/ Генератори сигналів для створення сигналів синхронізації

Генератори сигналів для створення сигналів синхронізації

Генератори сигналів

У попередніх посібниках ми подивилисядеталі на трьох різних типах основних транзисторних мультивібраторних ланцюгів, які можуть бути використані в якості релаксаційних осциляторів для отримання або квадратної, або прямокутної хвилі на своїх виходах для використання в якості тактових і часових сигналів.

Але можна також побудувати основні Генератор сигналів схем від простих інтегральних схем абоопераційні підсилювачі, підключені до контурного конденсаторного контуру (RC) або до кварцового кристала для отримання необхідної двійкової або квадратної хвильової форми сигналу на потрібній частоті.

Цей підручник генерації сигналу буденеповні без деяких прикладів цифрових схем регенеративного перемикання, оскільки він ілюструє як перемикання, так і роботу генераторів сигналів, що використовуються для генерації квадратних хвиль для використання в якості синхронізуючих або послідовних осцилограм.

Ми знаємо, що регенеративні комутаційні схеми такі як Стабільні мультивібратори є найбільш часто використовуваним типом релаксаційного осцилятора, оскільки вони виробляють постійний вихід на квадратну хвилю, що робить їх ідеальними як цифрові Генератор сигналів.

Стабільні мультивібратори роблять чудові осциляторитому що вони безперервно перемикаються між двома нестабільними станами з постійною частотою повторення, тим самим виробляючи вихід безперервної прямокутної хвилі зі співвідношенням 1: 1 ("ON" і "OFF" разів) з її виходу і в цьому навчальному посібнику будемо дивитися на деякі з різних способів ми можемо побудувати генератори сигналів, використовуючи тільки стандартні TTL і CMOS логічні схеми поряд з деякими додатковими компонентами дискретного часу.

Генератори сигналів Шмітта

Простий Генератори сигналів може бути побудований з використанням основного тригера Шміттаінвертори дії, такі як TTL 74LS14. Цей метод є найпростішим способом зробити генератор базової нестабільної форми сигналу. При використанні для виробництва годин або синхронізуючих сигналів, нестабільний мультивібратор повинен виробляти стабільну форму сигналу, яка швидко перемикається між своїми «високими» і «низькими» станами без будь-яких спотворень або шуму, а інвертори Шмітта роблять саме це.

Ми знаємо, що вихідний стан ШміттаІнвертор є протилежним або зворотним до рівня його вхідного стану, (принципи НЕ воріт) і що він може змінювати стан на різних рівнях напруги, даючи йому «гістерезис».

Інвертори Schmitt використовують тригерну дію Шміттащо змінює стан між верхньою і нижньою пороговим рівнем, коли сигнал вхідної напруги збільшується і зменшується щодо вхідного терміналу. Цей верхній пороговий рівень «встановлює» вихід, а нижній пороговий рівень «скидає» вихід, який відповідає логіці «0» і логіці «1» відповідно для інвертора. Розглянемо схему нижче.

Генератор сигналів інвертора Schmitt

генератор сигналу Шмітта

Ця проста схема генератора сигналів складаєтьсяодного логічного затвора інвертора TTL 74LS14 Schmitt з конденсатором, C, підключеним між його вхідним роз'ємом і землею, (0v) і позитивним зворотним зв'язком, необхідним для того, щоб схема коливалася, забезпечується резистором зворотного зв'язку

Так як це працює ?. Припустимо, що заряд на пластинах конденсаторів нижче нижнього порогового рівня Шмітта 0,8 вольт (значення таблиці). Це робить вхід в інвертор на логічному рівні "0", що призводить до логічного рівня "1" (принципів інвертора).

З одного боку резистора R тепер підключенологічний рівень «1» (+ 5V), а інша сторона резистора підключена до конденсатора, C, який знаходиться на рівні логічного «0» (0.8v або нижче). Конденсатор тепер починає заряджатися в позитивному напрямку через резистор зі швидкістю, що визначається постійною RC часу комбінації.

Коли заряд через конденсатор досягає1,6-го верхнього порогового рівня тригера Шмітта (значення таблиці) вихід з інвертора Шмітта швидко змінюється від логічного рівня «1» до рівня логічного рівня «0», а струм, що протікає через резистор, змінює напрямок.

Ця зміна тепер викликає конденсатор, який бувспочатку заряджаючи через резистор, R починає розряджатися назад через той же резистор, поки заряд на пластинах конденсаторів не досягне нижнього порогового рівня 0,8 вольт, а вихід інверторів знову перемикає стан з циклом, що повторюється знову і знову довго, як є напруга живлення.

Так що конденсатор С постійно заряджається івивантаження себе під час кожного циклу між входами верхнього і нижнього порогових рівнів інвертора Шмітта, що виробляє логічний рівень «1» або логічний рівень «0» на виході інверторів. Проте, вихідна форма сигналу не є симетричною, виробляючи робочий цикл близько 33% або 1/3, оскільки співвідношення відміток до простору між "HIGH" і "LOW" становить 1: 2 відповідно через характеристики вхідних затворів TTL інвертора.

Значення резистора зворотного зв'язку (R) ПОВИННЕтакож повинні бути низькими нижче 1k the для схеми, щоб правильно коливатися, 220R до 470R це добре, і змінюючи значення конденсатора, C, щоб змінювати частоту. Крім того, на високочастотних рівнях вихідна форма сигналу змінює форму від форми форми квадрата у формі трапецеїдальної форми, оскільки на вхідні характеристики TTL-воріт впливає швидка зарядка і розрядка конденсатора. Частота коливань для Генератори сигналів Шмітта тому дається як:

Частота хвилі Шмітта

генератор Шмахта нестабільний

З значенням резистора між: 100R до 1kΩ, а значення конденсатора між: 1nF до 1000uF. Це дало б діапазон частот від 1 Гц до 1 МГц (високі частоти призводять до спотворення сигналу).

Як правило, стандартні TTL логічні ворота не працюютьзанадто добре, як генератори сигналів через їх середні вхідні та вихідні характеристики, спотворення вихідної форми сигналу і низьке значення резистора зворотного зв'язку, що призводить до великого конденсатора високого значення для низькочастотної роботи.

Також TTL осцилятори не можуть коливатися, якщоЗначення конденсатора зворотного зв'язку занадто мало. Тим не менш, ми можемо також зробити Astable мультивібратори з використанням кращої технології логіки CMOS, які працюють від 3V до 15V харчування, таких як CMOS 40106B інвертор Schmitt.

CMOS 40106 є одним вхідним інвертором зтака ж дія Шмітта-тригера, що і TTL 74LS14, але з дуже хорошим завадостійкістю, високою пропускною здатністю, високим коефіцієнтом посилення і відмінними характеристиками вводу / виводу для отримання більш "квадрата" вихідного сигналу, як показано нижче.

Генератор сигналів CMOS Schmitt

CMOS генератор генератора сигналів Шмітта

Схема генераторів сигналів Шмітта дляCMOS 40106 в основному такий же, як і для попереднього інвертора TTL 74LS14, за винятком додавання резистора 10kΩ, який використовується для запобігання пошкодження конденсатора чутливих вхідних транзисторів MOSFET, оскільки він швидко розряджається на більш високих частотах.

Коефіцієнт маркування-простір більш рівномірнийблизько 1: 1 зі значенням резистора зворотного зв'язку збільшується нижче 100kΩ, що призводить до меншого і дешевого конденсатора, C. Частота коливань не може бути такою ж: З значенням резистора між: 1kΩ і 100kΩ, а значення конденсатора між: 1pF до 100uF. Це дало б діапазон частот від 0,1 Гц до 100 кГц.

Генератори інверторних сигналів Schmitt можуть бути також виготовлені з різнихлогічні вентилі, підключені до форми інверторної схеми. Базову нестабільну мультивібраторну схему Шмітта можна легко модифікувати за допомогою деяких додаткових компонентів для отримання різних виходів або частот. Наприклад, дві зворотні форми сигналу або множинні частоти і змінюючи фіксований резистор зворотного зв'язку до потенціометру, вихідна частота може змінюватися, як показано нижче.

Генератори сигналів годинника

генератор тактових сигналів

У першому ланцюзі вище, додатковий ШміттІнвертор був доданий до виходу генератора форми сигналу Шмітта для отримання другої форми сигналу, яка є зворотним або дзеркальним відображенням першого, що виробляє дві додаткові форми сигналів виходу, тому, коли один вихідний сигнал є «ВИСОКИМ», інший - «НИЗЬКИЙ». Цей другий інвертор Шмітта також покращує форму зворотного виходу сигналу, але додає до нього невелику “затримку затвора”, тому він не зовсім синхронізується з першим.

Також вихідна частота генератораСхема може бути змінена шляхом зміни фіксованого резистора, R в потенціометр, але менший резистор зворотного зв'язку все ще необхідний для запобігання потенціалу від короткого замикання інвертора при його мінімальному значенні 0.

світлодіодний транзисторний вимикач

Ми також можемо використовувати два додаткових виходи, Qі Q першого контуру, щоб альтернативно спалахувати два набори вогнів або світлодіодів, підключаючи їхні виходи безпосередньо до баз двох транзисторів перемикання, як показано.

Таким чином, один або кілька світлодіодів підключеніразом послідовно з колектором перемикаючих транзисторів, що призводить до змінних спалахів кожного набору світлодіодів, оскільки кожен транзистор по черзі включається "ON".

Крім того, при використанні цього типу схеми, не забудьте розрахувати відповідний резистор серії, R, щоб обмежити світлодіодний струм нижче 20 мА (червоний світлодіод) для напруги ви використовуєте.

Для того, щоб генерувати дуже низькочастотний вихід декількох герц для спалаху світлодіодів, генератори сигналів Шмітта використовують великі конденсатори часу, які самі можуть бути фізично великими і дорогими.

Одним з альтернативних рішень є надмірне використаннязначення конденсатора для генерації набагато більш високою частотою, скажімо 1кГц або 10кГц, а потім розділити цю основну тактову частоту на окремі менші, поки не буде досягнуто необхідне значення низької частоти, а друга схема вище зробить саме це.

Нижча схема вище показує осциляторвикористовується для керування тактовим входом лічильника пульсацій. Лічильники пульсацій в основному складаються з декількох тригерів D-типу, поділених на 2, які каскадуються разом, утворюючи один лічильник ділиться на N, де N дорівнює лічильнику біт-лічильників, таких як CMOS 4024 7-bit Лічильник пульсацій або CMOS 4040 12-розрядний лічильник пульсацій.

Фіксовані тактові частоти виробляються Шміттомланцюг нестабільного тактового імпульсу ділиться на ряд різних суб-частот, таких як,, ÷ 2, ÷ ÷ 4, ÷ 8,, ÷ 256, і т.д., до максимального значення "ділення на n" пульсацій лічильник використовується. Цей процес використання або "тригерів", "двійкових лічильників" або "лічильників пульсацій" для поділу основної фіксованої тактової частоти на різні субчастоти називається частотним поділом і ми можемо використовувати його для отримання ряду частотних значень від генератор однієї форми сигналу.

Генератори хвиль NAND Gate

Генератори сигналів Шмітта також може бути виконано з використанням стандартного CMOS Logic NANDВорота з'єднані для виробництва інверторної схеми. Тут, два ворота NAND з'єднані разом, щоб виробляти інший тип RC релаксації ланцюга осциляторів, які будуть генерувати квадратної хвилі форми вихідної хвилі, як показано нижче.

Генератор хвиль NAND Gate

генератор сигналу nand gate clock

У цьому типі форми генератора сигналів,RC мережа формується з резистора, R1 і конденсатора, C при цьому RC мережа контролюється виходом першого NAND ворота. Вихід з цієї мережі R1C подається назад на вхід першого воріт NAND через резистор, R2 і коли напруга зарядки на конденсаторі досягає верхнього порогового рівня першого затвора NAND, стан NAND змінює стан, викликаючи другий затвор NAND слідувати за нею, тим самим змінюючи стан і виробляючи зміну рівня виходу.

Напруга в мережі R1C теперзворотний і конденсатор починає розряджатися через резистор, поки він не досягне нижнього порогового рівня першого NAND-воріт, змушуючи два ворота змінити стан ще раз. Як і у попередній схемі генераторів сигналів Шмітта, частота коливань визначається постійною часу R1C, яка наведена як: 1 / 2.2R1C. Взагалі R2 отримує значення, яке в 10 разів перевищує значення резистора R1.

Коли потрібна висока стабільність або гарантований самостійний запуск, Генератори сигналів CMOS можуть бути виконані з використанням трьох інвертуючих NAND-вентилів абобудь-які три логічні інвертори для цього питання, з'єднані разом, як показано нижче, виробляючи схему, яку іноді називають "кільцем трьох" генератора сигналів. Частота коливань знову визначається постійною часу R1C, такою ж, як і для генератора двох воріт вище, і яка задається як: 1 / 2.2R1C, коли R2 має значення, яке в 10 разів перевищує значення резистора R1.

Стабільний генератор хвилі NAND Gate

генератор сигналів стабільного затвора nand

Додавання додаткових гарантій NAND gateщо осцилятор почнеться навіть при дуже низьких значеннях конденсатора. Крім того, стабільність генератора сигналів значно покращується, оскільки вона менш сприйнятлива до змін в живленні, оскільки її пороговий рівень спрацьовування становить майже половину напруги живлення.

Величина стійкості в основному визначається частотою коливань і взагалі кажучи, чим нижче частота, тим більш стабільним стає осцилятор.

Як цей тип генератора сигналів діє намайже половина або 50% напруги живлення, що виникає в результаті формування сигналу, має майже 50% робочий цикл, співвідношення розмірів 1: 1. Генератор сигналів з трьома воротами має багато переваг перед попереднім осцилятором двох воріт вище, але його один великий недолік полягає в тому, що він використовує додаткові логічні ворота.

Генератор сигналів типу кільця

Ми бачили вище Генератори сигналів можуть бути зроблені з використанням як TTL, так і кращого CMOSлогічна технологія з мережею RC, що виробляє затримку часу в ланцюзі при підключенні через одну, дві або навіть три логічні затвори для формування простого RC релаксаційного осцилятора. Але ми також можемо зробити генератори сигналів, використовуючи тільки Logic NOT Gates або іншими словами Інвертори без будь-яких додаткових пасивних компонентів, з'єднаних з ними.

При з'єднанні разом будь-який ODD число (3, 5, 7, 9 і т.д.) НЕ воріт для формування a"Кільцева" схема, так що вихід кільця з'єднаний прямо назад на вхід кільця, схема продовжуватиме коливатися, оскільки логічний рівень "1" постійно обертається навколо мережі, виробляючи вихідну частоту, яка визначається поширенням затримки використовуваних інверторів.

Генератор сигналів кільця

ланцюг генератора кільцевих сигналів

Частота коливань визначаєтьсязагальна затримка розповсюдження інверторів, що використовується в межах кільця, і яка сама визначається типом технологій затвора, TTL, CMOS, BiCMOS, з якого виконаний інвертор. Затримка розповсюдження або час розповсюдження - це загальний час, необхідний (як правило, в наносекундах) для передачі сигналу прямо через інвертор від логіки "0", що надходить на вхід, що виробляє логіку "1" на її виході.

Також для цього типу кільцевого генератора сигналівВаріації ланцюга напруги живлення, температури і ємності навантаження впливають на затримку поширення логічних затворів. Як правило, середній час затримки розповсюдження буде наведено у специфікаціях виробників для типу цифрових логічних вентилів, які використовуються з частотою коливань, заданої як:

частотне рівняння кільцевого генератора

Де: ƒ - частота коливань, n - кількість використовуваних воріт, а Tp - затримка поширення для кожного затвора.

Наприклад, припустимо, що проста схема генератора сигналів має 5 окремих інверторів, з'єднаних послідовно, щоб сформувати a Кільцевий осцилятор, затримка поширення для кожного інвертора дається як 8ns. Тоді частота коливань буде дана як:

частота кільцевого генератора

Звичайно, це не дуже практичноосцилятор в основному завдяки його нестабільності і дуже високій частоті коливань, 10-е мегагерц залежно від типу використовуваної технології логічних воріт, і в нашому простому прикладі він розраховувався як 12,5 МГц !!. Вихідна частота кільцевого генератора може бути трохи "налаштована", змінюючи кількість інверторів, що використовуються в кільці, але набагато краще використовувати більш стабільний генератор сигналів РК, як ті, які ми обговорювали вище.

Тим не менш, це показує, що логічні ворота можутьбути з'єднані разом, щоб виробляти генератори сигналів на основі логіки і погано спроектовані цифрові схеми з великою кількістю затворів, шляхи сигналу і контури зворотного зв'язку, як відомо, коливання ненавмисно.

За допомогою мережі RC через інверторСхема, частота коливань може бути точно контрольована, виробляючи більш практичний нестабільний релаксаційний контур генератора для використання в багатьох загальних електронних додатках.

У наступному підручнику про Waveforms і WaveformПокоління, ми розглянемо 555 Таймер, який є одним з найпопулярніших і універсальних інтегральних схем, що коли-небудь створених, які можуть генерувати широкий спектр різних сигналів і синхронізуючих сигналів від моностабільних до нестабільних мультивібраторів.

Коментарі (0)
Додати коментар