Делители частоты импульсной последовательности.
Делитель частоты — устройство, которое при подаче на его вход периодической импульсной последовательности формирует на выходе такую же последовательность, но имеющую частоту повторения импульсов, в определенное число раз меньшую, чем частота повторения импульсов входной последовательности.
Отличие делителей частоты от счетчиков состоит в следующем. В счетчике каждая комбинация состояний триггеров определяет в некоторой системе счисления число импульсов, поступивших к данному моменту времени. В делителе частоты последовательность состояний может быть выбрана произвольной, важно лишь обеспечить заданный период цикла N. Последовательность состояний выбирается из соображений обеспечения при заданном N наибольшей простоты межтриггерных связей. Эти связи должны выполняться непосредственным соединением выходов одних триггеров со входами других без использования логических элементов. Счетчик, имеющий то же значение N, может выполнять роль делителя частоты, однако следует иметь в виду, что такое решение будет неэкономичным.
Рассмотрим схемы делителей частоты с различными коэффициентами деления N.
Делитель частоты с коэффициентом деления N = 2. Схема делителя приведена на рис. 8.54,а. В моменты отрицательного фронта входных импульсов триггер переключается в новое состояние. Как видно из временной диаграммы на рис. 8.54,а, период импульсной последовательности Твых на выходе триггера оказывается вдвое больше периода Твх следования импульсов на входе. Следовательно, fвых = 1/Tвых = 1/(2Tвх) = fвx/2, т. е. частота следования импульсов на выходе в 2 раза ниже, чем на входе.
Делители частоты с коэффициентом деления N = 2 n . На рис. 8.42,а показано последовательное соединение делителей частоты с коэффициентом деления, равным двум, при котором выход каждого из делителей подключен к входу следующего. На выходе каждого делителя частота следования импульсов вдвое ниже, чем на входе. Так, если частота следования импульсов на входе первого делителя fвх, то на выходе первого делителя она равна fвых1 = fвх/2, на выходе второго fвых2 = fвых1/2 = fвх/2 2 , на выходе третьего делителя fвых3 = fвых2/2 = fвх/2 3 и т. д. При n каскадах подобного деления частота выходной последовательности окажется равной fвых = fвх/2 n , т. е. будет осуществляться деление частоты в N = 2 n раз.
NGSPICE.js — счетчики и делители частоты
Продолжаем осваивать NGSPICE в целом и цифровую схемотехнику в частности.
В цифровой схемотехнике понятия «счетчик импульсов» и «делитель частоты» тесно связаны. Под делителем частоты понимается устройство, которое принимает входной сигнал с заданной частотой и генерирует выходной сигнал, частота которого меньше входной в n раз. На каждые n импульсов на входе формируется один импульс на выходе. Простейший двоичный счётчик может быть построен на основе T-триггера, который является модифицированным двухступенчатым D-триггером с обратной связью. Такой триггер делит частоту поступающих на вход импульсов на два по модулю. Один триггер считает до двух, два соединенных последовательно до четырех, n до 2^n импульсов. Результат счета формируется в двоичном коде, где каждый разряд храниться в памяти соответствующего триггера. Двоичный код при необходимости может быть считан и преобразован другим узлами — например двоично-десятичным дешифратором.
В следующих схемах для симуляции использовались SPICE модели логических вентилей И-НЕ | ИЛИ-НЕ. SPICE модель двухступенчатого D-триггера выделена как подсхема из предыдущего материала (плюс-минус парочка резисторов для красивой симуляции) по аналогии с вентилями.
На принципиальной схеме при условном графическом обозначении (УГО) триггера треугольничек указывает на то, что тот переключается по фронту импульса и в данном конкретном случае это передний фронт. Если же к треугольнику дорисовать кружочек как на инверсном выходе Q, то переключение триггера происходит по заднему фронту. Двухступенчатый D-триггер, у которого инверсный выход замкнут на собственный вход для данных Data, называется T-триггером. Такой триггер называют счетным триггером, он имеет только один вход (без учёта аппаратного сброса) и делит количество входных импульсов на два т.к. переключается только по одному из двух фронтов.
Главным недостатком у асинхронных счётчиков является то, что каждый T-триггер переключаются последовательно, ожидая соседа, т.е. в различные моменты времени с задержкой по мере распространения цифрового сигнала — отсюда и название асинхронный. Например чтобы построить цифровой таймер, используя кварц на 32768 Гц (2^15), для получения на выходе счётчика 1 Гц необходимо 15 включённых последовательно T-триггеров, а каждый триггер добавляет свою задержку и как результат переключения на выходе будут запаздывать уже на 15*x по отношению к входному сигналу. Данный недостаток устранён у синхронных счётчиков.
Вентили U3-U6 образуют исключающее «ИЛИ» (XOR) — если логические уровни на входах равны между собой, то на выходе «0», в противном случае «1».
Временная диаграмма выхода OUT4 у синхронного счётчика немного отличается от асинхронного. Входной сигнал Clock поступает на оба триггера в одинаковые моменты времени. По первому переднему фронту Clock на OUT2 и OUT4 логические «0», т.к. до этого был аппаратный сброс. При «0» на всех входах XOR выдаёт «0» и триггер U2 запомнит «0». По второму переднему фронту Clock на OUT2 уже «1», на OUT4 по-прежнему «0» и XOR даст «1», триггер U2 переключается. В итоге частота Clock всё также делится на 4 на выходе U2, но все триггеры переключаются одновременно без нежелательных задержек.
Можно даже смастерить синхронный делитель не кратный двум, например 3. Правда в данном случае на выходе получится не меандр — коэффициент заполнения выходных импульсов не равен 50%.
Цифровые счетчики импульсов являются неотъемлемыми узлами современной электротехники. Они находят широкое применение в микропроцессорах, электронных часах, таймерах, частотомерах, системах с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) и многих других устройствах.
Схемы делителей частоты на микросхеме счетчике CD4040 (К561ИЕ20)
В некоторых схемах бывает нужно получить какую-то определенную частоту от источника более высокой частоты. Это можно сделать делением исходной частоты на некий делитель.
Если этот делитель целое число и не превышает числа 4096, частоту можно разделить при помощи счетчика CD4040 (аналог К561ИЕ20) и диодно-резисторной схемы «Монтажное И».
Микросхема CD4040
На рисунке 1 показана схема счетчика CD4040. Это двоичный счетчик с полным числом 12-ти разрядов. При работе счетчика логические единицы на его выходах появляются по системе двоичного кода, при достижении определенного числа входных импульсов. Максимальным является коэффициент деления, если снимать выходные импульсы с вывода 1, это будет 4096.
Коэффициенты деления присвоенные другим выходам будут равны двухкратному числу, из тех, что возле них подписаны. То есть, если, например, снимать импульсы с вывода 3 (число 16), то коэффициент деления буде 16×2=32.
Рис. 1. Схема счетчика CD4040 (К561ИЕ20).
Таким образом, если ничего не добавлять, и просто снимать импульсы с выходов счетчика, мы можем получить коэффициенты деления 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096.
Но, на практике чаще требуется какой-то определенный коэффициент деления. Например, чтобы от источника частоты 50 Гц получить частоту 1 Гц, нужно сделать деление на 50.
В этом случае можно собрать схему, которая будет обнулять счетчик, каждый раз, как только он насчитает 50 входных импульсов. Пример такой схемы показан на рисунке 2.
Рассмотрим как она работает. Начальной исходной точкой является нулевое состояние счетчика. При этом, на всех его выходах установлены логические нули, и все диоды VD1-VD3 открыты, притягивая обнуляющий вход счетчика «R» к логическому нулю.
Затем пошел счет входных импульсов, и вот что происходит, через каждые два входных импульса появляется единица на выходе «2», через каждые 16 входных импульсов появляется единица на выходе «16», а через каждые 32 импульса появляется единица на выходе «32».
Рис. 2. Схема делителя частоты на 50, собрано на CD4040 (К561ИЕ20).
Чтобы счетчик обнулился нам нужно чтобы все диоды оказались открытыми, тогда напряжение логической единицы поступит на вход «R» счетчика через резистор R1. Но, такое может возникнуть только тогда, когда будут логические единицы на выходах «2», «16» и «32».
А первый раз с момента обнуления счетчика это произойдет при поступлении на вход счетчика числа импульсов, равного 2+16+32=50. Таким образом, счетчик обнулится через 50 импульсов.
И если снимать выходные импульсы с самого старшего из этих выходов, то есть с выхода «32», то частота импульсов на этом выходе будет в 50 раз меньше входной, то есть, если на входе 50 Гц, — на выходе «32» теперь будет 1 Гц.
Схема делителя на 2000
На рисунке 3 показана схема делителя на 2000, для получения частоты 500 Гц от входной частоты 1 МГц.
Рис. 3. Схема делителя частоты на 2000, микросхема CD4040 (К561ИЕ20).
Чтобы правильно и быстро рассчитать точки подключения диодов, можно пользоваться весьма простым способом. Вот, например, здесь нужен коэффициент деления 2000.
Берем число 2000 и ищем на выход счетчика с наиболее близким к нему, но меньшим числом, — это 1024. Делаем вычитание 2000-1024=976. Теперь ищем ближайшее меньшее к 976, это 512. Получается, 976-512=464.
Далее ищем ближайшее меньшее к 464, это 256, получается 464-256=208. Потом ищем ближайшее меньшее к 208, -128. Получается 208-128=80. Теперь ближайшее меньшее к 80, — это 64, получается 80-64=16.
Ну и остается выход 16, теперь 16-16=0. Таким образом, 2000-1024-512-256-128-64-16=0. Значит, для получения коэффициента деления 2000 диоды нужно катодами цеплять к выходам «1024», «512», «256», «128», «64» и «16». Что, собственно, и показано на схеме на рисунке 3.
Схема для получения 160 Гц из 500 кГц
На рисунке 4 показана схема делителя частоты, чтобы из входной частоты 500 кГц получить выходную 160 Гц. Коэффициент деления в данном случае требуется 500000/160 = 3125.
Рис. 4. Схема делителя частоты, чтобы из входной частоты 500 кГц получить выходную 160 Гц.
Соответственно, делаем расчет: 3125-2048-1024-32-16-4-1 =0 Таким образом, катоды диодов цепляем на выходы «2048», «1024», «32», «16», «4» и «1». В результате, на самом старшем из используемых выходов частота будет в 3125 раз меньше входной.
Особенность такого делителя частоты, что форма импульсов на его выходе не симметричная, — отрицательный перепад всегда больше положительного.
Например, на рис. 1 они соотносятся как 32/18. Поэтому, такой способ можно применять только там, где важна именно частота, а не скважность.
Делитель частоты
делитель частоты — Электрическая цепь, частота колебаний на выходе которой в целое или дробное число раз меньше частоты входного сигнала. [ГОСТ 24375 80] делитель частоты [Лугинский Я. Н. и др. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике. 2 е… … Справочник технического переводчика
ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ — устройство для уменьшения в целое число раз частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний. Используется в синтезаторах частот, хронизаторах, кварцевых часах и др … Большой Энциклопедический словарь
делитель частоты — устройство для уменьшения в целое число раз частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний. Используется в синтезаторах частот, хронизаторах, кварцевых часах и др. * * * ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, устройство для… … Энциклопедический словарь
делитель частоты — dažnio dalytuvas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. frequency divider vok. Frequenzteiler, m rus. делитель частоты, m pranc. diviseur de fréquence, m; démultiplicateur de fréquence, m … Automatikos terminų žodynas
делитель частоты — dažnio dalytuvas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Įtaisas, sveikąjį skaičių kartų sumažinantis į jį patenkančių periodinių elektrinių virpesių dažnį. atitikmenys: angl. frequency divider vok. Frequenzteiler, m rus.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
делитель частоты — dažnio dalytuvas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. frequency divider vok. Frequenzteiler, m rus. делитель частоты, m pranc. diviseur de fréquence, m … Fizikos terminų žodynas
делитель частоты импульсов — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN counterdownpulse frequency divider … Справочник технического переводчика
делитель частоты на два — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN frequency halverhalver … Справочник технического переводчика
делитель частоты следования импульсов — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN pulse scaler … Справочник технического переводчика
делитель частоты импульсов — impulsų dažnio dalytuvas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. pulse frequency divider vok. Impulsfrequenzteiler, m rus. делитель частоты импульсов, m pranc. démultiplicateur de fréquence d impulsions, m … Automatikos terminų žodynas