Генератор тактовых импульсов

-средней мощности (до 100 Вт);

-мощные (свыше 100 Вт).

По частоте выходного  сигнала:

-инфра частотные (до 10 Гц);

-низкочастотные (до 100 кГц);

-высокочастотные ВЧ (до 100 МГц);

-сверхвысокочастотные СВЧ (свыше 100 МГц).

     Генератор тактовых импульсов - генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно, прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах (ЭВМ, электронные часы и таймеры, микропроцессорная и другая цифровая техника). Тактовые импульсы часто используются как эталонная частота - считая их количество можно измерять временные интервалы.

     В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует  одной атомарной операции. Обработка  одной инструкции может производиться  за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости  от архитектуры и типа инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.

     В зависимости от сложности устройства, используют разные типы генераторов.

     Обобщенная  структурная схема генератора содержит:

усилительное устройство (дифференциальный или операционный усилитель);

электрическая цепь образующая ПОС (положительную обратную связь);

электрическая цепь образующая ООС (отрицательную обратную связь).

Функционирование  любого генерирующего устройства можно  разделить на два этапа:

1. Возбуждение  колебаний и нарастание их  амплитуды.

2. Стационарный режим работы генератора.

В курсовом проекте  в качестве генератора используется интегральный таймер серии 555 (рис. 2), выбранный за распространённость и простоту. 
 

Схема включения ИС 555 в  режиме мультивибратора.

Рис. 2. 

 Данная схема  будет запускать себя сама и будет работать в режиме автоколебаний как мультивибратор. Внешний конденсатор заряжается через резисторы R_A и R_B, а разряжается только через R_B. Это позволяет точно регулировать скважность импульсов, задавая соотношение между сопротивлениями этих резисторов. В данном режиме напряжение на конденсаторе меняется от 1/3 до 2/3 напряжения питания. Времена заряда и разряда конденсатора и, следовательно, частота колебаний не зависят от напряжения питания.

 Время заряда (в  течение которого на выходе ИС действует  высокое напряжение) определяется формулой t₁=0.685(R_A+R_B)C, а время разряда (низкое напряжение на выходе) - формулой t₂=0.685R_BC. Полный период колебаний, следовательно, равен T=t₁+t₂=0.685(R_A+2R_B)C. Скважность импульсов определяется формулой D=R_B/(R_A+2R_B).

 Принимая значения R_L, R_A, R_B равными 1 кОм, 7 кОм и 8 кОм соответственно и значение ёмкости - 2 нФ вычисляем период и частоту теоретически:

 T_ТЕОР=27,0085 мкс, f_ТЕОР 37 кГц. 
 
 

Модель  генератора в EWB. 

Рис. 3. 

Осциллограмма выходных сигналов. 

Рис. 4.

 T_ЭКСП=27,0085мкс, f_ЭКСП 37 кГц.

 Разница между  частотой, найденной теоретически, и частотой, полученной экспериментально, незначительна.

 

Разработка  счетчика импульсов  с управляемым  сбросом.

 К счётчикам  относят автоматы, которые под  действием входных импульсов  переходят из одного состояния в  другое, фиксируя тем самым число  поступивших на их вход импульсов  в том или ином коде.

 Счетчик – цифровой функциональный узел, предназначенный для счёта поступающих на его вход импульсов. В интервалах между поступающими импульсами счётчик хранит информацию о количестве, то есть содержит элемент памяти.

 Элементарными ячейками счётчика являются триггеры. Элементарные ячейки связаны между  собой таким образом, чтобы каждому  поступающему импульсу соответствовало  единственной состояние триггера. Ячейки счётчика называются разрядами. Число  устойчивых состояний, которое может  принять данный счётчик, называется его ёмкостью или коэффициентом  счёта:

 К_С=2^N-1, где N – число триггеров (ячеек).

 Классификация цифровых счетчиков может быть проведена  по следующим признакам:

• способ записи информации в счетчик;
• способ организации сигналов переноса;
• направления счета;
• модуль счета..

 По первому  признаку все счетчики разделяются  на синхронные и асинхронные. В синхронных счётчиках подсчет импульсов  осуществляется только при наличии  сигналов синхронизации, в асинхронных  счет производится при их отсутствии. По второму признаку счетчики подразделяются на:

• счетчики с последовательным переносом;
• счетчики с параллельным (ускоренным) переносом;
• счетчики с последовательно-параллельным переносом;

По третьему признаку счетчики подразделяются на:

• суммирующие, показание которых увеличиваются на единицу с приходом очередного входного импульса;
• вычитающие, показание которых уменьшается с приходом очередного импульса;
• реверсивные, направление в которых зависит от управляющих сигналов.

 По последнему классификационному признаку счетчики делятся на:

• двоичные, модуль счета, которых равен степени числа 2;
• не двоичные, модуль счета, которых не является степенью числа 2 (например: десятичные).

 Кольцевые счетчики импульсов – цифровые счетчики, образованные сдвигающими регистрами, замкнутых в кольцо. В таких счетчиках выход последнего разряда регистра соединен с информационным входом младшего разряда регистра. Коэффициент деления такого счетчика равен разрядности регистра, замкнутого в кольцо или больше его на единицу.

 

 В курсовой работе используется двоичный счётчик с  коэффициентом счёта 29 (рис. 5), собранный на базе двух ИМС 74163, представляющих собой четырехразрядные синхронные двоичные счетчики со сбросом

Модель  счётчика в EWB.

Рис. 5.

Входы ИМС 74163:

VCC - питание;

GND - «земля»;

CLK - синхровход;

CLR’ - вход очистки, управляется низким уровнем;

A, B, C, D - входы загрузки;

QA, QB, QC, QD - выходы счётчика;

LOAD’ - вход разрешения загрузки, управляется низким уровнем;

ENP и ENT - входы разрешения счёта, управляются высоким уровнем;

RC0 - выход переброса, высокий уровень появляется при переходе от пятнадцатого импульса к нулевому. 
 

Принцип работы счётчика.

 На синхровход первой ИМС от функционального генератора подаются сигналы. На входы второй ИМС также подаются сигналы, но, тем не менее, она остаётся заблокированной, так как на её входы разрешения счёта подключены к выходу RC0 первой ИМС, срабатывающему только при появлении пятнадцатого импульса. Когда на данном выходе высокий уровень, второй ИМС разрешается вести подсчёт, и она фиксирует следующий импульс, после которого блокируется из-за отключения RC0.

 Таким образом, осуществляется переход между разрядами  шестнадцатеричного числа, двоичное представление  которого и подсчитывается устройством. Принцип работы счетчика так же можно представить в виде таблицы истинности (табл. 1)

 Система сброса срабатывает при достижении счётчиком  шестнадцатеричного числа «1D» (или «11101» в двоичной системе счисления). Состоит из четырёх-входового конъюнктора и логического элемента «Сложение по модулю два». При достижении счётчиком шестнадцатеричного числа «1D» (или «11101» в двоичной системе счисления) на выходе конъюнктора образуется логическая единица, поступающая на второй вход логического элемента «Сложение по модулю два» (на первом же входе всегда высокий уровень), тем самым на выходе образуется низкий уровень, поступающий на вход очистки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Таблица работы счётчика.

                                                                  Табл. 1.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Разработка  формирователя 1, формирователя 2, формирователя 3. 

     Дешифратором (декодером) называется цифровое устройство комбинационного типа, осуществляющее преобразование n-разрядного двоичного  кода в m-разрядный унитарный код.

     Унитарный код (код «1 из  m») может быть прямым (одна «1» в некотором разряде m-разрядного двоичного кода и m-1 нулей) или обратным (один «0» и m-1 единиц).

     Примеры записи унитарного кода для m=8:

прямого – 0001 0000, 0100 0000, ...       2) обратного – 1101 1111, 0111 1111, ...

     Дешифраторы входят в состав практически всех серий цифровых интегральных микро  схем и отличаются:

-числом выходов (полные и неполные дешифраторы);

-видом преобразования - в прямой (прямые выходы) или обратный (инверсные выходы) унитарный код;

-наличием или отсутствием управляющего входа. Сигнал на этом входе разрешает или запрещает выполнение микросхемой операции дешифрирования;

-быстродействием, которое характеризуется средним временем задержки распространения сигнала от входа до выхода t;

-энергопотреблением; т.е. мощностью, потребляемой от источника питания.

   Mультиплексор — устройство, имеющее несколько сигнальных входов, один или более управляющих входов и один выход. Мультиплексор позволяет передать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов.    

  Демультиплексор — устройство, в котором сигналы с одного информационного входа поступают в желаемой последовательности по нескольким выходам в зависимости от кода на адресных шинах. Дешифратор можно рассматривать как демультиплексор, у которого информационный вход поддерживает напряжение выходов в активном состоянии, а адресные входы выполняют роль входов дешифратора.

   На входы загрузки дешифраторов подаются сигналы младших разрядов со счетчика. Старший разряд подключается ко входу разрешения загрузки Е’, причем к одному дешифратору подключается прямой сигнал, к другому – инверсный. Это позволяет дешифраторам работать по очереди (первый работ при счете 0-15, второй при счете 16-29), в то время как у другого дешифратора на все выходы подается высокий уровень.