8.7. Типовые цифровые узлы — курс «Схемотехника»

8.7.1Счётчик по модулю n

≈ 9 мин3 упр.

Главное

Два синхронных '163 загружают обратный код числа с переключателей, считают до FFh и по следующему такту перезагружаются: деление на $S + 1$ .
Синхронная загрузка выбрана нарочно — асинхронная дала бы самоуничтожающиеся короткие импульсы.
Предельная частота — по сумме худших задержек: $1/ f = 35 + 32 + 19 + 30 = 116$ нс, т. е. 8,6 МГц вместо 27 МГц одного счётчика.

Задача: из кварцевых 1,8432 МГц получить тактовую частоту для приёмопередатчика, из 10 МГц — метки времени, из сетевых импульсов — что-нибудь медленное. Каждый раз нужен делитель на целое число, которое удобно менять. Самый простой способ — счётчик, который стартует с заданного числа, досчитывает до своего максимума и снова загружает стартовое число. Тогда число тактов в цикле задаётся тем, откуда начинать.

На схеме ниже — восьмиразрядный вариант на двух 4-разрядных синхронных двоичных счётчиках 74HC163. Делитель задаётся двумя шестнадцатеричными дисковыми переключателями. Загрузка у '163 синхронная: число со входов D заносится по фронту такта, если вход LD низкий.

1234567

Делитель на n из двух синхронных 74HC163: с переключателей загружается обратный код числа, счётчики досчитывают до FFh, и следующий фронт снова загружает их.

Что здесь что (7)

Переключатели МЗР и СЗР. шестнадцатеричные лимбы с инверсными выходами: на входы D идёт обратный код $255 - S$
ИС1 — младшая тетрада. 74HC163 считает каждый такт
RCO ИС1 → ENT, ENP ИС2. перенос: ИС2 считает только когда ИС1 досчитала до F
ИС2 — старшая тетрада. вместе с ИС1 — 8-разрядный синхронный счётчик
Инвертор HC04. из переноса RCO ИС2 (состояние FFh) делает LD — синхронную загрузку на следующем такте
Вход f_0. общий такт обоих счётчиков
Выход $f_{0} / (n + 1)$ . один импульс на $S + 1$ тактов

Как счётчики соединены. Так каскадируют любые синхронные счётчики: тактовые входы — вместе, а выход «максимальный счёт» младшего подан на разрешение старшего. У '163 это выход переноса RCO (ripple carry output): он становится высоким, когда счётчик стоит на F и счёт разрешён, и через входы ENT и ENP разрешает работу второго корпуса. Поэтому ИС1 прибавляет единицу на каждом такте, а ИС2 — только на том такте, когда ИС1 стоит на F.

Цикл счётчика по модулю n

ИС1 считает каждый тактмладшая тетрада: 0…F
ИС2 считает раз в 16 тактовтолько на тех тактах, когда RCO ИС1 = 1 (ИС1 досчитала до F)
FFh: LD становится активнымRCO ИС2 через инвертор
Следующий фронт — синхронная загрузкав счётчики заносится обратный код с переключателей, цикл повторяется

Почему загружается обратный код. У переключателей общий вывод заземлён, а выходы подтянуты резисторами к +5 В. Разряд, установленный в 1, замыкается на землю и даёт 0; разряд 0 остаётся подтянутым и даёт 1. Иначе говоря, переключатели «отрицательно-истинны»: на входы D приходит поразрядная инверсия числа на лимбах — его дополнение до 1 (обратный код).

Счётчик по модулю n на двух '163

L = FF_{16} - S, f_{вых} = \frac{f _{0}}{S + 1}

Обозначения:

L

S

f_{0}

От L до FFh — S тактов, и ещё один такт держится FFh до синхронной перезагрузки.

Правило. Счётчики с синхронной загрузкой выбраны специально: при асинхронной загрузке счётчик перезагружался бы в тот же миг, как дошёл до FFh, и импульсы переноса и загрузки были бы короткими и ненадёжными (см. упражнение ниже). Плата за чистоту — деление на n + 1, а не на n; её легко учесть при установке переключателей.

Упражнение 8.7.1

Делитель на двух '163 тактируется кварцем 1,8432 МГц, а приёмопередатчику нужна частота 153,6 кГц. Какое число S (десятичное) установить на переключателях? И на сколько разделит схема, если на лимбах стоит A0h?

S для 153,6 кГц =деление при A0h =

Решение

Нужно деление $1, 8432 МГц /153, 6 кГц = 12$ , т. е. $S + 1 = 12$ , $S = 11 = 0 B_{16}$ . Переключатели замыкают на землю разряды, равные 1, поэтому на входы D идёт $L = 255 - S = 244 = F4_{16}$ ; от F4h до FFh — 11 тактов, плюс такт перезагрузки — 12. При A0h = 160: деление на 161.

Упражнение 8.7.2 задача

Радиолюбитель собрал делитель на 10 из счётчика '161: дешифратор на вентиле И-НЕ ловит состояние 1010 и подаёт свой выход на вход сброса CLR. У '161 этот сброс асинхронный. Объясните, почему схема делит на 10 (а не на 11), что при этом происходит на выходах и чем такая схема опасна. Как правильно сделать делитель на 10 на '163, где сброс синхронный?

Решение

Счётчик проходит 0, 1, …, 9 и по очередному фронту переходит в 1010. Через задержку «такт → выход» плюс задержку вентиля CLR становится низким, и счётчик сразу, не дожидаясь такта, обнуляется. Состояние 1010 исчезает, дешифратор перестаёт его видеть, CLR возвращается в 1. Получается самоуничтожающийся импульс сброса длиной в сумму задержек — единицы или десятки наносекунд — и такой же короткий «призрак» числа 10 на выходах. Состояние 10 не занимает такта, поэтому цикл — 0…9, деление на 10.

Опасности: 1) длительность импульса сброса определяется разбросом задержек и может оказаться меньше гарантированной минимальной — часть триггеров сбросится, часть нет, и счётчик собьётся; 2) кратковременный код 1010 могут поймать другие дешифраторы; 3) старший выход (Q1 и Q3 на мгновение = 1) даёт короткий импульс, который следующий узел может сосчитать или не сосчитать. С '163 сброс синхронный: дешифрировать нужно последнее рабочее состояние, 1001, — тогда сброс наступает по следующему фронту, все состояния держатся целый такт, коротких импульсов нет. Если же под рукой только асинхронный сброс, импульс сброса растягивают до следующего такта, например D-триггером.

До какой частоты это работает

В справочнике у 74HC163 гарантированная максимальная частота счёта $f_{макс} = 27$ МГц. Но наш делитель — не один счётчик. ИС2 должна «узнать», что ИС1 дошла до максимума, до следующего фронта, а при переполнении сигнал загрузки должен пройти через перенос старшего счётчика и инвертор и тоже успеть к фронту. Чтобы найти частоту, при которой работа гарантирована, складываем максимальные задержки на самом длинном пути и проверяем, что к следующему фронту остаётся время установки.

Критический путь за один период

Такт → RCO ИС1: 35 нсвыходы Q меняются не позже чем через 34 нс после фронта, но для загрузки важен перенос: RCO ИС1 появляется не позже 35 нс после фронта
ENT → RCO ИС2: 32 нсRCO ИС2 появляется не позже 32 нс после того, как пришло разрешение ENT (ИС2 уже стоит на F)
Инвертор: 19 нс74HC04 добавляет до 19 нс, формируя LD
Установка LD: 30 нсLD должен опередить следующий фронт на время установки $t_{уст} \geq 30$ нс

Самый длинный путь за период — перезагрузка делителя (максимальные задержки 74HC163 и 74HC04, нс): такт → RCO 35, ENT → RCO 32, инвертор 19, установка LD 30; в сумме 116 нс.

Предельная частота делителя на двух 74HC163

\frac{1}{f _{макс}} = (35 + 32 + 19 + 30) нс = 116 нс, f_{макс} \approx 8, 6 МГц

Обозначения:

f_{макс}

t_{уст}

Это втрое меньше паспортных 27 МГц одного счётчика. Без перезагрузки — просто два счётчика каскадом — путь короче: перенос ИС1 (35 нс) и установка разрешения у ИС2 (30 нс), 65 нс, т. е. 15,4 МГц. Нужна скорость — берите быструю логику: у одного 74F163 максимальная частота счёта 100 МГц, и та же выкладка для серии F даёт делитель примерно на 29 МГц.

27 МГцодин 74HC163

15,4 МГцдва каскадом

8,6 МГцделитель на n

≈ 29 МГцто же на 74F

Модель: счётчик по модулю n на двух '163 и его предельная частота

Упражнение 8.7.3

Делитель удлинили до 16 разрядов — четыре 74HC163 каскадом (задержки те же: такт → RCO 35 нс, ENT → RCO 32 нс, инвертор 19 нс, установка ENT и LD 30 нс). Найдите максимальную частоту счёта такой цепочки без перезагрузки и делителя по модулю n с перезагрузкой по переносу старшего счётчика.

четыре счётчика =МГц÷n на четырёх =МГц

Решение

Без перезагрузки перенос проходит цепочку: RCO ИС1 после такта (35 нс), RCO ИС2 и ИС3 после разрешения (по 32 нс), затем установка ENT у ИС4 (30 нс): $T = 35 + 32 + 32 + 30 = 129$ нс, $f \approx 7, 75$ МГц.

С перезагрузкой добавляются RCO ИС4 после разрешения (32 нс), инвертор (19 нс) и установка LD (30 нс): $T = 35 + 3 \cdot 32 + 19 + 30 = 180$ нс, $f \approx 5, 56$ МГц. Каждый лишний каскад отнимает 32 нс — для длинных делителей выгоднее «ускоренный перенос»: ENP всех старших корпусов берут от RCO младшего, а по цепочке пускают только ENT.

Совет. Для делителей по модулю n есть и специальные микросхемы. 'HC40103 — 8-разрядный синхронный вычитающий счётчик с параллельной загрузкой (синхронной или асинхронной), дешифрацией нуля и входом установки в максимальное состояние; его близкий родственник 'HC40102 отличается только «организацией» — это две двоично-десятичные декады.

8.7.2Мультиплексный индикатор на светодиодах

≈ 6 мин1 упр.

Главное

Знаки зажигаются по очереди и быстро: один дешифратор-формирователь и один набор резисторов на все знаки.
Соединений резко меньше: 8 знаков — 15 выводов вместо 57.
Импульсный ток сегмента в N раз больше среднего ( $N$ — число знаков); ключ катода несёт ток всех сегментов знака.

Посмотрите на табло микроволновки, часов или кассового аппарата: кажется, что все цифры горят одновременно. На самом деле в каждый момент светится только одна, а знаки перебираются так быстро — сотни раз в секунду, — что глаз сливает вспышки в ровное свечение. Это мультиплексная (динамическая) индикация.

Ради чего такие сложности? Сравните со статической индикацией, где каждый знак горит постоянно. Тогда на каждый знак нужны свой дешифратор, свой формирователь, свой набор токоограничивающих резисторов, четыре провода от регистра к дешифратору и семь — от формирователя к индикатору. Для восьми знаков получается клубок из сотни проводов. При мультиплексировании хватает одного дешифратора-формирователя и одного набора резисторов. А индикаторы и выпускают сразу «галетами» по нескольку знаков, где одноимённые сегменты всех знаков уже соединены внутри.

	Статическая индикация	Мультиплексная
Дешифраторов и формирователей	по одному на знак	один на все знаки
Наборов резисторов	по одному на знак	один
Выводов у 8-знакового индикатора	57	15 (7 сегментов + 8 катодов)
Яркость при том же среднем токе	обычная	кажется выше: глаз сильнее реагирует на короткие вспышки
Ток сегмента в импульсе	равен среднему	в N раз больше среднего

Восьмизначному индикатору при мультиплексировании нужно 15 выводов (7 общих сегментных линий плюс по одному катоду или аноду на знак), при статической индикации — 57. Приятный побочный эффект: при одинаковой средней яркости мультиплексный индикатор кажется глазу ярче, чем непрерывно горящий, — глаз сильнее реагирует на короткие яркие вспышки.

Вот как это можно собрать из обычных КМОП-микросхем для самодельного частотомера на четыре знака.

123456789

Мультиплексный индикатор на четыре знака: двухразрядный счётчик перебирает знаки, мультиплексоры подают на общий дешифратор цифру выбранного знака, а дешифратор «1 из 4» через ключ подключает катод именно этого знака.

Что здесь что (9)

Генератор ≈ 800 Гц. например, триггер Шмитта 'HC14 с RC-цепью
Двухразрядный счётчик. половина 74HC393: номер знака k = 0…3 по кругу
Мультиплексоры 74HC153. две микросхемы по два канала 4 → 1: выбирают 4 бита знака k
Регистры знаков. хранят цифры (выходы счётчиков частотомера через буферный регистр)
Дешифратор 4511. двоично-десятичный код → 7 сегментов, с формирователем
Резисторы 7 × R. один набор на все знаки
Дешифратор «1 из 4» CD4555. высокий уровень на выходе k открывает ключ знака k
Ключи n-p-n. замыкают на землю катод светящегося знака
Индикатор. одноимённые сегменты всех знаков соединены

Один цикл развёртки

Генератор продвигает счётчик знаковk = 0, 1, 2, 3, 0, …
Мультиплексоры выбирают цифру знака kна общий дешифратор приходят его 4 бита
4511 зажигает нужные сегментына всех знаках сразу — но питание подано только одному
Дешифратор «1 из 4» открывает ключ знака kсветится только этот знак
Следующий такт — знак k + 1после 3 счётчик сам возвращается к 0: два разряда — ровно четыре состояния

Частота развёртки здесь — около 200 Гц на знак (800 Гц / 4), мерцания не видно. Счётчик из двух разрядов естественным образом пробегает ровно четыре состояния; для пяти, шести, восьми знаков берут счётчик с дешифратором (например, 4017 со сбросом на нужном выходе) или трёхразрядный двоичный счётчик и дешифратор «1 из 8». Мультиплексная индикация работает при любом разумном числе знаков и стоит практически во всех многоразрядных светодиодных табло вокруг нас.

Ток и резистор сегмента при мультиплексировании

I_{и} = N I_{ср}, R = \frac{U _{пит} - U _{L E D} - U _{форм} - U _{ключ}}{I _{и}}

Обозначения:

I_{и}

N

I_{ср}

U_{L E D}

U_{форм}, U_{ключ}

Ловушка. Ключ катода в момент, когда горят все сегменты знака, пропускает их суммарный импульсный ток — проверьте его допустимый ток и допустимый импульсный ток светодиода.

Модель: мультиплексный индикатор — токи, резистор, мерцание

Упражнение 8.7.4

Четырёхзначный индикатор с общими катодами и десятичными точками (8 сегментных линий) работает в мультиплексном режиме. Сколько соединений с индикатором нужно при мультиплексировании и при статической индикации (общий провод катодов — один)? Средний ток сегмента — 5 мА. Каков импульсный ток сегмента и сопротивление резистора, если питание 5 В, прямое напряжение красного светодиода 1,9 В, падение на выходе дешифратора 0,6 В, на ключе 0,2 В?

мультиплекс =линийстатика =линииимпульсный ток =мАR =Ом

Решение

Мультиплекс: 8 общих сегментных линий + 4 катода = 12. Статика: $4 \cdot 8 = 32$ сегментные линии + общий катод = 33.

Каждый знак горит четверть времени, поэтому импульсный ток $I_{и} = 4 \cdot 5 = 20$ мА. $R = (5 - 1, 9 - 0, 6 - 0, 2) /20 мА = 2, 3 В /20 мА = 115$ Ом (ближайший стандартный — 120 Ом). Ключ знака, на котором горит «8.», пропускает $8 \cdot 20 = 160$ мА — маленький транзистор в корпусе TO-92 это выдержит, а вот выход логической микросхемы — нет.

Многие БИС, рассчитанные на индикацию (счётчики, реле времени, часы), имеют мультиплексирование и формирователи прямо на кристалле. Есть и специальные БИС управления индикацией (например, 74C912), которые делают всю работу, прежде требовавшую набора микросхем средней интеграции. А в современном приборе ту же развёртку чаще всего ведёт микроконтроллер программой — схема ключей и резисторов при этом остаётся той же.

8.7.3Кварцевый привод синхронного двигателя

≈ 8 мин2 упр.

Главное

Кварц 2 МГц → 4-декадный умножитель частоты ( $n /1 0^{4}$ ) → деление на $2 \cdot 1 0^{4}$ : выход $n \cdot 0, 01$ Гц, 50,00 Гц при n = 5000.
Неравномерность умножителя после деления не видна: фазовая ошибка ≤ 0,5 мкс на период 20 мс.
Меандр → стабилизация амплитуды → ФНЧ Баттерворта 6-го порядка (≈ 80 Гц) → синусоида, 3-я гармоника ниже на 33 дБ.

Синхронный двигатель вращается строго в такт с питающим напряжением: сколько герц — столько и оборотов. Этим пользуются везде, где нужна точная скорость: в приводе диска проигрывателя, в часовых механизмах, в приводах телескопов. Но частота сети гуляет на десятые доли процента, а иногда скорость нужно менять. Решение — питать двигатель от собственного генератора, частота которого задаётся кварцем и устанавливается переключателями.

Возьмём проигрыватель грампластинок. Его синхронный двигатель рассчитан на 50 Гц при 33⅓ об/мин. Для 45 об/мин частоту нужно поднять в $45/33, 33 = 1, 35$ раза, до 67,5 Гц; диджею нужна ещё и плавная подстройка темпа на ±8 %. Нужен генератор синусоиды 40–75 Гц, частоту которого можно ставить с шагом 0,01 Гц и который держит её с кварцевой точностью.

123456789

Кварцевый привод синхронного двигателя проигрывателя: частота задаётся четырьмя декадными переключателями n, меандр превращается в синусоиду фильтром.

Что здесь что (9)

Кварц 2 МГц. стабильная опорная частота
Умножитель $n /1 0^{4}$ . четыре декадных '167: средняя частота $2 МГц \cdot n /1 0^{4}$ , импульсы неравномерны
Декадные делители. две 'HC390 — всего $\div 1 0^{4}$
Делитель на 2. делает симметричный меандр
Буфер. КМОП-выход от стабилизированного питания: амплитуда меандра не зависит от нагрузки
ФНЧ 6-го порядка. Баттерворт, срез ≈ 80 Гц: из меандра остаётся синусоида
Фазовращатель. вторая обмотка двигателя получает напряжение, сдвинутое на 90°
Усилитель. мощный усилитель и повышающий трансформатор до напряжения двигателя
Двигатель. вращается строго в такт с частотой

Как задаётся частота. Делитель на целое число здесь не подходит: из 2 МГц можно получить 50 Гц, но не 50,37 Гц. Нужен коэффициент, который меняется с шагом в сотые доли процента, — это работа умножителя частоты (см. раздел 8.6). Четырёхдекадный двоично-десятичный умножитель выдаёт импульсы со средней частотой $f_{кв} n /1 0^{4}$ , где n — четырёхзначное число на декадных переключателях передней панели. При n = 5000 это 1 МГц. Дальше четыре декадных делителя делят на $1 0^{4}$ , а последний триггер — ещё на 2, давая симметричный меандр.

Частота привода

f_{вых} = \frac{f _{кв} n}{1 0 ^{4} \cdot 1 0 ^{4} \cdot 2} = n \cdot 0, 01 Гц

Обозначения:

f_{кв}

n

1 0^{4}

1 0^{4} \cdot 2

Удобство в том, что переключатели прямо показывают частоту в виде xx.xx Гц: 50.00 — 33⅓ об/мин, 67.50 — 45 об/мин, а подстройка ±8 % — это просто n от 4600 до 5400 (на практике её делают отдельным реверсивным счётчиком, который прибавляется к n).

Куда девается неравномерность умножителя? Импульсы умножителя идут неровно, но каждый из них «опаздывает» или «спешит» не больше чем на один период входной частоты — 0,5 мкс. После деления на $2 \cdot 1 0^{4}$ эта ошибка фазы остаётся той же по абсолютной величине, а период стал 20 мс: относительная ошибка $2, 5 \cdot 1 0^{- 5}$ — двигатель её не заметит.

50,00 Гцn = 5000

67,50 Гцn = 6750

0,5 мксфазовая ошибка

−33 дБ3-я гармоника

Из меандра — синусоида. Двигателю нужен синус, а у нас прямоугольник. Сначала амплитуду меандра делают стабильной (буфер, питаемый от стабилизированного напряжения, или ограничитель на стабилитроне), чтобы от неё не зависела амплитуда на выходе. Затем фильтр нижних частот Баттерворта шестого порядка со срезом около 80 Гц «вычищает» из меандра высшие гармоники. В меандре есть только нечётные гармоники — 3-я, 5-я, … — с амплитудами 1/3, 1/5, … от основной; ближайшая к основной, 3-я, на 150 Гц ослабляется фильтром на 33 дБ, 5-я — ещё сильнее. На экране осциллографа выход фильтра выглядит идеальной синусоидой. Остаётся мощный усилитель с повышающим трансформатором и фазосдвигающая цепь для второй обмотки двигателя.

АЧХ фильтра Баттерворта 6-го порядка со срезом 79,5 Гц: основная частота проходит почти без потерь, 3-я гармоника меандра ослабляется на 33 дБ, 5-я — на 60 дБ.

Ловушка. Такой способ получения синусоиды хорош только при узком диапазоне частот: срез фильтра фиксирован. При 67,5 Гц основная уже теряет 0,6 дБ (6 % амплитуды), а при 40 Гц 3-я гармоника (120 Гц) проходит заметно сильнее. Для широкого диапазона берут фильтр с перестраиваемой частотой (на переключаемых конденсаторах, тактируемый от того же делителя) или цифровой синтез синусоиды.

Фильтр собран из трёх звеньев Саллена — Ки (раздел 5.2) с одинаковыми резисторами и конденсаторами. У такого звена частоту среза задают R и C, а форму АЧХ — усиление K: чем больше K, тем выше добротность звена. Три звена с разными K вместе дают характеристику Баттерворта.

Звено фильтра

K = 1 + \frac{R _{f}}{R _{g}}

Обозначения:

K

R_{f}, R_{g}

Для Баттерворта 6-го порядка нужны K = 1,068, 1,586 и 2,483 (добротности 0,52, 0,71 и 1,93).

123456

Одно звено фильтра — схема Саллена — Ки с равными R и C и усилением K = 1 + R_f/R_g (у трёх звеньев R_f/R_g = 6,81к/100к, 5,9к/10к, 14,7к/10к).

Что здесь что (6)

R = 91 кОм. вместе с C задаёт частоту среза $f_{c} = 1/2 π RC \approx 79, 5$ Гц
C на выход. положительная обратная связь — поднимает АЧХ у среза
C на землю. второй полюс звена
ОУ ½ TL072. неинвертирующий усилитель с усилением K
R_g. задаёт K вместе с R_f
R_f. $K = 1 + R_{f} / R_{g}$

Упражнение 8.7.5

Тем же генератором решили питать часовой привод любительского телескопа: двигатель делает оборот за сутки при 50 Гц, а чтобы следить за звёздами, он должен идти быстрее в отношении $366, 2422/365, 2422$ (звёздные сутки короче солнечных). Какое n поставить на переключателях (шаг 0,01 Гц)? Какова при этом относительная ошибка скорости в миллионных долях (ppm)?

n =ошибка =ppm

Решение

Нужная частота $50 \cdot 366, 2422/365, 2422 = 50, 13690$ Гц, т. е. $n = 5013, 69$ — округляем до 5014 (50,14 Гц). Ошибка $50, 14/50, 13690 - 1 \approx 6, 2 \cdot 1 0^{- 5}$ = 62 ppm. За 8 часов наблюдений это $62 \cdot 1 0^{- 6} \cdot 28800 с \approx 1, 8$ с времени, т. е. около 27 угловых секунд ухода — для визуальных наблюдений терпимо, для фотографии с длинной выдержкой уже нет. Нужен ещё один декадный разряд умножителя (шаг 0,001 Гц).

Упражнение 8.7.6

Звенья фильтра — схемы Саллена — Ки с R = 91 кОм и C = 22 нФ. Найдите частоту среза $f_{c} = 1/2 π RC$ . Во сколько децибел фильтр Баттерворта 6-го порядка с этой частотой среза ослабит 3-ю гармонику меандра 50 Гц? Каким (в процентах) окажется отношение 3-й гармоники к основной на выходе фильтра?

f_c =Гцослабление =дБ3-я / основная =%

Решение

$f_{c} = 1/ (2 π \cdot 91 \cdot 1 0^{3} \cdot 22 \cdot 1 0^{- 9}) = 79, 5$ Гц. АЧХ Баттерворта n-го порядка $∣ H ∣ = 1/ 1 + (f / f_{c})^{2 n}$ , здесь $2 n = 12$ . На 150 Гц: $(150/79, 5)^{12} \approx 2040$ , $∣ H ∣ \approx 0, 0222$ , т. е. −33,1 дБ. На 50 Гц $∣ H ∣ = 0, 998$ — основная проходит почти без потерь.

В меандре 3-я гармоника составляет 1/3 основной, после фильтра — $\frac{1}{3} \cdot 0, 0222/0, 998 \approx 0, 74 %$ . При 67,5 Гц 3-я гармоника (202,5 Гц) ослабляется уже на 48,7 дБ, и её доля падает до 0,13 %; зато при частоте 46 Гц (33⅓ об/мин и −8 %) доля вырастает до 1,2 %. Двигателю это безразлично, а вот трансформатор и усилитель лучше рассчитывать с запасом.

8.7.4Генератор пачки из N импульсов

≈ 7 мин2 упр.

Главное

По пуску выдаёт ровно N импульсов выбранной частоты (1 МГц … 100 Гц от кварца через декадные делители).
Триггер №1 запоминает асинхронный пуск, триггер №2 привязывает начало к такту — первый импульс целый.
Вычитающий счётчик отсчитывает N и по нулю сбрасывает оба триггера; пока ждём, он держится в загрузке.

Проверить счётчик оборотов, драйвер шагового двигателя или программу, которая считает импульсы, проще всего, подав ей точно известное число импульсов: «вот тебе ровно 250, сколько насчитала?». Генератор пачки из N импульсов — небольшой, но очень полезный лабораторный прибор. По кнопке или внешнему сигналу пуска он выдаёт N импульсов с частотой, выбранной из ряда, и замолкает до следующего пуска.

Главная трудность — в стыке двух миров. Пуск приходит когда угодно, а импульсы идут от кварцевого генератора. Если просто открыть вентиль в момент пуска, первый импульс почти наверняка окажется обрезком, а последний — тоже, если закрыть вентиль невовремя. А счётчик может такие обрезки сосчитать или не сосчитать.

12345678

Генератор пачки из N импульсов (упрощённо, без переключателей N и выходного каскада): триггер №1 запоминает пуск и снимает загрузку, триггер №2 по спаду такта открывает вентиль, вычитающий счётчик по нулю сбрасывает оба триггера.

Что здесь что (8)

Кварц 1 МГц. опорная частота
Декадные делители. две 'HC390: 1 МГц, 100 кГц, 10 кГц, 1 кГц, 100 Гц
Вход пуска 'HC14. триггер Шмитта: медленный или звенящий фронт пуска не даст двойного срабатывания
Триггер №1. запоминает сам факт пуска: короткий импульс не потеряется
Триггер №2. тактируется спадом такта: открывает вентиль только в низкой фазе
Вентиль И. пропускает такт на выход и на счётчик, пока Q2 = 1
Счётчики 'HC192. три декады, вычитание: отсчитывают N импульсов
Ноль → сброс. сигнал заёма TCD сбрасывает оба триггера

Как работает генератор пачки

ОжиданиеQ1 = 0 держит счётчики в загрузке: в них всё время число N с переключателей
Пускфронт пуска устанавливает триггер №1: загрузка снимается
Привязка к тактуближайший спад такта переписывает 1 в триггер №2 — вентиль открывается, пока такт низкий
Пачкачерез вентиль идут целые импульсы; каждый уменьшает содержимое счётчиков на 1
Нольпосле спада N-го импульса TCD сбрасывает оба триггера: вентиль закрыт, счётчики снова загружены

Почему триггеров два. Триггер №1 — «память о пуске»: он ловит фронт пуска, даже очень короткий, и снимает с вычитающих счётчиков 74HC192 сигнал параллельной загрузки. Но его выход меняется в произвольный момент периода такта, и открывать им вентиль нельзя. Триггер №2 переписывает его состояние по спаду такта, то есть в момент, когда такт заведомо низкий и вентиль ничего не пропускает. Следующий фронт такта уже целиком проходит на выход — первый импульс пачки полный. Такая пара триггеров — частный случай синхронизатора из раздела 8.4.

Почему импульсов ровно N. Счётчики загружены числом N и вычитают единицу по фронту каждого пропущенного импульса. Выход заёма TCD у '192 становится низким, когда счётчик стоит на нуле и счётный вход низкий, — т. е. сразу после спада N-го импульса, в низкой фазе такта. Он сбрасывает оба триггера, вентиль закрывается раньше, чем придёт (N + 1)-й фронт. Q1 = 0 тут же включает загрузку, счётчик перестаёт быть нулём, и TCD возвращается в 1.

Ловушка. Импульс сброса здесь «самоуничтожающийся», как в упражнении про '161 выше: он кончается, как только сработала загрузка. Спасает порядок событий: загрузка начинается только после того, как сбросился триггер №1, так что импульс заведомо длиннее времени сброса триггера. Такие места всегда проверяйте по максимальным и минимальным задержкам — подробнее в разделе 8.8.

Ловушка. Кнопку ручного пуска обязательно очищают от дребезга (переключающий контакт и RS-триггер на двух вентилях): она тактирует триггер, и каждый «отскок» контакта был бы новым пуском. Переключателю «непрерывно», который просто держит триггер №1 установленным, защита не нужна. Переключатели числа N здесь подключены с подтяжкой к земле и дают прямой код (в отличие от делителя на '163 выше).

Выходной каскад. Генератор будет работать на кабель и чужие входы, поэтому выход нужно сделать «крепким». Простейший приём — запараллелить несколько инверторов одной микросхемы: пара 'HC04 даёт не меньше ±10 мА при уровнях, отстоящих от шин питания не более чем на 0,3 В. Нужен больший ток — ставят 'AC04: пара даёт до ±50 мА при тех же уровнях.

Если проверяемая схема питается не от +5 В, понадобится второй выход с другим уровнем. КМОП 4000B и 74C работают от 3 до 15 В (часто прямо от батареи 9 В), серия HC — от 2 до 6 В, предложен и стандарт +3,3 В (JEDEC № 8). Для такого выхода ставят преобразователь уровня — 40109, 14504 или LTC1045: их выходной каскад питается от второго источника, напряжение которого может быть выше или ниже +5 В, и даёт чистые КМОП-уровни этого источника.

±10 мАпара 'HC04

±50 мАпара 'AC04

3–15 В4000B, 74C

2–6 ВHC

40109, 14504, LTC1045преобразователи уровней

Упражнение 8.7.7

Генератор настроен на 10 кГц и N = 250. Сколько длится пачка (N полных периодов)? Выходной каскад сделали из четырёх запараллеленных инверторов 'HC04; каждый из них при токе 5 мА отклоняется от шины питания не больше чем на 0,3 В. Каково выходное сопротивление каскада и какую амплитуду он даст на нагрузке 50 Ом при размахе 5 В? Какой будет амплитуда, если поставить пару 'AC04 (±50 мА при тех же 0,3 В)?

пачка =мсR_вых =Омна 50 Ом, HC =Вна 50 Ом, AC =В

Решение

250 периодов по 100 мкс — 25 мс. Один инвертор: $R \leq 0, 3 В /5 мА = 60$ Ом; четыре параллельно — 15 Ом. На 50 Ом: $5 \cdot 50/ (50 + 15) \approx 3, 85$ В. Пара 'AC04: $R = 0, 3/0, 05 = 6$ Ом, $5 \cdot 50/56 \approx 4, 46$ В. (Оценка грубая: при больших токах выходные транзисторы уже не ведут себя как резисторы, а ток 77 мА на четыре инвертора 'HC04 — это за пределами допустимого, так что для 50-омной нагрузки выбор очевиден.)

Упражнение 8.7.8 проектирование

Нарисуйте временную диаграмму генератора пачки для случая, когда пуск приходит в середине высокой фазы такта, а N = 3. Покажите, что получилось бы, если бы вентиль открывался прямо триггером №1, и почему триггер №2 тактируется именно спадом. Что изменится, если тактировать его фронтом?

Решение

Пуск в середине высокой фазы сразу ставит Q1 = 1. Если бы вентиль открывал Q1, на выход немедленно прошёл бы остаток текущего высокого полупериода — обрезок произвольной длины; счётчик, тактируемый тем же сигналом, мог бы его сосчитать (если обрезок длиннее минимальной длительности импульса) или нет. В первом случае пачка оказалась бы из двух целых импульсов и обрезка.

Триггер №2, тактируемый спадом, перепишет Q1 только в конце этого высокого полупериода. После спада такт низкий, Q2 = 1, вентиль открыт, но на выходе 0. Следующие три полных высоких полупериода проходят на выход; после спада третьего счётчик стоит на нуле при низком счётном входе — TCD сбрасывает триггеры, вентиль закрывается в низкой фазе. На выходе ровно три целых импульса.

Если тактировать триггер №2 фронтом, Q2 станет 1 через задержку триггера после фронта, когда такт уже высокий: вентиль пропустит импульс без его начала — обрезок, укороченный на задержку триггера (порядка 15–20 нс). При частоте 1 МГц это 2–4 % длительности и, может быть, безвредно; при более высокой частоте — нет. Для схемы с вентилем И правильный момент переключения — по противоположному перепаду (с вентилем И-НЕ и инверсным выходом — по-другому, но правило то же: разрешение меняется, когда пропускаемый сигнал неактивен).