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Impulse erzeugen

An dieser Stelle befassen wir uns damit, Impulse bestimmter Dauer zu erzeugen.

Dafür werden meistens monostabile Multivibratoren verwendet.

Monostabile Multivibratoren

Wir kennen den monostabilen Multivibrator bereits aus dem Praktikum Impulse erkennen. Mit einem monostabilen Multivibrator können wir Impulse definierter Dauer auslösen.

Monostabiler Multivibrator

Monostabiler-Multivibrator.png
Monostabiler Multivibrator

Die Schaltung und Anschlussbelegung der monostabilen Multivibratoren 74HC123, 74HC423 und 74HC221 ist gleich.

Diese monostabilen Multivibratoren haben zwei Trigger-Eingänge. Über den Eingang werden sie durch eine fallende , über B durch eine steigende Flanke getriggert. C̅l̅r̅ ist der Reset.

Die Ansteuerung des 74HC123 und 74HC221 ist in einer Wahrheitstabelle festgehalten.

B C̅l̅r̅ Q
H X H L H
X L H L H
L 1 Oneshot_up Oneshot_down
H H Oneshot_up Oneshot_down
X X L L H
L H Oneshot_up Oneshot_down

Wahrheitstabelle des 74HC123 und 74HC221

Von den Triggereingängen und B wird meistens nur einer zum Triggern benutzt. Der andere wird auf A̅=0 bzw. B=1 gelegt.

Der Reseteingang C̅l̅r̅ kann auch einen Trigger auslösen, wenn A̅=0 und B=1 sind. Das ist manchmal nicht erwünscht. Dann kann der 74HC423 genommen werden, dessen Wahrheitstabelle mit der obigen bis auf die letzte Zeile übereinstimmt.

Wenn der monostabile Multivibrator im monostabilen Zustand ist und ein weiterer Trigger eintritt, gibt es zwei Weisen der Reaktion:

  • retriggerbarer monostabiler Multivibrator:
    Trigger während des monostabilen Zustands verlängern diesen.
  • nicht retriggerbarer monostabiler Multivibrator:
    Trigger während des monostabilen Zustands werden ignoriert.

Der 74HC123 und 74HC423 sind retriggerbar. Der 74HC221 ist nicht retriggerbar.

Die Zeit, die ein monostabiler Multivibrator im monostabilen Zustand ist wird Haltezeit genannt. Die Haltezeit beträgt etwa th=0.45*R*C. Für Berechnung der Haltezeit von monostabilen Multivibratoren kann das Tool Monostabiler Multivibrator verwendet werden.

Die meisten monostabilen Multivibratoren haben je einen Eingang für die fallende und steigende Flanke, so dass wir sie entsprechend unseren Bedürfnissen einsetzen können.

Die Eigenschaft retriggerbar - nicht retriggerbar sollten wir uns näher ansehen.

Monostabil-Trigger.png
Bild 1: Retriggerbar und nicht retriggerbar

In Bild 1 wird unten eine Folge von drei Taktimpulsen dargestellt. Durch die erste fallende Flanke werden zwei monostabile Multivibratoren getriggert. Die Haltezeit ist bei beiden gleich.

Q1 ist nicht retriggerbar und fällt von der zweiten fallenden Taktflanke unbeeinflusst nach dem Ablauf der Haltezeit zurück. Die dritte fallende Flanke triggert Q1 erneut.

Q2 ist retriggerbar. Die zweite und dritte fallende Flanke triggern Q2 erneut, d.h. die Haltezeit wird erneut gestartet. Erst nachdem weitere Flanken ausbleiben fällt es ab.

Frequenzdiskriminator

Ein retriggerbarer monostabiler Multivibrator kann verwendet werden, um festzustellen ob die Periode eines Taktes unterhalb eines bestimmten Wertes, der Haltezeit th, liegt. Wenn der Ausgang des monostabilen Multivibrators immer 1 bleibt, ist die Periode des Taktes kürzer, d.h. die Frequenz liegt über 1/ta.

Wir können mit einem retriggerbaren monostabilen Multivibrator bestimmen, ob eine Frequenz oberhalb eines bestimmten Wertes liegt. Eine solche Schaltung wird als Frequenzdiskriminator bezeichnet.

R-C-Glied

Wir kennen bereits aus Entprellter Taster, Reset, dass mit einem Widerstand und einem Kondensator eine gewisse Verzögerung erzeugt werden kann.

Taster-entprellt-Schmitt-Trigger.png
Bild 3: Entprellter Taster mit Schmitt-Trigger

Wir haben eine Taste, die eine Folge von Impulsen erzeugt, bis sie die einen stabilen Zustand einnimmt. Wir könnten auch einen retriggerbaren monostabilen Multivibrator verwenden, der z.B. auf th=60ms eingestellt ist.

Im Prinzip handelt es sich bei der Schaltung in Bild 3 um einen diskret aufgebauten monostabilen Multivibrator. Wir können anstelle der Taste kein Gatter anschließen, weil bei einer 0 der Widerstand R1 den Kondensator entladen wird.

Monostabil-Diskret.png
Bild 4: Diskret aufgebauter monostabiler Multivibrator

Die Diode sorgt dafür, dass der Kondensator nur bei einem positiven Impuls aufgeladen wird. Der Widerstand R1 ist nötig, damit der Kondensator das davor liegende Gatter nicht kurzzeitig kurzschließt. Ein Schmitt-Trigger ist notwendig, um am Ausgang eindeutige Zustände zu erzeugen.

Die Haltezeit ist etwa th=0,6*R2*C. Sie ist nicht so genau wie bei einem integrierten monostabilen Multivibrator.

Der Ausgang geht bei der positiven Flanke des Impulses am Eingang auf Q̅=0. Erst bei der negativen Flanke startet die Haltezeit. Wegen R1 muss der Impuls aber länger als R1*C sein.

Oszillator

Ein Oszillator ist eine Schaltung, die laufende Impulse, einen Takt erzeugt.

Wir haben bisher den Timer 555 als Taktgenerator eingesetzt. Mit einem Schmitt-Trigger lässt sich ein einfacher Oszillator aufbauen.

Oszillator-Schmitt-Trigger.png
Bild 4: Oszillator mit Schmitt-Trigger

Der Oszillator mit Schmitt-Trigger ist eine sehr einfache Schaltung, die nur aus drei Bauelementen besteht. Die Frequenz mit einem 74HC14 ist etwa f=1,1/(R*C). Die Frequenz hängt geringfügig von der Versorgungsspannung ab (die 1,1), aber auch vom Hersteller des Schmitt-Triggers. Der Widerstand R kann im Bereich von 4,7kΩ bis 4,7MΩ liegen und Kapazitäten C nicht unter 100pF.

Mit dem Tool Oszillator mit 74HC14 können R und C berechnet werden.

Timer 555 erzeugen stabilere Frequenzen als Oszillatoren mit Schmitt-Trigger.

Timer 555

Der Timer 555 kann als monostabiler Multivibrator betrieben werden.

Ne555-monostabil.png
Bild 5: Timer 555 im monostabilen Betrieb

Der Timer 555 eignet sich gut als monostabiler Multivibrator. Die erzeugten Zeiten sind sehr genau. Die Haltezeit kann mit dem Tool Monostabiler Multivibrator berechnet werden.

Der Ausgang geht bei der negativen Flanke des Impulses am Eingang auf Q̅=0. Erst bei der positiven Flanke startet die Haltezeit. Die Haltezeit ist th=1.1*R*C. Das Tool Monostabiler Multivibrator unterstützt auch den Timer 555.

Mit dem Timer 555 können keine so kurzen Haltezeiten erzeugt werden wie mit 74H123 & Co.

Sehr kurze Impulse

Spike_s.png
Bild 5: Sehr kurze Impulse mit 74HC00

Die Schaltung in Bild 5 besteht aus drei Teilen. Links liegt ein Taktgenerator mit einem Timer 555. Dann folgt die Schaltung mit den 74HC00, die wir betrachten wollen. Am Ausgang des 74HC00 liegt ein monostabiler Multivibrator zur Erkennung vom Impulsflanken.

Das erste NAND-Gatter des 74HC00 ist einfach als Inverter für das Signal T geschaltet. Am den Eingängen des zweiten NAND-Gatters liegt sowohl T als auch . Nach der NAND-Logik liegt damit am Ausgang immer S=1.

Lassen wir die Schaltung laufen,

  • LED1 am Ausgang des Taktgenerators blinkt
  • LED2 am Ausgang S des zweiten NAND-Gatters leuchtet, wie erwartet, immer
  • LED3 am Ausgang des monostabilen Multivibrators blinkt auch.

Es treten demnach Impulse am Ausgang S des zweiten NAND-Gatters auf. Es müssen kurzzeitig beide Eingänge des zweiten NAND-Gatters auf 1 liegen und eine 0 erzeugen.

Das Signal T=0 am Eingang 2 des Gatters IC2A erzeugt eine 1 am Ausgang . Bis die 1 erzeugt wird, vergeht eine sehr kurze Zeit. Ebenso vergeht eine sehr kurze Zeit bis aus einer 1 am Eingang 2 eine 0 erzeugt wird.

Bei der Flanke liegt am Eingang 5 des zweiten Gatters eine 1 an und am Eingang 4 über das erste Gatter noch eine 1 von der 0 vor der Flanke. Für einen sehr kurzen Moment erkennt das zweite NAND-Gatter eine 1 an beiden Eingängen und erzeugt für eine sehr kurze Zeit eine 0. Wir haben einen Impuls, den der monostabiler Multivibrator erkennt. Diese Zeit ist bei HC-MOS etwa 10ns bis 20ns. Sie wird als Gatterlaufzeit bezeichnet.

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Genau genommen ist die Gatterlaufzeit, die Zeit, die vergeht, bis die Änderung eines Signals am Eingang eines Gatters am Ausgang erscheint.

Die Dauer des Impulses am Ausgang des zweiten NAND-Gatters in Bild 5 ist ziemlich genau die Gatterlaufzeit des ersten NAND-Gatters.

Spike-Timing.png
Bild 6: Zeitlicher Verlauf des Impulses

In Bild 6 ist der zeitliche Verlauf der Impulse am NAND-Gatter dargestellt. T ist der eingehende Takt. NOT T das Signal hinter dem ersten Gatter. Es ist um eine kurze Zeit verzögert. Hinter dem zweiten NAND-Gatter entsteht das Signal S. Es ist fast immer 1 und nur für eine sehr kurze Zeit 0.

Die Schaltung in Bild 5 soll sehr kurze Impulse erzeugen. Solche Impulse können in Schaltungen vorkommen, bei denen ein Signal über verschiedene Wege mit Gattern zu einem Gatter gelangen. Derartige unerwünschte Impulse werden Spikes genannt. Sie können eine Schaltung erheblich stören und sind aufgrund der sehr kurzen Zeit nur sehr schwer zu entdecken.

Regeln

  • Monostabile Multivibratoren werden
  • durch ein Triggerimpuls gestartet,
  • Sie reagieren auf die Flanken des Triggerimpuls.
  • erzeugen einen Impuls mit einstellbarer Haltezeit.
  • Sie können
  • retriggerbar sein
    Ein Trigger während des Haltezeit startet die Haltezeit erneut.
  • nicht retriggerbar sein
    Ein Trigger während des Haltezeit startet die Haltezeit nicht erneut.
  • Mit einem RC-Glied und einem Schmitt-Trigger lässt sich
  • ein einfacher monostabiler Multivibrator oder
  • ein einfacher Oszillator aufbauen,
  • der allerdings nicht sehr genaue Frequenzen / Zeiten liefert.
  • Mit dem Timer 555 lässt sich ein präziser (genaue Zeit)
  • monostabiler Multivibrator oder
  • Oszillator aufbauen.
  • Die Verzögerungszeit eines Gatters
  • heißt Gatterlaufzeit
  • kann zusammen mit einem NAND-Gatter verwendet werden, um sehr kurze Impulse zu erzeugen.
  • Wenn ein Signal über verschiedene Wege zu einem Gatter gelangen können,
  • kann es zu unerwünschten Impulsen (Spikes) kommen.