/ / Waveform Generators å produsere Timing Signals

Waveform Generators å produsere Timing Signals

Waveform generatorer

I de tidligere opplæringene vi har sett inndetalj på de tre forskjellige typer grunnleggende transistor multivibratorkretser som kan brukes som avslapningsoscillatorer for å produsere enten en firkantet eller rektangulær bølge ved utgangene deres for bruk som klokke- og tidssignaler.

Men det er også mulig å konstruere grunnleggende Waveform Generator kretser fra enkle integrerte kretser elleroperasjonsforsterkere koblet til en motstandskondensator (RC) tankkrets eller til en kvartskrystall for å produsere den nødvendige binære eller firkantbølgeutgangsbølgeform ved ønsket frekvens.

Denne kurven generasjons opplæringen ville væreufullstendig uten noen eksempler på digitale regenerative svitsjkretser, siden det illustrerer både byttevirkningen og driften av bølgeformgeneratorer som brukes til å generere firkantbølger for bruk som timing eller sekvensielle bølgeformer.

Vi vet at regenerative byttekretser som Astable Multivibrators er den mest brukte typen avslapningsoscillator da de produserer en konstant firkantbølgeutgang, noe som gjør dem ideelle som en digital Waveform Generator.

Astable multivibratorer gjør gode oscillatorerfordi de bytter kontinuerlig mellom de to ustabile tilstandene ved en konstant repetisjonshastighet og derved produserer en kontinuerlig firkantbølgeutgang med et 1: 1 mark-space-forhold ("ON" og "OFF" ganger det samme) fra dens utgang og i denne opplæringen vi vil se på noen av de forskjellige måtene vi kan konstruere bølgeformgeneratorer ved hjelp av bare standard TTL- og CMOS-logikkkretser sammen med noen ekstra diskrete timingkomponenter.

Schmitt Waveform Generators

Enkel Waveform Generators kan bygges med grunnleggende Schmitt-utløseractionomformere som TTL 74LS14. Denne metoden er uten tvil den enkleste måten å lage en grunnleggende astable waveform generator. Når den brukes til å produsere klokke- eller tidssignaler, må den astable multivibratoren produsere en stabil bølgeform som raskt skifter mellom sine "HIGH" og "LOW" -tilstander uten forvrengning eller støy, og Schmitt-omformere gjør nettopp det.

Vi vet at utgangstilstanden til en Schmittinverter er motsatt eller omvendt til sin inngangsstatus, (NOT gate-prinsipper) og at den kan endre tilstanden på forskjellige spenningsnivåer som gir det "hysterese".

Schmitt-omformere bruker en Schmitt-trigger-handlingsom endrer tilstand mellom et øvre og et lavere terskelnivå når inngangsspenningssignalet øker og avtar om inngangsterminalen. Dette øvre terskelnivået "setter" utgangen og det nedre terskelnivået "nullstiller" utgangen som tilsvarer en logisk "0" og en logisk "1" for en omformer. Tenk på kretsen nedenfor.

Schmitt Inverter Waveform Generator

schmitt utløser bølgeform generator

Denne enkle bølgeformgeneratorkretsen bestårav en enkelt TTL 74LS14 Schmitt inverterlogisk gate med en kondensator, C koblet mellom inngangsterminalen og bakken, (0v) og den positive tilbakekoblingen som kreves for at kretsen skal svinge som tilbys av tilbakemotstands-motoren, R.

Så hvordan fungerer det ?. Anta at ladningen på tvers av kondensatorplatene ligger under Schmitts lavere terskelivå på 0,8 volt (dataarkverdien). Dette gjør derfor inngangen til omformeren på et logisk "0" -nivå som resulterer i et logisk "1" utgangsnivå (inverterprinsipper).

Én side av motstanden R er nå koblet tillogisk "1" nivå (+ 5V) utgang mens den andre siden av motstanden er koblet til kondensatoren, C som er på et logisk "0" nivå (0,8v eller under). Kondensatoren begynner nå å lade opp i en positiv retning gjennom motstanden med en hastighet bestemt av RC-tidskonstanten i kombinasjonen.

Når ladningen over kondensatoren når1,6 volt øvre terskelnivå for Schmitt-utløseren (dataarkverdien), endres utgangen fra Schmitt-omformeren raskt fra et logisk nivå "1" til et logisk nivå "0" tilstand og strømmen som strømmer gjennom motstanden endrer retning.

Denne forandringen fører nå til kondensatoren som varopprinnelig opplasting opp gjennom motstanden, R for å begynne å tømme seg tilbake gjennom samme motstand til ladningen over kondensatorplatene når det nedre terskelnivået på 0,8 volt og omformerenes utgang bytter tilstand igjen med syklusen som gjentar seg selv igjen og igjen som så lenge forsyningsspenningen er til stede.

Så kondensatoren, C er stadig lading ogtømmer seg selv under hver syklus mellom inngangene øvre og nedre terskelnivåer for Schmitt-omformeren som produserer et logisk nivå "1" eller et logisk nivå "0" ved omformerenes utgang. Utgangsbølgeformen er imidlertid ikke symmetrisk, noe som gir en driftssyklus på ca. 33% eller 1/3, idet forholdet mellom "HIGH" og "LOW" er henholdsvis 1: 2 på grunn av inngangsportegenskapene til TTL inverter.

Verdien av tilbakemelding motstanden, (R) MÅogså holdes lav til under 1kΩ for kretsen oscillerer på riktig måte, 220R til 470R er god, og ved å variere verdien av kondensatoren C for å variere frekvensen. Også ved høye frekvensnivå utgangsbølgeformen forandrer form fra en firkantet bølgeform til en trapesformet bølgeform som inngangs egenskapene til TTL-port påvirkes av rask lading og utlading av kondensatoren. Oscillasjonsfrekvensen for Schmitt Waveform Generators er derfor gitt som:

Schmitt Waveform Frequency

schmitt astable waveform generator

Med en motstandsverdi mellom: 100R til 1kΩ, og en kondensatorverdi mellom: 1nF til 1000uF. Dette ville gi et frekvensområde mellom 1 Hz til 1 MHz, (høye frekvenser produserer bølgeformforvrengning).

Vanligvis fungerer ikke standard TTL logiske portealtfor godt som bølgeformgeneratorer på grunn av deres gjennomsnittlige inngangs- og utgangskarakteristikker, forvrengning av utgangsbølgeformen og lav verdi av tilbakemotstandsmodstanden som kreves, noe som resulterer i en stor høyverdig kondensator for lavfrekvent drift.

Også TTL-oscillatorer kan ikke svinge hvisverdien av tilbakekoblingskondensatoren er for liten. Vi kan imidlertid også lage Astable Multivibrators ved hjelp av bedre CMOS logikk teknologi som opererer fra en 3V til 15V forsyning som CMOS 40106B Schmitt Inverter.

CMOS 40106 er en enkelt inngangsverter medDen samme Schmitt-trigger-virkemåten som TTL 74LS14, men med meget god støyimmunitet, høy båndbredde, høy forsterkning og gode inngangs- / utgangskarakteristikker for å produsere en mer "firkantet" bølgeform som vist nedenfor.

CMOS Schmitt Waveform Generator

cmos schmitt utløser bølgeform generator

Schmitt bølgeform generatorer krets forCMOS 40106 er stort sett den samme som for den tidligere TTL 74LS14-omformeren, bortsett fra tillegg av 10kΩ motstanden som brukes til å forhindre kondensatoren i å skade de følsomme MOSFET-inngangstransistorene ettersom den utlades raskt ved høyere frekvenser.

Mark-space-forholdet er jevnt fordelt påca. 1: 1, med tilbakemelding motstandsverdien økt til under 100kΩ, noe som resulterer i en mindre og billigere tidkondensator, C. Oscillasjonsfrekvensen er kanskje ikke den samme som: (1 / 1.2RC), da CMOS-inngangskarakteristikkene er forskjellige for TTL. Med en motstandsverdi mellom: 1kΩ og 100kΩ, og en kondensatorverdi mellom: 1pF til 100uF. Dette ville gi et frekvensområde på mellom 0,1 Hz og 100 kHz.

Schmitt Inverter Waveform Generators kan også gjøres fra en rekke forskjelligelogiske portene koblet til for å danne en omformerkrets. Den grunnleggende Schmitt astable multivibrator kretsen kan enkelt endres med noen ekstra komponenter for å produsere forskjellige utganger eller frekvenser. For eksempel kan to inverse bølgeformer eller flere frekvenser og ved å endre den faste tilbakemotstandsresistansen til et potensiometer, utgangsfrekvensen varieres som vist nedenfor.

Clock Waveform Generators

klokke bølgeform generator

I den første kretsen ovenfor, en ekstra SchmittInverter er blitt lagt til produksjonen av Schmitt-bølgeformgeneratoren for å produsere en andre bølgeform som er det omvendte eller speilbildet av den første produserende to komplementære utgangsbølgeformer, så når en utgang er "HIGH", den andre er "LOW". Denne andre Schmitt inverteren forbedrer også formen på den inverse utgangsbølgeformen, men legger til en liten "gateforsinkelse" til den slik at den ikke akkurat synkroniseres med den første.

Også, utgangsfrekvensen til oscillatorenkretsen kan varieres ved å bytte den faste motstanden, R inn i et potensiometer, men en mindre tilbakemelding motstand er fortsatt nødvendig for å forhindre at potensiometeret kortslutter omformeren når det er minst 0Ω.

ledet transistor bryter

Vi kan også bruke de to komplementære utgangene, Qog Q av den første kretsen for å alternativt blinke to sett med lys eller lysdioder ved å koble utgangene direkte til basene til to koblingstransistorer som vist.

På denne måten er en eller flere lysdioder koblet tilsammen i serie med kollektorene til omkoblingstransistorene, som resulterer i vekslende blink i hvert sett med lysdioder, idet hver transistor slås på "ON" igjen.

Også når du bruker denne typen krets, husk å kalkulere en passende seriemotstand, R for å begrense LED-strømmen til under 20mA (røde lysdioder) for spenningen du bruker.

For å generere en meget lavfrekvent utgang fra noen få Hertz til å blinke LED'ene, bruker Schmitt-bølgeformgeneratorer høyverdig tidskondensatorer som selv kan være fysisk store og dyre.

En alternativ løsning er også å bruke en mindreverdiskondensator for å generere en mye høyere frekvens, si 1kHz eller 10kHz, og del deretter denne hovedklokkefrekvensen ned i individuelle mindre inntil den nødvendige lavfrekvensverdien oppnås, og den andre kretsen ovenfor gjør nettopp det.

Nedre krets over viser oscillatorenblir brukt til å kjøre klokkeinngangen på en kruseteller. Ripple tellere er i utgangspunktet en rekke divide-by-2, D-type flip-flops cascaded sammen for å danne en enkelt divide-by-N-teller, hvor N er lik tellertalltallene som CMOS 4024 7-bit Ripple Counter eller CMOS 4040 12-bit Ripple Counter.

Den faste klokkefrekvensen produserer av Schmittastable klokke puls krets er delt inn i en rekke forskjellige sub-frekvenser som ƒ ÷ 2, ƒ ÷ 4, ƒ ÷ 8, ƒ ÷ 256, etc, opp til den maksimale "Divide-by-n" verdien av krusningen teller brukes. Denne prosessen med å bruke enten "Flip-flops", "Binære tellere" eller "Ripple-tellere" for å dele en vanlig fast klokkefrekvens i forskjellige delfrekvenser, kalles Frequency Division, og vi kan bruke den til å oppnå en rekke frekvensverdier fra en enkelt bølgeform generator.

NAND Gate Waveform Generators

Schmitt Waveform Generators kan også gjøres ved hjelp av standard CMOS Logic NANDGates koblet til å produsere en omformer krets. Her er to NAND-porter koblet sammen for å produsere en annen type RC-avslapningsoscillator-krets som vil generere en firkantbølgeformet utgangsbølgeform som vist nedenfor.

NAND Gate Waveform Generator

nand gate klokke waveform generator

I denne typen bølgeformgeneratorkrets erRC-nettverket er dannet fra motstanden, R1 og kondensatoren, C med dette RC-nettverket som styres av utgangen fra den første NAND-porten. Utgangen fra dette R1C-nettverket føres tilbake til inngangen til den første NAND-porten via motstanden R2, og når ladningsspenningen over kondensatoren når det øvre terskelnivået på den første NAND-porten, endrer NAND-porten tilstanden som forårsaker den andre NAND-porten å følge den, og dermed endre tilstand og produsere en endring i utgangsnivået.

Spenningen over R1C-nettverket er nåreverseres og kondensatoren begynner å tømme gjennom motstanden til den når det nedre terskelnivået på den første NAND-porten, og forårsaker at de to portene forandrer tilstanden igjen. Som den tidligere Schmitt-bølgeformgeneratorkretsen over, bestemmes frekvensen av oscillasjon av R1C-tidskonstanten som er gitt som: 1 / 2.2R1C. Generelt er R2 gitt en verdi som er 10 ganger verdien av motstanden R1.

Når høy stabilitet eller garantert selvstart er nødvendig, CMOS Waveform Generators kan gjøres ved å bruke tre omvendte NAND-porter ellernoen tre logiske omformere for den saks skyld, koblet sammen som vist nedenfor produserer en krets som noen ganger kalles "ringen av tre" bølgeformgeneratoren. Oscillasjonsfrekvensen bestemmes igjen av R1C-tidskonstanten, den samme som for de to portoscillatorene ovenfor, og som er gitt som: 1 / 2.2R1C når R2 har en verdi som er 10 ganger verdien av motstanden R1.

Stabil NAND Gate Waveform Generator

stabil nand gate waveform generator

Tilsetningen av den ekstra NAND-porten garantererat oscillatoren starter selv med svært lave kondensatorverdier. Stabiliteten til bølgeformgeneratoren forbedres også sterkt, da den er mindre mottakelig for strømforsyningsvariasjoner på grunn av at dens terskelutløsningsnivå er nesten halvparten av forsyningsspenningen.

Mengden stabilitet bestemmes hovedsakelig av frekvensen av svingning og generelt, desto lavere blir frekvensen, jo mer stabil blir oscillatoren.

Som denne typen bølgeformgenerator opererer pånesten halvparten eller 50% av forsyningsspenningen har den resulterende utgangsbølgeformen nesten en 50% arbeids syklus, 1: 1 mark-space-forhold. Den tre gate waveformgeneratoren har mange fordeler i forhold til de to foregående portoscillatorene ovenfor, men den ene store ulempen er at den bruker en ekstra logisk gate.

Ring Type Waveform Generator

Vi har sett over det Waveform Generators kan gjøres ved hjelp av både TTL og bedre CMOSlogikkteknologi med et RC-nettverk som produserer en tidsforsinkelse i kretsen når den er koblet over enten en, to eller til og med tre logiske porter for å danne en enkel RC-avslapningsoscillator. Men vi kan også lage bølgeformgeneratorer ved hjelp av bare Logic NOT Gates eller med andre ord Inverters uten noen ekstra passive komponenter knyttet til dem.

Ved å koble sammen noen MERKELIG nummer (3, 5, 7, 9 etc) av IKKE porte for å danne a"Ring" krets, slik at utgangen av ringen er koblet rett tilbake til inngangen til ringen, vil kretsen fortsette å svinge som et logisk nivå "1" kontinuerlig roterer rundt nettverket som produserer en utgangsfrekvens som bestemmes av forplantningen forsinkelser av omformerne som brukes.

Ring Waveform Generator

ring bølgeform generator krets

Oscillasjonsfrekvensen bestemmes avtotal forplantningsforsinkelse av omformerne som brukes i ringen og som i seg selv er bestemt av typen gate teknologi, TTL, CMOS, BiCMOS som omformeren er laget av. Forplantningsforsinkelse eller forplantningstid er den totale tiden som kreves (vanligvis i nanosekunder) for et signal å passere rett gjennom omformeren fra en logikk "0" som kommer til inngangen til den som produserer en logikk "1" ved utgangen.

Også for denne typen ringbølgeformgeneratorkretsvariasjoner i forsyningsspenningen, temperatur og lastkapasitans påvirker forplantningsforsinkelsen til logiske porter. Vanligvis vil en gjennomsnittlig forplantningsforsinkelse bli gitt i produsentdatabladene for typen digitale logiske porter som brukes med frekvensen av svingning gitt som:

ring-oscillatorfrekvensligning

Hvor: ƒ er frekvensen av oscillasjon, n er antall portene som brukes og Tp er forplantningsforsinkelsen for hver gate.

Anta for eksempel at en enkel bølgeformgeneratorkrets har 5 individuelle omformere koblet sammen i serie for å danne a Ring Oscillator, forplantningsforsinkelsen for hver inverter er gitt som 8ns. Da vil frekvensen av svingning bli gitt som:

ring oscillator frekvens

Selvfølgelig er dette ikke veldig praktiskoscillator skyldes hovedsakelig sin ustabilitet og svært høy svingningsfrekvens, 10 s av Megahertz, avhengig av hvilken type logikkportteknologi som brukes, og i vårt enkle eksempel ble det beregnet som 12,5MHz !!. Ring-oscillatorens utgangsfrekvens kan "justeres" litt ved å variere antall omformere som brukes i ringen, men det er mye bedre å bruke en mer stabil RC-bølgeformgenerator som de som vi har diskutert ovenfor.

Likevel viser det at logiske porter kankobles sammen for å produsere logisk baserte bølgeformgeneratorer og dårligt utformede digitale kretser med mange porte, signalveier og tilbakekoblingsløkker har vært kjent for å oscillere utilsiktet.

Ved å bruke et RC-nettverk på tvers av omformerenkrets, kan svingningsfrekvensen styres nøyaktig, og produserer en mer praktisk astabiliserende oscillatorkrets for bruk i mange generelle elektroniske applikasjoner.

I neste veiledning om Waveforms og WaveformGenerasjon, vi vil undersøke 555 Timer som er en av de mest populære og allsidige integrerte kretsene som noensinne er produsert, som kan generere et bredt spekter av forskjellige bølgeformer og tidssignaler fra monostabile til astabile multivibratorer.

Kommentarer (0)
Legg til en kommentar