Счетчики и делители частоты. Схема, описание

Вообщем в рамках свапа на J мотор решили что приборка останется от аккорда. Но возникает проблема с тахометром - на 6 цилиндрах на тахометр приходит 6 импульсов (т.к. 6 цилиндров). Соответственно тахометр врет.

Для решения проблемы требуется делитель частоты. Покопавшись удалось такой реализовать на рассыпухе. Вчера был проверен на машине - все ок. Ну пока еще подождем - от хози как новости будут. Может что неправильно будет работать.
UPD: Проверено на двух разных машинах - все ок.

Многие спросят, зачем делать внешнюю приблуду - можно ведь поколупаться в приборке и поправить цепи интегратора? Но далеко не во всех приборках есть интегрирующие цепи. Чаще стоит контроллер который считает импульсы за единицу времени и затем уже крутит стрелку - в таком случае надо правит прошивку, что не всегда возможно. Второй момент: а если Ваша приборка накрылась? Или Вы захотели вернуть все взад обратно? При наличии отдельной коробочки - просто убираем ее и все. Или просто меняем приборку. В случае когда лазили в приборку - надо снова в нее лезть.

В общих словах - нельзя просто взять и поделить частоту на 1.5 на рассыпухе (можно на МК сделать или на ПЛИС - но для авто, я предпочитаю простые схемы, которые не требовательны к питанию, температурному режиму и т.д.). Однако, никто не запрещает умножить на 2 и поделить на 3. Собственно данная схема этим и занимается. Настройки не требует - при исправных деталях работать начинает сразу.

Немножко о назначении цепочки FU1-VD1.
Микросхемы серии CD работают в диапазоне до 15В. Т.е. к бортовой сети их можно подключать без преобразователей. Однако, нормально работающая бортовая сеть выдает 14.8 В (+/-), что прямо скажем - впритык. И скачков в ней хватает. По этой причине установлен сапрессор на 15В (VD1). Он становится закороткой при напряжениях выше 15В, таким образом гасит короткие всплески. А при длинных выходах за пределы диапазона еще и сожжет предохранитель.
Не забываем, что предохранитель - чтобы от пожара защититься… А вот работоспособность устройства призван сохранить сапрессор.

Схема подключается к питанию (красный-черный проводники) и в разрыв провода между мозгом и приборкой.

Плату не привожу. Там до смешного все просто.

По заменам - CD4081 не стоит менять на советский аналог (К561ЛИ2 если память не изменяет, не захотела работать). CD4013 можно заменить на К561ТМ2 - это проверялось.
Резисторы/конденсаторы любые - лишь бы номиналы и тип сошлись.

Также хотел выложить осциллограммы работы:

Обратите внимание - скважность сигнала не теряется.

Рис. 1.60 Делитель частоты с использованием ждущего мультивибратора

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. 1.61. Счетный триггер на логических элементах

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.

Рис. 1.62. Делитель частоты на 2

Рис. 1.63. Делитель на 3

Таблица 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).

Сигналы на входах				Состояние выхода

Рис. 1.64. а) Делитель на 10 на RS-триггерах; б) делитель на 10 на JK-триггерах

Рис. 1 65. Схема делителя на 60

Рис. 1. 66.
а) Универсальный реверсивный счетчик,
б) диаграмма напряжении микросхемы

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 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.

Pис 1.67. Делитель на 1000

Для получения нужного коэффициента деления можно использовать микросхемы двоичных счетчиков, соединяя соответствующие выходы с помощью ЛЭ, рис. 1.67, или же применить счетчик с программируемым коэффициентом деления 564ИЕ15,

	Книги и статьи
	/ /

Счетчики и делители частоты

Счетчики импульсов - непременные узлы электронных часов, микрокалькуляторов, частотомеров и многих других приборов и устройств цифровой техники. Основой их служат триггеры со счетным входом. По логике действия и функциональному назначению счетчики импульсов подразделяют на цифровые счетчики и делители частоты. Первые из них обычно называют просто счетчиками.

Простейшим одноразрядным счетчиком импульсов может быть JK-триггер и D-триггер, работающий в счетном режиме. Он считает входные импульсы по модулю 2-каждый импульс переключает триггер в противоположное состояние. Один триггер считает до двух, два соединенных последовательно считают до четырех, п триггеров-до 2n импульсов. Результат счета формируется в заданном коде, который может храниться в памяти счетчика или быть считанным другим устройством цифровой техники-дешифратором.

На рис. 1,а показана схема трехразрядного двоичного счетчика импульсов, построенного на JK-триггерax K155TB1.

Рис. 1 Трехразрядный двоичный счетчик

Смонтируйте такой счетчик на макетной панели и к прямым выходам триггеров подключите светодиодные (или транзисторные - с лампой накаливания) индикаторы, как это делали ранее. Подайте от испытательного генератора на вход С первого триггера счетчика серию импульсов с частотой следования 1 ... 2 Гц и по световым сигналам индикаторов постройте графики работы счетчика.

Если в начальный момент все триггеры счетчика находились в нулевом состоянии (можно установить кнопочным выключателем SB1 "Уст.0", подавая на вход R триггеров напряжение низкого уровня), то по спаду первого же импульса (рис. 1,б) триггер DD1 переключится в единичное состояние на его прямом выходе появится высокий уровень напряжения (рис. 1,в). Второй импульс переключит триггер DD1 в нулевое состояние, а триггер DD2-B единичное (рис. 45,г). По спаду третьего импульса триггеры DD1 и DD2 окажутся в единичном состоянии, а триггер DD3 все еще будет в нулевом. Четвертый импульс переключит первые два триггера в нулевое состояние, а третий- в единичное (рис. 1,д). Восьмой импульс переключит все триггеры в нулевое состояние. По спаду девятого входного импульса начнется следующий цикл работы трехразрядного счетчика импульсов.

Изучая графики, нетрудно заметить, что каждый старший разряд счетчика отличается от младшего удвоенным числом импульсов счета. Так, период импульсов на выходе первого триггера в 2 раза больше периода входных импульсов, на выходе второго триггера - в 4 раза, на выходе третьего триггера - в 8 раз. Говоря языком цифровой техники, такой счетчик работает в весовом коде 1-2-4. Здесь под термином "вес"имеется в виду объем информации, принятой счетчиком после установки его триггеров в нулевое состояние. В устройствах и приборах цифровой техники наибольшее распространение получили четырехразрядные счетчики импульсов, работающие в весовом коде 1-2-4-8.

Делители частоты считают входные импульсы до некоторого задаваемого коэффициентом счета состояния, а затем формируют сигнал переключения триггеров я нулевое состояние, вновь начинают счет входных импульсов до задаваемого коэффициента счета и т. д.

Для примера на рис. 2 показаны схема и графики работы делителя с коэффициентом счета 5, построенного на JK-триггерах.

Рис. 2 Схема и графики работы делителя

Здесь вам трехразрядный двоичный счетчик дополнен логическим элементом 2Й-НЕ DD4.1, который и задает коэффициент счета 5. Происходит это так. При первых четырех входных импульсах (после установки триггеров в нулевое состояние кнопкой SB1 "Уст. 0") устройство работает как обычный двоичный счетчик импульсов. При этом на одном или обоих входах элемента DD4.1 действует низкий уровень напряжения, поэтому элемент находится в единичном состоянии.

По спаду же пятого импульса на прямом выходе первого и третьего триггеров, а значит, и на обоих входах элемента DD4.1 появляется высокий уровень напряжения, переключающий этот логический элемент а нулевое состояние. В этот момент на его выходе формируется короткий импульс низкого уровня, который через диод VD1 передается на вход R всех триггеров и переключает их в исходное нулевое состояние. С этого момента начинается следующий цикл работы счетчика.

Резистор R1 и диод VD1, введенные в этот счетчик, необходимы для того, чтобы исключить замыкание выхода элемента DD4.1 на общий провод.

Действие такого делителя частоты можете проверить, подавая на вход С первого его триггера импульсы, следующие с частотой 1... 2 Гц, и подключив к выходу триггера DD3 световой индикатор.

На практике функции счетчиков импульсов и делителей частоты выполняют специально разработанные микросхемы повышенной степени интеграции. В серии К155, например, это счетчики К155ИЕ1, К155ИЕ2, К155ИЕ4 и др. В радиолюбительских разработках наиболее широко используют микросхемы К155ИЕ1 и К155ИЕ2.

Условные графические обозначения этих микросхем-счетчиков с нумерацией их выводов показаны на рис. 3.

Рис. 3 Микросхемы-счетчики

Микросхему К155ИЕ1 (рис. 47,а) называют декадным счетчиком импульсов, т. е. счетчиком с коэффициентом счета 10. Он содержит четыре триггера, соединенных между собой последовательно. Выход (вывод 5) микросхемы - выход ее четвертого триггера. Устанавливают все триггеры в нулевое состояние подачей напряжения высокого уровня одновременно на оба входа R (выводы 1 и 2), объединенные по схеме элемента И (условный символ "&"). Счетные импульсы, которые должны иметь низкий уровень, можно подавать на соединенные вместе входы С (выводы 8 и 9), также объединенные по И. или на один из них, если в это время на втором будет высокий уровень напряжения. При каждом десятом входном импульсе на выходе счетчик формирует равный по длительности входному импульс низкого уровня.

Микросхема К155ИЕ2 (рис. 3,б) -двоично-десятичный четырехразрядный счетчик. В нем также четыре триггера, но первый из них имеет отдельные вход С1 (вывод 14) и отдельный прямой выход (вывод 12). Три других триггера соединены между собой так, что образуют делитель на 5.

Рис. 4 Делители частоты

При соединении выхода первого триггера (вывод 12) со входом С2 (вывод 1) цепи остальных триггеров микросхема становится делителем на 10 (рис. 4, а), работающем в коде 1-2-4-8, что и символизируют цифры у выходов графического обозначения микросхемы. Для установки триггеров счетчика в нулевое состояние подают на оба входа R0 (выводы 2 и 3) напряжение высокого уровня.

Два объединенных входа R0 и четыре разделительных выхода микросхемы К155ИЕ2 позволяют без дополнительных элементов строить делители частоты с коэффициентами деления от 2 до 10. Так, например, если соединить между собой выводы 12 и 1, 9 и 2, 8 и 3 (рис. 4,б), то коэффициент счета будет 6, а при соединении выводов 12 и 1, 11,. 2 и 3 (рис. 4,в) коэффициент счета станет 8. Эта особенность микросхемы К155ИЕ2 позволяет использовать ее и как двоичный счетчик импульсов, и как делитель частоты.

Читайте и пишите полезные

Деление частоты

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

Таблица 1.4

Сигналы на входах				Состояние выхода

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).

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

Таблица 1.5

Для получения нужного коэффициента деления можно использовать микросхемы двоичных счетчиков, соединяя соответствующие выходы с помощью ЛЭ, рис. 1.67, или же применить счетчик с программируемым
коэффициентом деления 564ИЕ15, см. рис. 1.26.

Рис. 1. 66. а) Универсальный реверсивный счетчик,
б) диаграмма напряжении микросхемы

Pис 1.67. Делитель на 1000

Триггеры, выполненные на двух вентилях, как показано на рис. 8.47 и 8.50, обычно называют RS (от английских слов: ), или асинхронными триггерами. Посредством подачи соответствующего входного сигнала они могут быть установлены в то или иное состояние. -триггеры удобно использовать в схемах защиты от дребезга, а также во многих других случаях, однако более широкое применение получили триггеры, схема которых несколько отличается от рассмотренной. Вместо пары асинхронных входов они имеют один или два информационных входа и один тактирующий вход. В момент подачи тактирующего импульса выходное состояние триггера либо изменяется, либо остается прежним, в зависимости от того, какие сигналы действуют по информационным входам.

Рис. 8.51. Синхронизированный триггер.

Простейшая схема тактируемого триггера приведена на рис. 8.51. От рассмотренной выше схемы она отличается наличием двух вентилей («SET» и «RESET»). Легко проверить, что таблица истинности для этого триггера будет иметь вид

где - состояние выхода Q после подачи тактового импульса, а - до его поступления. Главное отличие схемы от предыдущей состоит в том, что входы S и R в этом случае должны рассматриваться как информационные и сигналы, присутствующие на этих входах в момент поступления тактового импульса, и определяют, что произойдет с выходом .

У этого триггера есть один недостаток. Дело в том, что изменение выходного состояния в соответствии со входными сигналами может происходить в течение всего отрезка времени, на котором тактовый импульс имеет высокий уровень. В этом смысле он еще подобен асинхронному -триггеру. Эта схема известна также под названием «прозрачный фиксатор», потому что выход «насквозь просматривает» вход в течение интервала действия тактового сигнала.

Всесторонние возможности триггерных схем раскроются после введения новых, нескольких отличных от рассмотренных конфигураций, которые представляют собой триггер типа «ведущий-ведомый» (двухступенчатый) и триггер, запускаемый по фронту.

Рис. 8.52. D-триггеры с запуском по фронту.

Триггеры типа «ведущий-ведомый» и триггеры, запускаемые по фронту.

Эти типы триггеров наиболее распространены. Информация, поступившая на входные линии этого триггера к моменту возникновения перехода или «фронта» тактового сигнала, определяет, каким будет состояние выхода в последующий интервал времени. Такие триггеры выпускаются в виде недорогих ИМС и всегда используются в этом виде, но для того чтобы понять, как они работают, имеет смысл рассмотреть их внутреннюю структуру. На рис. 8.52 показаны принципиальные схемы так называемых -триггеров. Информация, поступившая на -вход, передается на выход Q после подачи тактового импульса. Рассмотрим принципы действия триггера типа ведущий - ведомый (рис. 8.52, а). Если тактовый сигнал имеет высокий уровень, разрешается работа вентилей 1 и 2, через которые ведущий триггер (вентили 3 и 4) устанавливается в состояние, соответствующее -входу: . Вентили 5 и 6 закрыты, поэтому ведомый триггер (вентили 7 и 8) сохраняет свое предыдущее состояние. Когда тактовый сигнал перейдет в состояние низкого уровня, входы ведущего триггера отключатся от -входа, а входы ведомого подключатся к входу ведущего, в результате последний передаст свое состояние ведомому триггеру. После этого никакие изменения на выходе произойти не смогут, так как ведущий триггер заблокирован. С приходом следующего тактового сигнала ведомый триггер отключится от ведущего, а ведущий воспримет новое состояние входа.

С точки зрения внешних сигналов триггер, срабатывающий по фронту, ведет себя точно также, однако внутри он работает по-другому. Принцип его действия нетрудно разобрать самостоятельно. Схема, показанная на рис. 8.52, б, представляет собой распространенный семейства ТТЛ, срабатывающий на положительном перепаде. В рассмотренном ранее триггере типа «ведущий-ведомый» данные на выход передавались по отрицательному перепаду тактового импульса.

Рис. 8.53. D- и JK-триггеры.

В номенклатуру стандартных ИМС, выпускаемых промышленностью, входят триггеры, срабатывающие как по одной, так и по другой полярности перепада. Кроме того, большинство триггеров имеют также асинхронные входы 5 и R. Они могут устанавливаться или сбрасываться как высоким, так и низким уровнем в зависимости от типа триггера. На рис. 8.53 показано несколько популярных триггеров. Стрелка обозначает динамический вход (срабатывание по фронту), а кружок - инверсию. Таким образом, изображенная на рисунке схема 74 представляет собой сдвоенный -триггер, который срабатывает по положительному перепаду и имеет асинхронные входы 5 и R, активные по низкому уровню. Схема 4013 представляет собой сдвоенный -триггер семейства КМОП, срабатывающий по положительному перепаду и имеющий асинхронные входы 5 и R, активные по высокому уровню. Интегральная схема 112 - это сдвоенный -триггер типа ведущий - ведомый, срабатывающий по отрицательному перепаду и имеющий асинхронные входы 5 и R, активные по низкому уровню.

JK-триггер.

По принципу действия JK-триггер аналогичен D-триггеру, но имеет два информационных входа. Его таблица истинности имеет вид:

Если на входы поступают противоположные сигналы, то на очередном фронте тактового импульса выход Q воспроизводит значение -входа. Если оба входа J и К имеют низкий уровень, то состояние выхода не изменится. И наконец, если на обоих входах высокий уровень, триггер будет совершать «переброс» (менять свое состояние на каждом тактовом импульсе), т. е. работать в счетном режиме).

Предупреждение. Некоторые старые типы - триггеров представляют собой «ловушку для единиц». Этот термин вы не найдете ни в одной документации, он означает явление, которое может привести неосведомленного человека к весьма неприятным последствиям. Дело в том, что если на интервале, когда ведомый триггер открыт тактовым сигналом, вход J и К (или оба одновременно) на какой-то момент изменит свое состояние, а затем до окончания тактового сигнала вернется в исходное, то это кратковременное состояние триггер запомнит и в дальнейшем он будет вести себя так, как если бы это состояние сохранилось. В результате триггер может переброситься на следующем тактовом перепаде, даже если сигналы, действующие в момент этого перепада на входах J и К подтверждают предыдущее состояние. Это может привести, мягко говоря, к своеобразному поведению. Проблема возникает из-за того, что эти триггеры были сконструированы в предположении, что тактовый импульс имеет очень короткую длительность, в то время как в действительности тактирование всегда производится сигналом конечной длительности. Если используется триггер типа «ведущий-ведомый», следует соблюдать меры предосторожности, либо вообще избегать их, применяя более надежные триггеры, работающие по фронту. Две хорошие альтернативы, которые используют истинно запуск по фронту, это приборы 112 и 109. Оба представляют собой сдвоенные (два в одном корпусе) -триггеры с асинхронными 5- и -входами, активными по низкому уровню. Устройство 112 срабатывает по отрицательному фронту тактового сигнала, а устройство положительному. Схема 109 имеет интересную особенность, а именно, К-вход у него инверсный, поэтому иногда его называют JК-триггер с запретом.-входе всегда действует инверсия по отношению к текущему состоянию триггера. Частота сигнала на выходе в любом случае будет равна половине входной частоты.

Рис. 8.55. Время установления данных и время удержания.

Синхронизация информации и тактирование.

В связи с последней схемой возникает интересный вопрос: не получится ли так, что триггер не сможет переброситься, так как состояние -входа изменяется почти сразу же вслед за тактовым импульсом? Другими словами, не начнет ли схема сбиваться, если на ее входе происходят такие странные явления? Этот вопрос можно сформулировать и следующим образом: в какой точно момент по отношению к тактовому импульсу -триггер (или какой-нибудь другой) анализирует состояние своего входа? Ответ такой: для любого тактируемого устройства существует определенное «время установления» густ и «время удержания» . Для того чтобы схема работала правильно, информация должна поступать на вход не позднее чем за время до возникновения тактового перепада и оставаться неизменной по крайней мере в течение времени. Если сигнал на -входе изменяется на интервале времени удержания, то может возникнуть любопытный эффект, носящий название «метастабильное состояние», при котором триггер не может определить, в какое состояние он должен перейти. Об этом явлении мы вскоре еще упомянем.

Рис. 8.56. 4-разрядный счетчик.

Деление на число, большее чем 2.

С помощью каскадного соединения счетных триггеров (выход Q каждого предыдущего триггера подключен к тактическому входу последующего) легко получить «делитель на , или двоичный счетчик. На рис. 8.56 показана схема четырехразрядного асинхронного счетчика и даны его временные диаграммы. Заметим здесь, что если выход Q каждого триггера непосредственно действует на тактовый вход следующего, срабатывание триггеров должно происходить по спаду (заднему фронту) сигнала на тактовом входе (показано кружком инверсии). Эта схема представляет собой счетчик - делитель на 16: на выходе последнего триггера формируются прямоугольные импульсы, следующие с частотой, равной 1/16 частоты входного тактового сигнала. Схема называется счетчиком, поскольку информация, присутствующая на четырех входах Q, может рассматриваться как -разрядное двоичное число, которое изменяется от 0 до 15, увеличиваясь на единицу с каждым входным импульсом.

Этот факт отражает временная диаграмма на рис. 8.56.б, на которой СЗР означает «старший значащий разряд», МЗР - «младший значащий разряд», а изогнутые стрелки, облегчающие понимание, указывают, какими перепадами вызываются изменения сигналов.

Этот счетчик, как вы увидите в разд. 8.25, выполняет настолько важную функцию, что выпускается в виде большого числа модификаций, выполненных в виде однокристальных микросхем, включая такие форматы счета, как -разрядный, двоично-десятичный и многоцифровой. Соединяя эти счетчики каскадно и воспроизводя их содержимое с помощью цифрового индикатора (например, светодиодного) можно легко построить схему подсчета каких-либо событий. Если разрешить прохождение импульсов на вход счетчика в течение ровно 1 с, то получится счетчик частоты, который будет воспроизводить значение частоты путем подсчета числа периодов в секунду. В разд. 15.10 приводятся схемы этого простого, но очень полезного устройства. Промышленностью выпускаются однокристальные счетчики частоты, в состав которых входят дополнительно генератор, схемы управления и вывода на индикацию. Триггер такого устройства показан на рис. 8.71.

На практике простейшая схема каскадирования счетчиков посредством соединения каждого выхода Q со следующим тактовым входом имеет некоторые интересные проблемы, связанные с покаскадной задержкой распространения сигнала по цепочке триггеров. По этой причине лучше использовать схему, в которой один и тот же тактовый сигнал подается одновременно на все входы. В следующем разделе мы будем рассматривать эти синхронные тактируемые системы.