámformát kell előállítania, amely gyorsan átkapcsol a „HIGH” és „LOW” állapotai között torzítás vagy zaj nélkül, és Schmitt inverterek csak ezt teszik.

Tudjuk, hogy egy Schmitt kimeneti állapotaaz inverter ellentétes, vagy inverz a bemeneti állapotával (NEM kapu alapelvekkel), és hogy az eltérő feszültségszinteken az állapotot „hiszterézissé” változtathatja.

A Schmitt frekvenciaváltók Schmitt-indítót használnakamely megváltoztatja a felső és az alsó küszöbszint közötti állapotot, amikor a bemeneti feszültség jel növekszik és csökken a bemeneti terminál körül. Ez a felső küszöbszint „beállítja” a kimenetet, és az alsó küszöbszint „visszaállítja” a kimenetet, amely egyenértékű egy „0” logikával és egy „1” logikával egy inverter számára. Tekintsük az alábbi áramkört.

Schmitt Inverter Waveform Generator

schmitt trigger hullámforma generátor

Ez az egyszerű hullámforma generátor áramkör állegyetlen TTL 74LS14 Schmitt inverter logikai kapu, egy C kondenzátorral, amely a bemeneti terminál és a föld között van, (0v) és a pozitív visszacsatolás szükséges ahhoz, hogy az áramkör oszcilláljon.

Szóval hogyan működik? Tegyük fel, hogy a kondenzátor lemezeken lévő töltés a Schmitt alsó 0,8 V-os küszöbértéke alatt van (adatlap érték). Ezáltal a frekvenciaváltó bemenete logikai „0” szinten történik, ami logikai „1” kimeneti szintet eredményez (inverter vezérlők).

Az R ellenállás egyik oldala most csatlakozika logikai „1” szint (+ 5V) kimenet, míg az ellenállás másik oldala a kondenzátorhoz van csatlakoztatva, C logikai „0” szinten (0,8V vagy annál alacsonyabb). A kondenzátor most az ellenálláson keresztül pozitív irányban tölt fel, a kombináció RC időállandója által meghatározott sebességgel.

Amikor a kondenzátoron belüli töltés eléri aA Schmitt trigger 1,6 voltos felső küszöbértéke (adatlap érték) a Schmitt frekvenciaváltó kimenete gyorsan megváltozik az „1” logikai szintről egy „0” logikai szintre, és az ellenálláson átáramló áram irányát változtatja.

Ez a változás most a kondenzátort okozzaeredetileg az ellenálláson keresztül töltődik fel, R, hogy elkezdje magát visszafolyni az ugyanazon ellenálláson, amíg a töltő a kondenzátor lemezeken át nem éri el az alacsonyabb 0,8 V-os küszöbértéket, és a frekvenciaváltók kimenete újra bekapcsol, amikor a ciklust megismétli újra és újra amíg a tápfeszültség van.

Tehát a C kondenzátor folyamatosan töltődik ésa Schmitt inverter bemeneteinek felső és alsó küszöbszintjei között minden egyes ciklus alatt kiürül, és az inverterek kimenetén „1” logikai szintet vagy „0” logikai szintet eredményez. A kimeneti hullámforma azonban nem szimmetrikus, ami körülbelül 33% -os vagy 1/3-as üzemi ciklust eredményez, mivel a „HIGH” és a „LOW” közötti jel-tér arány 1: 2, a TTL bemeneti kapu jellemzői miatt inverter.

A visszacsatolási ellenállás értékének (R) kell lennieaz 1 k to alatti értéket is meg kell tartani, hogy az áramkör megfelelően rezegjen, 220R-től 470R-ig jó, és a kondenzátor értékének változtatásával C változtassa a frekvenciát. Magas frekvenciaszinteken a kimeneti hullámforma a négyzet alakú hullámformától a trapéz alakú hullámformaig változik, mivel a TTL kapu bemeneti jellemzőit befolyásolja a kondenzátor gyors feltöltése és kisütése. Az oszcilláció gyakorisága Schmitt hullámforma generátorok ezért a következőképpen van megadva:

Schmitt hullámforma frekvencia

schmitt astable hullámforma generátor

Az ellenállás értéke 100R és 1kΩ között van, és a kondenzátor értéke: 1nF és 1000uF között. Ez 1 Hz és 1 MHz közötti frekvenciatartományt biztosítana (a magas frekvenciák hullámforma torzulást okoznak).

Általában a szabványos TTL logikai kapuk nem működneka hullámforma-generátorok átlagos bemeneti és kimeneti jellemzői, a kimeneti hullámforma torzulása és a visszacsatolási ellenállás alacsony értéke miatt szükségesek, ami nagy értékű kondenzátort eredményez az alacsony frekvenciájú működéshez.

A TTL oszcillátorok nem oszcillálhatnak, ha aa visszacsatoló kondenzátor értéke túl kicsi. Ugyanakkor az Astable Multivibratorokat is használhatjuk jobb CMOS logikai technológiával, amely 3V-tól 15V-ig terjedő tápegységgel működik, mint például a CMOS 40106B Schmitt Inverter.

A CMOS 40106 egy bemeneti inverterugyanaz a Schmitt-trigger-akció, mint a TTL 74LS14, de nagyon jó zajvédelemmel, nagy sávszélességgel, nagy nyereséggel és kiváló bemeneti / kimeneti jellemzőkkel, hogy egy „szögletesebb” kimeneti hullámformát hozzanak létre az alábbiak szerint.

CMOS Schmitt hullámforma generátor

cmos schmitt trigger hullámforma generátor

A Schmitt hullámforma generátor áramköre aA CMOS 40106 alapvetően megegyezik az előző TTL 74LS14 frekvenciaváltóéval, kivéve a 10 kΩ-os ellenállás hozzáadását, amely megakadályozza, hogy a kondenzátor károsítsa az érzékeny MOSFET bemeneti tranzisztorokat, mivel gyorsabban ürül a magasabb frekvenciákon.

A jel-tér arány egyenletesebben egyezikkb. 1: 1-re a visszacsatolási ellenállás értéke 100 kN alá csökkent, ami kisebb és olcsóbb időzítő kondenzátort eredményezett, C. Az oszcilláció frekvenciája nem lehet ugyanaz, mint: (1 / 1,2RC), mivel a CMOS bemeneti jellemzői eltérnek a TTL-től. Az ellenállás értéke 1kΩ és 100kΩ között van, és a kondenzátor értéke 1pF és 100uF között van. Ez 0,1 Hz és 100 kHz közötti frekvenciatartományt biztosítana.

Schmitt inverter hullámforma generátorok számos különböző anyagból is előállíthatóaz inverter áramkört létrehozó logikai kapuk. Az alap Schmitt astable multivibrátor áramkör könnyen módosítható néhány további komponenssel különböző kimenetek vagy frekvenciák előállításához. Például két inverz hullámforma vagy több frekvencia, és a rögzített visszacsatolási ellenállás potenciométerre történő változtatásával a kimeneti frekvencia az alábbiak szerint változtatható.

Óra hullámforma generátorok

óra hullámforma generátor

A fenti első körben egy további SchmittA Schmitt hullámforma-generátor kimenetéhez az invertert egy második hullámforma előállításához adtuk, amely az első, két komplementer kimeneti hullámforma fordított vagy tükörképe, így amikor egy kimenet „HIGH”, a másik „LOW”. Ez a második Schmitt frekvenciaváltó javítja az inverz kimeneti hullámforma alakját, de hozzáad egy kis „kapu késleltetést”, így nem pontosan az elsővel szinkronban van.

Továbbá az oszcillátor kimeneti frekvenciájaaz áramkör változtatható úgy, hogy az R ellenállást egy potenciométerre változtatja, de még egy kisebb visszacsatolási ellenállásra van szükség, hogy megakadályozzuk, hogy a potenciométer rövidre zárja az invertert, ha a minimális értékénél 0Ω.

vezetett tranzisztoros kapcsoló

A két komplementer kimenetet is használhatjuk, Qés Q az első áramkörből, hogy alternatív módon két lámpacsoportot vagy LED-et villogjon a kimeneteik közvetlenül a két kapcsoló tranzisztor alapjához történő csatlakoztatásával.

Ily módon egy vagy több LED csatlakozikegyütt a kapcsoló tranzisztorok gyűjtőjével együtt, ami a LED-ek mindegyikének váltakozó villogását eredményezi, mivel minden tranzisztor „ON” állásba kapcsol.

Az ilyen típusú áramkör használata esetén ne felejtse el kiszámítani egy megfelelő sorozatellenállást, R, hogy korlátozza a LED áramát 20 mA alá (piros LED) a használt feszültségre.

Annak érdekében, hogy néhány Hertz nagyon alacsony frekvenciájú kimenetet generáljon a LED-ek villogásához, a Schmitt hullámforma-generátorok nagy értékű időzítő kondenzátorokat használnak, amelyek maguk is fizikailag nagyok és drágák lehetnek.

Az egyik alternatív megoldás egy kisebbÉrtékelje a kondenzátort, hogy sokkal nagyobb frekvenciát generáljon, például 1kHz vagy 10kHz, majd ossza meg ezt a fő órafrekvenciát egy kisebb kisebbre, amíg a kívánt alacsony frekvenciaértéket el nem érik, és a fenti második áramkör ezt csak teszi.

A fenti alsó áramkör az oszcillátort mutatjaegy ripple számláló órabemenetének vezetésére használják. A Ripple számlálók alapvetően számos osztó-2-es, a D-típusú flip-flopok egymás után lépnek fel, hogy egyetlen osztott-by-N számlálót alkossanak, ahol N egyenlő a számlálók bitszámlájával, mint például a CMOS 4024 7-bites Ripple Counter vagy a CMOS 4040 12 bites Ripple számláló.

A rögzített órafrekvencia a Schmitt általAz asztábilis impulzus áramkör több különböző alfrekvenciára van osztva, mint pl. 2 ÷ 2, ƒ ÷ 4, ƒ ÷ 8, ƒ ÷ 256, stb. számláló használható. Ezt a folyamatot a „Flip-flops”, a „Binary Counters” vagy a „Ripple Counters” használatával a fő rögzített órafrekvencia különböző alfrekvenciákra való felosztására Frequency Division néven ismerjük, és felhasználhatjuk arra, hogy számos frekvenciaértéket kapjunk egyetlen hullámforma-generátor.

NAND Gate Waveform generátorok

Schmitt hullámforma generátorok a szabványos CMOS Logic NAND használatával is elvégezhetőA kapuk egy inverter áramkör létrehozásához csatlakoznak. Itt két NAND kapu kapcsolódik egymáshoz, hogy egy másik típusú RC relaxációs oszcillátor áramkört hozzon létre, amely négyzethullámú kimeneti hullámformát generál az alábbiak szerint.

NAND Gate Waveform Generator

nand gate óra hullámforma generátor

Az ilyen típusú hullámforma generátor áramkörben aAz RC hálózat ellenállásból, R1-ből és a C kondenzátorból van kialakítva, az RC hálózatot az első NAND kapu kimenete vezérli. Ennek az R1C hálózatnak a kimenetét az első NAND kapu bemenetére visszük vissza az R2 ellenálláson keresztül, és amikor a töltőfeszültség a kondenzátoron belül eléri az első NAND kapu felső küszöbértékét, a NAND kapu megváltoztatja a második NAND kapu állapotát. követni, ezáltal megváltoztathatja az állapotot, és megváltoztathatja a kimeneti szintet.

Az R1C hálózaton lévő feszültség most mármegfordult, és a kondenzátor elkezdi az ellenállást, amíg el nem éri az első NAND kapu alsó küszöbértékét, ami a két kaput újra megváltoztatja. A fenti Schmitt hullámforma-generátorokhoz hasonlóan az oszcilláció gyakoriságát az R1C időállandó határozza meg, amelyet 1: 2.2R1C-ben adunk meg. Általában R2 értéke egy, az R1 ellenállás értékének tízszerese.

Ha nagy stabilitás vagy garantált önindítás szükséges, CMOS hullámforma generátorok három invertálható NAND kapu segítségével vagymindhárom logikai inverter ehhez az anyaghoz, az alábbiakban bemutatott módon összekapcsolva olyan áramkört hozunk létre, amelyet néha „három” hullámforma-generátornak neveznek. Az oszcilláció gyakoriságát ismét az R1C időállandó határozza meg, ugyanúgy, mint a fenti két kapu oszcillátor esetében, és a következő: 1 / 2.2R1C, ha R2 értéke az ellenállás értékének 10-szerese, R1.

Stabil NAND Gate Waveform Generator

stabil nand kapu hullámforma generátor

Az extra NAND kapu garanciák hozzáadásahogy az oszcillátor nagyon alacsony kondenzátor értékekkel indul. A hullámforma-generátor stabilitása is jelentősen javul, mivel kevésbé érzékeny a tápfeszültség-változásokra, mivel annak küszöbértéke a tápfeszültség közel fele.

A stabilitás nagyságát döntően az oszcilláció gyakorisága határozza meg, és általánosságban elmondható, hogy minél kisebb a frekvencia, annál stabilabb lesz az oszcillátor.

Mivel ez a típusú hullámforma generátor működika tápfeszültség közel felének vagy 50% -ának az eredményül kapott kimeneti hullámforma nagyon közel 50% -os működési ciklus, 1: 1 jel-tér arány. A három kapu hullámforma generátornak számos előnye van a fenti két kapu oszcillátorhoz képest, de az egyik nagy hátránya, hogy egy további logikai kaput használ.

Csengő típus hullámforma generátor

Már fent láttuk Hullámforma-generátorok a TTL és a jobb CMOS használatával is elvégezhetőlogikai technológia egy RC hálózattal, amely az áramkörön belül késlelteti az időt, ha egy, két vagy akár három logikai kapun keresztül kapcsolódik egy egyszerű RC relaxációs oszcillátorhoz. De a hullámforma-generátorokat csak Logic NOT Gates vagy más módon inverterekkel lehet létrehozni, anélkül, hogy további passzív komponenseket csatlakoztatnának hozzájuk.

Összekötve bármelyik PÁRATLAN A NEM kapuk száma (3, 5, 7, 9 stb.) a„Gyűrű” áramkör, úgyhogy a gyűrű kimenete egyenesen vissza van kötve a gyűrű bemenetéhez, amelyet az áramkör tovább oszcillál, mivel az „1” logikai szint folyamatosan forog a hálózat körül, és egy olyan kimeneti frekvenciát generál, amelyet a terjedés határoz meg az alkalmazott frekvenciaváltók késleltetése.

Ring Waveform Generator

gyűrűhullámforma generátor áramkör

Az oszcilláció gyakoriságát aa gyűrűben használt inverterek teljes terjedési késleltetése, amely maga a kapu technológia típusa, a TTL, a CMOS, a BiCMOS és a frekvenciaváltó által meghatározott. A szaporodási késleltetés vagy a szaporodási idő az a szükséges idő (általában nanoszekundumban), amellyel egy jel áthalad az inverteren egy logikai „0” logikából, amely a bemeneten érkező logikai „1” logikával jön létre.

Az ilyen típusú gyűrűhullám-generátorokhoz isA tápfeszültség, a hőmérséklet és a terhelési kapacitás áramkörváltozásai mind befolyásolják a logikai kapuk terjedési késleltetését. Általában egy átlagos terjedési késleltetési időt adunk meg a gyártók adatlapjaiban azon digitális logikai kapuk típusára vonatkozóan, amelyeket az oszcilláció gyakorisága mellett adunk meg:

gyűrű oszcillátor frekvenciaegyenlet

Ahol: ƒ az oszcilláció frekvenciája, n az alkalmazott kapuk száma és a Tp az egyes kapuk terjedési késleltetése.

Tegyük fel például, hogy egy egyszerű hullámforma-generátor áramkörben 5 egyedi inverter van összekapcsolva egymás után, hogy az a Gyűrű-oszcillátor, az egyes inverterek terjedési késleltetése 8ns. Ezután az oszcilláció gyakorisága:

gyűrű oszcillátor frekvenciája

Természetesen ez nem igazán praktikusAz oszcillátor elsősorban az instabilitás és a nagyon magas oszcillációs frekvencia miatt, a 10-es Megahert-től függ az alkalmazott logikai kaputechnika típusától, és egyszerű példánkban 12,5MHz-re számítottuk. A gyűrű-oszcillátor kimeneti frekvenciája egy kicsit „hangolható” a gyűrűn belüli inverterek számának megváltoztatásával, de sokkal jobb, ha egy stabilabb RC hullámforma-generátort használunk, mint a fent tárgyaltak.

Mindazonáltal megmutatja, hogy a logikai kapuk képesekössze kell kapcsolni, hogy logikai alapú hullámforma-generátorokat és rosszul tervezett digitális áramköröket kapjanak, amelyek sok kaput, jelutat és visszacsatolási hurkot ismerhetnek fel véletlenül.

Az inverteren keresztüli RC hálózat használatávaláramkör, az oszcilláció frekvenciája pontosan szabályozható, és egy praktikusabb, asztálható relaxációs oszcillátor áramkört hoz létre, amely számos általános elektronikus alkalmazásban használható.

A következő hullámformákról és hullámformákról szóló bemutatóbanGeneráció, megvizsgáljuk az 555-ös időzítőt, amely az egyik legkedveltebb és sokoldalúbb integrált áramkör, amely a legkülönbözőbb hullámformák és időzítési jelek széles skáláját generálhatja a monostabil és az astable multivibrátorok között.

Megjegyzések (0)
Hozzászólni