什么可以减少简单方波脉冲发生器的过冲和振铃?

电器工程 阻抗匹配 铃声
2022-01-08 12:09:21

我已经构建了一个简单的基于 RC 和施密特触发器的方波脉冲发生器。在面包板上,由于跳线长度、面包板本身等原因,它具有一些明显不受欢迎的品质。

原理图和面包板版本:

快速边沿脉冲发生器示意图! 快速边沿脉冲发生器面包板

和波形输出:

过冲和振铃输出

特别是,方波的上升沿有大量的过冲(约 200mV 超过 500mV 峰值)和振铃。通过物理接触 R1 很容易使情况变得更糟。请参阅编辑以获取正确信息。

在寻找解决方案时,我遇到了诸如射频电路的缓冲器和阻尼之类的术语,以及超出我的业余爱好者工资等级的东西。

Anindo 在对相关问题的回答中建议应使用 50Ω 电阻器作为负载。我正在测量第一个施密特触发器(IC1D,引脚 2)的输出。其余触发器与 220Ω 电阻器一起使用以产生大约 50Ω 的阻抗,但在输出节点处测量得到几乎相同的结果。

这个快速边沿脉冲发生器纯粹是为了我自己的实验/教育,所以没有什么重要的。如果我决定用它制作一个焊接板,我能做些什么来确保它比它的面包板表亲更好?


编辑:

对于之前的屏幕截图和测量,我错误地处于交流耦合模式。这里有更多屏幕显示 IC 引脚 1 和 2 的信号(1 上输入三角波,2 上输出方波)。它们现在是直流耦合的。探头始终在 X10 中,但示波器本身在 X1 中(全新的示波器,哎呀!)。然而,过冲仍然很重要:在 0-5V 的输出上,过冲(由白色虚线光标线显示)为 2.36V。请注意,输入上的过冲仅为 500mV 左右。输入纹波是由于面包板上的引脚 1 和 2 接近造成的吗?

引脚 1 上的输入(通道 2/蓝色),引脚 2 上的输出(通道 1/黄色):

引脚 1 上的 FEP 输入和引脚 2 上的输出,100us 时基

使用直流耦合测量的过冲:

FEP 过冲,直流耦合,50ns 时基

移除电阻 R2 并在引脚 4(IC1E 输出)处测量与引脚 2 处的信号没有产生任何明显差异。

我应该提到W2AEW 的原始教程/视频,我从那里获得了该电路的信息,也有一些过冲,但没有达到我所拥有的程度。他的电路焊接在一块板上,这可能有很大帮助。

原始作者的 (W2AEW) 波形(在节点 OUT 处)可能超过 5V 500mV:

原作者 W2AEW Scope Pic

原作者焊接版:

原作者 W2AEW 焊接电路


编辑2:

这是整体设置的图片,包括 PSU 的引线长度和范围:

概述


编辑3:

最后,示波器上的 VCC(黄色)和 OUT 节点(蓝色)显示了一致的波纹:

VCC 和 OUT,纹波重合

4个回答

从添加到问题中的新示波器迹线的外观来看,特别是 Vcc 迹线,振铃似乎源于使用点的电源调节不良- 很可能不是工作台电源输出。虽然来自台式电源的较短引线肯定会有助于降低引线电感,但当过渡像您所寻找的那样尖锐时,这还不够。

  • 在最靠近 IC 的电源轨上的面包板上添加一个大电容:从 100 uF 开始。
  • 与原理图中显示的 0.1 uF 去耦电容并联,并触摸施密特触发器电源引脚,添加一个 10 uF 电解电容。
  • 将上述所有 3 个电容器的引线修剪到最低限度,这仍将与面包板触点形成正接触。这些引线会增加你不想要的电感。
  • 从您正在读取的输出到接地引脚添加负载,尽可能靠近输出引脚 - 220 欧姆应该没问题,并且您再次希望将引线修剪到最小。
  • 如果您绝对必须避免超过几百毫伏的过冲/下冲,请将小信号肖特基二极管从输出引脚添加到电源和接地引脚,因此:

    示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

  • 这将确保振铃上升沿上的峰值和下降沿上的波谷被阻尼 - 也会对振铃的相应波谷/峰值产生一些影响,因为峰值的多余能量会消散在整个二极管。
  • 最后,由于其结构的性质,面包板引入了电容、电感和各种寄生耦合。即使是简单的性能板也会做得更好。简单的长引线加剧了这个问题,特别是在高频/急剧过渡时,即使是简单的引线也是耦合和感应振铃的来源。

我写这篇文章作为答案,因为我认为评论中没有足够的空间。话虽如此,我提出的几点很可能是造成您问题的原因:-

您使用的是 x10 示波器探头吗?引脚 2 的输出是什么样子的 - 施密特触发器不会在引脚 2 的形状不良的方波上的同一点全部触发 - 我可以在示波器轨迹中看到这一点的证据 - 它开始稳定然后再次发射。图片中的芯片去耦有点不稳定。

你真的在使用 7414 - 我推荐 74AC14 以获得最佳速度 - 还要仔细检查这些设备可以提供的输出电流 - 特别是,考虑到 6k8 负载和其他 5 个负载,某些设备可能无法从振荡器部分产生不错的 o/p输入。

如果您断开其中一个 220R 电阻并将示波器直接挂在输出端(比如引脚 4)上,它会是什么样子?

你使用的是什么 Vcc - 你说过冲是 500mV 峰值之上的 200mV - 这看起来很奇怪 - 你确定所有的逆变器都在切换吗?从 5V 电源,我希望看到一个 5V 峰值,并且在此之上有任何过冲。

深思熟虑。

根据其他答案和评论,我专注于通过提供的一些建议来降低超调。

我做了以下事情:

  • 缩短了进出面包板的引线,
  • 调整了探头的补偿(一个稍微补偿不足)

这将测量的过冲从 ~2.4V 降低到 1.8V(超过 5V)。

然而,@AndrejaKo 的建议效果最大。我将尖端接地弹簧放在探头上并再次测量,这次只看到 680mV 过冲。

在将此电路焊接到 PCB 之前,我当然不会期望更好。但这与原来的相比有了很大的改进。

在引脚 2 处测量方波输出: FEP 680mV 过冲

带尖端弹簧的短接地路径: FEP 尖端接地弹簧

这张照片看起来好像电阻器正在接触接地弹簧,但事实并非如此。

我不相信过冲真的和测量的一样高(甚至真的是 680mV),但不正确的测量方法是罪魁祸首。如果不出意外,这明确表明,尝试测量高速事件确实需要注意引线长度(阻抗)、杂散电容和仔细分析等因素。

注意:我为照片移除了其他五个施密特触发器的电阻;有/没有它们的结果基本相同。

你的电源有问题。编辑 3,显示 VCC(黄色)和 OUT 节点(蓝色)是确凿的证据。在 VCC 和电源轨之间添加电容,尽可能靠近 IC 引脚。电容器引线目前太长了。我会使用大约 100 微法拉的电解液,绕过一个 0.01 微法拉的薄膜帽和一个小陶瓷,比如 600 pF。将它们尽可能靠近引脚排列,如果可以的话,将最小的一个放在引脚上。顺便说一句,许多音频放大器显示同样的问题。您可以通过在 VCC 和接地之间连接一个扬声器来测试它们,并与一个小值电容串联以阻止 DC。您会听到供电轨上的音乐。你的目标是减少或消除这种音乐。