ЦИФРОВОЙ ОДНОВИБРАТОР В ЦИФРОВОЙ ШКАЛЕ
А.УВАРОВ, г.Белгород.
Вопрос конструирования цифровых шкал для КВ-трансивера или приемника по-прежнему остается весьма актуальным. Сейчас, когда цифровая техника перестала быть чем-то экзотическим, радиолюбители вполне успешно конструируют собственные или дорабатывают уже опубликованные схемы.
В данной статье рассматривается один из малоизвестных способов построения цифровых шкал, и предлагается вариант способа вычитания (суммирования) значения промежуточной частоты из результата измерений. Кроме того, описанный ниже узел можно ввести в состав любого ТТЛ- или КМОП-частотомера, превратив его в цифровую шкалу.
Если разобрать сущность процесса измерения частоты, нетрудно заметить, что для вычета значения ПЧ из результатов измерения достаточно "не посчитать" количество импульсов, численно равное значению ПЧ с учетом разрешающей способности шкалы. Так, при промежуточной частоте 5 МГц и разрешающей способности 1 кГц потребуется пропустить 5000 импульсов. Если частота гетеродина ниже частоты сигнала, наоборот, потребуется сосчитать "лишних" 5000 импульсов. Проще всего это сделать, изменяя промежуток счета импульсов. Наиболее высокую точность в реализации этого метода позволяет достичь применение цифрового одновибратора.
Схема цифрового одновибратора с перезапуском показана на рис.1, и там же приведены временные диаграммы, иллюстрирующие его работу. Вход R счетчика является входом запуска одновибратора. При подаче на него логической "1" счетчик обнуляется, и счет импульсов не происходит. Логический "О" на выходе 8 счетчика разрешает прохождение тактовых импульсов через элемент ИЛИ на вход С счетчика. По снятии импульсов запуска счетчик начинает подсчет импульсов, и по спаду 8-го импульса на выходе 8 появляется логическая "1", которая запрещает прохождение тактовых импульсов через элемент ИЛИ на вход С. В таком состоянии одновибратор находится до прихода следующего запускающего импульса. Длительность сформированного импульса tu лежит в пределах от 7 до 8 (в данном случае 8) периодов тактовой частоты. Однако интереснее то, что интервал, определяющийся импульсом запуска, оказался затянут ровно на время прохождения 8 импульсов. Частота тактовой последовательности при этом роли не играет и может меняться в широких пределах.
Рис. 1
Таким образом, для вычитания значения ПЧ достаточно затянуть интервал индикации, а для суммирования - интервал измерения. Данный способ построения цифровой шкалы пригоден для любых аппаратов с преобразованием частоты вниз. К аппаратам с преобразованием частоты вверх (например, инфрадинные приемники) данный способ неприменим.
Рассмотрим структурную схему цифровой шкалы с одновибратором для КВ-аппарата (рис.2), частота гетеродина которого выше частоты принимаемого сигнала. Радиолюбители, имеющие опыт конструирования частотомеров, заметят, что исключив одновибратор G1 и инвертор Инв. и соединив точки 3 и 4, можно получить классический электронно-счетный частотомер.
Рис.2
Формирователь импульсов ФИ преобразует входной синусоидальный сигнал с частотой гетеродина в последовательность прямоугольных импульсов (меандр), которые подаются на один из входов элемента И-НЕ, выполняющего роль электронного ключа ЭК. Формирователь временных интервалов ФВИ формирует сигнал управления счетом, импульсы сброса и т.п. Обычно положительный импульс определяет время счета, а отрицательный - время индикации. Одновибратор G1 включен таким образом, что сигнал с ФВИ является для него входным, а измеряемая частота - тактовым. Отрицательный импульс, соответствующий времени индикации, благодаря инвертору Инв., устанавливает одновибратор в нулевое состояние, электронный ключ ЭК закрывается, и по истечении времени индикации положительный импульс с выхода ФВИ разрешает работу одновибратора и, соответственно, счет импульсов. По приходе заданного количества импульсов N одновибратор переходит в единичное состояние и открывает электронный ключ ЭК, формируя измерительный интервал. Количество импульсов, зафиксированное счетчиками, окажется на N меньше, чем зафиксированное обычным частотомером с той же разрешающей способностью. Следовательно, произошло вычитание значения ПЧ. Если,например, в аппарате частота гетеродина ниже частоты принимаемого сигнала, инвертор Инв. следует исключить, присоединив вход одновибратора непосредственно к выходу ФВИ и заменив элемент И-НЕ электронного ключа на ИЛИ-НЕ, либо включить инвертор в цепь выхода одновибратора.
Для практического применения в новых разработках предлагается вариант схемы на ИМС КМОП-логики. Применение КМОП-микросхем обусловлено рядом причин, основная из которых- наличие в серии К561 счетчиков с коэффициентом деления до 2 , что позволяет, используя всего одну ИС, вычитать (складывать) до 16384 импульсов. Неплохим решением является исполнение цифровой шкалы полностью на КМОП ИМС, с понижением входной частоты ТТЛ-или ЭСЛ-делителем. В этом случае оптимальным будет деление частоты на 20. При времени измерения 0,5 с разрешающая способность составит 100 Гц.
Предлагаемая схема (рис.3) рассчитана на применение в составе шкалы с указанной разрешающей способностью.
Рис.3
Назначение инвертора DD1.3 следует описать более подробно. На первый взгляд, он избыточен, и во многом так оно и есть. Однако если тактовая последовательность имеет большую скважность, или частоту, близкую к предельной (свыше 1 МГц), момент спада последнего импульса на входе С и момент появления логической "1" на выходе одновибратора нельзя считать одновременными, поэтому в процессе запирания элемента DD1.2 при отсутствии инвертора DD1.3 имеется возможность появления "паразитного" отрицательного перепада, который установит одновибратор в нулевое состояние, и счетчики продолжат счет как ни в чем не бывало. Если на тактовый вход подается меандр с частотой до 1 МГц, инвертор DD1.3 можно исключить.
Отдельно следует остановиться на подключении диодов для других значений ПЧ, либо другой разрешающей способности шкалы. Прежде всего необходимо определить число импульсов, соответствующих значению ПЧ для данной разрешающей способности. Например, для ПЧ=10,7 МГц при разрешающей способности 1 кГц количество импульсов составит 10700, что теоретически позволяет обойтись только одним счетчиком в схеме на рис.3. Далее это число необходимо перевести в двоичный код любым удобным способом-1070010 = 101000001111002. Диоды следует подключить к тем разрядам счетчика, для которых в двоичном числе записана 1. В данном примере, для 10700 -это 22,23,24,25,211,213. Так как примененная на рис.3 микросхема К561ИЕ16 не имеет выходов младших разрядов, параллельно ей следует подключить любой четырехразрядный счетчик, например, К561ИЕ10 [1] (именно поэтому выше было указано, что схема теоретически может быть реализована на одной микросхеме). Для использования описанной схемы в аппарате с "нижним" гетеродином необходимо исключить инвертор DD1.1 из цепи входа, включив его в разрыв цепи выхода.
Рис.4
На рис.4 представлена универсальная схема, в которой тип гетеродина выбирается переключателем SA1. Параметры схемы - такие же, как и на рис.3. Отдельно следует коснуться вопроса применения описанных узлов в ТТЛ-частотомерах. При одинаковом напряжении питания КМОП-микросхемы достаточно неплохо сопрягаются с ИМС ТТЛ-серий. В таких ситуациях лучше применять микросхемы серий К1561 и К561 (зарубежные аналоги - CD4xxxB и CD4xxxA), а от применения серии К176 (CD4xxx) лучше отказаться. Если входы схемы на рис.3 и 4 сопрягаются с выходами ТТЛ без особых трудностей, то подключение входа ТТЛ к выходу диодно-резисторного элемента 6И нежелательно, поэтому выход одновибратора следует развязать от ТТЛ-входа неинвертирующим буфером или двумя последовательно включенными инверторами.
Не исключается также применение специализированных микросхем преобразователей уровня. От сопряжения КМОП-ЭСЛ также лучше воздержаться (что не исключает обратного сопряжения ЭСЛ-КМОП, например, от ЭСЛ-входного делителя).
Автор с удовольствием ответит на вопросы по темам, поднятым в статье. Вопросы направлять по адресу: 308015 г.Белгород, ул. Гостенская, д. 1, кв. 233, вложив в письмо конверт с обратным адресом.
Литература
1. Бирюков С.А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах. - М.: Радио и связь, 1996, С.48.
РЛ. КВ-УКВ. 2/2002.