Электронные компоненты для ремонта и хобби

Удвоитель частоты с коэффициентом заполнения 50%

Texas Instruments CD74HC00 CD74HC4538 CD74HC86 TLV9052

Вот простая схема удвоителя частоты, которая выдает на выходе прямоугольные импульсы с точным коэффициентом заполнения 50 процентов. В литературе описаны аналогичные схемы [1, 2, 3], которые для установки коэффициента заполнения 50% требуют регулировки или подбора некоторых компонентов.

В этой схеме 50-процентный коэффициент заполнения выходных импульсов обеспечивается только согласованной парой резисторов, и, кроме того, на коэффициент заполнения не влияют изменения напряжения питания.

Схему можно увидеть на Рисунке 1. Она была проверена в диапазоне частот от 500 Гц до 2.8 МГц, но я уверен, что схема будет работать и на более высоких частотах, если использовать более быстрый ждущий мультивибратор U1.

Удвоитель частоты с коэффициентом заполнения 50 процентов.
Рисунок 1. Удвоитель частоты с коэффициентом заполнения 50 процентов.

Благодаря используемой а системе обратной связи через операционный усилитель U5A, мультивибратор генерирует выходные прямоугольные импульсы с номинальным средним значением 2.5 В, которое определяется опорным напряжением, задаваемым согласованной парой (или набором прецизионных резисторов) R26 и R27.

Опорное напряжение для операционного усилителя U5A получено из напряжения питания, используемого также мультивибратором U1A, выходные импульсы которого имеют полный размах от земли до +5 В, поскольку он работает на очень легкую нагрузку. В результате среднее значение выходного сигнала мультивибратора и величина опорного напряжения при изменении напряжения питания изменяются в одинаковой пропорции, поэтому коэффициент заполнения остается неизменным.

Логический элемент U4 «Исключающее ИЛИ – НЕ» используется для буферизации входных прямоугольных импульсов и удвоения частоты сигнала. Прямоугольные импульсы на двух входах U4D задержаны друг относительно друга на величину двух задержек в логическом элементе. На выходе U4D формируется последовательность импульсов с номинальной длительностью 20 нс и частотой, вдвое большей, чем частота входных прямоугольных импульсов. Эти импульсы запускают ждущий мультивибратор для получения выходных импульсов удвоенной частоты, а петля обратной связи поддерживает коэффициент заполнения импульсов на уровне 50 процентов.

Транзисторы Q5 и Q6 и связанные с ними компоненты образуют источник постоянного тока, заряжающий конденсатор C11 на входе RX/CX мультивибратора. Ток ограничен примерно 5 миллиамперами, что является максимальным значением, указанным в документации на микросхему. Моя модель в LTspice не работала бы без схемы ограничения тока. Ограничение тока также защищает вход мультивибратора от больших бросков тока, возникающих при включении или при переключении конденсатора С11 на разные частотные диапазоны.

Выбор емкости конденсатора C11 оставлен на усмотрение пользователя…

К моему удивлению, схема может работать без конденсатора C11! На низких частотах ток, отдаваемый источником постоянного тока, находится в диапазоне наноампер, что в некоторых приложениях может быть соизмеримо с токами утечки компонентов и стать причиной неустойчивой работы схемы. Так что удаляйте C11 с осторожностью.

Исключение C11 допустимо при частотах от 1 МГц и выше. В этом случае входной емкости мультивибратора в сумме с паразитной емкостью цепи может быть достаточно.

В Таблице 1 показан рабочий диапазон частот схемы для нескольких значений емкости C5.

Таблица 1. Рабочий диапазон частот схемы при
различных значениях емкости C5
С5 (пФ) Диапазон частот
0 500 Гц – 2.82 МГц
100 500 Гц – 2.30 МГц
1000 500 Гц – 965 кГц

Для правильной работы схемы входной сигнал должен быть прямоугольной формы с 50-процентным коэффициентом заполнения. Импульсы с коэффициентами заполнения, отличными от 50 процентов, можно использовать, если реализовать дополнительную схему (см. Рисунок 1). Дополнительная схема формирует на своем выходе  прямоугольные импульсы с 50-процентным коэффициентом заполнения, которые и используются в качестве входного сигнала удвоителя частоты.

Триггер Шмитта и счетверенный логический элемент «И-НЕ» (U3) служат для обеспечения правильного запуска секции удвоителя частоты. Удвоитель частоты не запускается до тех пор, пока коэффициент заполнения входных импульсов не станет близким к 50%.

Я не собирал эту дополнительную схему, но смоделировал ее с помощью LTspice, поскольку она в значительной степени дублирует схему удвоителя частоты, которую я макетировал и тестировал.

Ранее в [4] была описана альтернативная схема удвоителя частоты, которая работает с входными импульсными сигналами, имеющими коэффициент заполнения менее 50%, и превращает их в последовательность импульсов с коэффициентом заполнения ровно 50%.

Ссылки

  1. R. M. Stitt and R. L. Morrison, "Wide-range pulse-shaping circuit gives square waves with 50% duty cycle", Burr-Brown Research Corp., International Airport Industrial Park, Tucson, Ariz. 400 Ideas for Design volume 3, 1976, page 178.
  2. H. P. D. Lanyon, "One-shot with feedback loop maintains constant duty cycle", Worcester Polytechnic Institute, Worcester, Mass. Electronics Designer’s Casebook, page 122.
  3. Robert L. Taylor, "Frequency-doubler produces square-wave output", I & F Electronics, Nashville, Tenn. Electronics Designer’s Casebook Number 1, page 23.
  4. Jim McLucas. Коэффициент заполнения любого сигнала станет равным 50%.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments CD74HC00
  2. Datasheet Texas Instruments CD74HC4538
  3. Datasheet Texas Instruments CD74HC86
  4. Datasheet Texas Instruments TLV9052
  5. Datasheet Vishay SD101C

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Frequency Doubler with 50 Percent Duty Cycle

45 предложений от 22 поставщиков
ЧИП-индуктивность проволочная, на ферритовом сердечнике 1мкГн ±10% 7.96МГц 50Q-фактор проницаемости 450мА 500мОм 1812 лента на катушке
CD74HC00M96
Texas Instruments
3 ₽
T-electron
Россия и страны СНГ
CD74HC00M96
Texas Instruments
5 ₽
Элитан
Россия
CB227-7-1/2
Eaton
2 406 ₽
CD74HC00E/HARRIS
Texas Instruments
по запросу
Corebai - АЦП, ЦАП, ОУ, интерфейсы и другие аналоговые микросхемы поступили на склад
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя