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Generadores de forma de onda para producir señales de temporización

Generadores de forma de onda

En los tutoriales anteriores hemos mirado endetalle en los tres tipos diferentes de circuitos de multivibradores de transistores básicos que pueden usarse como osciladores de relajación para producir una onda cuadrada o rectangular en sus salidas para usar como señales de reloj y temporización.

Pero también es posible construir elementos básicos. Generador de forma de onda circuitos de circuitos integrados simples oamplificadores operacionales conectados a un circuito de tanque de resistencia-condensador (RC) o a un cristal de cuarzo para producir la forma de onda de salida de onda cuadrada o binaria requerida a la frecuencia deseada.

Este tutorial de generación de forma de onda seríaincompleto sin algunos ejemplos de circuitos de conmutación regenerativos digitales, ya que ilustra tanto la acción de conmutación como el funcionamiento de los generadores de formas de onda utilizados para generar ondas cuadradas para su uso como formas de onda secuenciales o de temporización.

Sabemos que los circuitos de conmutación regenerativos tales como Multivibradores Astable son el tipo de oscilador de relajación más utilizado, ya que producen una salida de onda cuadrada constante, lo que los hace ideales como digital Generador de forma de onda.

Los multivibradores astables hacen excelentes osciladores.porque cambian continuamente entre sus dos estados inestables a una tasa de repetición constante, lo que produce una salida de onda cuadrada continua con una relación de espacio de marca de 1: 1 ("ON" y "OFF" veces la misma) desde su salida y en este tutorial analizaremos algunas de las diferentes formas en que podemos construir generadores de forma de onda utilizando solo circuitos lógicos estándar TTL y CMOS junto con algunos componentes de temporización discretos adicionales.

Generadores de forma de onda Schmitt

Sencillo Generadores de forma de onda Se puede construir utilizando un disparador Schmitt básico.Inversores de acción como el TTL 74LS14. Este método es, con mucho, la forma más fácil de hacer un generador de forma de onda astable básico. Cuando se utiliza para producir señales de reloj o temporización, el multivibrador astable debe producir una forma de onda estable que cambie rápidamente entre sus estados "ALTO" y "BAJO" sin distorsión ni ruido, y los inversores Schmitt hacen precisamente eso.

Sabemos que el estado de salida de un SchmittEl inversor es el opuesto o inverso al de su estado de entrada, (NO a los principios de la puerta) y que puede cambiar el estado a diferentes niveles de voltaje, lo que le da "histéresis".

Los inversores Schmitt utilizan una acción de activación Schmitteso cambia el estado entre un umbral superior y un nivel de umbral más bajo a medida que la señal de voltaje de entrada aumenta y disminuye con respecto al terminal de entrada. Este nivel de umbral superior "establece" la salida y el nivel de umbral inferior "restablece" la salida que equivale a un "0" lógico y un "1" lógico respectivamente para un inversor. Considera el circuito de abajo.

Schmitt Inverter Generador de forma de onda

generador de forma de onda de disparo schmitt

Este simple circuito generador de forma de onda consistede una sola compuerta lógica del inversor TTL 74LS14 Schmitt con un condensador, C conectado entre su terminal de entrada y tierra, (0v) y la retroalimentación positiva requerida para que el circuito oscile provisto por la resistencia de realimentación, R.

¿Entonces, cómo funciona?. Suponga que la carga a través de las placas de los condensadores está por debajo del umbral inferior de Schmitt de 0,8 voltios (valor de la hoja de datos). Por lo tanto, esto hace que la entrada al inversor tenga un nivel "0" lógico que dé como resultado un nivel de salida "1" lógico (principales del inversor).

Un lado de la resistencia R ahora está conectado ala salida de nivel "1" lógico (+ 5V) mientras el otro lado de la resistencia está conectado al condensador, C, que se encuentra en un nivel "0" lógico (0,8v o inferior). El capacitor ahora comienza a cargarse en una dirección positiva a través de la resistencia a una tasa determinada por la constante de tiempo RC de la combinación.

Cuando la carga a través del condensador alcanza elNivel de umbral superior de 1,6 voltios del disparador Schmitt (valor de la hoja de datos) la salida del inversor Schmitt cambia rápidamente de un nivel lógico "1" a un estado lógico "0" y la corriente que fluye a través de la resistencia cambia de dirección.

Este cambio ahora hace que el condensador que estabaoriginalmente cargando a través de la resistencia, R comienza a descargarse de nuevo a través de la misma resistencia hasta que la carga a través de las placas de los condensadores alcanza el nivel de umbral inferior de 0,8 voltios y la salida del inversor cambia de nuevo el estado con el ciclo repitiéndose una y otra vez como siempre que la tensión de alimentación esté presente.

Así que el condensador, C está constantemente cargando ydescargándose durante cada ciclo entre los umbrales superior e inferior de las entradas del inversor Schmitt, produciendo un nivel lógico "1" o un nivel lógico "0" en la salida del inversor. Sin embargo, la forma de onda de salida no es simétrica, lo que produce un ciclo de trabajo de aproximadamente el 33% o 1/3, ya que la relación de marca a espacio entre "ALTO" y "BAJO" es 1: 2 respectivamente debido a las características de la puerta de entrada del TTL. inversor.

El valor de la resistencia de realimentación, (R) DEBETambién debe mantenerse bajo por debajo de 1kΩ para que el circuito oscile correctamente, 220R a 470R es bueno y, al variar el valor del condensador, C para variar la frecuencia. También en niveles de alta frecuencia, la forma de onda de salida cambia de forma de forma de onda cuadrada a forma de onda trapezoidal ya que las características de entrada de la compuerta TTL se ven afectadas por la rápida carga y descarga del capacitor. La frecuencia de oscilación para Generadores de forma de onda Schmitt Por lo tanto, se da como:

Frecuencia de la forma de onda de Schmitt

generador de forma de onda astble schmitt

Con un valor de resistencia entre: 100R a 1kΩ y un valor de condensador entre: 1nF a 1000uF. Esto daría un rango de frecuencia de entre 1Hz a 1MHz (las frecuencias altas producen distorsión de forma de onda).

En general, las puertas lógicas TTL estándar no funcionandemasiado bien como generadores de forma de onda debido a sus características de entrada y salida promedio, la distorsión de la forma de onda de salida y el bajo valor de resistencia de retroalimentación requerido, lo que resulta en un gran capacitor de alto valor para operación de baja frecuencia.

También los osciladores TTL no pueden oscilar si elEl valor del condensador de realimentación es demasiado pequeño. Sin embargo, también podemos hacer que los Multivibradores Astable utilicen una mejor tecnología lógica CMOS que funcione de una fuente de 3V a 15V, como el inversor Schmitt CMOS 40106B.

El CMOS 40106 es un inversor de entrada única conla misma acción de disparo Schmitt que el TTL 74LS14 pero con muy buena inmunidad al ruido, alto ancho de banda, alta ganancia y excelentes características de entrada / salida para producir una forma de onda de salida más "cuadrada" como se muestra a continuación.

Generador de forma de onda Schmitt CMOS

generador de forma de onda de activación de cmos schmitt

El circuito de generadores de forma de onda de Schmitt paraEl CMOS 40106 es básicamente el mismo que el del inversor TTL 74LS14 anterior, excepto por la adición del resistor de 10 kΩ que se usa para evitar que el condensador dañe los transistores de entrada sensibles del MOSFET a medida que se descarga rápidamente a frecuencias más altas.

La relación espacio-marca es más pareada enaproximadamente 1: 1 con el valor de la resistencia de realimentación aumentada por debajo de 100kΩ, lo que resulta en un condensador de temporización más pequeño y más barato, C. La frecuencia de oscilación puede no ser la misma que: (1 / 1.2RC) ya que las características de entrada del CMOS son diferentes a TTL. Con un valor de resistencia entre: 1kΩ y 100kΩ, y un valor de condensador entre: 1pF a 100uF. Esto daría un rango de frecuencia de entre 0.1Hz a 100kHz.

Schmitt Inverter Generadores de forma de onda También se puede hacer de una variedad de diferentesPuertas lógicas conectadas para formar un circuito inversor. El circuito básico multivibrador astable de Schmitt se puede modificar fácilmente con algunos componentes adicionales para producir diferentes salidas o frecuencias. Por ejemplo, dos formas de onda inversas o múltiples frecuencias y al cambiar la resistencia de realimentación fija a un potenciómetro, la frecuencia de salida se puede variar como se muestra a continuación.

Generadores de forma de onda de reloj

generador de forma de onda de reloj

En el primer circuito de arriba, un Schmitt adicional.El inversor se ha agregado a la salida del generador de forma de onda de Schmitt para producir una segunda forma de onda que es la imagen inversa o de espejo de la primera que produce dos formas de onda de salida complementarias, por lo que cuando una salida es "ALTA" la otra es "BAJA". Este segundo inversor Schmitt también mejora la forma de la forma de onda de salida inversa, pero le agrega un pequeño "retardo de puerta" para que no esté exactamente sincronizado con el primero.

Además, la frecuencia de salida del osciladorel circuito se puede variar cambiando la resistencia fija, R en un potenciómetro, pero aún se requiere una resistencia de retroalimentación más pequeña para evitar que el potenciómetro produzca un cortocircuito en el inversor cuando está en su valor mínimo, 0Ω.

interruptor de transistor led

También podemos utilizar las dos salidas complementarias, Qy Q del primer circuito para alternar alternativamente dos juegos de luces o LED al conectar sus salidas directamente a las bases de dos transistores de conmutación, como se muestra.

De esta forma se conectan uno o varios LEDs.juntos en serie con el colector de los transistores de conmutación que dan como resultado destellos alternos de cada conjunto de LED, ya que cada transistor se enciende "ON" a su vez.

Además, cuando utilice este tipo de circuito, recuerde calcular una resistencia en serie adecuada, R para limitar la corriente del LED a menos de 20 mA (LED rojo) para el voltaje que está usando.

Para generar una salida de muy baja frecuencia de unos pocos Hertz para encender los LED, los generadores de formas de onda Schmitt utilizan condensadores de temporización de alto valor, que a su vez pueden ser físicamente grandes y costosos.

Una solución alternativa es también usar una más pequeña.valore el condensador para generar una frecuencia mucho más alta, digamos 1kHz o 10kHz, y luego divida esta frecuencia de reloj principal en frecuencias individuales más pequeñas hasta que se logre el valor de baja frecuencia requerido, y el segundo circuito de arriba haga exactamente eso.

El circuito inferior muestra el oscilador.se utiliza para controlar la entrada de reloj de un contador de ondulación. Los contadores de ondulación son básicamente un número de flip-flops tipo D dividido por 2 en cascada para formar un único contador dividido por N, donde N es igual al conteo de bits del contador, como el CMOS 4024 de 7 bits Contador de ondulación o el contador de ondulación de 12 bits CMOS 4040.

La frecuencia de reloj fija producida por el Schmitt.El circuito de pulso de reloj astable se divide en varias subfrecuencias diferentes, tales como, ƒ, 2, ƒ ÷ 4, ƒ ÷ 8, ƒ ÷ 256, etc., hasta el valor máximo de "Divide-by-n" de la ondulación contador siendo utilizado. Este proceso de uso de “Flip-flops”, “Contadores binarios” o “Contadores de ondulación” para dividir una frecuencia de reloj fijo principal en diferentes subfrecuencias se conoce como División de frecuencia y podemos usarlo para obtener un número de valores de frecuencia de Un solo generador de forma de onda.

Generadores de forma de onda de puerta NAND

Generadores de forma de onda Schmitt También se puede hacer usando el estándar CMOS Logic NANDPuertas conectadas para producir un circuito inversor. Aquí, dos puertas NAND están conectadas entre sí para producir otro tipo de circuito oscilador de relajación RC que generará una forma de onda de salida en forma de onda cuadrada, como se muestra a continuación.

Generador de forma de onda de puerta NAND

generador de forma de onda de reloj de puerta nand

En este tipo de circuito generador de forma de onda, elLa red RC se forma a partir de la resistencia, R1 y el condensador, C, con esta red RC controlada por la salida de la primera compuerta NAND. La salida de esta red R1C se retroalimenta a la entrada de la primera puerta NAND a través de la resistencia, R2 y cuando la tensión de carga a través del condensador alcanza el nivel de umbral superior de la primera puerta NAND, la puerta NAND cambia de estado y la segunda puerta NAND seguirlo, cambiar así el estado y producir un cambio en el nivel de salida.

El voltaje a través de la red R1C es ahorase invierte y el condensador comienza a descargarse a través de la resistencia hasta que alcanza el nivel de umbral inferior de la primera compuerta NAND, lo que hace que las dos compuertas cambien de estado nuevamente. Al igual que el circuito anterior de los generadores de forma de onda de Schmitt, la frecuencia de oscilación está determinada por la constante de tiempo R1C que se da como: 1 / 2.2R1C. En general, a R2 se le da un valor que es 10 veces el valor de la resistencia R1.

Cuando se requiere una alta estabilidad o un arranque automático garantizado, Generadores de formas de onda CMOS Se puede hacer utilizando tres puertas NAND que invierten opara el caso, cualquiera de los tres inversores lógicos, conectados entre sí como se muestra a continuación, produce un circuito que a veces se llama "el anillo de tres" generador de forma de onda. La frecuencia de oscilación se determina de nuevo por la constante de tiempo R1C, la misma que para el oscilador de dos compuertas anterior, y que se da como: 1 / 2.2R1C cuando R2 tiene un valor que es 10 veces el valor de la resistencia, R1.

Generador de forma de onda de puerta NAND estable

generador de forma de onda de puerta nand estable

La adición de la puerta extra NAND garantiza.que el oscilador arrancará incluso con valores de condensador muy bajos. Además, la estabilidad del generador de forma de onda se mejora considerablemente ya que es menos susceptible a las variaciones de la fuente de alimentación debido a que su nivel de activación de umbral es casi la mitad de la tensión de alimentación.

La cantidad de estabilidad está determinada principalmente por la frecuencia de oscilación y, en general, cuanto más baja es la frecuencia, más estable se vuelve el oscilador.

Como este tipo de generador de forma de onda funciona encasi la mitad o el 50% de la tensión de alimentación, la forma de onda de salida resultante tiene casi un 50% de ciclo de trabajo, una relación espacio-marca de 1: 1. El generador de forma de onda de tres puertas tiene muchas ventajas sobre el oscilador de dos puertas anterior, pero su única desventaja es que utiliza una puerta lógica adicional.

Tipo de anillo generador de forma de onda

Hemos visto por encima de eso Generadores de forma de onda Se puede hacer utilizando tanto TTL como el mejor CMOS.la tecnología lógica con una red RC produce un retardo de tiempo dentro del circuito cuando se conecta a través de una, dos o incluso tres puertas lógicas para formar un simple oscilador de relajación RC. Pero también podemos hacer generadores de forma de onda usando solo Logic NOT Gates o, en otras palabras, inversores sin ningún componente pasivo adicional conectado a ellos.

Conectando juntos cualquier IMPAR número (3, 5, 7, 9, etc.) de puertas NO para formar unCircuito de "anillo": para que la salida del anillo se conecte directamente a la entrada del anillo, el circuito continuará oscilando a medida que un nivel lógico "1" gira constantemente alrededor de la red, lo que produce una frecuencia de salida determinada por la propagación. Retrasos de los inversores utilizados.

Generador de forma de onda de anillo

circuito generador de forma de onda de anillo

La frecuencia de oscilación está determinada por laretardo total de propagación de los inversores utilizados dentro del anillo y que a su vez está determinado por el tipo de tecnología de compuerta, TTL, CMOS, BiCMOS de la que está hecho el inversor. El retardo de propagación o el tiempo de propagación, es el tiempo total requerido (generalmente en nanosegundos) para que una señal pase directamente a través del inversor desde un "0" lógico que llega a la entrada y produce un "1" lógico en su salida.

También para este tipo de generador de forma de onda de anillo.Las variaciones del circuito en la tensión de alimentación, la temperatura y la capacidad de carga afectan el retardo de propagación de las puertas lógicas. En general, en las hojas de datos del fabricante se proporcionará un tiempo de retardo de propagación promedio para el tipo de puertas lógicas digitales que se utilizan con la frecuencia de oscilación dada como:

ecuación de frecuencia del oscilador de anillo

Donde: ƒ es la frecuencia de Oscilación, n es el número de puertas utilizadas y Tp es el retardo de propagación para cada puerta.

Por ejemplo, suponga que un circuito generador de forma de onda simple tiene 5 inversores individuales conectados en serie para formar un Anillo oscilador, el retardo de propagación para cada inversor se da como 8ns. Entonces la frecuencia de oscilación se dará como:

frecuencia del oscilador del anillo

Por supuesto, esto no es realmente una prácticaOscilador debido principalmente a su inestabilidad y muy alta frecuencia de oscilación, 10 de Megahertz dependiendo del tipo de tecnología de puerta lógica utilizada, y en nuestro ejemplo simple se calculó como 12.5MHz. La frecuencia de salida del oscilador de anillo se puede “sintonizar” un poco variando el número de inversores utilizados dentro del anillo, pero es mucho mejor usar un generador de forma de onda RC más estable como los que hemos descrito anteriormente.

Sin embargo, sí muestra que las puertas lógicas puedenestar conectados entre sí para producir generadores de forma de onda basados ​​en lógica y circuitos digitales mal diseñados con muchas compuertas, se sabe que las rutas de señal y los circuitos de retroalimentación oscilan involuntariamente.

Mediante el uso de una red RC a través del inversorEn el circuito, la frecuencia de oscilación se puede controlar con precisión, lo que produce un circuito oscilador de relajación astible más práctico para usar en muchas aplicaciones electrónicas generales.

En el siguiente tutorial sobre formas de onda y forma de ondaGeneración, examinaremos el 555 Timer, que es uno de los circuitos integrados más populares y versátiles jamás producidos que puede generar una amplia gama de diferentes formas de onda y señales de temporización desde multivibradores monoestables a astables.

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