/ / Golfvormgeneratoren om timingsignalen te produceren

Golfvormgeneratoren voor het produceren van timingsignalen

Golfvormgeneratoren

In de vorige tutorials hebben we gekekendetail bij de drie verschillende basistransistor multivibratorcircuits die kunnen worden gebruikt als ontspanningsoscillatoren om ofwel een vierkante of rechthoekige golf aan hun uitgangen te produceren voor gebruik als klok- en timingsignalen.

Maar het is ook mogelijk om basis te bouwen Waveform-generator circuits van eenvoudige geïntegreerde schakelingen ofoperationele versterkers die zijn verbonden met een weerstandscondensator (RC) -tankcircuit of met een kwartskristal om de vereiste binaire of rechthoekige golfuitgangsgolfvorm met de gewenste frequentie te produceren.

Deze zelfstudie voor het genereren van golfvormen zou zijnonvolledig zonder enige voorbeelden van digitale regeneratieve schakelcircuits, omdat deze zowel de schakelactie als de werking van golfvormgeneratoren die worden gebruikt voor het genereren van vierkante golven voor gebruik als timing- of sequentiële golfvormen illustreert.

We weten dat regeneratieve schakelcircuits zoals Astable Multivibrators zijn het meest gebruikte type ontspanningsoscillator omdat ze een constante blokgolfuitgang produceren, waardoor ze ideaal zijn als een digitale Waveform-generator.

Astable multivibrators maken uitstekende oscillatorenomdat ze continu schakelen tussen hun twee onstabiele statussen met een constante herhalingsfrequentie, waardoor een continue blokgolfuitgang wordt geproduceerd met een 1: 1 markeer-ruimteverhouding ("AAN" en "UIT" keer hetzelfde) van de uitvoer en in deze zelfstudie zal kijken naar enkele van de verschillende manieren waarop we golfvormgeneratoren kunnen bouwen met alleen standaard TTL- en CMOS-logica-circuits, samen met enkele extra discrete timingcomponenten.

Schmitt-golfvormgeneratoren

Eenvoudig Waveform-generatoren kan worden opgebouwd met behulp van de basis Schmitt-triggeractie-inverters zoals de TTL 74LS14. Deze methode is verreweg de gemakkelijkste manier om een ​​generator met een basisastabiele golfvorm te maken. Wanneer hij wordt gebruikt om klok- of timingsignalen te produceren, moet de astabiele multivibrator een stabiele golfvorm produceren die snel overschakelt tussen zijn "HIGH" - en "LOW" -staten zonder enige vervorming of ruis, en Schmitt-omvormers doen precies dat.

We weten dat de uitvoerstatus van een Schmittomvormer is het tegenovergestelde of omgekeerd ten opzichte van zijn ingangstoestand, (NIET poortprincipes) en dat deze de toestand op verschillende spanningsniveaus kan wijzigen, waardoor deze "hysterese" wordt.

Schmitt-omvormers gebruiken een Schmitt-triggeractiedie de toestand wijzigt tussen een bovenste en een onderste drempelniveau wanneer het ingangsspanningssignaal stijgt en daalt rond de ingangsklem. Dit bovenste drempelniveau "stelt" de uitgang in en "lagere" drempelniveau "reset" de uitgang die gelijk is aan een logische "0" en een logische "1" respectievelijk voor een inverter. Beschouw het circuit hieronder.

Schmitt Inverter Waveform Generator

schmitt trigger golfvormgenerator

Dit eenvoudige golfvormgeneratorcircuit bestaatvan een enkele TTL 74LS14 Schmitt-invertorlogica-poort met een condensator, C verbonden tussen zijn ingangsklem en aarde, (0v) en de positieve terugkoppeling die nodig is om de schakeling te laten oscilleren door de terugkoppelweerstand, R.

Dus hoe werkt het? Neem aan dat de lading over de condensatorplaten lager is dan het laagste drempelniveau van de Schmitt van 0,8 volt (Gegevensbladwaarde). Dit maakt daarom de ingang naar de omvormer op een logisch "0" -niveau, wat resulteert in een logisch "1" -uitgangsniveau (inverter-principalen).

De ene kant van de weerstand R is nu verbonden methet logische "1" -niveau (+ 5V) wordt uitgevoerd terwijl de andere zijde van de weerstand is verbonden met de condensator C, die op een logisch "0" -niveau (0,8 V of lager) is. De condensator begint nu op te laden in een positieve richting door de weerstand met een snelheid die wordt bepaald door de RC-tijdconstante van de combinatie.

Wanneer de lading over de condensator deBovenste drempelniveau van 1,6 volt van de Schmitt-trigger (gegevensbladwaarde) de uitvoer van de Schmitt-omvormer verandert snel van een logisch niveau "1" naar een logisch niveau "0" en de stroom die door de weerstand vloeit verandert van richting.

Deze verandering veroorzaakt nu de condensator die dat wasoorspronkelijk door de weerstand op te laden, begint R zichzelf terug te ontladen via dezelfde weerstand totdat de lading over de condensatorplaten het onderste drempelniveau van 0,8 volt bereikt en de uitgangswisselaars van de omvormer opnieuw aangeven dat de cyclus zich steeds opnieuw herhaalt als zolang de voedingsspanning aanwezig is.

Dus de condensator, C laadt constant enzichzelf ontladen tijdens elke cyclus tussen de ingangen van de bovenste en onderste drempelwaarden van de Schmitt-regelaar die een logisch niveau "1" of een logisch niveau "0" produceert bij de uitgang van de omvormer. De uitgangsgolfvorm is echter niet symmetrisch, waardoor een werkcyclus van ongeveer 33% of 1/3 wordt geproduceerd, omdat de markering-tot-ruimteverhouding tussen "HOOG" en "LAAG" respectievelijk 1: 2 is vanwege de ingangspoortkenmerken van de TTL inverter.

De waarde van de feedbackweerstand, (R) MUSTook laag tot minder dan 1 kΩ worden gehouden om het circuit correct te laten oscilleren, 220R tot 470R is goed, en door de waarde van de condensator te variëren, C om de frequentie te variëren. Ook bij hoge frequentieniveaus verandert de uitgangsgolfvorm van een rechthoekige golfvorm in een trapezoïdevormige golfvorm, aangezien de ingangskarakteristieken van de TTL-poort worden beïnvloed door het snel laden en ontladen van de condensator. De frequentie van oscillatie voor Schmitt-golfvormgeneratoren wordt daarom gegeven als:

Schmitt-golfvormfrequentie

schmitt astable waveform generator

Met een weerstandswaarde tussen: 100R tot 1kΩ en een condensatorwaarde tussen: 1nF tot 1000uF. Dit zou een frequentiebereik van 1 Hz tot 1 MHz geven (hoge frequenties produceren golfvormvervorming).

Over het algemeen werken standaard TTL-logische poorten niette goed als golfvormgeneratoren vanwege hun gemiddelde ingangs- en uitgangskarakteristieken, vervorming van de uitgangsgolfvorm en lage waarde van de terugkoppelweerstand vereist, resulterend in een condensator met grote hoge waarde voor laagfrequent bedrijf.

Ook TTL-oscillatoren kunnen niet oscilleren als dewaarde van de feedbackcondensator is te klein. We kunnen echter ook Astable Multivibrators maken met behulp van betere CMOS-logica-technologie die werkt van een voeding van 3V naar 15V, zoals de CMOS 40106B Schmitt-omvormer.

De CMOS 40106 is een enkele ingangsinverter metdezelfde Schmitt-trigger-actie als de TTL 74LS14 maar met een zeer goede ruisimmuniteit, hoge bandbreedte, hoge versterking en uitstekende input / output-eigenschappen om een ​​meer "squarer" -uitgangssignaal te produceren, zoals hieronder weergegeven.

CMOS Schmitt-golfvormgenerator

cmos schmitt trigger golfvormgenerator

Het Schmitt-golfvormgeneratorcircuit voor deCMOS 40106 is in principe hetzelfde als dat van de vorige TTL 74LS14 omvormer, met uitzondering van de toevoeging van de 10kΩ-weerstand die wordt gebruikt om te voorkomen dat de condensator de gevoelige MOSFET-ingangstransistors beschadigt, aangezien deze snel ontlaadt bij hogere frequenties.

De markering / spatieratio is gelijker geëvenaardongeveer 1: 1 met de terugkoppelingsweerstandswaarde verhoogd tot onder 100 kΩ resulterend in een kleinere en goedkopere timingcondensator, C. De oscillatiefrequentie is mogelijk niet dezelfde als: (1 / 1.2RC) aangezien de CMOS-ingangskarakteristieken anders zijn dan TTL. Met een weerstandswaarde tussen: 1kΩ en 100kΩ, en een condensatorwaarde tussen: 1pF tot 100uF. Dit zou een frequentiebereik van tussen 0,1 Hz tot 100 kHz geven.

Schmitt-frequentiegolfgeneratoren kan ook worden gemaakt van verschillendelogische poorten verbonden om een ​​inverteerschakeling te vormen. De standaard Schmitt-astabiele multivibratorcircuit kan eenvoudig worden aangepast met enkele extra componenten om verschillende outputs of frequenties te produceren. Bijvoorbeeld, twee inverse golfvormen of meerdere frequenties en door de vaste terugkoppelweerstand te veranderen naar een potentiometer kan de uitgangsfrequentie worden gevarieerd zoals hieronder getoond.

Clock Waveform Generators

klokgolfvormgenerator

In het eerste circuit hierboven, een extra SchmittDe omvormer is toegevoegd aan de uitgang van de Schmitt-golfvormgenerator om een ​​tweede golfvorm te produceren die het omgekeerde of spiegelbeeld is van de eerste die twee complementaire uitgangsgolfvormen produceert, dus wanneer een uitgang "HOOG" is, is de andere "LAAG". Deze tweede Schmitt-omvormer verbetert ook de vorm van de inverse uitgangsgolfvorm maar voegt er een kleine "poortvertraging" aan toe, zodat deze niet precies synchroon loopt met de eerste.

Ook de uitgangsfrequentie van de oscillatorcircuit kan worden gevarieerd door de vaste weerstand R in een potentiometer te veranderen, maar een kleinere feedbackweerstand is nog steeds vereist om te voorkomen dat de potentiometer de omvormer kortsluit wanneer deze op zijn minimale waarde is, 0Ω.

geleide transistorschakelaar

We kunnen ook de twee complementaire uitgangen gebruiken, Qen Q van het eerste circuit om afwisselend twee sets lichten of LED's te flitsen door hun outputs rechtstreeks aan te sluiten op de bases van twee schakeltransistoren, zoals weergegeven.

Op deze manier zijn een of meerdere LED's aangeslotensamen in serie met de collector van de schakeltransistoren resulterend in afwisselende flitsen van elke reeks LED's, aangezien elke transistor achtereenvolgens wordt "AAN" geschakeld.

Denk er bij het gebruik van dit type circuit ook aan om een ​​geschikte serieweerstand te berekenen, R om de LED-stroom tot onder 20mA (rode LED's) te beperken voor de spanning die u gebruikt.

Om een ​​zeer lage frequentie-output van enkele Hertz te genereren om de LED's te flitsen, maken Schmitt-golfvormgeneratoren hoogwaardige tijdcondensatoren die zelf fysiek groot en duur kunnen zijn.

Een alternatieve oplossing is te gebruik een kleinerwaardecondensator om een ​​veel hogere frequentie te genereren, zeg 1 kHz of 10 kHz, en deel deze hoofdklokfrequentie vervolgens in afzonderlijke kleinere totdat de vereiste laagfrequentiewaarde is bereikt, en het tweede circuit hierboven doet precies dat.

Het onderste circuit hierboven toont de oscillatorwordt gebruikt om de klokingang van een rimpelenteller aan te drijven. Ripple-tellers zijn in feite een aantal tweedeling-door-2, D-type flip-flops die samen zijn gecascadeerd om een ​​enkele delings-op-N-teller te vormen, waarbij N gelijk is aan de tellers bit-telling zoals de CMOS 4024 7-bit Ripple Counter of de CMOS 4040 12-bit Ripple Counter.

De vaste klokfrequentie produceert door de Schmitthet astable klokpulscircuit is verdeeld in een aantal verschillende subfrequenties zoals, ƒ ÷ 2, ƒ ÷ 4, ƒ ÷ 8, ƒ ÷ 256, enz., tot de maximale "Divide-by-n" waarde van de rimpel teller wordt gebruikt. Dit proces waarbij "flip-flops", "binaire tellers" of "ripple-tellers" worden gebruikt om een ​​vaste hoofdklokfrequentie in verschillende subfrequenties te verdelen, wordt Frequency Division genoemd en we kunnen dit gebruiken om een ​​aantal frequentiewaarden te verkrijgen van een enkele golfvormgenerator.

NAND Gate Waveform-generatoren

Schmitt-golfvormgeneratoren kan ook worden gemaakt met behulp van standaard CMOS Logic NANDGates aangesloten om een ​​invertercircuit te produceren. Hier zijn twee NAND-poorten met elkaar verbonden om een ​​ander type RC-relaxatieoscillatorcircuit te produceren dat een blokgolfvormige uitgangsgolfvorm zal genereren zoals hieronder wordt getoond.

NAND Gate Waveform-generator

nand gate clock waveform generator

In dit type golfvormgeneratorcircuit, deRC-netwerk wordt gevormd door weerstand R1 en de condensator C waarbij dit RC-netwerk wordt bestuurd door de uitgang van de eerste NAND-poort. De uitvoer van dit R1C-netwerk wordt teruggevoerd naar de ingang van de eerste NAND-poort via weerstand R2 en wanneer de laadspanning over de condensator het bovenste drempelniveau van de eerste NAND-poort bereikt, verandert de NAND-poort van toestand waardoor de tweede NIET-EN-poort wordt veroorzaakt om het te volgen, daarbij van toestand te veranderen en een verandering in het uitvoerniveau te produceren.

De spanning over het R1C-netwerk is nuomgekeerd en de condensator begint door de weerstand te ontladen totdat deze het onderste drempelniveau van de eerste NAND-poort bereikt, waardoor de twee poorten opnieuw van toestand veranderen. Net als de vorige Schmitt-golfvormgeneratorcircuit hierboven, wordt de oscillatiefrequentie bepaald door de R1C-tijdconstante die wordt gegeven als: 1 / 2.2R1C. Over het algemeen krijgt R2 een waarde die 10 keer de waarde van weerstand R1 is.

Wanneer hoge stabiliteit of gegarandeerde zelfstart vereist is, CMOS-golfvormgeneratoren kan worden gemaakt met behulp van drie inverterende NAND-poorten ofom het even welke drie logische omvormers, die met elkaar verbonden zijn, zoals hieronder weergegeven, produceren een circuit dat soms de "ring van drie" golfvormgenerator wordt genoemd. De oscillatiefrequentie wordt opnieuw bepaald door de R1C-tijdconstante, dezelfde als voor de twee poortoscillatoren hierboven, en die wordt gegeven als: 1 / 2.2R1C als R2 een waarde heeft die 10 keer de waarde van weerstand R1 is.

Stabiele NAND-poortgolfvorm-generator

stabiele nand poort golfvormgenerator

De toevoeging van de extra NAND-poortgarantiesdat de oscillator zal starten, zelfs met zeer lage condensatorwaarden. Ook is de stabiliteit van de golfvormgenerator aanzienlijk verbeterd, omdat deze minder gevoelig is voor variaties in de voedingsbron doordat het drempelwaarde-triggeringniveau bijna de helft van de voedingsspanning is.

De hoeveelheid stabiliteit wordt hoofdzakelijk bepaald door de frequentie van oscillatie en in het algemeen gesproken, hoe lager de frequentie, hoe stabieler de oscillator wordt.

Aangezien dit type golfvormgenerator werkt opbijna de helft of 50% van de voedingsspanning heeft de resulterende uitgangsgolfvorm een ​​bijna duty cycle van 50%, een verhouding van 1: 1 in de mark-space. De drie poortgolfvormgenerator heeft veel voordelen ten opzichte van de voorgaande twee poortoscillatoren hierboven, maar zijn enige grote nadeel is dat deze een extra logische poort gebruikt.

Ringtype golfvormgenerator

We hebben hierboven gezien Waveform-generatoren kan worden gemaakt met behulp van zowel TTL en de betere CMOSlogische technologie met een RC-netwerk dat een tijdvertraging in het circuit produceert wanneer het via een, twee of zelfs drie logische poorten is verbonden om een ​​eenvoudige RC Ontspanningsoscillator te vormen. Maar we kunnen ook golfvormgeneratoren maken met alleen Logic NOT Gates of met andere woorden omvormers zonder dat er extra passieve componenten op worden aangesloten.

Door een verbinding te maken VREEMD nummer (3, 5, 7, 9 enz.) van NIET-poorten om een ​​te vormen"Ring" -circuit, zodat de uitgang van de ring direct wordt aangesloten op de ingang van de ring, zal het circuit blijven oscilleren, terwijl een logisch niveau "1" constant rond het netwerk roteert en een uitgangsfrequentie produceert die wordt bepaald door de voortplanting vertragingen van de gebruikte omvormers.

Ringgolfvorm-generator

ringgolfvormgeneratorcircuit

De frequentie van oscillatie wordt bepaald door detotale voortplantingsvertraging van de inverters die in de ring worden gebruikt en die zelf wordt bepaald door het type gate-technologie, TTL, CMOS, BiCMOS waaruit de omvormer is gemaakt. Voortplantingsvertraging of voortplantingstijd, is de totale tijd die nodig is (meestal in nanoseconden) dat een signaal recht door de inverter loopt, van een logische "0" die aankomt op de ingang ervan en een logische "1" aan zijn uitgang produceert.

Ook voor dit type ringgolfvormgeneratorcircuitvariaties in de voedingsspanning, temperatuur en belastingscapaciteit hebben allemaal invloed op de voortplantingsvertraging van logische poorten. Over het algemeen zal een gemiddelde voortplantingsvertragingstijd worden gegeven in de databladen van de fabrikant voor het type digitale logische poorten dat wordt gebruikt met de oscillatiefrequentie gegeven als:

ring oscillator frequentievergelijking

Waarbij: ƒ de oscillatiefrequentie is, n het aantal gebruikte poorten is en Tp de voortplantingsvertraging voor elke poort.

Neem bijvoorbeeld aan dat een eenvoudig golfvormgeneratorcircuit 5 individuele omvormers heeft die in serie met elkaar zijn verbonden om a te vormen Ring Oscillator, de voortplantingsvertraging voor elke omvormer wordt gegeven als 8ns. Dan zal de frequentie van oscillatie worden gegeven als:

ring oscillator frequentie

Dit is natuurlijk niet echt praktischoscillator voornamelijk te wijten aan zijn instabiliteit en zeer hoge oscillatiefrequentie, 10en van Megahertz afhankelijk van het type logische poorttechnologie dat wordt gebruikt, en in ons eenvoudige voorbeeld werd het berekend als 12,5 MHz !!. De uitgangsfrequentie van de ringoscillator kan een beetje worden "afgestemd" door het aantal inverters dat in de ring wordt gebruikt te variëren, maar het is veel beter om een ​​stabielere RC-golfvormgenerator te gebruiken zoals die we hierboven hebben besproken.

Desondanks laat het zien dat logische poorten dat wel kunnenverbonden zijn om op logica gebaseerde golfvormgeneratoren te produceren en slecht ontworpen digitale circuits met veel poorten, signaalpaden en feedbacklussen zijn bekend dat ze onopzettelijk oscilleren.

Door een RC-netwerk over de omvormer te gebruikencircuit, kan de frequentie van oscillatie nauwkeurig worden geregeld, waardoor een praktischer astable relaxatieoscillatorcircuit wordt geproduceerd voor gebruik in veel algemene elektronische toepassingen.

In de volgende zelfstudie over golfvormen en golfvormenGeneration, we zullen de 555 Timer onderzoeken, die een van de meest populaire en veelzijdige geïntegreerde schakelingen is die ooit is geproduceerd en die een breed scala aan verschillende golfvormen en tijdsignalen van monostabiele tot astabiele multivibrators kan genereren.

Reacties (0)
Voeg een reactie toe