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Takterzeugung: Vier Möglichkeiten, um ein Taktsignal zu generieren

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Taktsignale erzeugen: 555-Timer, Quazoszillatoren, Microcontroller und TimerBox-IC bieten Vor- und Nachteile bei Takterzeugung und Timing.
Taktsignale erzeugen: 555-Timer, Quazoszillatoren, Microcontroller und TimerBox-IC bieten Vor- und Nachteile bei Takterzeugung und Timing. (Bild: Sabina Ehnert)

Viele analoge Schaltungen brauchen ein Taktsignal oder eine Möglichkeit, nach einer bestimmten Zeit eine Aufgabe (Timer) auszuführen. In diesem Analogtipp vergleichen wir den 555-Timer, Quarzoszillatoren, Mikrocontroller und TimerBlox-ICs für die Takterzeugung.

Für sehr einfache Taktaufgaben kann der Taktbaustein NE555 (meist als 555 bezeichnet) verwendet werden. Mit dem Taktsignal-IC in unterschiedlicher externer Beschaltung können viele Aufgaben erledigt werden.

Der 555-Timer basiert darauf, dass ein externer Kondensator geladen und eine Spannungsschwelle erkannt wird. Diese Schaltung ist sehr einfach zu erstellen, die Genauigkeit hängt allerdings stark vom wirklichen Wert des Kondensators ab.

Für Anwendungen, die eine höhere Genauigkeit benötigen, bieten sich Quarzoszillatoren an. Diese haben eine sehr hohe Genauigkeit, zeigen jedoch Nachteile auf einem anderen Gebiet: Die Zuverlässigkeit ist nicht sonderlich hoch. Wer elektrische Geräte repariert, weiß, dass die häufigste Fehlerursache große Elektrolyt-Kondensatoren sind. Quarzoszillatoren rangieren gleich an zweiter Stelle.

Alternative Möglichkeiten einen Takt zu erzeugen

Die dritte Möglichkeit, eine gewisse Zeitdauer zu messen, oder einen Takt zu erzeugen, sind einfache, kleine Mikrocontroller. Auch hier gibt es eine große Auswahl an Bausteinen mit unterschiedlichen Optimierungen. Nachteilig ist, dass sie programmiert werden müssen, in der Handhabung etwas mehr Verständnis erfordern und durch ihren digitalen Aufbau in kritischen Anwendungen besonders geprüft werden müssen. So muss beispielsweise sichergestellt werden, was im System passiert, wenn der Mikrocontroller abstürzt.

Zu diesen drei Varianten zur Takterzeugung gibt es noch (weniger bekannte) Alternativen. Eine davon sind die TimerBlox-Bausteine von Analog Devices. Dabei handelt es sich um Halbleiter-Takt-ICs, die im Gegensatz zu Mikrocontrollern völlig analog arbeiten und mit Widerständen einstellbar sind. Es muss also keine Software programmiert werden. Darüber hinaus sind diese Timer sehr zuverlässig.

Bild 1 zeigt einen Überblick der Bausteine mit den jeweiligen Grundfunktionen (VCO, langsamer Takt, PWM, einzelner Puls, verzögerter Puls). Etliche weitere Funktionen lassen sich mit diesen Grundbausteinen erzeugen. Die jeweiligen Beispielschaltungen sind in der Dokumentation veröffentlicht.

Im Gegensatz zum 555-Timer sind die TimerBlox-Bausteine nicht vom Laden einer externen Kapazität abhängig. Da alle Einstellungen über Widerstände erfolgen, arbeiten sie präziser. Es lassen sich Genauigkeiten von 1 bis 2% verwirklichen.

Im Vergleich zu Quarzoszillatoren ist diese Genauigkeit trotzdem noch eher gering. Bei Quarzoszillatoren liegt man ungefähr um den Faktor einhundert besser.

Mögliche Anwendungen der TimerBlox-Takt-ICs

Bild 2: Hüllkurvendetektor mit dem TimerBlox-Taktbaustein LTC6993.
Bild 2: Hüllkurvendetektor mit dem TimerBlox-Taktbaustein LTC6993. (Bild: Analog Devices)

Die Anwendungen für die TimerBlox-Taktbausteine sind sehr vielseitig. Bild 2 zeigt einen Hüllkurvendetektor. Mehrere schnelle Pulse werden in einen längeren Puls „zusammengefasst“. Die externe Beschaltung des LTC6993-2 ist für diese Anwendung minimal. Der Kondensator in der Schaltung dient nur als Stützkondensator für die Versorgungsspannung und hat keinen Einfluss auf die Genauigkeit des Taktbausteins.

Weitere Einsatzgebiete sind das phasenversetzte Synchronisieren von mehreren Schaltreglern bei Stromversorgungen oder das Hinzufügen von Spreizmodulation zu einem Schaltregler-IC mit Synchronisationseingang. Eine typische Anwendung ist die Funktion eines Timers bei Einschaltverzögerungen von bestimmten Schaltungsteilen.

Fazit: Es gibt viele Lösungen, um ein Taktsignal zu generieren und verschiedene zeitbasierte Aufgaben zu erledigen. Jede hat ihre Vor- und Nachteile. Oszillatoren, wie die TimerBlox-Bausteine, lassen sich einfach bedienen, bieten eine hohe Genauigkeit durch Einstellwiderstände anstelle von Kondensatoren und eine hohe Zuverlässigkeit.

* Frederik Dostal arbeitet im Technischen Management für Power Management in Industrieanwendungen bei Analog Devices in München.

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