Dlaczego ten komparator nie wytwarza fali prostokątnej?

Mam sinusoidalny sygnał wyjściowy o częstotliwości 4,43 MHz z układu scalonego, który chcę przekonwertować na falę prostokątną TTL, aby użyć go jako zegara. Sygnał ma przesunięcie DC około 2,5 V i ma amplitudę około 0,5 V między szczytami.

Próbowałem przekonwertować to na falę prostokątną 0-5 V za pomocą komparatora dużej prędkości TLV3501 z tym obwodem.

Komparator wydaje się działać zgodnie z oczekiwaniami: przy RV1 na jednym krańcowym wyjściu w SQ_OUT wynosi 0 V, z drugiej jest to 5 V, w punkcie mniej więcej pośrodku widzę kształt fali. Ma jednak przesunięcie prądu stałego i nie przypomina fali prostokątnej.

(Powyżej wynosi 0,5 V / dz. I ma przesunięcie DC prawie 2 V).

Arkusz danych pokazuje falę prostokątną generowaną z sygnału 50 MHz, więc oczywiście robię coś złego. Używam płyty chlebowej, ale układ scalony jest na adapterze z lutami C1 i C2 przylutowanymi do pinów. Próbowałem również odłączyć SQ_OUT od płyty kontrolnej i zmierzyć moc wyjściową na pinie, ale zobaczyłem ten sam wynik. Jak mogę uzyskać falę prostokątną 0-5 V?

Edytować

Zgodnie z sugestiami tutaj zasiliłem komparator sygnałami w zakresie od 500 Hz do 20000 Hz i przesuniętym o 2,5 V DC. Przeważnie obserwowałem ten sam wynik: z RV1 na jednym krańcu, na linii płaskiej 5 V, na drugim, 0 V, a pomiędzy przebiegiem około 0,5 Vp / p i przesunięciem około 2,5 V (przesunięcie zmieniało się w zależności od RV1).

Najbliższe oczekiwane przeze mnie wyjście miało płaskie szczyty przy 5 V, ale wciąż nie wahały się między 0 a 5 V.

Wydaje się, że to wyklucza problemy z zakresem, więc musi to być albo środowisko elektryczne (używam płyty pilśniowej), albo źle go podłączyłem (co wątpię, ale z pewnością będę potrójnie i czterokrotnie sprawdzać). A może chip niewypałów, co również wydaje się mało prawdopodobne.

Zastanawiam się, czy te problemy mogą być czynnikiem:

• Korzystam z płyty breadboard (SQ_OUT nie jest podłączony do płyty breadboard).
• Nie ma podłączonego obciążenia, z wyjątkiem sondy zakresu. Wcześniej, kiedy karmiłem 4,43 MHz, było podłączone obciążenie (wejście zegara w AD724).
• Czy RV1, który jest dzielnikiem napięcia 20K, może stanowić zbyt duży opór?

Edytuj 2

Wierzę, że moje problemy były spowodowane głośnym zasilaniem (5 V niefiltrowane USB) i pogorszone przez błądzącą pojemność z płyty. Przy zasilaniu USB komparator wydawał się mieć 3 stany: spłaszczanie przy 0 V, spłaszczanie przy 5 V lub napięcie na wejściu. Tak było nawet bez żadnego sygnału, tylko 2,5 V DC. Zgaduję, że „stanem środkowym” była oscylacja wysokich częstotliwości. Udało mi się uzyskać oczekiwaną moc wyjściową, zasilając obwód z baterii i uzyskałem najlepsze wyniki, gdy całkowicie wyjąłem ją z płyty. Dopiero wtedy dostałem tylko płaskie linie 0 V lub 5 V bez „stanu środkowego”. Na płycie chleba i dostarczając sygnał 1000 Hz widzę prostokątną falę 0-5 V z niektórymi zygzakami i zag około 2,5 V, co pokazuje, że wyjście nie jest czyste. Myślę, że jeśli chcę kontynuować z tym urządzeniem, to „ Będę musiał umieścić go na własnej płycie i przefiltrować zasilacz. Dziękujemy wszystkim, którzy przyczynili się.

Czas wzrostu zakresu 10 MHz powinien wynosić 0,35 * 1000/10 = 35 nS.

Czas półtrwania przy 4,43 MHz wynosi 500 / 4,43 = 113 nS, czyli ponad 3 razy więcej niż czas narastania zasięgu pokazujący, że zakres powinien być odpowiedni do wyświetlenia pełnego wychylenia sygnału wyjściowego. Jednak podany wykres zasięgu wydaje się przekraczać CR / czas narastania. Dlatego pierwszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę, jest ładowanie wyjściowe, a ponieważ arkusz danych LM393 pokazuje parametr dla prądu wyjściowego zlewu, sugerowałbym w pierwszej kolejności wypróbować rezystor podwyższający 4,7 k pomiędzy +5 V a SQ_OUT. Przy prawidłowej pracy z czystą falą prostokątną oczekiwałbym, że fala wyjściowa zakresu będzie podobna do dolnej symulowanej przez JonRB - ze względu na limit szerokości pasma zakresu - chociaż skale napięcia będą się różnić. Podczas gdy dostrajanie sondy zakresu jest ważne dla pracy cyfrowej - uważam, że w tym przypadku jest to czerwony śledź.

AKTUALIZACJA

@Batperson w swoim komentarzu po odpowiedzi ovirt stwierdził, że zastąpiłeś LM393, który ma wyjście typu otwarty kolektor, stąd sugestia pullup. Jest to jednak trywialny obwód i nie powinno być trudne do przybicia. Najpierw słowo rady. Gdy pojawią się problemy, a ty odpowiadasz „raczej” niż „nie” - musisz to sprawdzić, ponieważ istnieje element wątpliwości. Często istnieje duża różnica między tym, co powinno, a tym, co się faktycznie dzieje. np. obwód ten POWINIEN wytwarzać falę prostokątną.

To, co opisujesz, nie ma sensu. Masz sygnał wejściowy 0,5 Vp-p, który jest tendencyjny przy + 2,5 V do masy, podłączony do wejścia komparatora i przesuwasz wartość referencyjną komparatora między gnd i + 5 V. Gdy napięcie odniesienia przekroczy odchylenie oscylatora powiększone o około 0,25 V, moc wyjściowa powinna zostać wyrównana w pobliżu gnd. I odwrotnie, gdy wartość referencyjna spadnie poniżej odchylenia minus około 0,25 V, powinna ona wynosić płasko w pobliżu + 5 V. np. wyjście powinno być wyrównane, ilekroć wartość referencyjna jest poza zakresem sygnału wejściowego. Po zbadaniu tego powieś ceramiczny C 0,1 uF między ref a gruntem blisko styków układu scalonego i spróbuj ponownie. Następnie zamień wejście oscylatora na dwa 10k R szeregowo i połącz między gnd a + 5V wejście komparatora podłączone do punktu środkowego. Poszukaj wyjścia zmieniającego się pomiędzy linią płaską + 5 V i gnd, gdy ref przechodzi przez punkt środkowy.

DALSZE MYŚLI

@Batperson mając trochę więcej, zdaję sobie sprawę, że twoje ślady zasięgu nie mają sensu. Jedynym sposobem (innym niż -ve sprzężenie zwrotne) pokazany obwód może mieć odchylenie wyjściowe w pobliżu punktu środkowego, aby wyjście spędzało równy czas przy + 5 V i gnd (uzyskanym poziomem jest średnia). Nie widać tego na zdjęciach 1 i 2 lunety - wygląda to bardziej na wejście - prawie tak, jakby uziemienie gnd IC nie było podłączone. Testy, które zaproponowałem wczoraj, powinny pomóc rozwiązać ten problem. Przydałoby się tytułowanie zdjęć 2 i 3 z punktami odniesienia napięcia i skalą lub częstotliwością, ponieważ nie wynika to z tekstu. Może także zdjęcie twojej płyty chlebowej.

Będzie to jedna z dwóch rzeczy i bardziej niż prawdopodobne oba:

1. Sonda, której używasz, nie jest odpowiednia, czy to w częstotliwości, czy w jej kompensacji (mała śruba z boku sondy).

   

2. Zakres 10 MHz jest zbyt wolny dla sygnału 4,5 MHz

Oto narastanie fali prostokątnej do setnej harmonicznej (fundusz 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()

Jeśli akwizycja jest zdolna tylko do 10 MHz, to wkładki zostaną osłabione i przesunięte fazowo, wytwarzając zniekształcony kształt fali podobny do tego, który widzisz.

Kaskadowanie dwóch „filtrów” 10 MHz (jeden w sondzie, jeden na wejściu lunety) spowoduje dalsze zniekształcenie kształtu fali, powodując sygnał bliższy sygnałowi obserwowanemu na lunecie.

Średnia fali prostokątnej 0–5 V wynosi 2,5 V. jeśli twój zakres jako „średni sygnał wejściowy” wytworzy również podobny przebieg i będzie dążył do napięcia 2,5 V. Byłem przyłapany wiele razy, gdy patrzyłem na PWM tylko po to, aby zobaczyć bardzo dziwny chodzący przebieg TYLKO, aby znaleźć kogoś, kto pomylił się z moim lunetą i miałem włączoną opcję „16-próbkowania średniego”

Powinieneś zdawać sobie sprawę, że fala kwadratowa 4,43 MHz ma znacznie większą szerokość pasma niż 10 MHz.

„Właściwa” fala prostokątna 4,43 MHz będzie zawierać częstotliwości do 50 MHz i powyżej. Jest tak, ponieważ fala kwadratowa składa się z całej sumy częstotliwości (w przeciwieństwie do fali sinusoidalnej, która jest tylko jedna częstotliwością, dlatego EE często z niej korzystają).

Gdybyś miał idealną falę kwadratową 4,43 MHz, ale spojrzał na nią przez system pasma 10 MHz (podobnie jak twój zakres), zobaczyłbyś zniekształconą falę trójkąta. Oto co tutaj widzisz.

Spróbuj ponownie, ale z 10-krotnie niższą częstotliwością (lub nawet 100-krotnie niższą) i zobacz, co otrzymujesz.

Inne odpowiedzi obejmowały rozważenia dotyczące przepustowości twojego zakresu itp.

Mówisz, że używasz urządzenia TLV3501, ale twój schemat nie odpowiada konfiguracjom pinów pokazanym w arkuszu danych TI TLV3501, TLV3502 - np. Wyjście powinno być na pin 6 lub pin 5 w zależności od pakietu (SOIC lub SOT-23 ).

Na schemacie nie ma również połączenia ze stykiem „zamykania”, który powinien być podłączony do ujemnego zasilania - w tym przypadku „GND”.

Jeśli informacje podane w pytaniu są dokładne, może się wydawać, że urządzenie nie jest poprawnie podłączone (chyba że udało się znaleźć urządzenie w paczce niewymienionej w połączonym arkuszu danych).

Jak zauważyli inni, jest to prawdopodobnie spowodowane tym, że twój oscyloskop jest oceniany tylko dla 10 MHz. Chciałem wyjaśnić, dlaczego jest to problem w prostszy, mniej teoretyczny sposób.

Ocena 10 MHz oznacza, że ​​może wyświetlać falę sinusoidalną 10 MHz przy minimalnym tłumieniu i zniekształceniach. Częstotliwości są zawsze podawane dla fal sinusoidalnych, a nie fal prostokątnych.

Aby zrozumieć, dlaczego fala prostokątna wymaga znacznie większej szerokości pasma do wyświetlenia, musisz zrozumieć, że częstotliwość zależy od szybkości zmian w czasie. Tak więc fala prostokątna ma bardzo niską częstotliwość (blisko prądu stałego lub zera) na płaskich częściach, a następnie nagle bardzo wysoką częstotliwość, gdy przechodzi z wysokiej na niską lub z niskiej na wysoką.

Jeśli spojrzysz na arkusz danych dla komparatora, uzyska on prędkość zabijania. To jest maksymalna szybkość zmian jego produkcji. Będzie to również zależeć od twojego obwodu, ale na potrzeby tego przykładu powiedzmy, że jest to 1ns / V. Wyjście będzie wahać się powyżej 5 V, przyjmując 5ns. Częstotliwość części przejściowej fali kwadratowej będzie wynosić 1 / 5ns lub 200 MHz. Ponieważ twój zakres wynosi tylko 10 MHz, wyświetli coś w rodzaju fali, którą widzisz, niezdolny do przesuwania się w górę i w dół tak szybko, jak fala prostokątna.

Pasmo 10 MHz zaokrągliłoby twój sygnał, więc bardziej przypomina falę sinusoidalną niż falę kwadratową i prawdopodobnie spowoduje również pewne osłabienie, ale nie wyjaśnia, dlaczego twój sygnał jest 10 razy mniejszy niż powinien.

Jedną z możliwych przyczyn takiego zachowania byłoby skonfigurowanie zakresu dla sondy X1, ale w rzeczywistości przy użyciu sondy X10, ale wpłynęłoby to również na poziom przesunięcia DC, który, jak się wydaje, jest w przybliżeniu poprawny.

Stwierdzam więc, że twój system musi mieć przepustowość znacznie mniejszą niż 10 MHz wydrukowane na twoim zasięgu. Więc albo twój zakres jest wykonany przez producenta, który kłamie (nie znam marki), twoja konfiguracja sondy nie jest odpowiednia dla wysokich częstotliwości lub coś jest nie tak z testowanym obwodem.