¿Qué puede reducir el rebasamiento y el timbre en un simple generador de impulsos de onda cuadrada?

Question

He construido un sencillo generador de pulsos de onda cuadrada basado en RC y Schmitt. En la protoboard, tiene algunas cualidades obvias no deseadas debido a la longitud de los puentes, la propia protoboard, etc.

Esquema y versión de prototipo:

Y la salida de la forma de onda:

En particular, el flanco de subida de la onda cuadrada tiene una cantidad sustancial de sobreimpulso (unos 200mV sobre 500mV de pico) y el timbre. Es fácil que empeore, tocando físicamente el R1. Ver ediciones para la información correcta.

Buscando soluciones me he topado con términos como snubbers y amortiguadores para circuitos de RF y cosas más allá de mi aficionado grado de paga.

Anindo sugiere en una respuesta a una pregunta relacionada que uno debe usar una resistencia de 50Ω para una carga. Estoy midiendo la salida del primer disparador Schmitt (IC1D, en el pin 2). Los restantes disparadores se utilizan con resistencias de 220Ω para crear una impedancia de aproximadamente 50Ω, pero obtengo resultados casi idénticos midiendo en el nodo de salida.

Este generador de pulsos de borde rápido es puramente para mi propia experimentación/educación, así que no hay nada crítico en él. Si decido hacer una placa soldada de él, ¿qué tipo de cosas puedo hacer para asegurar que es mejor que su primo de la tabla de pan?

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Editar:

Por error estaba en modo acoplado de CA para las capturas de pantalla y mediciones anteriores. Aquí hay más pantallas que muestran la señal en los pines 1 y 2 del CI (onda triangular de entrada en el 1, cuadrada de salida en el 2). Ahora están acoplados en DC. Las sondas estaban siempre en X10 pero el osciloscopio estaba en X1 (¡un osciloscopio nuevo!). Sin embargo, el sobreimpulso sigue siendo significativo: en la salida, que es de 0-5V, el sobreimpulso (mostrado por las líneas de cursor blancas discontinuas) es de 2,36V. Obsérvese que el sobreimpulso en la entrada es sólo de unos 500mV. ¿La ondulación de la entrada se debe a la proximidad de los pines 1 y 2 en la protoboard?

Entrada (canal 2/azul) en el pin 1, y salida (canal 1/amarillo) en el pin 2:

Sobreimpulso medido con acoplamiento de CC:

Quitando la resistencia R2 y midiendo en la patilla 4 (salida del IC1E) no hubo ninguna diferencia notable con la señal de la patilla 2.

Debo mencionar que el tutorial/vídeo original de W2AEW de donde obtuve la información para este circuito también tiene algo de sobreimpulso, pero no al grado que yo tengo. Su circuito está soldado en una placa que probablemente ayuda mucho.

Forma de onda original del autor (W2AEW) (en el nodo OUT) con quizás 500mV sobre 5V:

Versión soldada del autor original:

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Editar 2:

Aquí está una imagen de la configuración general, incluyendo las longitudes de los cables a la fuente de alimentación y el alcance:

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Edita 3:

Y por último, VCC (amarillo) y el nodo OUT (azul) en el osciloscopio para mostrar la ondulación coincidente:

Answer 1

Por el aspecto de las nuevas trazas del osciloscopio añadidas a la pregunta, concretamente la traza de Vcc, parece que el timbre se origina en una mala regulación de la alimentación en el punto de uso - lo más probable es que no en la salida de la alimentación del banco. Aunque los cables más cortos de la fuente de alimentación del banco ayudarán sin duda a reducir la inductancia de los cables, eso no será suficiente cuando la transición sea tan brusca como la que buscas.

• Añade un condensador fuerte en la protoboard a través de los raíles de alimentación, lo más cerca posible del CI: Empieza con 100 uF.
• En paralelo con el condensador de desacoplamiento de 0,1 uF mostrado en su esquema, y tocando los pines de alimentación del Schmitt Trigger, añada un condensador electrolítico de 10 uF.
• Recorta los cables de los 3 condensadores anteriores hasta el mínimo que haga contacto positivo con los contactos de la protoboard. Esos cables añaden una inductancia que no quieres.
• Añade una carga desde la salida que estás leyendo hasta la clavija de tierra, tan cerca de la clavija de salida como sea posible - 220 Ohms deberían estar bien, y de nuevo quieres los cables recortados al mínimo.

• Si es absolutamente necesario evitar el sobreimpulso / subimpulso más allá de unos pocos cientos de miliVoltios, añada pequeños diodos Schottky de señal desde el pin de salida a ambos pines de alimentación y tierra, así:

  

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

• Esto asegurará que el pico en el borde de subida y el valle en el borde de bajada del timbre se amortiguan - habrá algún efecto en el valle / pico respectivo del timbre también debido al exceso de energía de los picos que se disipa a través de los diodos.
• Por último, la protoboard, debido a la naturaleza de su construcción, introduce capacitancia, inductancia y todo tipo de acoplamiento parásito. Incluso una simple protoboard lo haría mejor. Los cables largos agravan este problema, especialmente a altas frecuencias / transiciones bruscas, donde incluso un simple cable es una fuente de acoplamiento y de timbre inductivo.

Answer 2

Escribo esto como respuesta porque pensé que no habría suficiente espacio en los comentarios. Dicho esto, es probable que varios de los puntos que expongo puedan ser la causa de tus problemas: -

¿Estás usando una sonda de alcance x10? ¿Qué aspecto tiene la salida del pin 2? Los disparadores schmitt no se disparan todos en el mismo punto en una onda cuadrada mal formada del pin 2. Puedo ver la evidencia de esto en el trazado del osciloscopio: empieza a asentarse y luego se dispara de nuevo. El desacoplamiento del chip de la imagen es un poco escaso.

¿Estás usando 7414s - Yo recomendaría el 74AC14 para una mejor velocidad - también comprueba la corriente de salida que estos dispositivos pueden suministrar - en particular, algunos dispositivos pueden no producir un o/p decente de la sección del oscilador dada la carga de 6k8 y otras 5 entradas.

Si desconectas una de las resistencias de 220R y cuelgas el osciloscopio directamente en la salida (digamos el pin 4), ¿qué aspecto tiene?

Qué Vcc estás usando - dices que el sobreimpulso es de 200mV sobre el pico de 500mV - esto parece extraño - estás seguro de que todos los inversores están conmutando. Desde una fuente de 5V yo esperaría ver un pico de 5V con cualquier sobreimpulso por encima de esto.

Para reflexionar.

Answer 3

Según otras respuestas y comentarios, me centré en reducir el rebasamiento con algunas de las sugerencias proporcionadas.

Hice lo siguiente:

• acortar los cables que van y vienen de la protoboard,
• ajuste de la compensación de las sondas (una estaba ligeramente subcompensada)

Esto redujo el sobreimpulso medido de ~2,4V a 1,8V (sobre 5V).

Sin embargo, la sugerencia de @AndrejaKo fue la que más efecto tuvo. Puse el resorte de punta de tierra en la sonda y medido de nuevo, esta vez sólo viendo 680mV de sobreimpulso.

Hasta que no se suelde este circuito a una placa de circuito impreso, no espero nada mejor. Pero esto es un significativo mejora del original.

Medición de la salida de onda cuadrada en el pin 2:

Recorrido de tierra corto con resorte de punta:

En la foto parece que la resistencia está tocando el muelle de tierra, pero no es así.

No estoy convencido de que el rebasamiento haya sido realmente tan alto como se ha medido (o incluso que esté realmente en 680mV), sino que los métodos de medición inadecuados han sido los culpables. Si nada más, sin embargo, esto ha demostrado definitivamente que tratar de medir eventos de alta velocidad realmente requiere atención a cosas como la longitud del cable (impedancia), la capacitancia perdida, y un análisis cuidadoso.

Nota: He quitado las resistencias a los otros cinco disparadores Schmitt para la foto; los resultados fueron básicamente los mismos con/sin ellas.

Answer 4

Tiene un problema de alimentación. La edición 3, que muestra VCC (amarillo) y el nodo OUT (azul) es la pistola humeante. Añade capacitancia entre VCC y el riel de alimentación, tan cerca como puedas de los pines del CI. Los cables del condensador son actualmente demasiado largos. Yo utilizaría un electrolítico de unos 100 microfaradios, puenteado con un capuchón de película de 0,01 microfaradios y una cerámica pequeña, digamos 600 pF. Alinéelos lo más cerca posible de las clavijas, y coloque el más pequeño justo en las clavijas si puede. Por cierto, muchos amplificadores de audio presentan este mismo problema. Puedes probarlos conectando un altavoz entre VCC y tierra, en serie con un tapón de pequeño valor para bloquear la DC. Escuchará la música en los carriles de alimentación. Su objetivo es reducir o eliminar esta música.

Answer 5

En el tutorial/vídeo original de W2AEW, de donde procede este circuito, Alan menciona que el circuito alcanza una impedancia de "salida**" bastante cercana a los 50 ohmios.

Tu post anterior en realidad respondía a tu propia pregunta, pero sospecho que no te diste cuenta de que ya tenías la respuesta.

De su post anterior: "Anindo sugiere en una respuesta a una pregunta relacionada que uno debe usar una resistencia de 50 para una carga. Estoy midiendo la salida del primer disparador Schmitt (IC1D, en el pin 2). Los demás disparadores se utilizan con resistencias de 220 para crear una impedancia de aproximadamente 50, pero obtengo resultados casi idénticos midiendo en el nodo de salida"

Sus resistencias de 220 ohmios están formando la impedancia de salida para la energía lanzada, no son la impedancia de carga. Entonces necesitas alimentar esa señal de salida final en una impedancia característica correspondiente para agotar/consumir completamente la energía lanzada y evitar las reflexiones. Solución: Simplemente añada la carga de 50 ohmios, ya sea como una resistencia de carga o, si su osciloscopio lo soporta, simplemente utilice la selección de impedancia de entrada de 50 ohmios del osciloscopio. También habrá efectos parásitos de capacitancia/inductancia, pero el desajuste de impedancia será el elemento dominante en este momento.