Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik RC-Oszillator mit zwei CD4001B-NOR-Gattern schwingt nicht an


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von Robby K. (elektrofuzzy)


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Ich hatte letzte Woche eine Platine mit einem HCF4001BE auf dem Tisch 
liegen, bei dem zwei NOR-Gatter als RC-Oszillator verschaltet waren, 
siehe Bild. Der Oszillator schwingt einwandfrei.
Ich habe heute die Schaltung auf einem Steckbrett mit einem CD4001BE 
nachgebaut, aber der Oszillator will einfach schwingen! Ersetzt man das 
IC durch einen CD4093 (NAND mit Schmitt-Trigger), dann schwingt der 
Oszillator einwandfrei.
Warum funktioniert das mit HCF-Typen, aber nicht mit CD-Typen?

: Bearbeitet durch User
von Helmut -. (dc3yc)


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Robby K. schrieb:
> Ich habe heute die Schaltung auf einem Steckbrett mit einem CD4001BE
> nachgebaut, aber der Oszillator will einfach schwingen!

Na sei doch froh, dass er schwingt! Du wolltest das doch so. Oder fehlt 
da ein "nicht"? 100nF Last sind für einen CD4000er vielleicht etwas 
viel. Auf jeden Fall ist das auch für einen HCF außerhalb der Spec. Kann 
gehen, muss aber nicht. Liegt vielleicht auch an den Schaltschwellen: 
der CD ohne Schmitttrigger braucht digitale Logikpegel, die er durch's 
RC-Glied nicht bekommt. Der Schmitttrigger kann auch mit Analogsignalen 
am Eingang umgehen.

von Robby K. (elektrofuzzy)


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Helmut -. schrieb:
> der CD ohne Schmitttrigger braucht digitale Logikpegel, die er durch's
> RC-Glied nicht bekommt. Der Schmitttrigger kann auch mit Analogsignalen
> am Eingang umgehen.

So isses! Genau aus diesem Grund nehme ich hier immer ein 4093. Die 
Frage war aber, warum funktioniert das mit einem HCF4001BE, der KEINE 
Schmitt-Trigger hat?

von Helmut K. (hk_book)


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Schau dir mal im guten alten CMOS-Cookbook von Don Lancaster das Kapitel 
"Astable Circuits" an:

https://vtda.org/books/Electronics/Don%20Lancaster/CMOS%20Cookbook%20-%20SAMS%20-%201994.pdf

dort ab Seite 269. Vor allem die "Improved Version 4-15" funktioniert 
eigentlich sehr gut auch ohne Schmitt-Trigger.

: Bearbeitet durch User
von Gerhard O. (gerhard_)


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Robby K. schrieb:
> Ich hatte letzte Woche eine Platine mit einem HCF4001BE auf dem
> Tisch
> liegen, bei dem zwei NOR-Gatter als RC-Oszillator verschaltet waren,
> siehe Bild. Der Oszillator schwingt einwandfrei.
> Ich habe heute die Schaltung auf einem Steckbrett mit einem CD4001BE
> nachgebaut, aber der Oszillator will einfach schwingen! Ersetzt man das
> IC durch einen CD4093 (NAND mit Schmitt-Trigger), dann schwingt der
> Oszillator einwandfrei.
> Warum funktioniert das mit HCF-Typen, aber nicht mit CD-Typen?

Moin,

Mit dem 4093 funktioniert die Schaltung in einer Art "Relaxations Modus" 
wo der Logikzustand von den Schmitt-Trigger Pegeln bestimmt wird und im 
"Umschaltbetrieb" mit saubererem Rechteck funktioniert. Am Eingang ist 
dann eine Dreieckschwingung, die von den Schmitt-Trigger Spannungswerten 
bestimmt wird.

https://www.homemade-circuits.com/cmos-astable-bistable-monostable-circuits-explained/

In der NOR Schaltung wirkt das zweite Gatter mit dem 
Rückkopplungswiderstand aber als linearer Verstärker. Es sollte 
eigentlich schon funktionieren. Frequenz durch RC Zeitkonstante gegeben. 
Ich würde allerdings jeweilig den zweiten Eingang auf Masse legen. 
Vielleicht liegt da der Grund begraben. Hier noch eine App Note dazu:

https://www.ti.com/lit/an/szza043/szza043.pdf?ts=1714948158479

Versuch auch den DC Pegel am Ausgang ohne Koppel-C zu messen. Da müsste 
ziemlich genau VDD/2 anliegen. Wenn nicht, ist etwas faul.

Gerhard

: Bearbeitet durch User
von Robby K. (elektrofuzzy)


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Ja, danke, bekannt... aber die Schaltung lag nun mal so vor mir, und sie 
hat funktioniert!

von Robby K. (elektrofuzzy)


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Ja, danke, aber die Schaltung lag nun mal so vor mir. Und sie hat 
funktioniert, so wie auf dem Bild gemalt!

von Michael B. (laberkopp)


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Robby K. schrieb:
> Warum funktioniert das

Überlege mal:

Denk dir den Kondensator weg.

Das zweite NOR wird durch den 1M5 genau im Umschaltmoment gehalten, es 
wird weder high noch low ausgegeben sondern die Spannung die als 
Eingangsspannung genau diese halbe Ausgangsspannung bewirkt, bei einem 
Verstärkungsfaktor von vermutlich 1 Million.

Der erste NOR bekommt dieselbe Eingangsspannung, aber was wird er 
ausgeben ?

Auf Grund kleiner Unterschiede der Gatter, ist unklar ob er diese 
Spannung genau auf der Schwelle als high, als low oder als 
halbverhungerte Spannung mittendrin ausgibt.

Und damit dürfte auch klar sein, warum die Schaltung mal funktioniert 
und mal nicht, wenn man den Kondensator ergänzt.

Sie funktioniert nur aus Zufall.

Selbst wenn sie anschwingt: angenommen das erste NOR gibt Low aus, der 
Kondensator wurde über die 1M5 gerade so weit (ca. VCC/2) umgeladen dass 
das NOR an die Schaltschwelle kommt, nun schaltet das erste NOR auf high 
und der andere Pol des Kondensators wurde auf high+VCC/2 folgen. Kann er 
aber nicht, weil die Eingangsschutzdioden des zweiten Gatters jede 
Spannung über VCC+0.7V (oder GND-0.7) verhindern.

Der Kondensator wird also ruck-zuck (Ausgangswiderstand des Gatters) von 
VCC/2 auf 0.7V entladen, dann erst kommt das langsame Umladen über den 
1M5. Jede Berechnung der Oszillatorfrequenz geht also in die Hose.

Die Schaltung ist Scheisse.

von Robby K. (elektrofuzzy)


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Helmut K. schrieb:
> "Improved Version 4-15"

So, jetzt mit Zitat...
Ja, danke, das mit dem zusätzlichen Widerstand ist mir bekannt, ist hier 
aber nicht realisiert worden. Trotzdem hat die Schaltung einwandfrei 
funktioniert!

von Robby K. (elektrofuzzy)


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Michael B. schrieb:
> Die Schaltung ist Scheisse.

Korrekt! Ich würde das so nicht aufbauen, denn ohne eindeutige Schwellen 
mag das bei hohen Frequenzen mit einem Quarz funktionieren, aber wohl 
schlecht mit einem RC-Glied...? Das war genau der Grund warum ich das 
mal auf meinem Steckbrett nachvollziehen wollte.

von Robby K. (elektrofuzzy)


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Michael B. schrieb:
> Auf Grund kleiner Unterschiede der Gatter, ist unklar ob er diese
> Spannung genau auf der Schwelle als high, als low oder als
> halbverhungerte Spannung mittendrin ausgibt.
> Sie funktioniert nur aus Zufall.

Ich wollte dem Zufall auf die Sprünge helfen und habe auf dem Steckbrett 
das CD4001 gegen ein CD4011 getauscht, aber auch hier kein Anschwingen. 
Die Platine gibt es als Bausatz oder als Fertigteil zu kaufen. Ich kann 
mir einfach nicht vorstellen, daß der Entwickler dutzende von ICs 
ausprobiert und dann nur die „guten“ in die Tüten verpackt?!

von Georg M. (g_m)


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von Peter D. (peda)


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Deutlich stabiler ist die Schaltung mit 3 Invertern.
Nach den ersten beiden erfolgt die Mitkopplung über den Kondensator und 
erst dann dreht der 3. die Phase für den Umladewiderstand. Und an den 
Eingang gehört noch ein Widerstand zur Strombegrenzung durch die 
internen Schutzdioden.

Siehe Osc_1.png
Beitrag "Inverter-Oszillator: Der eine schwingt, der andere nicht"

von Robby K. (elektrofuzzy)


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Georg M. schrieb:
> https://i.stack.imgur.com/dGOci.jpg

> Das ist die "Improved Version 4-15" von Helmut K.

von Robby K. (elektrofuzzy)


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Peter D. schrieb:
> Deutlich stabiler ist die Schaltung mit 3 Invertern.

Ja, sieht interessant aus, aber die ursprüngliche Frage war ja, warum 
die „Schrott-Schaltung“ (siehe Bild) offensichtlich funktioniert, mein 
„Nachbau“ aber nicht?

von Peter D. (peda)


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Robby K. schrieb:
> mein
> „Nachbau“ aber nicht?

IC1B geht in den Analogbetrieb, so daß sich etwa VCC/2 einstellt und 
IC1A nicht kippen kann.
Es gibt aber Gatter, die haben ein Schmitt-Trigger Verhalten, obwohl es 
nicht explizit im Datenblatt steht.

Hier zahlt sich übertriebene Sparsamkeit nicht aus und man nimmt besser 
3 Inverter.

: Bearbeitet durch User
von Robby K. (elektrofuzzy)


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Peter D. schrieb:
> Es gibt aber Gatter, die haben ein Schmitt-Trigger Verhalten, obwohl es
> nicht explizit im Datenblatt steht.

Welche sind das? Beispiel?

von H. H. (hhinz)


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Robby K. schrieb:
> Steckbrett

Tonne.

von Clemens L. (c_l)


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Robby K. schrieb:
> Peter D. schrieb:
>> Es gibt aber Gatter, die haben ein Schmitt-Trigger Verhalten, obwohl es
>> nicht explizit im Datenblatt steht.
>
> Welche sind das? Beispiel?

SN74HC und CD74HC haben neuerdings (seit TI auf 300-mm-Dies umgestellt 
hat) ein bisschen Hysterese. Und modernere Logikfamilien (AHC, LV, LVC, 
AUP, AUC) hatten das immer schon.

Mir ist das aber nicht bei CD4000 bekannt.

von Robby K. (elektrofuzzy)


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Clemens L. schrieb:
> SN74HC und CD74HC haben neuerdings (seit TI auf 300-mm-Dies umgestellt
> hat) ein bisschen Hysterese. Und modernere Logikfamilien (AHC, LV, LVC,
> AUP, AUC) hatten das immer schon.

Ja, Hysterese ist das Zauberwort. Haben die HCF-Typen so etwas?

von Enrico E. (pussy_brauser)


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Clemens L. schrieb:
> Mir ist das aber nicht bei CD4000 bekannt.

Der bekannteste ist der CD4093. Es gibt aber auch noch den CD40106 und 
den CD4584 (CD4584 nicht mehr als THT lieferbar).

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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http://www.bitsavers.org/components/national/_dataBooks/1981_Natonal_CMOS_Databook.pdf#page=813

Application note AN118 von National Semiconductor "CMOS Oscillators"
Hier natürlich mit deren CMOS-Familie 74Cxx.
Fig.5 die 2-Gatter-Version "less than perfect oscillator"

http://www.bitsavers.org/components/rca/_dataBooks/1980_RCA_COS_MOS_Integrated_Circuits.pdf#page=632

eine ähnliche Appnote ICAN-6466 von RCA
"Astable and Monostable Oscillators Using RCA COS/MOS Digital Integrated 
Circuits"
In Fig.1 sieht man wie es ordentlicher geht, der Ausgang des 2.Gatters 
nur über einen Kondensator zurückgeführt und das erste Gatter mit zwei 
Widerständen linearisiert.

: Bearbeitet durch User
von Robert M. (r0bm)


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Robby K. schrieb:
> Ja, danke, aber die Schaltung lag nun mal so vor mir. Und sie hat
> funktioniert, so wie auf dem Bild gemalt!

Mal abgesehen davon, dass das die ungünstigste Variante eines 
Kippschwingers ist, 120Hz mit 1.5M und 100nF? Das ist zu bezweifeln. Für 
sehr kleine Frequenzen wären, wegen der dann sehr langsamen 
Spannungsänderung, Inverter mit Schmitt-Trigger Eingang das Mittel der 
Wahl.

von Robby K. (elektrofuzzy)


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Robert M. schrieb:
> Für
> sehr kleine Frequenzen wären, wegen der dann sehr langsamen
> Spannungsänderung, Inverter mit Schmitt-Trigger Eingang das Mittel der
> Wahl.

Ganz meine Rede, siehe weiter oben...
Ich würde das nur mit Gattern mit Schmitt-Trigger aufbauen (4093), aber 
der Entwickler hat die anderen beiden Gatter (IC1C und IC1D) für andere 
Dinge gebraucht und wollte sich wohl ein weiters IC sparen?

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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Die Gatterreihenfolge ist oben vertauscht. Der Ausgang sollte laut 
beiden Appnotes am "digitalen" Gatter IC1A sein, nicht am mit 1,5M 
linearisierten IC1B.

Auch im CD4060 sind zwei Gatter hintereinander, die üblicherweise als 
Oszillator benutzt werden:
http://www.bitsavers.org/components/rca/_dataBooks/1980_RCA_COS_MOS_Integrated_Circuits.pdf#page=213
in Fig. 12 "Typical RC circuit", man sieht aber einen zusätzlichen 
Schmitt-Trigger am Ausgang.

von Robby K. (elektrofuzzy)


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Robby K. schrieb:
> Ja, Hysterese ist das Zauberwort. Haben die HCF-Typen so etwas?

Nochmals zur Zusammenfassung:
Diese Schaltung ist keine Entwicklung von mir. Ich hätte den Oszillator 
mit einem 4093 realisiert, aber es ist wie es ist. Der Entwickler hatte 
wohl noch 2 NOR-Gatter „übrig“ und wollte für den Oszillator kein extra 
Chip verbauen?

Wie auch immer, normalerweise gibt der Präfix nur den Hersteller an:
HEF4xxx = Philips
CD = 4xxx National (Fairchild) oder Harris
HCF4xxx = SGS Thomson
MC14xxx = Motorola bzw. ON Semiconductor

Aber, ich denke der „kleine Unterschied“ (ob der Oszillator schwingt 
oder nicht) liegt im „IC-Präfix“ und somit an der Technologie? Oder 
anders ausgedrückt:
Die CD4xxx sind aus einer anderen Familie als die HCF4xxx?

Die (selbsterklärenden) Grafiken von Texas Instruments (mit und ohne 
Hysterese) konnte ich dem Internet entnehmen...

: Bearbeitet durch User
von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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So wie es im Datenblatt des CD4060 gezeichnet ist kenne ich die 
Schaltung. In Fig. 12: das linke Gatter ist über zwei Widerstände 
gegengekoppelt und das rechte arbeitet normal, sein Ausgang ist über den 
Kondensator auf den Eingang des ersten Gatters rückgekoppelt.
Unten die Empfehlung für die beiden Widerstände, RS = 2...10* RX
Größenordnung 100k und 10k, die 1,5M sind schon recht hoch.

Es gab damals viele Gatter von RCA in zwei Ausführungen, gebuffert und 
ungebuffert "UB". Die UB waren etwas schneller, und ließen sich 
vermutlich besser linearisieren.

von H. H. (hhinz)


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Christoph db1uq K. schrieb:
> Es gab damals viele Gatter von RCA in zwei Ausführungen, gebuffert und
> ungebuffert "UB".

Nicht nur von RCA.


> Die UB waren etwas schneller, und ließen sich
> vermutlich besser linearisieren.

So ist es.

von H. H. (hhinz)


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Und mindestens TI und Onsemi stellen den 4001UB noch her.

von Robby K. (elektrofuzzy)


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Robby K. schrieb:
> Peter D. schrieb:
>> Es gibt aber Gatter, die haben ein Schmitt-Trigger Verhalten, obwohl es
>> nicht explizit im Datenblatt steht.

Allgemeine Dinge wie eine Hysterese (welche die ganze Logik-Familie 
betrifft) müssen nicht explizit in jedem Datenblatt wiederholt werden. 
Das würde nur unnötig Papier erzeugen. Dafür gibt es die 
Logik-Familien-„Übersicht“. Nur, leider habe ich für die HCF-Typen (die 
von STMicroelectronics bzw. SGS Thomson hergestellt werden) bisher kaum 
etwas gefunden. Vielleicht weiß jemand mehr?

von H. H. (hhinz)


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Robby K. schrieb:
> Nur, leider habe ich für die HCF-Typen (die
> von STMicroelectronics bzw. SGS Thomson hergestellt werden) bisher kaum
> etwas gefunden. Vielleicht weiß jemand mehr?

http://bitsavers.informatik.uni-stuttgart.de/components/sgs/_dataBooks/1991_SGS-THOMSON_COS-MOS_B-Series_Devices_Databook_1st_Ed.pdf

Auszug anbei.

von Robby K. (elektrofuzzy)


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H. H. schrieb:
> Auszug anbei.

Danke für das PDF. Tja, die Zeiten der Bücher sind schon lange vorbei. 
Habe im PDF leider nichts gefunden, das auf eine eingebaute 
„Grundhysterese“ der Eingänge hindeuten würde...
Die HCS-Typen von TEXAS haben das, die CD-Typen und HCF-Typen wohl 
nicht?

: Bearbeitet durch User
von Axel S. (a-za-z0-9)


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Ich weiß nicht, warum du dich so auf die Hysterese versteifst. Die 
Schaltung benötigt keine. Im Gegenteil. Ich habe die Schaltung auch mit 
TTL-Gattern aufgebaut und sie funktionierte. Die haben auch keine 
Hysterese.

Etwas gravierender ist der fehlende Widerstand zwischen dem Eingang des 
Gatters und dem Kondensator. Dadurch werden die Eingangsschutzdioden 
beim Umschalten des Kondensators heftig belastet. Es kann sogar zum 
Latchup kommen (je nach Betriebsspannung). Immerhin steht da ca. die 
1.5-fache Betriebsspannung respektive die 0.5-fache negative 
Betriebsspannung an (Annahme: das Gatter schaltet bei 50% 
Betriebsspannung um). Jetzt wird der Strom nur durch den 
Ausgangswiderstand des anderen Gatters begrenzt.

Der Grund, warum man das wenn möglich mit ungepufferten Typen baut, ist 
daß die a) weniger Verzögerung haben und b) deren Stromaufnahme im 
linearen Betrieb niedriger ist. Punkt a) ist aber 120Hz egal.

von Peter D. (peda)


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Es ist eine einfache Kausalkette. Wird der Entladewiderstand direkt auf 
den Eingang des selben Gatters rückgeführt, kann dieses in den 
Analogbetrieb gehen und es stellt sich eine Gleichspannung ein. Liegt 
der Entladewiderstand aber hinter der Kondensatormitkopplung, wird 
solange weiter entladen, bis die Mitkopplung umkippt.
Daher schwingt es mit 3 Gattern immer.
Mit 2 Gattern dagegen nur bei Schönwetter.
Und mit Schmitt-Trigger (CD4093, 74HC132) reicht sogar 1 Gatter aus.

Die Schaltung im CD4060 stellt einen Sonderfall dar. Vielleicht sorgt 
das Power-On oder eine Flanke am Reset für den Startimpuls. Es kann 
durchaus sein, daß man sie in den nicht schwingenden Zustand bringen 
kann. Es hat nur noch niemand probiert.

Und im CD4536 wurde die bessere 3 Gatter Schaltung verwendet.

von Robby K. (elektrofuzzy)


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Peter D. schrieb:
> Mit 2 Gattern dagegen nur bei Schönwetter.

Und deswegen sollte eine Hysterese (wie bei HCS-Typen, die den 
verbotenen Bereich „umgeht“) bei 2 Gattern hilfreich sein. Leider ist 
bei den HCF-Typen keine implementiert.

von Manfred P. (pruckelfred)


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Peter D. schrieb:
> Die Schaltung im CD4060 stellt einen Sonderfall dar.

... und ist langjährig bewährt, sogar als PWM-Erzeuger machbar.

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