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Wie untersuchen Möglichkeiten, Impulse zu erzeugen


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Impulse erzeugen

Quarzgenauer Takt


Impulse erzeugen

Im Folgenden befassen wir uns mit der Erzeugung von Impulsen bestimmter Dauer.

Dazu werden in der Regel monostabile Multivibratoren verwendet.

Monostabile Multivibratoren

Den monostabilen Multivibrator kennen wir 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 identisch.

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

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

A B Clr Q 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 A und B wird normalerweise nur einer zum Triggern verwendet. Der andere wird auf A=0 bzw. B=1 gesetzt.

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

Befindet sich der monostabile Multivibrator im monostabilen Zustand und ein weiterer Trigger auftritt, gibt es zwei Möglichkeiten der Reaktion:

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

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

Die Zeit, während der sich ein monostabiler Multivibrator im monostabilen Zustand befindet, wird als Haltezeit bezeichnet. Die Haltezeit beträgt ungefähr th=0.45*R*C. Zur Berechnung der Haltezeit von monostabilen Multivibratoren kann das Tool Monostabiler Multivibrator verwendet werden.

Die meisten monostabilen Multivibratoren haben einen Eingang für die fallende und einen Eingang für die steigende Flanke, sodass wir sie je nach Bedarf einsetzen können.

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

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

In Bild 1 ist unten eine Folge von drei Taktimpulsen dargestellt. Die erste fallende Flanke triggert beide monostabile Multivibratoren. Die Haltezeit ist für beide monostabile Multivibratoren gleich.

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

Q2 ist retriggerbar. Die zweite und die dritte fallende Flanke triggern Q2 erneut, d.h. die Haltezeit wird erneut gestartet. Erst nach dem Ausbleiben weiterer Flanken fällt Q2 wieder ab.

Frequenzdiskriminator

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

Wir können einen retriggerbaren monostabilen Multivibrator verwenden, um festzustellen, ob eine Frequenz über einem bestimmte Wert liegt. Eine solche Schaltung nennt man Frequenzdiskriminator.

Attention >

Trigger

Ein Trigger ist ein Impuls, der eine Aktion auslöst.

R-C-Glied

Wir wissen bereits aus Entprellter Taster, Reset, dass wir mit einem Widerstand und einem Kondensator eine gewisse Verzögerung erzeugen können.

Taster-entprellt-Schmitt-Trigger.png
Bild 2: Entprellter Taster mit Schmitt-Trigger

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

Im Prinzip ist die Schaltung in Bild 2 ein diskret aufgebauter monostabiler Multivibrator. Anstelle des Tasters können wir aber kein Gatter anschließen, da bei einer 0 der Widerstand R1 den Kondensator entlädt.

Monostabil-Diskret.png
Bild 3: Diskret aufgebauter monostabiler Multivibrator

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

Die Haltezeit beträgt etwa th=0,6*R2*C1. Sie ist nicht so genau wie bei einem integrierten monostabilen Multivibrator.

Der Ausgang Q geht mit der positiven Flanke des Impulses am Eingang auf Q=0. Erst mit der negativen Flanke beginnt die Haltezeit. Wegen R1 muss der Impuls jedoch länger als R1*C1 sein.

Astabile Multivibratoren

Astabile Multivibratoren sind Schaltungen, die laufende Impulse, einen Takt erzeugen.

Wir haben bisher den Timer 555 als Taktgenerator verwendet. Mit einem Schmitt-Trigger lässt sich ein einfacher astabiler Multivibrator aufbauen.

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

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

  • Anstelle eines Schmitt-Triggers kann auch ein invertierendes CMOS-Gatter verwendet werden.
  • Allerdings schwingt der astabile Multivibrator möglicherweise nicht.
  • In diesem Fall kann ein anderer Wert für R helfen.
  • Die Frequenz des Multivibrators ist außerdem ungenauer.

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

Astabile Multivibratoren mit dem Timer 555 erzeugen stabilere Frequenzen als solche mit Schmitt-Trigger.

Timer 555

In Timer 555 haben wir den Timer 555 als astabilen Multivibrator betrachtet.

Ne555-astabil.png
Bild 5: Der Timer 555 als astabiler Multivibrator

Monostabiler Multivibrator mit Timer 555

Der Timer 555 kann als monostabiler Multivibrator eingesetzt werden.

Ne555-monostabil.png
Bild 6: 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 mit der negativen Flanke des Impulses am Eingang TR auf Q=0. Erst mit der positiven Flanke an TR startet die Haltezeit. Die Haltezeit beträgt th=1.1*R*C. Das Tool Monostabiler Multivibrator unterstützt auch den Timer 555.

Mit dem Timer 555 können nicht so kurze Haltezeiten erzeugt werden wie mit 74HC123 & Co.

Der Timer 555 verhält sich bezüglich des Trigger-Eingangs TR anders als die 74HC123 & Co.

  • Der Timer 555 ist nicht retriggerbar. Einmal getriggert läuft der Impuls ab.
  • Solange der Trigger-Eingang TR 0 ist, bleibt der Ausgang Q 1, auch wenn die Zeit abgelaufen ist.
  • Ist die Zeit abgelaufen, wird durch bei 1 am Trigger-Eingang TR der Ausgang Q sofort 0.

Dieses Verhalten ist in der Regel nicht erwünscht.

Ne555-monostabil-C.png
Bild 7: Monostabiler Timer 555 flankengesteuert

Die Schaltung in Bild 7 reagiert auf die fallende Flanke am Triggereingang TR.

Sehr kurze Impulse, Spikes

Spike_s.png
Bild 8: Sehr kurze Impulse mit 74HC00

Die Schaltung in Bild 8 besteht aus drei Teilen. Links befindet ein Taktgenerator mit einem Timer 555. Dann folgt die Schaltung mit dem 74HC00, die wir betrachten wollen. Am Ausgang des 74HC00 befindet ein monostabiler Multivibrator zur Erkennung vom Impulsflanken.

Das erste NAND-Gatter des 74HC00 ist einfach als Inverter für das Signal T geschaltet. An den Eingängen des zweiten NAND-Gatters liegen sowohl T als auch T an. Nach der NAND-Logik liegt also 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 erwartungsgemäß immer.
  • LED3 am Ausgang des monostabilen Multivibrators blinkt auch.

Am Ausgang S des zweiten NAND-Gatters treten Impulse auf. Beide Eingänge des zweiten NAND-Gatters müssen kurzzeitig auf 1 gesetzt werden, um eine 0 zu erzeugen.

Das Signal T=0 am Eingang (2) des Gatters U2A erzeugt eine 1 am Ausgang T. Es vergeht eine sehr kurze Zeit, bis die 1 erzeugt wird. 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 aus der 0 vor der Flanke. Für einen sehr kurzen Moment erkennt das zweite NAND-Gatter eine 1 an beiden Eingängen und erzeugt für einen sehr kurzen Moment eine 0. Wir haben einen Impuls, den der monostabile Multivibrator erkennt. Diese Zeit beträgt bei HC-MOS etwa 10ns bis 20ns. Sie wird als Gatterlaufzeit bezeichnet.

Attention >

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 entspricht ziemlich genau der Gatterlaufzeit des ersten NAND-Gatters.

Spike-Timing.png
Bild 10: Zeitlicher Verlauf des Impulses

Bild 10 zeigt den zeitlichen Verlauf der Impulse am NAND-Gatter. T ist der ankommende Takt. NOT T ist 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 ganz kurz 0.

Die Schaltung in Bild 9 soll sehr kurze Impulse erzeugen. Solche Impulse können jedoch in Schaltungen, in denen ein Signal über verschiedene Wege mit Gattern zu einem Gatter gelangt, ungewollt auftreten. Solche unerwünschten Impulse werden als Spikes bezeichnet. Sie können eine Schaltung erheblich stören und sind wegen ihrer sehr kurzen Dauer sehr schwer zu erkennen.

Regeln

  • Monostabile Multivibratoren werden
  • durch einen Triggerimpuls gestartet,
  • Sie reagieren auf die Flanken des Triggerimpulses.
  • erzeugen einen Impuls mit einstellbarer Haltezeit.
  • Sie können
  • retriggerbar sein:
    Ein Trigger während der Haltezeit startet die Haltezeit erneut.
  • nicht retriggerbar sein:
    Ein Trigger während der Haltezeit startet die Haltezeit nicht neu.
  • Mit einem RC-Glied und einem Schmitt-Trigger kann
  • ein einfacher monostabiler Multivibrator oder
  • ein einfacher astabiler Multivibrator aufgebaut werden,
  • der allerdings keine sehr genauen Zeiten / Frequenzen liefert.
  • Mit dem Timer 555 kann ein präziser (genaue Zeit / Frequenz)
  • monostabiler Multivibrator oder
  • astabiler Multivibrator aufgebaut werden.
  • Die Verzögerungszeit eines Gatters
  • wird als Gatterlaufzeit bezeichnet
  • kann zusammen mit einem NAND-Gatter verwendet werden, um sehr kurze Impulse zu erzeugen.
  • Wenn ein Signal auf verschiedenen Wegen zu einem Gatter gelangen kann,
  • kann es zu unerwünschten Impulsen (Spikes) kommen.