Технические разделы

Делитель частоты

Часто в преобразовательных или измерительных устройствах необходимо понижение частоты в несколько раз. Для этой задачи и необходим делитель частоты. Наиболее часто для этого используют счетчики, хотя можно разделить частоту с помощью ждущего мультивибратора, ограничив число проходящих на выход импульсов.

В настоящее время делители частоты получили очень широкое распространение в самых разнообразных видах радиоэлектронной аппаратуры.

Синтезаторы частоты, кварцевые и атомные часы, телевизионные устройства синхронизации генераторов развёрток, частотомеры и др.- вот далеко не полный перечень областей применения делителей частоты.

Появление первых разработок делителей частоты относится к 20-м годам XX века.

В электронике и электротехнике делитель частоты- это электронное устройство, уменьшающее в целое число раз частоту подводимых к нему периодических колебаний.

Гигантское количество логических элементов, необходимое для построения современной вычислительной машины, привели к необходимости миниатюризации элементной базы. Так возникла микроэлектроника, технологические возможности которой позволяют на сегодняшнем уровне ее развития размещать на одном кристалле полупроводника сотни и более активных и пассивных радиоэлементов. Появление логических интегральных микросхем, первоначально предназначенных для создания вычислительных машин, отразилось на принципах конструирования других видов электронной аппаратуры: радио и проводной связи, радиолокации, измерительной техники и т. п.

Делители частоты необходимы для понижения частоты в несколько раз.

Можно сказать, что делитель частоты - это электронное устройство, реализующее функцию:

(1)

цифровой делитель частота

где Твх и fвх - частота и период входного сигнала;

fвых - частота выходного сигнала делителя;

Кд - коэффициент деления.

Цифровой делитель частоты - это счётное устройство, формирующее на выходе импульсную последовательность с частотой в Кд раз меньшей, чем частота следования входных импульсов. Под импульсом будем понимать высокий уровень логической 1, а под паузой низкий уровень логического 0. В качестве параметра обычно выбирают не ток, а напряжение, уровень которого может быть высоким или низким. Для построения счётного устройства, работающего в двоичной, десятичной и других системах счисления, применяются двоичные (бинарные) элементы, количество которых определяется числом разрядов коэффициента деления, выраженного в двоичной системе счисления.[1]

Известно, что значения напряжений, соответствующих высоким и низким уровням, могут колебаться в некотором диапазоне. Например, для ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) напряжение +5В проходит с падением напряжения на двух диодах по отношению к земле до 1,3В. В то время как КМОП (комплементарные МОП-структуры) имеют более широкий диапазон: от +2 до +15 В. Такие широкие диапазоны выбраны для того, чтобы изготовитель микросхем имел в своём распоряжении определённый допуск, в пределах которого параметры схемы могли бы колебаться за счёт изменения температуры, нагрузки, напряжения питания, а также под воздействием шумов. Схема, получив сигнал, определяет его уровень (высокий или низкий) и действует соответствующим образом. Если помеха не превращает 1 в 0 или наоборот, то всё хорошо, и любые помехи отсеиваются на каждой ступени, поскольку на выходе схемы восстанавливаются «чистые» значения 1 и 0. Цифровая электроника в этом смысле не подвержена влиянию помех и является идеальной.

Основной параметр - коэффициент деления частоты N, определяемый как отношение частоты входного сигнала к частоте выходного:

(2)

Коэффициент деления N может иметь постоянное или переменное значение.

Делители частоты считают входные импульсы до некоторого задаваемого коэффициентом счёта деления, а затем формируют сигнал переключения триггеров на нулевое состояние, вновь начинают счёт входных импульсов до задаваемого коэффициента счёта и т. д.

Особенностью делителя является то, что он имеет один вход.

В разнообразии схем делителей частоты можно выделить два основных класса схем, отвечающих двум различным принципам построения данного вида устройств.

Первый класс включает в себя схемы с некоторой колебательной системой, собственная частота которой близка к выходной. Таким образом, искаженное колебание уже как бы «заготовлено» заранее. В таких приборах возбуждаются колебания с частотой , которая становится в точности равной под действием поступающих на вход колебаний с частотой . Недостатком этих умножителей частоты является сравнительно узкая полоса значений , при которых возможна синхронизация. Характерной чертой этих устройств является наличие обратной связи, при помощи которой сравниваются два колебания. Примерами схем со сравнением являются «регенеративные» делители.

Второй класс включает в себя схемы с «прямым» искажением входных колебаний, приводящим к появлению гармоник или субгармоник входной частоты, причем это искажение осуществляется без изменения свойств колебательной системы (например, частоты настройки). Примерами искажающих схем являются делитель частоты на триггере, делитель частоты на диодах с накоплением заряда.[1]

Рассмотрим подробнее каждый класс схем делителей частоты.

Примером схем со сравнением является «регенеративный» делитель, структурная схема которого показана на рисунке 1. Рассматриваемое ниже устройство было предложено еще в 20-х гг. специалистом Нортоном.

Рисунок 1 - Структурная схема «регенеративного» делителя частоты

Схема содержит одноактный смеситель, собранный на транзисторе, и активный умножитель, также использующий один транзистор. Отличительной особенностью подобных схем по сравнению со схемами, содержащими смесители, собранными по сложной схеме, является большая склонность к самовозбуждению. Объясняется это тем, что цепь обратной связи в схемах с однотактными смесителями не «размыкается» в отсутствие внешней ЭДС делителя. Классическая ламповая схема представлена на рисунке 2, а один из ее транзисторных аналогов - на рисунке 3.

Рисунок 2 - Принципиальная схема «регенеративного» делителя частоты на лампах

Рисунок 3 - Принципиальная схема «регенеративного» делителя частоты на транзисторах

Лампа или транзистор образует колебание комбинационной частоты и соответствует смесителю на рис.1(преобразователь частоты). Умножитель частоты в (n-1) раз содержит лампу или транзистор . В схеме рис.2 умножитель обычно работает с сеточными токами. Зависимость его коэффициента передачи от входной амплитуды показана на рисунке 4.

Рисунок 4 - График зависимости коэффициента К2 от входной амплитуды

Что касается лампового смесителя, то его входное сопротивление обычно весьма велико. Амплитуда выходного колебания смесителя нелинейно зависит от амплитуд обоих колебаний на входе. При не слишком больших напряжениях, развиваемых умножителем, коэффициент передачи смесителя на электронной лампе показан на рисунке 5,кривая а.

Одной из важных особенностей транзисторной схемы является малое входное сопротивление обоих каскадов, чем объясняется часто применяемое неполное непосредственное подключение транзисторов к контурам или использование сильно понижающих трансформаторов - в направлении «контур» - «вход транзистора».

В настоящее время ламповые «регенеративные» схемы практически не используются. Тем не менее, они являются удобным объектом первоначального исследования по двум причинам. Во-первых, основной механизм явлений выявляется в них весьма наглядно, не осложненный такими фактами, как, например, нелинейности емкостей и низкие входные сопротивления транзисторов. Во-вторых, строгое исследование транзисторных делителей в настоящее время не может быть проведено из-за отсутствия адекватной теории транзистора-умножителя частоты и транзистора-делителя при высоких частотах. Однако недостатком схем «регенеративных» делителей на лампах или транзисторах является их сложность, а также длительные расчеты на этапе их проектирования.

Примером искажающих схем делителей частоты является делитель на триггере. Структурная схема такого устройства показана на рисунке 6.

Рисунок 6 - Структурная схема делителя частоты с искажением

Искажающее устройство управляется блоком памяти, запоминающим число периодов. В простейшем случае блок «пропускает» на выход каждый

n-й период колебания и не «пропускает» всех остальных. Наибольшее распространение такие делители нашли при делении частоты следования импульсных колебаний.

Для построения делителей частоты с требуемым коэффициентом деления используется комбинация соответствующего числа двоичных разрядов с нужным числом прямых, обратных прямых связей (рисунок 7). Прямой называют такую связь, которая осуществляется между выходом разряда с номером i-1 и одним из входов разряда с номером большего i-го. Обратными называют такие связи, которые осуществляются от последующих к предыдущим разрядам.

Рисунок 7 - Схема осуществления связей между разрядами

В зависимости от способа запуска двоичных разрядов различают асинхронные, синхронные и комбинированные делители частоты. В асинхронных делителях первый разряд переключается входной импульсной последовательностью, а все последующие разряды переключаются от предыдущих. В синхронных делителях входная импульсная последовательность поступает на все разряды одновременно. Комбинированные делители частоты представляют собой совокупность асинхронных и синхронных делителей.

Основными характеристиками делителей являются коэффициент деления, быстродействие делителя, потребляемая мощность. Быстродействие делителя характеризуется максимальной частотой следования импульсов на входе делителя, при которой сохраняется его работоспособность, и зависит от быстродействия используемых триггеров и способа их соединения и запуска. Потребляемая мощность делителя характеризует его экономичность и определяется потребляемой мощностью используемых элементов и их количеством. Схема такого делителя показана на рисунке 8.

Рисунок 8 - Принципиальная схема делителя частоты с коэффициентом 16, на триггерах

Элемент DD1 представляет собой микросхему-делитель частоты, содержащую один или несколько триггеров. Данная схема выгодно отличается от предыдущих схем на транзисторах и лампах значительной простотой и ненадобностью длительных расчетов.

В настоящее время микросхемы находят все большее применение, благодаря их небольшим габаритам и массе, малому энергопотреблению, высокой надежности и технологичности.

Потребляемая мощность (Р) делителя характеризует его экономичность и определяется потребляемой мощностью используемых элементов и их количеством. При проектировании делителей частоты необходимо учитывать, что триггеры с меньшим быстродействием потребляют меньшую мощность и в тех случаях, когда это, возможно, следует использовать триггеры с меньшим быстродействием.

Еще статьи по технике и технологиям

Синтез систем автоматизированного управления
Автоматическое управление в технике, совокупность действий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления. Автоматическ ...

Исследование законов регулирования и расчет параметров настройки линейных автоматических регуляторов
регулятор автоматический фазовый Уравнение объекта регулирования Уравнение объекта при воздействии регулятора Уравнение кривой разгона объекта регулирования Вариа ...

© 2018 | www.techexpose.ru