Делитель частоты

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический  университет»

 

 

 

Институт - Физико-технический

Направление - Ядерные физика и технологии

Кафедра - Физико-энергетические установки

 

 

 

 

 

 

Курсовой  проект по курсу «Электроника»

«Делитель частоты»

 

 

 

 

 

 

 

Студент гр.0192   ____________________  Т.И. Минин

^{(подпись)}

_________________

^(дата)

Руководитель

асс. Кафедры 24    ___________________  А.А. Денисевич

^{(подпись)}

__________________

^(дата)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск – 2011

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

 

Кафедра ЭАФУ

 

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой

С.Н. Ливенцов

" " 2011 г.

ЗАДАНИЕ

на выполнение курсового проекта

 

Студенту гр. 0192 Минину Т.И.

1. Тема курсового проекта: Делитель частоты.
2. Срок сдачи студентом готовой работы: 05.12.11.
3. Исходные данные к работе

 

1. - коэффициент деления - 2;
2. - сопротивление нагрузки не менее 1 кОм;
3. - напряжение нагрузки – 5 В;
4. - гальваническая развязка;
5. - питание от сети 220 В 50Гц.

4 Содержание текстового документа (вопросы, подлежащие разработке)

1. Обзор литературы по теме проекта;
2. Разработка и обоснование функциональной схемы;
3. Разработка полной принципиальной схемы;
4. Выбор элементной базы;
5. Расчет элементов принципиальной схемы.

5 Перечень графического материала

1. Схема электрическая функциональная;
2. Схема электрическая принципиальная.

6 Дата выдачи задания на выполнение курсового проекта: 09.09.11.

 

Руководитель                              ________________________А.А. Денисевич

(подпись)

 

 

Задание принял к исполнению Т.И. Минин

(подпись)

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Курсовой  проект 26 с., 16 рис., 8 табл., 9 источников, 3 прил.

Ключевые  слова: СЧЕТЧИК, ОПТОПАРА, УСИЛИТЕЛЬ, КОЭФФИЦИЕНТ  ДЕЛЕНИЯ, ТРАНСФОРМАТОР, ВЫПРЯМИТЕЛЬ  ТОКА, ФИЛЬТР, СТАБИЛИЗАТОР.

Заданием  является разработка и обоснование  функциональной и принципиальной схемы  устройства, подборка и расчет элементов  принципиальной схемы.

Цель  работы - создать делитель частоты с коэффициентом деления 2, удовлетворяющий требованиям технического задания.

В процессе работы рассмотрен делитель частоты, разработаны  функциональная и принципиальная схемы, произведены расчеты блока питания  и остальных устройств принципиальной схемы.

Результатом работы является делитель частоты с  коэффициентом деления сигнала - 2 и блок питания работающий от сети 220 В.

Курсовой  проект выполнен в текстовом редакторе  Microsoft Word 2010, графическом редакторе Microsoft Office Visio и представлен на листах А4 и А3.

 

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 5

1 Обзор литературы 6

2 Разработка и обоснование функциональной схемы 14

3 Разработка полной принципиальной схемы 16

4 Расчет и выбор элементов принципиальной схемы устройства 19

4.1  Расчет источника питания для счетчика 21

4.2  Расчет источника питания для гальванической развязки и     операционного усилителя 25

4.3  Расчет остальных устройств принципиальной схемы 29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 30

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 31

Приложение  А Схема электрическая функциональная 32

Приложение  Б Схема электрическая принципиальная 33

Приложение  В Перечень элементов 34

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

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.

1 Обзор литературы

 

Делители  частоты необходимы для понижения частоты в несколько раз.

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

                                                                                  (1)

где Т_вх и f_вх – частота и период входного сигнала;

f_вых – частота выходного сигнала делителя;

К_д – коэффициент деления.

Цифровой  делитель частоты – это счётное  устройство, формирующее на выходе импульсную последовательность с частотой в К_д 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.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – График зависимости коэффициента

 

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.