Высоковольтные аналоговые регулируемые целочисленные делители частоты цифровых сигналов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2019

Михаил Шустов, г. Томск

Приведены схемы двух делителей частоты цифровых сигналов амплитудой от единиц до сотен вольт, выполненных на аналоговых элементах. Выходной сигнал делителей может быть задан или отрегулирован по амплитуде до необходимого пользователю значения. Диапазоны ступенчато-регулируемых целочисленных коэффициентов деления лежат в пределах от 1 до 6 (11) и при необходимости могут быть расширены на порядки.

Современные цифровые микросхемы и, в частности, делители частоты, способны обрабатывать сигналы, амплитуда которых не превышает 20 В. Решить эту проблему могут описываемые ниже высоковольтные регулируемые целочисленные делители частоты цифровых сигналов, выполненные из минимальной совокупности аналоговых элементов.

Высоковольтный аналоговый делитель частоты, Рисунок 1, содержит токоограничивающий резистор R1, электронный зарядно-разрядный ключ на транзисторе VT1, накопительный конденсатор С1, ключевой элемент на транзисторе VT2, резистивную цепочку R3+R4, а также вспомогательный элемент – стабилитрон VD2. Базовыми элементами делителя являются транзисторы VT1 и VT2, диод VD1 и резистор(ы) R2, (R3), которые могут быть размещены в корпусе микросхемы, имеющей 4 вывода: 1 – вход/выход; 2 – общий провод; 3 и 4 – навесные элементы – конденсатор С1 и потенциометр R4, соответственно.

Рисунок 1.	Электрическая схема высоковольтного аналогового делителя частоты с регулируемым целочисленным коэффициентом деления от 1 до 6.

Устройство работает следующим образом. Первый входной импульс высокого напряжения через резистор R1 и диод VD1 заряжает конденсатор С1. После окончания импульса ранее запертый транзистор VT1 открывается, конденсатор С1 разряжается через транзистор на цепочку R3+R4. Транзистор VT2 на все время разряда конденсатора С1 остается в открытом состоянии, шунтируя зарядную цепь и препятствуя тем самым последующему заряду конденсатора С1. Время разряда определяется постоянной времени C1(R3+R4).

После разряда конденсатора С1 сопротивление канала транзистора VT2 восстанавливается до исходного высокоомного значения; очередной входной импульс заряжает конденсатор С1, после чего процесс периодически повторяется. Регулировкой потенциометра R4 можно менять время открытого состояния ключа на транзисторе VT4 и, соответственно, задавать число пропущенных на выход устройства входных импульсов (пошагово менять коэффициент деления).

Стабилитрон VD2 предназначен для задания и стабилизации амплитуды выходного напряжения. Этот элемент, особенно для получения амплитуды выходных импульсов свыше 180 В (предельное напряжение стабилизации одиночных полупроводниковых стабилитронов), не является обязательным.

Импульсы, подаваемые на вход делителя, могут иметь амплитуду от нескольких вольт до, по меньшей мере, 1 кВ. Элементы схемы должны быть рассчитаны на работу при соответствующих напряжениях, а величина сопротивления резистора R1 подлежит коррекции. Следует также обратить внимание на тепловой режим работы элементов устройства, особенно резистора R1, который во избежание поверхностного пробоя и перегрева при работе при повышенных напряжениях следует выполнить из нескольких последовательно соединенных резисторов равного номинала.

Делитель частоты, Рисунок 1, предназначен для деления частоты входных импульсных сигналов в регулируемое целочисленное количество раз (n = 1,2,…,6). Амплитуда входных импульсов скважностью 2 равна 100 В. Амплитуда выходных импульсов задается стабилитроном VD2 BZX84-C10 на уровне 10 В (уровень КМОП-логики). Одновременно стабилитрон VD2 ограничивает напряжение на элементах делителя на уровне 10 В, позволяя использовать в нем доступные низковольтные элементы.

Форма входных и выходных сигналов делителя при частоте следования входных импульсов 1 кГц и коэффициенте деления n = 6 приведена на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Форма сигналов на входе и выходе делителя частоты при коэффициенте деления n = 6.

На Рисунке 3 приведена схема делителя частоты с регулируемым стабилитроном на основе микросхемы DA1 TL431. Амплитуду выходных импульсов можно плавно регулировать потенциометром R2 в пределах от 5 до 35 В. Коэффициент деления задается потенциометром R7 в пределах от 1 до 11. Частота входных сигналов 100 Гц. Для работы делителя частоты, Рисунок 3, необходимо вначале выставить необходимый уровень напряжения стабилизации, а затем выбрать требуемый коэффициент деления частоты.

Рисунок 3.	Низкочастотный делитель частоты с плавно регулируемой амплитудой импульсов выходного напряжения в пределах от 5 до 35 В.

Несколько слов необходимо посвятить недостаткам делителей частоты, которые стоит учитывать при их эксплуатации. Коэффициент деления устройств зависит от скважности входных импульсов, что, чаще всего, вполне приемлемо, поскольку «по умолчанию» скважность импульсов цифровых сигналов не меняется во времени и равна двум. Амплитуда входных импульсов также должна быть стабильна во времени. Максимальная частота входных импульсов определяется инерционностью используемых полупроводниковых элементов, особенно стабилитрона.

Диапазон выбора коэффициента деления при необходимости можно существенно расширить, варьируя постоянной времени C1(R3+R4), Рисунок 1, или C1(R6+R7), Рисунок 3.

Литература

Материалы по теме