/ / Waveform generátory na výrobu časových signálov

Generátory priebehov na výrobu časových signálov

Generátory priebehov

V predchádzajúcich tutoriáloch sme sa pozrelidetail na troch rôznych typoch základných tranzistorových multivibrátorových obvodov, ktoré môžu byť použité ako relaxačné oscilátory na výrobu buď štvorcovej alebo obdĺžnikovej vlny na ich výstupoch na použitie ako hodinové a časovacie signály.

Ale je tiež možné vytvoriť základné Generátor priebehov obvody z jednoduchých integrovaných obvodov alebooperačné zosilňovače pripojené na odporový kondenzátorový (RC) tankový okruh alebo na kremenný kryštál na výrobu požadovaného binárneho alebo štvorcového vlnového výstupného tvaru vlny na požadovanej frekvencii.

Tento návod na generovanie vlny by bolneúplné bez niektorých príkladov digitálnych regeneratívnych spínacích obvodov, pretože ilustrujú tak spínaciu činnosť, ako aj činnosť generátorov tvaru vlny používaných na generovanie štvorcových vĺn na použitie ako načasovanie alebo sekvenčné tvary.

Vieme, že regeneračné spínacie obvody ako napr Astabilné multivibratory sú najčastejšie používaným typom relaxačného oscilátora, pretože produkujú konštantný štvorcový vlnový výstup, čo je ideálne ako digitálny Generátor priebehov.

Astabilné multivibratory robia vynikajúce oscilátorypretože sa nepretržite prepínajú medzi dvoma nestabilnými stavmi pri konštantnej frekvencii opakovania, čím sa vytvára nepretržitý výstup štvorcovej vlny s pomerom značiek 1: 1 („ON“ a „OFF“ krát rovnaký) z jeho výstupu a v tomto návode sa pozrieme na niektoré z rôznych spôsobov, ako môžeme konštruovať generátory priebehov pomocou štandardných logických obvodov TTL a CMOS spolu s niektorými ďalšími komponentmi diskrétneho časovania.

Schmittove generátory vlnových priebehov

prostý Generátory priebehov môže byť vytvorený pomocou základného Schmittovho spúšťačaakčné meniče ako TTL 74LS14. Táto metóda je zďaleka najjednoduchší spôsob, ako vytvoriť základný generátor generovateľných priebehov. Keď sa astabilný multivibrátor používa na výrobu hodinových alebo časovacích signálov, musí produkovať stabilný priebeh, ktorý sa rýchlo prepína medzi stavmi „HIGH“ a „LOW“ bez akéhokoľvek skreslenia alebo šumu, a invertory Schmitt to robia.

Vieme, že výstupný stav Schmittainvertor je opačný alebo inverzný k invertoru jeho vstupného stavu (princípy NOT gate) a že môže meniť stav na rôznych úrovniach napätia, čo ho robí „hysteréziou“.

Meniče Schmitt používajú Schmittovu spúšťaciu akciuktorý mení stav medzi hornou a dolnou prahovou úrovňou, keď sa signál vstupného napätia zvyšuje a znižuje o vstupnom termináli. Táto horná prahová úroveň „nastavuje“ výstup a dolná prahová úroveň „vynuluje“ výstup, ktorý sa rovná logike „0“ a logike „1“ pre menič. Zvážte nižšie uvedený okruh.

Schmitt generátor vlnových priebehov

generátor spúšťacej vlny

Tento jednoduchý generátor krivky sa skladájedného logického hradla jedného TTL 74LS14 Schmittovho invertorového logika s kondenzátorom C pripojeným medzi jeho vstupnou svorkou a uzemnením (0v) a kladnou spätnou väzbou potrebnou na to, aby obvod kmital poskytovaný spätnoväzobným odporom R.

Tak ako to funguje ?. Predpokladajme, že náboj na platniach kondenzátorov je pod dolnou prahovou hodnotou Schmittovej hodnoty 0,8 voltu (hodnota údajového listu). Preto je vstup do meniča na logickej úrovni „0“, čo má za následok logickú výstupnú úroveň „1“ (princípy meniča).

Teraz je pripojená jedna strana rezistora Rvýstup logickej úrovne „1“ (+ 5V), zatiaľ čo druhá strana rezistora je pripojená na kondenzátor C, ktorý je na logickej úrovni „0“ (0,8v alebo nižšej). Kondenzátor sa teraz začne nabíjať v kladnom smere cez rezistor rýchlosťou určenou časovou konštantou RC kombinácie.

Keď sa náboj cez kondenzátor dostane naHorná hranica 1,6 voltu Schmittovho spúšťača (hodnota dátového listu) výstup zo Schmittovho invertora sa rýchlo mení z logickej úrovne „1“ na stav „0“ logickej úrovne a prúd prúdiaci cez odpor mení smer.

Táto zmena teraz spôsobuje kondenzátorpôvodne nabíjanie cez rezistor R, aby sa začalo samovoľne vybíjať cez ten istý odpor, až kým náboj cez dosky kondenzátorov nedosiahne dolnú prahovú úroveň 0,8 voltov a výstupy meničov opäť zapnú, pričom sa cyklus opakuje znova a znova ako vždy pokiaľ je prítomné napájacie napätie.

Takže kondenzátor C sa neustále nabíja asamočinného vybíjania počas každého cyklu medzi vstupnými hornými a dolnými prahovými úrovňami meniča Schmitt produkujúcimi logickú úroveň „1“ alebo logickú úroveň „0“ na výstupe meniča. Výstupný priebeh však nie je symetrický, čo vytvára pracovný cyklus približne 33% alebo 1/3, pretože pomer medzi značkami „HIGH“ a „LOW“ je 1: 2 v dôsledku charakteristík vstupnej brány TTL. striedač.

Hodnota odporového odporu, (R) MUSTtiež udržiavané na nízkej úrovni pod 1kΩ, aby obvod správne kmital, 220R až 470R je dobrý, a zmenou hodnoty kondenzátora C na zmenu frekvencie. Aj pri vysokofrekvenčných úrovniach výstupný tvar vlny mení tvar z štvorcového tvaru vlny na lichobežníkový tvar vlny, pretože vstupné charakteristiky TTL hradla sú ovplyvnené rýchlym nabíjaním a vybíjaním kondenzátora. Frekvencia kmitania pre Schmittove generátory vlnových priebehov sa preto uvádza ako:

Frekvencia tvaru Schmittovej vlny

schmitt astable generátor vlnových priebehov

S hodnotou odporu medzi: 100R až 1kΩ a hodnotou kondenzátora medzi: 1nF až 1000uF. To by poskytlo frekvenčný rozsah medzi 1 Hz až 1 MHz, (vysoké frekvencie spôsobujú skreslenie tvaru vlny).

Všeobecne platí, že štandardné logické brány TTL nefungujúpríliš dobre ako generátory tvaru vlny v dôsledku ich priemerných vstupných a výstupných charakteristík, skreslenia výstupného tvaru vlny a nízkej hodnoty požadovaného odporu spätnej väzby, čo vedie k veľkému vysokokapacitnému kondenzátoru pre nízkofrekvenčnú prevádzku.

Taktiež TTL oscilátory nemusia oscilovať, ak jehodnota spätnoväzbového kondenzátora je príliš malá. Môžeme však tiež vyrobiť Astable Multivibrators pomocou lepšej technológie logiky CMOS, ktorá pracuje od 3V do 15V, ako je napríklad CMOS 40106B Schmitt Inverter.

CMOS 40106 je jeden vstupný menič srovnaká Schmitt-trigger akcia ako TTL 74LS14, ale s veľmi dobrou odolnosťou voči šumu, vysokou šírkou pásma, vysokým ziskom a vynikajúcimi vstupno-výstupnými charakteristikami, ktoré produkujú viac „štvorcový“ výstupný priebeh, ako je znázornené nižšie.

CMOS Schmitt Waveform Generator

cmos schmitt generátor spúšťacej vlny

Obvod generátorov Schmittovho tvaru preCMOS 40106 je v podstate rovnaká ako pre predchádzajúci menič TTL 74LS14, s výnimkou pridania rezistora 10kΩ, ktorý sa používa na zabránenie poškodeniu kondenzátora citlivými vstupnými tranzistormi MOSFET, pretože sa rýchlo vybíja pri vyšších frekvenciách.

Pomer mark-space je rovnomernejšípribližne 1: 1 s hodnotou spätnoväzbového odporu zvýšenou pod 100kΩ, čo má za následok menší a lacnejší časovací kondenzátor C. Frekvencia kmitania nemusí byť rovnaká ako: (1 / 1,2RC), pretože vstupné charakteristiky CMOS sú odlišné od TTL. S hodnotou odporu medzi: 1kΩ a 100kΩ a hodnotou kondenzátora medzi: 1pF až 100uF. To by poskytlo frekvenčný rozsah od 0,1 Hz do 100 kHz.

Schmittove generátory vlnových priebehov môžu byť tiež vyrobené z rôznych druhovlogických brán pripojených na vytvorenie invertorového obvodu. Základný Schmittov astabilný multivibrátorový obvod môže byť ľahko modifikovaný niektorými ďalšími komponentmi, aby produkoval rôzne výstupy alebo frekvencie. Napríklad, dva inverzné tvary vĺn alebo viacnásobné frekvencie a zmenou pevného odporového odporu na potenciometer sa výstupná frekvencia môže meniť, ako je znázornené nižšie.

Generátory časových priebehov

generátor časových priebehov

V prvom okruhu vyššie, ďalšie SchmittMenič bol pridaný na výstup generátora vlnových kriviek Schmitt, aby vytvoril druhú vlnovú formu, ktorá je inverzným alebo zrkadlovým obrazom prvého produkujúceho dva komplementárne výstupné priebehy, takže keď je jeden výstup „HIGH“, druhý je „LOW“. Tento druhý menič Schmitt tiež zlepšuje tvar inverzného výstupného tvaru vlny, ale pridáva k nemu malé „oneskorenie hradla“, takže nie je presne synchronizovaný s prvým.

Tiež výstupná frekvencia oscilátoraobvod sa môže meniť zmenou pevného odporu R na potenciometer, ale stále je potrebný menší odpor na zabránenie skratu potenciometra pri jeho minimálnej hodnote 0Ω.

spínač tranzistora

Môžeme tiež použiť dva komplementárne výstupy, Qa Q prvého obvodu na alternatívne blikanie dvoch sád svetiel alebo LED pomocou ich výstupov priamo na základne dvoch spínacích tranzistorov, ako je znázornené.

Týmto spôsobom je pripojená jedna alebo niekoľko LED diódspolu v kole s kolektorom spínacích tranzistorov, čo má za následok striedavé záblesky každej sady LED, pretože každý tranzistor je zasa zapnutý.

Tiež pri použití tohto typu obvodu, nezabudnite vypočítať vhodný sériový odpor, R, aby sa obmedzil LED prúd pod 20mA (červená LED) pre napätie, ktoré používate.

Aby bolo možné generovať veľmi nízkofrekvenčný výstup s niekoľkými Hertzmi, aby sa rozsvietili LED diódy, generátory priebehov Schmitt používajú vysokohodnotové časovacie kondenzátory, ktoré môžu byť fyzicky veľké a drahé.

Jedným z alternatívnych riešení je aj použitie menšiehohodnota kondenzátor generovať oveľa vyššiu frekvenciu, povedzme 1kHz alebo 10kHz, a potom rozdeliť túto hlavnú hodinovú frekvenciu nadol do jednotlivých menších, až kým sa nedosiahne požadovaná nízkofrekvenčná hodnota, a druhý okruh nad to robí práve to.

Spodný obvod zobrazuje oscilátorsa používa na riadenie hodinového vstupu zvlnenia počítadla. Čítače zvlnenia sú v podstate počet rozdelených žetónov typu D-by-2, typu D, ktoré sú kaskádovo spojené, aby vytvorili jeden čítač delenia podľa N, kde N sa rovná počtu bitov počítadiel, ako je napríklad CMOS 4024 7-bit Počítadlo zvlnenia alebo 12-bitový čítač zvlnenia CMOS 4040.

Pevná hodinová frekvencia produkuje Schmittastabilný hodinový impulzový obvod je rozdelený do niekoľkých rôznych podfrekvencií, ako sú ƒ ÷ 2, ƒ ÷ 4, ƒ ÷ 8, ƒ ÷ 256, atď., až do maximálnej hodnoty „Rozdeľovať po n“ zvlnenia počítadlo. Tento proces použitia „Flip-flops“, „Binary Counters“ alebo „Ripple Counters“ na rozdelenie hlavnej pevnej frekvencie hodín do rôznych subfrekvencií je známy ako Frequency Division a môžeme ho použiť na získanie množstva frekvenčných hodnôt od generátor jedinej vlny.

Generátory priebehov NAND Gate

Schmittove generátory vlnových priebehov možno vykonať aj pomocou štandardnej logiky CMOS NANDBrány sú pripojené na vytvorenie invertorového obvodu. Tu sú dve brány NAND prepojené dohromady, aby vytvorili ďalší typ obvodu RC relaxačného oscilátora, ktorý vygeneruje výstupný tvar vlny so štvorcovou vlnou, ako je znázornené nižšie.

NAND Gate Waveform Generator

generátor nulových hradiel

V tomto type obvodu generátora signáluRC sieť je tvorená odporom, R1 a kondenzátorom C, pričom táto RC sieť je riadená výstupom prvej NAND brány. Výstup z tejto siete R1C sa privádza späť na vstup prvého NAND hradla cez odpor, R2 a keď nabíjacie napätie na kondenzátore dosiahne hornú prahovú úroveň prvého NAND brány, NAND brána zmení stav spôsobujúci druhú NAND bránu nasledovať ho, a tým meniť stav a produkovať zmenu výstupnej úrovne.

Napätie v sieti R1C je terazobrátený a kondenzátor sa začne vybíjať cez odpor, až kým nedosiahne dolnú prahovú úroveň prvej brány NAND, čo spôsobí, že tieto dve brány opäť zmenia stav. Podobne ako pri predchádzajúcom obvode generátorov Schmittovho tvaru, je frekvencia oscilácií určená časovou konštantou R1C, ktorá je daná ako: 1 / 2,2R1C. Všeobecne R2 má hodnotu, ktorá je 10-násobok hodnoty odporu R1.

Ak sa vyžaduje vysoká stabilita alebo zaručený samočinný rozbeh, Generátory tvaru CMOS možno vykonať pomocou troch inverzných brán NAND alebovšetky tri logické invertory pre túto záležitosť, spojené dohromady, ako je znázornené nižšie, produkujú obvod, ktorý sa niekedy nazýva „kruh trojgeneračného generátora“. Frekvencia kmitania je opäť určená časovou konštantou R1C, ktorá je rovnaká ako pre dvojcestný oscilátor uvedený vyššie a ktorá je daná ako: 1 / 2,2R1C keď R2 má hodnotu, ktorá je 10-násobok hodnoty odporu, R1.

Stabilný generátor priebehov NAND Gate Waveform

generátor stabilnej nand brány

Pridanie dodatočných záruk NAND brányže oscilátor začne aj pri veľmi nízkych hodnotách kondenzátora. Stabilita generátora vĺn je tiež výrazne zlepšená, pretože je menej náchylná na odchýlky napájania, pretože úroveň jeho prahového spúšťania je takmer polovica napájacieho napätia.

Množstvo stability je určené hlavne frekvenciou kmitania a všeobecne povedané, čím nižšia frekvencia, tým stabilnejšia je oscilátor.

Pretože tento typ generátora signálu pracuje naTakmer polovica alebo 50% napájacieho napätia má výsledný výstupný priebeh veľmi takmer 50% pracovný cyklus, pomer 1: 1 mark-space. Generátor trojcestných priebehov má mnoho výhod oproti predchádzajúcemu oscilátoru s dvomi bránami, ale jeho jednou veľkou nevýhodou je, že používa dodatočnú logickú bránu.

Generátor krivky typu vlny

Videli sme to vyššie Generátory priebehov možno vykonať pomocou TTL aj lepšej CMOSlogická technológia s RC sieťou produkujúcou časové oneskorenie v obvode, keď je pripojený cez jeden, dva alebo dokonca tri logické brány, aby vytvorili jednoduchý RC relaxačný oscilátor. Môžeme však aj generátory priebehov používať len logické NOT Gates alebo inými slovami Invertory bez toho, aby k nim boli pripojené akékoľvek ďalšie pasívne komponenty.

Spojením všetkých ZVLÁŠTNY číslo (3, 5, 7, 9 atď.) brán NOT na vytvorenie a„Kruhový“ obvod, takže výstup prstenca je pripojený priamo späť na vstup prstenca, obvod bude naďalej kmitať, pretože logická úroveň „1“ sa neustále otáča okolo siete produkujúcej výstupnú frekvenciu, ktorá je určená šírením oneskorenia použitých meničov.

Generátor krivky

obvod generátora krivky

Frekvencia kmitania je určenácelkové oneskorenie šírenia meničov použitých v krúžku a ktoré samo o sebe určuje typ hradlovej technológie, TTL, CMOS, BiCMOS, z ktorého je menič vyrobený. Čas oneskorenia šírenia alebo času šírenia je celkový čas potrebný (zvyčajne v nanosekundách) pre signál, ktorý prejde priamo cez invertor z logiky „0“, ktorá príde na vstup, čím vytvára logiku „1“ na svojom výstupe.

Tiež pre tento typ generátora krivkyzmeny obvodu v napájacom napätí, teplote a kapacite zaťaženia ovplyvňujú oneskorenie šírenia logických hradiel. Vo všeobecnosti sa v údajovom liste výrobcu uvádza priemerná doba oneskorenia šírenia pre typ použitých brán digitálnej logiky s frekvenciou kmitania udávanou ako:

frekvenčná rovnica kmitočtového oscilátora

Kde: ƒ je frekvencia oscilácie, n je počet použitých brán a Tp je oneskorenie šírenia pre každú bránu.

Predpokladajme napríklad, že jednoduchý obvod generátora vlny má 5 samostatných striedačov, ktoré sú navzájom spojené v sérii, aby vytvorili a Kruhový oscilátor, oneskorenie šírenia pre každý menič je uvedené ako 8ns. Potom bude frekvencia oscilácií daná ako:

kmitočtu oscilátora

Samozrejme, nie je to naozaj praktickéoscilátor hlavne kvôli jeho nestabilite a veľmi vysokej frekvencii oscilácií, 10 Megahertz v závislosti od typu použitej technológie logických hradiel av našom jednoduchom príklade bol vypočítaný ako 12,5MHz !!. Výstupná frekvencia oscilátorového prstenca môže byť „ladená“ trochu zmenou počtu meničov použitých v rámci kruhu, ale je oveľa lepšie použiť stabilnejší generátor vlnových priebehov ako tie, o ktorých sme hovorili vyššie.

Ukazuje však, že logické brány môžubyť spojené dohromady na vytvorenie logických generátorov vlnových dĺžok a zle navrhnutých digitálnych obvodov s množstvom brán, signálových ciest a slučiek spätnej väzby, o ktorých sa vie, že oscilujú neúmyselne.

Pomocou siete RC cez meničFrekvencia oscilácií môže byť presne riadená, čím sa vytvorí praktickejší okruh astabilných relaxačných oscilátorov na použitie v mnohých všeobecných elektronických aplikáciách.

V ďalšom návode o tvaroch a vlnáchGenerácia, budeme skúmať 555 Timer, ktorý je jedným z najobľúbenejších a všestranných integrovaných obvodov, aké boli kedy vyrobené a ktoré môžu generovať širokú škálu rôznych priebehov a časovacích signálov od monostabilných až po astabilné multivibratory.

Komentáre (0)
Pridať komentár