Anstiegs- und Abfallzeit

Anstiegs- und Abfallzeit

Anstiegs- und Abfallzeiten eines Schaltsignales (untere Kurve) und Verzögerungszeiten (delays) zum Steuer- bzw. Eingangssignal (obere Kurve); Aufzeichnung mit einem digitalen Speicheroszilloskop

Unter Anstiegszeit und Abfallzeit (engl. rise time und fall time) versteht man in der Digitaltechnik und der Messtechnik die Zeit, die ein Pegelwechsel eines (idealerweise) rechteckförmigen Signals real benötigt, um seinen Signalpegel zwischen zwei definierten Zwischenwerten (üblich sind 10 % und 90 %) zu ändern.

Die Zeiten werden durch die endliche Grenzfrequenz der beteiligten Schaltelemente und Übertragungswege verursacht.

Digitaltechnik

Anstiegs- und Abfallzeiten beschreiben in der Digitaltechnik und bei Schalttransistoren die beim Umschaltvorgang charakteristischen Zeiten, in denen das Signal nicht mehr den alten und noch nicht den neuen definierten Logikpegel („0“ bzw. „1“) bzw. Schaltzustand innehat. Siehe auch Flankensteilheit.

In der Digitaltechnik werden hierbei meistens die im ungünstigsten Fall (worst case) garantierten Zeiten genannt. Sie beschreiben die Zeit, die ein Signal (beispielsweise in einem Computerprozessor) zum sicheren Umschalten zwischen den beiden binären Zuständen benötigt. Die für ein Bauteil spezifizierten Anstiegs- und Abfallzeiten sind oft keine Messwerte, sondern ein Merkmal des Bausteins bzw. der betrachteten Logikfamilie bei bestimmten Parametern (Betriebsspannung, Temperatur), das durch das Design bzw. den Herstellungsprozess gesichert ist.

Sämtliche Digitaltechnik basiert letztlich auf analog arbeitenden Schaltungselementen, die für die Bearbeitung digitaler Signale optimiert sind. Dabei ist zu beachten, dass man bei den digitalen Signalen „1“ bzw. „0“ zwar „Strom ein“ bzw. „Strom 0“ unterstellt, in der Praxis aber meistens mit Spannungs- und Strompegeln gearbeitet wird, die ungleich dieser Idealwerte sind. Weiterhin ist das Verhalten der Schaltung bei Zustandswechsel meistens unsymmetrisch, weshalb Anstiegs- und Abfallzeit dann unterschiedlich lang sind.

Für ein Logiksignal in einer Schaltung ist es notwendig, Schwellenwerte festzulegen. Für logisch „0“ wird bei TTL beispielsweise ein zulässiger Bereich von 0…0,8 V festgelegt und als logisch „1“ ein Bereich von 2…5 V. Die tatsächliche Schaltschwelle der Logikbausteine (ca. 1,4 V) liegt im „verbotenen Bereich“ zwischen diesen beiden Werten und daher im Bereich der Anstiegs- und Abfallzeit. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, den verbotenen Bereich hinreichend schnell zu durchlaufen, was für viele Logikbausteine wichtig und oft auch mit einer minimal zulässigen Spannungsanstiegs-Geschwindigkeit spezifiziert ist.

Anstiegs- und Abfall-Zeit beschreiben die Zeitintervalle, in denen dieser undefinierte „verbotene“ Zustand während des Umschaltens auftritt. Wichtig ist das insbesondere bei flankengetriggerten Schaltungen, d. h. Schaltungen, die auf die Änderung des Signals reagieren (z. B. flankengetriggertes Flipflop). Andernfalls kann es zu Fehlfunktionen kommen; siehe Race condition.

Um eine Sicherheit gegen Störungen zu erhalten, gelten für die Ausgänge dieser Bausteine härtere Anforderungen als für die Eingänge. Beispielsweise werden für einen Gatterausgang in der klassischen TTL-Technik max. 0,4 V für „0“ und min. 2,4 V für „1“ garantiert.

Sehr kurze Anstiegs- und Abfallzeiten im Signal bedeuten auch, dass im Spektrum des Signals sehr hohe Frequenzanteile vorhanden sind, die zur Aussendung (Abstrahlung) von elektromagnetischen Wellen führen. Durch diese Störsignale können andere Schaltungsteile in ihrer Funktion beeinflusst werden. Um die elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen, werden deshalb die Ausgänge von Digital- und Treiberschaltungen so ausgelegt, dass die Anstiegs- und Abfallzeiten nur so kurz wie unbedingt nötig sind. Dazu wird die Flankensteilheit (slew rate) des Ausgangstreibers begrenzt.

Messtechnik

In der Messtechnik sowie zur Charakterisierung analoger und digitaler Schaltungen werden zur Spezifizierung der Zeiten meistens die Werte von 10 % bzw. 90 % des Schaltpegels bzw. Sollsignales definiert.

Auch Schalttransistoren und andere leistungselektronische Bauteile werden damit charakterisiert.

Analoge Verstärker, Schaltverstärker, Leuchtdioden, Laser, Photodioden und Fototransistoren werden ebenfalls durch Anstiegs- und Abfallzeiten charakterisiert, die sie als Antwort auf eine Sprungfunktion liefern.

Wenn ein exponentieller Verlauf angenommen wird, beträgt die Anstiegs- und Abfallzeit für einen Tiefpass 1. Ordnung oder vergleichbare Systeme jeweils:

$ \begin{align} t_r & = (\ln 0{,}9 - \ln 0{,}1) \cdot \tau \approx 2{,}197 \cdot \tau\\ & = \frac{\ln 0{,}9 - \ln 0{,}1}{2 \pi} \cdot \frac{1}{f_g} \approx 0{,}3497 \cdot \frac{1}{f_g} \end{align} $

mit

  • der Zeitkonstante $ \tau = \frac{1}{2 \pi \, f_g} $
  • der 3-dB-Grenzfrequenz $ f_g $.

Diese Formel wird meist an Filtern erster Ordnung hergeleitet. Bei Systemen höherer Ordnung ist der Fehler recht gering, d. h. z. B. auch bei Tiefpaßfiltern höherer Ordnung kann man die Anstiegszeit relativ genau aus der 3-dB-Grenzfrequenz berechnen; das meist auftretende Überschwingen hat darauf relativ wenig Einfluss.

Sowohl bei Digitalschaltungen als auch bei Verstärkern, Sensoren und Aktoren sind zusätzliche Verzögerungszeiten charakteristisch (engl. delay times, bei Schaltstufen turn-on delay und turn-off delay). Diese vergehen, bis sich nach einem Sprung des Eingangssignals die Ausgangsspannung zu ändern beginnt, d.h. bevor die eigentliche Anstiegs- bzw. Abfallszeit anfängt zu zählen, und hängen ab von weiteren Polen und Nullstellen der Übertragungsfunktion oder auch von nichtlinearen Speichereffekten.

Die gesamte Zeitverzögerung beim Durchlauf durch eine Schaltstufe oder einen anderen Vierpol ergibt sich somit aus der Verzögerungs- und ca. der halben Anstiegs- bzw. Abfallzeit.

Viele digitale Speicheroszilloskope verfügen in ihrer software über Messfunktionen für die Verzögerungs- sowie für die Anstiegs- und Abfallzeiten.

Siehe auch

  • Halbwertsbreite

Diese Artikel könnten dir auch gefallen



Die letzten News


13.01.2021
Schnellere und stabilere Quantenkommunikation
Einer internationalen Forschungsgruppe ist es gelungen, hochdimensionale Verschränkungen in Systemen aus zwei Photonen herzustellen und zu überprüfen. Damit lässt sich schneller und sicherer kommunizieren, wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen.
12.01.2021
Elektrisch schaltbares Qubit ermöglicht Wechsel zwischen schnellem Rechnen und Speichern
Quantencomputer benötigen zum Rechnen Qubits als elementare Bausteine, die Informationen verarbeiten und speichern.
12.01.2021
ALMA beobachtet, wie eine weit entfernte kollidierende Galaxie erlischt
Galaxien vergehen, wenn sie aufhören, Sterne zu bilden.
11.01.2021
Umgekehrte Fluoreszenz
Entdeckung von Fluoreszenzmolekülen, die unter normalem Tageslicht ultraviolettes Licht aussenden.
11.01.2021
Weyl-Punkten auf der Spur
Ein Material, das leitet und isoliert – gibt es das? Ja, Forschende haben erstmals 2005 sogenannte topologische Isolatoren beschrieben, die im Inneren Stromdurchfluss verhindern, dafür aber an der Oberfläche äußerst leitfähig sind.
11.01.2021
MOONRISE: Schritt für Schritt zur Siedlung aus Mondstaub
Als Bausteine sind sie noch nicht nutzbar – aber die mit dem Laser aufgeschmolzenen Bahnen sind ein erster Schritt zu 3D-gedruckten Gebäuden, Landeplätzen und Straßen aus Mondstaub.
11.01.2021
Konstanz von Naturkonstanten in Raum und Zeit untermauert
Moderne Stringtheorien stellen die Konstanz von Naturkonstanten infrage. Vergleiche von hochgenauen Atomuhren bestätigen das jedoch nicht, obwohl die Ergebnisse früherer Experimente bis zu 20-fach verbessert werden konnten.
08.01.2021
Weder flüssig noch fest
E
08.01.2021
Mit quantenlimitierter Genauigkeit die Auflösungsgrenze überwinden
Wissenschaftlern der Universität Paderborn ist es gelungen, eine neue Methode zur Abstandsmessung für Systeme wie GPS zu entwickeln, deren Ergebnisse so präzise wie nie zuvor sind.
25.12.2020
Wie sich Sterne in nahe gelegenen Galaxien bilden
Wie Sterne genau entstehen, ist nach wie vor eines der grossen Rätsel der Astrophysik.
25.12.2020
Kartierung eines kurzlebigen Atoms
Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden, Russland und den USA unter der Leitung von Wissenschaftern des European XFEL hat Ergebnisse eines Experiments veröffentlicht, das neue Möglichkeiten zur Untersuchung von Übergangszuständen in Atomen und Molekülen eröffnet.
25.12.2020
Skyrmionen – Grundlage für eine vollkommen neue Computerarchitektur?
Skyrmionen sind magnetische Objekte, von denen sich Forscher weltweit versprechen, mit ihnen die neuen Informationseinheiten für die Datenspeicher und Computerarchitektur der Zukunft gefunden zu haben.
25.12.2020
Mysterien in den Wolken: Große Tröpfchen begünstigen die Bildung kleinerer
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) berichten die über ihre neuen Erkenntnisse, wie ausfallende große Regentropfen und Eispartikel das Wachstum von Aerosolen begünstigen können, um neue Kondensationskerne oder Eiskeimteilchen in Wolken zu erzeugen.
25.12.2020
Kollidierende Sterne offenbaren grundlegende Eigenschaften von Materie und Raumzeit
Ein internationales Wissenschaftsteam um den Astrophysikprofessor Tim Dietrich von der Universität Potsdam schaffte den Durchbruch bei der Größenbestimmung eines typischen Neutronensterns und der Messung der Ausdehnung des Universums.
25.12.2020
Endgültige Ergebnisse und Abschied vom GERDA-Experiment
Die Zeit des GERDA-Experiments zum Nachweis des neutrinolosen doppelten Betazerfalls geht zu Ende.
18.12.2020
Galaxienhaufen, gefangen im kosmischen Netz
Mehr als die Hälfte der Materie in unserem Universum entzog sich bislang unserem Blick.
18.12.2020
Zwei planetenähnliche Objekte, die wie Sterne geboren wurden
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Bern hat ein exotisches System entdeckt, das aus zwei jungen planetenähnlichen Objekten besteht, die sich in sehr grosser Entfernung umkreisen.
16.12.2020
Neuen Quantenstrukturen auf der Spur
Der technologische Fortschritt unserer modernen Informationsgesellschaft basiert auf neuartigen Quantenmaterialien.
16.12.2020
Das Protonenrätsel geht in die nächste Runde
Physiker am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben die Quantenmechanik mit Hilfe der Wasserstoffspektroskopie einem neuen bis dato unerreichten Test unterzogen und sind der Lösung des bekannten Rätsels um den Protonenladungsradius damit ein gutes Stück nähergekommen.
03.12.2020
Laborexperimente könnten Rätsel um Mars-Mond Phobos lösen
Was lässt die Oberfläche des Mars-Monds Phobos verwittern? Ergebnisse der TU Wien liefern wichtige Erkenntnisse, bald soll eine Weltraummission Gesteinsproben nehmen.
26.11.2020
Gesund bis zum Mars
Tübinger Wissenschaftlerin untersucht mit internationalem Weltraumforschungsteam die Einflüsse der Raumfahrt auf den menschlichen Körper.
26.11.2020
Stammbaum der Milchstraße
Galaxien wie die Milchstraße sind durch das Verschmelzen von kleineren Vorgängergalaxien entstanden.
26.11.2020
Nanodiamanten vollständig integriert kontrollieren
Physikerinnen und Physikern ist es gelungen, Nanodiamanten vollständig in nanophotonischen Schaltkreisen zu integrieren und gleichzeitig mehrere dieser Nanodiamanten optisch zu adressieren. Die Studie schafft Grundlagen für zukünftige Anwendungen im Bereich der Quantensensorik oder Quanteninformationsverarbeitung.
26.11.2020
Der Sonne ein Stück näher
Der Borexino-Kollaboration, an der auch Wissenschaftler der TU Dresden beteiligt sind, ist es nach über 80 Jahren gelungen, den Bethe-Weizsäcker-Zyklus experimentell zu bestätigen.
22.11.2020
Entfernungen von Sternen
1838 gewann Friedrich Wilhelm Bessel das Wettrennen um die Messung der ersten Entfernung zu einem anderen Stern mit Hilfe der trigonometrischen Parallaxe - und legte damit die erste Entfernungsskala des Universums fest.