/ / Viļņu formas ģeneratori laika signālu ražošanai

Viļņu formas ģeneratori laika signālu ražošanai

Viļņu formas ģeneratori

Iepriekšējās konsultācijās mēs skatījāmiesdetalizēti aprakstīti trīs dažādi pamata tranzistoru multivibratoru ķēdes veidi, kurus var izmantot kā relaksācijas oscilatorus, lai iegūtu izejas vai nu kvadrātveida, vai taisnstūra vilni, kas izmantojami kā pulksteņa un laika signāli.

Bet ir iespējams arī izveidot pamata Viļņu formas ģenerators shēmas no vienkāršām integrālajām shēmām vai. \ tdarbības pastiprinātāji, kas savienoti ar rezistora-kondensatora (RC) tvertnes ķēdi vai kvarca kristālu, lai iegūtu vajadzīgo bināro vai kvadrātveida viļņu izejas viļņu formu vēlamajā frekvencē.

Šī viļņa formas paaudzes apmācība būtunav pilnīga bez dažiem ciparu reģeneratīvo slēdžu piemēriem, jo ​​tā ilustrē gan viļņu formu ģeneratoru, kas tiek izmantoti kvadrātveida viļņu ģenerēšanai, kā arī laika vai secīgu viļņu formu ģenerēšanai.

Mēs zinām, ka reģeneratīvās komutācijas shēmas, piemēram, Astable multivibratori ir visbiežāk izmantotais relaksācijas oscilatora veids, jo tie rada pastāvīgu kvadrātveida viļņu izeju, padarot tos ideālus kā digitālus Viļņu formas ģenerators.

Astable multivibratori padara lieliskus oscilatorusjo tie nepārtraukti pārslēdzas starp diviem nestabiliem stāvokļiem ar nemainīgu atkārtošanās ātrumu, tādējādi radot nepārtrauktu kvadrātveida viļņu izeju ar 1: 1 zīmes-telpas attiecību (“ON” un “OFF” reizes vienādi) no tās izejas un šajā apmācībā, aplūkosim dažus no dažādiem veidiem, kā mēs varam konstruēt viļņu formas ģeneratorus, izmantojot tikai standarta TTL un CMOS loģiskās shēmas, kā arī dažas papildu diskrētas laika komponentes.

Schmitt viļņu formas ģeneratori

Vienkārša Viļņu formas ģeneratori var izveidot, izmantojot pamata Schmitt trigeridarbības invertori, piemēram, TTL 74LS14. Šī metode ir visvienkāršākais veids, kā izveidot pamata astable viļņu formu ģeneratoru. Kad tiek izmantoti pulksteņa vai laika signālu ražošanai, astable multivibratoram ir jāsagatavo stabila viļņa forma, kas ātri pārslēdzas starp "HIGH" un "LOW" stāvokļiem bez traucējumiem vai trokšņiem, un Schmitt invertori to dara.

Mēs zinām, ka Schmitt izejas stāvoklisinvertors ir pretējs vai apgriezts pret ieejas stāvokļa (NAV vārtiem principi) un ka tas var mainīt stāvokli dažādos sprieguma līmeņos, piešķirot tai histerēzi.

Schmitt invertori izmanto Schmitt iedarbināšanas darbībukas maina starp augšējo un zemāko sliekšņa līmeni, palielinot un samazinot ieejas sprieguma signālu par ieejas terminālu. Šis augšējais sliekšņa līmenis "nosaka" izeju un zemāko sliekšņa līmeni "atiestata" izeju, kas atbilst loģikai "0" un attiecīgi loģikai "1" invertoram. Apsveriet shēmu tālāk.

Schmitt Inverter Waveform Generator

schmitt sprūda viļņu formas ģenerators

Šī vienkāršā viļņveida ģeneratora shēma sastāv noviena TTL 74LS14 Schmitt invertora loģiskā vārtu ar kondensatoru C, kas savienots starp tās ieejas termināli un zemi, (0v) un pozitīvo atgriezenisko saiti, kas nepieciešama, lai ķēde svārstītos, ko nodrošina atgriezeniskais rezistors R.

Tātad, kā tas darbojas ?. Pieņemsim, ka uzlāde pāri kondensatoru plāksnēm ir zemāka par Schmitt zemāko slieksni 0,8 volti (datu lapas vērtība). Tādējādi invertora ievadīšana tiek veikta ar loģisku “0” līmeni, kā rezultātā tiek panākts loģisks “1” izejas līmenis (invertora principi).

Viena R rezistora puse ir pievienotaloģikas "1" līmeņa (+ 5 V) izeja, kamēr otras puses rezistors ir savienots ar kondensatoru C, kas ir loģiskā "0" līmenī (0,8 v vai mazāks). Kondensators tagad sāk uzlādēt pozitīvā virzienā caur rezistoru ar ātrumu, ko nosaka kombinācijas RC laika konstante.

Kad lādiņš pāri kondensatoram sasniedzSchmitt trigera 1,6 voltu augstākais sliekšņa līmenis (datu lapas vērtība) Schmitt invertora izeja strauji mainās no loģiskā līmeņa “1” uz loģiskā līmeņa “0” stāvokli un plūsma, kas plūst caur rezistoru, maina virzienu.

Šīs izmaiņas tagad rada kondensatorusākotnēji uzlādējot caur pretestību, R, lai sāktu izvadīt sevi atpakaļ caur to pašu rezistoru, līdz lādiņš pāri kondensatoru plāksnēm sasniedz zemāko slieksni 0,8 volti un invertoru izeja pārslēdzas stāvoklī, kad cikls atkārtojas atkal un atkal, kā ilgi, kamēr ir strāvas spriegums.

Tātad kondensators C pastāvīgi uzlādē unkatra cikla laikā izlādējas starp Schmitt invertora ieejas augšējo un apakšējo sliekšņa līmeni, kas rada loģisko līmeni "1" vai loģikas līmeni "0" pie invertoru izejas. Tomēr izejas viļņa forma nav simetriska, radot aptuveni 33% vai 1/3 darba ciklu, jo marķējuma un telpas attiecība starp “HIGH” un “LOW” ir attiecīgi 1: 2 TTL ieejas vārtu parametru dēļ. invertors.

Vajadzīgs atgriezeniskās saites rezistora (R) vērtībaarī turēt zemu līdz zemāk par 1kΩ, lai ķēde svārstītos pareizi, 220R līdz 470R ir laba, un mainot kondensatora vērtību, C, lai mainītu frekvenci. Arī augstā frekvences līmenī izejas viļņa forma mainās no kvadrātveida formas viļņa līdz trapecveida formas viļņveida formai, jo TTL vārtu ieejas raksturlielumus ietekmē kondensatora ātra uzlāde un izlāde. Svārstību biežums Schmitt viļņu formas ģeneratori tādēļ tiek dots kā:

Schmitt viļņu formas frekvence

schmitt astable viļņu formas ģenerators

Ar pretestības vērtību no: 100R līdz 1kΩ, un kondensatora vērtību no: 1nF līdz 1000uF. Tas dotu frekvenču diapazonu no 1 Hz līdz 1MHz (augstās frekvences rada viļņu formas izkropļojumus).

Parasti standarta TTL loģikas vārti nedarbojaspārāk labi kā viļņu formas ģeneratori sakarā ar to vidējo ieejas un izejas raksturlielumu, izejas viļņa izkropļojumu un nepieciešamo atgriezeniskās saites pretestības zemo vērtību, kā rezultātā rodas liels augstas vērtības kondensators zemas frekvences darbībai.

Arī TTL oscilatori nedrīkst svārstīties, jaatgriezeniskās saites kondensatora vērtība ir pārāk maza. Tomēr mēs varam arī veikt Astable Multivibratorus, izmantojot labāku CMOS loģikas tehnoloģiju, kas darbojas no 3V līdz 15V padeves, piemēram, CMOS 40106B Schmitt Inverter.

CMOS 40106 ir viens ievades invertors artāda pati Schmitt-trigger darbība kā TTL 74LS14, bet ar ļoti labu trokšņa imunitāti, lielu joslas platumu, lielu ieguvumu un izcilu ieejas / izejas raksturlielumu, lai iegūtu „izšķirošāku” izejas viļņu formu, kā parādīts zemāk.

CMOS Schmitt viļņu formas ģenerators

cmos schmitt iedarbina viļņu formas ģeneratoru

Schmitt viļņu formas ģeneratoru shēmaCMOS 40106 pamatā ir tas pats, kas iepriekšējam TTL 74LS14 invertoram, izņemot 10kΩ rezistora pievienošanu, ko izmanto, lai novērstu kondensatora bojājumus jutīgiem MOSFET ievades tranzistoriem, jo ​​tas ātri izlādējas augstākās frekvencēs.

Marķējuma un telpas attiecība ir vienmērīgākaaptuveni 1: 1 ar atgriezeniskās saites pretestības vērtību, kas palielināta līdz zemāk par 100 kΩ, radot mazāku un lētāku laika kondensatoru, C. Svārstību biežums var nebūt tāds pats kā: (1 / 1,2RC), jo CMOS ievades raksturlielumi atšķiras no TTL. Ar pretestības vērtību starp: 1kΩ un 100kΩ, un kondensatora vērtību starp: 1pF līdz 100uF. Tas dotu frekvenču diapazonu no 0,1 Hz līdz 100 kHz.

Schmitt Inverter viļņu formas ģeneratori var izgatavot arī no dažādiem dažādiemloģiskie vārti, kas savienoti, lai izveidotu invertora ķēdi. Pamata Schmitt astable multivibratora shēmu var viegli modificēt ar dažiem papildu komponentiem, lai iegūtu dažādas izejas vai frekvences. Piemēram, divas inversijas viļņu formas vai vairākas frekvences un mainot fiksēto atgriezenisko pretestību pret potenciometru, izejas frekvenci var mainīt, kā parādīts zemāk.

Pulksteņu viļņu formas ģeneratori

pulksteņa viļņu formas ģenerators

Pirmajā ķēdē, papildus SchmittSchmitt viļņu formas ģeneratora izvadei ir pievienots invertors, lai iegūtu otru viļņu formu, kas ir pirmās, kas ražo divas komplementāras izejas viļņu formas, apgrieztā vai spoguļattēla, tāpēc, ja viens izeja ir “HIGH”, otrs ir “LOW”. Šis otrais Schmitt invertors arī uzlabo apgrieztās izejas viļņa formu, bet tam pievieno nelielu „vārtu aizturi”, lai tas nav tieši sinhronizēts ar pirmo.

Arī oscilatora izejas frekvenceķēdi var mainīt, nomainot fiksēto rezistoru R potenciometrā, bet vēl ir nepieciešams mazāks atgriezeniskās saites rezistors, lai novērstu potenciometra īsslēgumu no invertora, kad tā ir minimālā vērtība 0Ω.

vadīts tranzistors

Mēs varam izmantot arī divus papildu rezultātus, Qun Q no pirmās ķēdes, lai alternatīvi mirgotu divas gaismas vai gaismas diodes, savienojot to izejas tieši ar divu pārslēgšanas tranzistoru pamatiem, kā parādīts attēlā.

Šādā veidā ir pievienots viens vai vairāki LEDkopā ar sadales tranzistoru kolektoru, kas izraisa katras gaismas diodes svārstības, jo katrs tranzistors tiek ieslēgts pēc kārtas.

Arī, lietojot šāda veida ķēdi, atcerieties aprēķināt piemērotu sērijas rezistoru, R, lai ierobežotu LED strāvu līdz zemākam par 20mA (sarkanais LED) par izmantoto spriegumu.

Lai radītu ļoti zemu dažu Hertz frekvences izeju, lai mirgotu LED, Schmitt viļņu formas ģeneratori izmanto augstas vērtības laika kondensatorus, kas paši var būt fiziski lieli un dārgi.

Viens alternatīvs risinājums ir pārāk mazāksvērtība kondensators, lai radītu daudz lielāku frekvenci, piemēram, 1 kHz vai 10 kHz, un pēc tam sadaliet šo galveno pulksteņa frekvenci atsevišķos mazākajos, līdz tiek sasniegta vajadzīgā zemā frekvences vērtība, un otrā ķēde iepriekš dara tieši to.

Zemāk esošā ķēde parāda oscilatorutiek izmantota, lai vadītu pulsa skaitītāja pulksteņa ievadi. Ripples skaitītāji pamatā ir sadalīti pa 2, D-tipa flip-flops kascaded kopā, lai izveidotu vienu dalītu pa N skaitītāju, kur N ir vienāds ar skaitītāju bitu skaitu, piemēram, CMOS 4024 7-bit Ripple Counter vai CMOS 4040 12 bitu Ripple Counter.

Fiksētā pulksteņa frekvence rada Schmittastable pulksteņa impulsa shēma ir sadalīta vairākās dažādās apakšfrekvencēs, piemēram, ƒ ÷ 2, ƒ ÷ 4, ƒ ÷ 8, ƒ ÷ 256 utt., līdz maksimālajai pulsēšanas vērtībai. skaitītājs tiek izmantots. Šo „Flip-flops”, “Binary Counters” vai “Ripple Counters” procesu, lai sadalītu galveno fiksēto pulksteņu frekvenci dažādās apakšfrekvencēs, sauc par frekvenču sadalījumu, un mēs varam to izmantot, lai iegūtu vairākas frekvences vērtības no viens viļņu formas ģenerators.

NAND Gate Waveform ģeneratori

Schmitt viļņu formas ģeneratori var veikt arī, izmantojot standarta CMOS Logic NANDVārti, kas savienoti, lai iegūtu invertora ķēdi. Šeit divi NAND vārti ir savienoti kopā, lai radītu cita veida RC relaksācijas oscilatora ķēdi, kas radīs kvadrātveida viļņu formas izejas viļņu formu, kā parādīts zemāk.

NAND Gate Waveform Generator

nand vārtu pulksteņa viļņu formas ģenerators

Šāda veida viļņu formas ģeneratora shēmāRC tīkls ir veidots no rezistora R1 un kondensatora, C ar šo RC tīklu kontrolē pirmā NAND vārtu izeja. Šī R1C tīkla izeja tiek nodota atpakaļ pirmā NAND vārtu ieejai caur rezistoru R2, un, kad uzlādes spriegums pāri kondensatoram sasniedz pirmā NAND vārsta augšējo sliekšņa līmeni, NAND vārti maina stāvokli, izraisot otro NAND vārtu sekot tam, tādējādi mainot stāvokli un radot izmaiņas izejas līmenī.

Spriegums visā R1C tīklā tagad irapgriezts un kondensators sāk izvadīt caur pretestību, līdz tas sasniedz pirmā NAND vārsta zemāko sliekšņa līmeni, kas izraisa abu vārtu stāvokļa maiņu. Tāpat kā iepriekšējā Schmitt viļņu formas ģeneratoru ķēde, svārstību biežumu nosaka R1C laika konstante, kas tiek dota kā: 1 / 2.2R1C. Parasti R2 tiek dota vērtība, kas ir 10 reizes lielāka par rezistora R1 vērtību.

Ja ir nepieciešama augsta stabilitāte vai garantēta pašregulācija, CMOS viļņu formas ģeneratori var izgatavot, izmantojot trīs apgrieztus NAND vārdus vaijebkuri trīs loģiskie invertori, kas savienoti kopā, kā parādīts zemāk, radot ķēdi, ko dažreiz sauc par “trīs” viļņu formas ģeneratora gredzenu. Svārstību biežumu atkal nosaka R1C laika konstante, kas ir tāda pati kā iepriekšminētajam diviem vārtu oscilatoriem, un tā tiek dota kā: 1 / 2.2R1C, kad R2 ir vērtība, kas ir 10 reizes lielāka par rezistora vērtību R1.

Stabils NAND Gate Waveform Generator

stabils nandu vārtu viļņu formas ģenerators

Papildu NAND vārtu garantiju pievienošanaka oscilators sāksies pat ar ļoti zemām kondensatoru vērtībām. Arī viļņu formas ģeneratora stabilitāte ir ievērojami uzlabojusies, jo tā ir mazāk jutīga pret elektroenerģijas padeves izmaiņām, jo ​​tās sliekšņa iedarbināšanas līmenis ir gandrīz puse no barošanas sprieguma.

Stabilitātes lielumu galvenokārt nosaka svārstību biežums, un, vispārīgi runājot, jo zemāka frekvence, jo stabilāks ir oscilators.

Tā kā šāda veida viļņu formas ģenerators darbojasgandrīz puse vai 50% no barošanas sprieguma, kas izriet no izejas viļņa, ir gandrīz 50% darbības cikls, 1: 1 zīmes un telpas attiecība. Trīs vārtu viļņu ģeneratoram ir daudz priekšrocību, salīdzinot ar iepriekšējo divu vārtu oscilatoru, bet tās viens lielais trūkums ir tas, ka tas izmanto papildu loģiku.

Zvana tipa viļņu formas ģenerators

Mēs to esam redzējuši iepriekš Viļņu formas ģeneratori var veikt, izmantojot gan TTL, gan labāku CMOSloģikas tehnoloģija ar RC tīklu, kas rada laika aizturi ķēdē, kad tā ir savienota ar vienu, diviem vai pat trim loģiskajiem vārtiem, lai izveidotu vienkāršu RC relaksācijas oscilatoru. Bet mēs varam arī padarīt viļņu formu ģeneratorus, izmantojot tikai Logic NOT Gates vai citiem vārdiem sakot, invertoriem bez papildu pasīviem komponentiem.

Savienojot visus ODD NĒ vārtu skaits (3, 5, 7, 9 utt.), lai veidotu a“Gredzena” shēma, lai gredzena izeja būtu tieši savienota ar gredzena ievadi, jo ķēde turpinās svārstīties, jo loģikas līmenis “1” nepārtraukti rotē ap tīklu, radot izejas frekvenci, ko nosaka izplatīšanās izmantoto invertoru aizkavēšanās.

Gredzena viļņu formas ģenerators

gredzena viļņu formas ģeneratora shēma

Svārstību biežumu nosakagredzenā izmantoto invertoru kopējais aiztures aizture un kas pats ir atkarīgs no vārtu tehnoloģijas veida, TTL, CMOS, BiCMOS, ko invertors ir izgatavojis. Pavairošanas aizkavēšanās vai pavairošanas laiks ir kopējais laiks, kas nepieciešams (parasti nanosekundēs), lai signāls izietu tieši caur Inverteri no loģikas “0”, kas nonāk pie tā ievadīšanas, radot loģiku “1” pie tā izejas.

Arī šāda veida gredzena viļņu formas ģeneratorsķēdes svārstības barošanas spriegumā, temperatūrā un slodzes kapacitātē ietekmē loģisko vārtu aiztures aizturi. Parasti ražotāja datu lapās tiks norādīts vidējais pavairošanas laiks par izmantoto digitālo loģisko vārtu tipu ar svārstību biežumu, kas norādīts kā:

gredzena oscilatora frekvences vienādojums

Kur: ƒ ir svārstību frekvence, n ir izmantoto vārtu skaits un Tp ir katras vārtu aiztures aizture.

Piemēram, pieņemsim, ka vienkārša viļņveida ģeneratora shēmai ir 5 individuāli invertori, kas savienoti secīgi, lai izveidotu a Gredzena oscilators, katras Invertora pavairošanas aizture tiek dota kā 8ns. Tad svārstību biežums būs šāds:

gredzena oscilatora frekvence

Protams, tas nav īsti praktisksoscilators, galvenokārt pateicoties tā nestabilitātei un ļoti augstajai svārstību frekvencei, 10 'Megaherts atkarībā no izmantotās loģikas vārtu tehnoloģijas veida, un mūsu vienkāršajā piemērā tas tika aprēķināts kā 12,5 MHz !. Gredzena oscilatora izejas frekvenci var “nedaudz noregulēt”, mainot gredzenā izmantoto invertoru skaitu, bet ir daudz labāk izmantot stabilāku RC viļņu formu ģeneratoru, piemēram, tādus, kādus mēs apspriedām iepriekš.

Tomēr tas parāda, ka loģiskie vārti var būtir savienoti kopā, lai radītu loģiku balstītus viļņu formu ģeneratorus un slikti izstrādātas ciparu shēmas, kurās ir daudz vārtu, signāla ceļi un atgriezeniskās saites cilpas ir nejauši svārstījušās.

Izmantojot RC tīklu visā Invertershēma, svārstību biežumu var precīzi kontrolēt, radot praktiskāku astable relaksācijas oscilatoru ķēdi, kas izmantojama daudzās vispārējās elektroniskās lietojumprogrammās.

Nākamajā apmācībā par viļņu formām un viļņu formuPaaudze, mēs pārbaudīsim 555 Taimeri, kas ir viena no populārākajām un daudzpusīgākajām jebkad ražotajām integrālajām shēmām, kas var radīt plašu dažādu viļņu formu un laika signālu diapazonu no monostabiliem līdz astable multivibratoriem.

Komentāri (0)
Pievieno komentāru