Делитель частоты (1731)

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего

профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Институт   -   Физико-технический

Направление (специальность)   -  Ядерные физика и технологии

Кафедра - Физико-энергетические установки

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой  проект по курсу «Электроника»

«Делитель частоты»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент     гр.0А15             ____________________                 Ревенко А.Е.

^{(подпись)}

    ____________________

^(дата)

Руководитель            _____________________                Шарнин  А.В.

    ассистент        ^{(подпись)}                          

кафедры ЭАФУ             ____________________

^(дата)

 

 

 

 

 

 

Томск -  2013

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра ЭАФУ

                                                                                          УТВЕРЖДАЮ

Заведующий

кафедрой  ЭАФУ

_________С.Н.  Ливенцов

« 22 ”    февраля      2013

 

                                                  ЗАДАНИЕ

на выполнение курсового проекта по курсу «Электротехника  и электроника»

Студенту  группы 0А15    Ревенко А.Е.

1. Тема курсового проекта Разработка электрической принципиальной схемы делителя частоты
2. Последний срок сдачи студентом готового проекта 31 мая 2013 г.
3. Исходные данные к проекту
1. Входной сигнал: импульсы ТТЛ, максимальная частота следования импульсов 4 МГц, скважность 9, длительность фронта импульса  ≥ 10 нс.
2. Выходные сигналы: двоичный код и синхросигнал, логика КМОП.
3. Коэффициент деления разрабатываемого устройства: 1731.
4. Необходимо обеспечить гальваническую развязку входного сигнала.
5. Питание разрабатываемого устройства должно осуществляться от сети переменного тока 220 В, 50 Гц.
4. Содержание текстового документа должно удовлетворять действующим ГОСТам, стандарту организации и содержать следующие разделы:
1. Обзор литературы по теме проекта.
2. Разработка и обоснование функциональной схемы устройства.
3. Разработка полной принципиальной схемы устройства.
4. Выбор элементной базы.
5. Расчет элементов принципиальной схемы устройства.
5. Перечень графического материала:
1. Функциональная схема устройства.
2. Полная электрическая принципиальная схема устройства.
3. Перечень элементов.

 

6. Дата выдачи на выполнение курсового проекта 22 февраля 2013 г.

Руководитель

ассистент кафедры ЭАФУ ________________ А.В. Шарнин

 

22 февраля 2013 г.

Задание принял

к исполнению   ________________ ______________

(подпись)   (Ф.И.О.)

 

________________

(дата)

 

Реферат

Курсовой проект 26 с., 16 рис., 8 табл., 10 источников, 3 прил.

Ключевые  слова: СЧЕТЧИК, ОПТОПАРА, УСИЛИТЕЛЬ, КОЭФФИЦИЕНТ ДЕЛЕНИЯ, ТРАНСФОРМАТОР, ВЫПРЯМИТЕЛЬ ТОКА, ФИЛЬТР, СТАБИЛИЗАТОР.

Заданием является разработка и  обоснование функциональной и принципиальной схемы устройства, подборка и расчет элементов принципиальной схемы.

Цель работы - создать делитель частоты с коэффициентом деления 1731, удовлетворяющий требованиям технического задания.

В процессе работы рассмотрен делитель частоты, разработаны функциональная и принципиальная схемы, произведены расчеты блока питания и других устройств  принципиальной схемы.

Результатом работы является делитель частоты с коэффициентом деления сигнала - 1731 и блок питания, работающий от сети 220 В. 

Оглавление

Задание 2

Реферат 4

Введение 6

1 Обзор литературы 7

2 Разработка функциональной схемы 11

3 Разработка полной принципиальной схемы 12

4 Расчет и выбор элементов принципиальной схемы устройства 17

4.1 Расчет  источника питания для счетчика 20

4.2 Расчет  источника питания для гальванической  развязки и операционного усилителя 24

4.3 Расчет  остальных устройств принципиальной  схемы 28

Заключение………………………………………………………………………….29

 

Список используемой литературы………………………………………………...30

 

Приложение А. Полная функциональная схема………………………………….31

 

Приложение Б. Принципиальная схема  делителя частоты……………………...32

 

Приложение В. Принципиальная схема  блока питания…………………………33

 

Приложение Г. Спецификация…………………………………………………….34

 

 

 

Введение

Делители  частоты в настоящее время  получили очень широкое распространение  в самых разнообразных видах  радиоэлектронной аппаратуры.

Синтезаторы частоты, кварцевые и атомные  часы, телевизионные устройства синхронизации  генераторов развёрток, частотомеры  и др.– вот далеко не полный перечень областей применения делителей частоты.

Появление первых разработок делителей частоты  относится к 20-м годам XX века.

В электронике  и электротехнике делитель частоты  – это электронное устройство, уменьшающее в целое число  раз частоту подводимых к нему периодических колебаний.

Гигантское  количество логических элементов, необходимое  для построения современной вычислительной машины, привели к необходимости  миниатюризации элементной базы. Так  возникла микроэлектроника, технологические  возможности которой позволяют  на сегодняшнем уровне ее развития размещать на одном кристалле  полупроводника сотни и более  активных и пассивных радиоэлементов. Появление логических интегральных микросхем, первоначально предназначенных  для создания вычислительных машин, отразилось на принципах конструирования  других видов электронной аппаратуры: радио и проводной связи, радиолокации, измерительной техники и т. п. Цифровые (логические) принципы стали  частично или полностью вытеснять  аналоговые [1].

 

1 Обзор литературы

Делителем частоты называется электронное  устройство, уменьшающее в целое  число раз частоту подводимых к нему периодических колебаний.

Цифровые последовательные устройства, выполненные по схеме счетчика, но имеющие один счетный вход и один выход называются делителями частоты. Иными словами, делитель частоты  есть электронное устройство, реализующее  функцию:

(1)

 

 

где f_вх и Т_вх - частота и период входного сигнала; f_вых – частота выходного сигнала делителя; К– коэффициент деления.

Основной  параметр – коэффициент деления  частоты К, определяемый как отношение частоты входного сигнала к частоте выходного:

 

Коэффициент деления К может иметь постоянное или переменное значение.

Цифровой делитель частоты —  это счетное устройство, формирующее  на выходе импульсную последовательность с частотой в N раз меньшей, чем частота следования входных импульсов [2].

Для построения делителей частоты с требуемым  коэффициентом деления используется комбинация соответствующего числа  двоичных разрядов с нужным числом прямых, дополнительных обратных прямых связей . Прямой называют такую связь, которая осуществляется между выходом разряда с номером i-1 и одним из входов разряда с номером большего i-го. Обратными называют такие связи, которые осуществляются от последующих к предыдущим разрядам (рисунок 1).

 

Рисунок 1 – Схема осуществления связей между разрядами

Под импульсом будем понимать потенциальный  уровень логической 1, а под паузой - уровень логического 0. Для построения счетного устройства, работающего в двоичной, десятичной и других системах счисления, применяются двоичные (бинарные) элементы, количество которых определяется числом разрядов коэффициента деления, выраженного в двоичной системе счисления.

Процесс поступления импульсов  на вход делителя непрерывен, что приводит к непрерывному поочерёдному изменению  состояний всех разрядов. Количество устойчивых состояний делителя равно  его коэффициенту деления. В качестве разрядов используются триггеры различных  типов. Наиболее широкое применение находят комбинированные триггеры. В ряде случаев используются RS- и  Т-триггеры.

В зависимости от способа запуска  двоичных разрядов различают асинхронные, синхронные и комбинированные делители частоты.

В асинхронных делителях первый разряд переключается входной импульсной последовательностью, а все последующие  разряды переключаются от предыдущих (рисунок 2).

 

Рисунок 2 – Схема запуска двоичных разрядов асинхронного делителя

В синхронных делителях входная импульсная последовательность поступает на все разряды одновременно (рисунок 3).

 

 

Рисунок 3 – Схема запуска двоичных разрядов синхронного делителя

 

Комбинированные делители частоты представляют собой  совокупность асинхронных и синхронных делителей (рисунок 4).

 

 

Рисунок 4 – Схема запуска двоичных разрядов комбинированного делителя

 

Для построения делителей с большими коэффициентами деления можно использовать делители с малыми коэффициентами деления  путем их соответствующего соединения. При этом различают последовательное параллельное и смешанное соединения делителей.

При последовательном соединении выход  одного делителя подключают к входу  второго, выход второго к входу  третьего и т.д. (рисунок 5).

 

 

Рисунок 5 – Схема последовательного соединения делителей

В этом случае общий коэффициент  деления равен произведению коэффициентов деления всех делителей К_д1,К_д2,…К_дn. Существенным недостатком последовательного соединения делителей является накапливание времени запаздывания выходных импульсов относительно входных.

Основными характеристиками делителей  являются коэффициент деления (Кд), быстродействие делителя (f_вх.^мах), потребляемая мощность (Р).

Быстродействие делителя характеризуется  максимальной (предельной) частотой следования импульсов на входе делителя, при которой сохраняется его работоспособность, и зависит от быстродействия используемых триггеров и способов их соединения и запуска [3].

Элемент DD1 представляет собой микросхему-делитель частоты, содержащую один или несколько  триггеров (рисунок 6).

 

Рисунок 6 – Принципиальная схема делителя частоты на триггерах

 

Потребляемая мощность (Р) делителя характеризует его экономичность и определяется потребляемой мощностью используемых элементов и их количеством. При проектировании делителей частоты необходимо учитывать, что триггеры с меньшим быстродействием потребляют меньшую мощность и в тех случаях, когда это, возможно, следует использовать триггеры с меньшим быстродействием [4].

 

2 Разработка  функциональной схемы

Делители частоты, как правило, не являются функционально самостоятельными устройствами. Они входят в состав частотомеров, часов, синтезаторов частоты  и др.

Структурная схема делителя частоты представлена на рисунке 7. Она включает в себя блоки счетчика, гальванической развязки и выходного усилителя и блок питания, обеспечивающий все устройства требуемым питанием постоянного уровня напряжения.

Рисунок 7 – Структурная схема

Функционально, устройство состоит  из двух частей: блок питания и делитель частоты. Функциональная схема делителя частоты изображена на рисунке 8. Он состоит из блока деления частоты, гальванической развязки и операционного усилителя.

Рисунок 8 – Функциональная схема  делителя частоты

Функциональная схема блока  питания изображена рисунке 9. Он состоит понижающего трансформатора, выпрямителя (диодный мост), фильтра низких частот и стабилизатора. В совокупности это должно обеспечивать стабильное питание интегральных микросхем и операционного усилителя.

 

Рисунок 9 – Функциональная схема блока  питания

Полная функциональная схема приведена  в приложении А.

 

3 Разработка  полной принципиальной схемы

Из источника [7] известно, что при синхронном подключении счетчиков можно реализовать делитель частоты с произвольно большим коэффициентом деления. Подобная схема приведена на рисунке 10. В нашем задании необходимо разработать делитель частоты с коэффициентом деления 1731. Для задания этого коэффициента достаточно трех счетчиков, объединенных в один блок. Принципиальная схема приведена на рисунке 11.

Рисунок 10 – Принципиальная схема соединения счетчиков

Данная схема была получена в  результате анализа функциональных возможностей схемы представленной на рисунке 10. В качестве микросхемы четырехразрядного счетчика выберем К1533ИЕ10, которая обладает входами предустановки D0-D3. Условное графическое изображение этой микросхемы приведено на рисунке 12. Меняя предустановленное значение каждого счетчика, мы можем варьировать суммарный коэффициент деления от 2 до 4096.

Рисунок 11 – Принципиальная схема  блока счетчиков с коэффициентом  деления 1731

Рисунок 12 – Условное обозначение интегральной микросхемы К1533ИЕ10

Коэффициент деления задается с  помощью двоичного представления  числа 1731, а именно 0110 1100 0011, где 1 – напряжение 5 В, 0 – напряжение 0 В (земля). Как видно из двоичного представления числа 1731, для его реализации нужно три четырехразрядных двоичных счетчика. Счет импульсов начинается с заданного значения (на первом счетчике – 0011, на втором – 1100, на третьем – 0110). При достижении нуля на выход ТС подается сигнал 1, который разрешает счет следующему счетчику. Таким образом первый счетчик считает каждый импульс (младший разряд), второй – только импульсы приходящие в момент когда первый счетчик завершает счет (состояние выходов Q0-Q3 = 0000, на выходе ТС  1). То есть выход ТС разрешает счет следующему счетчику. Счетчик старших разрядов должен срабатывать только при условии, что два предыдущих счетчика закончили счет (на выходах ТС обеих микросхем должна быть 1). Разрешение обеспечивается с помощью двух разрешающих входов СЕР и СЕТ, счетчик считает только в случае подачи на эти входы сигнала +5 В. Остальные характеристики выбранной нами микросхемы К1533ИЕ10 приведены в таблице 2.

Сброс всех триггеров в нулевое состояние  осуществляется напряжением низкого уровня, независимо от сигналов, действующих на входах С, РЕ, СЕР и СЕТ.

Счетчик устанавливается в предварительное  состояние при наличие на входе параллельной загрузки РЕ, напряжение низкого уровня. В этом случае разрешена подача сигналов на триггер через входы предварительной установки D0….D3 в момент перехода положительного перепада на вход С. Счетчик ИЕ10 полностью программируемый, т.к. на каждом  из его входов  можно установить требуемый логический уровень. Предварительная установка осуществляется синхронно с положительным перепадом тактового импульса и не зависит от того, какой уровень подан на входы разрешения счета СЕР и СЕТ. Для синхронного каскадирования микросхема ИЕ10 имеет два входа разрешения: СЕР (параллельный) и СЕТ (вспомогательный), а так же выход ТС (окончание счета). Счетчик считает тактовые импульсы, если на входах СЕР и СЕТ присутствует напряжение высокого уровня. Вход СЕТ последующего счётчика соединяется с входом ТС предыдущего счётчика.

Особенности работы счетчиков ИЕ10:

• Не допускаются отрицательные перепады напряжения на входах СЕР и СЕТ, если на входе С присутствует напряжение низкого уровня.
• Нельзя подавать положительный перепад на входе РЕ, если на входе С присутствует напряжение низкого уровня, а на входе СЕР и СЕТ- высокого.
• Можно изменять сигналы на входах СЕР и СЕТ, если входе С присутствует напряжение высокого уровня.
• Когда на входе РЕ присутствует высокий уровень напряжения, а на входах СЕР и СЕТ – низкий уровень (не используем), то при подаче положительного перепада на вход С на выходах счетчика появится код, набранный на входах D0….D3.
• Запуская входы СЕР и СЕТ напряжениями высокого уровня во время, когда на входе С присутствует низкий уровень, на выходах счетчика получим положение внутреннего кода и кода загрузки.
• Если на входы СЕР, СЕТ и РЕ поданы положительные перепады, а на входе С действует напряжение низкого уровня, то с приходом положительного перепада на вход С выходной ход счетчика изменится на последующий.
• На входе ТС появится напряжение высокого уровня, если выходной код счетчика 1001=9, а на входе СЕТ появится напряжение высокого уровня.

Основное  преимущество данного счетчика заключается  в его высоком быстродействии. Т.К. входная частота равна 4МГц, то необходимо использовать счетчик с малым временем установления выходного кода. Также достоинством данной микросхемы является малое энергопотребление (порядка 100 мА) по сравнению с микросхемами других серий (например микросхемы серии К500 потребляют ток в среднем 200 мА). Однако этот счётчик имеет недостаток – низкую разрядность.

 

 

 

Таблица 1. Состояние  счетчика ИЕ10

	Входы						Выходы
Режим работы	R	C	СЕР	СЕТ	РЕ	Dn	Qn	ТС
Сброс	0	X	X	X	X	X	0	0
Параллельная загрузка	1	↑	X	X	0	0	0	0
	1	↑	X	X	0	1	1	1
Счет	1	↑	1	1	1	X	Счет	1
Хранение	1	X	0	X	1	X	Qn	1
	1	X	X	0	1	X	Qn	1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2- Предельно допустимые режимы эксплуатации К1533ИЕ10.

Напряжение источника питания	5-10 В
Выходной ток	0,2 мА
Максимальное напряжение на входе	5,5 В
Нагрузочная способность на однотипные микросхемы	не более 25
Нагрузочная способность на логические микросхемы	не более 50
Напряжение на выходе	3,5 В

 

В качестве гальванической развязки используем транзисторную оптопару АОТ102А (рисунок 14). Транзисторные оптопары рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это прежде всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, у фотодиодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей. Наконец, следует отметить, что все это достигается при относительной технологической простоте транзисторных оптопар [9].

 

Рисунок 14 – Графическое обозначение транзисторной оптопары

 

Таблица 2 - Основные электрические параметры оптопары АОТ102А

Входной ток	15 мА
Входное напряжение	2 В
Выходной ток	50 мА
Выходное напряжение	0,5 В

 

При выборе усилителя 157УД1 учитывались следующие параметры: коэффициента усиления : не более 5*10⁴, напряжения питания – 5 В, напряжения выхода максимальное: 20 В (рисунок 15).

 

 

Рисунок 15 – Графическое обозначение усилителя

 

Для работы счетчика, ЭГР и усилителя  необходим блок питания (рисунок 16). Обозначения блока питания приведены ниже.

 

 

Рисунок 16 – Схема источника блока питания

 

Полные принципиальные схемы приведены в Приложениях Б и В.

 

4 Расчет и выбор элементов принципиальной схемы устройства

4.1 Расчет  источника питания для счетчика

Данные  блока питания:

-Напряжение нагрузки U_н=5 В;

-Входное напряжение для блока питания U_вх=220 В;

-Частота входного напряжения f=50 Гц;

-Максимальный ток нагрузки I_н^мах =0,015 A

-Допустимое отклонение питающего напряжения α=0,15, т.е. ±15%

Обозначения в блоке питания:

-DA1 – Стабилизатор напряжения;

-Мост VD1 – VD4 – Выпрямитель напряжения;

-C1 – Сглаживающий конденсатор;

-Т1 – Сетевой трансформатор.

-U_I – напряжение первичной обмотки трансформатора;

-U_II – напряжение вторичной обмотки трансформатора;

-U_VD1 – падение напряжения на диодном мосте;

-U_C – напряжение на конденсаторах;

-U_DA1 – падение напряжения на микросхеме DA1.

 

Начнем с расчета стабилизатора DA1 :

Характеристики данной микросхемы должны удовлетворять следующим  условиям:

1) U_DA1^вых = U_н ;

2) I_DA1^max ≥ I_н^max ;

 

Выбираем в качестве DA1 микросхему типа 1145ЕН2А, которая обладает следующими параметрами:

 

Таблица 3 – Параметры стабилизатора DA1

Выходное напряжение микросхемы (фиксированное)	5В
Предельный ток нагрузки	1,0 А
Разность напряжений вход-выход	2,5 В
Предельная рассеиваемая мощность	2 Вт
Максимальное входное напряжение	15 В

 

Данная микросхема удовлетворяет условиям: 5 В ≥ 5 В и 1,0 А ≥ 0,015 А. Исходя из этого рассчитаем минимально необходимую величину постоянного напряжения U_C , которая требуется для работы DA1:

 

 Следовательно, напряжение на конденсаторе С1 никогда не должно падать ниже уровня 7,5 В.

Теперь рассчитаем емкость конденсаторов С1:

Напряжение на конденсаторе С1 представлено на рисунке 16.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 14 – Вид напряжения на конденсаторе

 

Пусть ∆U_C = 1 В. Конденсатор С1 можно рассчитать по следующей формуле:

  =                              (3)

 

При этом минимально необходимое амплитудное  значение напряжения на конденсаторе U_C1 составит:

     (4)

Рассчитываем минимальное амплитудное  значение напряжения вторичной обмотки  трансформатора Т1:

    (5)

где U_VD1 = 1.4 B – падение напряжения на диодном мосте VD1-VD4, оно рассчитывается как сумма падения напряжений на двух открытых диодах

(0,7*2 = 1,4 B).

Рассчитываем минимальное действующее  значение на вторичной обмотке трансформатора:

                         (6)

Рассчитываем номинальное действующее  значение напряжения на вторичной обмотке, т.е. при U_BX=220 B:

   (7)

 

Выбор трансформатора Т1.

Трансформатор выбирается исходя из следующих условий:

1) ;

2) ;

Выбираем трансформатор типа ТПК-2-2x9В  обладающий следующими характеристиками:

Таблица 4 – Характеристики трансформатора Т1

Выходное  напряжение	9 В
Допустимый  ток нагрузки	0,14 А
Мощность	2,5 Вт

 

 

 

 

 

Для трансформатора данного типа наложенные условия и выполняются:

9 В ≥ 8,13 В; 0, 14 А ≥ 0,015 А;

С учетом параметров выбранного трансформатора рассчитываем максимальное амплитудное  значение напряжения на конденсаторе С1:

 

                                                           (8)

Напряжение U_{С1(ампл)}^max не превышает 15 В – максимально возможного входного напряжения стабилизатора DA1. Кроме того, зная точно U_{С1(ампл)}^мах, определяем тип конденсатора C1: выбираем конденсатор марки К50-6 - максимальное напряжение 16 В, емкость 1000 мкФ.

 

Рассчитываем мощность микросхемы DA1:

  (9)

 

Эта мощность не превышает предельной для выбранного типа микросхемы значения – 2 Вт.

 

Выбор диодного мостаVD1:

Данный  диодный мост должен удовлетворять  следующим условиям:

1) обратное напряжение моста > U_II(ампл) ^МАХ;

2) средний выпрямленный ток моста > I_H^MAX .

 

Выбираем диодный мост типа КЦ405Е: обратное напряжение 100 В, средний выпрямленный ток 1 А.

Очевидно, что условия выполняются:

 

  100 В >> 13,22 В; 1 А >> 0,015 А.

 

4.2 Расчет источника питания для гальванической развязки и операционного усилителя

 

Данные  блока питания:

-Напряжение нагрузки – U_н=15В;

-Входное напряжение для блока питания U_вх=220 В;

-Частота входного напряжения f=50 Гц;

-Максимальный ток нагрузки I_н^мах =0,1 A

-Допустимое отклонение питающего напряжения α=0,15, т.е. ±15%

Обозначения в блоке питания:

-DA2 – Стабилизатор напряжения;

-Мост VD5 – VD8 – Выпрямитель напряжения;

-C2 – Сглаживающий конденсатор;

-Т2 – Сетевой трансформатор.

-U_I – напряжение первичной обмотки трансформатора;

-U_II – напряжение вторичной обмотки трансформатора;

-U_VD2 – падение напряжения на диодном мосте;

-U_C – напряжение на конденсаторах;

-U_DA2 – падение напряжения на микросхеме DA2.