Делитель частоты

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.

  1

i-1

 i

i+1

 n

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Разработка и обоснование функциональной  схемы

 

Делители частоты, как правило, не являются функционально самостоятельными устройствами. Они входят в состав частотомеров, часов, синтезаторов частоты  и др.

Различие требований к делителям  частоты, входящим в состав радиоаппаратуры, а также непрерывное совершенствование  схемотехники и элементной базы привели к созданию многочисленных структур делителей частоты на ИМС. Построение умножителей частоты на основе микросхем - делителей частоты обеспечивает стабильную работу устройства при изменении частоты входного сигнала в широких пределах и позволяет повысить точность преобразования сигнала.

Данная функциональная схема состоит  из источника питания, четырех разрядного двоично-десятичного счетчика, работающего  в режиме двоичного счетчика, гальванической развязки и операционного усилителя.

Блок питания состоит из трансформатора, выпрямителя тока, фильтра высоких  и средних частот и стабилизатора.   Рисунок 9  – Функциональная схема блока питания

 

Трансформатор нужен для преобразования входного тока и напряжения в необходимое для работы устройств схемы. Выпрямитель используется  для преобразования переменного тока в постоянный. Фильтр служит для выделения желательных компонентов спектра электрического сигнала и подавления нежелательных. Стабилизатор получает питание от внешнего источника и выдаёт на своем выходе напряжение, не зависящее от напряжения питания (то есть обеспечивает более постоянное напряжение).

При поступлении напряжения на счетчик, он преобразует частоту таким  образом, что при снятии сигнала  с первого выхода счетчика, получается сигнал с частотой, деленной на заданный коэффициент (2). Гальваническая развязка используется для передачи сигналов,  бесконтактного управления и для  защиты электрической цепи от токов, превышающих максимально допустимое значение в устройстве. Усилитель  служит для усиления подаваемого со счетчика сигнала, а в данном случае он также обеспечивает стабильность работы счетчика из-за присутствия в схеме гальванической развязки.

Рисунок 10 – Функциональная схема устройства

 

Функциональная схема приведена  в Приложении А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Разработка полной принципиальной  схемы

 

Исходя из технического задания, в данном разрабатываемом  устройстве можно выделить 4 основные части: блок питания, счетчик, гальваническая развязка и операционный усилитель.

Для работы счетчика, ЭГР и усилителя необходим  блок питания. Расчет блока питания  представлен ниже. Принципиальная блока  питания схема представлена в  приложении Б.

В качестве счетчика используется микросхема КР561ТМ2 (Рисунок 11).

Микросхема представляет собой два двухступенчатых  D-триггера со входами асинхронной установки и сброса и противофазными выходами.

Двухтактный D-триггер микросхемы К561ТМ2 работает следующим образом: По фронту первого импульса синхронизации на входе C логический уровень со входа D записывается в первый однотактный D-триггер. По фронту второго синхроимпульса на входе C информация записывается во вторую ступень триггера и на выходе Q устанавливается уровень, присутствовавший на входе D перед первым синхроимпульсом. Таким образом, на выходе двухтактного D-триггера сигнал задерживается на один такт (период следования синхроимпульсов).

  Рисунок  11 – Графическое обозначение ИМС К561ТМ2

 

Ниже приведены характеристики микросхемы К561ТМ2.

 

 

Таблица 1 – Основные электрические параметры микросхемы К561ТМ2.

Напряжение источника питания	3 – 15 В
Выходной ток	не более  20 мА
Максимальное напряжение на входе	18 В
Ток потребления	8 мА
Напряжение высокого уровня на выходе	8,2 В

 

Таблица 2 – Назначения выводов микросхемы К561ТМ2.

01	Q1	Выход первого триггера
02	Q1	Инверсированный выход первого триггера
03	C1	Вход на первый триггер
04	R1	Сброс системы
05	D1	Вход на первый триггер
06	S1	Установка системы в 0
07	Gnd	Земля
08	S2	Установка системы в 0
09	D2	Вход на второй триггер
10	R2	Сброс системы
11	C2	Вход на второй триггер
12	Q2	Выход второго триггера
13	Q2	Инверсированный выход второго триггера
14	Vcc	Вход для питания микросхемы

 

 

В качестве гальванической развязки используется транзисторная оптопара АОТ102А (рисунок 13). Транзисторные оптопары рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это, прежде всего, схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Их выходные токи значительно выше, чем, например, у фотодиодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей. Наконец, следует отметить, что все это достигается при относительной технологической простоте транзисторных оптопар.

Рисунок 12 – Графическое обозначение транзисторной оптопары

 

Таблица 3 – Основные электрические параметры оптопары АОТ102А

Входной ток	40 мА
Входное напряжение	2 В
Выходной ток	50 мА
Выходное напряжение	0,5 В

 

Для усиления выходного сигнала  используется усилитель типа КР1407УД1.

Таблица 4 – Основные характеристики операционного усилителя КР1407УД1

Количество каналов	1
Напряжение питания,В	±5
Частота, МГц	3
Напряжение смещения,	мВ 30
Температурный диапазон, C	-45…+70

Рисунок 13 – Графическое обозначение усилителя

 

Для работы счетчика, ЭГР и усилителя  необходим блок питания (рисунок 14). Обозначения блока питания приведены  ниже.

 

                    Рисунок 14 – Схема источника блока питания

 

Полная принципиальная схема приведена в Приложении Б.

 

4. Выбор и расчет элементов принципиальной схемы

4.1 Расчет источника питания для счетчика

 

Данные  блока питания:

• Напряжение нагрузки U_н=5 В;
• Входное напряжение для блока питания U_вх=220 В;
• Частота входного напряжения f=50 Гц;
• Максимальный ток нагрузки I_н^мах =8мА+5мА+16мА=29 мА
• Допустимое отклонение питающего напряжения α=0,15, т.е. ±15%
• Обозначения в блоке питания:
• DA1 – Стабилизатор напряжения;
• Мост VD1 – VD4 – Выпрямитель напряжения;
• C1 – Сглаживающий конденсатор;
• Т1 – Сетевой трансформатор.
• U_I – напряжение первичной обмотки трансформатора;
• U_II – напряжение вторичной обмотки трансформатора;
• U_VD1 – падение напряжения на диодном мосте;
• U_C – напряжение на конденсаторах;
• U_DA1 – падение напряжения на микросхеме DA1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет стабилизатора  DA1 :

Характеристики  данной микросхемы должны удовлетворять  следующим условиям [5]:

1) U_DA1^вых = U_н ;                                                                                      (3)

2) I_DA1^max ≥ U_н^max ;                                                                                    (4)

В качестве DA1 Выбрана микросхема типа К142ЕН5В, которая обладает следующими параметрами:

Таблица 5 – Параметры стабилизатора DA1

Тип	нерегулируемый
Выходное  напряжение, В	5
Ток нагрузки, А	2
Тип корпуса	4116.4-2
Максимальное входное напряжение, В	15
Нестабильность по напряжению, %	0.05
Нестабильность по току, %	1
Мощность рассеиваемая макс., Вт	5
Температурный диапазон, C	-60…+125
Разность  напряжений вход-выход	2,5 В

 

Данная  микросхема удовлетворяет условиям: 5 В ≥ 5 В и 2,0 А ≥ 0,029 А. Исходя из этого, произведен расчет постоянного напряжения U_C , которое требуется для работы DA1:

         (5)

Следовательно, напряжение на конденсаторе С1 никогда не должно падать ниже уровня в 7,5 В.

 

 

 

 

Расчет  емкости конденсатора С1:

Напряжение на конденсаторе С1 представлено на рисунке 15.

 

 

 

 

 

Рисунок 15 – Вид напряжения на конденсаторе

 

 

Пусть ∆U_C = 1 В. Конденсатор С1 можно рассчитать по следующей формуле:

=                                                     (6)

При этом минимально необходимое амплитудное  значение напряжения на конденсаторе U_C1 составит:

                        (7)

Расчет  минимального амплитудного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора Т1:

                       (8)

где U_VD1 = 1.4 B – падение напряжения на диодном мосте VD1-VD4, оно рассчитывается как сумма падения напряжений на двух открытых диодах

(0,7*2 = 1,4 B).

Расчет  минимального действующего значения на вторичной обмотке трансформатора [4]:

                (9)

 

 

Расчет  номинального действующего значения напряжения на вторичной обмотке, т.е. при U_BX=220 B:

        (10)

Выбор трансформатора Т1.

Трансформатор выбирается исходя из следующих условий: