¿Por qué este comparador no emite una onda cuadrada?

Question

Tengo una salida sinusoidal de 4,43 MHz de un circuito integrado que quiero convertir en una onda cuadrada TTL para utilizarla como reloj. La señal tiene un desplazamiento de CC de alrededor de 2,5 V y tiene una amplitud de alrededor de 0,5 V de pico a pico.

Intenté convertir esto en una onda cuadrada de 0-5V usando un comparador de alta velocidad TLV3501 con este circuito.

El comparador parece funcionar como se esperaba: con RV1 en un extremo la salida en SQ_OUT es 0V, en el otro es 5V, en un punto aproximadamente en el medio veo una forma de onda. Sin embargo, tiene un desplazamiento de CC y no se parece mucho a una onda cuadrada.

(Por encima es de 0,5 V / div y tiene un desplazamiento de CC de casi 2 V).

La hoja de datos muestra una onda cuadrada generada a partir de una señal de 50 MHz, así que obviamente estoy haciendo algo mal. Estoy usando una protoboard pero el circuito integrado está en un adaptador con C1 y C2 soldados a los pines. También intenté desconectar SQ_OUT de la protoboard y medir la salida en la patilla, pero obtuve el mismo resultado. ¿Cómo puedo obtener una onda cuadrada de 0-5V?

Editar

Siguiendo las sugerencias de aquí alimenté el comparador con señales que iban de 500hz a 20000hz y desplazadas en 2,5VDC. En la mayoría de los casos observé el mismo resultado: con RV1 en un extremo, una línea plana de 5V, en el otro, 0V, y entre medias una forma de onda de unos 0,5Vp/p y un offset de unos 2,5V (el offset variaba en función de RV1).

Lo más cerca que llegué a la salida esperada tenía picos planos a 5V pero aún así no oscilaba entre 0 y 5V.

Esto parece descartar problemas de alcance, por lo que debe ser o bien el entorno eléctrico (estoy usando una protoboard) o bien que he cableado mal (que lo dudo, pero sin duda voy a ser triple y cuádruple de verificación). O posiblemente un chip defectuoso, que también parece poco probable.

Me pregunto si estos problemas podrían ser un factor:

• Estoy usando una protoboard (aunque SQ_OUT no está conectado a la protoboard).
• No hay ninguna carga conectada, excepto la sonda del osciloscopio. Anteriormente, cuando estaba alimentando 4.43MHz había una carga conectada (entrada de reloj en un AD724).
• ¿Podría RV1 que es un divisor de tensión de 20K ser demasiada resistencia?

Edición 2

Creo que mis problemas fueron causados por una fuente de alimentación ruidosa (5V USB sin filtrar), y agravados por la capacitancia parásita de la protoboard. Con el suministro USB el comparador parecía tener 3 estados: flatlining a 0V, flatlining a 5V, o el voltaje en la entrada. Este era el caso incluso sin ninguna señal, sólo 2.5VDC. Supongo que el "estado medio" era una oscilación de alta frecuencia. Conseguí obtener la salida esperada alimentando el circuito desde una batería y obtuve los mejores resultados cuando lo retiré completamente de la protoboard. Solo entonces obtuve lineas planas de 0V o 5V sin "estado medio". En la protoboard y suministrando una señal de 1000hz, veo una onda cuadrada de 0-5V con algunos zigs y zags alrededor de 2.5V, mostrando que la salida no es limpia. Supongo que si quiero seguir con este aparato tendré que ponerlo en su propia placa y filtrar la alimentación. Gracias a todos los que han contribuido.

Answer 1

Será una de estas dos cosas y lo más probable es que ambas:

1. La sonda que estás utilizando no es la adecuada, ya sea en frecuencia o en su compensación (el tornillito del lateral de la sonda).

   

2. Un osciloscopio de 10 MHz es demasiado lento para una señal de 4,5 MHz.

Aquí se muestra la acumulación de una onda cuadrada hasta el armónico 100 (fondo de 4,43 MHz):

import numpy as np
from matplotlib import pylab
F= 4.43e6
t = np.arange(0, 2/F, 1e-12)
x = np.sin(2*np.pi*F*t) 
pylab.subplot(3,1,1)
pylab.title('Sinewave of increasing frequency: Fourier content of a squarewave')
pylab.plot(t,x)
pylab.grid(True)

for i in range(3,100,2):
    a = (1/i)*np.sin(2*np.pi*F*i*t)
    pylab.plot(t,a)
    x +=a

pylab.subplot(3,1,2)
pylab.title('Equivelent squarewave for summation of its harmonics')
pylab.plot(t,x)
pylab.grid(True)

y= np.zeros(len(t))

A= 10e6*2*np.pi*t[1]/(10e6*2*np.pi*t[1]+1)
for i in range(1,len(t)):
    y[i] = y[i-1] + A*(x[i] - y[i-1])
pylab.subplot(3,1,3)
pylab.plot(t,y,label='4.43MHz through 1 filter')
x = y
y= np.zeros(len(t))
A= 10e6*2*np.pi*t[1]/(10e6*2*np.pi*t[1]+1)
for i in range(1,len(t)):
    y[i] = y[i-1] + A*(x[i] - y[i-1])
pylab.plot(t,y)
pylab.plot(t,y,label='4.43MHz through 2 cascaded filters')

pylab.title('Result of passing a 4.43MHz squarewave through 1 & two 10MHz 1st order filters')
pylab.legend()

pylab.grid(True)
pylab.show()

Si la adquisición sólo es capaz de 10 MHz, los contribuyentes se atenuarán y cambiarán de fase produciendo una forma de onda distorsionada similar a la que está viendo.

La conexión en cascada de dos "filtros" de 10 MHz (uno en la sonda y otro en la entrada del osciloscopio) distorsionará aún más la forma de onda, dando como resultado una señal más parecida a la que se ve en el osciloscopio.

La media de una onda cuadrada de 0-5V es de 2,5V. Si su osciloscopio tiene una "entrada media", también producirá una forma de onda similar y tenderá hacia los 2,5V. He sido sorprendido varias veces mirando PWM sólo para ver una muy extraña forma de onda caminando SÓLO para descubrir que alguien se metió con mi osciloscopio y había habilitado el "promedio de 16 muestras".

Answer 2

Debes darte cuenta de que una onda cuadrada de 4,43 MHz tiene un ancho de banda mucho mayor que 10 MHz.

Una onda cuadrada "adecuada" de 4,43 MHz contendrá frecuencias de hasta 50 MHz y más. Esto se debe a que una onda cuadrada se compone de una suma completa de frecuencias (a diferencia de una onda senoidal que sólo es un frecuencia, por eso los EE la utilizan mucho).

Si tuvieras una onda cuadrada ideal de 4,43 MHz pero la miraras a través de un sistema de ancho de banda de 10 MHz (como tu osciloscopio) entonces verías una onda triangular distorsionada. Que es lo que se ve aquí.

Inténtalo de nuevo pero a una frecuencia 10 veces menor (o incluso 100 veces menor) y a ver qué obtienes.

Answer 3

Un tiempo de subida del osciloscopio de 10 MHz debería ser 0,35 * 1000 / 10 = 35 nS.

El tiempo de medio ciclo a 4,43 MHz es de 500 / 4,43 = 113 nS, que es más de 3 veces el tiempo de subida del osciloscopio, lo que demuestra que el osciloscopio debería ser adecuado para mostrar la excursión completa de la señal de salida. Sin embargo, el trazo proporcionado por el osciloscopio parece CR / tiempo de subida limitado en exceso. Por lo tanto, lo primero que hay que mirar es la carga de salida y como la hoja de datos LM393 muestra un parámetro para la salida de corriente de sumidero me gustaría sugerir en primera instancia, pruebe con una resistencia de 4,7 k pull up entre +5 voltios y SQ_OUT. Cuando funciona correctamente la salida de una onda cuadrada limpia yo esperaría que la forma de onda de salida del osciloscopio sea similar a la simulada por JonRB - debido al límite de ancho de banda del osciloscopio - aunque las escalas de tensión serán diferentes. Aunque el ajuste de la sonda del osciloscopio es importante para el trabajo digital, creo que es una pista falsa en este caso.

ACTUALIZACIÓN

@Batperson en tu comentario después de la respuesta de ovirt dijiste que habías sustituido un LM393 que tiene una salida de colector abierto, de ahí la sugerencia del pullup. Sin embargo este es un circuito trivial y no debería ser difícil de clavar. Primero un consejo. Cuando hay problemas y te encuentras respondiendo "debería" en lugar de "hace", necesitas comprobarlo ya que hay un elemento de duda. Por ejemplo, este circuito DEBERÍA producir una salida de onda cuadrada.

Lo que describes no tiene sentido. Tienes una señal de entrada de 0.5 Vp-p que polariza a +2.5V a tierra conectada a la entrada del comparador y estás desplazando la ref del comparador entre gnd y +5V. Una vez que el voltaje de referencia excede la polarización del oscilador más unos 0.25V la salida debería estabilizarse cerca de gnd. A la inversa, una vez que la referencia cae por debajo de la polarización menos unos 0,25 V, la salida debería estar en línea plana cerca de +5 V. Por ejemplo, la salida debería estar en línea plana siempre que la referencia esté fuera del rango de la señal de entrada. Después de investigar esto cuelga un C cerámico de 0.1uF entre ref y tierra cerca de los pines del IC e inténtalo de nuevo. A continuación sustituye la entrada del oscilador por dos R's de 10k en serie y conecta entre gnd y +5V la entrada del comparador conectada al punto medio. Observa si la salida cambia entre la línea plana de +5V y gnd cuando la referencia pasa por el punto medio. Acabas de probar/desmentir el funcionamiento del comparador en CC.

OTRAS REFLEXIONES

@Batperson después de pensarlo un poco más me doy cuenta de que tus trazas de alcance no tienen sentido. La única manera (aparte de la retroalimentación -ve) el circuito se muestra puede tener un sesgo de salida cerca del punto medio es para la salida de pasar el mismo tiempo en +5V y gnd (El nivel resultante es el promedio). Esto no es evidente en su alcance imágenes 1 y 2 - se ve más lo que la entrada debe ser - casi como si la tierra IC gnd no estaba conectado. Las pruebas que sugerí ayer debería ayudar a resolver esto. Sería útil si titulaste las imágenes 2 y 3 con puntos de referencia de voltaje y escala o frecuencia ya que no está claro en tu texto. También tal vez una imagen de su protoboard.

Answer 4

En otras respuestas se han tratado las consideraciones relativas al ancho de banda de tu ámbito, etc.

Usted dice que está utilizando el dispositivo TLV3501, pero su circuito esquemático no coincide con las configuraciones de pines que se muestran en la hoja de datos de TI TLV3501, TLV3502 - por ejemplo, la salida debe estar en el pin 6 o en el pin 5 dependiendo del encapsulado (SOIC o SOT-23).

Tu esquema tampoco muestra una conexión al pin "shutdown" que debería estar conectado a la alimentación negativa - "GND" en este caso.

Si la información facilitada en su pregunta es correcta, entonces parece que el dispositivo no está conectado correctamente (a menos que haya conseguido encontrar el dispositivo en un paquete que no figura en la hoja de datos vinculada).

Answer 5

Como otros han señalado, es probable que se deba a que su osciloscopio sólo tiene capacidad para 10 MHz. Quería explicar por qué es un problema en términos más sencillos y menos teóricos.

La clasificación de 10 MHz significa que puede mostrar una onda sinusoidal de 10 MHz con una atenuación y distorsión mínimas. Las frecuencias nominales siempre se indican para ondas sinusoidales, no cuadradas.

Para entender por qué una onda cuadrada requiere mucho más ancho de banda para visualizarse, hay que comprender que la frecuencia viene determinada por la velocidad de cambio en el tiempo. Así, una onda cuadrada tiene una frecuencia muy baja (cercana a CC o cero) en las partes planas y, de repente, una frecuencia muy alta cuando pasa de alta a baja o de baja a alta.

En la hoja de datos del comparador se indica la velocidad de giro. Es decir, la velocidad máxima de cambio de su salida. También dependerá de tu circuito, pero para este ejemplo digamos que es 1ns/V. La salida oscilará sobre 5V, tardando 5ns. Así que la frecuencia de la parte de transición de la onda cuadrada será de 1/5ns, o 200MHz. Como tu osciloscopio es de sólo 10MHz, mostrará algo parecido a la forma de onda que estás viendo, incapaz de oscilar hacia arriba y hacia abajo tan rápido como la onda cuadrada.