파형 발생기

 

파형 발생기

파형 발생기는 발진기와 펄스 회로를 사용하여 정현파, 사각파, 삼각파, 톱니파형을 생성할 수 있는 전자 회로입니다.

이전 튜토리얼에서는 클록 및 타이밍 신호로 사용하기 위해 출력에서 ​​구형파 또는 직사각형 파를 생성하는 이완 발진기로 사용할 수 있는 트랜지스터 멀티바이브레이터 회로를 포함한 다양한 유형의 파형 발생기에 대해 자세히 살펴보았습니다.

그러나 RC (저항기-커패시터) 탱크 회로나 수정에 연결된 간단한 집적 회로나 연산 증폭기로  기본 파형 발생기 회로를 구성  하여 원하는 주파수에서 필요한 이진파 또는 구형파 출력 파형을 생성하는 것도 가능합니다 .

이 파형 생성 튜토리얼은 타이밍 또는 순차 파형으로 사용하기 위해 구형파를 생성하는 데 사용되는 파형 생성기의 스위칭 동작과 작동을 모두 보여주기 때문에 디지털 재생식 스위칭 회로의 몇 가지 예가 없으면 불완전합니다.

우리는 Astable Multivibrator 와 같은 재생식 스위칭 회로가 가장 일반적으로 사용되는 이완 발진기 유형이라는 것을 알고 있습니다. 이는 일정한 구형파 출력을 생성하므로 디지털 파형 발생기 에 이상적입니다 .

 

불안정한 멀티바이브레이터는 일정한 반복 속도로 두 개의 불안정한 상태 사이를 연속적으로 전환하여 출력에서 ​​1:1 마크 공간 비율("ON"과 "OFF"의 배 동일)로 연속 구형파 출력을 생성하기 때문에 뛰어난 발진기를 만듭니다. .

이 튜토리얼에서는 표준 TTL 및 CMOS 논리 회로와 추가 개별 타이밍 구성 요소를 사용하여 파형 발생기를 구성할 수 있는 몇 가지 다양한 방법을 살펴보겠습니다.

슈미트 파형 발생기

단순 파형 발생기는 TTL 74LS14와 같은 기본 슈미트 트리거 동작 인버터를 사용하여 구성할 수 있습니다. 이 방법은 기본적인 불안정 파형 발생기를 만드는 가장 쉬운 방법입니다.

클록 또는 타이밍 신호를 생성하는 데 사용될 때 불안정한 멀티바이브레이터는 왜곡이나 잡음 없이 "HIGH" 상태와 "LOW" 상태 사이를 빠르게 전환하는 안정적인 파형을 생성해야 하며 슈미트 인버터는 이를 수행합니다.

우리는 슈미트 인버터의 출력 상태가 입력 상태와 반대이거나 반대이며(게이트 원리 아님) "히스테리시스"를 제공하는 다양한 전압 레벨에서 상태를 변경할 수 있다는 것을 알고 있습니다.

슈미트 인버터는 입력 단자에 대한 입력 전압 신호가 증가하거나 감소함에 따라 상한 임계값 레벨과 하한 임계값 레벨 사이에서 상태를 변경하는 슈미트 트리거 동작을 사용합니다. 이 상위 임계값 레벨은 출력을 "설정"하고 하위 임계값 레벨은 인버터의 논리 "0" 및 논리 "1"과 각각 동일한 출력을 "재설정"합니다. 아래 회로를 고려하십시오.

슈미트 인버터 파형 발생기

이 간단한 파형 발생기 회로는 입력 단자와 접지(0v) 사이에 연결된 커패시터 C 가 있는 단일 TTL 74LS14 슈미트 인버터 논리 게이트 와 피드백 저항기 R 에 의해 제공되는 회로가 발진하는 데 필요한 포지티브 피드백으로 구성됩니다 .

그럼 어떻게 작동하나요?. 커패시터 플레이트 전체의 전하가 슈미트의 하한 임계값 레벨인 0.8V(데이터시트 값)보다 낮다고 가정합니다. 따라서 이는 논리 "0" 레벨에서 인버터에 대한 입력을 만들어 논리 "1" 출력 레벨(인버터 원리)이 됩니다.

이제 저항 R 의 한 쪽 은 논리 "1" 레벨(+5V) 출력에 연결되고 저항의 다른 쪽은 논리 "0" 레벨(0.8v 이하)에 있는 커패시터 C 에 연결됩니다. . 이제 커패시터는 조합의 RC 시간 상수 에 의해 결정되는 속도로 저항기를 통해 양의 방향으로 충전되기 시작합니다 .

커패시터 양단의 전하가 슈미트 트리거(데이터시트 값)의 1.6V 상한 임계값 레벨에 도달하면 슈미트 인버터의 출력은 로직 레벨 "1"에서 로직 레벨 "0" 상태로 빠르게 변경되고 전류는 이를 통해 흐릅니다. 저항은 방향을 바꿉니다.

이 변경으로 인해 원래 저항기 R 을 통해 충전되었던 커패시터 가 커패시터 플레이트의 전하가 더 낮은 임계값 레벨인 0.8V에 도달하고 인버터 출력이 다시 상태를 전환할 때까지 동일한 저항기를 통해 자체적으로 방전되기 시작합니다. 공급 전압이 존재하는 한 사이클이 계속해서 반복됩니다.

 

따라서 커패시터 C는 슈미트 인버터의 입력 상한 및 하한 임계값 사이의 각 사이클 동안 지속적으로 충전 및 방전되어 인버터 출력에서 ​​논리 레벨 "1" 또는 논리 레벨 "0"을 생성합니다. 그러나 TTL의 입력 게이트 특성으로 인해 "HIGH"와 "LOW" 사이의 마크 대 스페이스 비율이 각각 1:2이므로 출력 파형이 대칭이 아니며 듀티 사이클은 약 33% 또는 1/3입니다. 인버터.

회로가 올바르게 진동하려면 피드백 저항기( R ) 의 값 도 1kΩ 미만으로 낮게 유지해야 하며 , 220R~470R이 좋으며 커패시터 C 의 값을 변경하여 주파수를 변경합니다.

또한 높은 주파수 레벨에서는 TTL 게이트의 입력 특성이 커패시터의 급속 충전 및 방전에 의해 영향을 받기 때문에 출력 파형이 사각형 파형에서 사다리꼴 파형으로 모양이 변경됩니다. 따라서 슈미트 파형 발생기 의 발진 주파수는 다음과 같이 지정됩니다.

슈미트 파형 주파수

 

저항 값은 100R ~ 1kΩ 이고 커패시터 값은 1nF ~ 1000uF입니다 . 이는 1Hz에서 1MHz 사이의 주파수 범위를 제공합니다(높은 주파수는 파형 왜곡을 생성함).

일반적으로 표준 TTL 로직 게이트는 평균 입력 및 출력 특성, 출력 파형의 왜곡 및 필요한 피드백 저항의 낮은 값으로 인해 파형 발생기로 잘 작동하지 않으므로 저주파 작동을 위한 큰 고값 커패시터가 필요합니다.

또한 피드백 커패시터의 값이 너무 작으면 TTL 발진기가 발진하지 않을 수 있습니다. 그러나 CMOS 40106B Schmitt Inverter와 같이 3V~15V 전원에서 작동하는 더 나은 CMOS 로직 기술을 사용하여 Astable 멀티바이브레이터를 만들 수도 있습니다.

CMOS 40106은 TTL 74LS14와 동일한 슈미트 트리거 동작을 갖지만 매우 우수한 잡음 내성, 고대역폭, 고이득 및 탁월한 입력/출력 특성을 갖춘 단일 입력 인버터로 아래와 같이 보다 "제곱한" 출력 파형을 생성합니다.

CMOS 슈미트 파형 발생기

CMOS 40106의 슈미트 파형 발생기 회로는 기본적으로 이전 TTL 74LS14 인버터의 회로와 동일합니다. 단, 더 높은 전압에서 빠르게 방전될 때 커패시터가 민감한 MOSFET 입력 트랜지스터를 손상시키는 것을 방지하는 데 사용되는 10kΩ 저항이 추가된다는 점만 다릅니다. 주파수.

마크 공간 비율은 피드백 저항 값이 100kΩ 미만으로 증가하여 약 1:1로 더욱 균등하게 일치하므로 타이밍 커패시터 C가 더 작고 저렴해집니다 .

 CMOS 입력 특성이 TTL과 다르기 때문에 발진 주파수는 (  1/1.2RC )와 동일하지 않을 수 있습니다. 1kΩ ~ 100kΩ 사이의 저항 값 과 1pF ~ 100uF 사이의 커패시터 값을 사용합니다 . 이는 0.1Hz에서 100kHz 사이의 주파수 범위를 제공합니다.

슈미트 인버터 파형 발생기는 인버터 회로를 형성하기 위해 연결된 다양한 논리 게이트로 만들 수도 있습니다. 기본 슈미트 불안정 멀티바이브레이터 회로는 몇 가지 추가 구성 요소를 사용하여 쉽게 수정하여 다양한 출력이나 주파수를 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 두 개의 역파형 또는 다중 주파수가 있고 고정 피드백 저항기를 전위차계로 변경하면 출력 주파수가 아래와 같이 달라질 수 있습니다.

클록 파형 발생기

위의 첫 번째 회로에서는 추가 슈미트 인버터가 슈미트 파형 발생기의 출력에 추가되어 두 개의 상보 출력 파형을 생성하는 첫 번째 파형의 역 또는 거울 이미지인 두 번째 파형을 생성하므로 하나의 출력이 "HIGH"일 때 다른 하나는 "낮음"입니다. 이 두 번째 슈미트 인버터도 역 출력 파형의 모양을 개선하지만 여기에 작은 "게이트 지연"을 추가하므로 첫 번째와 정확히 동기화되지 않습니다.

또한 고정 저항 R을 전위차계로 변경하여 발진기 회로의 출력 주파수를 변경할 수 있지만 전위차계가 최소값 0Ω 일 때 인버터를 단락시키는 것을 방지하려면 여전히 더 작은 피드백 저항이 필요합니다 .

 

또한 첫 번째 회로의 두 개의 보완 출력인 Q 와 Q를 사용하여 그림과 같이 해당 출력을 두 스위칭 트랜지스터의 베이스에 직접 연결함으로써 두 세트의 조명 또는 LED를 교대로 깜박일 수 있습니다.

이러한 방식으로 하나 또는 여러 개의 LED가 스위칭 트랜지스터의 컬렉터와 직렬로 연결되어 각 트랜지스터가 차례로 "ON"으로 전환될 때 각 LED 세트가 번갈아 깜박이게 됩니다.

또한 이러한 유형의 회로를 사용할 때는 사용 중인 전압에 대해 LED 전류를 20mA(빨간색 LED) 미만으로 제한하기 위해 적합한 직렬 저항 R을 계산해야 합니다 .

LED를 깜박이는 수 헤르츠의 매우 낮은 주파수 출력을 생성하기 위해 슈미트 파형 발생기는 그 자체가 물리적으로 크고 비쌀 수 있는 고가치 타이밍 커패시터를 사용합니다.

한 가지 대안 솔루션은 더 작은 값의 커패시터를 사용하여 훨씬 더 높은 주파수(예: 1kHz 또는 10kHz)를 생성한 다음 필요한 저주파 값이 달성될 때까지 이 기본 클럭 주파수를 개별적으로 더 작은 주파수로 나누는 것입니다. 위의 두 번째 회로는 저것.

위의 아래쪽 회로는 리플 카운터의 클록 입력을 구동하는 데 사용되는 발진기를 보여줍니다. 리플 카운터는 기본적으로 다수의 2분할, D형 플립플롭이 계단식으로 연결되어 단일 N분할 카운터를 형성합니다. 여기서 N은 CMOS 4024 7비트와 같은 카운터 비트 수와 같습니다. 리플 카운터 또는 CMOS 4040 12비트 리플 카운터.

슈미트 불안정 클록 펄스 회로에 의해 생성된 고정 클록 주파수는 최대 "분할- by-n” 값은 사용되는 리플 카운터의 값입니다.

주 고정 클록 주파수를 여러 하위 주파수로 나누기 위해 "플립플롭", "바이너리 카운터" 또는 "리플 카운터"를 사용하는 프로세스를 주파수 분할이라고 하며 이를 사용하여 다음에서 여러 주파수 값을 얻을 수 있습니다. 단일 파형 발생기.

NAND 게이트 파형 발생기

슈미트 파형 발생기는 인버터 회로를 생성하기 위해 연결된 표준 CMOS 논리 NAND 게이트를 사용하여 만들 수도 있습니다. 여기에서는 두 개의 NAND 게이트가 함께 연결되어 아래와 같이 구형파 모양의 출력 파형을 생성하는 또 다른 유형의 RC 완화 발진기 회로를 생성합니다.

NAND 게이트 파형 발생기

이러한 유형의 파형 발생기 회로에서 RC 네트워크는 저항기 R1 과 커패시터 C 로 구성되며 이 RC 네트워크는 첫 번째 NAND 게이트 의 출력에 의해 제어됩니다 .

이 R1C 네트워크 의 출력은 저항 R2 를 통해 첫 번째 NAND 게이트 의 입력으로 피드백되고 , 커패시터 양단의 충전 전압이 첫 번째 NAND 게이트 의 상위 임계값 레벨에 도달하면 NAND 게이트의 상태가 변경되어 두 번째 NAND 게이트가 발생합니다. 이를 따라가면 상태가 변경되고 출력 레벨이 변경됩니다.

이제 R1C 네트워크 의 전압이 반전되고 커패시터는 첫 번째 NAND 게이트의 낮은 임계값 레벨에 도달할 때까지 저항기를 통해 방전되기 시작하여 두 게이트의 상태가 다시 한 번 변경됩니다.

위의 이전 슈미트 파형 발생기 회로와 마찬가지로 발진 주파수는 1/2.2R1C 로 제공되는 R1C 시간 상수에 의해 결정됩니다 . 일반적으로 R2 에는 저항 R1 값의 10배인 값이 지정됩니다 .

높은 안정성이나 보장된 자체 시작이 필요한 경우 CMOS 파형 발생기는 3개의 반전 NAND 게이트 또는 해당 문제에 대한 3개의 논리 인버터를 사용하여 만들 수 있으며 , 아래 그림과 같이 함께 연결되어 "3개의 링" 파형이라고도 하는 회로를 생성합니다. 발전기.

발진 주파수는 위의 2개 게이트 발진기와 마찬가지로 R1C 시상수에 의해 다시 결정되며 R2가 저항 R1 값의 10배인 값을 가질 때 1/2.2R1C 로 제공됩니다 .

안정적인 NAND 게이트 파형 발생기

추가 NAND 게이트를 추가하면 매우 낮은 커패시터 값에서도 오실레이터가 시작될 수 있습니다. 또한 임계값 트리거링 레벨이 공급 전압의 거의 절반에 달하므로 전원 공급 장치 변동에 덜 민감하므로 파형 발생기의 안정성이 크게 향상됩니다.

안정성의 양은 주로 발진 주파수에 의해 결정되며 일반적으로 주파수가 낮을수록 발진기가 더 안정적입니다.

이러한 유형의 파형 발생기는 공급 전압의 거의 절반 또는 50%에서 작동하므로 결과 출력 파형은 거의 50% 듀티 사이클, 1:1 마크 공간 비율을 갖습니다. 3개 게이트 파형 발생기는 위의 이전 2개 게이트 발진기에 비해 많은 장점을 가지고 있지만 한 가지 큰 단점은 추가 논리 게이트를 사용한다는 것입니다.

링형 파형 발생기

위에서 우리는 간단한 RC 완화 발진기를 형성하기 위해 1개, 2개 또는 3개의 논리 게이트에 연결될 때 회로 내에서 시간 지연을 생성하는 RC 네트워크 와 함께 TTL과 더 나은 CMOS 논리 기술을 모두 사용하여 파형 발생기를 만들 수 있다는 것을 확인했습니다.

그러나 논리 NOT 게이트만 사용하여 파형 발생기를 만들 수도 있습니다. 즉, 추가 수동 구성요소를 연결하지 않고 인버터를 만들 수도 있습니다.

NOT 게이트의 임의의 ODD 번호(3, 5, 7, 9 등)를 함께 연결하여 "링" 회로를 형성함으로써 링의 출력이 링의 입력에 곧바로 다시 연결되어 회로가 계속 진동합니다. 논리 레벨 "1"은 네트워크 주위를 지속적으로 회전하여 사용된 인버터 의 전파 지연에 의해 결정되는 출력 주파수를 생성합니다 .

링 파형 생성기

발진 주파수는 링 내에서 사용되는 인버터 의 총 전파 지연에 의해 결정되며 그 자체는 인버터를 구성하는 게이트 기술, TTL, CMOS, BiCMOS의 유형에 따라 결정됩니다.

전파 지연 또는 전파 시간은 신호 가 입력에 도달하는 논리 "0"에서 출력에서 ​​논리 "1"을 생성하기까지 인버터를 직접 통과하는 데 필요한 총 시간(보통 나노초)입니다 .

또한 이러한 유형의 링 파형 발생기 회로의 경우 공급 전압, 온도 및 부하 커패시턴스의 변화가 모두 논리 게이트의 전파 지연에 영향을 미칩니다. 일반적으로 평균 전파 지연 시간은 다음과 같이 주어진 발진 주파수와 함께 사용되는 디지털 논리 게이트 유형에 대한 제조업체 데이터 시트에 제공됩니다.

여기서: f 는 발진 주파수, n 은 사용된 게이트 수, Tp 는 각 게이트의 전파 지연 시간입니다.

예를 들어. 간단한 파형 발생기 회로에 5개의 개별 인버터가 직렬 체인으로 함께 연결되어 링 발진기를 형성한다고 가정합니다 . 각 인버터 의 전파 지연 시간이 8나노초(8ns)로 주어진 경우. 그러면 회로의 진동 주파수는 다음과 같이 주어집니다.

물론 이것은 주로 불안정성과 매우 높은 발진 주파수(사용된 논리 게이트 기술 유형에 따라 수십 메가헤르츠)로 인해 실제로 실용적인 발진기가 아니며 간단한 예에서는 12.5MHz로 계산되었습니다!!

링 발진기 출력 주파수는 링 내에 사용되는 인버터 수를 변경하여 약간 "조정"할 수 있지만 위에서 설명한 것과 같이 보다 안정적인 RC 파형 발생기를 사용하는 것이 훨씬 더 좋습니다.

그럼에도 불구하고 논리 게이트를 함께 연결하여 논리 기반 파형 발생기를 생성할 수 있으며 게이트, 신호 경로 및 피드백 루프가 많은 잘못 설계된 디지털 회로는 의도치 않게 진동하는 것으로 알려져 있습니다.

인버터 회로 전반에 걸쳐 RC 네트워크를 사용하면 발진 주파수를 정확하게 제어하여 많은 일반 전자 응용 분야에 사용할 수 있는 보다 실용적인 불안정 완화 발진기 회로를 생성할 수 있습니다.

파형 및 파형 생성 에 대한 다음 튜토리얼에서는 단안정에서 비안정 멀티바이브레이터까지 다양한 파형과 타이밍 신호를 생성할 수 있는 지금까지 생산된 가장 인기 있고 다재다능한 집적 회로 중 하나인 555 타이머를 살펴보겠습니다