Rise time und fall time

Unter Anstiegszeit und Abfallzeit (auch als englische Begriffe (rise time und fall time) gebräuchlich) versteht man in der Messtechnik die Zeit, die ein Pegelwechsel eines idealerweise rechteckförmigen Signals benötigt. Dazu wird die Zeit betrachtet, in der sich der Signalpegel zwischen zwei definierten Schwellen (häufig bei 10 % und 90 %) befindet. Häufige Anwendung finden die Begriffe in der (binären) Digitaltechnik. Dort beschreiben sie beim Umschaltvorgang die Zeiten, in denen das (analoge) Signal nicht mehr den alten und noch nicht den neuen definierten Logikpegel („0“ bzw. „1“) innehat („Flankensteilheit“). Betrachtet werden hierbei meist im Worst Case garantierte Zeiten, so dass sie die Zeit beschreiben, die ein Signal (beispielsweise in einem Computerprozessor) zum sicheren Umschalten zwischen den beiden binären Zuständen benötigt. (Das heißt, die als Maximalgrößen spezifizierten Anstiegs- und Abfallzeiten sind keine Messwerte, sondern ein Qualitätsmerkmal des betrachteten Bausteins bzw. der betrachteten Logikfamilie.)

Digital wird analog

Sämtliche Digitaltechnik basiert letztendlich auf analogen Schaltungen, die für die Bearbeitung digitaler Signale optimiert sind, d. h. dass auch ein digitales Signal ein kontinuierliches Signal ist. Dabei ist zu beachten, dass man zwar landläufig bei den digitalen Signalen „1“ bzw. „0“ auch von „Strom ein“ bzw. „aus“ spricht, in der Praxis aber aus Gründen der Symmetrie meist mit zwei verschiedenen Spannungspegeln gearbeitet wird, die einen Strom entweder in eine oder in die entgegengesetzte Richtung fließen lassen.

Spannungswechsel

Spannung Insbesondere verläuft der Übergang zwischen einer niedrigen und einer höheren Spannung daher kontinuierlich, das heißt in endlicher Zeit und wird auch von vielen verschiedenen Faktoren beeinflusst, die zu Schwankungen führen können. Deshalb ist es für einen Eingang eines Logiksignals in eine Schaltung notwendig, Schwellenwerte festzulegen: Als Schwellenwert für „0“ wird also beispielsweise 0,8 V festgelegt (rot im Diagramm) und als Schwellenwert für "1" 2 V (grün). Das Signal heißt also genau dann "0" wenn es kleiner als der angegbene Schwellenwert für "0" ist, bzw. "1", wenn es größer als der entsprechende Wert für "1" wird. (Die als Beispiele gegebenen Spannungen sind die bei der klassischen TTL-Technik benutzten.) Auch hierbei handelt es sich um garantierte Werte. Die wirkliche Schalt„schwelle“ (meist eigentlich ein Bereich) liegt zwischen diesen beiden Werten. Um eine Sicherheit gegen Störungen zu erhalten, liegen diese Schaltschwellen zwischen den garantierten Ausgangsspannungen. Beispielsweise werden für einen Schaltungsausgang in der klassichen TTL-Technik max. 0,4 V für „0“ und mind. 2,4 V für „1“ garantiert. Da die Spannungskurve beim Umschalten zwischen diesen beiden Spannungen nun aber kontinuierlich verläuft, hat das digitale Signal eine gewisse – normalerweise bekannte – Zeit lang einen undefinierten (und damit "unbrauchbaren") Zustand. Anstiegs- und Abfall-Zeit beschreiben nun die Zeitintervalle, in denen dieser undefinierte Zustand während des Umschaltens auftritt. Dabei wird wieder eine gewisse zeitliche Toleranz berücksichtigt. Digitalschaltungen sind so ausgelegt, dass sie zuverlässig funktionieren, solange die spezifizierten Anstiegs- und Abfallzeiten an ihren Eingängen eingehalten werden. Wichtig ist das insbesondere bei flankengetriggerten Schaltungen, d. h. Schaltungen, die auf die Änderung des Signals reagieren (z. B. flankengetriggertes Flipflop). Um die elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen, werden die Ausgänge von Digitalschaltungen so ausgelegt, dass die Anstiegs- und Abfallzeiten nicht zu klein sind. Dazu wird die slew rate des Ausgangstreibers begrenzt. Zu beachten ist, dass sich unter gewissen ungünstigen Umständen die Dauer des undefinierten Spannungs-Zustandes am Ausgang einer Schaltung verlängern kann, wodurch es zu Fehlfunktionen kommen kann. (Zum Beispiel Verletzung der Setup- bzw. Hold-Zeiten beim Flipflop.) Siehe dazu Race condition.

Zusammenfassung

Beim Umschalten eines digitalen Signals vom Zustand "0" in den Zustand "1" ist letzterer nach dem durch die Anstiegszeit angegebenen Zeitintervall mit Sicherheit erreicht.
Umgekehrt bestimmt die Abfallzeit die Zeitspanne, die vergehen muß, um beim Schalten von "1" auf "0" den "0"-Zustand mit Gewißheit erreicht zu haben.

Definition

Die Anstiegszeit ist jene Zeitspanne, die eine approximierte Sprungfunktion (step function:

sigma(t)

) für den Sprung vom definierten Low-Pegel zum definierten High-Pegel benötigt. Abfallzeit bezeichnet analog die Zeitspanne für den Sprung vom High-Pegel zum Low-Pegel. In der Messtechnik werden (wie oben schon angedeutet) zur Spezifizierung der Zeiten meist die Schwellwerte bei 10 % bzw. 90 % des Maximalwerts der Spannung angesetzt.

Vorkommen in der Praxis