/ / Generatory przebiegów do generowania sygnałów czasowych

Generatory przebiegów do generowania sygnałów czasowych

Generatory przebiegów

W poprzednich samouczkach przyjrzeliśmy sięszczegóły na temat trzech różnych typów podstawowych układów tranzystorowych multiwibratorów, które mogą być używane jako oscylatory relaksacyjne do wytwarzania fali kwadratowej lub prostokątnej na swoich wyjściach do wykorzystania jako sygnały zegara i taktowania.

Ale możliwe jest również skonstruowanie podstawowych Generator przebiegów obwody z prostych układów scalonych lubwzmacniacze operacyjne podłączone do obwodu zbiornika kondensatora rezystorowego (RC) lub do kryształu kwarcowego w celu wytworzenia wymaganego binarnego lub prostokątnego przebiegu wyjściowego o pożądanej częstotliwości.

Ten samouczek generowania przebiegów byłbyniekompletne bez kilku przykładów cyfrowych obwodów przełączania regeneracyjnego, ponieważ ilustruje zarówno działanie przełączające, jak i działanie generatorów przebiegów wykorzystywanych do generowania fal prostokątnych do wykorzystania jako taktowanie synchroniczne lub sekwencyjne.

Wiemy, że regeneracyjne obwody przełączające, takie jak Astable Multivibrators są najczęściej stosowanym typem oscylatora relaksacyjnego, ponieważ wytwarzają stały sygnał prostokątny, co czyni je idealnymi jako cyfrowe Generator przebiegów.

Zdecydowane multiwibratory tworzą doskonałe oscylatoryponieważ przełączają się w sposób ciągły między dwoma niestabilnymi stanami ze stałą częstotliwością powtarzania, wytwarzając w ten sposób ciągły sygnał prostokątny o stosunku znak-przestrzeń 1: 1 („ON” i „OFF” razy ten sam) od tego wyjścia iw tym samouczku przyjrzymy się różnym sposobom konstruowania generatorów przebiegów za pomocą standardowych układów logicznych TTL i CMOS wraz z dodatkowymi dyskretnymi składnikami czasowymi.

Generatory przebiegów Schmitt

Prosty Generatory przebiegów można skonstruować za pomocą podstawowego wyzwalacza Schmittafalowniki działania, takie jak TTL 74LS14. Ta metoda jest zdecydowanie najprostszym sposobem na stworzenie podstawowego generatora przebiegów astabilnych. W przypadku wytwarzania sygnałów zegara lub taktowania, astabilny multiwibrator musi wytwarzać stabilny kształt fali, który szybko przełącza się między stanami „HIGH” i „LOW” bez żadnych zniekształceń lub szumów, a inwertery Schmitt robią to właśnie.

Wiemy, że stan wyjściowy SchmittaInwerter jest odwrotny lub odwrotny do jego stanu wejściowego (NIE zasady bramki) i może zmieniać stan na różnych poziomach napięcia, nadając mu „histerezę”.

Inwertery Schmitt wykorzystują działanie wyzwalacza Schmittazmienia stan między górnym i dolnym poziomem progowym, gdy sygnał napięcia wejściowego wzrasta i maleje wokół zacisku wejściowego. Ten górny poziom progowy „ustawia” wyjście, a dolny poziom progowy „resetuje” wyjście, które odpowiada logicznemu „0” i logicznemu „1” odpowiednio dla falownika. Rozważmy poniższy obwód.

Generator kształtu falownika Schmitt

generator fal wyzwalających schmitt

Ten prosty układ generatora przebiegów składa się zpojedynczej bramki logicznej inwertera TTL 74LS14 Schmitt z kondensatorem, C połączonym między zaciskiem wejściowym a masą, (0v) i dodatnim sprzężeniem zwrotnym wymaganym do oscylacji obwodu dostarczanego przez rezystor sprzężenia zwrotnego

Jak to działa? Załóżmy, że ładunek na płytkach kondensatorów jest poniżej dolnego progu Schmitta wynoszącego 0,8 V (wartość w arkuszu danych). Dzięki temu sygnał wejściowy do falownika jest na poziomie logicznym „0”, co daje logiczny poziom wyjściowy „1” (zasady przetwornicy).

Jedna strona rezystora R jest teraz podłączonalogiczne wyjście „1” (+ 5 V), podczas gdy druga strona rezystora jest podłączona do kondensatora, C, który jest na poziomie logicznym „0” (0,8 v lub poniżej). Kondensator zaczyna ładować się w dodatnim kierunku przez rezystor z prędkością określoną przez stałą czasową RC kombinacji.

Kiedy ładunek na kondensatorze osiągnie1,6 V górny poziom progowy wyzwalacza Schmitta (wartość arkusza danych), wyjście z przemiennika Schmitta szybko zmienia się z poziomu logicznego „1” do stanu logicznego „0” i prąd płynący przez rezystor zmienia kierunek.

Ta zmiana powoduje teraz kondensatorpoczątkowo ładowany przez rezystor, R, aby zacząć rozładowywać się z powrotem przez ten sam rezystor, aż ładunek na płytkach kondensatorów osiągnie dolny poziom progowy 0,8 V, a przełączniki wyjściowe falowników staną się ponownie, cykl powtarza się w kółko, długo, gdy obecne jest napięcie zasilania.

Tak więc kondensator C ciągle się ładujerozładowywanie się podczas każdego cyklu pomiędzy wejściami górne i dolne poziomy progowe falownika Schmitta wytwarzające poziom logiczny „1” lub poziom logiczny „0” na wyjściu falownika. Jednak przebieg wyjściowy nie jest symetryczny, co daje cykl pracy około 33% lub 1/3, ponieważ stosunek znaku do przestrzeni między „WYSOKIM” i „NISKIM” wynosi odpowiednio 1: 2 ze względu na charakterystykę bramki wejściowej TTL falownik.

Wartość rezystora sprzężenia zwrotnego (R) MUSInależy również utrzymywać niskie do poniżej 1kΩ, aby obwód prawidłowo oscylował, 220R do 470R jest dobry, a zmieniając wartość kondensatora, C zmienia częstotliwość. Również na poziomach wysokich częstotliwości kształt wyjściowy zmienia kształt z kształtu prostokątnego na kształt fali trapezoidalnej, ponieważ na charakterystykę wejściową bramki TTL ma wpływ szybkie ładowanie i rozładowywanie kondensatora. Częstotliwość drgań dla Generatory przebiegów Schmitt dlatego podaje się jako:

Schmitt Częstotliwość przebiegu

schmitt astable generator fal

Z wartością rezystora pomiędzy: 100R do 1kΩ i wartością kondensatora pomiędzy: 1nF do 1000uF. Dałoby to zakres częstotliwości od 1 Hz do 1 MHz, (wysokie częstotliwości powodują zniekształcenia fali).

Zwykle standardowe bramki logiczne TTL nie działajązbyt dobrze jak generatory przebiegów ze względu na ich średnią charakterystykę wejściową i wyjściową, zniekształcenie przebiegu wyjściowego i wymaganą niską wartość rezystora sprzężenia zwrotnego, co skutkuje dużym kondensatorem o wysokiej wartości do pracy przy niskiej częstotliwości.

Również oscylatory TTL mogą nie oscylować, jeśliwartość kondensatora sprzężenia zwrotnego jest zbyt mała. Możemy jednak również stworzyć Astable Multivibrators, wykorzystując lepszą technologię logiczną CMOS, która działa od zasilania 3V do 15V, takiego jak CMOS 40106B Schmitt.

CMOS 40106 to falownik z jednym wejściem ztakie samo działanie wyzwalania Schmitta jak TTL 74LS14, ale z bardzo dobrą odpornością na zakłócenia, dużą szerokością pasma, wysokim wzmocnieniem i doskonałymi charakterystykami wejścia / wyjścia, aby uzyskać bardziej „kwadratowy” przebieg wyjściowy, jak pokazano poniżej.

CMOS Schmitt Generator przebiegów

Generator przebiegów CMOS Schmitt

Obwód generatorów fal Schmitta dlaCMOS 40106 jest w zasadzie taki sam jak poprzedni przetwornik TTL 74LS14, z wyjątkiem dodania rezystora 10 kΩ, który jest używany, aby zapobiec uszkodzeniu przez kondensator wrażliwych tranzystorów wejściowych MOSFET, ponieważ szybko rozładowuje się przy wyższych częstotliwościach.

Stosunek znak-przestrzeń jest bardziej równomiernie dopasowanyokoło 1: 1 z wartością rezystora sprzężenia zwrotnego zwiększoną do poniżej 100 kΩ, co skutkuje mniejszym i tańszym kondensatorem taktowania, C. Częstotliwość drgań może nie być taka sama jak: (1 / 1.2RC), ponieważ charakterystyka wejścia CMOS różni się od TTL. Z wartością rezystora między: 1kΩ a 100kΩ, a wartość kondensatora między: 1pF do 100uF. Dałoby to zakres częstotliwości od 0,1 Hz do 100 kHz.

Generatory przebiegów falownika Schmitt może być również wykonane z różnychbramki logiczne połączone w celu utworzenia obwodu falownika. Podstawowy obwód multiwibratora Schmitt Astable można łatwo modyfikować za pomocą dodatkowych komponentów, aby uzyskać różne wyjścia lub częstotliwości. Na przykład dwie odwrócone kształty fal lub wiele częstotliwości i przez zmianę stałego rezystora sprzężenia zwrotnego na potencjometr częstotliwość wyjściową można zmieniać, jak pokazano poniżej.

Generatory przebiegów zegara

generator przebiegów zegarowych

W pierwszym powyższym obwodzie dodatkowy SchmittFalownik został dodany do wyjścia generatora kształtu fali Schmitta, aby wytworzyć drugi kształt fali, który jest odwrotnym lub lustrzanym odbiciem pierwszego wytwarzającego dwa uzupełniające kształty wyjściowe, więc gdy jedno wyjście jest „WYSOKIE”, drugie jest „NISKIE”. Ten drugi falownik Schmitt poprawia również kształt odwrotnego kształtu fali wyjściowej, ale dodaje do niej niewielkie „opóźnienie bramki”, więc nie jest dokładnie zsynchronizowany z pierwszym.

Również częstotliwość wyjściowa oscylatoraObwód można zmieniać zmieniając rezystor stały, R na potencjometr, ale nadal wymagany jest mniejszy rezystor sprzężenia zwrotnego, aby zapobiec zwarciu falownika przez potencjometr, gdy jego wartość minimalna wynosi 0 Ω.

przełącznik tranzystorowy led

Możemy również użyć dwóch komplementarnych wyjść, Qoraz Q pierwszego obwodu do alternatywnego błysku dwóch zestawów świateł lub diod LED przez podłączenie ich wyjść bezpośrednio do podstaw dwóch tranzystorów przełączających, jak pokazano.

W ten sposób podłączona jest jedna lub kilka diod LEDpołączone szeregowo z kolektorem tranzystorów przełączających, co powoduje przemienne błyski każdego zestawu diod LED, ponieważ każdy tranzystor jest włączany kolejno.

Również przy stosowaniu tego typu obwodu pamiętaj, aby obliczyć odpowiedni rezystor szeregowy, R, aby ograniczyć prąd LED poniżej 20 mA (czerwona dioda LED) dla używanego napięcia.

Aby wygenerować bardzo niską częstotliwość wyjściową kilku herców w celu flashowania diod LED, generatory przebiegu Schmitt używają kondensatorów czasowych o wysokiej wartości, które same w sobie mogą być duże i drogie.

Alternatywnym rozwiązaniem jest także użycie mniejszegokondensator wartości, aby wygenerować znacznie wyższą częstotliwość, powiedzmy 1 kHz lub 10 kHz, a następnie podzielić tę częstotliwość głównego zegara na pojedyncze mniejsze, aż do osiągnięcia wymaganej wartości niskiej częstotliwości, a drugi obwód powyżej tylko to robi.

Dolny obwód powyżej pokazuje oscylatorużywany do sterowania wejściem zegara licznika tętnień. Liczniki tętnienia są w zasadzie pewną liczbą przerzutników typu D dzielących przez 2, kaskadowanych razem, tworząc pojedynczy licznik dzielenia przez N, gdzie N jest równe liczbie bitów liczników, takich jak 7-bitowy CMOS Ripple Counter lub CMOS 4040 12-bitowy licznik tętnień.

Stała częstotliwość zegara wytwarzana przez Schmittaastable obwód impulsu zegarowego jest podzielony na szereg różnych sub-częstotliwości, takich jak ƒ ÷ 2, ƒ ÷ 4, ƒ ÷ 8, ƒ ÷ 256 itd., aż do maksymalnej wartości „dzielenia przez n” tętnienia licznik jest używany. Ten proces używania „Flip-flops”, „Binary Counters” lub „Ripple Counters” w celu podzielenia głównej stałej częstotliwości zegara na różne sub-częstotliwości jest znany jako Frequency Division i możemy go użyć do uzyskania szeregu wartości częstotliwości z pojedynczy generator przebiegów.

Generatory przebiegów NAND Gate

Generatory przebiegów Schmitt może być również wykonane przy użyciu standardowej logiki CMOS NANDBramki podłączone w celu wytworzenia obwodu falownika. Tutaj dwie bramki NAND są połączone ze sobą, aby wytworzyć inny typ obwodu oscylatora relaksacyjnego RC, który wygeneruje kształt fali wyjściowej w kształcie fali prostokątnej, jak pokazano poniżej.

Generator przebiegów NAND Gate

generator przebiegów zegara nand gate

W tego typu obwodzie generatora kształtu faliSieć RC jest utworzona z rezystora, R1 i kondensatora, C z tą siecią RC sterowaną przez wyjście pierwszej bramki NAND. Wyjście z tej sieci R1C jest przesyłane z powrotem do wejścia pierwszej bramki NAND przez rezystor, a gdy napięcie ładowania na kondensatorze osiąga górny poziom progowy pierwszej bramki NAND, bramka NAND zmienia stan powodując drugą bramkę NAND podążać za nim, zmieniając stan i powodując zmianę poziomu wyjściowego.

Napięcie w sieci R1C jest terazodwrócony i kondensator zaczyna rozładowywać się przez rezystor, aż osiągnie dolny poziom progowy pierwszej bramki NAND, powodując zmianę stanu dwóch bramek. Podobnie jak poprzedni układ generatorów fal Schmitt powyżej, częstotliwość oscylacji jest określana przez stałą czasową R1C, która jest podawana jako: 1 / 2.2R1C. Ogólnie R2 otrzymuje wartość, która jest 10 razy większa od wartości rezystora R1.

Gdy wymagana jest wysoka stabilność lub gwarantowany samoczynny rozruch, Generatory przebiegów CMOS można wykonać za pomocą trzech odwracających się bramek NAND lubdowolne trzy falowniki logiczne, w tym przypadku połączone ze sobą, jak pokazano poniżej, wytwarzając obwód nazywany czasem „pierścieniem trzech” generatorów fal. Częstotliwość oscylacji jest ponownie określana przez stałą czasową R1C, taką samą jak dla oscylatora z dwiema bramkami powyżej, która jest podana jako: 1 / 2.2R1C, gdy R2 ma wartość, która jest 10 razy większa od wartości rezystora, R1.

Stabilny generator przebiegów bramki NAND

stabilny generator przebiegów nand gate

Dodanie dodatkowych gwarancji bramki NANDże oscylator uruchomi się nawet przy bardzo niskich wartościach kondensatora. Również stabilność generatora przebiegu jest znacznie poprawiona, ponieważ jest mniej podatna na zmiany zasilania, ponieważ jego progowy poziom wyzwalania stanowi prawie połowę napięcia zasilania.

Wielkość stabilności zależy głównie od częstotliwości oscylacji i ogólnie mówiąc, im niższa częstotliwość, tym bardziej stabilny staje się oscylator.

W miarę działania tego typu generatora przebiegówPrawie połowa lub 50% napięcia zasilania, wynikowy przebieg wyjściowy ma prawie 50% cykl pracy, stosunek znak-przestrzeń 1: 1. Trójfazowy generator przebiegów ma wiele zalet w stosunku do poprzedniego oscylatora z dwiema bramkami, ale jego jedną dużą wadą jest to, że wykorzystuje dodatkową bramkę logiczną.

Generator przebiegu typu pierścieniowego

Widzieliśmy to powyżej Generatory przebiegów można wykonać przy użyciu zarówno TTL, jak i lepszego CMOStechnologia logiczna z siecią RC wytwarzająca opóźnienie czasowe w obwodzie po połączeniu przez jedną, dwie lub nawet trzy bramki logiczne w celu utworzenia prostego oscylatora relaksacyjnego RC. Ale możemy również generować generatory przebiegów używając tylko logicznych NOT bramek lub innymi słowy falowników bez żadnych dodatkowych pasywnych elementów podłączonych do nich.

Łącząc ze sobą dowolne DZIWNY liczba (3, 5, 7, 9 itd.) bramek NOT do postaciObwód „pierścieniowy”, tak że wyjście pierścienia jest podłączone bezpośrednio z powrotem do wejścia pierścienia, obwód będzie nadal oscylował, ponieważ poziom logiczny „1” stale obraca się wokół sieci, wytwarzając częstotliwość wyjściową określoną przez propagację opóźnienia zastosowanych falowników.

Ring Generator przebiegów

obwód generatora kształtu fali

Częstotliwość drgań jest określana przezcałkowite opóźnienie propagacji falowników stosowanych w pierścieniu i które jest określone przez rodzaj technologii bramki, TTL, CMOS, BiCMOS, z której falownik jest wykonany. Opóźnienie propagacji lub czas propagacji to całkowity czas wymagany (zwykle w nanosekundach) dla sygnału przechodzącego prosto przez falownik z logiki „0” docierającej do wejścia wytwarzającego logikę „1” na wyjściu.

Również dla tego typu pierścieniowego generatora falwahania obwodu napięcia zasilania, temperatury i pojemności obciążenia wpływają na opóźnienie propagacji bramek logicznych. Zwykle średni czas opóźnienia propagacji zostanie podany w arkuszach danych producenta dla typu bramek logiki cyfrowej używanych z częstotliwością drgań podaną jako

równanie częstotliwości oscylatora pierścieniowego

Gdzie: ƒ jest częstotliwością oscylacji, n jest liczbą używanych bramek, a Tp jest opóźnieniem propagacji dla każdej bramki.

Załóżmy na przykład, że prosty obwód generatora przebiegów ma 5 pojedynczych falowników połączonych szeregowo w celu utworzenia Oscylator pierścieniowy, opóźnienie propagacji dla każdego falownika jest podane jako 8ns. Następnie częstotliwość drgań będzie podawana jako:

częstotliwość oscylatora pierścieniowego

Oczywiście nie jest to praktyczneoscylator głównie ze względu na jego niestabilność i bardzo wysoką częstotliwość oscylacji, 10 megaherców w zależności od rodzaju zastosowanej technologii bramki logicznej, aw naszym prostym przykładzie obliczono ją na 12,5 MHz !!. Częstotliwość wyjściowa oscylatora pierścieniowego może być „dostrojona” przez zmianę liczby falowników używanych w pierścieniu, ale znacznie lepiej jest użyć bardziej stabilnego generatora przebiegu RC, takiego jak te omówione powyżej.

Niemniej jednak pokazuje, że bramki logiczne mogąbyć połączone razem, aby utworzyć generatory przebiegów oparte na logice i źle zaprojektowane obwody cyfrowe z dużą ilością bramek, wiadomo, że ścieżki sygnałowe i pętle sprzężenia zwrotnego oscylują w sposób niezamierzony.

Używając sieci RC przez falownikobwód, częstotliwość oscylacji może być dokładnie kontrolowana, tworząc bardziej praktyczny obwód oscylatora relaksacyjnego do zastosowania w wielu ogólnych zastosowaniach elektronicznych.

W następnym samouczku na temat krzywych i przebiegówPokolenie zbadamy Timer 555, który jest jednym z najbardziej popularnych i wszechstronnych układów scalonych, jakie kiedykolwiek wyprodukowano. Może on generować szeroką gamę różnych przebiegów i sygnałów czasowych od monostabilnych do astabilnych multiwibratorów.

Komentarze (0)
Dodaj komentarz