¿Por qué este comparador no genera una onda cuadrada?

Tengo una salida sinusoidal de 4.43MHz de un IC que quiero convertir a una onda cuadrada TTL para usar como reloj. La señal tiene un desplazamiento DC de alrededor de 2.5V y tiene una amplitud de aproximadamente 0.5V pico a pico.

Intenté convertir esto en una onda cuadrada de 0-5 V 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.

(Arriba está 0.5V / div y tiene un desplazamiento DC de casi 2V).

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

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Siguiendo las sugerencias aquí, alimente el comparador con señales que van desde 500Hz a 20000Hz y compensado por 2.5VDC. Observé principalmente el mismo resultado: con RV1 en un extremo, una línea plana de 5V, en el otro, 0V, y entre una forma de onda de aproximadamente .5Vp / p y una compensación de alrededor de 2.5V (la compensación varió dependiendo de RV1).

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

Esto parecería descartar problemas de alcance, por lo que debe ser el entorno eléctrico (estoy usando una placa de prueba) o de lo contrario lo he cableado mal (lo cual dudo, pero ciertamente haré una verificación triple y cuádruple). O posiblemente un chip defectuoso, que también parece poco probable.

Me pregunto si estos problemas podrían ser un factor:

• Estoy usando una placa de pruebas (aunque SQ_OUT no está conectada a la placa de pruebas).
• No hay carga conectada, excepto la sonda de alcance. Anteriormente cuando estaba alimentando 4.43MHz había una carga conectada (entrada de reloj en un AD724).
• ¿Podría RV1, que es un divisor de voltaje de 20K, ser demasiado resistente?

Editar 2

Creo que mis problemas fueron causados ​​por una fuente de alimentación ruidosa (USB sin filtro de 5V) y exacerbada por la capacitancia perdida de la placa de pruebas. Con el suministro USB, el comparador parecía tener 3 estados: línea plana a 0V, línea plana a 5V o el voltaje en la entrada. Este fue el caso incluso sin ninguna señal, solo 2.5VDC. Supongo que el "estado medio" era una oscilación de alta frecuencia. Logré obtener la salida esperada alimentando el circuito de una batería y obtuve los mejores resultados cuando lo quité completamente de la placa de pruebas. Solo entonces obtuve solo líneas planas de 0V o 5V sin "estado medio". En el tablero y al suministrar una señal de 1000 Hz, veo una onda cuadrada de 0-5 V con algunos zig y zags alrededor de 2.5 V, lo que muestra que la salida no es limpia. Supongo que si quiero continuar con este dispositivo, ' Tendrás que ponerlo en su propia placa y filtrar la fuente de alimentación. Gracias a todos los que contribuyeron.

Un tiempo de aumento del alcance de 10 MHz debe ser 0.35 * 1000/10 = 35 nS.

El tiempo de medio ciclo a 4,43 MHz es 500 / 4,43 = 113 nS, que es más de 3 veces el tiempo de aumento del alcance que muestra que el alcance debe ser adecuado para mostrar la excursión completa de la señal de salida. Sin embargo, el seguimiento del alcance proporcionado parece CR / tiempo de subida limitado en exceso de esto. Por lo tanto, lo primero que debe observar es la carga de salida y, como la hoja de datos LM393 muestra un parámetro para la corriente de sumidero de salida, sugeriría en primera instancia que pruebe una resistencia pull-up de 4.7k entre +5 voltios y SQ_OUT. Al trabajar correctamente la salida de una onda cuadrada limpia, esperaría que la forma de onda de salida del alcance sea similar a la inferior simulada por JonRB, debido al límite de ancho de banda del alcance, aunque las escalas de voltaje serán diferentes. Si bien el ajuste de la sonda de alcance es importante para el trabajo digital, creo que es una pista falsa en este caso.

ACTUALIZAR

@Batperson en su comentario después de la respuesta de ovirt, declaró que había sustituido un LM393 que tiene una salida de colector abierto, de ahí la sugerencia de pullup. Sin embargo, este es un circuito trivial y no debería ser difícil de identificar. Primero un consejo. Cuando hay problemas y te encuentras respondiendo 'debería' en lugar de 'hace', debes verificarlo ya que hay un elemento de duda. A menudo hay una gran diferencia entre debería y lo que realmente está sucediendo. Por ejemplo, este circuito DEBE estar produciendo una salida de onda cuadrada.

Lo que describe no tiene sentido. Tiene una señal de entrada de 0.5 Vp-p que está polarizada a + 2.5V a tierra conectada a la entrada del comparador y está cambiando la referencia del comparador entre gnd y + 5V. Una vez que el voltaje de referencia excede la polarización del oscilador más aproximadamente 0.25V, la salida debería quedar plana cerca de gnd. Por el contrario, una vez que la referencia cae por debajo del sesgo menos aproximadamente 0.25V, debería estar plana cerca de + 5V. Por ejemplo, la salida debe estar en línea plana siempre que la referencia esté fuera del rango de la señal de entrada. Después de investigar esto, cuelgue una cerámica C de 0.1uF entre la referencia y tierra cerca de los pines IC e intente nuevamente. Luego reemplace la entrada del oscilador con dos 10k R's en serie y conecte entre gnd y + 5V la entrada del comparador conectada al punto medio. Busque la salida que cambia entre línea plana + 5V y gnd a medida que la referencia pasa por el punto medio.

PENSAMIENTOS ADICIONALES

@Batperson teniendo en cuenta un poco más, me doy cuenta de que sus trazas de alcance no tienen sentido. La única forma (además de la retroalimentación de -ve) del circuito que se muestra puede tener un sesgo de salida cerca del punto medio es que la salida pase el mismo tiempo a + 5V y gnd (el nivel resultante es el promedio). Esto no es evidente en las imágenes 1 y 2 de su alcance: parece más lo que debería ser la entrada, casi como si la conexión a tierra IC gnd no estuviera conectada. Las pruebas que sugerí ayer deberían ayudar a resolver esto. Sería útil si tituló las imágenes 2 y 3 con puntos de referencia de voltaje y escala o frecuencia, ya que no está claro en su texto. También quizás una foto de tu placa de pruebas.

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

1. La sonda que está utilizando no es adecuada, ya sea en frecuencia o en su compensación (el pequeño tornillo en el lado de la sonda).

   

2. Un alcance de 10 MHz es demasiado lento para una señal de 4.5 MHz

Aquí está 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 solo 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 10MHz (uno en la sonda, uno en la entrada del osciloscopio) distorsionará aún más la forma de onda, dando como resultado una señal más cercana a la que se ve en el osciloscopio.

La media de una onda cuadrada de 0-5V es 2.5V. Si su alcance como una "entrada promedio" también producirá una forma de onda similar y tenderá hacia 2.5V. Me han sorprendido varias veces mirando PWM solo para ver una forma de onda de caminar muy extraña SOLAMENTE para encontrar a alguien confundido con mi alcance y tenía habilitado el "promedio de 16 muestras"

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 "apropiada" de 4.43 MHz contendrá frecuencias de hasta 50 MHz y más allá. Esto se debe a que una onda cuadrada está compuesta de una suma completa de frecuencias (en oposición a una onda sinusoidal que es solo una frecuencia, esta es la razón por la cual los EE la usan mucho).

Si tuviera una onda cuadrada ideal de 4.43 MHz pero la mirara a través de un sistema de ancho de banda de 10 MHz (como su alcance), vería una onda triangular distorsionada. Que es lo que ves aquí.

Inténtalo de nuevo, pero a una frecuencia 10 veces menor (o incluso 100 veces menor) y mira lo que obtienes.

Otras respuestas han cubierto las consideraciones de ancho de banda de su alcance, etc.

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

Tampoco su esquema muestra una conexión con el pin de "apagado" que debe conectarse a la fuente negativa - "GND" en este caso.

Si la información proporcionada en su pregunta es precisa, parecería que el dispositivo no está conectado correctamente (a menos que haya logrado encontrar el dispositivo en un paquete que no figura en la hoja de datos vinculada).

Como otros han señalado, es probable que su osciloscopio solo tenga una clasificación de 10MHz. Quería explicar por qué ese es un problema en términos más simples y menos teóricos.

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

Para comprender por qué una onda cuadrada requiere mucho más ancho de banda para mostrar, debe comprender que la frecuencia está determinada por la tasa de cambio a lo largo del tiempo. Entonces, en realidad, una onda cuadrada es de muy baja frecuencia (cercana a CC o cero) en las partes planas, y luego, de repente, de muy alta frecuencia cuando pasa de alta a baja o de baja a alta.

Si observa la hoja de datos del comparador, obtendrá la velocidad de respuesta. Esa es la tasa máxima de cambio de su producción. También dependerá de su circuito, pero por el bien de este ejemplo, digamos que es 1ns / V. La salida oscilará sobre 5V, tomando 5ns. Entonces, la frecuencia de la parte de transición de la onda cuadrada será 1 / 5ns, o 200MHz. Dado que su alcance es de solo 10MHz, mostrará algo como la forma de onda que está viendo, incapaz de moverse hacia arriba y hacia abajo tan rápido como la onda cuadrada.

Un ancho de banda de 10 MHz redondearía su señal, por lo que se parece más a una onda sinusoidal que a una onda cuadrada y probablemente también cause cierta atenuación, pero no explica por qué su señal es 10 veces más pequeña de lo que debería ser.

Una posible causa de tal comportamiento sería tener un alcance configurado para una sonda X1 pero en realidad usar una sonda X10, pero eso también afectaría el nivel de compensación de CC que parece decir que es aproximadamente correcto.

Así que concluyo que su sistema debe tener un ancho de banda considerablemente menor que los 10MHz impresos en su alcance. Entonces, su alcance está hecho por un fabricante que miente (no reconozco la marca), la configuración de su sonda no es adecuada para altas frecuencias o hay algo mal con el circuito bajo prueba.