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タイミング信号を生成する波形発生器

波形発生器

前のチュートリアルで私達は調べましたクロックおよびタイミング信号として使用するために、それらの出力に方形波または方形波のいずれかを生成するための緩和発振器として使用することができる3つの異なるタイプの基本的なトランジスタマルチバイブレータ回路の詳細。

しかし基本を構築することも可能です。 波形発生器 単純な集積回路からの回路オペアンプを抵抗 - コンデンサ(RC)タンク回路または水晶に接続して、必要な周波数の必要な2進または方形波出力波形を生成します。

この波形生成チュートリアルはそれはタイミング再生または順次波形として使用するための方形波を発生するために使用される波形発生器のスイッチング動作および動作の両方を例示するので、デジタル再生スイッチング回路のいくつかの例なしでは不完全である。

次のような回生スイッチング回路は 無安定マルチバイブレータ それらは一定の方形波出力を生成するため、最も一般的に使用されているタイプのリラクセーションオシレータです。 波形発生器.

無安定マルチバイブレータは優れた発振器を作る2つの不安定な状態の間を一定の繰り返し率で連続的に切り替え、それによってその出力から1:1のマークスペース比(「ON」と「OFF」の倍数が同じ)の連続方形波出力を生成するためです。標準のTTLおよびCMOSロジック回路といくつかの追加のディスクリートタイミングコンポーネントを使用して、波形ジェネレータを構成することができるさまざまな方法のいくつかを見ていきます。

シュミット波形発生器

単純な 波形発生器 基本的なシュミットトリガを使用して構築することができますTTL 74LS14などのアクションインバータ。この方法は、基本的な無安定波形発生器を作成するための最も簡単な方法です。クロックまたはタイミング信号を生成するために使用されるとき、無安定マルチバイブレータは、歪みやノイズなしに「HIGH」状態と「LOW」状態を素早く切り替える安定した波形を生成する必要があります。

シュミットの出力状態はインバータは、その入力状態とは反対または逆であり(NOTゲート原理)、さまざまな電圧レベルで状態を変えることができ、「ヒステリシス」を与えます。

シュミットインバータはシュミットトリガ動作を使用これは、入力電圧信号が入力端子を中心にして増減すると、上限と下限のしきい値レベルの間で状態が変化します。この上限しきい値レベルは出力を「設定」し、下限しきい値レベルは出力を「リセット」し、これはインバータに対してそれぞれ論理「0」および論理「1」に等しい。以下の回路を考えてください。

シュミットインバータ波形発生器

シュミットトリガ波形発生器

この簡単な波形発生回路は、その入力端子とアースとの間に接続されたコンデンサCを有する単一のTTL74LS14シュミットインバータ論理ゲート(0V)と、回路を発振させるのに必要な正帰還とが帰還抵抗Rによって提供される。

それでそれはどのように動作しますか? コンデンサプレートの電荷がシュミットの下限スレッショルドレベルである0.8ボルト(データシート値)を下回っているとします。したがって、これはインバータへの入力を論理「0」レベルにし、論理「1」出力レベルをもたらす(インバータ原理)。

抵抗Rの片側は、抵抗の反対側がコンデンサCに接続されている間の論理「1」レベル(+ 5V)出力(論理「0」レベル(0.8V以下))。コンデンサは、組み合わせのRC時定数によって決定されるレートで、抵抗を介して正方向に充電を開始します。

コンデンサ両端の電荷がシュミットトリガの1.6ボルトの上限スレッショルドレベル(データシート値)は、シュミットインバータの出力が論理レベル "1"から論理レベル "0"に急激に変化し、抵抗を流れる電流の方向が変わります。

この変更により、コンデンサがもともと抵抗Rを介して充電され、コンデンサプレートの両端の電荷が0.8ボルトの下限スレッショルドレベルに達するまで同じ抵抗を通してそれ自身を放電し始め、インバータの出力が再び切り替わり、サイクルが繰り返される電源電圧が存在する限り。

そのため、コンデンサCは常に充電されています。シュミットインバータの入力上限しきい値レベルと下限しきい値レベルとの間の各サイクル中にそれ自体を放電し、インバータ出力に論理レベル「1」または論理レベル「0」を生成する。ただし、TTLの入力ゲート特性により、「HIGH」と「LOW」のマークとスペースの比がそれぞれ1:2であるため、出力波形は対称的ではなく、デューティサイクルは約33%または1/3になります。インバータ。

フィードバック抵抗の値、(R)また、回路が正しく発振するためには1kΩ以下に低く保つ必要があります。220R∼470Rが適切で、コンデンサの値を変えることによって、周波数を変えることができます。また、高周波レベルでは、TTLゲートの入力特性がコンデンサの急速な充電と放電の影響を受けるため、出力波形は方形波から台形波に変化します。の振動周波数 シュミット波形発生器 したがって次のように与えられます:

シュミット波形周波数

シュミット安定波形発生器

100R〜1kΩの抵抗値と、1nF〜1000uFのコンデンサ値の場合。これは1Hzから1MHzの間の周波数範囲を与えるでしょう(高い周波数は波形歪みを生じます)。

一般に、標準TTL論理ゲートは機能しません平均入力および出力特性、出力波形の歪み、および必要とされる帰還抵抗の値が小さいため、波形発生器と同様に波形発生器も低容量で動作するため、大容量の高容量コンデンサが必要です。

また、TTLオシレータは、帰還コンデンサの値が小さすぎる。ただし、CMOS 40106Bシュミットインバータなど、3V〜15Vの電源で動作するより優れたCMOSロジックテクノロジを使用して、安定型マルチバイブレータを作成することもできます。

CMOS 40106はシングル入力インバータです。TTL 74LS14と同じシュミットトリガ動作ですが、非常に優れたノイズ耐性、広帯域幅、高利得、および優れた入出力特性を備えており、以下に示すように、より「より正方形の」出力波形を生成します。

CMOSシュミット波形発生器

cmosシュミットトリガ波形発生器

シュミット波形発生回路CMOS 40106は基本的に以前のTTL 74LS14インバータと同じですが、10kΩの抵抗が追加されている点が異なります。これはコンデンサが敏感なMOSFET入力トランジスタを高周波で急速に放電するため損傷するのを防ぐためです。

マークスペース比は、より均等に一致します。フィードバック抵抗値が100kΩ以下に増加した状態で約1:1の場合、タイミング・コンデンサCは小型で安価になります。CMOS入力特性はTTLと異なるため、発振周波数は(1 / 1.2RC)と同じにならない可能性があります。 1kΩから100kΩの間の抵抗値と1pFから100uFの間のコンデンサ値を使用します。これは0.1Hzから100kHzの間の周波数範囲を与えるでしょう。

シュミットインバータ波形発生器 さまざまな異なるから作ることもできます論理ゲートはインバータ回路を形成するように接続されている。基本的なシュミット安定マルチバイブレータ回路は、異なる出力または周波数を生成するためにいくつかの追加部品で容易に修正することができます。たとえば、2つの逆波形または複数の周波数を使用し、固定帰還抵抗をポテンショメータに変更することによって、出力周波数を次のように変えることができます。

クロック波形発生器

クロック波形発生器

上記の最初の回路では、追加のシュミットシュミット波形発生器の出力にインバータが追加されて、最初の2つの相補出力波形の反転または鏡像である2番目の波形が生成されるため、一方の出力が「HIGH」のとき他方は「LOW」です。この2番目のシュミットインバータも逆出力波形の形状を改善しますが、それに小さな「ゲート遅延」を追加するため、最初のものと完全には同期していません。

また、発振器の出力周波数固定抵抗Rをポテンショメータに変更することによって回路を変更することができますが、ポテンショメータが最小値0Ωのときにポテンショメータがインバータを短絡させないようにするには、さらに小さい帰還抵抗が必要です。

導かれたトランジスタースイッチ

2つの相補出力Qを使うこともできます。図に示すように、2組のライトまたはLEDの出力を2つのスイッチングトランジスタのベースに直接接続して交互に点滅させるための最初の回路のQ

このようにして、1つまたは複数のLEDが接続されます。スイッチングトランジスタのコレクタと直列に接続されているため、各トランジスタが順番に「オン」になると、各LEDセットが交互に点滅します。

また、この種の回路を使用するときは、使用している電圧に対してLED電流を20mA以下(赤色LED)に制限するために適切な直列抵抗Rを計算することを忘れないでください。

LEDを点滅させるために数Hzの非常に低い周波数の出力を生成するために、シュミット波形発生器は、それ自体が物理的に大きく高価なものとなる可能性のある高い値のタイミングコンデンサを使用します。

1つの代替解決策は小さすぎるの使用です。1kHzや10kHzなど、はるかに高い周波数を生成し、必要な低周波数値が達成されるまでこのメインクロック周波数を個々の小さい方の周波数に分割して、上記の2番目の回路でそれを実現します。

上の下の回路は発振器を示していますリップルカウンタのクロック入力を駆動するために使用されます。リップルカウンタは基本的に、1 / N分周カウンタを形成するためにカスケード接続された2分周、Dタイプフリップフロップの数です。ここで、NはCMOS 4024 7ビットなどのカウンタのビット数に相当します。リップルカウンタまたはCMOS 4040 12ビットリップルカウンタ。

シュミットによって生成される固定クロック周波数安定したクロックパルス回路は、リップルの最大「n分周」値まで、f÷2、f÷4、f÷8、f÷256などのいくつかの異なる副周波数に分割される。カウンターが使用されています。 「フリップフロップ」、「バイナリカウンタ」、または「リップルカウンタ」のいずれかを使用してメイン固定クロック周波数を異なるサブ周波数に分割するプロセスは、周波数分割として知られています。単一波形発生器

NANDゲート波形発生器

シュミット波形発生器 標準的なCMOS Logic NANDを使って作ることもできますゲートはインバータ回路を生成するために接続されています。ここでは、2つのNANDゲートが互いに接続されて、以下に示すように方形波状の出力波形を生成する他の種類のRC緩和発振器回路を生成する。

NANDゲート波形発生器

ナンドゲートクロック波形発生器

この種の波形発生回路では、RCネットワークは、抵抗R1とコンデンサCとから形成され、このRCネットワークは、第1のNANDゲートの出力によって制御される。このR1Cネットワークからの出力は、抵抗R2を介して第1のNANDゲートの入力にフィードバックされ、コンデンサの充電電圧が第1のNANDゲートの上限しきい値レベルに達すると、NANDゲートは状態を変えて第2のNANDゲートを引き起こす。それに従うと、それによって状態が変化し、出力レベルに変化が生じる。

R1Cネットワークの両端の電圧は逆になり、コンデンサは最初のNANDゲートの下限スレッショルドレベルに達するまで抵抗を介して放電を開始し、2つのゲートの状態が再び変化します。上の前のシュミット波形発生器回路のように、発振周波数はR1C時定数によって決定され、それは1 / 2.2R1Cで与えられます。一般に、R2には抵抗R1の値の10倍の値が与えられています。

高い安定性または保証された自己始動が必要な場合 CMOS波形発生器 3つの反転NANDゲートを使って作ることができます以下に示すように一緒に接続された「3つのリングの」波形発生器と呼ばれることがある回路を生成するために、その点に関して任意の3つの論理インバータ。発振周波数は、上記の2ゲート発振器の場合と同じR1C時定数によって決定され、R2の値が抵抗R1の値の10倍であるとき、1 / 2.2R1Cとなります。

安定NANDゲート波形発生器

安定ナンドゲート波形発生器

追加のNANDゲートの追加は保証非常に低いコンデンサ値でも発振器は起動します。また、波形発生器の安定性は、しきい値トリガレベルが電源電圧のほぼ半分であるため、電源変動の影響を受けにくいため、大幅に向上します。

安定度の量は主に発振周波数によって決まり、一般的に言えば、周波数が低いほど発振器は安定します。

この種の波形発生器は得られる出力波形の電源電圧のほぼ半分または50%は、デューティサイクルがほぼ50%、マークスペース比が1:1です。 3ゲート波形発生器は、前述の2ゲート発振器よりも多くの利点がありますが、その大きな欠点の1つは、追加の論理ゲートを使用することです。

リング型波形発生器

その上で見たことがある 波形発生器 TTLとより良いCMOSの両方を使って作ることができる単純なRC緩和発振器を形成するために、1つ、2つ、あるいは3つの論理ゲートにまたがって接続されると、回路内で時間遅延を生じるRCネットワークを備えた論理技術。しかし、Logic NOT Gates、つまりインバータを使用して、追加の受動部品を接続しないで波形発生器を作成することもできます。

一緒に接続することによって 奇数 を形成するNOTゲートの数(3、5、7、9など)「リング」回路。リングの出力がリングの入力に真っ直ぐに接続されるように、論理レベル「1」がネットワークを中心に絶えず回転して伝播によって決定される出力周波数を生成するので、回路は発振し続ける使用されるインバータの遅延

リング波形発生器

リング波形発生回路

振動の周波数はリング内で使用され、それ自体がインバータの製造に使用されているゲート技術のタイプ(TTL、CMOS、BiCMOS)によって決定されるインバータの総伝搬遅延。伝播遅延または伝播時間は、信号が入力に到達した論理「0」からインバータを通過して出力に論理「1」を生成するのに必要な合計時間(通常はナノ秒単位)です。

このタイプのリング波形発生器にも電源電圧、温度、負荷容量の回路変動はすべてロジックゲートの伝搬遅延に影響します。一般に、平均伝搬遅延時間は、次の式で与えられる発振周波数で使用されているデジタル論理ゲートのタイプについて製造元のデータシートに記載されています。

リングオシレータ周波数方程式

ここで、fは振動の周波数、nは使用されるゲート数、Tpは各ゲートの伝播遅延です。

例えば、単純な波形発生回路が直列に接続された5つの個別のインバータを持ち、 リングオシレータ各インバータの伝搬遅延は8nsと与えられています。それから振動の周波数は次のように与えられます:

リングオシレータ周波数

もちろん、これは実際的ではありませんその不安定性と非常に高い発振周波数、使用される論理ゲート技術のタイプに応じて10メガヘルツの、そして我々の簡単な例でそれは12.5MHzとして計算された!リングオシレータの出力周波数は、リング内で使用されるインバータの数を変えることによって少し「調整」することができますが、上で議論したようなより安定したRC波形発生器を使うほうがはるかに良いです。

それにもかかわらず、それは論理ゲートができることを示しています論理ベースの波形発生器を生成するために互いに接続され、多数のゲート、信号経路、およびフィードバックループを持つ設計の悪いデジタル回路が意図せずに発振することが知られています。

インバータ全体にRCネットワークを使用するこの回路によれば、発振周波数を正確に制御することができ、多くの一般的な電子用途に使用するためのより実用的な安定した緩和発振器回路を生成する。

波形と波形についての次のチュートリアルで生成、555タイマーは、単安定から無安定マルチバイブレーターまで、さまざまな波形とタイミング信号を生成することができる、これまでに製造された中で最も人気のある多用途集積回路の1つです。

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