Цифровые устройства. Что такое цифровые микросхемы. Виды цифровых микросхем

• Название: Что такое цифровые микросхемы. Виды цифровых микросхем
• Анкор: Цифровые устройства.doc
• Дата: 22.09.2017
• Размер: 2.25 Mb.
• Имя файла: Цифровые устройства.doc
• Тип: Документы; #8922
• страница: 26 из 38

Глава 2

Газоразрядные индикаторы.

К сожалению малогабаритные лампочки накаливания не отличаются надёжностью, так как при включении питания через них протекает значительный ток, в результате воздействия которого на нить накаливания лампа может выйти из строя. Кроме того они боятся ударов. Все эти причины, а также большой потребляемый ток привели к тому, что в настоящее время эти индикаторы практически не используются.

Эти индикаторы в отличие от ламп накаливания управляются не напряжением, а током. Поэтому в схему приходится вводить токоограничивающий резистор. Напоминаю, что подобные индикаторы применяются для подсвечивания либо надписей, либо символических рисунков (пиктрограмм). Схема включения газоразрядного индикатора приведена на рисунке 2.1.

 
Рисунок 2.1. Схема подключения индикаторной газоразрядной лампы к цифровой ТТЛ микросхеме

В этой схеме транзистор требуется в основном для согласования по напряжению, так как газоразрядные индикаторы питаются от источника напряжением 180 ... 300 В (напряжение зажигания газоразрядной лампы). Поэтому транзистор должен выдерживать напряжение 300 В. Что касается сопротивления R3, то оно рассчитывается по закону Ома. Необходимо от напряжения питания отнять падение напряжения на зажженной индикаторной лампе, которое можно взять из справочника по индикаторным лампам (обычно 80 В) и поделить на ток этой лампы. Падением напряжения на открытом транзисторе VT1 можно пренебречь. Например:

R3 = (U_п — U_HL1)/I_л = (200 В — 80 В)/1 мА = 120 кОм.

Газоразрядные индикаторы используются как для индикации битовой информации, так и для отображения десятичной информации. При построении десятичных индикаторов катод газоразрядных индикаторов выполняется в виде десятичных цифр, как это показано на рисунке 2.2.

 
Рисунок 2.2. Внешний вид газоразрядного индикатора ИН-1

Пример индикаторной панели, выполненной на газоразрядных индикаторах, приведен на рисунке 2.3.

 
Рисунок 2.3. Внешний вид индикаторной панели на газоразрядных лампах

Для уменьшения габаритов цифрового устройства и упрощения его принципиальной схемы были разработаны специальные микросхемы дешифраторов, выдерживающие напряжение до нескольких сотен вольт, например отечественная микросхема К155ИД1. Принципиальная схема подключения десятичного газоразрядного индикатора к микросхеме К155ИД1 приведена на рисунке 2.3.

 
Рисунок 2.4. Схема подключения индикаторной газоразрядной лампы к десятичному дешифратору

На вход этой схемы подается двоично-десятичный код. Он преобразуется микросхемой D1 в инверсный линейный десятичный код. Инверсия нужна для того, чтобы ток протекал только через тот вывод, двоично-десятичный код которого подан на вход схемы. В результате светится только тот катод, который подключен к этому выводу, а так как катод выполнен в форме десятичной цифры, то именно эта цифра и отображается на газоразрядном индикаторе.

Резистор R1 требуется для ограничения тока газоразрядного индикатора до допустимой величины. Одним резистором в схеме можно обойтись потому, что ток может протекать только через один из десяти катодов. Расчет ограничивающего ток резистора не отличается от расчета резистора R3 в схеме подключения одиночного газоразрядного индикатора, приведенной на рисунке 2.1.

В настоящее время газоразрядные индикаторы с холодным катодом практически не используются. Обычно применяются более эффективные семисегментные газоразрядные индикаторы с подогревным катодом. Применение катода с подогревом позволяет снизить анодное напряжение подобного газоразрядного индикатора до 20 ... 27 В, а семисегментный анод позволяет увеличить угол обзора индикатора.

Внешний вид одного из газоразрядных индикаторов с подогревным катодом приведен на рисунке 2.5.

 
Рисунок 2.5. Внешний вид газоразрядного индикатора с подогревным катодом

В описанных индикаторах газ светится не около катода, а в промежутке между управляющей сеткой и анодом. На рисунке 2.5 аноды четко видны в виде белых сегментов. Управляющая сетка видна как фиолетовая поверхность, а катод выполнен в виде двух тонких проводников, которые почти незаметны на переднем плане индикатора. Если индикатор поместить за зеленым светофильтром, то ни нить накала, ни управляющая сетка видны не будут.

Если на нить накаливания подать постоянное напряжение, то на ней возникнет падение напряжения. Это напряжение будет суммироваться с анодным напряжением, в результате яркость свечения сегментов в индикаторе будет неравномерной. Конструктивно нить проложена так, чтобы этот эффект свести к минимуму, однако на нить накала подогревного катода желательно подавать переменное напряжение. Так как ток в этом случае будет протекать в различном направлении, то средняя яркость свечения сегментов будет равномерной.

Схема подключения газоразрядного индикатора с подогревным катодом к семисегментному дешифратору приведена на рисунке 2.6.

 
Рисунок 2.6. Схема подключения семисегментного газоразрядного индикатора к дешифратору

На этой схеме в качестве ключей использована микросхема высоковольтных инверторов с открытым коллектором, выдерживающих напряжение на коллекторе до 30 В. Обратите внимание, что общий провод подводится к нити накала через среднюю точку трансформатора накала. Это обеспечивает равномерность свечения индикатора по всей поверхности.

В практических схемах чаще используется схема подключения газоразрядного индикатора с отрицательным напряжением питания. В этом случае дешифратор должен обеспечить вытекающий ток ключей. Подобная схема включения газоразрядного индикатора приведена на рисунке 2.7.

 
Рисунок 2.6. Схема подключения семисегментного газоразрядного индикатора к дешифратору с вытекающим током

В этой схеме транзистор VT1 и резистор R1 образуют генератор тока с большим входным и выходным сопротивлением. В результате яркость свечения индикатора будет слабо зависеть от напряжения питания 27 В. Зависимость тока, протекающего через сегмент индикатора, в схеме, приведенной на рисунке 7, намного меньше по сравнению со схемой, изображенной на рисунке 6.

Так как задача подключения газоразрядных индикаторов является распространенной, то промышленностью были разработаны и выпускаются до настоящего времени специализированные микросхемы К176ИД3, где показанные на рисунке 3.7 генераторы тока входят в состав микросхемы. В результате данного схемотехнического решения выход дешифратора можно подключать к газоразрядному индикатору непосредственно.

В приведенных схемах подключения семисегментного газоразрядного индикатора управляющая сетка подключена непосредственно к питанию. Однако при создании схемы динамической индикации, которая будет рассмотрена несколько позднее, эта сетка используется для зажигания и гашения отдельных разрядов многоразрядного газоразрядного индикатора.

Глава 3

Светодиодные индикаторы.

Газоразрядные индикаторы — это более экономичные индикаторы по сравнению с лампами накаливания, но использование высокого напряжения питания привело к тому, что они в настоящее время практически не используются.

В настоящее время практически везде для отображения двоичной информации используются светодиоды. Это обусловлено тем, что надёжность светодиодов значительно превосходит надёжность как индикаторных ламп накаливания, так и газоразрядных (неоновых) индикаторных ламп. Светодиоды труднее разбить, так как их корпус обычно состоит из прозрачной пластмассы, а вес значительно меньше индикаторных ламп. Кроме того при включении светодиодов не возникает импульсного тока значительной величины, который разрывает холодную нить накаливания своим магнитным полем.

К.п.д. светодиодов, особенно современных, тоже значительно превосходит к.п.д. индикаторных ламп. Основная причина повышенного к.п.д. - это принципиальное отсутствие теплового излучения. Электрический ток непосредственно преобразуется в световое излучение. Так как светодиод, так же как и газоразрядная лампа, управляется током, то схема его подключения практически совпадает со схемой подключения газоразрядной лампы. Она приведена на рисунке 3.6.



Рисунок 3.6. Схема подключения светодиодного индикатора к цифровой ТТЛ микросхеме.

Расчет токоограничивающего резистора в этой схеме не отличается от расчета подобного резистора газоразрядного индикатора. Отличие только в том, что падение напряжения на светодиодах лежит в пределах от 1,5 до 3 Вольт. Расчет резисторов R1 и R2 точно такой же как и в остальных транзисторных ключах.

Теперь вспомним, что выходной ток современных цифровых микросхем превосходит минимальный ток зажигания светодиода. Это означает, что можно обойтись без дополнительного транзисторного ключа для подключения светодиода. В результате схема значительно упрощается. Теперь достаточно просто ограничить ток через светодиод до допустимой величины. Новая схема приведена на рисунке 3.7.



Рисунок 3.7. Схема подключения светодиодного индикатора к цифровой микросхеме с пятивольтовым питанием.

В схеме, приведенной на рисунке 3.7, используется ток нуля цифровой микросхемы. Этот ток в большинстве цифровых схем больше тока единицы. В этой схеме мы не накладывали никаких ограничений на используемую цифровую микросхему, кроме того, что она должна обеспечивать необходимый выходной ток. Однако при использовании обычного выходного каскада необходимо, чтобы напряжение питания микросхемы было равно напряжению, подаваемому на светодиод. Однако на светодиод нужно подавать напряжение больше пяти вольт. Только в этом случае светодиод надёжно откроется.

В большинстве современных микросхем ток единицы превышает минимальный ток зажигания светодиода. В ряде случаев это может упростить принципиальную схему устройства. Схема с использованием единичного тока цифровой микросхемы приведена на рисунке 8. Однако следует отметить, что если в схеме, приведенной на рисунке 3.7, светодиод зажигается нулевым потенциалом, то в схеме, приведенной на рисунке 8, для зажигания светодиода на выходе микросхемы следует сформировать единичный потенциал. В этой схеме напряжение питания цифровой микросхемы тоже должно превышать пять вольт.



Рисунок 3.8. Использование тока единицы для зажигания светодиодного индикатора.

Как уже говорилось ранее, в современных цифровых микросхемах часто используется напряжение питания 3.3 В, 2.5 В или даже 0.7 В! Как же быть в таком случае? Неужели использовать схему с дополнительным транзисторным ключом? Во всех цифровых схемах присутствуют микросхемы с открытым коллектором. Выходной транзистор этих микросхем способен выдерживать напряжение, превышающее напряжение питания самой микросхемы, поэтому такие микросхемы можно использовать для подключения светодиодных индикаторов. Такая схема приведена на рисунке 3.9.



Рисунок 3.9. Схема подключения светодиодного индикатора к цифровой микросхеме с открытым коллектором.

Глава 4

Жидкокристаллические индикаторы.

В настоящее время жидкокристаллические индикаторы являются наиболее распространённым видом индикаторов. Хотя сами жидкие кристаллы (ЖК) были известны химикам еще с 1888 г., но только 1960-х годов началось их практическое использование. В 1990 г. Де Жен получил Нобелевскую премию за теорию жидких молекулярных кристаллов.

Принципы работы жидкокристаллических индикаторов

Термином жидкий кристалл обозначается мезофаза между твердым состоянием и изотропным жидким состоянием, при этом мезофаза сохраняет фундаментальные свойства присущие двум состояниям материи. Жидкие кристаллы, с одной стороны, обладает текучестью как изотропная жидкость, с другой стороны, сохраняет определенный порядок в расположении молекул (как кристалл).

В отдельных случаях мезофаза оказывается стабильной в широкой области температур, включая комнатную, тогда говорят о жидких кристаллах. Большинство жидких кристаллов образуются стержневыми молекулами.

Обычно жидкокристаллический дисплей представляет собой стеклянную кювету толщиной меньше 20 мкм, в которую помещен жидкий кристалл. Направление молекул жидкого кристалла может быть задано обработкой поверхностей кюветы таким образом, чтобы молекулы ЖК выстраивались в определенном направлении – параллельно плоскости кюветы или перпендикулярно к ней. Один из способов обработки поверхности заключается в нанесении на нее тонкого слоя твердого полимера и последующего «натирания» его в одном направлении.

Используя различные ориентации направления молекул жидкого кристалла первоначально с помощью поверхностного упорядочения, а затем с помощью электрического поля, можно сконструировать простейший дисплей. Жидкокристаллический дисплей состоит из несколько слоев, где ключевую роль играют две стеклянные панели, между которыми помещён жидкий кристалл.

На панели наносятся бороздки. Бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны бороздкам соседней панели. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково по всей поверхности. В результате направление ориентации молекул жидкого кристалла поворачивается от верхней панели к нижней на 90°, вращая, таким образом, плоскость поляризации света, как это изображено на рисунке 4.1. Изображение формируется при помощи поляризационных плёнок, размещённых над и под жидкокристаллическим дисплеем. Если оси поляризации этих плёнок перпендикулярны друг другу, то дисплей будет прозрачным.

 
Рисунок 4.1. Вращение поляризации света жидким кристаллом

На стеклянные панели наносится тонкий слой металла, образующий электроды. Если теперь к электродам подвести напряжение, то молекулы жидкого кристалла развернутся вдоль электрического поля, вращение плоскости поляризации исчезнет, и свет не сможет пройти через поляризационные плёнки, как это показано на рисунке 4.2. Рисунок 2а соответствует отсутствию электрического поля, а рисунок 2б – приложенному к электродам напряжению.

Напряжение, необходимое для поворота директора составляет обычно 2В-5В. Важно, что действие электрического поля не связано с дипольным моментом молекулы и поэтому не зависит от направления поля. Это позволяет использовать для управления индикатором переменное поле. Постоянное поле может приводить к электролизу жидкого кристалла и, в конечном итоге, выходу прибора из строя.

 
Рисунок 4.2. Вращение поляризации света жидким кристаллом

Электроды на жидкокристаллический индикатор наносятся в виде точек, пиктограмм или сегментов для отображения различных видов информации, как это уже обсуждалось ранее.

Режимы работы жидкокристаллических индикаторов

Жидкокристаллические индикаторы используются в двух режимах работы: в режиме отражения света и в режиме просвечивания. Наиболее экономичный режим использования жидкокристаллического индикатора – это режим отражения. В этом режиме используются внешние источники света, такие как солнце или осветительные лампы помещения. Сами жидкокристаллические индикаторы ток практически не потребляют.

При использовании режима отражения прозрачным оставляют весь дисплей. Информация же формируется непрозрачными участками жидкого кристалла, образующимися между электродами при подаче на них переменного напряжения.

В режиме просвечивания возможны два вида использования жидкокристаллического дисплея: формирование обычного изображения как и в режиме отражения и формирование негативного изображения. В режиме негативного изображения весь дисплей остаётся непрозрачным, а свет проходит только через участки изображения, которые в этом случае кажутся нарисованными краской. Негативный режим формируется поляризационными плёнками с совпадающей поляризацией.

Для подсветки жидкокристаллического индикатора обычно используется газоразрядные лампы или светодиоды, так как эти источники света не выделяют тепла, способного вывести из строя жидкокристаллический индикатор. Для равномерного распределения света под светодиодными индикаторами используются светопроводы, выполненные из рассеивающих свет материалов.

Параметры жидкокристаллических индикаторов

Важным параметром индикатора является время релаксации — время, необходимое для возвращения молекул жидкого кристалла в исходное состояние после выключения поля. Оно определяется поворотом молекул и составляет 30-50 мс. Такое время достаточно для работы различных индикаторов, но на несколько порядков превышает время, необходимое для работы компьютерного монитора.

Время релаксации резко зависит от температуры жидкокристаллического индикатора. Именно временем релаксации определяется минимальная температура использования жидкокристаллических индикаторов. Время релаксации современных жидкокристаллических индикаторов при температуре –25°C достигает нескольких секунд. Это время смены информации неприемлемо для большинства практических приложений.

Не менее важным параметром жидкокристаллического индикатора является контрастность изображения. При нормальной температуре контрастность изображения достигает нескольких сотен. При повышении температуры контрастность изображения падает и при температуре порядка +50°C изображение становится практически неразличимым.

Следующий параметр, характеризующий жидкокристаллический индикатор — это угол обзора. Угол обзора жидкокристаллического индикатора существенно зависит от скважности динамического режима индикации. Чем больше скважность – тем меньше получается угол обзора индикатора.

В современных жидкокристаллических компьютерных мониторах используется специальный метод формирования статического формирования изображения при динамическом способе его подачи на дисплей. Это TFT технология. При использовании этой технологии около каждого элемента изображения формируется запоминающий конденсатор и ключевой транзистор, который подключает этот конденсатор к цепям формирования изображения только в момент подачи информации именно для этого элемента изображения.

Формирование цветного изображения

Цветные жидкокристаллические индикаторы обычно выполняют в виде матрицы, то есть на них можно сформировать любые изображения. Для формирования цветного изображения в основном используется режим просвечивания. При этом один пиксель изображения состоит из трёх элементов, напротив каждого из них располагается свой светофильтр: синий, красный и зеленый.

Формирование напряжения для работы жидкокристаллического индикатора

Особенностью работы жидкокристаллического индикатора является то, что на него следует подавать переменное напряжение. Это связано с тем, что при подаче на жидкокристаллический индикатор постоянного напряжения происходит электролиз жидкого кристалла и индикатор выходит из строя.

Напряжение для работы жидкокристаллического индикатора формируется логическими элементами, поэтому обычно используется прямоугольное колебание со скважностью равной двум. Его легко можно получить на выходе делителя частоты на два.

Теперь вспомним, что логические сигналы содержат постоянную составляющую. Ее можно убрать, подав сигнал на выводы жидкокристаллической ячейки в противофазе друг другу. Временная диаграмма такого напряжения приведена на рисунке 3.


Рисунок 3. Временная диаграмма напряжения на выводах жидкокристаллической ячейки

Если ячейку жидкокристаллического индикатора следует оставить прозрачной, то на ее выводы подаются синфазные напряжения. В результате разность потенциалов получается равной нулю.

В результате контроллер жидкокристаллического индикатора можно собрать с использованием схем "исключающего ИЛИ". Подобная схема приведена на рисунке 4.4.

 
Рисунок 4.4. Принципиальная схема контроллера семисегментного жидкокристаллического индикатора

В этой схеме скважность прямоугольного колебания, равную двум, обеспечивает делитель частоты, собранный на D триггере. Если на вход сегмента подается единичный потенциал, то логический элемент "исключающее ИЛИ" инвертирует колебание, подаваемое на подложку жидкокристаллического индикатора COM. Этот сегмент становится непрозрачным.

Если же на вход сегмента поступает нулевой потенциал, то на выходе элемента "исключающее ИЛИ" колебание не инвертируется. Тем самым на соответствующий сегмент подается нулевая разность потенциалов. Этот сегмент остается прозрачным.

Глава 5

Динамическая индикация.

Индикаторы обычно располагают в местах, удобных для просмотра информации, отображаемой на них. Остальная цифровая схема может располагаться на других печатных платах. При увеличении количества индикаторов увеличивается количество проводников между платой индикаторов и цифровой платой. Это приводит к определенным неудобствам разработки конструкции и эксплуатации аппаратуры. Эта же причина приводит к увеличению ее стоимости.

Количество соединительных проводников можно уменьшить, если заставить индикаторы работать в импульсном режиме. Человеческий глаз обладает инерционностью и если заставить индикаторы отображать информацию поочередно с достаточно большой скоростью, то человеку будет казаться, что все индикаторы отображают свою информацию непрерывно. В результате можно по одним и тем же проводникам поочередно передавать отображаемую информацию. Обычно достаточно частоты обновления информации 50 Гц, но лучше увеличить эту частоту до 100 Гц.

Давайте рассмотрим структурную схему включения семисегментных светодиодных индикаторов, приведенную на рисунке 5.1. Эта схема может обеспечить динамическую индикацию выдаваемой цифровой информации.


Рисунок 5.1. Структурная схема динамической индикации

В схеме, приведенной на рисунке 5.1, отображаются четыре цифровых разряда. Каждый разряд кратковременно подключается к своему входу коммутатора. Генератор служит для задания скорости обновления информации на индикаторах. Двоичный счетчик последовательно формирует четыре состояния схемы, а дешифратор через ключи обеспечивает поочередную подачу питания на семисегментные индикаторы.

В результате, когда коммутатор подает двоично-десятичный код с входа A на входы семисегментного дешифратора, то этот код отображается на индикаторе HL1. Когда коммутатор подает на входы семисегментного дешифратора двоично-десятичный код с входа B, то этот код отображается на индикаторе HL2, и так далее, по циклу.

Скорость обновления информации в рассмотренной схеме будет в четыре раза меньше частоты генератора. То есть для того, чтобы получить частоту мерцания индикаторов 100 Гц, требуется частота генератора 400 Гц.

Во сколько же раз мы в результате уменьшили количество соединительных проводников? Это зависит от того, где мы проведем сечение схемы. Если мы на плате индикации оставим только индикаторы, то для их работы потребуется 7 информационных сигналов для сегментов и четыре коммутирующих сигнала. Всего 11 проводников. В статической схеме индикации нам потребовалось бы 7×4=28 проводников. Как видим, выигрыш налицо. При реализации 8-ми разрядного блока индикации выигрыш будет еще больше.

Еще больший выигрыш будет, если сечение схемы провести по входам индикаторов. В этом случае для четырехразрядного блока индикации потребуется только шесть сигнальных проводников и два проводника питания схемы. Однако такая точка сечения схемы динамической индикации применяется очень редко.

Теперь давайте рассчитаем ток, протекающий через каждый сегмент светодиодного индикатора при его свечении. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой протекания тока по одному из сегментов индикатора. Данная схема приведена на рисунке 5.2.



Рисунок 5.2 схема протекания тока по одному из сегментов индикатора.

Как уже упоминалось ранее, для нормальной работы светодиода требуется ток от 3 до 10 мА. Зададимся минимальным током светодиода 3 мА. Однако при импульсном режиме работы яркость свечения индикатора падает в N раз, где коэффициент N равен скважности импульсов тока, подаваемых на этот индикатор.

Если мы собираемся сохранить ту же яркость свечения, то требуется увеличить величину импульсного тока, протекающего через сегмент, в N раз. Для восьмиразрядного индикатора коэффициент N равен восьми. Пусть первоначально мы выбрали статический ток через светодиод, равный 3 мА. Тогда для сохранения той же яркости свечения светодиода в восьмиразрядном индикаторе потребуется импульсный ток:

I_{сег дин}= I_{сег стат}×N= 3мА×8 = 24мА.

Такой ток с трудом смогут обеспечить только некоторые серии цифровых микросхем. Для большинства же серий микросхем потребуются усилители, выполненные на транзисторных ключах.

Теперь определим ток, который будет протекать через ключ, коммутирующий питание на отдельные разряды восьмиразрядного блока индикации. Как это видно из схемы, приведенной на рисунке 5.2, через ключ может протекать ток любого сегмента индикатора. При отображении цифры 8 потребуется зажечь все семь сегментов индикатора, значит импульсный ток, протекающий в этот момент через ключ, можно определить следующим образом:

I_кл= I_сегдин×N_сег= 24мА×7 = 168мА.

Как вам такой ток?! В радиолюбительских схемах я часто встречаю решения, где коммутирующий ток берется непосредственно с выхода дешифратора, который не может выдать ток больше 20 мА, и задаю себе вопрос — а где смотреть такой индикатор? В полной темноте? Получается «прибор ночного видения», то есть прибор, показания которого видны только в полной темноте.

А теперь давайте рассмотрим принципиальную схему полученного блока индикации. Она приведена на рисунке 5.3.

 
Рисунок 5.3. Принципиальная схема блока динамической индикации.

Теперь, после того, как мы получили схему динамической индикации, можно обсудить ее достоинства и недостатки. Несомненным достоинством динамической индикации является малое количество соединительных проводов, что делает ее незаменимой в некоторых случаях, таких как работа с матричными индикаторами.

В качестве недостатка следует привести наличие больших импульсных токов, а так как любой проводник является антенной, то динамическая индикация служит мощным источником помех. Еще одним путем распространения помех является источник питания.

Обратим внимание, что фронта у коммутирующих импульсов очень короткие, поэтому их гармонические составляющие перекрывают диапазон радиочастот вплоть до ультракоротких волн.

Итак, применение динамической индикации позволяет минимизировать количество соединительных проводов между цифровым устройством и индикатором, но является при этом мощным источником помех, поэтому ее применение в радиоприемных устройствах нежелательно.

Если по каким-либо причинам, например, необходимость применения матричных индикаторов, приходится использовать динамическую индикацию, то нужно принять все меры по подавлению помех.

В качестве мер по подавлению помех от динамической индикации можно назвать экранирование блока, соединительного кабеля и плат. Использование минимальной длины соединительных проводов, применение фильтров по питанию. При экранировании блока, возможно, потребуется экранировать и сами индикаторы. При этом обычно используется металлическая сетка. Эта сетка одновременно может увеличить контрастность отображаемых символов.

Раздел 9

Синтезаторы частоты.

Глава 1

Цифровой фазовый детектор.

Схемы частотных и фазовых детекторов широко используются в аналоговой технике. Однако в большинстве случаев в таких схемах используются трансформаторы, что делает такие схемы неудобными для массового производства, поэтому имеет смысл попытаться найти решение при помощи цифровых микросхем.

В аналоговых схемах наилучшими характеристиками обладают фазовые детекторы, построенные на основе умножителя. Составим таблицу истинности умножителя, сигнал на входе которого может принимать только два значения - единицу и минус единицу. Использование таких уровней позволяет интерпретировать сигнал на входе умножителя как знак сигнала.

Таблица 1.1 Таблица истинности умножителя знаков.

X1	X2	Y
-1	-1	1
-1	1	-1
1	-1	-1
1	1	1

Если теперь символ "-1" обозначить как "0", то мы увидим, что полученная таблица истинности совпадает с инвертированной таблицей истинности логического элемента "исключающее ИЛИ". Для сравнения в таблице 2 приведена таблица истинности логического элемента "исключающее ИЛИ".

Таблица 1.2Таблица истинности элемента “исключающее ИЛИ”.

X1	X2	Y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Инверсия выходного сигнала в нашем случае не имеет принципиального значения. Это означает, что элемент “исключающее ИЛИ” вполне может быть использован в качестве фазового детектора. Схема цифрового фазового детектора приведена на рисунке 1.1



Рисунок 1.1 Схема цифрового фазового детектора.

Рассмотрим три варианта сигналов, поступающих на вход фазового детектора, построенного на основе схемы исключающего ИЛИ. В первом варианте сигналы на входах фазового детектора полностью синфазны. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе логического элемента “исключающее ИЛИ” приведены на рисунке 1.2.



Рисунок 1.2. Временные диаграммы синфазных сигналов.

Анализируя эти сигналы можно сделать вывод, что при синфазных напряжениях на входах фазового детектора, построенного на логическом элементе “исключающее ИЛИ” на выходе присутствует нулевое напряжение.

Теперь подадим на входы фазового детектора сигналы, сдвинутые друг относительно друга на 15°. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе логического элемента “исключающее ИЛИ” приведены на рисунке 1.3.



Рисунок 1.3. Временные диаграммы сигналов, сдвинутых по фазе на 15°.

В этом случае на выходе логического элемента “исключающее ИЛИ” появляются импульсы с частотой, равной частоте входных сигналов. Длительность формируемых импульсов пропорциональна сдвигу фаз входных сигналов. Если проинтегрировать этот сигнал, то можно получить напряжение, соответствующее фазовому сдвигу между входными сигналами.

Подадим на входы фазового детектора сигналы, сдвинутые друг относительно друга на 165°. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе логического элемента “исключающее ИЛИ” приведены на рисунке 1.4.



Рисунок 1.4. Временные диаграммы сигналов, сдвинутых по фазе на 165°.

Как и ожидалось, скважность сигнала на выходе фазового детектора изменилась. Теперь напряжение на выходе RC цепочки близко к напряжению питания. Можно построить зависимость напряжения от сдвига фаз на входе детектора. Она приведена на рисунке 1.4.

 

Рисунок 1.5. Зависимость напряжения на выходе фазового детектора от сдвига фаз входных колебаний.

Анализируя эту зависимость можно сделать вывод, что фазовый детектор, построенный на основе логического элемента “исключающее ИЛИ” обладает прекрасной линейностью преобразования и может вполне заменить аналоговый фазовый детектор.

Глава 2

Фазовый компаратор.

При работе в цепи фазовой автоподстройки ошибка по фазе может приводить к неточной настройке синтезатора. Это связано с принципиальной работой фазового детектора — он вырабатывает напряжение, использующееся для настройки ГУН. Для удержания ГУН на заданной частоте необходим постоянный сдвиг фаз межу опорным колебанием и подстраиваемым колебанием, вырабатываемым ГУН. Кроме того, при большой разности частот мы получим не постоянное напряжение ошибки, а переменное напряжение, которое невозможно использовать для автоподстройки ГУН. Устранить этот недостаток можно при использовании схемы фазового компаратора.

Фазовый компаратор позволяет формировать напряжение не пропорциональное фазе, а соответствующее знаку фазы, то есть на его выходе может быть три значения напряжения: отставание по фазе, опережение по фазе и точное совпадение по фазе входных колебаний.

Один из вариантов реализации схемы фазового компаратора приведен на рисунке 2.1.

 
Рисунок 2.1. Принципиальная схема фазового компаратора

Для реализации схемы фазового компаратора используются два D-триггера. На тактовые входы этих триггеров подаются опорное и подстраиваемое колебания. При этом в триггеры записываются единичные значения. При записи единичных значений в оба триггера триггеры обнуляются. В результате при опережении фазы опорного колебания импульсы будут формироваться на выходе триггера D1.1, при опережении фазы подстраиваемого колебания импульсы появятся на выходе триггера D1.2. При точном совпадении фаз опорного и подстраиваемого колебания импульсы на выходе обоих триггеров будут настолько короткими, что ими можно пренебречь.

Импульсы с выходов триггера D1.1 подаются на заряжающий конденсатор C1 ключ, а импульсы с выхода триггера D1.2  подаются на разряжающий конденсатор C1 ключ. В результате изменение напряжения на конденсаторе C1 не будет происходить только при точном совпадении фазы опорного и подстраиваемого колебаний.

Временные диаграммы сигналов на входах и выходах триггеров фазового компаратора при опережении фазы опорного колебания приведены на рисунке 2.2.



а)



б)



в)

Рисунок 2.2. Временные диаграммы сигналов на входах и выходах триггеров, входящих в состав фазового компаратора.
а – опорное колебание опережает подстраиваемое по фазе
б — подстраиваемое колебание опережает опорное по фазе
в – колебания совпадают по фазе

Обычно для управления варикапами, входящими в состав ГУН, требуются напряжения, большие напряжения питания цифровых микросхем (порядка 12 … 15В). В таких случаях на выходе фазового компаратора, схема которого приведена на рисунке 1, требуется усилитель. В некоторых случаях можно обойтись без такого усилителя, если воспользоваться диодными ключами, как это показано на схеме, приведённой на рисунке 2.3.

 
Рисунок 2.3. Принципиальная схема фазового компаратора с диодными ключами

В приведённой на рисунке 2.3 схеме фазового компаратора заряд ёмкости C1 производится через резистор R5, а разряд этой ёмкости производится через резистор R4 и полностью открытый транзистор VT1.

Глава 3

Цепи фазовой автоподстройки частоты.

Рассмотрим основные блоки, входящие в структурную схему фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Структурная схема ФАПЧ приведена на рисунке 3.1.

 
Рисунок 3.1 Структурная схема цепи фазовой автоподстройки частоты

В состав этой структурной схемы входит фазовый детектор (ФД), формирующий сигнал ошибки формируемого колебания. Выходное колебание вырабатывается генератором, управляемым напряжением (ГУН). Образцовое колебание в этой схеме формирует опорный генератор (ОГ). Еще одним неотъемлемым звеном цепи фазовой автоподстройки частоты является фильтр нижних частот (ФНЧ), позволяющий избежать самовозбуждения всей схемы в целом.

В зависимости от элементов, использованных в схеме фазовой автоподстройки частоты, она может быть аналоговой (при использовании аналоговых схем фазового детектора), цифровой (при использовании в качестве фазового детектора логических цепей) и полностью цифровой (при реализации фильтра низкой частоты в цифровом виде).

В результате работы схемы, приведенной на рисунке 3.1, мы в идеальном случае можем получить точно такое же колебание, что и колебание опорного генератора. Но тогда зачем нужна вся схема? Ведь можно было бы просто взять сигнал с выхода опорного генератора.

Первая задача, которую можно решить при использовании схемы фазовой автоматической подстройки частоты — это реализация детектирования частотно-модулированного сигнала. Если снимать напряжение с выхода ФНЧ, входящего в состав схемы фазовой автоподстройки частоты, то его уровень будет пропорционален отклонению частоты опорного генератора от номинального значения.

Однако мы собирались использовать схему ФАПЧ для генерации заданного набора частот. То есть нам требуется научиться изменять частоту генератора управляемого напряжением. Для этого включим в цепь обратной связи делитель частоты, как это показано на рисунке 2. Частота сигнала на выходе этого делителя уменьшится по сравнению с входным значением в коэффициент деления раз. Но ведь схема фазовой автоподстройки частоты будет поддерживать значения частот на входе фазового детектора равными друг другу. Это означает, что частота на выходе ГУН под действием цепи автоматической подстройки должна будет увеличиться в коэффициент деления раз относительно частоты опорного колебания.

 
Рисунок 3.2. Структурная схема цифрового синтезатора частот

В структурной схеме, приведенной на рисунке 3.2, использован делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Изменяя коэффициент деления N делителя ДПКД, можно перестраивать выходную частоту генератора.

Как мы уже знаем из предыдущих глав, коэффициент деления цифрового делителя частоты может достигать несколько  тысяч. Выбрав достаточно низкую опорную частоту fоп можно получить шаг перестройки синтезатора, удовлетворяющий требованиям к перестраиваемому генератору частот. Шаг перестройки синтезатора в схеме ФАПЧ получается равным частоте опорного генератора.

Обычно в радиотехнических схемах требуется малый шаг перестройки генератора. Величина этого шага составляет сотни герц или, в крайнем случае, единицы килогерц. В результате возникает новая проблема. Мы не можем использовать для формирования такой частоты кварцевый генератор, ведь приемлемые по габаритам и стоимости кварцевые резонаторы могут работать только в диапазоне частот от 1 до 30 МГц.

Тем не менее, для получения низкой частоты сравнения на входах фазового детектора, на выходе опорного генератора можно поставить еще один цифровой делитель частоты с постоянным коэффициентом деления, как это выполнено в схеме, приведенной на рисунке 12.4. В этой схеме мы можем выбирать значения частот сравнения fср, опорной частоты fоп и выходного колебания f в достаточно широком диапазоне.

 
Рисунок 3.3. Структурная схема цифрового синтезатора частот с малым шагом перестройки частоты

В качестве примера давайте определим требования к блокам, входящим в структурную схему синтезатора, вырабатывающего частоты в диапазоне от 146 до 174 МГц. Пусть в схеме будет использован генератор опорной частоты 6,4 МГц. Такие высокостабильные генераторы предлагаются многими фирмами в качестве готовых модулей, например модуль 6.4 MHz CFPT-9006-FC-1B фирмы C-MAC.

Шаг перестройки по частоте в заданном диапазоне частот определяется разносом радиоканалов по частоте. В настоящее время в этом диапазоне частот МККР рекомендует строить аппаратуру с шириной полосы радиоканала 12,5 кГц. Пусть наш синтезатор частот будет обладать именно таким шагом настройки частоты. Тогда частота сравнения на входе фазового детектора тоже должна соответствовать этому значению. Отсюда можно определить коэффициент деления постоянного делителя ПД:

Теперь определим максимальное и минимальное значение коэффициентов деления ДПКД:

 


Все полученные коэффициенты деления легко реализуются одной из схем делителей частоты (цифровых счетчиков), рассмотренных нами в предыдущих главах. Теперь можно приступать к разработке принципиальной схемы синтезатора. Единственным блоком, не рассмотренным в предыдущих главах, остался блок определения ошибки по частоте. Остановимся на этом блоке подробнее.

Глава 4

Умножители частоты

Цепи фазовой подстройки частоты часто используются для умножения частоты. Раньше для этой цели использовались схемы генераторов гармоник с последующим выделением соответствующей гармоники узкополосным фильтром.

Намного лучше для этой цели подходит схема фазовой автоподстройки частоты. В этой схеме относительно просто можно изменять коэффициент умножения схемы изменением коэффициента деления в цепи обратной связи. Для умножения частоты используется либо цифровая, либо полностью цифровая схема фазовой автоподстройки частоты.

Умножители частоты в настоящее время обычно используются для увеличения внутренней тактовой частоты больших интегральных микросхем. В этих микросхемах цифровая схема фазовой автоподстройки частоты получила название аналогового умножителя тактовой частоты, а полностью цифровая схема ФАПЧ получила название цифрового умножителя частоты.

Для увеличения тактовой частоты цифровых микросхем чаще используется полностью цифровая схема умножения частоты, а для смешанных схем или схем, предназначенных для цифровой обработки сигналов предпочтительнее использование аналогового умножителя частоты. Это связано со спектральной чистотой выходного сигнала. Аналоговая схема обеспечивает более стабильное колебание, но при этом медленнее выходит на рабочий режим.

Пример принципиальной схемы аналогового умножителя тактовой частоты приведен на рисунке 4.1.



Рисунок 4.1. Принципиальная схема аналогового умножителя частоты.

В этой схеме опорный генератор с кварцевой стабилизацией частоты реализован на логических элементах D4 и D6. Генератор, управляемый напряжением, реализован на элементах D1 и D3. В качестве регулировочного элемента использован полевой транзистор VT1. Фазовый компаратор реализован на микросхемах D7, D8 и D10. Полосу захвата цепи фазовой автоподстройки определяет фильтр низкой частоты, реализованный на конденсаторе C4.

Данный умножитель частоты допускает только шестнадцать ступеней регулировки тактовой частоты. Код, определяющий коэффициент умножения вводится через упрощенный последовательный порт, собранный на сдвиговом регистре D2.

В более сложных схемах умножителей частоты вводятся делители между опорным генератором и фазовым компаратором. Это позволяет реализовывать дробные коэффициенты умножения частоты.

Глава 5

Частотный детектор, построенный на основе ФАПЧ

Частотные детекторы, построенные на основе элементов задержки, обычно реализуют широкую полосу детекторной характеристики. Однако используемые в реальных радиосистемах частотно-модулированные колебания обычно являются узкополосными. Поэтому для приема частотно-модулированных радиосигналов чаще используют частотные детекторы, построенные на основе схемы фазовой автоподстройки частоты.

В схеме частотного детектора не используется фазовый компаратор. Здесь лучше подходит схема фазового детектора, так как на ее выходе сигнал пропорционален фазе принимаемого колебания. Пример схемы частотного детектора, построенного на основе схемы фазовой автоподстройки частоты, приведен на рисунке 5.1.

 
Рисунок 5.1. Пример схемы частотного детектора, построенного на основе схемы фазовой автоподстройки частоты

В данной схеме частотный детектор реализован на основе цифрового фазового детектора. Как мы уже определили ранее, функции фазового детектора может выполнять логический элемент "исключающее ИЛИ". Генератор управляемый напряжением собран на инверторах D1 и D2, а подстройку его частоты осуществляет транзистор VT1.

При изменении частоты входного сигнала схема фазовой автоподстройки вынуждена подстраивать ГУН на эту же частоту. При этом естественно изменяется напряжение на затворе транзистора VT1. То есть напряжение в этой точке будет соответствовать отклонению частоты входного сигнала от своего номинального значения, а значит, вся схема в целом будет осуществлять детектирование частотно-модулированного сигнала.

Полоса детектируемого сигнала в приведенной схеме будет зависеть от крутизны регулировочной характеристики генератора, управляемого напряжением и  коэффициента усиления фазового детектора, выполненного на логическом элементе D3.