/ / Waveform Generators för att producera tidssignaler

Waveform Generators för att producera tidssignaler

Vågform generatorer

I de tidigare handledningarna har vi tittat indetalj på de tre olika typerna av grundläggande transistor multivibratorkretsar som kan användas som avslappningsoscillatorer för att producera antingen en kvadratisk eller rektangulär våg vid sina utgångar för användning som klock- och tidssignaler.

Men det är också möjligt att konstruera grundläggande Waveform Generator kretsar från enkla integrerade kretsar elleroperativa förstärkare anslutna till en motståndskondensator (RC) tankkrets eller till en kvartskristall för att producera den erforderliga binära eller fyrkantiga vågutgångsvågformen vid önskad frekvens.

Denna handledning för vågformsgenerering skulle varaofullständig utan några exempel på digitala regenerativa omkopplingskretsar, eftersom det illustrerar både växlingsverkan och driften av vågformgeneratorer som används för att generera fyrkantiga vågor för användning som tids- eller sekventiella vågformer.

Vi vet att regenerativa omkopplingskretsar som Astable Multivibrators är den vanligaste typen av avslappningsoscillator eftersom de producerar en konstant kvadratvågsutgång, vilket gör dem ideala som en digital Waveform Generator.

Astana multivibratorer gör utmärkta oscillatorereftersom de växlar kontinuerligt mellan sina två instabila tillstånd vid en konstant repetitionshastighet och därigenom producerar en kontinuerlig kvadratvågsutmatning med ett 1: 1 mark-space-förhållande ("ON" och "OFF" gånger samma) från dess utgång och i denna handledning vi kommer att titta på några av de olika sätten vi kan konstruera vågform generatorer med bara standard TTL och CMOS logikkretsar tillsammans med några ytterligare diskreta timing komponenter.

Schmitt Waveform Generators

Enkel Waveform Generators kan konstrueras med grundläggande Schmitt triggeractioninverterare som TTL 74LS14. Den här metoden är överlägset det enklaste sättet att göra en grundläggande astabellvågformgenerator. När den används för att producera klock- eller tidssignaler, måste den astabila multivibratorn producera en stabil vågform som snabbt växlar mellan sina "HIGH" och "LOW" -lägen utan förvrängning eller brus och Schmitt-omformare gör just det.

Vi vet att en Schmitts utmatningstillståndinverteraren är motsatt eller invers mot dess ingångsstatus, (NOT gate-principer) och att den kan ändra tillståndet på olika spänningsnivåer som ger det "hysteres".

Schmitt inverterare använder en Schmitt trigger-åtgärdsom ändrar tillståndet mellan en övre och en lägre tröskelnivån, då insignalnsignalen ökar och minskar kring ingångsterminalen. Denna övre tröskelnivå "sätter" utgången och den nedre tröskelnivån "återställer" utgången som motsvarar en logisk "0" respektive en logisk "1" för en inverterare. Tänk på kretsen nedan.

Schmitt Inverter Waveform Generator

schmitt-triggervågformgenerator

Denna enkla vågformgeneratorkrets består avav en enda TTL 74LS14 Schmitt inverterlogikport med en kondensator, C ansluten mellan dess ingångsterminal och jord, (0v) och den positiva återkoppling som krävs för att kretsen att oscillera tillhandahålls av återkopplingsmotståndet R.

Så hur fungerar det ?. Antag att laddningen över kondensatorplattorna ligger under Schmitts lägre tröskelvärde på 0,8 volt (databladvärde). Detta gör därför ingången till växelriktaren vid en logisk "0" -nivå, vilket resulterar i en logisk "1" utgångsnivå (inverterare).

Ena sidan av motståndet R är nu anslutet tillDen logiska "1" -nivån (+ 5V) matas ut medan motståndets andra sida är ansluten till kondensatorn, C som ligger vid en logisk "0" -nivå (0,8v eller lägre). Kondensatorn börjar nu laddas upp i en positiv riktning genom motståndet med en hastighet som bestäms av kombinationens RC-tidskonstant.

När laddningen över kondensatorn når1,6-tums övre tröskelvärde för Schmitt-triggern (dataarkvärdet), ändras utsignalen från Schmitt-omriktaren snabbt från en logisk nivå "1" till en logisk nivå "0" -tillstånd och strömmen som strömmar genom motståndet ändrar riktningen.

Denna förändring orsakar nu kondensatorn som varsom ursprungligen laddar upp genom motståndet R för att börja ladda ur sig tillbaka genom samma motstånd tills laddningen över kondensatorplattorna når den nedre tröskelnivån på 0,8 volt och omformarens utgång växlar tillstånd igen med cykeln som upprepar sig själv om och om igen som länge då matningsspänningen är närvarande.

Så kondensatorn, C laddas hela tiden ochutmatning av sig själv under varje cykel mellan ingångarna övre och nedre tröskelvärdena för Schmitt-omriktaren som alstrar en logisk nivå "1" eller en logisk nivå "0" vid omvandlarutgången. Utgångsvågformen är emellertid inte symmetrisk, vilket ger en arbetscykel på ca 33% eller 1/3, eftersom förhållandet mellan "HIGH" och "LOW" är 1: 2 beroende på ingångsgrindens egenskaper hos TTL inverter.

Värdet av återkopplingsmotståndet, (R) måstehålls också lågt till under 1kΩ för att kretsen ska oscillera korrekt, 220R till 470R är bra, och genom att variera kondensatorns värde, C för att variera frekvensen. Även vid högfrekvensnivåer ändras utgångsvågformen från en kvadratisk formad vågform till en trapezformformad vågform, eftersom inmatningsegenskaperna hos TTL-grinden påverkas av snabb laddning och urladdning av kondensatorn. Oscillationsfrekvensen för Schmitt Waveform Generators ges därför som:

Schmitt Waveform Frequency

schmitt astable waveform generator

Med ett motståndsvärde mellan: 100R till 1kΩ och ett kondensatorns värde mellan: 1nF till 1000uF. Detta skulle ge ett frekvensintervall mellan 1Hz och 1MHz, (höga frekvenser producerar vågformsförvrängning).

Vanligtvis fungerar inte standard TTL logiska grindarför vågformgeneratorer på grund av deras genomsnittliga inmatnings- och utmatningsegenskaper, förvrängning av utgångsvågformen och det låga värdet av återkopplingsmotståndet som krävs, vilket resulterar i en stor högkvalitativ kondensator för lågfrekvensdrift.

Också TTL-oscillatorer kanske inte oscillerar omVärdet på återkopplingskondensatorn är för liten. Vi kan dock också göra Astable Multivibrators med bättre CMOS logikteknik som fungerar från en 3V till 15V-tillförsel, till exempel CMOS 40106B Schmitt Inverter.

CMOS 40106 är en enda inverterare medsamma Schmitt-trigger-åtgärd som TTL 74LS14 men med mycket bra ljudimmunitet, hög bandbredd, hög förstärkning och utmärkta in / ut-egenskaper för att producera en mer "kvadrerad" utgångsvågform, såsom visas nedan.

CMOS Schmitt Waveform Generator

cmos schmitt trigger waveform generator

Schmitt vågform generatorer krets förCMOS 40106 är i grunden densamma som för den tidigare TTL 74LS14-omvandlaren, förutom tillägget av 10kΩ-motståndet som används för att förhindra kondensatorn att skada de känsliga MOSFET-ingångstransistorerna, eftersom den snabbt laddar ut vid högre frekvenser.

Mark-space-förhållandet matchas jämnare påca 1: 1 med återkopplingsmotståndsvärdet ökat till under 100kΩ vilket resulterar i en mindre och billigare tidkondensator, C. Oscillationsfrekvensen kan inte vara densamma som: (1 / 1.2RC) eftersom CMOS-ingångskarakteristika skiljer sig från TTL. Med ett motstånds värde mellan: 1kΩ och 100kΩ, och ett kondensatorns värde mellan: 1pF till 100uF. Detta skulle ge ett frekvensintervall mellan 0,1 Hz och 100 kHz.

Schmitt Inverter Waveform Generators kan också göras från en mängd olikalogiska grindar anslutna för att bilda en inverterarkrets. Den grundläggande Schmitt-astabla multivibratorkretsen kan enkelt modifieras med några extra komponenter för att producera olika utgångar eller frekvenser. Till exempel kan två inversa vågformer eller multipelfrekvenser och genom att ändra det fixerade återkopplingsmotståndet till en potentiometer utmatningsfrekvensen varieras som visas nedan.

Clock Waveform Generators

klockvågformgenerator

I den första kretsen ovan, en ytterligare SchmittInverteraren har lagts till outputen från Schmitt-vågformgeneratorn för att producera en andra vågform som är den inverse eller spegelbilden av den första som producerar två komplementära utgångsvågformer, så när en utgång är "HIGH" är den andra "LOW". Denna andra Schmitt inverter förbättrar också formen av den inversa utgångsvågformen men lägger till en liten "gate delay" till den så det är inte exakt i synk med den första.

Oscillatorns utgångsfrekvenskretsen kan varieras genom att ändra det fixerade motståndet R till en potentiometer men ett mindre återkopplingsmotstånd krävs fortfarande för att förhindra potentiometern att kortsluta omriktaren när den är vid sitt lägsta värde, 0Ω.

ledad transistoromkopplare

Vi kan också använda de två komplementära utgångarna, Qoch Q av den första kretsen för att alternativt blinka två uppsättningar av ljus eller lysdioder genom att ansluta sina utgångar direkt till baserna hos två omkopplingstransistorer som visas.

På så sätt är en eller flera LED-anslutningar anslutnatillsammans i serie med kollektorn hos omkopplingstransistorerna, vilket resulterar i alternerande blixtar av varje uppsättning LED-lampor, då varje transistor slås på "ON" i tur och ordning.

Också vid användning av denna typ av krets, kom ihåg att beräkna ett lämpligt seriemotstånd, R för att begränsa LED-strömmen till under 20mA (röda lysdioder) för spänningen du använder.

För att generera en mycket lågfrekvensutgång av några Hertz för att blinka LED: erna, använder Schmitt-vågformgeneratorer högkvalitativa tidkondensatorer som själva kan vara fysiskt stora och dyra.

En alternativ lösning är också att använda en mindrevärdekondensatorn för att generera en mycket högre frekvens, säg 1 kHz eller 10 kHz och sedan dela den här huvudklockfrekvensen ned i enskilda mindre tills det önskade lågfrekvensvärdet uppnås och den andra kretsen ovan gör just det.

Nedre kretsen ovan visar oscillatornanvänds för att köra klockingången på en rippelräknare. Rippelräknare är i grunden ett antal divider-by-2, D-typ flip-flops som är kaskad ihop för att bilda en enda divide-by-N-räknare, där N är lika med räknarbit-räkningen som CMOS 4024 7-bit Ripple Counter eller CMOS 4040 12-bit Ripple Counter.

Den fasta klockfrekvensen produceras av Schmittastabellklockpulskretsen är uppdelad i ett antal olika delfrekvenser, såsom ƒ ÷ 2, ƒ ÷ 4, ƒ ÷ 8, ƒ ÷ 256, etc, upp till det maximala "Divide-by-n" -värdet av krusningen disk används. Denna process med att använda antingen "Flip-flops", "Binära räknare" eller "Ripple-räknare" för att dela en vanlig fast klockfrekvens i olika delfrekvenser kallas frekvensavdelning och vi kan använda den för att få ett antal frekvensvärden från en enda vågformgenerator.

NAND Gate Waveform Generators

Schmitt Waveform Generators kan också göras med standard CMOS Logic NANDGates anslutna för att producera en inverterarkrets. Här är två NAND-grindar anslutna för att producera en annan typ av RC-relaxeringsoscillatorkrets som kommer att generera en kvadratvågformad utgångsvågform som visas nedan.

NAND Gate Waveform Generator

nand gate-klockvågformgenerator

I denna typ av vågformgenerator krets, denRC-nätet är bildat från motståndet, Rl och kondensatorn, C med detta RC-nätverk som styrs av utgången från den första NAND-grinden. Utgången från detta R1C-nät matas tillbaka till ingången till den första NAND-grinden via motståndet R2 och när laddningsspänningen över kondensatorn når den övre tröskelnivån för den första NAND-grinden ändras NAND-grinden tillstånd som orsakar den andra NAND-grinden att följa den, därigenom förändra tillståndet och producera en förändring i utgångsnivån.

Spänningen över R1C-nätverket är nureverseras och kondensatorn börjar tömma genom motståndet tills den når den nedre tröskelnivån för den första NAND-grinden, vilket gör att de två grindarna ändrar tillståndet igen. Liksom den tidigare Schmitt-vågformgeneratorkretsen ovan bestäms frekvensen för oscillation av R1C-tidskonstanten som ges som: 1 / 2.2R1C. I allmänhet ges R2 ett värde som är 10 gånger värdet av motståndet R1.

När hög stabilitet eller garanterad självstart krävs, CMOS Waveform Generators kan göras med tre inverterande NAND-portar ellernågra tre logiska omformare för den delen, kopplade ihop som visas nedan, producerar en krets som ibland kallas "ringen av tre" vågformgeneratorn. Oscillationsfrekvensen bestäms igen av R1C-tidskonstanten, samma som för den två grindoscillatorn ovan och vilken är given som: 1 / 2.2R1C när R2 har ett värde som är 10 gånger värdet av motståndet R1.

Stabil NAND Gate Waveform Generator

stabil nand gate waveform generator

Tillägget av den extra NAND-porten garanteraratt oscillatorn börjar även med mycket låga kondensatorns värden. Stabiliteten hos vågformgeneratorn förbättras också avsevärt, eftersom den är mindre mottaglig för strömförsörjningsvariationer på grund av att dess tröskelutlösningsnivå är nästan hälften av matningsspänningen.

Mängden stabilitet bestäms huvudsakligen av oscillationsfrekvensen och i allmänhet desto lägre blir frekvensen desto stabilare blir oscillatorn.

Eftersom denna typ av vågformgenerator arbetar pånästan hälften eller 50% av matningsspänningen har den resulterande utgångsvågformen nästan en 50% arbetscykel, 1: 1 mark-space-förhållande. Den tre grindformsgenerern har många fördelar jämfört med den tidigare två grindoscillatorn ovan men den enda stora nackdelen är att den använder en extra logisk grind.

Ring Type Waveform Generator

Vi har sett ovanför Waveform Generators kan göras med både TTL och bättre CMOSlogikteknik med ett RC-nätverk som producerar en tidsfördröjning inom kretsen när den är ansluten över antingen en, två eller till och med tre logiska grindar för att bilda en enkel RC-avkopplingsoscillator. Men vi kan också göra vågformsgeneratorer med bara Logic NOT-portar eller med andra ord inverterare utan några ytterligare passiva komponenter som är kopplade till dem.

Genom att koppla ihop några UDDA antal (3, 5, 7, 9 etc) av NOT-grindar för att bilda a"Ring" -kretsen, så att utmatningen av ringen är kopplad rakt tillbaka till ingången på ringen, kommer kretsen att fortsätta att oscillera då en logisk nivå "1" kontinuerligt roterar kring nätverket som producerar en utgångsfrekvens som bestäms av förökningen förseningar av de använda omvandlarna.

Ringvågform Generator

ringvågformgeneratorkrets

Oscillationsfrekvensen bestäms avtotal fördröjningsfördröjning hos inverterare som används inom ringen och som själv bestäms av typen av portteknik, TTL, CMOS, BiCMOS som inverteraren är tillverkad av. Fördröjningsfördröjning eller fortplantningstid är den totala tiden som krävs (vanligtvis i nanosekunder) för att en signal ska passera rakt genom inverteraren från en logisk "0" som kommer till ingången till den som producerar en logisk "1" vid dess utgång.

Även för denna typ av ringvågformgeneratorkretsvariationer i matningsspänning, temperatur och belastningskapacitans påverkar alltför fördröjningsfördröjningen för logiska grindar. I allmänhet ges en genomsnittlig förökningsfördröjningstid i tillverkarens datablad för den typ av digitala logiska grindar som används med oscillationsfrekvensen som ges som:

ringoscillatorfrekvensekvation

Där: ƒ är oscillationsfrekvensen, n är antalet portar som används och Tp är förökningsfördröjningen för varje grind.

Antag exempelvis att en enkel vågformgeneratorkrets har 5 individuella omvandlare anslutna i serie för att bilda a Ring Oscillator, utbredningsfördröjningen för varje inverterare anges som 8ns. Då kommer oscillationsfrekvensen att ges som:

ringoscillatorns frekvens

Det är självklart inte riktigt praktisktoscillatorn beror huvudsakligen på dess instabilitet och mycket hög svängningsfrekvens, 10: e av Megahertz beroende på vilken typ av logisk grindsteknik som används, och i vårt enkla exempel beräknades det som 12,5MHz !!. Ringoscillatorns utgångsfrekvens kan "justeras" lite genom att variera antalet inverterare som används inom ringen men det är mycket bättre att använda en mer stabil RC-vågformgenerator som de som vi har diskuterat ovan.

Ändå visar det att logiska grindar kankopplas samman för att producera logisk baserade vågformgeneratorer och dåligt utformade digitala kretsar med många grindar, signalvägar och återkopplingsslingor har varit kända att oscillera oavsiktligt.

Genom att använda ett RC-nätverk över inverterarenkrets, kan oscillationsfrekvensen regleras noggrant, vilket ger en mer praktisk astabiliseringsoscillatorkrets för användning i många allmänna elektroniska applikationer.

I nästa handledning om Waveforms och WaveformGeneration, vi kommer att undersöka 555 Timer som är en av de mest populära och mångsidiga integrerade kretsar som någonsin producerats som kan generera ett brett spektrum av olika vågformer och tidssignaler från monostabla till astabila multivibratorer.

Kommentarer (0)
Lägg till en kommentar