Сразу оговорюсь, что схемотехника построения делителей частоты на ТТЛ и КМОП практически ничем не отличается (единственным отличием может быть существование того или иного счетчика в каждой из серий). Таким образом схемы, приведенные в статье, могут быть использованы для построения делителей как на КМОП, так и на ТТЛ логике.
Проще и нагляднее всего реализовать делитель частоты с помощью счетных триггеров (D-триггеров). Именно такие триггеры являются основой для построения счетчиков. Они работают в широком диапазоне частот (от 0 до граничной частоты переключения элементов серии), достаточно помехоустойчивы, не требуют дополнительных навесных элементов и просты в повторении. Еще один вариант – использование в качестве делителя JK-триггер. Поскольку такой триггер поистине универсальный, его несложно включить в счетном режиме. Ниже представлено две схемы-делителя на 2. Один из них собран на счетном триггере (1 элемент микросхемы ТМ2), второй на JK-триггере (рис.1).
Рис.1. Делитель на D и JK триггере
Соединив несколько делителей на 2 можно получить линейку с выходными частотами f/2, f/4, f/8, f/16 (выходы Q1, Q2, Q3, Q4 соответственно (рис.2).
Поскольку в одном корпусе ТМ2 находится 2 D-триггера, то на одной микросхеме несложно собрать делитель частоты на 3 (рис.3).
Для построения делителя на 5 на JK-триггерах в схему придется добавить логический элемент 2И-НЕ (рис.4).
Еще один корпус ТМ2 понадобится чтобы построить делитель частоты на 10 (рис.5).
Для большего коэффициента деления удобнее использовать микросхемы счетчиков:
Делитель на 1000
Особый интерес представляет микросхема серии ТТЛ – К155ИЕ2. Состоит она из двух блоков — делителя на 2 (вход С1) и делителя на 5 (C2). При соединении выхода первого делителя (вывод 12) с входом второго, легко получить делитель на 10 (рис.6 а). Еще один полезный узел микросхемы — 2 входа сброса, соединенных по «И» (выводы 2,3). Благодаря этому узлу и выводам выхода с каждого триггера счетчика (выводы 12,9,8,11) несложно собрать делитель с числом от 2 до 10 без использования дополнительных элементов. Для примера на рисунке 6 б изображен делитель на 6, а на рис. 6 в – делитель на 8.
При использовании программного частотомера и осциллографа измерение частот сигналов ограничено, как правило, границами частотного диапазона звуковой карты компьютера. Чтобы иметь возможность измерить частоты выше 20 кГц, а также посмотреть их форму и спектр на осциллографе, можно применить простейший делитель частоты. Проще всего его можно реализовать с помощью цифровых микросхем – десятичных счетчиков. Каждый такой счетчик выдает на соответствующем выходе сигнал, меньший входного по частоте в 10 раз. На рис.1 представлена схема такого делителя частоты. При использовании двух микросхем-счетчиков входной сигнал можно разделить на 10 два раза, то есть получить на выходе сигнал, частота которого будет меньше входного в 10 и 100 раз. Коммутация кратности деления частоты производится при помощи простого переключателя S1 на два положения.
В качестве счетчиков можно применить любые МС (десятичные счетчики), желательно КМОП-технологии, так как такие микросхемы некритичны к питающему напряжению и хорошо работают с разными уровнями сигналов, как цифровых, так и аналоговых. В приведенной схеме применены микросхемы К164ИЕ2, можно использовать и другие, функционально аналогичные, например К561ИЕ4, К 176ИЕ4……… Неиспользуемые входные и управляющие выводы микросхем следует соединить с общим проводом, как показано на схеме ( выводы 1,4,5,6,7,9), чтобы исключить возможность появления на них наведенного напряжения помех.
Конструкция делителя показана на фото ниже (прошу извинить за низкое разрешение картинки, в данный момент нет лучшего фото!). Схема собрана на печатной плате, на которой протравлены только контактные площадки под ножки микросхем. Все соединения сделаны одножильным проводом в изоляции, поскольку схема простая и соединений минимум.
Щуп делителя сделан из отрезка провода в экране. В качестве наконечника щупа можно использовать, например, тонкий гвоздь длиной 4 – 5 см. Провод паяется к гвоздю любым обычным припоем на таблетке аспирина (простого «советского»). Аспирин хорошо заменяет паяльную кислоту при пайке железа. Затем провод с наконечником-гвоздем можно вставить, например, в корпус пустой шариковой ручки.
Экран входного провода нужно соединить с общим проводником делителя ( минус питания). Питание на делитель можно подавать с устройства, частоту которого мы измеряем. Для этого концы проводов питания можно снабдить небольшими зажимами типа «крокодил». Выходной шнур с разъемом для входа звуковой карты компьютера также экранированный. Схема распайки разъема показана на рисунке.
Если брать питание с измеряемой схемы, то соединение с общим проводом обеспечится через минусовой питающий провод. Если же питание делителя отдельное, например от батареи типа «Крона», то следует соединить общий провод делителя с общим проводом измеряемой схемы отдельным проводником.
Для лучшего согласования входа делителя с измеряемой схемой и для уменьшения взаимного влияния можно на входе данного делителя добавить какой-либо простой согласующий каскад с как можно более высоким входным сопротивлением. Например такой:
Подстроечным резистором VR1 выставляют режим работы транзистора, чтобы не было ограничения («срезки») входного сигнала по амплитуде снизу и сверху (можно контролировать форму сигнала с помощью программного осциллографа на выходе делителя частоты). Транзистор – любой маломощный, например КТ315, КТ342, КТ3102….
Для наглядной демонстрации работы делителя ниже приводится скриншот, где измеряется ВЧ сигнал с частотой порядка 900 кГц (переключатель S1 в положении «1/100»). Показания частотомера в этом случае, естественно, нужно умножить на 100:
Наиболее часто для этого используют счетчики, хотя можно разделить частоту с помощью ждущего мультивибратора, ограничив число проходящих на выход импульсов. Пример такой схемы показан на рис. 1.60. Как только импульс входной частоты поступает на выход 5, ждущий мультивибратор D1.1, D1.3 запирает элемент D1.2 на время, определяемое резистором R1. Когда ждущий мультивибратор возвращается в исходное состояние, на выход поступает следующий импульс и цикл возобновляется. Схему можно усовершенствовать, заменив потенциометр полевым транзистором, что позволит управлять коэффициентом деления с помощью напряжения.
Рис. 1.60 Делитель частоты с использованием ждущего мультивибратора
Делитель на 2 можно собрать из простейших ЛЭ, рис. 1.61. Схемы делителей без использования RC-цепей имеют лучшую помехоустойчивость и болееширокий диапазон входной частоты сигнала. Основным элементом всех счетчиков является триггер с так называемым счетным входом, рис. 1.62. Таблица 1.4
Сигналы на входах
Рис. 1.62. Делитель частоты на 2
Рис. 1.63. Делитель на 3
Рис. 1.64. а) Делитель на 10 на RS-триггерах; б) делитель на 10 на JK-триггерах
поясняет логику работы триггера 561ТМ2 в зависимости от управляющих сигналов (х — безразлично состояние на данном входе; состояние, когда на входах S и R микросхемы одновременно действует лог. "1", является запрещенным).
Комбинационное включение триггеров позволяет получать счетчик с нужным коэффициентом деления входной частоты. На рис. 1.63. 1.65 приведены примеры включения элементов микросхем для получения деления на 2, 3, 6, 10 и 60.
Промышленность выпускает универсальные счетчики, которые в зависимости от управляющих сигналов могут переключаться по переднему или заднему фронту входного сигнала, а также менять направление счета (сложение или вычитание). В качестве примера приведена диаграмма работы двоичного четырехразрядного реверсивного счетчика на микросхеме 561ИЕ11, рис. 1.66.
Таблица истинности (табл. 1.5) поясняет назначение управляющих сигналов и логику управления микросхемой (1 — лог. "1"; 0 — лог. "0"; х — состояние безразлично, т. е. 0 или 1). Счетчик предусматривает возможность загрузить по входам D1, D2, D4, D8 параллельный код.
Рис. 1 65. Схема делителя на 60