Генератор точных прямоугольных импульсов 455 кГц на основе делителя частоты

Texas Instruments CD74HC4017 CD74HC86

Описанная здесь схема представляет собой генератор с необычным делителем частоты, который я сконструировал, когда разрабатывал радиочастотную систему. Мне нужен был стабильный и точный цифровой генератор сигналов частотой 455 кГц, в котором использовалось бы как можно меньше компонентов. Кроме того, коэффициент заполнения импульсов генератора должен был составлять 50% или быть очень близким к 50%, чтобы свести к нулю или минимизировать содержание второй гармоники.

Вебинар Экономичные решения МЕAN WELL для надежных разработок - 30.09.2021

Сначала я рассматривал генераторы, основанные на керамических резонаторах 455 кГц, а также на керамических фильтрах 455 кГц. Однако при тестировании я получил сигналы с частотой 448 кГц и 462 кГц, которым не хватало требуемой мне точности. Но у меня был под рукой кварцевый резонатор 4.096 МГц. Заставив его стабильно генерировать на частоте примерно 4.095 МГц и разделив эту частоту на девять с выходным коэффициентом заполнения 50%, я получил результат, который искал.

В конструкции, показанной на Рисунке 1, помимо резонатора используются две интегральные схемы и несколько конденсаторов и резисторов. В ней реализован генератор Пирса с активным элементом на микросхеме исключающее «ИЛИ» (IC1). Логический элемент исключающее «ИЛИ», работающий как инвертор – это не самый распространенный вентиль, используемый для подобных генераторов, но в моей системе оставались неиспользованными три таких элемента, поэтому я решил попробовать. В этой конфигурации генератор работал надежно и точно.

Эта схема, в которой используется генератор Пирса на основе логического элемента исключающее «ИЛИ», формирует сигнал частотой 455 кГц с коэффициентом заполнения 50%.
Рисунок 1. Эта схема, в которой используется генератор Пирса на основе логического элемента
исключающее «ИЛИ», формирует сигнал частотой 455 кГц с коэффициентом заполнения 50%.

Резонатор использовался с двумя параллельными нагрузочными конденсаторами 20 пФ. При использовании конденсаторов C2 и C3 емкостью 100 пФ я получил частоту 4.0954 МГц. Эта частота, поделенная на 9, дает 455.04 кГц – значение, которое было достаточно точным для моей схемы.

Вторая микросхема (IC2) – это счетчик Джонсона 74HC4017, выход переноса которого (вывод 12) я использовал в качестве выхода схемы, и который я сконфигурировал для переключения по передним фронтам. При низком логическом уровне на входе Reset (вывод 15) выход переноса (вывод 12) имеет уровень «лог. 1», когда состояние счетчика находится в диапазоне от нуля до четырех, и «лог. 0», если его состояние находится между пятью и девятью.

Возможно, вы подумали, что одним из вариантов реализации этой схемы было бы подключение Q9 (вывод 11) к входу сброса (Reset). Однако в этом случае, хотя выходная частота и была бы равна одной девятой от 4.0954 МГц, коэффициент заполнения на выходе составил бы 55.56% (или 44.44% при инвертировании выходного сигнала). Это не отвечало бы требованиям уменьшения или исключения второй гармоники выходного сигнала.

В поисках решения для получения коэффициента заполнения, близкого к 50%, я добавил логический элемент исключающее «ИЛИ» IC1B, подключив его к выходу Q4 счетчика (вывод 10). С таким изменением счетчик теперь будет срабатывать по передним фронтам входных импульсов при «лог. 0» на выходе Q4, и по спадающим фронтам при «лог. 1» на выходе Q4. В результате схема выдает «лог. 1» в течение четырех тактовых импульсов плюс времени пятого импульса, когда вход находится в состоянии «лог. 1». Когда пятый импульс переходит в состояние «лог. 0», на выходе устанавливается уровень «лог. 0», который сохраняется в течение следующих четырех импульсов. Таким образом, входная частота делится на девять, и, если коэффициент заполнения входных импульсов равен 50%, то таким же он будет и на выходе.

Если коэффициент заполнения входных импульсов не точно равен 50%, то и на выходе он будет отличаться от 50%, но не так сильно. Входной и выходной коэффициенты заполнения связаны формулой:

где DC%OUT и DC%IN – коэффициенты заполнения выходных и входных импульсов, соответственно, выраженные в процентах от 0% до 100%. Таким образом, если DC%IN находится между 0% и 100%, коэффициент заполнения выходных импульсов будет между 44.44% и 55.56%, что не хуже, чем в случае, о котором я упоминал выше.

Осциллограмма, полученная при испытаниях схемы, представлена на Рисунке 2. Как сигнал генератора 4.0954 МГц (внизу), так и выходной сигнал 455.04 кГц (вверху) имеют коэффициент заполнения 50%.

Результаты испытаний показывают, что как входной сигнал, так и выходной сигнал после деления на девять имеют коэффициенты заполнения 50%.
Рисунок 2. Результаты испытаний показывают, что как входной
сигнал, так и выходной сигнал после деления на девять
имеют коэффициенты заполнения 50%.

Используя еще один логический элемент исключающее «ИЛИ», можно сделать делитель на семь, как показано на Рисунке 3. Коэффициент заполнения выходного сигнала этой схемы также будет составлять 50%, если входной коэффициент заполнения равен 50%.

Добавление еще одного логического элемента исключающее «ИЛИ» позволяет схеме обеспечивать деление на семь с выходным коэффициентом заполнения 50%.
Рисунок 3. Добавление еще одного логического элемента исключающее «ИЛИ» позволяет
схеме обеспечивать деление на семь с выходным коэффициентом заполнения 50%.

Я проверял эту схему с множеством кварцевых резонаторов, и со всеми она работала правильно.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments CD74HC4017
  2. Datasheet Texas Instruments CD74HC86

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Divider generates accurate 455kHz square-wave signal

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

46 предложений от 24 поставщиков
TEXAS INSTRUMENTS - CD74HC4017M - Декадный счетчик / делитель, семейство HC, 60МГц, 2В - 6В, SOIC-16
CD74HC4017PWR
Texas Instruments
8,50 ₽
T-electron
Россия и страны СНГ
CD74HC4017M96
Texas Instruments
11,18 ₽
ЭИК
Россия
CD74HC4017M96
Texas Instruments
от 12,73 ₽
Элитан
Россия
CD74HC4017PW
Texas Instruments
17,70 ₽
Синхронизатор тактового сигнала с двумя цифровыми контурами ФАПЧ AD9546 от Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя