Состояние счётчика
							б
						Состояние пересчётного	устройства
	2
	y
потребителю	1				TT
	y				D	C
К	0	&	&	&
	y				&
					TT
	&		&	&	D	C
					&		а
&
					TT
&					D	C
			&	&	&
							ТИ
Рис.3.51. Схема (а) и граф переходов (б) пересчётного устройства с повторяющимися состояниями

В заключение отметим, что последняя схема наиболее удобно реализуется структурой счётчик - ПЗУ. Достоинством её является также меньшее число нерабочих состояний.

3.12. Пересчётные устройства с константными, повторяющимися и парафазными разрядами

Анализируя последовательность состояний, представленных двоичными кодами, в некоторых частных случаях можно существенно упростить структуру пересчётного устройства. Пусть требуется разработать два пересчётных устройства, выходные сигналы которых используются в качестве управлявших в каком-либо цифровом блоке. Последовательность состояний:

1-е устройство: 13, 10, 9 14, 13,...

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

2-е устройство: 15, 0, 14, 1, 13, 2, 12, 3, 15, ...

Представим эти последовательности в виде двоичных кодов:

1-е устройство:					2-е устройство:
13:	1	1	0	1	15:	1	1	1	1
10:	1	0	1	0	0:	0	0	0	0
9:	1	0	0	1	14:	1	1	1	0
14:	1	1	1	0	1:	0	0	0	1
					13:	1	1	0	1
					2:	0	0	1	0
					12:	1	1	0	0
					3:	0	0	1	1

Из данного представления видно, что в первом устройстве разряд Q3 является константным сигналом «1», а разряды Q1 и Q0 парафазны. В данном случае возможны две реализации устройства:

1)с использованием разрядов Q2 и Q1, обеспечивающих последовательность

2, 1, 0, 3, 2, ... ;

2)с использованием разрядов Q2 и Q0, обеспечивающих последовательность

3, 0, 1, 2, 3, ... ,

Во втором устройстве разряды Q3 и Q2 являются повторяющимися, поэтому достаточно реализовать

устройство, использующее разряды Q3, Q1, Q0 либо Q2, Q1, Q0 и реализующее последовательность 7, 0, 6, 1,

5, 2, 4, 3, 7, ...

3.13. Дозатор импульсов, таймер, измеритель интервалов времени и цифровой частотомер на базе счётчика

На базе счётчиков может быть построено большое число специализированных цифровых схем. Рассмотрим несколько таких схем в предположении, что для надежного их функционирования применяется двухфазная система синхронизации.

На рис.3.52,а приведена функциональная схема дозатора импульсов, выдающего по сигналу «Пуск» на выходе «Серия» одиночную серию, содержащую заданное число импульсов, выделенных из непрерывной последовательности импульсов ТИ1.

Дозаторы используют, например, при обмене последовательным кодом, чтобы отмерить посылки определённого числа сигналов. В качестве счётчика, на базе которого построен дозатор, можно включить делитель с изменяемым модулем пересчёта, значение которого задаётся двоичным кодом. Если в таком

дозаторе применен двоичный счётчик и отсчитанную им серию выходных импульсов подать на вход другого счётчика, но уже десятичного, то после окончания цикла пересчёта число, введенное в дозатор в качестве модуля пересчёта, окажется преобразованным в двоично-десятичный код, который можно снять параллельно с выходов разрядов десятичного счётчика. Если двоичный и десятичный счётчики поменять местами, то получится обратный преобразователь двоично-десятичного кода в двоичный.

Выход «Таймер» имеет низкий уровень все время, пока выдаётся серия импульсов. Таймерный выход предназначен для получения выдержек времени при управлении различными объектами. Точность цифровых таймеров намного выше, чем аналоговых. Время выдержки, как и число импульсов в серии дозатора, можно задавать цифровым кодом. В режиме таймера можно использовать микросхемы 564ИЕ15,

КР580ВИ53 и др. [24].

На рис.3.52,б показана схема измерения интервала времени между двумя сигналами, поступающими на входы «Пуск» и «Стоп». Содержимое счётчика, считываемое после сигнала «Стоп», пропорционально длительности измеряемого интервала. Если исследуемый процесс по отношению к ТИ1 и ТИ2 асинхронный, то входы «Пуск» и «Стоп» должны пройти через схему синхронизатора. Заменив RS-триггер на триггер Шмитта, можно измерить длительность процесса, отображаемого двумя уровнями одного сигнала, например сигнала на фотодиоде от вспышки света. Измерение целого ряда величин сводится к измерению интервалов времени: периода сигнала, времени оборота вала, сдвига фаз сигналов, дальности в схеме радиолокатора и т.п.

На рис.3.52,в показан принцип построения цифрового частотомера. В течение измерительного интервала L счётчик 1 подсчитывает входные сигналы измеряемой частоты f. Период T = 1/ f . В конце

каждого измерительного интервала получаемое в счётчике 1 число переписывается в регистр, содержимое которого в некотором масштабе отображает частоту входных сигналов.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

ТИ1		+1	СТ
	&
		R	Рвых

			а
ТИ1			&	+1	СТ
СТОП (ТИ2)
		R		R
ПУСК (ТИ2)		S			Код
					длительности
					интервала
			б
	Т	f=?
Вход		Синхрони-		СТ	RG
		затор	+1
		(по ТИ1)			D
ТИ2	+1	СТ	R	1	С
		Рвых
					Код,
					пропорциональный
					частоте f

L >> T

в

Рис.3.52. Специализированные схемы на базе счётчиков: а - дозатор импульсов и таймер; б - измеритель интервалов времени; в - цифровой частотомер

Длительность интервала L, обмеряемого счётчиком 2, во много раз больше T, чтобы обеспечить необходимую точность измерения. Входные сигналы пропускаются через схему синхронизатора.

3.14. Цифро-частотный умножитель

Примером специализированной многофункциональной схемы на базе двоичного счётчика, которую в зависимости от области применения называют цифро-частотным умножителем, цифро-импульсным умножителем, интерполятором, цифро-частотным интегратором, двоичным нормированным умножителем, делителем частоты с переменным коэффициентом деления, является схема, представленная на рис.3.53. Эта схема - 3-разрядный аналог выпускаемой промышленностью интегральной схемы К155ИЕ8 (133ИЕ8), выполненной на базе шестиразрядного синхронного двоичного счётчика. В схеме (см. рис.3.53) образованы

три конъюнкции, в каждую из которых входят инверсное значение данного разряда Qi и прямые значения

всех более младших разрядов на элементах D6, D8 и D11. Последние стробируются инверсным значением тактовых импульсов T (при условии, что V4 = V2 = V1 = 1, a C1 = 0).

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

P					Z	Z
				&	D12	1	D13
&	D10				&		D11
	2
	Q
	TT			D9
	& J	C	& K	R
						&	D8
	1
	Q
	TT			D7
	& J	C	& K	R
						&	D6
	0
	Q
	TT			D5
	J	C	K	R
1 D1				1 D2	1 D3	& D4
V				R	T	C1	V4 V2 V1	C2
		Рис.3.53. Цифро-частотный умножитель

При этом, как видно из рис.3.54, выходные импульсы элементов D6, D8 и D11 следуют с частотами соответственно f/2; f/4; f/8, причём все эти импульсы никогда не будут совпадать друг с другом во времени.

Введя в элементы D6, D8, D9 входы управления V4, V2 и V1, можно в выходном сигнале элемента D13 каждый частотный компонент представить самостоятельно, независимо от наличия или отсутствия других.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Т

Q0

Q1

Q2

Q0

Q1

Q2

C 1 = 0

Выход D6 при V4 = 1

C 1 = 0

Выход D8 при V2 = 1

C 1 = 0

Выход D11при V1 = 1

P при V = 0

C 1=0

Z при V4V2V1=101

C 1 = 0 ; C2 = 1

Z при V4V2V1 = 101

Рис.3.54. Временные диаграммы цифро-частотного умножителя для схемы, представленной на рис.3.53

Это позволяет, пропуская или не пропускал через элементы D6, D8 и D9 каждый компонент в соответствии со значениями управляющих сигналов V4, V2 и V1, получить на выходе элементов D12 и D13 за каждый цикл счётчика число синхроимпульсов, равное двоичному коду V4V2V1. На рис.3.54 показана выходная последовательность для кода V4V2V1 = 101. Другими словами, в зависимости от кода на входах число

импульсов на выходах Z и Z за цикл работа счётчика будет определяться формулой

Nвых = 22V4+21V2+20V1 = N.

Активным сигналом на входах V4, V2 и V1 является уровень «1».

Коэффициент деления

Kдел =	Nвх	=	8	=	8	.
			Nвых
	Nвых				N

Важно отметить, что если входные импульсы периодичны, то выходная последовательность будет периодична только тогда, когда kдел - целое число, в других случаях выходные импульсы будут распределены во времени неравномерно (см. рис.3.54). Поэтому далеко не для всех применений выходную последовательность допустимо трактовать как «последовательность импульсов, частота которой пропорциональна двоичному коду», что иногда встречается в литературе. Термин «частота» здесь используется в весьма нестрогом значении. Влияние неравномерности следования импульсов на выходе схемы, или, что то же самое, фазовых скачков, на объект управления (потребитель) должно быть обязательно оценено.

В среднем за несколько циклов работы счётчика для выходной «частоты» можно записать: fвых = 2fвхn N ,

где n - разрядность счётчика.

На рис.3.55 показано последовательное соединение двух ИС К155ИЕ8. Эта схема в зависимости от кода на управляющих входах обеспечивает kдел в диапазоне от 4096:1 до 4096:4095.

Назначение остальных выводов для схемы, показанной на рис.3.53 и ИС К155ИЕ8: V - вход разрешения счёта, разрешающий сигнал V = 0, при V = 1 происходит запрещение счёта; R-вход, служащий для установки всех триггеров счётчика в нулевое состояние, причём установка нуля осуществляется уровнем «1»; T - вход, на который подаются синхроимпульсы. Счётчик срабатывает от перепада 01 на T-входе;

C1-строб-вход, управляющий выходами Z и Z . Активный уровень на C1-входе - уровень «0»; C2 - строб- вход, управляющий только выходом Z. На выходе P формируются импульсы нулевого уровня, частота

которых равна fвх/2n, а длительность - периоду входных синхросигналов. Импульсы на входе Z совпадают

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Z

по фазе с синхросигналом. При последовательном соединении микросхем сигналы на выходе P играют роль входных стробов по отношению к последующим микросхемам. Из рис.3.55 видно, что весовой коэффициент всех управляющих входов ИС D1 увеличился в 64 раза (n = 6).

Выход

P

Z

СТ2

D2

T

C

V1

V2 V4 V8 16V 32V

C2

R

1

V

6

5

V1

V2

	7
	P		Z	Z
СТ2					D1
T	C1 V	V1 V2 V4 V8 V16 V32		C2	R
9	10 11	4 1 14 15	2 3	12	13
Вход		U Общ. - 8	V1024 V2048	«1»	R
		16-
		ип

Рис.3.55. Последовательное соединение ИС К155ИЕ8

Число импульсов, соответствующее управляющему двоичному коду, обеспечивает на своем выходе и обычный дозатор. Особенностью именно цифро-частотного умножителя является то, что он выдаёт выходные импульсы не компактной серией, а распределяя их по временному интервалу своего цикла.

Цифро-частотный умножитель применяют для реализации арифметических операционных блоков специализированных вычислителей, в которых аналоговые операции реализуются цифровым способом, для

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

построения функциональных преобразователей, в синтезаторах частот, для управления шаговым двигателем, когда его скорость задаётся двоичным кодом. Если на управляющие входы поступает в двоичном коде некоторая функция F(x), а на вход T-приращения ∆x аргумента этой функции (например, единичный шаг ∆x отображается серией из 2n импульсов), то число импульсов на выходе будет

пропорционально интегралу ò F(x)dx и т.д.

3.15. Прескалеры

Цифровые методы обработки данных широко внедряются в различное электронное оборудование. В качестве примера можно привести авиационное электронное оборудование, радиолокационную, навигационную и связную аппаратуру, мобильные приёмопередающие радиоустановки, морские радио- и гидролокационные буи, радиолюбительские системы, панорамные приёмники, устройства настройки вещательных и кабельных систем телевидения, телевидение высокой четкости и АМ/ЧМ-радиоприёмники и т.д.

Например, синтезаторы частот на основе систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) находят широкое применение в навигации в аппаратуре связи, устройствах частотной настройки телевизоров и др. В

перечисленных применениях требуется синтезировать радиочастоты в диапазоне от десятков мегагерц до нескольких гигагерц.

В связи с этим возникает задача построения высокоскоростных программируемых делителей частоты, называемых прескалерами (Prescaler - предварительный делитель частоты).

Для увеличения максимальной рабочей частоты прескалеры изготавливаются по ЭСЛ-технологии, а

для упрощения структуры программируемого высокочастотного делителя прескалеры строятся с двумя модулями пересчёта P и P+1 и используются совместно с низкочастотными программируемыми вычитающими счётчиками, работающими по mod A и mod N.

На рис.3.56 приведено функциональное обозначение прескалера КМ193ИЕ2, содержащего счётчик по mod 10/11 и управляющую модулем пересчёта логику. Варианты программирования модуля счёта приведены в табл.3.18. Буква E на рис.3.56 означает то, что соответствующие входы и выходы имеют уровни ЭСЛ-элементов, запитываемых источником +5 В (U1 ³ +4,15 В; U0 £ +3,5 В).

												Таблица 3.18
									Программирование модуля
12		С	СT10/11		Q3E		2			счёта прескалера
									Вывод 14		Вывод 15		K деления
	14	1					4
					Q3E
		m1Е							0		0		11
	15
		m2Е
									0		1		10
			16 - +5 В
			8 - 0 В
									1		0		10
	Рис.3.56. Функциональное
									1		1		10
обозначение прескалера КМ193ИЕ2

Серия 193 содержит большое число прескалеров различной структуры, в том числе и непрограммируемые высокочастотные делители, и может иметь как ЭСЛ-, так и ТТЛ-выходы.

На рис.3.57 представлены логическая структура и графы переходов прескалера КМ193ИЕ2.

На триггерах Q2, Q1 и Q0 реализован сдвиговый регистр, а на триггере Q3 - счётчик по mod 2. Функция возбуждения D0 реализована следующим образом:

D0 = (m + Q3 )Q1 + Q2 ,

где m = m1+m2 - сигнал переключения модуля пересчёта прескалера.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

m1	1				&			&
m2
m=m1+m2
D	TT	Q0	D	TT	D	TT	Q2	D	TT	Q3
					Q1					Q3
С			С		С			С
C
					a

б

в

Рис.3.57. Прескалер KM193ИЕ2: а - логическая структура; б -граф переходов при m = 1; в - граф переходов при m = 0

При m = 1 D0 = Q2 Q1 , что обеспечивает делитель на 5 на основе сдвигового регистра и общий коэффициент деления 10 на выходах прескалера Q3 и Q3 . При m = 0 D0 = Q3Q1 + Q2 , что обеспечивает

предыдущий вариант при Q3 = 1 и структуру трёхразрядного счётчика Джонсона ( D0 = Q2 ) при Q3 = 0.

Таким образом, общий коэффициент деления получается равным 11. На рис.3.58 приведены временные диаграммы прескалера КМ193ИЕ2 при m = 0 и m = 1.

C

Q0

Q1 m = 1

Q2

Q3

4

0

1

3

14

12

8

9

11

6

4

0

1

a

Q0

Q1

m = 0Q2

Q3

4

0

1

3

15

14

12

8

9

11

6

4

0

б

Рис.3.58. Временные диаграммы прескалера КМ193ИЕ2:а - m = 1; б - m = 0

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Использование только двух модулей пересчёта в прескалере упрощает его реализацию, а добавление к нему двух низкочастотных вычитающих счётчиков с модулями A и N позволяет реализовать общий модуль пересчёта M = NP+A, где A ≤ 1 и А= 0 ... P-1.

fвых

ГУН		СТ		-1	СТ
		mod 10/11			mod A

A

Схема N управления

-1 modСТN

на ФЧД

Рис.3.59. Структурная схема генератора сверхвысоких частот (фрагмент схемы ФАПЧ)

На рис.3.59 показан фрагмент схемы ФАПЧ с использованием прескалера. Сигнал с частотой fвых с

выхода генератора, управляемого напряжением, должен быть поделён на M и подан на вход фазочастотного детектора. Схема управления переключает модуль пересчёта прескалера: пока счётчик по mod A не вычтет до 0 запрограммированное число A, прескалер считает по mod (P + 1), a в промежутке времени, необходимом для вычитания оставшегося числа N – A в счётчике по mod N, прескалер считает по mod P.

Таким образом,

M = A(P + 1)+(N – A)P = NP + A.

Другие примеры использования прескалеров приведены в [8], [38], [39].

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com