Плавно регулируемый умножитель-делитель частоты цифровых сигналов

Приведено описание устройства, позволяющего плавно менять коэффициент умножения или деления частоты входного цифрового сигнала. Устройство содержит линейный преобразователь частоты входного сигнала в напряжение и последовательно ему включённый линейный преобразователь напряжения в частоту. Преобразователь напряжения в частоту выполнен на основе релаксационного генератора импульсов, работающего в ждущем режиме.

К настоящему времени известно значительное количество вариантов схем деления частоты цифровых сигналов [1–5]. Подавляющее большинство из них позволяет делить частоту входного сигнала на некоторое целочисленное значение. Более сложным представляется решение задачи умножения частоты цифровых сигналов, особенно в нечётное количество раз. В том и другом случае проблематично выполнить умножение или деление частоты сигнала в наперёд заданное произвольное, в том числе дробное, значение.

Рассмотрим достаточно очевидный подход к созданию устройств, позволяющих плавно регулировать коэффициент умножения или деления частоты входных сигналов. Структурная схема такого устройства изображена на Рисунке 1. Сигнал от источника прямоугольных импульсов частотой F_ВХ поступает на вход преобразователя частоты в напряжение, а оттуда на преобразователь напряжения в частоту (генератор, управляемый напряжением, ГУН). Меняя коэффициент преобразования напряжения в частоту, либо частоты в напряжение, достаточно легко выполнить условие: F_ВЫХ = kF_ВХ, где k ≥ 1 или k ≤ 1.

Рисунок 1.	Структурная схема устройства последовательного преобразования частоты в напряжение и затем напряжения в частоту.

Для линейного преобразования частоты в напряжение известно немало технических решений. На Рисунке 2 приведена схема простейшего классического преобразователя частоты в напряжение. Подобная схема широко используется в аналоговых измерителях частоты, поэтому останавливаться на его особенностях далее не будем.

Рисунок 2.	Классический линейный преобразователь частоты входного сигнала в пропорциональные ей напряжение.

Известно также немало схем, выполняющих обратные функции преобразования напряжения в частоту (генераторов, управляемых напряжением) [5–9], общим недостатком которых является нелинейность функции преобразования.

На Рисунке 3 показано устройство, позволяющее практически по линейному закону преобразовывать величину входного напряжения в пропорциональную ему частоту выходного сигнала. Для этого входной сигнал подаётся через цепочку R1, C1 на вход компаратора DA1.1 LM339. При подаче на вход импульсов прямоугольной формы напряжение на конденсаторе C1 в определённых пределах нарастает по линейному закону. Резистор R1 выполняет роль генератора стабильного тока, поэтому зарядка конденсатора C1 происходит по закону, близкому к линейному. На вход сравнения компаратора DA1.1 подаётся регулируемое при помощи потенциометра R6 напряжение U_REF.

С выхода компаратора DA1.1 сигнал через цепочку R3, C2 подаётся на вход D-триггера DD1.1 CD4013, а также на вход второго компаратора DA1.2. Цепочка R3, C2 предназначена для растягивания короткого выходного импульса, снимаемого с выхода компаратора DA1.1, до уровня, обеспечивающего устойчивую работу устройства. Сигнал с выхода компаратора DA1.2 поступает на затвор транзистора VT1 2N7000. В момент, когда напряжение на конденсаторе C1 превысит U_REF, произойдёт переключение компаратора DA1.1, и, соответственно, компаратора DA1.2. Сигнал с выхода компаратора DA1.2 на миг откроет транзистор VT1. Конденсатор C1 разрядится через сопротивление исток-сток транзистора VT1, оба компаратора вернутся в исходное состояние, и процесс заряда конденсатора C1 через резистор R1 возобновится.

Рисунок 3.	Электрическая схема линейного преобразователя величины входного напряжения в пропорциональное изменение частоты выходных прямоугольных импульсов.

Триггер DD 1.1 включен по схеме деления частоты на два и предназначен для обеспечения скважности выходных импульсов, равной двум.

Регулируя при помощи потенциометра R6 уровень напряжения U_REF, можно плавно менять частоту генерации устройства, или, соответственно, коэффициент преобразования частоты относительно исходного значения.

При помощи переключателя SA1 устройство можно переключать в режим калибровки.

На Рисунке 4 приведена зависимость частоты выходных сигналов преобразователя U/F от величины напряжения на входе устройства. Нетрудно заметить, что с ростом величины U_REF наблюдается практически линейная зависимость частоты выходного сигнала от величины приложенного входного напряжения.

Рисунок 4.	Зависимость частоты выходных импульсов преобразователя U/F от величины входного напряжения при варьировании значения UREF.

Процесс преобразования частоты входного сигнала F_ВХ в плавно регулируемое значение повышенной или пониженной частоты выходного сигнала F_ВЫХ представлен на Рисунке 5, см. также Рисунок 4.

Рисунок 5.	Преобразование частоты входных сигналов FВХ в сторону повышения или понижения частоты выходных сигналов FВЫХ при регулировании напряжения UREF.

Как следует из Рисунка 5, регулируя значение U_REF, можно плавно изменять коэффициент умножения или деления частоты входного сигнала. При линейном характере преобразования частоты входного сигнала в напряжение и линейном обратном преобразовании изменение частоты выходного сигнала будет строго пропорционально следовать изменению частоты входного сигнала.

Литература

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Бином, 2015. 704 с.
2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Т. 1. М.: ДМК-Пресс. 2008. 832 с.; Т. 2. М.: ДМК-Пресс. 2007. 942 с.
3. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.Л., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. М.: Горячая линия-Телеком, 2005. 768 с.
4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 304 с.
5. Шустов М.А. Цифровая схемотехника от азов до создания практических устройств. СПб.: Наука и Техника, 2024. 560 с.
6. Данилин А.А., Лавренко Н.С. Измерения в радиоэлектронике. СПб.: Лань, 2017. 408 с.
7. Дерябин В. Преобразователи напряжение-частота. Компоненты и технологии. 2000. № 7.
8. Шустов М.А. Цифровой ГКЧ. Радиолюбитель. 2000. № 11. С. 28–29.
9. Шустов М.А. ГУН с выходным ШИМ сигналом. Радиолюбитель. 2025. № 3. С. 39.

Материалы по теме

1. Datasheet ON Semiconductor LM339
2. Datasheet Texas Instruments CD4013B
3. Datasheet Microchip 2N7000