Почему этот компаратор не выдает прямоугольную волну?

У меня есть синусоидальный выход 4,43 МГц от микросхемы, которую я хочу преобразовать в прямоугольную форму TTL для использования в качестве часов. Сигнал имеет смещение постоянного тока около 2,5 В и имеет амплитуду около 0,5 В от пика до пика.

Я попытался преобразовать это в прямоугольную волну 0-5 В, используя высокоскоростной компаратор TLV3501 с этой схемой.

Компаратор работает, как и ожидалось: с RV1 на одном экстремуме выходной сигнал на SQ_OUT равен 0 В, на другом - 5 В, в точке примерно посередине я вижу форму сигнала. Однако он имеет смещение постоянного тока и не очень похож на прямоугольную волну.

(Выше 0,5 В / дел и смещение постоянного тока почти 2 В).

Таблица данных показывает прямоугольную волну, генерируемую сигналом 50 МГц, поэтому, очевидно, я делаю что-то не так. Я использую макет, но микросхема находится на адаптере с С1 и С2, припаянными к контактам. Я также попытался отключить SQ_OUT от макета и измерить выходной сигнал на выводе, но увидел тот же результат. Как я могу получить прямоугольную волну 0-5В?

редактировать

Следуя приведенным здесь советам, я подал на компаратор сигналы в диапазоне от 500 Гц до 20000 Гц и смещение на 2,5 В постоянного тока. Я в основном наблюдал тот же результат: с RV1 на одном экстремуме, 5V плоской линией, на другом, 0V, и между формой волны около 0,5Vp / p и смещением около 2,5V (смещение варьировалось в зависимости от RV1).

Самый близкий, который я когда-либо получил к ожидаемому выходу, имел плоские пики при 5 В, но все еще не колебался между 0 и 5 В.

Казалось бы, это исключает проблемы с областью действия, поэтому это может быть либо электрическое окружение (я использую макет), либо я неправильно его подключил (в чем я сомневаюсь, но я, безусловно, буду выполнять тройную и четырехкратную проверку). Или возможно фишка, которая также кажется маловероятной.

Мне интересно, могут ли эти проблемы быть фактором:

• Я использую макет (хотя SQ_OUT не подключен к макету).
• Нет подключенной нагрузки, кроме зонда. Ранее, когда я питался 4,43 МГц, была подключена нагрузка (тактовый вход на AD724).
• Может ли RV1, который является делителем напряжения 20К, иметь слишком большое сопротивление?

Edit 2

Я полагаю, что мои проблемы были вызваны шумным источником питания (5 В, нефильтрованный USB), и усугублялись паразитной емкостью от макета. При питании от USB у компаратора, по-видимому, было 3 состояния: выравнивание при 0 В, выравнивание при 5 В или напряжение на входе. Это имело место даже без какого-либо сигнала, только 2,5 В постоянного тока. Я предполагаю, что "среднее состояние" было высокочастотным колебанием. Мне удалось получить ожидаемый выход, запитав схему от батареи, и я получил лучшие результаты, когда полностью удалил ее с макета. Только тогда я получил только плоские линии 0 В или 5 В без «среднего состояния». На макете и подаче сигнала 1000 Гц, я вижу прямоугольную волну 0-5 В с некоторыми зигзагами и зигзагами около 2,5 В, показывая, что выходной сигнал не чистый. Я думаю, если я захочу продолжить с этим устройством, я Придется положить его на собственную плату и отфильтровать источник питания. Спасибо всем, кто внес свой вклад.

Время нарастания диапазона 10 МГц должно составлять 0,35 * 1000/10 = 35 нс.

Время полупериода на частоте 4,43 МГц составляет 500 / 4,43 = 113 нС, что более чем в 3 раза превышает время нарастания прицела, показывающее, что прицел должен быть достаточным для отображения полного отклонения выходного сигнала. Однако приведенная трассировка выглядит как CR / время нарастания, ограниченное сверх этого. Поэтому первое, на что нужно обратить внимание - это нагрузка на выходе, и, поскольку в техническом описании LM393 показан параметр для тока на выходе, я бы предложил в первом случае попробовать нагрузочное сопротивление 4,7 кОм между +5 В и SQ_OUT. При правильной работе при выводе чистой прямоугольной волны я ожидал бы, что выходная форма сигнала прицела будет похожа на нижнюю, смоделированную JonRB - из-за ограничения полосы пропускания прицела - хотя шкалы напряжения будут отличаться. В то время как настройка зонда важна для цифровой работы - я считаю, что в данном случае это будет красная сельдь.

ОБНОВИТЬ

@Batperson в своем комментарии после ответа ovirt вы заявили, что вы заменили LM393, который имеет выход с открытым коллектором, следовательно, предложение подтягивания. Тем не менее, это тривиальная схема и не должно быть трудно прибить. Сначала слово совета. Когда возникают проблемы, и вы обнаруживаете, что отвечаете «должен», а не «делает» - вам нужно проверить, так как есть элемент сомнения. Часто между большой разницей и тем, что происходит на самом деле, существует большая разница. например, эта схема ДОЛЖНА создавать прямоугольный выход.

То, что вы описываете, не имеет смысла. У вас есть входной сигнал 0,5 Vp-p, который смещен при + 2,5 В на землю, подключенный к входу компаратора, и вы сдвигаете ссылку компаратора между gnd и + 5 В. После того, как опорное напряжение превышает смещение генератора плюс около 0,2 выхода должен Flatline вблизи GND. И наоборот, как только опорная точка падает ниже смещения минус около 0,25 В, она должна выравниваться около + 5 В. Например, выходной сигнал должен выравниваться, когда значение находится за пределами диапазона входного сигнала. После того, как вы исследуете это, подвесьте керамический C 0,1 мкФ между опорным заземлением и заземлением рядом с выводами IC и повторите попытку. Затем замените вход генератора двумя последовательными 10k R и подключите между gnd и + 5V вход компаратора, подключенный к средней точке. Ищите выходной сигнал, изменяющийся между плоской линией + 5 В и gnd, когда ссылка проходит через среднюю точку.

МЫСЛИ ДАЛЬШЕ

@Batperson, хотя и о некоторых других, я понимаю, что ваши следы охвата не имеют смысла. Единственный способ (кроме обратной связи -ve) показанной схемы может иметь смещение на выходе около средней точки, чтобы выход проводил равное время при +5 В и gnd (результирующий уровень является средним). Это не видно на ваших прицельных изображениях 1 и 2 - это выглядит больше, чем должен быть вход - почти как если бы заземляющая микросхема не была подключена. Тесты, которые я предложил вчера, должны помочь решить эту проблему. Было бы полезно, если бы вы называли рисунки 2 и 3 контрольными точками напряжения, а также шкалой или частотой, поскольку это не ясно из вашего текста. Также, возможно, изображение вашего макета.

Это будет одна из двух вещей, и, скорее всего, обе:

1. Зонд, который вы используете, не подходит, будь то по частоте или с компенсацией (маленький винт на боковой стороне зонда).

   

2. Диапазон 10 МГц слишком медленный для сигнала 4,5 МГц

Вот наращивание прямоугольной волны до сотой гармоники (фонд 4,43 МГц):

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()

Если получение данных только на частоте 10 МГц, вкладчики будут ослаблены и сдвинуты по фазе, создавая искаженную форму волны, аналогичную той, которую вы видите.

Каскадирование двух 10-мегагерцовых «фильтров» (один на датчике, один на входе прицела) приведет к дальнейшему искажению формы волны, в результате чего сигнал будет ближе к тому, который виден на прицеле.

Среднее значение прямоугольной волны 0-5В составляет 2,5В. если ваш прицел в качестве «среднего входа», он также будет генерировать аналогичную форму волны и будет стремиться к 2,5 В. Меня несколько раз ловили, глядя на ШИМ, только чтобы увидеть очень странную ходячую волну ТОЛЬКО, чтобы найти кого-то, перепутавшегося с моим прицелом и включившего «усреднение по 16 выборкам»

Следует понимать, что прямоугольная волна с частотой 4,43 МГц имеет гораздо большую полосу пропускания, чем 10 МГц.

«Правильный» прямоугольный сигнал 4,43 МГц будет содержать частоты до 50 МГц и выше. Это связано с тем, что прямоугольная волна состоит из всей суммы частот (в отличие от синусоиды, которая представляет собой только одну частоту, поэтому ЭЭ часто используют ее).

Если бы у вас была идеальная прямоугольная волна с частотой 4,43 МГц, но вы смотрели на нее с помощью системы с полосой пропускания 10 МГц (например, в вашем прицеле), то вы бы увидели искаженную треугольную волну. Что вы видите здесь?

Попробуйте еще раз, но с 10-кратной меньшей частотой (или даже в 100-кратной меньшей) и посмотрите, что вы получите.

Другие ответы охватывали вопросы пропускной способности вашей области и т. Д.

Вы говорите, что используете устройство TLV3501, но ваша принципиальная схема не соответствует конфигурации выводов, показанной в техническом описании TI TLV3501, TLV3502 - например, выход должен быть на выводе 6 или 5, в зависимости от комплектации (SOIC или SOT-23). ).

Также ваша схема не показывает подключение к выводу «отключения», который должен быть подключен к отрицательному источнику питания - «GND» в этом случае.

Если информация, представленная в вашем вопросе, является точной, то может показаться, что устройство подключено неправильно (если вам не удалось найти устройство в пакете, не указанном в связанной таблице данных).

Как отмечали другие, это, вероятно, связано с тем, что ваш осциллограф рассчитан только на 10 МГц. Я хотел объяснить, почему это проблема в более простых, менее теоретических терминах.

Рейтинг 10 МГц означает, что он может отображать синусоидальный сигнал 10 МГц с минимальным затуханием и искажением. Рейтинги частоты всегда даются для синусоидальных волн, а не для прямоугольных.

Чтобы понять, почему прямоугольная волна требует гораздо большей полосы пропускания для отображения, вы должны понимать, что частота определяется скоростью изменения во времени. Так что на самом деле прямоугольная волна имеет очень низкую частоту (близкую к постоянному или нулевому) на плоских частях, а затем внезапно очень высокую частоту, когда она переходит от высокой к низкой или от низкой к высокой.

Если вы посмотрите таблицу данных для компаратора, он даст скорость нарастания. Это максимальная скорость изменения его выхода. Это также будет зависеть от вашей схемы, но для примера давайте предположим, что это 1 нс / В. Выход будет колебаться более 5 В, принимая 5 нс. Таким образом, частота переходной части прямоугольной волны будет равна 1/5 нс или 200 МГц. Поскольку ваша область действия составляет всего 10 МГц, она будет отображать что-то похожее на осциллограмму, которую вы видите, неспособная качаться вверх и вниз так же быстро, как и прямоугольная волна.

Полоса пропускания 10 МГц округляет ваш сигнал, поэтому он больше похож на синусоиду, чем на прямоугольную волну и, вероятно, также вызовет некоторое затухание, но это не объясняет, почему ваш сигнал в 10 раз меньше, чем должен быть.

Одной из возможных причин такого поведения может быть конфигурирование области действия для зонда X1, но на самом деле использование зонда X10, но это также повлияет на уровень смещения постоянного тока, который, как вы, похоже, говорите, примерно верен.

Итак, я пришел к выводу, что ваша система должна иметь пропускную способность, значительно меньшую, чем 10 МГц, напечатанная в вашей области. Таким образом, либо ваша сфера изготовлена ​​производителем, который лжет (я не узнаю марку), ваша установка датчика не подходит для высоких частот, либо что-то не так с тестируемой цепью.