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타이밍 신호를 생성하는 파형 생성기

파형 발생기

앞의 튜토리얼에서는클록 및 타이밍 신호로 사용하기 위해 출력에서 ​​정사각형 또는 구형파를 생성하는 이완 오실레이터로 사용할 수있는 세 가지 유형의 기본 트랜지스터 멀티 바이브레이터 회로에 대해 자세히 설명합니다.

그러나 기본 구성도 가능합니다. 파형 발생기 간단한 집적 회로 또는저항 - 커패시터 (RC) 탱크 회로 또는 쿼츠 크리스털에 연결되어 원하는 주파수에서 필요한 2 진 또는 구형파 출력 파형을 생성하는 연산 증폭기.

이 파형 생성 자습서는타이밍이나 순차 파형으로 사용하기 위해 구형파를 생성하는 데 사용되는 파형 발생기의 스위칭 동작과 동작을 모두 보여주기 때문에 디지털 재생 스위칭 회로의 일부 예제가 없으면 불완전합니다.

우리는 다음과 같은 회생 스위칭 회로를 알고 있습니다. 놀라운 멀티 바이브레이터 는 일정한 구형파 출력을 생성 할 때 가장 일반적으로 사용되는 이완 발진기 유형이며 디지털로 이상적입니다. 파형 발생기.

탁월한 발진기를 만들 수있는 탁월한 멀티 바이브레이터두 개의 불안정한 상태를 일정한 반복 속도로 연속적으로 전환하여 출력으로부터 1 : 1 마크 공간 비율 ( "ON"과 "OFF"가 같은 시간)을 갖는 연속 구형파 출력을 생성하고이 자습서에서 몇 가지 추가 이산 타이밍 구성 요소와 함께 표준 TTL 및 CMOS 논리 회로 만 사용하여 파형 생성기를 구성 할 수있는 여러 가지 방법을 살펴볼 것입니다.

슈미트 파형 발생기

단순한 파형 발생기 기본 슈미트 방아쇠를 사용하여 건설 될 수있다.TTL 74LS14와 같은 작동 인버터. 이 방법은 기본 안정적인 파형 생성기를 만드는 가장 쉬운 방법입니다. 불안정한 멀티 바이브레이터는 클록이나 타이밍 신호를 생성 할 때 왜곡이나 노이즈없이 "HIGH"와 "LOW"상태 사이를 신속하게 전환하는 안정된 파형을 생성해야하며 슈미트 인버터가이를 수행합니다.

우리는 슈미트의 출력 상태가인버터는 입력 상태 (게이트 원칙이 아님)와 반대 또는 역이며 "히스테리시스"를 제공하는 다양한 전압 레벨에서 상태를 변경할 수 있습니다.

슈미트 인버터는 슈미트 트리거 동작을 사용합니다.입력 전압 신호가 입력 단자에 대해 증가 및 감소함에 따라 상한 및 하한 임계 레벨 사이에서 상태를 변경한다. 이 상위 임계 레벨은 출력을 "설정"하고 하위 임계 레벨은 인버터에 대해 각각 논리 "0"및 논리 "1"과 동일한 출력을 "재설정"합니다. 아래의 회로를 고려하십시오.

슈미트 인버터 파형 발생기

슈미트 트리거 파형 발생기

이 간단한 파형 발생기 회로는커패시터, 입력 단자와 접지 사이에 연결된 C (0V) 및 피드백 저항기 R에 의해 제공되는 회로가 발진하는 데 필요한 양의 피드백을 갖는 단일 TTL 74LS14 슈미트 인버터 논리 게이트.

어떻게 작동합니까? 커패시터 플레이트 양단의 전하가 슈미트의 낮은 임계 레벨 인 0.8 볼트 (데이터 시트 값) 이하라고 가정합니다. 따라서 이것은 논리 "1"출력 레벨 (인버터 원리)을 초래하는 논리 "0"레벨에서 인버터로의 입력을 만든다.

저항 (R)의 한쪽은 이제논리 "1"레벨 (+ 5V) 출력은 저항의 다른 쪽이 논리 "0"레벨 (0.8V 이하) 인 커패시터 C에 연결되어있다. 커패시터는 이제 조합의 RC 시정 수에 의해 결정되는 속도로 저항을 통해 양의 방향으로 충전을 시작합니다.

커패시터 양단의 전하가슈미트 (Schmitt) 인버터의 출력은 슈미트 트리거 (데이터 시트 값)의 1.6V 상한치 레벨에서 급격히 로직 레벨 "1"에서 로직 레벨 "0"으로 변하고 저항을 통해 흐르는 전류가 방향을 바꾼다.

이 변화로 인해 커패시터가원래 저항기 R을 통해 충전되어 커패시터 플레이트 양단의 전하가 0.8V의 낮은 임계 값 레벨에 도달 할 때까지 동일한 저항을 통해 자체 방전을 시작하고 인버터 출력은 반복적으로 반복되는 사이클 상태로 전환된다. 공급 전압이 존재하는 한 오래.

그래서 콘덴서는 C가 지속적으로 충전하고 있습니다.인버터 출력에서 ​​논리 레벨 "1"또는 논리 레벨 "0"을 생성하는 슈미트 인버터의 입력 상한 및 하한 임계 레벨 사이의 각각의 사이클 동안 스스로 방전한다. 그러나 출력 파형은 대칭이 아니므로 TTL의 입력 게이트 특성으로 인해 "HIGH"와 "LOW"사이의 마크 대 공간 비율이 1 : 2이므로 약 33 % 또는 1/3의 듀티 사이클을 생성합니다 인버터.

피드백 저항 (R)의 값은 반드시회로가 올바르게 발진하기 위해서는 1kΩ 미만으로 낮게 유지해야하며, 220R ~ 470R은 양호하며, 커패시터의 값을 변화시킴으로써 주파수를 변화시킨다. 또한 고주파 레벨에서 TTL 게이트의 입력 특성은 커패시터의 급속 충전 및 방전에 영향을 받기 때문에 출력 파형은 정사각형 파형에서 사다리꼴 파형으로 변한다. 에 대한 진동의 주파수 슈미트 파형 발생기 따라서 다음과 같이 주어진다 :

슈미트 파형 주파수

슈미트 무정전 파형 발생기

100R ~ 1kΩ 사이의 저항 값과 1nF ~ 1000uF 사이의 커패시터 값을 사용한다. 이것은 1Hz ~ 1MHz 사이의 주파수 범위를 제공합니다 (고주파수는 파형 왜곡을 생성합니다).

일반적으로 표준 TTL 로직 게이트는 작동하지 않습니다.평균 입력 및 출력 특성, 출력 파형의 왜곡 및 피드백 저항의 낮은 값으로 인해 파형 발생기로서 적합하기 때문에 저주파 작동을 위해 큰 값의 커패시터가 필요하다.

또한 TTL 발진기는피드백 캐패시터의 값이 너무 작습니다. 그러나 CMOS 40106B Schmitt 인버터와 같이 3V ~ 15V 전원에서 작동하는보다 우수한 CMOS 로직 기술을 사용하여 안정적인 멀티 바이브레이터를 만들 수도 있습니다.

CMOS 40106은 단일 입력 인버터로TTL 74LS14와 동일한 슈미트 트리거 동작을하지만 매우 우수한 잡음 내성, 높은 대역폭, 높은 이득 및 우수한 입 / 출력 특성을 통해보다 "스퀘어 (squarer)"출력 파형을 생성합니다.

CMOS 슈미트 파형 발생기

CMOS 슈미트 트리거 파형 발생기

Schmitt 파형 발생기 회로CMOS 40106은 기본적으로 이전의 TTL 74LS14 인버터와 동일하지만 10kΩ 저항을 추가하는 것을 제외하고는 커패시턴스가 민감한 MOSFET 입력 트랜지스터를 손상시키지 않도록 방지하여 높은 주파수에서 빠르게 방전됩니다.

마크 - 스페이스 비율은약 1 : 1로 피드백 저항 값을 100kΩ 미만으로 증가 시키면보다 작고 저렴한 타이밍 커패시터 C가된다. 발진 주파수는 CMOS 입력 특성이 TTL과 다르므로 (1 / 1.2RC)와 같지 않을 수있다. 1kΩ ~ 100kΩ 사이의 저항 값과 1pF ~ 100uF 사이의 커패시터 값. 이것은 0.1Hz에서 100kHz 사이의 주파수 범위를 제공합니다.

슈미트 인버터 파형 발생기 다양한 다양한 형태로 만들 수 있습니다.논리 회로는 인버터 회로를 형성하도록 연결된다. 기본 Schmitt 안정 멀티 바이브레이터 회로는 다른 출력 또는 주파수를 생성하기 위해 몇 가지 추가 구성 요소로 쉽게 수정할 수 있습니다. 예를 들어 2 개의 역 파형 또는 다중 주파수를 사용하고 고정 피드백 저항을 전위차계로 변경하면 출력 주파수가 아래와 같이 변경 될 수 있습니다.

클럭 파형 발생기

클럭 파형 발생기

위의 첫 번째 회로에서 추가 Schmitt인버터가 Schmitt 파형 발생기의 출력에 추가되어 첫 번째 두 개의 상보적인 출력 파형의 역 또는 거울 이미지 인 두 번째 파형을 생성하므로 하나의 출력이 "HIGH"이고 다른 하나는 "LOW"입니다. 이 두 번째 Schmitt 인버터는 역 출력 파형의 모양을 향상 시키지만 작은 "게이트 지연"을 추가하므로 첫 번째와 정확하게 동기화되지 않습니다.

또한, 발진기의 출력 주파수회로는 가변 저항 R을 전위차계로 변경함으로써 가변적 일 수 있지만 최소 저항 값이 0Ω 일 때 전위차계가 인버터를 단락시키지 않도록 더 작은 피드백 저항이 여전히 필요합니다.

주도 트랜지스터 스위치

또한 두 개의 보완적인 출력 인 Q및 Q를 사용하여 도시 된 바와 같이 2 개의 스위칭 트랜지스터의베이스에 그들의 출력을 직접 연결함으로써 2 세트의 라이트 또는 LED를 교대로 플래쉬 할 수있다.

이 방식으로 하나 또는 여러 개의 LED가 연결됩니다.함께 스위칭 트랜지스터의 컬렉터와 직렬로 연결되어 각각의 트랜지스터가 교대로 "ON"으로 스위칭됨에 따라 각 LED 세트가 번갈아 가며 점멸한다.

또한이 유형의 회로를 사용할 때는 적절한 직렬 저항 R을 계산하여 사용중인 전압에 대해 LED 전류를 20mA 미만으로 제한해야합니다 (적색 LED).

LED를 플래시하기 위해 수 헤르츠의 매우 낮은 주파수 출력을 생성하기 위해 슈미트 파형 발생기는 물리적으로 크고 값 비싼 고가의 타이밍 커패시터를 사용한다.

한 가지 대안은 너무 작은 것을 사용하는 것입니다.값이 큰 커패시터를 사용하여 훨씬 더 높은 주파수, 예를 들어 1kHz 또는 10kHz를 생성 한 다음 필요한 낮은 주파수 값이 달성 될 때까지이 메인 클록 주파수를 개별적인 더 작은 주파수로 나눕니다.

위의 아래 회로는 오실레이터리플 카운터의 클럭 입력을 구동하는 데 사용됩니다. Ripple 카운터는 기본적으로 두 개의 D-type 플립 플롭을 직렬로 연결하여 하나의 N 분주 카운터를 형성하며 N은 CMOS 4024 7 비트와 같은 카운터 비트 수와 같습니다. 리플 카운터 또는 CMOS 4040 12 비트 리플 카운터.

슈미트에 의해 고정 클럭 주파수 생성불안정한 클록 펄스 회로는 ÷ 2, ÷ 4, ÷ 8, ÷ ÷ 256 등 여러 가지 다른 하위 주파수로 최대 리플의 "Divide-by-n"값으로 나뉩니다 카운터가 사용되고 있습니다. "플립 플롭 (Flip-flops)", "바이너리 카운터 (Binary Counters)"또는 "리플 카운터 (Ripple Counters)"를 사용하여 메인 고정 클록 주파수를 여러 개의 하위 주파수로 분할하는 프로세스를 주파수 분할이라고하며이를 사용하여 단일 파형 발생기.

NAND 게이트 파형 발생기

슈미트 파형 발생기 표준 CMOS Logic NAND를 사용하여 만들 수도 있습니다게이츠가 연결되어 인버터 회로를 생성합니다. 여기에 두 개의 NAND 게이트가 함께 연결되어 다음과 같은 구형파 모양의 출력 파형을 생성하는 다른 유형의 RC 완화 발진기 회로를 생성합니다.

NAND 게이트 파형 발생기

낸드 게이트 클록 파형 발생기

이러한 유형의 파형 발생기 회로에서,RC 네트워크는 첫 번째 NAND 게이트의 출력에 의해 제어되는이 RC 네트워크로 저항 R1 및 커패시터 C로 형성된다. 이 R1C 네트워크로부터의 출력은 저항기 R2를 통해 제 1 NAND 게이트의 입력으로 피드백되고, 커패시터 양단의 충전 전압이 제 1 NAND 게이트의 상부 임계 레벨에 도달 할 때, NAND 게이트는 제 2 NAND 게이트 따라 서 상태를 변경하고 출력 레벨을 변경합니다.

R1C 네트워크의 전압은 이제반전되고, 커패시터는 제 1 NAND 게이트의 하부 임계 레벨에 도달 할 때까지 저항을 통해 방전되기 시작하여 2 개의 게이트가 다시 한번 상태를 변화시킨다. 위의 이전 Schmitt 파형 발생기 회로와 마찬가지로 발진 주파수는 R1C 시정 수 (1 / 2.2R1C)로 결정됩니다. 일반적으로 R2에는 저항 R1의 값의 10 배가 주어진다.

높은 안정성 또는 보증 된 자체 시동이 요구되는 경우, CMOS 파형 발생기 3 개의 반전 NAND 게이트 또는서로 접속 그 문제에 대한 임의의 세 개의 논리 인버터는 때때로 파형 발생기 "세 고리"라고 회로 제조 아래와 같이. 진동의 주파수는 일정 R1C 시간, 상기 2 개 개의 게이트 발진기와 동일하여 다시 결정하고, 이는로서 주어진다 : R2는 저항 R1의 10 배의 값의 값을 갖는 1 / 2.2R1C.

안정적인 NAND 게이트 파형 발생기

안정적인 낸드 게이트 파형 발생기

여분의 NAND 게이트 보증이 추가되었습니다.오실레이터는 매우 낮은 커패시터 값으로도 시작됩니다. 또한 파형 발생기의 안정성은 임계 전압 트리거링 레벨이 전원 전압의 절반에 가까워서 전원 변동에 덜 민감하므로 크게 향상됩니다.

안정성의 양은 주로 진동 주파수에 의해 결정되며 일반적으로 진동수가 낮을수록 진동기가 안정됩니다.

이 유형의 파형 발생기가공급 전압의 거의 절반 또는 50 %는 결과 출력 파형이 거의 50 %의 듀티 사이클, 1 : 1의 마크 - 공간 비율을 갖는다. 3 개의 게이트 파형 발생기는 이전의 2 개의 게이트 발진기에 비해 많은 장점이 있지만, 하나의 큰 단점은 추가적인 로직 게이트를 사용한다는 점입니다.

링형 파형 발생기

우리는 위에서 보았습니다. 파형 발생기 TTL과 더 나은 CMOS를 사용하여 만들 수 있습니다.로직 기술을 사용하여 RC 네트워크를 구성하여 하나, 둘 또는 세 개의 논리 게이트에 연결되어 간단한 RC 완화 오실레이터를 형성 할 때 회로 내에서 시간 지연을 발생시킨다. 그러나 Logic NOT Gates를 사용하는 웨이브 폼 생성기를 만들 수 있습니다. 즉, 추가 수동 구성 요소 없이도 인버터를 연결할 수 있습니다.

함께 연결하여 이상한 NOT 게이트의 수 (3, 5, 7, 9 등)링의 출력이 링의 입력으로 곧바로 연결되도록 "링 (ring)"회로를 구성하여, 로직 레벨 "1"이 네트워크를 따라 지속적으로 회전함에 따라 회로가 계속해서 진동하여 전파에 의해 결정되는 출력 주파수를 생성합니다 사용 된 인버터의 지연.

링 파형 발생기

링 파형 생성 회로

진동의 주파수는링 내에서 사용되는 인버터의 총 전파 지연은 게이트 기술의 유형, 인버터가 만들어진 TTL, CMOS, BiCMOS에 따라 결정됩니다. 전파 지연 또는 전파 시간은 신호가 입력에 도착하는 로직 "0"에서 인버터를 통해 곧바로 통과하여 출력에서 ​​로직 "1"을 생성하는 데 필요한 총 시간 (일반적으로 나노초 단위)입니다.

또한이 유형의 링 파형 발생기공급 전압, 온도 및 부하 커패시턴스의 회로 변동은 모두 로직 게이트의 전파 지연에 영향을 미친다. 일반적으로 평균 전파 지연 시간은 다음과 같이 주어진 발진 주파수로 사용되는 디지털 논리 게이트 유형에 대한 제조업체 데이터 시트에 제공됩니다.

링 발진기 주파수 방정식

여기서 : f는 발진 주파수이고, n은 사용 된 게이트의 수이며, Tp는 각 게이트의 전파 지연입니다.

예를 들어, 간단한 파형 발생기 회로가 5 개의 개별 인버터를 직렬로 연결하여 링 발진기, 각 인버터의 전파 지연은 8ns로 주어집니다. 그러면 발진 빈도는 다음과 같이 나타납니다.

링 오실레이터 주파수

물론 이것은 실제로 실용적이지 않습니다.오실레이터는 주로 불안정하고 매우 높은 발진 주파수 때문에 사용 된 로직 게이트 기술의 유형에 따라 메가 헤르쯔의 10을 사용했으며, 우리의 간단한 예에서 12.5MHz로 계산되었다 !! !! 링 오실레이터 출력 주파수는 링 내에서 사용되는 인버터의 수를 변화시킴으로써 조금 "튜닝"될 수 있지만, 앞서 논의한 것과 같은보다 안정한 RC 파형 발생기를 사용하는 것이 훨씬 더 좋습니다.

그럼에도 불구하고, 그것은 논리 게이트가로직 기반의 파형 발생기를 생성하기 위해 함께 연결되고 많은 게이트, 신호 경로 및 피드백 루프가있는 잘못 설계된 디지털 회로가 의도하지 않게 발진하는 것으로 알려져 있습니다.

인버터에서 RC 네트워크 사용회로에서, 발진의 주파수는 많은 일반적인 전자 애플리케이션에서 사용하기위한보다 실용적인 안정한 이완 발진기 회로를 생성하도록 정확하게 제어 될 수있다.

파형 및 파형에 대한 다음 자습서세대, 우리는 555 타이머를 검토 할 것입니다.이 타이머는 모노 스 테이블에서 안정적인 멀티 바이브레이터까지 다양한 파형과 타이밍 신호를 생성 할 수있는 가장 인기 있고 다재다능한 집적 회로 중 하나입니다.

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