Dr.Godfried-Willem RAES

Kursus Experimentele Muziek: Boekdeel 2: Live electronics

Hogeschool Gent : Departement Muziek & Drama

2040:

TIJDSINTERVALMETING & PULSGENERATIE

Toepassing:

• tijdsmeting (timers / chronometers )
• tijdspositionering van pulsen ( sequencers)
• pulsbreedte modulatie
• vermogensregeling

Definities:

Chronometer: een chronometer is een toestel waarmee de tijd kan worden gemeten die verlopen is tussen twee signalen. ( Start en Stop )

Timer : een timer is een toestel dat een signaal afgeeft na een bepaalde en vaak instelbare tijd, en dat dit tijdsinterval laat ingaan na ontvangst van een startsignaal.

Sequencer: Een sequencer is een elektronische schakeling - of een een dergelijke schakeling imiterend stuk software - die ons toelaat op instelbare tijdstippen een lineaire reeks pulsen/spanningen op te wekken.

Voorbeeld 1 : meten van de tijd tussen twee ontvangen pulsen (chronometer)

Nodige input signalen : startpuls, stoppuls

Gewenste output : numerieke waarde

Na het ontvangen van een startpuls, telt de teller het aantal pulsen van een vaste klok. Bij het ontvangen van een stoppuls, wordt de tellerstand in een tussengeheugen geplaatst en kan hij uitgelezen worden. Dergelijke schakelingen kunnen eenvoudig worden opgebouwd omdat er een grote keuze aan chips beschikbaar is op de markt waarin alle nodige funkties werden geintegreerd.

Een schakelvoorbeeld , waarbij gebruik gemaakt wordt van de TTL tellerchip 74269 werd uitgewerkt in figuur 2040/1. In deze schakeling werd gebruik gemaakt van de mogelijkheid die de chip biedt om bij het bereiken van een bepaalde tellerstand een puls uit te sturen ( TC signaal). Om deze tellerstand instelbaar te maken zijn we bij het ontwerpen van de schakeling uitgegaan van de allereenvoudigste oplossing, namelijk het instellen van de voorinstelwaarde van de teller via 8 zgn. DIL-switches. Hiermee kan een byte in binaire vorm worden ingesteld. Uiteraard kan dit byte in een meer gesofistikeerde schakeling ook eenvoudig door een komputer worden geleverd , via een uitgangspoort. De tellerstand verschijnt aan de uitgang van de schakeling eveneens in de vorm van een byte.

Voorts kan de teller zowel omhoog teller ( van 0 af ) als omlaag. In dit laatste geval begint hij af te tellen vanaf de vooringestelde waarde tot 0 . Verder kan de laatst bereikte tellerstand op de uitgang worden vastgehouden, met behulp van de HOLD/COUNT schakelaar. Het enige externe onderdeel of de enige extern toe te voegen schakeling betreft de generator voor het kloksignaal. Met de hier voorgestelde chip mag de frekwentie daarvan niet groter zijn dan ca. 100 Megaherz. Aan het minimum is geen beperking verbonden. Alle teloperaties gebeuren synchroon op de stijgende flank van het clocksignaal. De frekwentie van de klok moet groter zijn die die van de te verwachten start en stop signalen.

Het zal duidelijk zijn dat we wanneer we een clock signaal gebruiken met een frekwentie van 1 Hz ( 1 puls per sekonde ) , we direkt een kronometer/timer bekomen die tijdsduren tot en met 255 * 1s = 4 minuten en 15 sekonden kan meten.

Uiteraard kan een tijdsverloop ook op een niet-digitale wijze wijze worden gemeten. Dit is vooral nuttig wanneer we niet zozeer behoefte hebben aan een direkt verwerkbare numerieke waarde, maar wel aan een bruikbaar en analoog met de tijd verlopend signaal. Een van de meest toegepaste principes voor analoge tijdsmeting in de elektronika berust op het feit dat de spanning over een aanvankelijke volledig ontladen kondensator , wanneer we die via een weerstand laden, een bijna perfekte lineaire funktie is van de verstreken tijd. Daarom spreekt men in de elektronika ook van de tijdkonstante van een RC ( weerstand-kondensator) kring. ( T= 2 * Pi * R * C ). Is de spanning over de kondensator een signaal dat evenredig is met de verstreken tijd, dan betekent dit echter nog niet dat we het als dusdanig ook zouden kunnen gebruiken. Immers , zouden we dit signaal zomaar van de kondensator aftakken, dan zou deze zijn lading via deze aftakking verliezen, wat uiteraard onze meting zou beinvloeden zoniet onmogelijk maken. De spanning over de kondensator dient dan ook via een speciale uiterst hoogohmige buffer-versterker tot een bruikbaar signaal te worden omgevormd. Hiermee is de kous echter nog niet helemaal af, want, zouden we de schakeling op die manier opbouwen dan zouden we slechts een enkele meting kunnen uitvoeren. Dan immers zou de kondensator volgeladen zijn en kan zijn spanning niet verder stijgen. Om een nieuwe meting te kunnen verrichten dient dan ook eerst de kondensator weer helemaal - via een tijdelijke kortsluiting- te worden ontladen. Het aanzetten van de laadstroom komt overeen met de startpuls uit de digitale schakeling, terwijl het uitlezen gevolgd door het 'resetten' van de schakeling overeenkomt met de stop-puls.

Het principe schema kan eruitzien alsvolgt:

Het zal duidelijk zijn dat we hierbij beide schakelaars door een enkele schakelaar (een terugverend exemplaar dan wel), nml. de reset kunnen vervangen. Immers na elke reset begint het laadproces automatisch opnieuw :

In de praktijk wordt dit soort schakeling meer nog omgekeerd toegepast, namelijk in die gevallen waarbij men na een instelbare tijd een puls wil kunnen genereren, m.a.w. als timer. Een van de meest verspreide chips voor dit doel is de 555 analoge timer chip.

Deze chip kan beslist gerekend worden tot de meest populaire in allerhande artistieke , muzikale zowel als skulpturaal- kinetische, projekten. Hij kan immers ingezet worden voor tijden varierend tussen enkele minuten en ca. 10^-5s. Bovendien kan hij heel eenvoudig ook als oscillator worden gebruikt , waarbij we dan telkens wanneer de pulstijd verstreken is, automatisch een nieuwe triggerpuls toevoeren. Bovendien beschikt de chip over de mogelijkheid de opgewekte frekwentie te moduleren. Daarom geven we enkele voorbeeldschakelingen met de formules die nodig zijn om ze naar eigen behoeften te fatsoeneren. Aan de toepassingen van deze 555 chips zijn zelfs verschillende boeken gewijd ! (cfr. ook onze pulse generator in paragraaf 2031.html)

enkele 555 schakelingen:

Monostabiele multivibrator:

Deze schakeling levert een enkele puls na triggering.

Astabiele multivibrator:

Deze schakeling genereert een blokgolf met instelbare duty cycle

Voorbeeld 2 : Sequencer

Elektronisch bekeken is een sequencer de eenvoud zelve, aangezien hij kan worden opgebouwd door simpele aaneenschakeling van een hele reeks timers, waarbij de uitgangspuls van de ene timer telkens het startsein is voor de volgende timer. Er dienen evenveel timers te worden gebruikt , als we stapjes wensen in onze sekwentiele reeks gebeurtenissen.

Wie een dergelijke schakeling wil opbouwen doet er goed aan het gebruik te overwegen van vierdubbele timerchips : dit zijn vier 555-chips in een enkele behuizing , beschikbaar onder het typenummer 558. Een sequencer met 16 stapjes, is dan mogelijk met slechts 4 chips.

In de voorbeeldschakeling tekenden we een kleine sequencer met slechts 5 stappen, maar dit kan eenvoudig worden uitgebreid. Ook voorzagen we de mogelijkheid om globaal de tijdsduur van de hele sekwens met behoud van de onderlinge tijdsverhoudingen , te regelen, door de pin voor de 'controll voltage' te gebruiken als globale regeling. Wanneer in de voorbeeldschakeling de uitgang van de laatste timer teruggevoerd wordt naar de triggeringang van de eerste, dan verkrijgen we een eindeloze lus. Met de potmeters P_t1, P_t2, ... P_t5 kan de tijdsduur van elke puls afzonderlijk en onafhankelijk van de andere worden ingesteld. Met de potmeters P_U1, P_U2, P_U3... P_U5 kan de grootte van de uitgangsspanning per timer worden ingesteld. Mengen we de signalen op de lopers van al deze potentiometers tesamen, dan krijgen we op het mengpunt een signaal waarmee we bvb. een analoge VCO sekwentieel kunnen uitsturen. Het grote voordeel van een dergelijk opzet in vergelijking met software-matige sekwencers of met kommercieel verkrijgbare schakelingen, is dat werkelijk alle onderlinge tijdsverhoudingen tussen de pulsen kunnen worden ingesteld , en dus niet alleen maar ritmische sekwensen die binnen een metrisch raster dienen te vallen. Om deze redenen zal je dergelijke schakeling dan ook niet in de handel tegenkomen : de pop- en rockmarkt heeft aan deze mogelijkheid hoegenaamd geen boodschap. Sequencers die wel binnen een strikt vast metrisch raster werken zijn overigens eenvoudiger en veel goedkoper te implementeren. Hiervoor gebruikt men dan echter meestal programmeerbare tellers, (zie verder), werkend onder een gemeenschappelijk kloksignaal.

Het lijkt ons ook interessant op te merken dat dit type sequencer principieel ook als programmeerbare golfvormsynthesizer kan worden gebruikt. Daartoe dient echter de herhalingsfrekwentie van de lus overeen te komen met de gewenste toonhoogte. De schakeling komt dan reeds aardig dicht bij een DAC. ( digital - analog- convertor).

Een kleine opmerking toch nog bij deze schakeling : in de praktijk is het noodzakelijk de potmeters P_t1 enz. op te bouwen als een serieschakeling van een (relatief kleine) weerstand waardoor de kortste instelbare tijd wordt begrensd. Zoniet zou de waarde 0 Ohm kunnen ingesteld worden, waarde waarbij door de onbegrensde stroom die dan gaat lopen naar het IC , dit laatste zeker in rook opgaat. In de praktijk kan deze weerstand 390 Ohm o.i.d. genomen worden. Wat de waarde van de kondensator betreft, zijn er minder beperkingen , maar omwille van de stoorzekerheid e.d.m. is het best zich te houden aan kondensator waarden binnen het bereik 470pF tot 47 microFarad.

555 sequencer

Een heel erg onvoorspelbare generator kan eveneens worden gebouwd, door elke oscillator, via de FM ingang op pin 5 zijn voorganger te laten beinvloeden:

U2, U3, U4, U5 kunnen ook vervangen worden door audio uitgangen of kleine 50 Ohm luidsprekertjes. De CV output kan hier gebruikt worden als gemixt audio signaal.

Een eenvoudig en nog in antiek 'regelnummer' Basic geschreven programma dat kan worden gebruikt voor de berekening van simpele op de 555 chip gebaseerde schakelingen kan lopen alsvolgt:

•  
• CLS
• PRINT "*****************************************************"
• PRINT "* TIMER SCHAKELINGEN MET DE 555 CHIP *"
• PRINT "* ================================== *"
• PRINT "*****************************************************"
• PRINT
• PRINT "Welke schakeling wil je berekenen ? "
• PRINT " 1 - astabiele multivibrator"
• PRINT " 2 - monostabiele one-shot "
• PRINT " 3 - oscillator met externe sync "
• K1:
• INPUT " KEUZE ? ", K
• IF K = 1 THEN GOSUB ASTABLE : K = 0
• IF K = 2 THEN GOSUB MONOSTABLE: K = 0
• IF K = 3 THEN
• GOSUB SYNCOSCI
• K = 0
• ELSE
• GOTO K1
• END IF
•  
• ASTABLE: 'astabiele routine
• CLS
• PRINT " Principeschema astabiele multivibrator :"
• PRINT " _________________________________ + voeding "
• PRINT " | | | "
• PRINT " _ ______________ "
• PRINT " | | | 4 8 | "
• PRINT "Ra|?| | | T-low"
• PRINT " |_| | 555 | ________ "
• PRINT " |-------|7 3|---- output \_____/ \"
• PRINT " _ | | T-high"
• PRINT " | | | 5|----------"
• PRINT "Rb| | | | |"
• PRINT " |_| | | ___"
• PRINT " |-------|6 | Cp ___ "
• PRINT " |-------|2 | | "
• PRINT " | | | | "
• PRINT " ___ | | | "
• PRINT "C ___ | 1 | | "
• PRINT " | _______________ | "
• PRINT " | | | "
• PRINT " |_______________|_______________|_____ massa , 0Volt "
• 430 INPUT "Waarvan wil je uitgaan ? (1) Frekwentie ? of (2) Komponenten ?", K
• IF K = 0 THEN 430 ELSE IF K = 2 THEN 650 ELSE 450
• 450 INPUT "Welke frekwentie wil je hebben ?", F#
• IF F# > 200000! THEN WARN$ = "deze frekwentie is te hoog voor de 555"
• IF F# > 200000! THEN PRINT WARN$
• IF F# > 200000! THEN INPUT "Disregard ? Y/N", W$
• IF W$ = "N" THEN
• W$ = ""
• GOTO 450
• END IF
• 500 INPUT "Welke Condensator wil je (in nF)?", C
• 510 LET C = C * 1E-09: RKOMB = 1.44 / (F# * C)
• 520 INPUT "Kies nu Ra ? ", RA
• 530 IF RA < 470 THEN 540 ELSE 590
• 540 INPUT "Bij welke voedingsspanning moet dit werken ?", UB
• 550 LET I7 = UB / RA
• 560 IF I7 > .03 THEN 570 ELSE 590
• 570 PRINT "Je kiest RA te klein ! Zo dissipeert de chip teveel ..."
• 580 GOTO 520
• 590 RB = (RKOMB - RA) / 2
• 600 IF RA + RB > 10000000# THEN 610 ELSE 640
• 610 PRINT "Met zulke weerstandswaarden kan de schakeling niet werken "
• 620 PRINT "de som van beide weerstanden moet kleiner zijn dan 10Mega Ohm"
• 630 GOTO 520
• 640 GOTO 780
• 650 INPUT "Ra in Ohms =?", RA
• 660 IF RA < 470 THEN 670 ELSE 680
• 670 INPUT "Bij welke voedingsspanning moet dit werken ?", UB
• 680 INPUT "Rb in Ohms =?", RB
• 690 IF RA + RB > 10000000# THEN 700 ELSE 750
• 700 PRINT "Met zulke weerstandswaarden kan de schakeling niet werken "
• 710 LET I7 = UB / RA
• 720 IF I7 > .03 THEN 730 ELSE 750
• 730 PRINT "Je kiest RA te klein ! Zo dissipeert de chip teveel ..."
• 740 GOTO 650
• 750 INPUT "C in nF =?", C760 LET C = C * 1E-09
• 770 LET F# = 1.44 / ((RA + (2 * RB)) * C)
• 780 OUTHIGHTIME = .693 * (RA + RB) * C
• 790 OUTLOWTIME = .639 * RB * C
• 800 PERIODTIME = OUTHIGHTIME + OUTLOWTIME
• 810 DUTYCYCLE = RB / ((RA + (2 * RB)))
• 820 PRINT "Oscillator frekwentie="; F#; "Hz"; " Duty Cycle="; DUTYCYCLE
• 830 CLS
• 840 IF UB > 0 THEN 850 ELSE 870
• 850 PRINT " _________________________________ + voeding max."; UB; "Volt"
• 860 GOTO 880
• 870 PRINT " _________________________________ + voeding 5 tot 15 Volt"
• 880 PRINT " | | | | "
• 890 PRINT " _ ______________ ___ "
• 900 PRINT " | | | 4 8 | ___ C=100nF "
• 910 PRINT "Ra| | | | | Tl="; OUTLOWTIME; ""
• 920 PRINT " |_| | 555 | ___ ________ "
• 930 PRINT " |-------|7 3|---- output \_____/ \"
• 940 PRINT " _ | | Th="; OUTHIGHTIME
• 950 PRINT " | | | 5|----------"
• 960 PRINT "Rb| | | | | Duty cycle="; DUTYCYCLE
• 970 PRINT " |_| | | ___"
• 980 PRINT " |-------|6 | Cp ___ "
• 990 PRINT " |-------|2 | | "
• 1000 PRINT " | | | | "
• 1010 PRINT " ___ | | | "
• 1020 PRINT "C ___ | 1 | | "
• 1030 PRINT " | _______________ | "
• 1040 PRINT " | | | "
• 1050 PRINT " |_______________|_______________|_____ massa , 0Volt "
• 1060 PRINT " Ra="; RA; " Rb="; RB; " C="; C
• 1070 PRINT
• 1080 PRINT " Oscillatorfrekwentie="; F#; "Hz"
• 1090 INPUT "Wil je nog een berekening maken ? Y/N"; OK$
• 1100 INPUT "Wil je dit schema printen ? Y/N ", OK$
• 1110 'hier moet een printinstruktie komen
• 1120 IF OK$ = "Y" THEN RETURN ELSE END
•  
• MONOSTABLE: 'monostabiele subroutine
• 1140 PRINT " Monostabiele schakeling voor one-shot "
• 1150 PRINT " |-(reset)--------------"
• 1160 PRINT " _________________________________ + voeding "
• 1170 PRINT " | | | "
• 1180 PRINT " _ ______________ "
• 1190 PRINT " | | | 4 8 | __ ____"
• 1200 PRINT " | | | 2|------------<trigger-input \_/ "
• 1210 PRINT "Ra| | | |"
• 1220 PRINT " |_| | 555 | ________ "
• 1230 PRINT " |-------|7 3|---> output ______/ \"
• 1240 PRINT " | | | Time "
• 1250 PRINT " | | | "
• 1260 PRINT " | | 5|---------| "
• 1270 PRINT " | | | | "
• 1280 PRINT " |-------|6 | | "
• 1290 PRINT " | | | | "
• 1300 PRINT " | | | | "
• 1310 PRINT " ___ | | ___ "
• 1320 PRINT "C ___ | 1 | 10 nF ___ "
• 1330 PRINT " | _______________ | "
• 1340 PRINT " | | | "
• 1350 PRINT " |_______________|_______________|_____ massa , 0Volt "
• 1360 INPUT "Welke one-shot time wil je? ", TH
• 1370 INPUT "Welke Condensatorwaarde ? (in nF) :", C
• 1380 LET C = C * 1E-09
• 1390 RA = TH / (1.1 * C)
• 1400 PRINT "Ra moet dan "; RA; " Ohm zijn "
• 1410 PRINT " Wil je dit aanpassen naar een gebruikelijke waarde ? Y/N"
• 1420 INPUT Y$
• 1430 IF Y$ = "Y" THEN INPUT "Welke weerstand heb je ?", RR
• 1440 IF RR = 0 THEN 1460 ELSE 1450
• 1450 PRINT "De one-shot time is dan ="; 1.1 * RR * C
• 1460 PRINT " Monostabiele schakeling voor one-shot "
• 1470 PRINT " |-(reset)--------------"
• 1480 PRINT " ___________________________________________________________ + voeding "
• 1490 PRINT " | | | | "
• 1500 PRINT " _ ______________ ___ "
• 1510 PRINT " | | | 4 8 | __ ____ ___ "
• 1520 PRINT " | | | 2|-trigger-input \_/ | "
• 1530 PRINT "Ra| | | | | "
• 1540 PRINT " |_| | 555 | ________ | "
• 1550 PRINT " |-------|7 3|---> output ______/ \ | "
• 1560 PRINT " | | | "; TH; "s"
• 1570 PRINT " | | | | "
• 1580 PRINT " |-------|6 5|---------. | "
• 1590 PRINT " | | | | | "
• 1600 PRINT " ___ | | ___ | "
• 1610 PRINT "C ___ | 1 | 10 nF ___ | "
• 1620 PRINT " | _______________ | | "
• 1630 PRINT " | | | | "
• 1640 PRINT " |_______________|_______________|______________________ massa , 0Volt "
• 1650 PRINT " C="; C; " Ra="; RA; "precies voor "; TH; "s"
• 1660 IF RR > 0 THEN 1670 ELSE 1680
• 1670 PRINT " Ra="; RR; " Ohm afgeronde waarde Preciese tijd="; 1.1 * RR * C; "sec"
• 1680 INPUT "Wil je dit schema ook printen (Y/N)? "; P$
• 1690 IF P$ = "Y" GOTO DRUKMONOFLOP ELSE END
•  
• DRUKMONOFLOP:
• 1700 'printroutine voor monoflop schakeling
• 1710 LPRINT " Monostabiele schakeling voor one-shot "
• 1720 LPRINT "***************************************"
• 1730 LPRINT
• 1740 LPRINT
• 1750 LPRINT " |-(reset)--------------"
• 1760 LPRINT " ___________________________________________________________ + voeding "
• 1770 LPRINT " | | | | "
• 1780 LPRINT " _ ______________ ___ "
• 1790 LPRINT " | | | 4 8 | __ ____ ___ "
• 1800 LPRINT " | | | 2|-trigger-input \_/ | "
• 1810 LPRINT "Ra| | | | | "
• 1820 LPRINT " |_| | 555 | ________ | "
• 1830 LPRINT " |-------|7 3|---> output ______/ \ | "
• 1840 LPRINT " | | | "; TH; "s"
• 1850 LPRINT " | | | | "
• 1860 LPRINT " |-------|6 5|---------. | "
• 1870 LPRINT " | | | | | "
• 1880 LPRINT " ___ | | ___ | "
• 1890 LPRINT "C ___ | 1 | 10 nF ___ | "
• 1900 LPRINT " | _______________ | | "
• 1910 LPRINT " | | | | "
• 1920 LPRINT " |_______________|_______________|______________________ massa , 0Volt "
• 1930 LPRINT : LPRINT
• 1940 LPRINT " C="; C; " Ra="; RA; "precies voor "; TH; "s"
• 1950 IF RR > 0 THEN 1960 ELSE 1970
• 1960 LPRINT " Ra="; RR; " Ohm afgeronde waarde Preciese tijd="; 1.1 * RR * C; "sec"
• 1970 LPRINT : LPRINT
• 5730 LPRINT
• 5740 LPRINT
• 5750 LPRINT " |-(reset)--------------"
• 5760 LPRINT " ___________________________________________________________ + voeding "
• 5770 LPRINT " | | | | "
• 5780 LPRINT " _ ______________ ___ "
• 5790 LPRINT " | | | 4 8 | __ ____ ___ "
• 5800 LPRINT " | | | 2|-trigger-input \_/ | "
• 5810 LPRINT "Ra| | | | | "
• 5820 LPRINT " |_| | 555 | ________ | "
• 5830 LPRINT " |-------|7 3|---> output ______/ \ | "
• 5840 LPRINT " | | | "; TH; "s"
• 5850 LPRINT " | | | | "
• 5860 LPRINT " |-------|6 5|---------. | "
• 5870 LPRINT " | | | | | "
• 5880 LPRINT " ___ | | ___ | "
• 5890 LPRINT "C ___ | 1 | 10 nF ___ | "
• 5900 LPRINT " | _______________ | | "
• 5910 LPRINT " | | | | "
• 5920 LPRINT " |_______________|_______________|______________________ massa , 0Volt "
• RETURN

• SYNCOSCI:
• 8200 PRINT " 555- OSCILLATOR MET EXTERNE SYNC "
• PRINT " _________________________________ + voeding "
• PRINT " | | | "
• PRINT " _ ______________ "
• PRINT " | | | 4 8 | "
• PRINT "Ra|?| | | T-low"
• PRINT " |_| | 555 | ________ "
• PRINT " |-------|7 3|---| output \_____/ \"
• PRINT " _ | | |--------------|T-high "
• PRINT " | | | 5|---------- | "
• PRINT "Rb| | | | | | "
• PRINT " |_| | | ___ | "
• PRINT " |-------|6 | Cp ___ | "
• PRINT " |-------|2 | | | "
• PRINT " | | | | | | "
• PRINT " ___ | | | | | "
• PRINT "C ___ | | 1 | | | "
• PRINT " | | _______________ | | "
• PRINT " | | | | | "
• PRINT " |___|___________|_______________|________________ massa , 0Volt "
• PRINT " | ____ | "
• PRINT " | ___ . . / |----------| "
• PRINT " |----|___|---| |----O{ NAND "
• PRINT " ' ' \___|-----------0 Ext.Sync "
• RETURN

Dit erg oude programma is in een iets gemoderniseerde versie beschikbaar op de komputer in de klas. POLLUX\\C:\bc7\gwr\elektron\555.bas

Filedate:12.10.85 --- last update: 2017-05-11