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Geradores de formas de onda para produzir sinais de tempo

Geradores de forma de onda

Nos tutoriais anteriores, procuramosdetalhe nos três tipos diferentes de circuitos multivibradores básicos de transistor que podem ser usados ​​como osciladores de relaxamento para produzir uma onda quadrada ou retangular em suas saídas para uso como sinais de relógio e temporização.

Mas também é possível construir Gerador de formas de onda circuitos a partir de circuitos integrados simples ouamplificadores operacionais conectados a um circuito de tanque de resistor-capacitor (RC) ou a um cristal de quartzo para produzir a forma de onda de saída de onda quadrada ou binária necessária na frequência desejada.

Este tutorial de geração de formas de onda seriaincompleta sem alguns exemplos de circuitos de comutação regenerativos digitais, uma vez que ilustra tanto a ação de comutação quanto a operação de geradores de formas de onda usados ​​para gerar ondas quadradas para uso como formas de onda de temporização ou sequenciais.

Sabemos que circuitos de comutação regenerativa como Multivibradores Astable são o tipo de oscilador de relaxamento mais comumente usado, pois produzem uma saída de onda quadrada constante, tornando-os ideais como um Gerador de formas de onda.

Multivibradores Astable fazem excelentes osciladoresporque eles mudam continuamente entre seus dois estados instáveis ​​a uma taxa de repetição constante produzindo uma saída de onda quadrada contínua com uma relação de espaço de marca de 1: 1 (“ON” e “OFF” vezes a mesma) de sua saída e neste tutorial nós Examinaremos algumas das diferentes maneiras pelas quais podemos construir geradores de formas de onda usando apenas circuitos lógicos padrão TTL e CMOS, juntamente com alguns componentes de temporização discretos adicionais.

Geradores de formas de onda Schmitt

Simples Geradores de formas de onda pode ser construído usando o gatilho básico de Schmittinversores de ação, como o TTL 74LS14. Este método é de longe a maneira mais fácil de fazer um gerador básico de formas de onda astáveis. Quando usado para produzir sinais de relógio ou tempo, o multivibrador astável deve produzir uma forma de onda estável que alterna rapidamente entre os estados “HIGH” e “LOW” sem qualquer distorção ou ruído, e os inversores Schmitt fazem exatamente isso.

Sabemos que o estado de saída de um Schmittinversor é o inverso ou inverso ao de seu estado de entrada, (NÃO princípios de porta) e que pode mudar de estado em diferentes níveis de tensão dando-lhe "histerese".

Inversores Schmitt usam uma ação do gatilho Schmittque muda de estado entre um nível de limite superior e um limite inferior à medida que o sinal de tensão de entrada aumenta e diminui em relação ao terminal de entrada. Este nível de limite superior “ajusta” a saída e o nível de limite inferior “redefine” a saída, o que equivale a uma lógica “0” e uma lógica “1”, respectivamente, para um inversor. Considere o circuito abaixo.

Gerador de formas de onda inversor Schmitt

Gerador de formas de onda do gatilho schmitt

Este circuito gerador de forma de onda simples consistede uma única porta lógica inversora TTL 74LS14 Schmitt com um capacitor, C conectado entre o terminal de entrada e o terra, (0v) e o feedback positivo necessário para que o circuito oscile sendo fornecido pelo resistor de realimentação, R.

Então, como isso funciona?. Suponha que a carga nas placas dos capacitores esteja abaixo do nível de limite inferior de 0,8 volt (valor da folha de dados) do Schmitt. Isso, portanto, faz a entrada para o inversor em um nível lógico "0", resultando em um nível de saída lógico "1" (inversores principais).

Um lado do resistor R agora está conectado aa saída lógica de nível “1” (+ 5V) enquanto o outro lado do resistor é conectado ao capacitor, C que está em um nível lógico “0” (0.8v ou abaixo). O capacitor agora começa a carregar em uma direção positiva através do resistor em uma taxa determinada pela constante de tempo RC da combinação.

Quando a carga através do capacitor atinge oNível de limiar superior de 1,6 volt do gatilho de Schmitt (valor da folha de dados) a saída do inversor Schmitt muda rapidamente de um nível lógico “1” para um estado lógico “0” e a corrente que passa pelo resistor muda de direção.

Essa mudança agora faz com que o capacitor que estavaoriginalmente carregando através do resistor, R para começar a se descarregar através do mesmo resistor até que a carga através das placas dos capacitores atinja o nível de limite inferior de 0,8 volts e os comutadores de saída do inversor voltem a se repetir com o ciclo repetindo-se repetidamente desde que a tensão de alimentação esteja presente.

Então, o capacitor, C está constantemente carregando edescarregando-se durante cada ciclo entre os níveis de entrada e saída do inversor Schmitt produzindo um nível lógico “1” ou um nível lógico “0” na saída do inversor. No entanto, a forma de onda de saída não é simétrica, produzindo um ciclo de trabalho de cerca de 33% ou 1/3, já que a relação entre a marca e o espaço entre 1 e 2 respectivamente é devida às características da porta de entrada do TTL. inversor.

O valor do resistor de feedback, (R) DEVEtambém deve ser mantido abaixo de 1kΩ para que o circuito oscile corretamente, 220R a 470R é bom, e variando o valor do capacitor, C para variar a freqüência. Também em níveis de alta frequência, a forma de onda de saída muda de forma a partir de uma forma de onda quadrada para uma forma de onda trapezoidal, uma vez que as características de entrada da porta TTL são afetadas pelo rápido carregamento e descarregamento do capacitor. A frequência de oscilação para Geradores de formas de onda Schmitt é, portanto, dado como:

Freqüência de Forma de Onda Schmitt

schmitt gerador de formas de onda astável

Com um valor de resistência entre: 100R a 1kΩ e um valor de capacitor entre: 1nF a 1000uF. Isso daria um intervalo de freqüência entre 1Hz a 1MHz (altas freqüências produzem distorção de forma de onda).

Geralmente, as portas lógicas padrão TTL não funcionammuito bem como geradores de forma de onda devido às suas características médias de entrada e saída, distorção da forma de onda de saída e baixo valor do resistor de realimentação requerido, resultando em um capacitor grande de alto valor para operação de baixa frequência.

Os osciladores TTL também não podem oscilar seO valor do capacitor de feedback é muito pequeno. No entanto, também podemos fazer multivibradores Astable usando uma melhor tecnologia lógica CMOS que opera de uma fonte de 3V a 15V, como o CMOS 40106B Schmitt Inverter.

O CMOS 40106 é um inversor de entrada único coma mesma ação do gatilho de Schmitt que o TTL 74LS14 mas com muito boa imunidade a ruídos, alta largura de banda, alto ganho e excelentes características de entrada / saída para produzir uma forma de onda de saída mais “quadrada” conforme mostrado abaixo.

Gerador de formas de onda CMOS Schmitt

Gerador de forma de onda de gatilho cmos schmitt

O circuito dos geradores de formas de onda Schmitt para oO CMOS 40106 é basicamente o mesmo que para o inversor TTL 74LS14 anterior, exceto pela adição do resistor de 10kΩ que é usado para evitar que o capacitor danifique os transistores de entrada MOSFET sensíveis à medida que descarrega rapidamente em freqüências mais altas.

A relação marca / espaço é mais equilibradacerca de 1: 1 com o valor do resistor de realimentação aumentado para menos de 100kΩ resultando em um capacitor de temporização menor e mais barato, C. A freqüência de oscilação pode não ser igual a: (1 / 1.2RC) como características de entrada CMOS são diferentes do TTL. Com um valor de resistência entre: 1kΩ e 100kΩ e um valor de capacitor entre: 1pF a 100uF. Isso daria uma faixa de freqüência entre 0.1Hz a 100kHz.

Geradores de formas de onda inversoras Schmitt também pode ser feito a partir de uma variedade de diferentesportas lógicas conectadas para formar um circuito inversor. O circuito multivibrador básico Schmitt astable pode ser facilmente modificado com alguns componentes adicionais para produzir diferentes saídas ou freqüências. Por exemplo, duas formas de onda inversas ou múltiplas freqüências e alterando o resistor de realimentação fixo para um potenciômetro, a freqüência de saída pode ser variada como mostrado abaixo.

Geradores de forma de onda de relógio

gerador de forma de onda de relógio

No primeiro circuito acima, um Schmitt adicionalO inversor foi adicionado à saída do gerador de formas de onda Schmitt para produzir uma segunda forma de onda que é a imagem inversa ou espelhada da primeira produzindo duas formas de onda de saída complementares, então quando uma saída é “HIGH” a outra é “BAIXA”. Este segundo inversor Schmitt também melhora a forma da forma de onda da saída inversa, mas adiciona um pequeno "atraso de porta" a ela, portanto, não está exatamente em sincronia com a primeira.

Além disso, a freqüência de saída do osciladorO circuito pode ser variado mudando-se o resistor fixo, R em um potenciômetro, mas um resistor de realimentação menor ainda é necessário para evitar que o potenciômetro encurte o inversor quando este estiver no seu valor mínimo, 0Ω.

interruptor de transistor led

Nós também podemos usar as duas saídas complementares, Qe Q do primeiro circuito alternadamente piscar dois conjuntos de luzes ou LEDs conectando suas saídas diretamente às bases de dois transistores de chaveamento, como mostrado.

Desta forma, um ou vários LED's conectadosjuntos em série com o coletor dos transistores chaveadores, resultando em flashes alternados de cada conjunto de LEDs, à medida que cada transistor é ligado “ON” por vez.

Além disso, ao usar esse tipo de circuito, lembre-se de calcular um resistor em série adequado, R, para limitar a corrente do LED a menos de 20mA (LEDs vermelhos) para a tensão que você está usando.

A fim de gerar uma saída de frequência muito baixa de alguns Hertz para acender os LEDs, os geradores de formas de onda Schmitt usam capacitores de temporização de alto valor, que podem ser fisicamente grandes e caros.

Uma solução alternativa é também usar um menorcapacitor de valor para gerar uma freqüência muito maior, digamos 1kHz ou 10kHz, e então dividir essa frequência de clock principal em menores individuais até que o valor de baixa frequência seja alcançado, e o segundo circuito acima faça exatamente isso.

O circuito inferior acima mostra o osciladorsendo usado para acionar a entrada de relógio de um contador de ondulação. Os contadores de ondulação são basicamente um número de flip-flops tipo D divididos por 2, que formam um único contador de divisão por N, em que N é igual à contagem de bits de contadores, como o CMOS 4024 de 7 bits Ripple Counter ou o contador de ondulação CMOS 4040 de 12 bits.

A freqüência de clock fixa produzida pelo SchmittO circuito de pulsos de clock é dividido em várias sub-frequências diferentes, como, ƒ ÷ 2, ƒ ÷ 4, ƒ 8, ƒ 256, etc., até o valor máximo de “Divide-by-n” do ripple contador sendo usado. Este processo de usar “Flip-flops”, “Binary Counters” ou “Ripple Counters” para dividir uma frequência de clock fixo principal em diferentes sub-frequências é conhecido como Divisão de Freqüência e podemos usá-lo para obter um número de valores de frequência de um gerador de forma de onda única.

Geradores de forma de onda do portão NAND

Geradores de formas de onda Schmitt também pode ser feito usando o padrão CMOS Logic NANDPortas conectadas para produzir um circuito inversor. Aqui, duas portas NAND são conectadas juntas para produzir outro tipo de circuito oscilador de relaxação RC que gerará uma forma de onda de saída em forma de onda quadrada como mostrado abaixo.

Gerador de forma de onda do portão NAND

gerador de forma de onda do relógio nand gate

Neste tipo de circuito gerador de forma de onda, oA rede RC é formada pelo resistor, R1 e o capacitor C, com esta rede RC sendo controlada pela saída da primeira porta NAND. A saída desta rede R1C é realimentada para a entrada da primeira porta NAND via resistor, R2 e quando a tensão de carga através do capacitor atinge o nível limite superior da primeira porta NAND, a porta NAND muda de estado causando a segunda porta NAND segui-lo, mudando assim o estado e produzindo uma mudança no nível de saída.

A tensão através da rede R1C é agorainvertido e o capacitor começa a descarregar através do resistor até atingir o nível de limite inferior da primeira porta NAND, fazendo com que os dois portões mudem de estado novamente. Como o circuito anterior de geradores de formas de onda Schmitt acima, a freqüência de oscilação é determinada pela constante de tempo R1C que é dada como: 1 / 2.2R1C. Geralmente, R2 recebe um valor que é 10 vezes o valor do resistor R1.

Quando alta estabilidade ou garantida auto-partida é necessária, Geradores de formas de onda CMOS pode ser feito usando três portas NAND invertidas ouquaisquer três inversores lógicos para esse assunto, conectados juntos como mostrado abaixo, produzindo um circuito que é às vezes chamado de “o anel de três” gerador de forma de onda. A frequência de oscilação é determinada novamente pela constante de tempo R1C, a mesma que para o oscilador de duas portas acima, e que é dada como: 1 / 2.2R1C quando R2 tem um valor que é 10 vezes o valor da resistência, R1.

Gerador estável da forma de onda da porta de NAND

gerador estável de forma de onda de porta nand

A adição das garantias extras da porta NANDque o oscilador iniciará mesmo com valores de capacitor muito baixos. Além disso, a estabilidade do gerador de forma de onda é bastante melhorada, pois é menos suscetível a variações na fonte de alimentação, devido ao seu nível de disparo limiar sendo quase metade da tensão de alimentação.

A quantidade de estabilidade é determinada principalmente pela frequência de oscilação e, de um modo geral, quanto menor a frequência, mais estável se torna o oscilador.

Como esse tipo de gerador de forma de onda operaquase metade ou 50% da tensão de alimentação, a forma de onda de saída resultante tem quase um ciclo de trabalho de 50%, razão marca-espaço de 1: 1. O gerador de formas de onda de três portas tem muitas vantagens em relação ao oscilador anterior de duas portas, mas sua grande desvantagem é que ele usa uma porta lógica adicional.

Gerador de formas de onda tipo anel

Nós vimos acima que Geradores de formas de onda pode ser feito usando o TTL e o melhor CMOStecnologia lógica com uma rede RC produzindo um atraso de tempo dentro do circuito quando conectado através de uma, duas ou até três portas lógicas para formar um simples Oscilador de Relaxamento RC. Mas também podemos fazer geradores de forma de onda usando apenas Logic NOT Gates ou, em outras palavras, inversores sem nenhum componente passivo adicional conectado a eles.

Conectando qualquer ÍMPAR número (3, 5, 7, 9 etc) de portas NÃO para formar umCircuito “ring”, de modo que a saída do anel seja conectada diretamente à entrada do anel, o circuito continuará a oscilar conforme o nível lógico “1” gira constantemente em torno da rede, produzindo uma freqüência de saída que é determinada pela propagação atrasos dos inversores utilizados.

Gerador de forma de onda de anel

circuito gerador de forma de onda de anel

A freqüência de oscilação é determinada peloatraso total de propagação dos Inversores utilizados dentro do anel e que é determinado pelo tipo de tecnologia de porta, TTL, CMOS, BiCMOS de onde o inversor é fabricado. Atraso de propagação ou tempo de propagação, é o tempo total necessário (geralmente em nanossegundos) para um sinal passar direto pelo inversor de uma lógica “0” que chega à entrada produzindo uma lógica “1” na saída.

Também para este tipo de gerador de formas de onda de anelvariações de circuito na tensão de alimentação, temperatura e capacitância de carga afetam o atraso de propagação de portas lógicas. Geralmente, um tempo médio de atraso de propagação será fornecido nas folhas de dados do fabricante para o tipo de portas lógicas digitais usadas com a frequência de oscilação fornecida como:

equação da freqüência do oscilador do anel

Onde: ƒ é a freqüência de Oscilação, n é o número de portas usadas e Tp é o atraso de propagação para cada porta.

Por exemplo, suponha que um circuito gerador de forma de onda simples tenha 5 inversores individuais conectados em série para formar um Oscilador de anel, o atraso de propagação para cada inversor é dado como 8ns. Então a freqüência de oscilação será dada como:

freqüência do oscilador do anel

Claro, isso não é realmente uma práticaOscilador devido principalmente à sua instabilidade e freqüência de oscilação muito alta, 10 de Megahertz, dependendo do tipo de tecnologia de porta lógica usada, e no nosso exemplo simples, foi calculado como 12,5 MHz !!. A freqüência de saída do oscilador de anel pode ser “sintonizada” um pouco, variando o número de inversores usados ​​dentro do anel, mas é muito melhor usar um gerador de forma de onda RC mais estável, como os que discutimos acima.

No entanto, isso mostra que portas lógicas podemser conectado em conjunto para produzir geradores de forma de onda baseados em lógica e circuitos digitais mal projetados com muitos portões, caminhos de sinal e loops de feedback são conhecidos por oscilarem involuntariamente.

Usando uma rede RC através do inversorcircuito, a frequência de oscilação pode ser controlada com precisão, produzindo um circuito oscilador de relaxamento mais prático para uso em muitas aplicações eletrônicas gerais.

No próximo tutorial sobre formas de onda e forma de ondaGeração, vamos examinar o 555 Timer, que é um dos circuitos integrados mais populares e versáteis já produzidos que podem gerar uma ampla gama de diferentes formas de onda e sinais de temporização de multivibradores monoestáveis ​​a astáveis.

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