Gelombang Generator adalah rangkaian elektronik yang dapat menghasilkan bentuk gelombang sinusoidal, persegi, segitiga, dan gigi gergaji menggunakan osilator dan rangkaian pulsa.

Dalam tutorial sebelumnya kita telah melihat secara rinci pada tiga jenis rangkaian dasar transistor Multivibrator yang dapat digunakan sebagai osilator relaksasi untuk menghasilkan gelombang persegi atau persegi panjang pada outputnya untuk digunakan sebagai sinyal clock dan timing.

Tetapi juga dimungkinkan untuk membangun rangkaian Gelombang Generator dasar dari rangkaian terpadu sederhana atau Penguat Operasional (Op-amp) yang terhubung ke rangkaian RC (resistor-kapasitor) atau ke kristal kuarsa untuk menghasilkan bentuk gelombang output biner atau gelombang persegi pada frekuensi yang diinginkan.

Tutorial pembuatan gelombang ini tidak akan lengkap tanpa beberapa contoh rangkaian switching regeneratif digital, karena ini mengilustrasikan baik aksi switching dan operasi Gelombang Generator yang digunakan untuk menghasilkan gelombang persegi untuk digunakan sebagai pengaturan waktu atau bentuk gelombang berurutan.

Kita tahu bahwa rangkaian switching regeneratif seperti Multivibrator Astabil adalah jenis osilator relaksasi yang paling umum digunakan karena menghasilkan output gelombang persegi konstan, menjadikannya ideal sebagai Generator Gelombang digital.

Multivibrator Astabil membuat osilator yang sangat baik karena mereka beralih secara terus-menerus antara dua keadaan tidak stabil pada tingkat pengulangan yang konstan sehingga menghasilkan output gelombang persegi kontinu dengan rasio space-mark 1:1 ("ON" dan "OFF" waktu sama) dari outputnya dan dalam tutorial ini kita akan melihat beberapa cara berbeda kita dapat membangun Gelombang Generator hanya menggunakan rangkaian logika TTL dan CMOS standar bersama dengan beberapa komponen timing diskrit tambahan.

Gelombang Generator Trigger Schmitt

Generator Gelombang Sederhana dapat dibangun menggunakan inverter aksi dasar Trigger Schmitt seperti TTL 74LS14. Metode ini sejauh ini merupakan cara termudah untuk membuat gelombang generator Astabil dasar. Ketika digunakan untuk menghasilkan sinyal clock atau timing, multivibrator astabil harus menghasilkan bentuk gelombang stabil yang beralih cepat antara status "TINGGI" dan "RENDAH" tanpa distorsi atau gangguan, dan inverter Schmitt melakukan hal itu.

Kita tahu bahwa keadaan output dari inverter Schmitt adalah perlawanan atau kebalikan dari keadaan input-nya, (prinsip gerbang NOT) dan bahwa hal itu dapat mengubah keadaan pada tingkat tegangan yang berbeda memberinya "histerisis".

Inverter Schmitt menggunakan aksi pemicu Schmitt yang mengubah status antara batas atas dan bawah sebagai sinyal tegangan input meningkat dan menurun tentang terminal input. Level ambang atas ini "mengatur" output dan level ambang bawah yang lebih rendah "me-reset" output yang sama dengan logika "0" dan logika "1" masing-masing untuk inverter. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.

Gelombang Generator Inverter Trigger Schmitt

Rangkaian generator gelombang sederhana ini terdiri dari TTL 74LS14 inverter Schmitt gerbang logika tunggal dengan kapasitor, C dihubungkan antara terminal input dan ground, (0V) dan umpan balik positif diperlukan untuk rangkaian berosilasi yang disediakan oleh resistor umpan balik, R.

Jadi bagaimana cara kerjanya? Asumsikan bahwa muatan melintasi plat kapasitor berada di bawah ambang batas bawah Schmitt 0.8 volt (nilai Lembar Data). Karena itu, ini membuat input ke inverter pada level logika "0" yang menghasilkan tingkat output logika "1" (prinsipal inverter).

Satu sisi Resistor, R sekarang terhubung ke output logika “1” (+ 5V) sementara sisi lain dari resistor terhubung ke kapasitor, C yang berada pada level logika “0” (0.8v atau lebih rendah). Kapasitor sekarang mulai mengisi ke arah yang positif melalui resistor pada kecepatan yang ditentukan oleh konstanta waktu RC dari kombinasi.

Ketika muatan melintasi kapasitor mencapai tingkat ambang atas 1.6 volt dari pemicu Schmitt (nilai lembar data) output dari inverter Schmitt cepat berubah dari tingkat logika "1" ke tingkat tingkat logika "0" dan arus mengalir melalui resistor mengubah arah.

Perubahan ini sekarang menyebabkan kapasitor yang semula mengisi melalui resistor, R untuk mulai melepaskan diri kembali melalui resistor yang sama sampai muatan melintasi plat kapasitor mencapai tingkat ambang bawah 0.8 volt dan output inverter beralih menyatakan lagi dengan siklus berulang berulang selama tegangan supply hadir.

Jadi Kapasitor, C terus-menerus mengisi dan mengeluarkan sendiri selama setiap siklus antara input level ambang atas dan bawah dari inverter Schmitt menghasilkan level logika "1" atau level logika "0" pada output inverter. Namun, bentuk gelombang output tidak simetris menghasilkan siklus kerja sekitar 33% atau 1/3 karena rasio mark-to-space antara "TINGGI" dan "RENDAH" adalah 1:2 masing-masing karena karakteristik gerbang input dari TTL inverter.

Nilai dari resistor umpan balik, ( R ) HARUS dijaga agar tetap rendah hingga di bawah 1 kΩ agar rangkaian berosilasi dengan benar, 220R hingga 470R baik, dan dengan memvariasikan nilai kapasitor, C memvariasikan frekuensi. Juga pada tingkat frekuensi tinggi, bentuk gelombang output berubah bentuk dari bentuk gelombang persegi ke bentuk gelombang trapesium karena karakteristik input gerbang TTL dipengaruhi oleh kecepatan Pengisian Kapasitor dan Pengosongan Kapasitor. Frekuensi osilasi untuk Generator Gelombang Schmitt karena itu diberikan sebagai:

Gelombang Frekuensi Trigger Schmitt

Dengan nilai resistor antara: 100R hingga 1kΩ, dan nilai kapasitor antara: 1nF hingga 1000uF. Ini akan memberikan rentang frekuensi antara 1Hz hingga 1MHz, (frekuensi tinggi menghasilkan distorsi bentuk gelombang).

Secara umum, gerbang logika TTL standar tidak berfungsi dengan baik sebagai Gelombang Generator karena karakteristik input dan output rata-rata, distorsi bentuk gelombang output dan nilai resistor umpan balik yang rendah diperlukan, menghasilkan kapasitor bernilai tinggi untuk operasi frekuensi rendah.

Osilator TTL juga tidak dapat berosilasi jika nilai kapasitor umpan balik terlalu kecil. Namun, kami juga dapat membuat Multivibrator Astabil menggunakan teknologi logika CMOS yang lebih baik yang beroperasi dari supply 3V hingga 15V seperti CMOS 40106B Inverter Schmitt.

CMOS 40106 adalah inverter input tunggal dengan aksi pemicu Schmitt yang sama dengan TTL 74LS14 tetapi dengan kekebalan noise yang sangat baik, bandwidth tinggi, gain tinggi dan karakteristik input/output yang sangat baik untuk menghasilkan bentuk gelombang output yang lebih kotak "squarer" seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Gelombang Generator CMOS Trigger Schmitt

Rangkaian generator gelombang Schmitt untuk CMOS 40106 pada dasarnya sama dengan yang untuk inverter TTL 74LS14 sebelumnya, kecuali untuk penambahan resistor 10kΩ yang digunakan untuk mencegah kapasitor dari merusak transistor input MOSFET yang sensitif saat melepaskan dengan cepat pada tingkat frekuensi yang lebih tinggi.

Rasio mark-space yang lebih berimbang pada sekitar 1:1 dengan nilai resistor umpan balik meningkat menjadi di bawah 100kΩ menghasilkan sebuah kapasitor yang lebih kecil dan lebih murah waktu, C. Frekuensi osilasi mungkin tidak sama dengan: ( 1/1.2RC ) karena karakteristik input CMOS berbeda dengan TTL. Dengan nilai resistor antara: 1kΩ dan 100kΩ, dan nilai kapasitor antara: 1pF hingga 100uF. Ini akan memberikan rentang frekuensi antara 0.1Hz hingga 100kHz.

Gelombang Generator Inverter Schmitt juga dapat dibuat dari berbagai Gerbang Logika berbeda yang terhubung untuk membentuk rangkaian inverter. Rangkaian multivibrator astabil Schmitt dasar dapat dengan mudah dimodifikasi dengan beberapa komponen tambahan untuk menghasilkan output atau frekuensi yang berbeda. Misalnya, dua bentuk gelombang terbalik atau beberapa frekuensi dan dengan mengubah resistor umpan balik tetap menjadi Potensiometer, frekuensi output dapat bervariasi seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Generator Gelombang Clock

Pada rangkaian pertama di atas, Inverter Schmitt tambahan telah ditambahkan ke output generator gelombang Schmitt untuk menghasilkan bentuk gelombang kedua yang merupakan citra terbalik atau cermin dari yang pertama menghasilkan dua bentuk gelombang output komplementer, jadi ketika satu output "TINGGI" yang lainnya adalah "RENDAH". Inverter Schmitt kedua ini juga meningkatkan bentuk gelombang output terbalik tetapi menambahkan "gerbang delay" kecil sehingga tidak persis selaras dengan yang pertama.

Juga, frekuensi output dari rangkaian osilator dapat bervariasi dengan mengubah resistor tetap, R menjadi potensiometer tetapi resistor umpan balik yang lebih kecil masih diperlukan untuk mencegah potensiometer dari korsleting inverter ketika itu pada nilai minimumnya, 0Ω.

Kita juga dapat menggunakan dua output komplementer, Q dan   dari rangkaian pertama sebagai alternatif mem-flash dua set lampu atau LED dengan menghubungkan output mereka langsung ke base dua transistor switching seperti yang ditunjukkan.

Dengan cara ini satu atau beberapa LED dihubungkan bersama secara seri dengan collector transistor switching yang menghasilkan bolak-balik kilat setiap set LED karena masing-masing transistor diaktifkan "ON" pada gilirannya.

Juga ketika menggunakan jenis rangkaian ini, ingatlah untuk menghitung resistor seri yang sesuai, R untuk membatasi arus LED di bawah 20mA (LED merah) untuk tegangan yang Anda gunakan.

Untuk menghasilkan output frekuensi yang sangat rendah dari beberapa Hertz untuk mem-flash LED, generator gelombang Schmitt menggunakan kapasitor timing bernilai tinggi yang secara fisik bisa besar dan mahal.

Salah satu solusi alternatif adalah untuk menggunakan kapasitor nilai yang lebih kecil untuk menghasilkan frekuensi yang jauh lebih tinggi, katakanlah 1kHz atau 10kHz, dan kemudian bagi frekuensi clock utama ini menjadi yang lebih kecil hingga nilai frekuensi rendah yang diperlukan tercapai, dan rangkaian kedua di atas tidak hanya itu.

Rangkaian yang lebih rendah di atas menunjukkan Osilator yang digunakan untuk menggerakkan input clock dari counter riak. Counter riak pada dasarnya adalah sejumlah divide-by-2, Flip-flop tipe-D yang digabung bersama untuk membentuk Counter divide-by-N tunggal, di mana N sama dengan counter bit-count seperti CMOS 4024 7-bit Counter Riak atau 12-bit CMOS 4040 Counter Riak.

Frekuensi clock tetap dihasilkan oleh rangkaian pulsa clock Astabil Schmitt dibagi menjadi beberapa sub-frekuensi yang berbeda seperti, ƒ÷2, ƒ÷4, ƒ÷8, ƒ÷256, dll, hingga maksimum “Divide- by-n ”nilai penghitung riak yang digunakan. Proses menggunakan "Flip-flop", "Counter Biner" atau "Counter Riak/Ripple" untuk membagi frekuensi clock tetap utama menjadi beberapa sub-frekuensi yang dikenal sebagai Pembagi Frekuensi dan kita dapat menggunakannya untuk memperoleh sejumlah nilai frekuensi dari generator gelombang tunggal.

Gelombang Generator Gerbang NAND

Gelombang Generator Schmitt juga dapat dibuat menggunakan standar CMOS Gerbang Logika NAND yang terhubung untuk menghasilkan rangkaian inverter. Di sini, dua gerbang NAND dihubungkan bersama untuk menghasilkan tipe lain dari rangkaian osilator relaksasi RC yang akan menghasilkan bentuk gelombang output berbentuk persegi seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Rangkaian Gelombang Generator Gerbang NAND

Dalam jenis rangkaian generator gelombang, Jaringan RC dibentuk dari Resistor, R1 dan Kapasitor, C dengan jaringan RC ini dikendalikan oleh output dari gerbang NAND pertama. Output dari jaringan R1C ini diumpankan kembali ke input gerbang NAND pertama melalui resistor, R2 dan ketika tegangan pengisian melintasi kapasitor mencapai tingkat ambang atas gerbang NAND pertama, gerbang NAND berubah status menyebabkan gerbang NAND kedua untuk mengikutinya, dengan demikian mengubah keadaan dan menghasilkan perubahan di tingkat output.

Tegangan melintasi jaringan R1C sekarang terbalik dan kapasitor mulai mengalir melalui resistor sampai mencapai tingkat ambang batas yang lebih rendah dari gerbang NAND pertama yang menyebabkan kedua gerbang mengubah keadaan sekali lagi. Seperti rangkaian generator gelombang Schmitt sebelumnya di atas, frekuensi osilasi ditentukan oleh konstanta waktu R1C yang diberikan sebagai: 1/2.2R1C. Umumnya R2 diberi nilai 10 kali dari nilai resistor R1.

Ketika stabilitas tinggi atau dijamin memulai sendiri diperlukan, Generator Gelombang CMOS dapat dibuat menggunakan tiga gerbang NAND pembalik atau tiga inverter logika dalam hal ini, dihubungkan bersama seperti yang ditunjukkan di bawah ini menghasilkan rangkaian yang kadang-kadang disebut gelombang generator "cincin tiga". Frekuensi osilasi ditentukan kembali oleh konstanta waktu R1C, sama seperti untuk osilator dua gerbang di atas, dan yang diberikan sebagai: 1/2.2R1C ketika R2 memiliki nilai 10 kali dari nilai resistor, R1.

Gelombang Generator Gerbang NAND Stabil

Penambahan gerbang NAND tambahan menjamin bahwa osilator akan mulai bahkan dengan nilai kapasitor yang sangat rendah. Juga stabilitas generator gelombang sangat ditingkatkan karena kurang rentan terhadap variasi catu daya karena tingkat pemicu ambangnya hampir setengah dari tegangan supply. Jumlah stabilitas terutama ditentukan oleh frekuensi osilasi dan secara umum, semakin rendah frekuensi semakin stabil Osilator.

Karena jenis Gelombang Generator ini beroperasi pada hampir setengah atau 50% dari tegangan supply, bentuk gelombang output yang dihasilkan memiliki siklus kerja yang hampir 50%, rasio mark-space 1:1. Generator bentuk tiga gerbang memiliki banyak keunggulan dibandingkan osilator dua gerbang sebelumnya di atas, tetapi satu kelemahannya adalah menggunakan gerbang logika tambahan.

Gelombang Generator tipe Cincin

Kita telah melihat di atas bahwa Gelombang Generator dapat dibuat menggunakan TTL dan teknologi logika CMOS yang lebih baik dengan jaringan RC menghasilkan waktu tunda dalam rangkaian ketika terhubung melalui salah satu, dua atau bahkan tiga gerbang logika untuk membentuk sebuah Osilator Relaksasi RC sederhana. Tetapi kita juga dapat membuat generator gelombang hanya menggunakan Gerbang Logika NOT atau dengan kata lain Inverter tanpa komponen pasif tambahan yang terhubung dengannya.

Dengan menghubungkan bersama setiap nomor GANJIL (3, 5, 7, 9 dll) dari gerbang NOT untuk membentuk rangkaian "cincin", sehingga output dari cincin terhubung langsung kembali ke input cincin, rangkaian akan terus berosilasi sebagai level logika "1" terus-menerus berputar di sekitar jaringan menghasilkan frekuensi output yang ditentukan oleh penundaan propagasi dari inverter yang digunakan.

Rangkaian Gelombang Generator Cincin

Frekuensi osilasi ditentukan oleh penundaan propagasi total Inverter yang digunakan di dalam cincin dan yang dengan sendirinya ditentukan oleh jenis teknologi gerbang, TTL, CMOS, BiCMOS dari mana inverter dibuat. Waktu tunda propagasi atau waktu propagasi, adalah total waktu yang diperlukan (biasanya dalam Nanosecond) untuk sinyal untuk melewati langsung Inverter dari logika "0" yang tiba di input untuk menghasilkan logika "1" pada outputnya.

Juga untuk jenis variasi rangkaian generator gelombang cincin pada tegangan supply, suhu dan kapasitansi beban semuanya memengaruhi keterlambatan propagasi gerbang logika. Umumnya waktu tunda propagasi rata-rata akan diberikan dalam lembar data pabrikan untuk jenis gerbang logika digital yang digunakan dengan frekuensi osilasi yang diberikan sebagai:

Dimana: ƒ adalah frekuensi Osilasi, n adalah jumlah gerbang yang digunakan dan Tp adalah penundaan propagasi untuk setiap gerbang.

Sebagai contoh, asumsikan bahwa rangkaian generator gelombang sederhana memiliki 5 Inverter individu yang dihubungkan bersama secara seri untuk membentuk Ring Osilator, penundaan propagasi untuk setiap Inverter diberikan sebagai 8ns. Maka frekuensi osilasi akan diberikan sebagai:

Tentu saja, ini bukan osilator yang praktis karena terutama karena ketidakstabilan dan frekuensi osilasi yang sangat tinggi, 10 dari Megahertz tergantung pada jenis teknologi gerbang logika yang digunakan, dan dalam contoh sederhana kami dihitung sebagai 12.5MHz !!. Frekuensi output osilator cincin dapat "disetel" sedikit dengan memvariasikan jumlah Inverter yang digunakan di dalam cincin tetapi jauh lebih baik menggunakan generator gelombang RC yang lebih stabil seperti yang telah kita bahas di atas.

Namun demikian, hal itu menunjukkan bahwa gerbang logika dapat dihubungkan bersama untuk menghasilkan Gelombang Generator berbasis logika dan rangkaian digital yang dirancang buruk dengan banyak gerbang, jalur sinyal dan loop umpan balik telah diketahui berosilasi secara tidak sengaja.

Dengan menggunakan jaringan RC di rangkaian Inverter, frekuensi osilasi dapat dikontrol secara akurat menghasilkan rangkaian osilator relaksasi Astabil yang lebih praktis untuk digunakan dalam banyak aplikasi elektronik umum.

Dalam tutorial berikutnya tentang Gelombang dan Generator, kita akan memeriksa Timer 555 yang merupakan salah satu rangkaian terintegrasi paling populer dan serbaguna yang pernah diproduksi yang dapat menghasilkan berbagai bentuk gelombang yang berbeda dan sinyal pewaktuan dari Multivibrator Monostabil, Multivibrator Bistabil hingga Multivibrator Astabil.