Фазовая автоподстройка частоты

Введение

Значительные изменения во многих областях науки и тех-ники обусловлены развитием электроники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в ко-торой не использовались бы электронные приборы или эле-ктронные устройства измерительной техники, автоматики и вы-числительной техники. Причем тенденция развития такова, что доля электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается. Это является резуль-татом развития интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешевых, высококачест-венных, не требующих специальной настройки и наладки микроэлектронных функциональных узлов различного назначе-ния. Они представляют собой полупроводниковые пластины малой толщины, на которой на площадях в доли несколько квадратных миллиметров выполнены десятки тысяч элект-рически соединенных между собой в соответствии с требуемыми схемами элементов электроники (полевых и биполярных тран-зисторов, конденсаторов и др.). Причем эти элементы, как правило, получают одновременно (по групповой технологии) в едином технологическом цикле, который почти полностью автоматизирован. Поэтому стоимость интегральных схем при массовом производстве мало зависит от количества в них элементов и разброс параметров от образца к образцу сравнительно невелик.

Промышленность выпускает почти все электронные фу-нкциональные узлы, необходимые для создания устройств измерительной и вычислительной техники, а также систем автоматики: интегральные электронные усилители электри-ческих сигналов; коммутаторы; логические элементы; пере-множители электрических напряжений; триггеры; счетчики им-пульсов; регистры; сумматоры и т.д. На основе больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем созданы и выпускают микропроцессоры и микропроцессорные ком-плекты, представляющие собой вычислительную машину или ее основные узлы, изготовленные в одном корпусе или в нескольких малогабаритных корпусах. Функции, выполняемые интегральными схемами микропроцессоров, могут быть заданы подачей на их входы внешних электрических сигналов, осу-ществляемой по определенной программе.

Тем самым данные микросхемы позволяют реализовать большое количество раз-нообразных операций по обработке цифровых сигналов без каких-либо изменений в технологии их изготовления.

Использование базовых матричных кристаллов и програм-мируемых логических матриц является другим способом рас-ширения функциональных возможностей интегральных схем. В массовом количестве изготовляются единые матрицы нескоммутированных (не соединенных между собой) элементов. Элек-трические связи между ними выполняют индивидуально на этапе формирования разводки, исходя из требований заказчика. Изготовив базовую матрицу или программируемую логическую матрицу одного типа, на ее основе можно создать сотни разнообразных функциональных узлов различного назначения. Причем различие между базовыми матричными кристаллами и логическими программируемыми матрицами заключается в том, что в последних соединениях можно не только создавать, но и разрушать.

Созданы также более простые полузаказные интегральные схемы, содержащие наборы элементов. Из них могут быть получены и аналоговые устройства, например усилители электри-ческих сигналов. Это позволяет снизить затраты на проектирова-ние и производство электронных устройств различного назначе-ния и уменьшить сроки их внедрения в серийное производство.

В развитии электроники на протяжении многих лет остается стабильным только одно это непрерывное изменение элемент-ной и схемотехнической баз.

В связи с широким выбором интегральных схем, параметры которых известны из технических условий, изменились задачи, стоящие перед разработчиками электронной аппаратуры. Если раньше значительная часть времени уходила на расчеты режимов отдельных каскадов, определение их параметров, решение вопросов термо стабилизации и т.п., то в настоящее время главное внимание уделяется вопросам выбора схем соединений и взаимного согласования микросхем.

Типовые микроузлы позволяют собрать нужный элект-ронный блок без детального расчета отдельных каскадов. Разработчик электронной аппаратуры, определив, какие преоб-разования должен претерпеть электрический сигнал, подбирает необходимые интегральные микросхемы, разрабатывает схему их соединений и вводит обратные связи требуемого вида. И только в том случае, когда выпускаемые интегральные микросхемы не позволяют решить какой-то конкретный вопрос, к ним добавляют отдельные узлы на дискретных компонентах, требующие проведения соответствующих расчетов, или разрабатывают микросхемы частного применения.

Эффективное применение интегральных микросхем, осо-бенно аналогового типа, невозможно без знания принципов их действия и основных параметров, а также теории эле-ктронных цепей. Поэтому изучению данной дисциплины обычно уделяется повышенное внимание.

У различных специальностей электротехнического профиля на изучение электроники выделяется разное количество часов. Соответственно в рабочих программах кафедрами устанав-ливается приоритет тех или иных разделов. Настоящая книга в первую очередь сориентирована на использование в учебном процессе специальностей информационного профиля. Вопросы создания силовых электронных цепей в ней практически не рассмотрены. В то же время достаточно подробно изложены сведения о функциональных узлах и компонентах, применяемых в измерительной технике, приборостроении, автоматике, вычис-лительной технике.

Фазовая автоподстройка частоты

1) Импульсный фазовый компаратор рис 2.1.Эпюры сигналов, поясняющие его работу показаны на рис 2.2.

Рис 2.2

С приходом импульса на вход 1 триггер DD1 переключается и на его выходе устанавливается уровень 1, когда импульсный сигнал приходит на вход 2, он переключает триггер DD2.В результате на обоих входах элемента DD3.1 будут присутствовать уровень 1.Напряжение низкого уровня с выхода этого элемента установит триггера в исходное состояние, поэтому на входе 1 будет сигнал, длительность которого прямо пропорционально сдвигу фаз входных сигналов. Если же сигнал на входе 2 будет опережать по фазе сигнал на входе 1, то длительность импульса на входе 2 будет больше, чем на входе 1.Таким образом можно получить фазовую характеристику, которая показана на рис 2.3

Рис 2.3

2) Сумматор рис 2.4.

Он должен выполнять следующую функцию:

а) Сравнивая напряжения Uвых1 и Uвых2, повышать напряжение с одним или с другим знаком в данном случае если Uвых1 > Uвых2, то напряжение на выходе операционного усилителя должно увеличиваться, а если наоборот, тогда оно должно понизиться.

б) Так как после ФД помимо фильтра стоит ГУН, то необходимо, чтобы на его входе (ГУНа) было напряжение, которое создавало бы необходимую по условию частоту fвых=500 Гц. Это напряжение равно U=1.333 В (см. ГУН).

Рис.2.4

Произведём расчёт данного узла

Необходимые условия: U=1.333 В±ДU, где ДU=0, 3 (см. ГУН);

R1=R2;

R3=R4;

Для данной схемы имеем ДU=Uвх•R3/R1, где Uвых=5 В (по справочнику); Отсюда выразим R3/R1= ДU/ Uвых подставим численные значения

Оптимальное решение находим при R1=33 kОм, R2=2 kОм.

Построим временные диаграммы для суммирующего узла

рис.2.5

Теперь подберем по справочным данным операционный усилитель для суммирующего блока. Идеально удовлетворяет условиям микросхема К140УД1А которая имеет номинальное напряжение питания плюс 6.3 В, минус 6.3 В.

Нужно уточнить назначение каждого из выводов:

а) Вход 1 фазового компаратора является выходоммультивибратора

б) На вход 2 поступают сигналы с делителя

в) Выход сумматора пошёл на вход фильтра.

3. Генератор управляемый напряжением (ГУН)

Основной принцип работы этого узла (рис 3.1) состоит в следующем DA1 представляет собой интегратор, который устроен таким образом, что ток заряда С1 (Uвх/4R) изменяет свой знак, а не амплитуду в зависимости от состояния транзистора VT1 (находящегося в режиме проводимости или отсечки). Микросхема DA2 образует триггер Шмита с пороговыми уровнями (выбранных по заданию) равными ±Е_П/3.Транзистор VT1 - это n-канальный полевой МОП-транзистор, который выполняет здесь роль переключателя; его использовать проще, чем схему на биполярных транзисторах, выполняющую такие же функции. В этом случае нижний конец резистора R4 заземлён при высоком уровне напряжения на выходе. На временной диаграмме (рис.3.2) мы наблюдаем поведение выходных напряжений интегратора, на рис.3.1 - это точка а, и соответствующая ей кривая в виде пилы нарис.3.2, и компаратора или выхода ГУНа на рис.3.1 - это точка b, и соответствующая ей кривая в виде прямоугольных импульсов нарис.3.2.Дальнейшее пояснение работы данной схемы можно будет увидеть в расчётной части.

рис 3.1

Расчёт

Необходимо найти напряжение на входе ГУНа при условии, чтобы f=500 Гц. Сразу выберем напряжение питания операционных усилителей Е_П=±5 В. Этому условию удовлетворяет рассмотренная раннее микросхема К140УД1А.

На данную схему налагается следующее условие: R1=2•R2=2•R3=2•R4.то есть сопротивление R1 должно быть в два раза больше чем сопротивления R2, R3, R4.Это мотивировано тем, что схема из данного набора будет удовлетворять тому, что ток на конденсаторе будет изменять свой знак, а не амплитуду в зависимости от состояния транзистора VT1.

Зададим эти значения сопротивлений. Если R1=20 кОм, тоR2, R3, R4 будут равны 10 кОм. R=10 кОм.

Выберем ёмкость равную С=10 нФ.

По заданному условию расчитаем напряжение на входе.

Закон изменения Uвх выведем из следующих условий

Напряжение на выходе Uвых определяется, как

(3.1)

где I - это ток, которым заряжается ёмкость, равный

, (3.2)

мы выбрали пороги переключения равные ±1/3 от напряжения питания поэтому Uвых=Е_П/3

Перепишем формулу (3.1) с учётом всех последующих рассуждений

(3.3)

В момент времени t, получим

(3.4)

t - это время заряда конденсатора 0 до Е_П/3

рис 3.2

Глядя на временную диаграмму (рис 3.2) видим, что t = T/4, где Т период прямоугольных и пилообразных импульсов. Так как нам дана частота, то мы можем найти период Т=1/f.

Сделаем окончательные подстановки в формулу (3.4) и выразим отсюда Uвх

(3.5)

Подставим численные значения

Ещё необходимо пронаблюдать поведение схемы при разбросе широты частот т. е. задаться какими то граничными смещениями.

Допустим, что к нашей частоте добавляется (Дf=±100 Гц). Поэтому произведём расчёт ещё на двух частотах f_-=400 Гц и f₊=600 Гц

Отсюда определяем необходимое напряжение смещения ±ДU,

Оно равно ДU =U_вх(f) - U_вх(f_-) или в цифрах

Далее найденные значения напряжений будут налагаться на расчёт других узлов виде условий.

4. Делитель частоты

Для того, чтобы выходной сигнал с ГУНа подать на вход фазового детектора, для сравнения его с сигналом опорного генератора, необходимо предварительно уменьшить частоту его сигнала или точнее говоря поделить в строгое число раз. Так как в задании курсового проекта частоты пропорциональны, как 1 к 10, то и делить придётся на 10.

Решением того, какое устройство будет выполнять эту функцию, становится счётчик.

Проектируем делитель, с таким расчётом, чтобы он работал по переднему фронту, и скважность сигнала на выходе была такая же, как и на входе.

Если известно, что входной сигнал имеет скважность S=2, то уже заранее можно запланировать её на выходе.

Вся хитрость состоит в том что, взяв простой асинхронный счётчик, считающий до 5, работающий по заднему фронту. Затем выход этого счётчика, соединив с триггером, выполняющим роль счётчика, считающего до 2, и также работающего по заднему фронту. В итоге получится счётчик, работающий по переднему фронту и считающий до 10.Или необходимый делитель. Для его реализации понадобится 4-JK триггера плюс один элемент “И-НЕ” с тремя входами рис.4.1.

рис.4.1

Построим временные диаграммы, поясняющие его работу рис.4.2.

рис.4.2

Из диаграмм видно, что на 10 импульсов с ГУНа приходится один импульс на выходе делителя, т. е. частота сигнала уменьшилась в 10 раз.

5. Согласование узлов

При согласовании узлов необходимо учесть, что на вход триггера должен поступать сигнал, имеющий определённые границы напряжения и тока.

Все узлы уже заранее максимально близко приближены друг к другу по своим входным параметрам. С помощью выпрямителя, диода, убираем отрицательную составляющую ГТИ и ГУНа, по следующей схеме рис.5.1

рис.5.1

примерные временные диаграммы будут выглядеть следующим образом рис.5.2

a)

б) рис.5.2

где на рис.5.2.а показана временная диаграмма до преобразования, а на рис.5.2.б после, где Е?5 В Так согласовываются ГТИ и ФД, ГУН и делитель.

Список литературы

1. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП. М.: Энергоатомиздат, 1990.320с.

2. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / Под ред. С. В. Якубовского. М.: Радио и связь, 1990.496с.

3. Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1983.512с.

4. Преснухин Л. Н., Воробьев Н. В., Шишкевич Л. А. Расчет элементов цифровых устройств: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1982.

5. Ерофеев Ю. Н. Импульсные устройства. М.: Высшая школа, 1989.

6. Вениаминов В. Н. и др. Микросхемы и их применение. М.: Радио и связь, 1989.

7. Алексеев А. Г. Операционные усилители и их применение. М.: Радио и связь, 1989.