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Generatori di forme d'onda per produrre segnali di temporizzazione

Generatori di forme d'onda

Nelle esercitazioni precedenti abbiamo esaminatodettagli sui tre diversi tipi di circuiti multivibratore di transistor di base che possono essere utilizzati come oscillatori di rilassamento per produrre un'onda quadrata o rettangolare alle loro uscite da utilizzare come segnali di orologio e temporizzazione.

Ma è anche possibile costruire base Generatore di forme d'onda circuiti da semplici circuiti integrati oamplificatori operazionali connessi a un circuito del serbatoio del resistore-condensatore (RC) o ad un cristallo di quarzo per produrre la forma d'onda di uscita dell'onda binaria o quadrata richiesta alla frequenza desiderata.

Questo tutorial sulla generazione di forme d'onda sarebbeincompleto senza alcuni esempi di circuiti di commutazione rigenerativi digitali, poiché illustra sia l'azione di commutazione che il funzionamento di generatori di forme d'onda utilizzati per generare onde quadre da utilizzare come forme d'onda temporali o sequenziali.

Sappiamo che i circuiti di commutazione rigenerativi come Multivibratori disponibili sono il tipo di oscillatore di rilassamento più utilizzato in quanto producono un'uscita a onda quadra costante, rendendoli ideali come digitali Generatore di forme d'onda.

I multivibratori disponibili rendono gli oscillatori eccellentiperché cambiano continuamente tra i loro due stati instabili a una frequenza di ripetizione costante producendo in tal modo un'uscita a onda quadra continua con un rapporto di spazio-spazio 1: 1 ("ON" e "OFF" volte lo stesso) dal suo output e in questo tutorial noi esamineremo alcuni dei diversi modi in cui possiamo costruire generatori di forme d'onda usando solo circuiti logici TTL e CMOS standard insieme ad alcuni componenti di temporizzazione discreti aggiuntivi.

Generatori di forme d'onda Schmitt

Semplice Generatori di forme d'onda può essere costruito usando il trigger di base di Schmittinvertitori di azione come il TTL 74LS14. Questo metodo è di gran lunga il modo più semplice per creare un generatore di forme d'onda astable base. Quando viene utilizzato per produrre segnali di clock o temporizzazione, il multivibratore astabile deve produrre una forma d'onda stabile che passa rapidamente tra i suoi stati "HIGH" e "LOW" senza distorsione o rumore, e gli inverter Schmitt fanno proprio questo.

Sappiamo che lo stato di uscita di uno Schmittl'inverter è l'opposto o inverso a quello del suo stato di ingresso, (i principi di gate NOT) e che può cambiare stato a diversi livelli di tensione dandogli "isteresi".

Gli inverter Schmitt utilizzano un'azione trigger Schmittche cambia stato tra un livello di soglia superiore e uno inferiore quando il segnale di tensione in ingresso aumenta e diminuisce rispetto al terminale di ingresso. Questo livello di soglia superiore "imposta" l'uscita e il livello di soglia inferiore "ripristina" l'uscita che equivale a uno "0" logico ea una logica "1" rispettivamente per un inverter. Considera il circuito qui sotto.

Schmitt Inverter Waveform Generator

schmitt trigger forma d'onda generatore

Questo semplice circuito generatore di forme d'onda è costituitodi una singola porta logica dell'inverter Schmitt TTL 74LS14 con un condensatore, C collegato tra il terminale di ingresso e massa, (0v) e il feedback positivo richiesto per il circuito da oscillare fornito dal resistore di retroazione, R.

Quindi, come funziona?. Supponiamo che la carica attraverso le piastre dei condensatori sia inferiore al livello di soglia inferiore di Schmitt di 0,8 volt (valore del foglio dati). Ciò rende quindi l'ingresso all'inverter a livello logico "0" con conseguente livello di uscita logico "1" (principali dell'inverter).

Un lato del resistore R è ora collegato al'uscita logica "1" (+ 5V) mentre l'altro lato del resistore è collegato al condensatore, C che si trova ad un livello logico "0" (0.8 v o inferiore). Il condensatore inizia ora a caricare in una direzione positiva attraverso il resistore ad una velocità determinata dalla costante di tempo RC della combinazione.

Quando la carica attraverso il condensatore raggiunge ilLivello di soglia superiore di 1,6 volt del trigger Schmitt (valore del foglio dati), l'uscita dall'inverter Schmitt passa rapidamente da un livello logico "1" a uno stato a livello logico "0" e la corrente che fluisce attraverso il resistore cambia direzione.

Questo cambiamento ora causa il condensatore che eraoriginariamente caricando verso l'alto attraverso il resistore, R inizia a scaricarsi indietro attraverso lo stesso resistore fino a che la carica attraverso le piastre dei condensatori raggiunge il livello di soglia inferiore di 0,8 volt e l'uscita degli inverter passa di nuovo in stato con il ciclo ripetuto più e più volte come a condizione che sia presente la tensione di alimentazione.

Quindi il condensatore, C è costantemente in carica escaricando se stesso durante ogni ciclo tra gli ingressi superiore e inferiore dei livelli di soglia dell'inverter Schmitt producendo un livello logico "1" o un livello logico "0" all'uscita degli inverter. Tuttavia, la forma d'onda di uscita non è simmetrica producendo un duty cycle di circa il 33% o 1/3 in quanto il rapporto mark-to-space tra "HIGH" e "LOW" è 1: 2 rispettivamente a causa delle caratteristiche del gate di input del TTL inverter.

Il valore del resistore di retroazione (R) DEVEanche essere mantenuto basso a sotto 1kΩ perché il circuito oscilli correttamente, 220R a 470R è buono, e variando il valore del condensatore, C per variare la frequenza. Inoltre, a frequenze elevate, la forma d'onda di uscita cambia forma da una forma d'onda quadrata a una forma d'onda a forma trapezoidale in quanto le caratteristiche di ingresso della porta TTL sono influenzate dalla rapida carica e scarica del condensatore. La frequenza di oscillazione per Generatori di forme d'onda Schmitt è quindi dato come:

Frequenza della forma d'onda di Schmitt

schmitt generatore di forme d'onda astable

Con un valore di resistenza compreso tra: 100R e 1kΩ e un valore di condensatore compreso tra: 1nF e 1000uF. Ciò fornirebbe un intervallo di frequenza compreso tra 1 Hz e 1 MHz, (le alte frequenze producono una distorsione della forma d'onda).

Generalmente, le porte logiche TTL standard non funzionanotroppo bene come generatori di forme d'onda a causa delle loro caratteristiche di ingresso e uscita medie, distorsione della forma d'onda di uscita e basso valore del resistore di retroazione richiesto, con conseguente grande condensatore ad alto valore per funzionamento a bassa frequenza.

Anche gli oscillatori TTL potrebbero non oscillare se ilil valore del condensatore di retroazione è troppo piccolo. Tuttavia, possiamo anche realizzare Multivibratori Astable utilizzando una migliore tecnologia logica CMOS che opera da un'alimentazione da 3 V a 15 V, come l'inverter Schmitt CMOS 40106B.

Il CMOS 40106 è un inverter a ingresso singolo conla stessa azione di innesco di Schmitt del TTL 74LS14 ma con immunità al rumore, ampiezza di banda elevata, guadagno elevato ed eccellenti caratteristiche di input / output per produrre una forma d'onda di uscita più "squadrata" come mostrato di seguito.

CMOS Schmitt Waveform Generator

Generatore di forme d'onda trigger cmos schmitt

Il circuito dei generatori di forme d'onda Schmitt per ilIl CMOS 40106 è sostanzialmente identico a quello del precedente inverter TTL 74LS14, ad eccezione dell'aggiunta del resistore da 10 kΩ che viene utilizzato per impedire al condensatore di danneggiare i transistor di ingresso MOSFET sensibili mentre si scarica rapidamente a frequenze più alte.

Il rapporto spazio-spazio è più uniformemente abbinato acirca 1: 1 con il valore del resistore di retroazione aumentato a meno di 100kΩ risultante in un condensatore di temporizzazione più piccolo ed economico, C. La frequenza di oscillazione potrebbe non essere la stessa di: (1 / 1,2RC) come le caratteristiche di ingresso CMOS sono diverse da TTL. Con un valore di resistenza compreso tra: 1kΩ e 100kΩ e un valore di condensatore compreso tra: 1pF e 100uF. Ciò fornirebbe un intervallo di frequenza compreso tra 0,1Hz e 100kHz.

Generatori di forme d'onda inverter Schmitt può anche essere fatto da una varietà di differentiporte logiche collegate per formare un circuito inverter. Il circuito multivibratore base Schmitt basico può essere facilmente modificato con alcuni componenti aggiuntivi per produrre diverse uscite o frequenze. Ad esempio, due forme d'onda inverse o più frequenze e cambiando la resistenza di retroazione fissa in un potenziometro la frequenza di uscita può essere variata come mostrato di seguito.

Generatori di forme d'onda dell'orologio

generatore di forme d'onda dell'orologio

Nel primo circuito sopra, un ulteriore SchmittL'inverter è stato aggiunto all'uscita del generatore di forme d'onda di Schmitt per produrre una seconda forma d'onda che è l'immagine inversa o speculare delle prime due forme d'onda di uscita complementari, quindi quando un'uscita è "ALTA" l'altra è "BASSA". Questo secondo invertitore Schmitt migliora anche la forma della forma d'onda di uscita inversa, ma aggiunge un piccolo "gate delay" ad esso, quindi non è esattamente in sincrono con il primo.

Inoltre, la frequenza di uscita dell'oscillatoreil circuito può essere variato cambiando la resistenza fissa, R in un potenziometro ma è ancora necessario un resistore di retroazione più piccolo per impedire al potenziometro di mettere in cortocircuito l'inverter quando è al suo valore minimo, 0Ω.

interruttore a transistor led

Possiamo anche usare le due uscite complementari, Qe Q del primo circuito per alternativamente far lampeggiare due gruppi di luci o LED collegando le loro uscite direttamente alle basi di due transistor di commutazione come mostrato.

In questo modo sono collegati uno o più LEDinsieme in serie con il collettore dei transistor di commutazione con conseguente alternanza di lampi di ogni serie di LED quando ciascun transistor viene commutato "ON" a turno.

Inoltre, quando si utilizza questo tipo di circuito, ricordare di calcolare un resistore di serie adatto, R per limitare la corrente del LED a meno di 20 mA (LED rossi) per la tensione che si sta utilizzando.

Per generare un'uscita a frequenza molto bassa di pochi Hertz per il flashing dei LED, i generatori di forme d'onda Schmitt utilizzano condensatori di temporizzazione ad alto valore che possono essere fisicamente grandi e costosi.

Una soluzione alternativa è anche usare un più piccolocondensatore di valore per generare una frequenza molto più alta, ad esempio 1kHz o 10kHz, e quindi dividere questa frequenza di clock principale in singoli più piccoli fino a raggiungere il valore di bassa frequenza richiesto, e il secondo circuito sopra fa proprio questo.

Il circuito inferiore sopra mostra l'oscillatoreessere utilizzato per pilotare l'ingresso di clock di un contatore di ripple. I contatori Ripple sono fondamentalmente un numero di flip-flop divisi per 2, di tipo D collegati in cascata per formare un singolo contatore di divisione per N, dove N è uguale al conteggio dei bit dei contatori come il CMOS 4024 a 7 bit Ripple Counter o CMOS 4040 Ripple Counter a 12 bit.

La frequenza di clock fissa prodotta dallo SchmittIl circuito di impulsi orologio astable è diviso in un numero di diverse sottofrequenze quali, ƒ ÷ 2, ƒ ÷ 4, ƒ ÷ 8, ƒ ÷ 256, ecc., fino al massimo valore "Divide-by-n" dell'ondulazione contatore in uso. Questo processo di utilizzare "Flip-flop", "Binary Counters" o "Ripple Counters" per dividere una frequenza di clock fissa principale in diverse sub-frequenze è noto come Frequency Division e possiamo usarlo per ottenere un numero di valori di frequenza da un singolo generatore di forme d'onda.

Generatori di forme d'onda per gate NAND

Generatori di forme d'onda Schmitt può anche essere realizzato utilizzando la logica NAND CMOS standardPorte collegate per produrre un circuito inverter. Qui, due porte NAND sono collegate insieme per produrre un altro tipo di circuito oscillatore di rilassamento RC che genererà una forma d'onda di uscita a forma d'onda quadrata come mostrato di seguito.

Generatore di forme d'onda per porta NAND

generatore di forme d'onda di gate nand gate

In questo tipo di circuito generatore di forme d'onda, ilLa rete RC è formata dalla resistenza, R1 e il condensatore, C con questa rete RC controllata dall'uscita della prima porta NAND. L'uscita da questa rete R1C viene ricondotta all'ingresso della prima porta NAND tramite resistenza, R2 e quando la tensione di carica attraverso il condensatore raggiunge il livello di soglia superiore della prima porta NAND, la porta NAND cambia stato causando la seconda porta NAND seguirlo, quindi cambiare stato e produrre un cambiamento nel livello di uscita.

La tensione attraverso la rete R1C è orainvertito e il condensatore inizia a scaricare attraverso il resistore fino a raggiungere il livello di soglia inferiore della prima porta NAND, causando nuovamente lo stato delle due porte. Come il precedente circuito dei generatori di forme d'onda Schmitt sopra, la frequenza di oscillazione è determinata dalla costante di tempo R1C che è data come: 1 / 2.2R1C. Generalmente a R2 viene dato un valore che è 10 volte il valore del resistore R1.

Quando è richiesta elevata stabilità o autoaccensione garantita, Generatori di forme d'onda CMOS può essere realizzato utilizzando tre porte NAND invertite otutti e tre gli invertitori logici, collegati tra loro come mostrato di seguito, producendo un circuito che a volte viene chiamato generatore di forme d'onda "the ring of three". La frequenza di oscillazione viene nuovamente determinata dalla costante di tempo R1C, la stessa dell'oscillatore a due gate sopra, e che è data come: 1 / 2.2R1C quando R2 ha un valore che è 10 volte il valore del resistore, R1.

Generatore di forme d'onda per gate NAND stabile

generatore di forme d'onda a gate nand stabile

L'aggiunta delle garanzie aggiuntive del cancello NANDche l'oscillatore inizierà anche con valori di condensatore molto bassi. Anche la stabilità del generatore di forme d'onda è notevolmente migliorata in quanto è meno suscettibile alle variazioni di alimentazione poiché il suo livello di attivazione della soglia è quasi la metà della tensione di alimentazione.

La quantità di stabilità è determinata principalmente dalla frequenza di oscillazione e, in generale, più bassa è la frequenza, più stabile diventa l'oscillatore.

Poiché questo tipo di generatore di forme d'onda opera suquasi la metà o il 50% della tensione di alimentazione della risultante forma d'onda di uscita ha un ciclo di lavoro quasi del 50%, rapporto di spazio di 1: 1. Il generatore di forme d'onda a tre gate ha molti vantaggi rispetto al precedente oscillatore a due gate sopra, ma il suo unico grande svantaggio è che utilizza un gate logico addizionale.

Generatore di forme d'onda ad anello

Abbiamo visto sopra questo Generatori di forme d'onda può essere fatto usando sia TTL che il migliore CMOStecnologia logica con una rete RC che produce un ritardo temporale all'interno del circuito quando è collegata attraverso una, due o anche tre porte logiche per formare un semplice oscillatore di rilassamento RC. Ma possiamo anche creare generatori di forme d'onda usando solo Logic NOT Gates o in altre parole invertitori senza componenti passivi aggiuntivi ad essi collegati.

Collegando insieme qualsiasi DISPARI numero (3, 5, 7, 9 ecc.) delle porte NON per formare aCircuito "ad anello", in modo che l'uscita dell'anello sia collegata direttamente all'ingresso dell'anello il circuito continuerà ad oscillare come un livello logico "1" ruota costantemente attorno alla rete producendo una frequenza di uscita che è determinata dalla propagazione ritardi degli inverter utilizzati.

Generatore di forme d'onda ad anello

circuito generatore di forme d'onda ad anello

La frequenza dell'oscillazione è determinata dalritardo totale di propagazione degli inverter utilizzati all'interno dell'anello e che a sua volta è determinato dal tipo di tecnologia gate, TTL, CMOS, BiCMOS di cui è composto l'inverter. Ritardo di propagazione o tempo di propagazione, è il tempo totale richiesto (di solito in nanosecondi) perché un segnale passi attraverso l'inverter da uno "0" logico che arriva all'ingresso producendo un "1" logico alla sua uscita.

Anche per questo tipo di generatore di forme d'onda ad anellovariazioni del circuito nella tensione di alimentazione, nella temperatura e nella capacità di carico influiscono tutti sul ritardo di propagazione delle porte logiche. Generalmente un tempo di ritardo di propagazione medio verrà indicato nelle schede tecniche del produttore per il tipo di porte logiche digitali utilizzate con la frequenza di oscillazione indicata come:

equazione di frequenza dell'oscillatore ad anello

Dove: ƒ è la frequenza dell'oscillazione, n è il numero di porte utilizzate e Tp è il ritardo di propagazione per ciascuna porta.

Ad esempio, si supponga che un semplice circuito generatore di forme d'onda abbia 5 singoli inverter collegati in serie per formare a Ring Oscillator, il ritardo di propagazione per ciascun inverter è dato come 8ns. Quindi la frequenza di oscillazione verrà data come:

Frequenza dell'oscillatore ad anello

Certo, questo non è davvero un praticooscillatore dovuto principalmente alla sua instabilità e frequenza di oscillazione molto elevata, 10 di Megahertz a seconda del tipo di tecnologia di gate logico utilizzato, e nel nostro semplice esempio è stato calcolato come 12,5 MHz !!. La frequenza di uscita dell'oscillatore ad anello può essere "sintonizzata" un po 'variando il numero di Inverter utilizzati all'interno dell'anello, ma è molto meglio usare un generatore di forme d'onda RC più stabile come quelli sopra descritti.

Tuttavia, mostra che le porte logiche possonoessere collegati insieme per produrre generatori di forme d'onda basati su logica e circuiti digitali mal progettati con un sacco di porte, percorsi di segnale e anelli di retroazione sono stati conosciuti per oscillare involontariamente.

Utilizzando una rete RC attraverso l'invertercircuito, la frequenza di oscillazione può essere accuratamente controllata producendo un circuito oscillatore di rilassamento indipendente più pratico da usare in molte applicazioni elettroniche generali.

Nel prossimo tutorial su Waveforms e WaveformGenerazione, esamineremo il 555 Timer che è uno dei circuiti integrati più popolari e versatili mai prodotti in grado di generare una vasta gamma di forme d'onda e segnali di temporizzazione diversi da multivibratori monostabile a astabile.

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