Цифровой преобразователь частоты

Импульсы со стабильной частотой повторения обычно формируют из сигнала кварцевого генератора с помощью делителя, понижающего его частоту в требуемое (чаше всего целое) число раз. Однако нередки случаи, когда из-за отсутствия нужного кварцевого резонатора отношение исходной и требуемой частот получается не целым, и тогда приходится использовать делители с дробным коэффициентом пересчета [1, 2]. Правда, период формируемых ими колебаний непостоянен, но в некоторых приборах это не имеет значения.

Вниманию читателей предлагается еще один вариант подобного устройства, принцип действия которого заключается в следующем. Если представить частоту сигнала генератора f в виде суммы требуемого значения fo и абсолютной ошибки dt, то для получения частоты fo достаточно выполнить операцию вычитания: fo=f-df. Практически она сводится к устранению из последовательности импульсов с частотой следования f каждого импульса с номером n=f/df, округленным до ближайшего целого. Например, если f=10147 кГц, a fo=10000 кГц, то df =147 кГц и n=10147/147=69,27, т. е. 69. Следовательно, исключив из исходной последовательности каждый 69-й импульс, получим fo=f-f/69==10147- 10147/69=9999,943 кГц. При этом относительная ошибка из-за округления номера устраняемого импульса равна -5,7*10-6 и может быть легко устранена подстройкой генератора.

Структурная схема преобразователя частоты, реализующего такой способ, изображена на рис. 1. Счетчик D1, дешифратор D2 и генератор импульса сброса и блокировки G2 образуют делитель частоты с коэффициентом пересчета n. При поступлении с кварцевого генератора G1 импульса с номером п на выходе дешифратора D2 появляется сигнал, включающий генератор G2. Вырабатываемый им одиночный импульс приходит на один из входов ключа D3, блокируя его, и одновременно устанавливает в нулевое состояние счетчик D1. Линия задержки DT1 задерживает импульсы кварцевого генератора G1 на время, равное или несколько большее задержки срабатывания узлов делителя. Это обеспечивает одновременное поступление сигналов на входы ключа D3, и если длительность импульса генератора G2 достаточна, импульс с номером n из последовательности исключается. После этого начинается новый цикл работы преобразователя.

Принципиальная схема преобразователя импульсов кварцевого генератора с частотой следования f=10143,57 кГц при n=68 показана на рис. 2. Кварцевый генератор выполнен на элементе DD1.1 по схеме, описанной в [3]. Элемент DD1.2 - буферный. Счетчик выполнен на микросхемах DD2, DD3, дешифратор - на элементе DD4. Задержку прохождения импульсов кварцевого генератора на ключ DD1.4 обеспечивает цепь R2C2. Время задержки (t=R2С2) при указанных на схеме номиналах примерно равно 16 нс. Генератор импульса сброса и блокировки в явном виде отсутствует. Его функцию выполняют соединенные соответствующим образом элемент DD1.3 и микросхемы DD2 - DD4.

Работу преобразователя поясняет временная диаграмма, представленная на рис.3. К моменту поступления на входы счетчика DD2 и дешифратора DD4 68-го импульса генератора (рис. 3, а) на всех входах дешифратора устанавливается уровень 1 (рис. 3, в-д) и с задержкой на время включения (tз.DD4) на его выходе возникает уровень 0 (рис. 3,е), воздействующий на один из входов ключа DD1.4. Благодаря задержке на время т, примерно равное tз.DD4, на другой вход ключа одновременно поступает 68-й импульс генератора (рис. 3, б), однако на выход устройства он не проходит, так как ключ закрыт (рис. 3, з).

Через время задержки tз.DD1.3 переключен и и элемента DD1.3 на входах RO счетчиков DD2, DD3 возникает уровень 1 (рис. 3, ж) и по прошествии времени tз.сброса счетчики устанавливаются в нулевое состояние. В результате через время переключения tз.DD4 на выходе дешифратора DD4 снова появляется уровень 1 (рис. 3,е) и ключ открывается.

Длительность импульса блокировки ключа определяется суммарным временем задержки tз.DD1.3+tз.сброса+tз.DD4 и в описываемом случае равна примерно 60 нс. Этого достаточно для исключения из последовательности импульса длительностью около 50 нс.

Значения частоты выходного сигнала, полученного из импульсов кварцевого генератора с частотой следования f= 10 143,57 кГц при четырех вариантах

соединения входов дешифратора с выходами счетчика, соответствующих n=67, 68, 70, 71, сведены в таблицу, где dt - частота следования блокирующих импульсов на выходе дешифратора (для измерений использовался частотомер Ч3-33). Как видно, значение частоты, наиболее близкое к требуемому (10000 кГц) получается при n=71 (дальнейшего понижения частоты добиваются подбором конденсатора С1).

При длительности импульсов кварцевого генератора, большей длительности блокирующих, исключаемые импульсы частично пройдут на выход устройства и сорвут процесс получения сигнала необходимой частоты. Наиболее простой способ устранения этого недостатка - увеличение скважности импульсов, поступающих с генератора. Преобразователь скважности можно выполнить по схеме, изображенной на рис.4 и описанной в [4]. Временная диаграмма его работы показана на рис.5. Устройство включают между элементами DD1.1 и DD1.2 преобразователя частоты. Импульсы на выходе элемента DD1.2 в этом случае будут иметь длительность, равную суммарному времени задержки элементов DD5.1- DD5.3 (45...55 нс) при любой частоте кварцевого генератора.

рис.4

рис.5

Описываемый преобразователь частоты обладает широкими дополнительными возможностями. Используя полностью счетчик и дешифратор, можно блокировать каждый 2-256-й импульс, т. е. изменять коэффициент деления от 2 до 1'/256, и, варьируя емкостью счетчика и включая последовательно несколько преобразователей, получать точные значения и более низких частот при наименьших затратах.

Устройство можно использовать в качестве "расщепителя" входной частоты на две составляющие: fo и df. При этом импульсы, снимаемые с выхода дешифратора, будут иметь постоянный период следования, а коэффициент деления частоты сигнала кварцевого генератора будет равен f/df. Установив логические ключи между выходами счетчика и входами дешифратора, можно непосредственно сигналами двоичного кода управлять коэффициентом деления устройства и использовать его в преобразователях код-частота, в частотных модуляторах и т. д.

Преобразователь можно с успехом применить и для дробного умножения частоты (в не целое число раз), реализовав операцию сложения fo=f+df. Для этого необходимо каждый импульс с номером n=f/df "разрезать" на две части, добавив таким образом дополнительные импульсы к исходной последовательности. Получить нужный режим работы очень просто: достаточно цепь задержки R2C2 перенести в цепь, по которой импульсы с выхода дешифратора DD4 поступают на вывод 12 элемента DD1.4. В этом случае импульс блокировки должен быть короче импульса генератора не менее чем на 70...100 нс (для микросхем серии К155). При малой длительности импульсов генератора вместо элемента DD1.2 включают преобразователь скважности (рис. 4). Временная диаграмма работы устройства в этом случае представлена на рис. 6. В режиме умножения преобразователь был проверен с кварцевым резонатором на частоту f=1014,36 кГц: при n=68 получена частота fo=1029,277 кГц.

рис. 6

Следует иметь в виду, что для надежной работы преобразователя возможно потребуется подбор времени задержки т в интервале 10...30 нс.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бирюков С. А. Радиолюбительские цифровые устройства.- М.: Радио и связь, 1982, с. 16.
2. Илиодоров В. Дробные делители и умножители частоты.- Радио, 1981, № 9, с. 59.
3. Башканков П. Кварцевый генератор.- Радио. 1981, № 1, с. 60.
4. Батушев В. А., Вениаминов В. Н., Ковалев В. Г. и др. Микросхемы и их применение,- М.: Энергия, 1978, с. 292

РАДИО № 3. 1987 г., с.47-48.