Число тактов в генераторе

Число тактов в генераторе

Тактовый генератор: устройство, принцип работы, применение

Тактовый генератор – электронная схема, производящая тактовый сигнал для синхронизации работы цифровых схем. Такой сигнал может иметь любую форму: и простую прямоугольную, и более сложную. Основными элементами генератора являются резонансная схема и усилитель.

Тактовые сигналы

В электронике, в особенности в синхронных цифровых сетях, тактовый сигнал – это сигнал, имеющий постоянную частоту, два устойчивых состояния (верхнее и нижнее), предназначенных для согласования работы цифровых схем.

Вам будет интересно: Как поставить макрос на мышку Bloody A4Tech

Тактовые сигналы создаются тактовыми генераторами. Наиболее распространенной формой тактового сигнала является меандр (сигнал с рабочим циклом 50%). Рабочий цикл – отношение длительности к периоду импульса. Другими словами, это часть периода, в течение которой сигнал активен.

Схемы, использующие тактовые сигналы, могут становиться активными во время переднего фронта, заднего фронта, или, в случае удвоенной скорости передачи данных, переднего и заднего фронтов импульса.

Принцип формирования тактового сигнала

Источником тактовых колебаний является кварцевый кристалл, расположенный в оловянном корпусе. При подаче на кварцевую пластинку напряжения, он начинает совершать механические колебания. Под действием пьезоэлектрического эффекта на электродах кристалла наводится ЭДС. Колебания электротока следуют на генератор, который, собственно, и преобразует их в импульсы.

Генератор тактовых импульсов для компьютера

Вам будет интересно: Как подключить «Икс Бокс 360» к интернету: пошаговая инструкция

В компьютере генератор отвечает за синхронную работу всех его устройств: процессора, оперативной памяти, шин данных. Работу процессора при этом можно сравнить с работой часов. Исполнение инструкции центральным процессором осуществляется за определенное число тактов. Точно также функционируют и часы. Такты в механических часах определяются колебаниями маятника.

Производительность процессора напрямую зависит от частоты тактов. Чем больше частота тактов, тем больше инструкций процессор способен выполнить за определенный промежуток времени. Одна команда или инструкция может выполняться процессором за часть такта или за несколько сотен тактов. Общая тенденция современного развития компьютерной техники заключается в снижении количества тактов, выделяемых для выполнения одной простейшей инструкции.

Оверклокинг

Особый интерес тактовый генератор процессора представляет для оверклокеров. К оверклокерам относят специалистов в области компьютерных технологий и просто любителей, стремящихся повысить производительность своей техники. В настоящее время оверклокинг доступен даже простым пользователям. Для изменения настроек компонентов компьютера иногда достаточно просто зайти в BIOS.

Прежде всего необходимо ответить на вопрос: за счет чего будет повышаться производительность? Здесь все очень просто. Производители компьютерных комплектующих для повышения надежности своих компонентов закладывают в них технологический запас. Именно этот запас и привлекает любителей выжать максимум из своего компьютера.

Одним из способов разгона компьютера будет замена кварцевого резонатора на кристалл, имеющий более высокую частоту. Или, например, можно убрать дополнительные элементы в виде делителей частоты из схемы генератора.

В современных компьютерах генераторы, как правило, реализуются на одной интегральной схеме. Значения тактовой частоты и множителя процессора, как уже было отмечено выше, можно изменить непосредственно из BIOS.

Начинающие оверклокеры нередко задаются вопросом, как определить модель тактового генератора. Программными средствами это сделать невозможно. Остается только открывать системный блок и искать генератор визуально.

С другой стороны, программным способом определяется модель материнской платы (AIDA64, Everest и другие). Затем для данной модели ищется подробная инструкция, а в ней вполне возможно будет найти информацию о названии генератора. А как узнать для тактового генератора значение тактовой частоты, установленное по умолчанию, и значение после разгона? Эти сведения также можно почерпнуть из инструкции для материнской платы.

Основные элементы

В качестве резонансной схемы генератора часто выступает кварцевый пьезо-электрический возбудитель. В то же время могут использоваться более простые схемы параллельного резонансного контура и RC-цепь (схема состоящая из конденсатора и резистора).

Генератор может иметь дополнительные схемы для изменения основного сигнала. Так процессор 8088 использует только две трети от рабочего цикла тактового сигнала. Это требует наличия в генераторе тактовых импульсов. И встроенной логической схемы для преобразования рабочего цикла.

По мере усложнения формы выходного синхросигнала в схеме генератора тактовых импульсов могут использоваться смеситель, делитель или умножитель частоты. Смеситель частоты генерирует сигнал, частота которого равна сумме или разности двух частот входных сигналов.

Схема фазовой автоподстройки частоты

Многие устройства используют схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для сравнения фазы сигнала с выхода генератора с фазой частоты и регулировки частоты генератора таким образом, чтобы значения фаз совпали.

На рисунке приведена схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Устройство сравнения фаз (компаратор) имеет 2 входа и 1 выход. В качестве входных сигналов используется сигнал от задающего генератора (сигнал на входе схемы ФАПЧ) и сигнал с выхода генератора, управляемого напряжением (ГУН). Компаратор сравнивает фазы двух сигналов и формирует сигнал ошибки, который следует на фильтр нижних частот (ФНЧ), а с него – на ГУН, управляя его частотой.

Виды тактовых генераторов

1. Генераторы общего назначения

Генераторы общего назначения, как правило, используют схемы ФАПЧ для генерирования выходных сигналов из общей входной частоты. Они для получения опорной частоты используют простые недорогие кварцевые кристаллы. Из сигнала опорной частоты они генерируют выходные тактовые сигналы с низким уровнем дрожания фронта сигнала.

2. Программируемые генераторы

Позволяют изменять коэффициент, используемый делителем или умножителем. Благодаря этому можно выбрать любую из множества выходных частот без изменения аппаратной части.

Применение генераторов синхронизирующих сигналов в сетях SONET

Это тактовый генератор, используемый сетями поставщиков услуг часто в виде встроенного источника сигналов (BITS) для центрального офиса.

Цифровые коммутационные системы и некоторые системы передачи (например, системы синхронной цифровой иерархии SONET) зависят от надежной высококачественной синхронизации. Чтобы обеспечить такое состояние, большинство поставщиков услуг применяют схемы распределения сигналов синхронизации между офисами и реализуют концепцию BITS для обеспечения синхронизации внутри офиса.

На вход генератора тактовой частоты поступают входные сигналы синхронизации, а из выхода следуют выходные сигналы синхронизации. В качестве входных опорных сигналов могут выступать сигналы синхронизации DS-1 или CC (составные сигналы), выходными сигналами также могут быть сигналы DS-1 или CC.

• входной интерфейс синхронизации, принимающий входные сигналы DS-1 или CC;
• схема генерирования синхросигналов, которая создает синхросигналы, используемые схемой распределения выходной схемой распределения сигналов;
• выходная схема распределения сигналов синхронизации, создающая множество сигналов DS-1 и CC;
• схема контроля характеристик, предназначенная для контроля параметров синхронизации входных сигналов;
• интерфейс аварийной сигнализации, подсоединенный к системе управления аварийной сигнализацией центрального офиса;
• служебный интерфейс, предназначенный для использования местным обслуживающим персоналом и поддерживающий связь с удаленными служебными системами.

Как тактировать AVR

Введение

Прежде чем разбирать, какие бывают источники тактирования, чем они отличаются, их плюсы и минусы и тд, нам нужно определиться, что вообще означает словосочетание тактовая частота. Да и вообще, что означает термин «частота»?

Как нам говорит учебник физики, . Чаще всего этот промежуток времени называют и для удобства измерений его берут равным .

Какие можно привести примеры подобных колебаний? Это могут быть часы с кукушкой, маятник, качели

и даже круги на воде от камушка, который мы кинули в воду:

Более подробно про частоту и период можно прочитать в статье Электрические сигналы и их виды.

Так, теперь ближе к делу. Что же такое тактовая частота?

Любая операция МК или его мегакрутого брата-микропроцессора состоит из отдельных элементарных действий, то есть тактов.

Получается, тактовая частота — это сколько тактов в секунду может выполнить наш МК или процессор. Отсюда напрашивается вывод,

В МК AVR тактовая частота в основном измеряется в . Как помните, приставка «Мега» означает один миллион. Если у нашего МК тактовая частота 8 МегаГерц, то это означает, что он может выполнять 8 000 000 тактов в секунду, или, грубо говоря, около 8 000 000 различных операций в секунду ;-). Пусть вас не пугает это число, потому что ваши настольные компьютеры, телефоны и планшеты уже работают на частоте в несколько ГигаГерц. Гига — это уже миллиард! Например, если частота процессора вашего компа 2 ГГц, это означает, что он может произвести 2 миллиарда операций в секунду). Мало? Как оказалось на практике, уже стает мало)).

Вернемся к нашим баранам), а именно, к тактовой частоте. Допустим, мы имеем МК Tiny 2313, сконфигурированный на работу 8 МегаГерц и который может выполнять при этом 8 миллионов тактов в секунду. Каждая операция процессора состоит из тактов. А когда процессор выполняет нашу программу, записанную во Flash память, он тоже производит определенные операции которые указаны в программе. Граничная частота МК Tiny 2313, как говорит нам Datasheet, довольно высокая и составляет аж целых 20 МГц! Это довольно много по меркам МК

Правда, это только с применением внешнего кварцевого резонатора.

Кварцевый резонатор, называемый часто просто кварц, может выглядеть по-разному:

На схемах он обозначается так:

На кварце часто указана частота, на которой он работает. Ниже на фото мы видим кварц, который работает на частоте 8 МегаГерц (8.000MHz)

В большинстве случаев стараются указывать частоту на корпусе кварца. Если у вас есть какое-либо ненужное цифровое устройство, вы вполне можете выпаять кварц на нужную частоту прямо оттуда. Но в большинстве случаев в этом нет необходимости, так как новый кварцевый резонатор в радиомагазине стоит порядка 20-30 рублей.

Есть один нюанс, любезно предоставленный нам производителями микроконтроллера. Если нам нужно, чтобы программа выполнялась медленнее в восемь раз, мы можем этого добиться даже не переписывая программу и не выставляя задержки по новой, то есть в 8 раз длиннее. Нам достаточно уменьшить частоту МК в восемь раз и программа будет для нас выполняться медленнее в восемь раз. Забегая вперед, скажу, что сделать это мы можем очень легко, выставив всего одну галочку при программировании фьюз-битов, в бите CKDIV 8. Также легко мы можем отменить все наши изменения.

Этот способ мы использовали при прошивке МК в прошлой статье.

Существуют 4 варианта, которые применяются для тактирования МК:

Тактирование от внутреннего RC-генератора

На тактирование от внутреннего RC генератора МК настроен сразу с завода и не требует внешних деталей. Это означает, что с помощью МК, питания +5 Вольт и одного светодиода с резистором, мы уже можем заставить наш МК работать и выполнять программу без всяких сложных настроек и дополнительных деталей, задав скорость программно, путем выставления задержки «Delay». Имейте ввиду, что встроенный RC-генератор может работать только на четырех частотах: 1, 2, 4 или 8 МегаГерц, поэтому если вам требуется какая-нибудь эксклюзивная частота, типа 1 638 000 Герц, то такой способ не прокатит.

Тактирование от внешнего кварца

Тактирование от внешнего кварца чуточку сложнее. Как же нам подключить внешний кварц? Для начала нам надо найти цоколевку МК, которую мы собираемся тактировать от внешнего кварца. Пусть в нашем примере это будет Тiny 2313. Чтобы подключить внешний кварц, достаточно найти ножки микросхемы с названием «XTAL1» и «XTAL2».

Потом подсоединить кварц вот по такой схеме:

Потом при прошивке надо правильно выставить фьюзы. О них мы с вами поговорим в следующих статьях.

На реальных платах можно увидеть примерно вот такие схемы расположения элементов с тактированием от кварца. Здесь изображен МК AVR в корпусе TQFP , конденсаторы в SMD исполнении, скорее всего в корпусе 0805, и кварц.

А здесь изображен МК в корпусе DIP , два керамических конденсатора, так называемые “желтые капельки”, и кварц.

Как видно на схеме подключения кварца к МК, номинал нужных нам конденсаторов должен составлять 15-22 пикофарада. Расшифровать номинал таких конденсаторов, можно с помощью этого рисунка:

Тактирование от внешнего генератора

К тактированию от внешнего генератора прибегают тогда, когда требуется синхронизовать МК с внешними цепями, либо этот МК тактируют какой-либо своей частотой от генератора частоты. Тактирующий сигнал подают на ножку XTAL1:

Тактирование от RC-цепи

Тактирование от RC-цепочки осуществляется вот по такой схеме:

Здесь мы берем конденсатор емкостью не менее 22 пФ, а резистор от 10 Ом и до 100 КилоОм. По простой формуле можно с легкостью рассчитать частоту, на которой будет тактироваться наш МК:

— сопротивление резистора, Ом.

— емкость, Фарад.

Внутренний RC-генератор и внешняя RC-цепь дают нестабильную частоту, которая «гуляет» и зависит от температуры. Для того чтобы помигать светодиодом и прочих неответственных действий, нам это будет не принципиально. В наших проектах, поначалу не требующих особой точности, мы будем использовать тактирование от внутреннего RC-генератора.

Но чтобы получить очень точную частоту тактирования, которая почти не гуляет, надо использовать кварц. Тактирование от кварца важно при создании точных измерительных приборов, электронных часов, устройств сложной и точной автоматики, да и вообще любых устройств, где важна точность и не допустимы малейшие отклонения.

Итак, как мы помним из предыдущей статьи, некоторые ножки имеют двойное назначение, и помимо того, что могут использоваться как порты ввода-вывода, также используются для обеспечения расширения функций МК. Действительно, если МК сконфигурирован для работы от внутреннего RC-генератора, вам достаточно подать на него питание +5 Вольт и землю, и микроконтроллер включится и начнет выполнять программу. Но если вы выпаяли микроконтроллер из какого-либо устройства и он должен был в нем тактироваться от кварца, или по ошибке выставляя биты конфигурации, вы выставили тактирование от кварца, МК перестанет у вас быть виден в программе оболочке, и не сможет выполнять программу, даже если вы подадите на него +5 Вольт и землю.

Что же делать в таком случае? В первую очередь не паниковать) и собрать схему с тактированием от кварца, и тогда мы сделаем видимым наш МК, который вдруг может быть переставать у вас определяться оболочкой программатора и работать в схеме, если вы ошибочно переведете МК в режим тактирования от кварца, путем выставления определенных фьюзов. Об этом мы как-нибудь еще поговорим

Генератор тактовых импульсов

Генератор тактовой частоты (генератор тактовых импульсов) генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах — ЭВМ, электронных часах и таймерах, микропроцессорной и другой цифровой технике. Тактовые импульсы часто используются как эталонная частота — считая их количество, можно, например, измерять временные интервалы.

В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной операции. Обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.

Содержание

Типы генераторов

В зависимости от сложности устройства, используют разные типы генераторов.

Классический

В несложных конструкциях, не критичных к стабильности тактового генератора, часто используется последовательное включение нескольких инверторов через RC-цепь. Частота колебаний зависит от номиналов резистора и конденсатора. Основной минус данной конструкции — низкая стабильность. Плюс — предельная простота.

Кварцевый

Кварц + микросхема генерации

Микросхема генерации представляет собой специальную микросхему, которая при подключении к её входам кварцевого резонатора будет выдавать на остальных выводах частоту, делённую или умноженную на исходную. Данное решение используется в часах, а также на старых материнских платах (где частоты шин были заранее известны, только внутренняя частота центрального процессора умножалась коэффициентом умножения).

Программируемая микросхема генерации

В современных материнских платах необходимо большое количество разных частот, помимо опорной частоты системной шины, которые, по возможности, не должны быть зависимы друг от друга. Хотя базовая частота всё же формируется кварцевым резонатором (частота — 14,3 МГц), она необходима лишь для работы самой микросхемы. Выходные же частоты корректируются самой микросхемой. Например, частота системной шины может быть всегда равна стандартным 33 МГц, AGP — 66 МГц и не зависеть от частоты FSB процессора.

Если в электронной схеме необходимо разделить частоту на 2 используют Т-триггер в режиме счётчика импульсов. Соответственно, для увеличения делителя увеличивают количество счётчиков (триггеров).

Тактовый генератор

Тактовый генератор — автогенератор, формирующий рабочие такты процессора («частоту»). В некоторых процессорах (например, Z80) выполняется встроенным.

Кроме тактовки процессора в обязанности тактового генератора входит организация циклов системной шины. Поэтому его работа часто тесно связана с циклами обновления памяти, контроллером ПДП и дешифратором сигналов состояния процессора.

См. также

• Кварцевый резонатор
• Кварцевый генератор
• Блокинг-генератор
• Генератор (электроника)
• Автогенератор

• Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.
• Проставив сноски, внести более точные указания на источники.

• Инвентаризация
• Удивительный доктор Клиттерхаус

Полезное

Смотреть что такое «Генератор тактовых импульсов» в других словарях:

генератор тактовых импульсов — генератор синхроимпульсов — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы генератор синхроимпульсов EN clock … Справочник технического переводчика

генератор тактовых импульсов — takto impulsų generatorius statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. clock pulse generator; timing pulse generator vok. Taktimpulsgenerator, m rus. генератор тактовых импульсов, m pranc. générateur d impulsions de rythme, m … Automatikos terminų žodynas

генератор тактовых импульсов — taktų impulsų generatorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Generatorius, kuriantis stabilaus periodo impulsus, kurie naudojami tam tikrų įtaisų ar grandinių veikai sinchronizuoti. atitikmenys: angl. cycle repeat timer; … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

генератор тактовых импульсов — taktų impulsų generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. clock pulse generator; timing pulse generator vok. Impulszeitgeber, m; Taktimpulsgeber, m rus. генератор тактовых импульсов, m pranc. générateur d’impulsions de rythme, m;… … Fizikos terminų žodynas

задающий генератор (тактовых импульсов) — Ведущий опорный генератор, формирующий тактовые или синхронизирующие импульсы, используемые для управления другими генераторами, которые называются ведомыми. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь… … Справочник технического переводчика

опорный генератор тактовых импульсов — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN reference clock … Справочник технического переводчика

Генератор сигналов — Генератор сигналов это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический или другой), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.).… … Википедия

генератор синхроимпульсов, управляемый напряжением — генератор тактовых импульсов, управляемый напряжением — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы… … Справочник технического переводчика

Генератор колебаний электрический — Электронные генераторы большое множество устройств в радиотехнике и электронике (радиоэлектронике). Генератор представляет собой электронный усилитель охваченный цепью положительной обратной связи с фильтром. Содержание 1 Виды генераторов 2… … Википедия

Электронный генератор — Электронные генераторы большое множество устройств в радиотехнике и электронике (радиоэлектронике). Генератор представляет собой электронный усилитель охваченный цепью положительной обратной связи с фильтром. Содержание 1 Виды электронных… … Википедия

Генераторы импульсов

Генераторы импульсов используют во многих радиотехнических устройствах (электронных счетчиках, реле времени), применяют при настройке цифровой техники. Диапазон частот таких генераторов может быть от единиц герц до многих мегагерц. Здесь приводятся простые схемы генераторов, в том числе на элементах цифровой «логики», которые широко используются в более сложных схемах как частотозадающие узлы, переключатели, источники образцовых сигналов и звуков.

На рис. 1 приведена схема генератора, который формирует одиночные импульсы прямоугольной формы при нажатии кнопки S1 (то есть он не является автогенератором, схемы которых приводятся далее). На логических элементах DD1.1 и DD1.2 собран RS-триггер, предотвращающий проникновение импульсов дребезга контактов кнопки на пересчетное устройство. В положении контактов кнопки S1, показанном на схеме, на выходе 1 будет напряжение высокого уровня, на выходе 2 — напряжение низкого уровня; при нажатой кнопке — наоборот. Этот генератор удобно использовать при проверке работоспособности различных счетчиков.

На рис. 2 показана схема простейшего генератора импульсов на электромагнитном реле. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1 и реле срабатывает, отключая источник питания контактами К 1.1. Но реле отпускает не сразу, поскольку некоторое время через его обмотку будет протекать ток за счет энергии, накопленной конденсатором С1. Когда контакты К 1.1 опять замкнутся, снова начнет заряжаться конденсатор — цикл повторяется.

Частота переключении электромагнитного реле зависит от его параметров, а также номиналов конденсатора С1 и резистора R1. При использовании реле РЭС-15 (паспорт РС4.591.004) переключение происходит примерно один раз в секунду. Такой генератор можно использовать, например, для коммутации гирлянд на новогодней елке, для получения других световых эффектов. Его недостаток — необходимость использования конденсатора значительной емкости.

На рис. 3 приведена схема еще одного генератора на электромагнитном реле, принцип работы которого аналогичен предыдущему генератору, но обеспечивает частоту импульсов 1 Гц при емкости конденсатора в 10 раз меньшей. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Спустя некоторое время откроется стабилитрон VD1 и сработает реле К1. Конденсатор начнет разряжаться через резистор R2 и входное сопротивление составного транзистора VT1VT2. Вскоре реле отпустит и начнется новый цикл работы генератора. Включение транзисторов VT1 и VT2 по схеме составного транзистора повышает входное сопротивление каскада. Реле К 1 может быть таким же, как и в предыдущем устройстве. Но можно использовать РЭС-9 (паспорт РС4.524.201) или любое другое реле, срабатывающее при напряжении 15. 17 В и токе 20. 50 мА.

В генераторе импульсов, схема которого приведена на рис. 4, использованы логические элементы микросхемы DD1 и полевой транзистор VT1. При изменении номиналов конденсатора С1 и резисторов R2 и R3 генерируются импульсы частотой от 0,1 Гц до 1 МГц. Такой широкий диапазон получен благодаря использованию полевого транзистора, что позволило применить резисторы R2 и R3 сопротивлением в несколько мегаом. С помощью этих резисторов можно изменять скважность импульсов: резистор R2 задает длительность напряжения высокого уровня на выходе генератора, а резистор R3 — длительность напряжения низкого уровня. Максимальная емкость конденсатора С1 зависит от его собственного тока утечки. В данном случае она составляет 1. 2 мкФ. Сопротивления резисторов R2, R3 — 10. 15 МОм. Транзистор VT1 может быть любым из серий КП302, КП303. Микросхема — К155ЛА3, ее питание составляет 5В стабилизированного напряжения. Можно использовать КМОП микросхемы серий К561, К564, К176, питание которых лежит в пределах 3 … 12 В, цоколевка таких микросхем другая и показана в конце статьи.

При наличии микросхемы КМОП (серия К176, К561) можно собрать широкодиапазонный генератор импульсов без применения полевого транзистора. Схема приведена на рис. 5. Для удобства установки частоты емкость конденсатора времязадающей цепи изменяют переключателем S1. Диапазон частот, формируемых генератором, составляет 1. 10 000 Гц. Микросхема — К561ЛН2.

Если нужна высокая стабильность генерируемой частоты, то такой генератор можно сделать «кварцованным» — включить кварцевый резонатор на нужную частоту. Ниже показан пример кварцованного генератора на частоту 4,3 МГц:

На рис. 6 представлена схема генератора импульсов с регулируемой скважностью.

Скважность – отношение периода следования импульсов (Т) к их длительности (t):

Скважность импульсов высокого уровня на выходе логического элемента DD1.3, резистором R1 может изменяться от 1 до нескольких тысяч. При этом частота импульсов также незначительно изменяется. Транзистор VT1, работающий в ключевом режиме, усиливает импульсы по мощности.

Генератор, схема которого приведена на рисунке ниже, вырабатывает импульсы как прямоугольной, так и пилообразной формы. Задающий генератор выполнен на логических элементах DD 1.1-DD1.3. На конденсаторе С2 и резисторе R2 собрана дифференцирующая цепь, благодаря которой на выходе логического элемента DD1.5 формируются короткие положительные импульсы (длительностью около 1 мкс). На полевом транзисторе VT2 и переменном резисторе R4 выполнен регулируемый стабилизатор тока. Этот ток заряжает конденсатор С3, и напряжение на нем линейно возрастает. В момент поступления на базу транзистора VT1 короткого положительного импульса транзистор VT1 открывается, разряжая конденсатор СЗ. На его обкладках таким образом формируется пилообразное напряжение. Резистором R4 регулируют ток зарядки конденсатора и, следовательно, крутизну нарастания пилообразного напряжения и его амплитуду. Конденсаторы С1 и СЗ подбирают исходя из требуемой частоты импульсов. Микросхема — К561ЛН2.

Цифровые микросхемы в генераторах взаимозаменяемы в большинстве случаев и можно использовать в одной и той же схеме как микросхемы с элементами «И-НЕ», так и «ИЛИ-НЕ», или же просто инверторы. Вариант таких замен показан на примере рисунка 5, где была использована микросхема с инверторами К561ЛН2. Точно такую схему с сохранением всех параметров можно собрать и на К561ЛА7, и на К561ЛЕ5 (или серий К176, К564, К164), как показано ниже. Нужно только соблюдать цоколевку микросхем, которая во многих случаях даже совпадает.

Если требуется повысить нагрузочную способность какого либо узла (чтобы, например, подключить динамик или другую нагрузку), можно применить на выходе усилитель на транзисторе, как в схеме на рис. 6, или же включить несколько элементов микросхемы параллельно, как показано на рисунке ниже:

Универсальная печатная макетная плата для двух микросхем. На таких платах удобно собирать несложные схемы с небольшим количеством деталей, как, например, приведенные в этой статье. Детали паяются к контактным площадкам и при необходимости соединятся перемычками. Размеры платы 100 х 55 мм.

На рисунке ниже приводится цоколевка некоторых широко применяемых цифровых логических микросхем КМОП — технологии с элементами «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ» и инверторов. Микросхемы серий К564, К176 имеют аналогичную цоколевку, цоколевка же микросхем серии К155 отличается от указанной (но такие уже давно не применяются). Питание указанных микросхем, как уже говорилось выше, может быть от 3 до 15 В (кроме серии К176, которая более критична к напряжению питания и нормально работает при 9В).

Виды цифровых генераторов

Синусоидальный сигнал есть, по сути, решение уравнения Y= Sin(X), при линейно изменяющемся значении аргумента X. Для получения цифрового сигнала из микроконтроллера нам необходимо подать значения функции на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Это значит, что для получения синусоидального сигнала, нам необходимо знать значения функции Y при каждом значении аргумента X (по сути X определяет значение фазы сигнала). Можно вычислять все значения функции прямо в микроконтроллере, но для обеспечения высокой точности вычисляемых значений необходим высокопроизводительный процессор, или модуль для работы с плавающей точкой. Вычисление значений в микроконтроллере может занять продолжительное время, поэтому для обеспечения быстроты вычисления берут готовые значения функции и загружают их в память. Для обеспечения плавности выходного сигнала, для уменьшения погрешности связанной с нелинейностью характеристики цифроаналогового преобразователя, необходимо как можно большее количество значений синуса. Таким образом, в памяти будут готовые отсчеты синуса. Для того чтобы эти отсчеты превратились в синус, их нужно каким-то образом растянуть по времени, чтобы каждый отсчет подавался на ЦАП через определенный промежуток времени после предыдущего. Для этого необходим генератор опорной частоты. Такой генератор будет выдавать импульсы постоянной скважности. Эти импульсы, в простейшем случае, поступают на счетчик, а счетчик в свою очередь выдает на выходе последовательность возрастающих кодов. Код на выходе счетчика будет указывать на адрес очередного отсчета в памяти (ПЗУ). ПЗУ соответственно кодам выдает на своем выходе значения функции, содержащиеся в памяти по этим адресам, которые передаются в ЦАП и на выходе ЦАПа будет синус с идеальной частотой. Частота синуса будет соответствовать частоте тактового генератора. Для обеспечения перестройки по частоте нужно каким-либо образом регулировать частоту опорного генератора. В простейшем случае между счетчиком и генератором ставят делитель частоты. Такой делитель позволяет перестаивать частоту в определенных пределах. Предел перестройки зависит от разрядности сумматора и частоты опорного генератора. Перестройка в таком случае будет возможна только на определенные значения, так как деление возможно только на числа, кратные 2.

Простейшая схема такого генератора показана на рисунке 1. В его состав входит генератор опорной частоты (G). Делитель, в который загружается код частоты (коэффициент деления), счетчик (СТ), ПЗУ, ЦАП и фильтр. Фильтр в данном случае необходим для того, чтобы сглаживать цифровой сигнал на выходе. ЦАП – цифровое устройство, которое выдает только определенный уровень сигнала. Чем меньше частота дискретизации, тем более ярко выражена ступенчатая характеристика выходного сигнала. Для того чтобы убрать погрешность, вносимую частотой дискретизации, на выходе применяется фильтр сигналов. В простейшем случае, это простая RC-цепочка, но необходимо учитывать скоростные характеристики ЦАП, так как на высоких частотах может отфильтровываться полезный сигнал.

Здесь рассмотрена самая простая схема DDS. Многие элементы в ней можно заменить и доработать. Например, если заменить счетчик на более сложное устройство, т.н. аккумулятор фазы, то у нас появятся больше возможностей, таких как перестройка по частоте без фазового сдвига или, например, возможность использовать четверть периода значений синуса, вместо полного периода, но в рамках данной статьи такие усложнения рассматриваться не будут.

Сейчас DDS выполняются как отдельные микросхемы. В такую микросхему достаточно загрузить параметры нужного сигнала и подключить генератор опорной частоты, а на выходе мы получим цифровую синусоиду, которую достаточно лишь отфильтровать с заданными параметрами. Такие генераторы позволяют получать частоту до 1.4 ГГц. У них в свою очередь есть один недостаток. Генераторы прямого цифрового синтеза чаще всего используются именно как генераторы частоты, поэтому амплитуда выходного сигнала не стабильна.

Другим способом генерации сигнала синусоидальной формы с помощью контроллера, является метод ШИМ + пассивный RC фильтр. ШИМ – широтно-импульсная модуляция. Она позволяет, регулируя скважность импульсов, получать нужную постоянную амплитуду сигнала. Чем шире импульс, тем выше выходное напряжение на фильтре. Напряжение можно менять в пределах от нуля до напряжения питания. Таким образом, если задать определенную программу для регулирования скважности импульсов, то на выходе можно получить сигнал любой формы, в том числе синусоидальный. В самом простом случае схема показана на рисунке 2.

Такой генератор является дешевым, и самое главное наиболее легко реализуемым способом преобразования цифрового сигнала в аналоговый с помощью микроконтроллера. Он не требует специальных микросхем или каких-либо сложных схемотехнических решений. Единственное, что необходимо при создании такого генератора, это расчет выходного фильтра на заданную частоту среза, чтобы он не срезал полезный сигнал. Правда, достигнуть высоких метрологических характеристик на таком генераторе невозможно, так как трудно добиться низкого коэффициента гармонических искажений. Низкий уровень гармонических искажений можно достичь с помощью еще одного варианта генератора.

Третий вариант генератора основывается на схеме, которая называется «мост Вина». Суть этой схемы в том, что используется усилитель с двумя RC-цепочками в обратной связи. Одной последовательной и одно параллельной. Схема такого генератора представлена на рисунке 3.

Для данной схемы необходимо учесть то, что элементы в RC-цепочке должны быть строго одинаковыми. Иначе схема не будет стабильной. Для уменьшения этих эффектов применяют разные хитрости, например автоматическое управление усилением и другие хитрости. В простейшем случае автоматическое управление осуществляется каким-либо нелинейным элементом, например лампочкой. Но перестройка такого генератора по частоте затруднена. Нужно использовать переменные конденсаторы, что усложняет схему еще на порядок. Такой метод хорош, но в основном для генерации какой-либо определенной частоты, либо частоты с малым диапазоном регулировки.

Существуют разные варианты и модификации представленных выше схем. Кроме этих схем существуют аналоговые решения, которые не были здесь описаны из-за несоответствия тематике статьи. В заключении хочу сказать, что каждая схема должна выбираться и прорабатываться возможная ее реализация в зависимости от задачи, которую необходимо выполнить. Передо мной стоит задача создать прецизионный генератор синусоидального сигнала, который может одновременно выдавать высокостабильный синусоидальный сигнал и добавлять в сигнал гармоники более высокого порядка. Для выполнения этой задачи наилучшим выходом будет расчет значений функции синуса непосредственно в микроконтроллере с передачей значений на ЦАП. Такая реализация позволит мне учесть недостатки каждой схемы и проработать техническую реализацию, необходимую конкретно для моей задачи. Можно одновременно сделать стабильную амплитуду, убрать гармонические искажения, вносимые особенностью схемы и получить довольно стабильный генератор. И конечные погрешности будут зависеть только от того, какие элементы будут выбраны, и какая степень упрощения алгоритма взята. Таким образом, при неизменности основной структуры, можно получить гибкое решение определенного класса задач.

Если вас интересует какой-либо материал на схожую тему, или вообще что-то из сферы измерительных приборов и их проектирования, то я бы мог попробовать написать какой-либо материал, чтобы осветить ваш вопрос в более простом и понятном ключе

Тактовые генераторы

Порядок выполнение операций во многих цифровых схемах определяет работу всей схемы. Ино­гда одна операция должна предшествовать другой, иногда две операции должны происходить одновременно.

Для контроля временных параметров в цифровые схемы встраиваются тактовые генераторы, позволяющие обеспечить синхрони­зацию.

Тактовый генератор— это схема, которая вырабатывает серию импульсов. Все импульсы одинаковы по длительности. Интервалы между последовательны­ми импульсами также одинаковы.

Временной интервал между началом одного импульса и началом следующего называется временем такта.Частота импуль­сов обычно составляет от 1 до 500 МГц, что соответствует времени такта от 1000 до 2 нс. Частота тактового генератора обычно контролируется кварцевым гене­ратором, позволяющим добиться высокой точности.

В компьютере за время одного такта может произойти множество событий. Если они должны осуществляться в определенном порядке, то такт следует раз­делить на подтакты.

Чтобы достичь лучшего разрешения, чем у основного такто­вого генератора, нужно сделать ответвление от задающей линии тактового гене­ратора и вставить схему, создающую определенную временную задержку.

Так порождается вторичный сигнал тактового генератора, сдвинутый по фазе относительно пер­вичного сигнала.

Временная диаграмма, показанная на рисунке, предла­гает четыре точки начала отсчета времени для дискретных событий:

Связав различные события с разными перепадами (фронтами и спадами), можно достичь требуемой последовательности выполнения действий. Если в пределах одного такта нужно более четырех точек начала отсчета, можно сде­лать еще несколько ответвлений от задающей линии с различным временем за­держки.

В некоторых схемах важны временные интервалы, а не дискретные моменты времени. Например, некоторое событие может происходить не на фронте им­пульса, а в любое время, когда уровень импульса С1 высокий. Другое событие может происходить только в том случае, когда уровень импульса С2 высокий.

Ес­ли необходимо более двух интервалов, нужно предоставить больше линий пере­дачи синхронизирующих импульсов или сделать так, чтобы состояния с высо­ким уровнем импульса у двух тактовых генераторов частично пересекались во времени. В последнем случае можно выделить 4 отдельных интервала: и , и , и , и ,

Тактовые генераторы могут быть синхронными. В этом случае время сущест­вования импульса с высоким уровнем равно времени существования импульса с низким уровнем (см. рис. 3.20т б).

Чтобы получить асинхронную серию импуль­сов (см. сигнал С на рис. 3.20, в), нужно сдвинуть сигнал задающего генератора, использовав цепь задержки. Затем нужно соединить полученный сигнал с изна­чальным сигналом с помощью логической функции И.

Синхронные SR-защелки.

Часто удобно, чтобы защелка меняла состояние только в определенные момен­ты. Чтобы обеспечить это используются син­хронные SR-защелки:

Эта схема имеет дополнительный синхронизирующий вход. Если этот вход равен 0, то оба выхода вентилей И равны 0, не зависимо от значения S и R и защелка не меняет своего состояния.

Когда значение синхронизирующего входа равно 1, состояние защелки становится зависимым от S и R. Для обозначения факта появления единицы на синхронизирующем входе часто используются термины включениеи стробирование.

В случае когда S = R = 1, . И когда и R, и S в конце концов возвращаются к 0, схема становится не­определенной. Если один из входов принимает значение 0 раньше, чем другой, оставшийся в состоянии 1 «побеждает», потому что именно единичный вход управляет состоянием защелки.

Если оба входа переходят к 0 одновременно (что очень маловероятно), защелка выбирает одно из своих устой­чивых состояний произвольным образом.

Источник: nevinka-info.ru