АДДИ - Адаптивный делитель длительности импульса

АДДИ - Адаптивный делитель длительности импульса.

---

Проект АДДИ в формате diptrace со схемой и разводкой печатной платы доступен по данной ссылке. Эмуляцию работы схемы в LTSpice Вы так же можете забрать к себе на компьютер.

Работу АДДИ демонстрирует осциллограмма приведлённая ниже. Определив длительность входного сигнала - жёлтый луч, АДДИ выплняет умножение исходной частоты и формирует в приведённой осциллограмме сигнал удвоенной частоты - синий луч. При изменении частоты исходного сигнала выполняется автоподстройка формируемлой частоты. Коэффициент делителя длительности настраивается подбором переменного резистора.

Разберём алгоритм подсчёта длительности входного сигнала. На фотографии ниже показаны синусоидальный и сигнал меандра. Сигналы расположены на листе в клетку. Каждая клетка сигнал генератора, допустим длительностью в одну секунду.

Длительность полупериода прямоугольного сигнала будет равна количеству тетрадных клеток умноженных на временной интервал принятый для одной клеткой или шести секундам. Значение шесть будет записано в счётчик импульсов. Если мы изменим направление счёта в сторону уменьшения, то по достижению нуля будет сформирован второй полупериод также длительностью в шесть секунд.

Увеличив частоту генератора на этапе обратного счёта в два раза, будет сформирован импульс с частотой в два раза большей или четверть периода основного колебания. Что такое четверть периода гармонических колебаний? Это возможность определение пиков сигнала. Далее будет показана настройки АДДИ для формирования пика сигнала сетевого напряжения в 50 герц.

Для подсчета количества импульсов в используются три четырёхразрядных счётчика 74F193. Если подать сигнал с генератора на вход CPU счётчика, значение счётчика увеличивается, при появлении сигнала на входе CPD значение счётчика уменьшается. Если счётчик переполнен, на выходе TCU формируется низкий уровень сигнала. При переходе через ноль, формируется низкий уровень на выходе TCD счетчика.

Счётчики соединены последовательно, максимальное значение числа импульсов составит 2^12=4096 значений. Полное заполнение счётчиков за одну секунду возможно при частоте 4096 импульсов в секунду. Если работа будет осуществляться на частоте электрической сети, 50 герц, ориентироваться следует на нижнюю границу в 20-20 герц. Это значит генератор должен быть настроен на минимальную частоту 20*4096=102400 герц.

• Схема может находится в двух состояниях. Режим подсчёта длительности входного импульса и режим формирования импульса умножения частоты.

• Режим в котором находится схема определяется состоянем D-триггера U5 SN74F74.

• По переднему фронту входного сигнала в счётчики 74F193. записывается единица.

• Включается генератор U8.1Y и выключается генератор U8.2Y, подачей сигналов управления 1EN=GND и 2EN=5V.

• Cигналы c генератора U8.1Y подаются на вход U2.CPU счётчика, cчётчик работает в режиме увеличения значения.

• На частоте генератора генератор U8.1Y начинается подсчёт импульсов .

• По спаду входного сигнала подсчёт импульсов прекращается.

• Выключается генератор U8.1Y и включается генератор U8.2Y, подачей сигналов управления 1EN=5V и 2EN=GND.

• Cигналы c генератора U8.2Y подаются на вход U2.CPD счётчика.

• На частоте генератора генератор U8.2Y начинается уменьшение значения счётчика импульсов.

• По достижению нуля, формируется низкий уровень сигнала на выходе TCD счётчика U4.

• Низкий уровень уровень сигнала на выходе U4.TCD изменяет состояние триггера U5.2, формирование импульса умножения частоты закончено, генератор сигналов U8.2 будет выключен изменением уровня сигнала на входе 2EN с низкого на высокий.

• Формирование импульса умножения частоты закончено, оба генератора выключены, система находится в ожидании переднего фронта входного сигнала.

Источником сигналов, формирующего импульсы для счётчиков 74F193 являеется интегральная микросхема SN74S124. которая состоит из двух независимых генераторов.

Частота генератора SN74S124 задаётся напряжением на входах 1FC и 2FC и конденсаторами С1 и C12. Для изменения частоты можно использовать делитель напряжения на переменном резисторе 10 кОм. В схеме, для более точной и плавной настройки собран регулятор напряжения на транзисторах.

Напряжение на входах 1RNG и 2RNG задаёт диапазон изменения частоты. Делителем R1/R3 и R9/R10 установлено напряжения в 4.5V, это даёт возможность максимально, примерно в четыре раза, изменять частоту.

На фотографиях ниже показана настройка генератора который определяет скорость уменьшения значения счётчиков 74F193. Чтобы данный генератор был запущен, перемычками на вход 2EN следует подан низкий уровень сигнала разрешения работы генератора, на 1EN - высокий уровень запрета работы второго генератора. Примерное значение конденсатора C12, определяющего частоты генератора можно определить по таблице в описании SN74S124. Более точное значение частоты проще установить перебором имеющихся в Вашем распоряжении ёмкостей. Конденсатор впаивать в плату не обязательно. Ёмкость конденсатора C12 в схеме составляет 330пф, верхняя граница частоты генератора порядка 680 кГц. Рабочая частота генератора установлена в 600 кГц.

Далее на фотографиях показана настройка генератора который определяет частоту подсчёта длительности входного импульса. В схеме установлен конденсатор C1 ёмкостью 1000 пф. Данная ёмкость позволяет изменять частоту от 200 до 400 кГц. Схема будет использоваться для определения пиков гармонического сигнала. Частота генератора должна быть в два раза ниже частоты генератора ответственного за формирование сигнала умножения частоты. Перемычками на 1EN подан низкий уровень разрешения работы генератора, на 2EN высокий уровень сигнала.

У генераторов разная скважность формируемых импульсов, но в данной схеме это роли не играет. Четыре тысячи измерений на каждые пол периода величина запредельная. Далее показана схема в сборе и осциллограммы её работы. На вход подаётся меандр с генератора. На выходе, синий луч, четверть периода или пиковое значение сигнала. Далее показаны осциллограммы работы АДДИ в электросети 220V. Сигнал на вход делителя длительности импульса подается с детектора нуля.

При работе АДДИ в качестве детектора пика синусоиды электрической сети помехи, которые приводят к ложным срабатываниям схемы. Проблема решена установкой на сигнальном входе конденсатора ёмкостью 470пф.

Состояние схемы, подсчёт или формирование сигнала умножения частоты, определяет уровень на выходе D-триггера SN74F74. Для изменения состояния D-триггера с использованием входов установки и сброса PRE/CLR, используются одновибраторы, формирующие по спаду исходного сигнала импульс определенной длительности.

Длительность импульса задаётся конденсатором и резистором. Для частоты в 50 герц были установлены неполярный конденсатор ёмкостью 1 мкФ и переменный резистор сопротивлением 5-10 кОм. В течении времени пока на входах PRE/СLR присутствует сигнал низкого уровня изменение состояния триггера невозможно. Этот подход убирает помехи по входу при переключении. Поэтому длительность импульса может варьироваться вплоть до четверти периода.