Асинхронные и синхронно-асинхронные счетчики

Пусть, например, мы хотим выбрать максимальную тактовую частоту 10 МГц (период ТТ = 100 нс). Посмотрим, можно ли использовать микросхемы счетчиков серии КР1533. Для счетчиков КР1533ИЕ7 задержка сигнала переноса составляет не более 18 нс. Для четырех микросхем задержка переноса составит 72 нс. Тогда на сумму задержек триггера, элемента 2И и элемента 2И-НЕ остается не более 28 нс. Следовательно, если мы возьмем эти элементы из более быстрых серий (например, КР531 или КР1531), мы легко удовлетворим этому требованию.

При величине кода импульса N длительность импульса ТИ составит (N+1) * ТТ. При величине кода паузы М длительность паузы ТП составит (М+1) * ТТ. Период выходных импульсов ТВЫХ будет равен (M+N+2) * ТТ. Коды M и N могут принимать значения от 0 до 65535. То есть минимальная длительность импульса и паузы равна ТТ, максимальная длительность импульса и паузы равна 65536 ТТ, минимальная длительность периода выходного сигнала равна 2ТТ, а максимальная - 131072 ТТ. Например, при тактовой частоте 10 МГц максимальный период выходного сигнала будет равен 13,1072 мс, а минимальный - 200 нс.

Для расширения диапазона изменения периода выходного сигнала можно применить управляемый делитель тактовой частоты. Другой возможный путь - наращивание разрядности счетчиков - приводит к снижению максимально допустимой тактовой частоты, так как обязательно вызывает увеличение задержек переключения счетчиков. К тому же, как правило, нет необходимости задавать длительность периода выходного сигнала, скажем, в 1 секунду с абсолютной погрешностью 100 нс (относительная погрешность - 10-7). Гораздо важнее обеспечить стабильность частоты и периода выходного сигнала. Поэтому применение управляемого делителя частоты тактового сигнала не ухудшает характеристик генератора. Схема управления генератором прямоугольным импульсом с делителем частоты показана на рис. 2

Делитель частоты работает с кварцевым генератором с частотой 10 МГц и включает в себя три делителя на 16 на счетчиках ИЕ7. На выход мультиплексора (сигнал "Такт") проходит один из сигналов с периодом 100 нс, 1,6 мкс, 25,6 мкс, 409,6 мкс. Длительность сигнала "Такт" не превышает половины периода сигнала с частотой 10 МГц, то есть 50 нс, что обеспечивает правильную работу счетчиков импульса и паузы (см. рис. 28). Выбор тактовой частоты осуществляется 2-разрядным кодом частоты. При запрете генерации все счетчики сбрасываются в нуль, это увеличивает точность привязки момента начала генерации к моменту подачи команды на начало генерации.

Рис. 29 Схема управления и делитель частоты для генератора прямоугольных импульсов

Схема управления генератором прямоугольных импульсов, также показанная на рис. 29, включает в себя два триггера ТМ2 и логический элемент 2И (ЛИ1).

Левый по рисунку триггер вырабатывает сигнал разрешения генерации "Разр". В этот триггер необходимо записать единицу для разрешения генерации или нуль для остановки генерации. Запись в триггер входного сигнала Ген./Стоп производится передним фронтом сигнала "Строб".

Правый по рисунку триггер служит для организации разового запуска генератора. Переключение режима разового или автоматического запуска производится управляющим сигналом "Раз./-Авт". При автоматическом запуске (нуль на входе Раз./-Авт.) данный триггер не работает, он всегда находится в нулевом состоянии и дает уровень логической единицы на своем инверсном выходе. При разовом запуске (единица на входе Раз./-Авт.) правый триггер переходит в рабочий режим сразу после начала генерации (положительный сигнал "Разр."). После окончания генерации первого выходного импульса на инверсном выходе генератора (инверсный выход триггера на рис. 28) появляется положительный перепад, который перебрасывает правый триггер на рис. 2 В результате он своим выходным сигналом сбрасывает левый триггер, что приводит к остановке генерации (так как сигнал "Разр." становится нулевым). После этого схема снова готова к разовому запуску генерации. Временные диаграммы работы схемы в режимах автоматического и разового запуска показаны на рис. 30.

Рис. 30 Режимы работы генератора импульсов: автоматический (а) и разовый (б)

Асинхронность (независимость) момента прихода команды на начало передачи и сигнала задающего кварцевого генератора приводит к тому, что длительность первой паузы может оказаться на 100 нс меньше, чем она задана кодом паузы. Но это не слишком существенно, так как гораздо важнее длительность выходного импульса. Все последующие импульсы и паузы выдерживаются точно.

Абсолютная погрешность установки длительностей импульса и паузы ТИ и ТП составляет половину периода тактового сигнала ТТ. Относительная погрешность установки этих величин составляет, соответственно, 0,5/N и 0,5/M. Понятно, что при малых величинах N и M погрешность будет большой (в пределе - даже 50%). Но при больших величинах длительностей импульса и паузы относительная погрешность не превышает 0,5/4096, то есть 0,012%.

Таким образом, рассмотренный генератор может формировать импульсы длительностью от 100 нс с паузой между импульсами от 100 нс. Максимально возможная длительность импульса составляет 216 * 212 * 100 нс = 26,84 с. Такой же может быть и пауза. Правда, отношение длительности импульса к длительности паузы (или длительности паузы к длительности импульса) не может превышать 65536. Величина периода выходного сигнала генератора может достигать 53,69 с.

Теперь рассмотрим вторую схему.

Задача измерения частоты следования входных прямоугольных импульсов также часто встречается как в чисто цифровых, так и в аналого-цифровых системах. Как уже упоминалось, существует два традиционных метода измерения частоты (рис. 31): один предполагает измерение периода TВХ путем подсчета тактовых импульсов с периодом TT в течение TВХ и дальнейшее вычисление частоты по формуле

fВХ = 1/TВХ (а),

а другой прямо измеряет частоту fВХ путем подсчета входных импульсов в течение временного окна tO (б).

Относительная погрешность и того, и другого метода не превышает величины 1/N, где N - полученный в результате подсчета код. Понятно, что первый метод дает хорошую точность только для низких частот fВХ (то есть для больших TВХ и соответственно больших N). Второй метод дает хорошую точность только для больших частот fВХ или в случае большого временного окна tO (то есть для больших N). В первом случае для увеличения точности необходимо увеличивать тактовую частоту, во втором - увеличивать длительность временного окна.

Рис. 31 Методы измерения частоты: через период (а), прямой (б) и комбинированный (в)

Время измерения частоты по первому методу составляет TВХ. Для второго метода оно постоянно и равно длительности временного окна tO.

Поэтому желательно было бы соединить достоинства обоих методов, чтобы частота fВХ измерялась бы достаточно быстро и с заданной точностью (с погрешностью, не меньшей заданной). Это возможно при использовании комбинированного метода (рис. 31в). При данном методе импульсы тактовой частоты с периодом TT подсчитываются в течение М полных периодов входного сигнала. При этом количество сосчитанных импульсов N определяет точность измерения (относительная погрешность не превышает 1/N). Значит, необходимо обеспечить, чтобы N было достаточно большим, например, при N>100 относительная погрешность не превысит 1%, а при N > 1000 она будет меньше 0,1%. Обеспечить достаточную величину N можно простым выбором числа М.

Недостаток данного комбинированного метода состоит в том, что измеренное значение частоты необходимо вычислять. Так как при этом методе выполняется равенство

МTВХ = NTT

fВХ = M/(NTT)

Однако при использовании компьютера или микроконтроллера такое вычисление не представляет особого труда. Зато данный комбинированный метод позволяет измерять частоту входного сигнала в широком диапазоне быстро и с заданной точностью. Поэтому мы подробно рассмотрим практическую реализацию именно этого метода.

Рис. 32 Счетчики измерителя частоты входного сигнала

В основе схемы измерителя частоты по комбинированному методу (рис. 32) - два 16-разрядных счетчика на основе микросхем ИЕ7, одновременно работающих в режиме прямого счета. На тактовый вход одного счетчика (верхнего по рисунку) подается измеряемый сигнал "Изм.", на тактовый вход второго (нижнего по рисунку) счетчика - тактовый сигнал образцовой частоты "Такт". Выходные коды обоих счетчиков (соответственно, М и N) используются после окончания измерения для вычисления значения частоты входного сигнала.

Работа счетчиков разрешается отрицательным сигналом "-Разр." по фронту (например, положительному) входного сигнала. После окончания измерения по такому же фронту входного сигнала поступление сигналов "Изм." и "Такт" запрещается. То есть счет производится в течение целого числа периодов входного сигнала.

Выход "Стоп" (положительный фронт) говорит о том, что код N достиг достаточной величины (в нашем случае -8192), и, следовательно, можно останавливать измерение (но только по ближайшему фронту входного сигнала). Иначе говоря, код N в конце измерения будет не менее 8192, и поэтому погрешность измерения частоты входного сигнала не превысит 1/8192 или 0,012%.

Для правильной работы схемы частота входного сигнала должна быть не более тактовой частоты

fT = 1/ ТТ

и не менее fT /65536. Если она будет слишком малой, то наступит переполнение нижнего счетчика (выработается сигнал переноса "-Пер. 2"). Если же она будет слишком большой, то наступит переполнение верхнего счетчика (выработается сигнал переноса "-Пер. 1"). Например, при тактовой частоте 10 МГц измеряемая частота входного сигнала может находиться в пределах от 152,6 Гц до 10 МГц.

Полное время измерения будет изменяться в пределах от 8192ТТ до (8192ТТ + 2ТВХ). Один период ТВХ может прибавляться к времени измерения из-за того, что после разрешения измерения счет начинается не сразу, а только с приходом фронта входного сигнала. Второй период ТВХ может прибавляться за счет того, что счет заканчивается не сразу после достижения кодом N величины 8192, а только с приходом нужного (положительного) фронта входного сигнала. Максимальное время измерения в любом случае не превышает 65536ТТ для всех измеряемых частот.

Для увеличения диапазона измеряемых частот можно применить предварительный управляемый делитель частоты (рис. 33). Он обеспечивает выбор период тактового сигнала из ряда 100 нс, 400 нс, 1,6 мкс, 6,4 мкс и 25,6 мкс с помощью кода такта. В результате применения этого делителя при минимальной тактовой частоте возможно измерение частоты входного сигнала до 0,6 Гц. Естественно, переход на каждый следующий диапазон измеряемых частот может увеличить время измерения в 4 раза, но точность измерения в любом случае останется прежней.

Рис. 33 Делитель частоты и схема управления для измерителя частоты входного сигнала

асинхронный счетчик сигнал измеритель

Схема управления измерителем частоты, также показанная на рис. 33, включает в себя цепочку из четырех последовательно срабатывающих триггеров (ТМ2). Перед началом измерения все эти триггеры сбрасываются в нуль сигналом "-Сброс".

Первый триггер перебрасывается в единицу по сигналу начала измерения "Старт" (положительный фронт). При этом разрешается прохождение подсчитываемых импульсов "Изм." и "Такт" на вход счетчиков (рис. 32). Одновременно разрешается работа второго триггера.

Второй триггер перебрасывается в единицу по положительному фронту входного сигнала. Тем самым он с помощью сигнала со своего инверсного выхода разрешает работу счетчиков (сигнал "-Разр."). Одновременно разрешается работа третьего триггера.

Третий триггер перебрасывается в единицу по сигналу "Стоп" (то есть при достижении кодом N числа 8192). Он разрешает работу четвертого триггера.

Наконец, четвертый триггер перебрасывается по положительному фронту входного сигнала и сигналом со своего инверсного выхода сбрасывает первый триггер. Поступление сигналов "Изм." и "Такт" прекращается. Выходной сигнал четвертого триггера служит флагом готовности выходных кодов N и M, которые необходимо прочитать для дальнейшего вычисления частоты. Перед новым измерением надо подать сигнал "Сброс".

Кроме четырех управляющих триггеров, в схему управления введены еще два триггера (справа на рисунке), выходные сигналы которых служат флагами переполнения и показывают после окончания измерения, правильно ли сработал измеритель частоты. Перед началом измерения оба эти триггера сбрасываются по сигналу "Сброс". Если частота входного сигнала в нужных пределах, то оба триггера останутся в нуле. Если частота входного сигнала очень большая, то сработает верхний по рисунку триггер по входному сигналу переноса "Пер. 1" (см. рис. 32) и выдаст сигнал "Увел.", говорящий о том, что надо поднять частоту тактового сигнала (если это возможно). Если же частота входного сигнала слишком мала, то сработает нижний по рисунку триггер по входному сигналу переноса "Пер. 2" (см. рис. 32) и выдаст сигнал "Умен.", говорящий о том, что надо уменьшить частоту тактового сигнала (если возможно).

Размещено на Allbest.ru