РадиоЛоцман - Все об электронике

Генератор пилообразного напряжения с кварцевой стабилизацией частоты

Texas Instruments CD74HC02 CD74HC30 CD74HC390

Этот проект возник из-за необходимости создания стабилизированного кварцем генератора линейно нарастающего напряжения для высокочастотного генератора качающейся частоты HP 8620C. За основу была взята опубликованная ранее конструкция генератора пилообразных сигналов [1]. Однако эта конструкция имела два недостатка: в ней использовался нестандартный кварцевый генератор 16.384 МГц, а время спада/обратного хода/гашения пилообразного сигнала было нулевым.

Светодиодные драйверы MEAN WELL для систем внутреннего освещения

Для решения первой проблемы в описанном здесь генераторе пилообразных сигналов используется стандартная тактовая частота 10 МГц, что позволяет интегрировать его в существующую испытательную установку. Важно также, что большинству оборудования требуется определенное время для возврата в исходное состояние перед началом нового цикла развертки. Конструкция, представленная на Рисунках 1 и 2 (см. ниже), позволила решить эти проблемы. Сначала будет описана секция генератора пилообразных сигналов, поскольку предъявляемые к ней требования определили схему тактового генератора.

Схема генератора пилообразного напряжения.
Рисунок 1. Схема генератора пилообразного напряжения.

Генератор пилообразных сигналов

Сердцем генератора пилообразных сигналов является 12-разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), управляемый двоичными счетчиками. ЦАП – дискретный типа R-2R, поскольку на момент разработки подходящая микросхема ЦАП была недоступна. Он управляется набором логических элементов «И» (три микросхемы 74HC08), которые, в свою очередь, управляются двумя сдвоенными 4-битными двоичными счетчиками 74HC393, половина одного их которых не используется. 12 бит позволяют получить максимальное возможное количество состояний, равное 4096. Упрощенная схема генератора пилообразных сигналов показана на Рисунке 1.

Схема генератора тактовых сигналов.
Рисунок 2. Схема генератора тактовых сигналов.

Чтобы установить время гашения, ЦАП выдает линейно изменяющееся напряжение только для первых 4000 состояний. Для оставшихся 96 кодов выходное напряжение удерживается равным 0 В, что обеспечивает достаточное время для возврата HP 8620C к начальному значению частоты и подготовки к новому запуску. Во время фазы нарастания напряжения выходные сигналы счетчика проходят на ЦАП через логические элементы «И». В фазе гашения на входы логических элементов «И» подается «лог. 0», входной код ЦАП содержит только нули, и выходное напряжение равно 0 В. Двухвходовый логический элемент «ИЛИ» (два диода 1N4148 и резистор) и пятивходовый логический элемент «И-НЕ» (микросхема 74HC30, четыре входа которой соединены вместе) пропускают через себя выходные сигналы счетчика и управляют общим входом логических элементов «И» во время гашения. Также имеется инвертор, образованный логическим элементом «ИЛИ-НЕ» (74HC02), предназначенный для формирования положительного импульса гашения, который можно использовать для модуляции входа Z осциллографа.

Диодно-резисторный коммутатор на выходе ЦАП также включается во время фазы гашения, чтобы установить 0 В на выходе ЦАП. Во время фазы нарастания напряжения выходной сигнал ЦАП усиливается операционным усилителем, обеспечивающим требуемый для HP 8620C размах сигнала 10 В.

Генератор пилообразных сигналов, в зависимости от положения переключателя, может работать автономно или запускаться внешними сигналами; на Рисунке 1 он показан в режиме внешнего запуска. В режиме внешнего запуска RS-триггер, образованный двумя логическими элементами «ИЛИ-НЕ», переключается передним фронтом выходного гасящего импульса для сброса 12-битного счетчика. Сброс RS-триггера в исходное состояние, позволяющий 12-битному счетчику снова начать отсчет, происходит только при поступлении внешнего сигнала запуска.

Тактовый генератор

Частота сигнала внутреннего или внешнего опорного генератора 10 МГц делится на 12 отдельных значений и выбирается 12-позиционным галетным переключателем для подачи на генератор пилообразных сигналов. Поскольку сигнал на выходе генератора пилообразных сигналов существует только в течение первых 4000 состояний вместо 4096, можно использовать стандартные коэффициенты деления 2, 5 и 10 сдвоенного декадного счетчика 74HC390, как показано на Рисунке 2. 74HC390 состоит из двух отдельных счетчиков-делителей на 2 и на 5, которые сконфигурированы, как показано на рисунке. Помимо тактовой частоты на каждом выходе в скобках указано соответствующее время развертки.

Осциллограммы сигналов в схеме: выход пилообразного напряжения (желтый), гасящий импульс (зеленый).
Рисунок 3. Осциллограммы сигналов в схеме: выход пилообразного напряжения (желтый),
гасящий импульс (зеленый).

Исключением из приведенного выше объяснения является время развертки 1 мс, для которого требуется тактовая частота 4 МГц. Поэтому первый каскад делителя делит входную частоту на 2.5. Это достигается снятием сигнала с младшего разряда счетчика-делителя на 5. На каждые пять входных импульсов он выдает два выходных импульса: 000, 001, 010, 011, 100, 000, 001, 010, 011 и т. д. Коэффициент заполнения этих 4-мегагерцовых импульсов меняется от периода к периоду, что приведет к незначительному дрожанию положения импульсов при времени развертки 1 мс, но это будет проявляться только в младшем бите счетчика генератора пилообразного напряжения и не повлияет на качество пилообразного сигнала. Существуют альтернативные способы деления на 2.5 с фиксированным коэффициентом заполнения 50%, но они более сложны [2].

Результаты

Из осциллограмм сигналов на выходах пилообразного напряжения и гасящего импульса, показанных на Рисунке 3, видно, что они имеют точный период 100 мс, а пилообразное напряжение имеет высокую линейность.

Вся схема генератора пилообразного напряжения была собрана на беспаечной макетной плате и помещена в общий корпус с источником питания, став удобным лабораторным инструментом.

Ссылки

  1. Neil Johnson, “Ramp Generator”, Everyday and Practical Electronics, July 1995, pp. 546-550.
  2. Yongping Xia, “Divide by 2.5”, Electronics World + Wireless World, December 1991, pp. 1051.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments CD74HC02
  2. Datasheet Texas Instruments CD74HC30
  3. Datasheet Texas Instruments CD74HC390

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Crystal controlled ramp generator

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

46 предложений от 26 поставщиков
TEXAS INSTRUMENTS - CD74HC02E - Логический элемент ИЛИ-НЕ, семейство HC, 4 элемента, 2 входа, 5.2мА, 2В до 6В, DIP-14
CD74HC02M
Texas Instruments
3,31 ₽
Элитан
Россия
CD74HC02M
Texas Instruments
4,66 ₽
CD74HC02M96 SO14 Логический элемент ТТЛ ИЛИ-НЕ 4 х 2 14-SOIC КМОП кристалл Микросхемы
Texas Instruments
по запросу
CD74HC02EE4
Texas Instruments
по запросу
Запись вебинара «Микросхемы для защиты цепей питания: ограничители всплесков напряжения и тока, контроллеры горячей замены, идеальные диоды»
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя