Por que esse comparador não gera uma onda quadrada?

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Eu tenho uma saída sinusoidal de 4.43MHz de um IC que desejo converter em uma onda quadrada TTL para usar como relógio. O sinal tem um deslocamento CC de cerca de 2,5V e uma amplitude de cerca de 0,5V pico a pico.

Tentei converter isso em uma onda quadrada de 0-5V usando um comparador de alta velocidade TLV3501 com este circuito.

esquemático atualizado tlv3501

O comparador parece funcionar como esperado: com RV1 em um extremo, a saída em SQ_OUT é 0V, no outro, é 5V, em um ponto aproximadamente no meio, vejo uma forma de onda. No entanto, possui um deslocamento DC e não se parece muito com uma onda quadrada.

não quadrado

(Acima é de 0,5V / div e tem um deslocamento CC de quase 2V).

A folha de dados mostra uma onda quadrada gerada a partir de um sinal de 50MHz, então obviamente estou fazendo algo errado. Estou usando uma placa de ensaio, mas o IC está em um adaptador com C1 e C2 soldados aos pinos. Também tentei desconectar o SQ_OUT da placa de ensaio e medir a saída no pino, mas vi o mesmo resultado. Como posso obter uma onda quadrada de 0-5V?

Editar

Seguindo as sugestões aqui, eu alimentei o comparador com sinais variando de 500Hz a 20000Hz e compensado por 2,5VDC. Eu principalmente observei o mesmo resultado: com RV1 em um extremo, uma linha plana de 5V, no outro, 0V, e entre uma forma de onda de cerca de 0,5Vp / pe deslocamento em torno de 2,5V (o deslocamento variava dependendo do RV1).

500hz

O mais próximo que cheguei da saída esperada tinha picos baixos em 5V, mas ainda não oscilava entre 0 e 5V.

100hz

Isso parece descartar questões de escopo; portanto, deve ser o ambiente elétrico (estou usando uma tábua de pão) ou a ligação foi incorreta (o que duvido, mas certamente vou verificar triplamente e quadruplicar). Ou possivelmente um chip fracassado, o que também parece improvável.

Gostaria de saber se esses problemas podem ser um fator:

  • Estou usando uma tábua de pão (embora SQ_OUT não esteja conectado à tábua de pão).
  • Não há carga conectada, exceto a sonda de escopo. Anteriormente, quando eu estava alimentando 4,43 MHz, havia uma carga conectada (entrada de relógio em um AD724).
  • Poderia o RV1, que é um divisor de tensão de 20K, ter muita resistência?

Editar 2

Acredito que meus problemas foram causados ​​por uma fonte de alimentação barulhenta (USB não filtrada de 5V) e agravados pela capacitância perdida da tábua de pão. Com a fonte USB, o comparador parecia ter três estados: flatline em 0V, flatline em 5V ou a tensão na entrada. Este foi o caso mesmo sem nenhum sinal, apenas 2.5VDC. Eu estou supondo que o "estado intermediário" era oscilação de alta frequência. Consegui obter a saída esperada ligando o circuito a partir de uma bateria e obtive melhores resultados quando o removi completamente da placa de ensaio. Só então obtive apenas linhas planas de 0V ou 5V sem "estado intermediário". Na placa de ensaio e fornecendo um sinal de 1000Hz, vejo uma onda quadrada de 0-5V com alguns ziguezagues e zags em torno de 2,5V, mostrando que a saída não é limpa. Acho que se eu quiser continuar com este dispositivo, precisará colocá-lo em sua própria placa e filtrar a fonte de alimentação. Obrigado a todos que contribuíram.

Praça áspera

Batperson
fonte
A forma de onda parece que o comparador não é rápido o suficiente para sua carga. Existe alguma capacitância de carga na saída? por que não usar um capacitor (0.1uF ou mais) na entrada e bloquear o CC da entrada senoidal? Isso deve fazer com que a entrada varie com O DC e depois tenha uma tensão de referência apropriada?
precisa saber é o seguinte
SQ_OUT está flutuando ou há uma carga no final durante a medição?
Mast
Não há carga, SQ_OUT está conectado apenas ao probe scope. @ rsg1710, o comparador é avaliado em 4.5ns, certamente deve ser rápido o suficiente.
Batperson
1
O seu osciloscópio é do tipo analógico ou digital (amostragem)? Se for analógico, a classificação de 10 MHz normalmente está na largura de banda de -3dB do instrumento. Para um sinal de entrada de 4,43 MHz, um escopo analógico de 10 MHz provavelmente comprimirá a amplitude do sinal e causará alguns arredondamentos nas bordas ascendentes e descendentes do sinal. Observe que se o sinal de entrada de onda quadrada tiver um tempo de subida de, digamos, 10 ns, esse tempo de subida corresponderá a uma frequência (largura de banda) de cerca de 35 MHz, que está muito além da resposta de frequência de 10 MHz do escopo e, portanto, o escopo será distorcer as bordas ascendentes e descendentes do sinal.
Jim Fischer
3
Tábuas de pão são notórias por capacitância perdida. Comparadores de alta velocidade são muito sensíveis à capacitância perdida. Tente criar o estilo do protótipo de bug morto. Componentes e fios de solda diretamente aos pinos. Mantenha a saída longe da entrada. Verifique também a onda senoidal de saída em relação à onda senoidal de entrada. Verifique se a saída não está apenas oscilando.
user125718

Respostas:

3

Um tempo de subida do osciloscópio de 10 MHz deve ser de 0,35 * 1000/10 = 35 nS.

O tempo de meio ciclo em 4,43 MHz é 500 / 4,43 = 113 nS, o que é superior a 3 vezes o tempo de subida do osciloscópio, mostrando que o osciloscópio deve ser adequado para exibir a excursão completa do sinal de saída. No entanto, o rastreamento do escopo fornecido parece que o CR / tempo de subida é limitado em excesso. Portanto, a primeira coisa a considerar é o carregamento da saída e, como a folha de dados do LM393 mostra um parâmetro para a corrente do dissipador de saída, sugiro que, na primeira instância, você tente um resistor de 4,7k entre +5 volts e SQ_OUT. Ao trabalhar corretamente na saída de uma onda quadrada limpa, eu esperaria que a forma de onda de saída do osciloscópio fosse semelhante à onda simulada pelo JonRB - devido ao limite de largura de banda do osciloscópio - embora as escalas de tensão sejam diferentes. Embora o ajuste da sonda de escopo seja importante para o trabalho digital - acredito que seja um arenque vermelho neste caso.

ATUALIZAR

@Batperson em seu comentário após a resposta do ovirt, você declarou que substituiu um LM393 que possui uma saída de coletor aberto, daí a sugestão de pullup. No entanto, este é um circuito trivial e não deve ser difícil de acertar. Primeiro uma palavra de conselho. Quando há problemas e você se encontra respondendo 'deveria' em vez de 'não' - é necessário verificar se há um elemento de dúvida. Geralmente, há uma grande diferença entre o que deveria e o que realmente está acontecendo. Por exemplo, este circuito deve estar produzindo uma saída de onda quadrada.

O que você descreve não faz sentido. Você tem um sinal de entrada de 0,5 Vp-p com polarização de + 2,5V ao terra conectado à entrada do comparador e está mudando a referência do comparador entre gnd e + 5V. Uma vez que a tensão de referência exceda a polarização do oscilador mais de 0,25V, a saída deve ficar nivelada perto da tensão. Inversamente, uma vez que a ref cai abaixo do viés menos cerca de 0,25V, ela deve ficar plana perto de + 5V. por exemplo, a saída deve ficar plana sempre que a ref estiver fora da faixa do sinal de entrada. Depois de investigar isso, pendure um C de cerâmica de 0,1uF entre ref e o solo perto dos pinos do IC e tente novamente. Em seguida, substitua a entrada do oscilador por dois 10k Rs em série e conecte entre gnd e + 5V a entrada do comparador conectada ao ponto médio. Procure a saída que muda entre a linha plana + 5V e o gnd à medida que a ref passa pelo ponto médio.

PENSAMENTOS ADICIONAIS

@Batperson, pensando um pouco mais, percebo que seus rastreamentos de escopo não fazem sentido. A única maneira (com exceção do feedback de -ve) que o circuito mostrado pode ter um viés de saída próximo do ponto médio é que a saída passe um tempo igual a + 5V e gnd (o nível resultante é a média). Isso não é evidente nas imagens 1 e 2 do escopo - parece mais qual deve ser a entrada - quase como se o IC do terra não estivesse conectado. Os testes que sugeri ontem devem ajudar a resolver isso. Seria útil se você intitulasse as figuras 2 e 3 com pontos de referência de tensão e escala ou frequência, pois isso não fica claro em seu texto. Talvez também uma foto da sua tábua de pão.

Venustas
fonte
se você notar minha resposta, os leads de escopo (frequência ou compensação). os cabos fornecidos com um escopo de 10 MHz serão adequados até 10 MHz. O que você terá então é dois filtros de 10MHz de 1ª ordem em cascata. Deixe-me atualizar a minha resposta para sobrepor o impacto dos dois filtros
JonRB
Obrigado @ JonRB e Venustas. Tenho certeza de que agora após o teste com sinais de 0,5 a 20 kHz, esse não é o osciloscópio (também a sonda é sintonizada e exibe uma onda quadrada perfeita usando o sinal de teste do osciloscópio, que IIRC é 10kHz). A peça é um TLV3501 com uma saída push-pull, portanto não precisa de uma pullup? Confundi todo mundo fazendo um esquema rápido com uma biblioteca LM393 Eagle, mas está corrigida agora.
Batperson
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Será uma das duas coisas e mais do que provavelmente ambas:

  1. A sonda que você está usando não é adequada, seja em frequência ou em sua compensação (o pequeno parafuso na lateral da sonda).

    Digite a descrição do link aqui

  2. Um escopo de 10 MHz é muito lento para um sinal de 4,5 MHz

Aqui está o acúmulo de uma onda quadrada até o 100º harmônico (fundo de 4,43 MHz):

insira a descrição da imagem aqui

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()

Se a aquisição for capaz apenas de 10 MHz, os colaboradores serão atenuados e a fase mudará, produzindo uma forma de onda distorcida semelhante à que você está vendo.

A cascata de dois "filtros" de 10 MHz (um na sonda e um na entrada do osciloscópio) distorcerá ainda mais a forma de onda, resultando em um sinal mais próximo do que é observado no osciloscópio.

A média de uma onda quadrada de 0-5V é 2,5V. se o seu escopo como uma "entrada média", também produzirá uma forma de onda semelhante e tenderá para 2,5V. Fui pego várias vezes olhando para o PWM apenas para ver uma forma de onda curta muito estranha, apenas para encontrar alguém mexendo com meu escopo e ativar "16sample average"

insira a descrição da imagem aqui

JonRB
fonte
Obrigado, a compensação deve estar correta, mas vou verificar novamente. Eu me perguntei se os artefatos do escopo poderiam estar envolvidos, então, certifiquei-me de incluir o "Osciloscópio de 10MHz" na foto :-) No entanto, é principalmente o aparente deslocamento de 2V DC que me preocupa. Também poderia ser um artefato de escopo?
Batperson
O deslocamento DC é um pouco duvidoso. Testando a uma frequência muito menor, onde o escopo funciona bem deve esclarecer dúvida ...
peufeu
3
@Batperson, uma onda quadrada de 0-5V tem um componente CC médio de 2,5V, então não há absolutamente nada de errado nisso. Uma resposta de frequência insuficiente aumentará os valores (aparentes) tanto quanto diminui os picos (aparentes).
Hbbs #
exatamente, o exemplo de sinal que eu tenho é um sinal de + -1V, o comparador com um sinal de 0-5V.
JonRB
O manual do meu escopo não diz nada sobre a média, certamente não o possui como um recurso que pode ser ativado. Esta é toda uma informação útil para eu saber.
Batperson
32

Você deve perceber que uma onda quadrada de 4,43 MHz tem uma largura de banda muito maior que 10 MHz.

Uma onda quadrada "adequada" de 4,43 MHz conterá frequências de até 50 MHz. Isso ocorre porque uma onda quadrada é composta de uma soma total de frequências (em oposição a uma onda senoidal que é apenas uma frequência, é por isso que os EEs a usam muito).

Se você tivesse uma onda quadrada ideal de 4,43 MHz, mas a visse através de um sistema de largura de banda de 10 MHz (como o seu osciloscópio), veria uma onda distorcida em triângulo. Qual é o que você vê aqui.

Tente novamente, mas com uma frequência 10x mais baixa (ou até 100 vezes mais baixa) e veja o que você obtém.

Bimpelrekkie
fonte
Vou tentar testá-lo usando um sinal de frequência mais baixa. Principalmente, quero confirmar que a saída está realmente oscilando entre 0 e 5V a 4,43MHz (e não 2 e 2,5V). Existe alguma maneira de confirmar isso usando meu equipamento limitado?
Batperson
Em uma frequência mais baixa, você pode verificar isso facilmente; se a carga na saída do opamp for baixa o suficiente (pequena capacitância), você poderá assumir que também está bom em 4,33 MHz. Para verificar isso de verdade, você não precisaria apenas de um escopo com largura de banda de cerca de 200 MHz, mas também de uma sonda 10: 1 adequada, devido à baixa capacitância de entrada.
Bimpelrekkie 5/11
1
@ batperson, talvez na sua caverna do morcego você tenha alguns diodos 1n4148 e capacitores de cerâmica, você pode construir um detector de pico.
Jasen
1

Outras respostas abordaram as considerações de largura de banda do seu escopo etc.

Você diz que está usando o dispositivo TLV3501, mas seu circuito esquemático não corresponde às configurações de pinos mostradas na folha de dados TI TLV3501, TLV3502 - por exemplo, a saída deve estar no pino 6 ou no pino 5, dependendo do pacote (SOIC ou SOT-23 )

Seu esquema também não mostra uma conexão com o pino "shutdown" que deve ser conectado à fonte negativa - "GND" neste caso.

Se as informações fornecidas em sua pergunta forem precisas, parece que o dispositivo não está conectado corretamente (a menos que você tenha encontrado o dispositivo em um pacote não listado na folha de dados vinculada).

ovirt
fonte
1
Eu deveria ter obscurecido os números dos pinos no esquema, eles não são precisos. Substituí uma peça do LM393 no esquema, pois não tinha uma para o TLV3501. O dispositivo está conectado corretamente, incluindo o pino de desligamento, e o circuito está se comportando conforme o esperado, mas não a 4,43 MHz.
Batperson
@Batperson - Suspiro. Então você usou uma parte diferente e ela não funciona como o esperado. Por favor, leia a resposta do Transistor.
precisa saber é o seguinte
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O @WhatRoughBeast substituiu uma parte diferente ao desenhar o esquema , porque o construtor esquemático não tinha a parte que ele realmente estava usando e não tinha uma parte genérica.
usar o seguinte comando
Parece que eu criei confusão ao fazê-lo, meu mal. O esquema foi corrigido.
Batperson
@ Batperson Ok, obrigado por fazer isso. Vou comentar aqui, pois ainda não tenho representante suficiente para fazê-lo em outras respostas. Se o escopo (e o probe) realmente tiverem uma largura de banda de 10 MHz, os 4.43 MHz fundamentais devem ser atenuados minimamente. Que exibição o osciloscópio fornece se você observar o sinal de origem? De qualquer forma, a tela que você mostrou para a saída (supondo que o circuito esteja funcionando) sugere que seu trem de medição é BW limitado a muito menos que 10MHz. O deslocamento é consistente com esse cenário - ie deslocamento na metade do balanço da saída.
ovirt 6/11/11
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Como outros já apontaram, é provável que seu osciloscópio seja classificado apenas para 10MHz. Eu queria explicar por que essa é uma questão em termos mais simples e menos teóricos.

A classificação de 10 MHz significa que ele pode exibir uma onda senoidal de 10 MHz com atenuação e distorção mínimas. As classificações de frequência são sempre dadas para ondas senoidais, não para ondas quadradas.

Para entender por que uma onda quadrada exige muito mais largura de banda para exibir, você precisa entender que a frequência é determinada pela taxa de mudança ao longo do tempo. Então, na verdade, uma onda quadrada tem uma frequência muito baixa (próxima a CC ou zero) nas partes planas e, de repente, uma frequência muito alta quando transita de alto para baixo ou baixo para alto.

Se você olhar a folha de dados do comparador, ela fornecerá a taxa de variação. Essa é a taxa máxima de variação de sua produção. Também dependerá do seu circuito, mas para o exemplo deste exemplo, digamos que é 1ns / V. A saída oscilará acima de 5V, levando 5ns. Portanto, a frequência da parte de transição da onda quadrada será de 1 / 5ns ou 200MHz. Como o seu escopo é de apenas 10 MHz, ele exibirá algo como a forma de onda que você está vendo, incapaz de balançar para cima e para baixo tão rápido quanto a onda quadrada.

do utilizador
fonte
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Uma largura de banda de 10 MHz arredondaria seu sinal, parecendo mais uma onda senoidal do que uma onda quadrada e provavelmente também causaria alguma atenuação, mas não explica por que seu sinal é 10 vezes menor do que deveria ser.

Uma causa possível desse comportamento seria ter um escopo configurado para uma sonda X1, mas na verdade usar uma sonda X10, mas isso também afetaria o nível de deslocamento DC que você parece estar dizendo que está aproximadamente correto.

Portanto, concluo que seu sistema deve ter uma largura de banda consideravelmente menor que os 10 MHz impressos no seu escopo. Portanto, ou o seu escopo é feito por um fabricante que reside (não reconheço a marca), a configuração da sua sonda não é adequada para altas frequências ou há algo errado com o circuito em teste.

Peter Green
fonte
Não é 10 vezes menor do que deveria ser, estou esperando picos de 5V e vendo em torno de 2,5V. Não acho que meu escopo seja configurável para o probe (é o orçamento como eu disse) e o probe está definido para o X1. Mas o consenso parece ser que o circuito está realmente funcionando e o que estou vendo é devido às limitações do meu escopo (ou sua configuração). Quando tiver oportunidade, tentarei confirmar isso usando as sugestões que as pessoas apresentaram aqui.
Batperson