Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Metastabilier Ringoszillator aus diskreten Transistoren


Announcement: there is an English version of this forum on EmbDev.net. Posts you create there will be displayed on Mikrocontroller.net and EmbDev.net.
von Tim  . (cpldcpu)


Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ich habe als Ergebnis von Untersuchungen zu diskreter RTL-Logik 
ausversehen einen Ringoszillator gebaut, der in einem definierten 
Spannungsbereich zwei stabile Operationsmodi mit um den Faktor 100 
unterschiedlichen Frequenzen hat.

Details hier:

https://hackaday.io/project/170697-evaluating-transistors-for-bipolar-logic-rtl/log/179154-using-a-led-as-base-resistor-metastable-ring-oscillator

Hat jemand so etwas schon einmal gesehen? In der Literatur finde ich zum 
Stichwort "metastable ring oscillator" nur etliche Paper in denen die 
Metastabilität des Anfangszustandes zur Zufallszahlenerzeugung 
ausgenutzt wird. Einen Oszillator mit mehreren stabilen 
Oszialltionsfrequenzen habe ich nicht gefunden.

von Bernhard S. (gmb)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tim  . schrieb:
> Einen Oszillator mit mehreren stabilen
> Oszialltionsfrequenzen habe ich nicht gefunden.

Dann hast du noch keinen Oszillator gebaut :-)

Generell ist es nichts ungewöhnliches, dass die Schwingbedingung auf 
mehr als nur einer Frequenz erfüllt ist, das kann - muss aber nicht - 
zusätzlich vom Arbeitspunkt abhängig sein.

Dafür braucht man keine Kette mit vielen Transistoren, sondern kann das 
bereits mit einem einzigen schaffen. Je höher die Grenzfrequenz des 
verwendeten Transistors, desto kritischer.

Analoge Schaltungstechnik ist eine Kunst für sich.

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
An Deiner Stelle wäre ich mir nicht einmal so sicher, dass es sich nur 
um zwei stabile Schwingungsmodi handelt, sondern jeder dieser Modi 
könnte sich auch nochmal in mehrere weitere aufteilen. Daher wäre es 
sehr interessant, sich das ganze zeitlich hochaufgelöst anzuschauen und 
dabei im Zeitbereich Korrelationen sowie im Frequenzbereich das Spektrum 
zu studieren.

Womöglich findet man sogar Ähnlichkeiten zum Verhalten der Logistischen 
Gleichung bzw. dem daraus resultierenden Bifurkationsdiagramm:

https://de.wikipedia.org/wiki/Logistische_Gleichung

https://www.youtube.com/watch?v=ovJcsL7vyrk

von Tim  . (cpldcpu)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Bernhard S. schrieb:
> Tim  . schrieb:
>> Einen Oszillator mit mehreren stabilen
>> Oszialltionsfrequenzen habe ich nicht gefunden.
>
> Dann hast du noch keinen Oszillator gebaut :-)
>
> Generell ist es nichts ungewöhnliches, dass die Schwingbedingung auf
> mehr als nur einer Frequenz erfüllt ist, das kann - muss aber nicht -
> zusätzlich vom Arbeitspunkt abhängig sein.

Nun ja, dass ein Oszillator allgemein auch auf harmonischen Oszillieren 
kann ist nachvollziehbar, wenn da auch das Phasenkriterium erfüllt wird. 
Allerdings sprechen wir hier über einen Frequenzunterschied von drei 
Größenordnungen. Das finde ich aus einfachen Betrachtungen heraus schon 
ungewöhnlich.

> Dafür braucht man keine Kette mit vielen Transistoren, sondern kann das
> bereits mit einem einzigen schaffen. Je höher die Grenzfrequenz des
> verwendeten Transistors, desto kritischer.

Ja, allerdings geht es hier um einen Ringoszillator :)

von Tim  . (cpldcpu)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Andreas S. schrieb:
> An Deiner Stelle wäre ich mir nicht einmal so sicher, dass es sich nur
> um zwei stabile Schwingungsmodi handelt, sondern jeder dieser Modi
> könnte sich auch nochmal in mehrere weitere aufteilen. Daher wäre es
> sehr interessant, sich das ganze zeitlich hochaufgelöst anzuschauen und
> dabei im Zeitbereich Korrelationen sowie im Frequenzbereich das Spektrum
> zu studieren.
>
> Womöglich findet man sogar Ähnlichkeiten zum Verhalten der Logistischen
> Gleichung bzw. dem daraus resultierenden Bifurkationsdiagramm:
>
> https://de.wikipedia.org/wiki/Logistische_Gleichung
>
> https://www.youtube.com/watch?v=ovJcsL7vyrk

Das ist eine Interessante Idee. Ich hatte auch schon an nichtlineare 
Oszillatoren gedacht. Die Frage wäre natürlich, welcher Parameter hier 
die Bifurkation bewirkt. Immerhin habe ich zwei Datenpunkte: Mit einem 
schnellen Transistor gibt es keine Bifurkation, mit einem normalen 
Schalttransistor zwei Zustände.

von A-Freak (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Spekulatius:
Bei der hohen Frequenz sind die Transistoren ehr dem Kleinsignalbetrieb 
nahe, bei der niedrigen Frequenz gehen die in die Sättigung so daß eine 
Sperrerholzeit dazu kommt

von Bernhard S. (gmb)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tim  . schrieb:
> Allerdings sprechen wir hier über einen Frequenzunterschied von drei
> Größenordnungen. Das finde ich aus einfachen Betrachtungen heraus schon
> ungewöhnlich.

Meist hast du L und C und dazu noch mehrere parasitäre L und C, da 
können sich schon etliche sehr verschiedene Resonanzen bilden. In deiner 
verlinkten Schaltung sind jetzt keine LC Resonatoren, aber du hast bei 
Transistoren eine Stromverstärkung die zu tiefen Frequenzen ansteigt und 
damit tieffrequente Resonanzen wahrscheinlicher macht.

Tim  . schrieb:
> Ja, allerdings geht es hier um einen Ringoszillator :)

Umso schlimmer, mit jedem zusätzlichen Transistor bekommst du mehr 
Möglichkeiten für irgendwelche Resonanzen.

von Lurchi (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
A-Freak schrieb:
> Spekulatius:
> Bei der hohen Frequenz sind die Transistoren ehr dem Kleinsignalbetrieb
> nahe, bei der niedrigen Frequenz gehen die in die Sättigung so daß eine
> Sperrerholzeit dazu kommt

Das klingt sehr plausibel und passt auch dazu dass bei hoher Versorgung 
die Frequenz unten ist. Eine instabile Amplitude kommt bei einem nicht 
so gelungenen Oszillator schon mal vor.

von Bastler (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Funktionieren solche Ringoszillatoren auch mit 3 Transistoren?

von Günter Lenz (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hier ist mal ein Beispiel eines Ringoszillators
mit Transistoren:

https://images.gutefrage.net/media/fragen/bilder/weiss-jemand-wie-man-bei-dieser-schaltung-die-leds-in-einer-reihenfolge-blinken-laesst/0_big.png?v=1582666469000

Funktioniert auch mit drei Stufen oder mit beliebig
vielen Stufen. Die LEDs gehen nacheinander kurz mal
aus. Wenn die Kette durch ist gehts wieder von Vorne
los.

von Abdul K. (ehydra) Benutzerseite


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Eventuell funktionieren die Dioden parasitär als parametrischer 
Verstärker. Irgendwelche Filterelemente einzubauen, wäre sicherlich eine 
gute Idee.

von Tim  . (cpldcpu)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ich habe das Verhalten jetzt mit Spice nachvollziehen können. 
Ergänzungen hier:

https://hackaday.io/project/170697-evaluating-transistors-for-bipolar-logic-rtl/log/179154-using-a-led-as-base-resistor-metastable-ring-oscillator

A-Freak schrieb:
> Spekulatius:
> Bei der hohen Frequenz sind die Transistoren ehr dem Kleinsignalbetrieb
> nahe, bei der niedrigen Frequenz gehen die in die Sättigung so daß eine
> Sperrerholzeit dazu kommt

Es scheint in der Tat so zu sein, dass im langsamen Mode die 
Schaltgeschwindigkeit durch die Basis-Sättigung begrenzt ist. Im 
schnellen Modus gibt es allerdings auch saturation-switching, welches 
durch negativen overdrive beschleunigt wird.

Andreas S. schrieb:
> Womöglich findet man sogar Ähnlichkeiten zum Verhalten der Logistischen
> Gleichung bzw. dem daraus resultierenden Bifurkationsdiagramm:
>
> https://de.wikipedia.org/wiki/Logistische_Gleichung
>
> Youtube-Video "This equation will change how you see the world (the
> logistic map)"

Die Simulation zeigt einen Bereich der Instabilität nahe des Übergangs. 
Das könnte tatsächlich auf chaotisches Verhalten hindeuten. Die Frage 
ist nur, wie man dieses "stabilisiert".

von Tim  . (cpldcpu)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Bastler schrieb:
> Funktionieren solche Ringoszillatoren auch mit 3 Transistoren?

Ja, man benötigt eine ungerade Zahl an invertern. Drei sind das Minimum.

https://de.wikipedia.org/wiki/Ringoszillator

von Tim  . (cpldcpu)


Angehängte Dateien:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Ich habe jetzt einmal die Trajektorien im instabilen Bereich 
aufgenommen:

https://hackaday.io/project/170697-evaluating-transistors-for-bipolar-logic-rtl/log/179154-using-a-led-as-base-resistor-chaotic-ring-oscillator

Das Ergebnis ist ziemlich faszinierend - es scheint sich tatsächlich um 
einen chaotischen Oszillator zu handeln und nicht einfach um 
überlagertes Rauschen.

: Bearbeitet durch User

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.