Использование умножителей и делителей в технике связи

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

МИИТ

ЯРОСЛАВСКИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ  ТЕХНИКУМ –

филиал  федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

  высшего профессионального  образования

                                «Московский государственный университет путей сообщения» 
 
 
 
 
 

Реферат на тему

"Использование  умножителей и  делителей в технике связи." 
 
 
 
 
 
 
 

Дисциплина: Теория электросвязи

Группы: 59-РО-11

Студента: Горюнов.Е.С

Преподаватель: Малышев Р.А. 

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                         201 

      Умножители  частоты, или как их называют в  более развернутом виде, системы формирования дискретного множества частот, в настоящее время получили очень широкое распространение в самых разнообразных видах радиоэлектронной аппаратуры.

      Индукционные  печи с токами высокой частоты, радиосвязные, радионавигационные и радиолокационные системы, схемы подавления помех, системы управления скоростью двигателя – вот далеко не полный перечень областей применения умножителей частоты.

      Появление первых разработок умножителей частоты  относится к 30-м и 40-м годам  XX века.

      В электротехнике и электронике  умножителем частоты называется радиоэлектронное устройство, предназначенное для увеличения в целое число раз N частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний в заданном диапазоне частот с требуемой стабильностью и качеством выходного сигнала.

      Основной  параметр – коэффициент умножения частоты N, определяемый как отношение частоты выходного сигнала к частоте входного:

       .

      Характерной особенностью умножителей частоты  является постоянство N при изменении (в некоторой конечной области) частоты входного сигнала, а также параметров самого умножителя (например, резонансных частот колебательных контуров или резонаторов, входящих в состав умножителя частоты), т.е. в умножителе частоты относительная нестабильность частоты колебаний при умножении остается постоянной. Это важное свойство позволяет использовать умножители частоты для повышения частоты стабильных колебаний в различных радиопередающих, радиолокационных, измерительных и других установках; при этом N может достигать 10 и более.

      Основная  проблема при конструировании умножителей  частоты – это уменьшение фазовой  нестабильности  входных колебаний (обусловленной случайным характером изменения их фазы), которая приводит к увеличению относительной нестабильности частоты на выходе по сравнению с соответствующей величиной на входе.

      В настоящее время выявились следующие  основные методы построения умножителей частоты:

• косвенный на базе систем импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ);
• прямой с использованием фильтрующих элементов на поверхностно-акустических волнах;
• цифровой на основе вычислительных процедур.

     Наиболее  распространены умножители частоты, состоящие из нелинейного устройства (например, транзистора, варикапа, катушки с ферритовым сердечником) и одного или нескольких электрических фильтров. Нелинейное устройство изменяет форму входных колебаний, вследствие чего в спектре колебаний на его выходе появляются составляющие с частотами, кратными входной частоте. Эти сложные колебания поступают на вход фильтра, который выделяет составляющую с заданной частотой , подавляя (не пропуская) остальные. Такие устройства применяются для умножения частоты гармонических колебаний.

     Находят применение также умножители частоты, действие которых основано на синхронизации  колебаний автогенератора. В таких  приборах возбуждаются колебания с  частотой , которая становится в точности равной под действием поступающих на вход колебаний с частотой . Недостатком этих умножителей частоты является сравнительно узкая полоса значений , при которых возможна синхронизация.

     Необходимо  отметить, что умножители частоты  с ИФАПЧ относятся к числу  чрезвычайно динамичных, развивающихся  систем формирования дискретного множества  частот. Решающую роль при этом играют такие важнейшие преимущества умножителей частоты и ИФАПЧ, как возможность реализации высококачественных спектральных и приемлемых динамических характеристик при хороших габаритных, энергетических и других показателях.

     Умножители  частоты с ИФАПЧ не имеют каких  либо принципиальных ограничений с точки зрения выбора частотного диапазона выходного сигнала. Практически может использоваться любой участок частотной оси: от единиц и десяткой герц до гигагерц, при этом используемая в ИФАПЧ система автоподстройки определяет быстродействие устройства. 

                             Электронные счетчики и делители частоты 
 

На базе счетных  триггеров можно построить цифровое устройство, получившее название электронного счетчика. Электронные счетчики ( далее, просто счетчики) позволяют вести подсчет электрических импульсов, количество которых (поступивших на вход счетчика) представляется, обычно, в параллельном коде. Счетчики могут отличаться модулем счета и типом счетной последовательности, которая, в частности, может быть двоичной, двоично-десятичной, в коде Грея и т.п. Цифровые последовательностные устройства, выполненные по схеме счетчика, но имеющие один счетный вход и один выход называются делителями частоты. Таким образом, любой счетчик может служить в качестве делителя частоты, если используется информация только одного из его выходов. Так как счетчики и делители имеют единую структуру, основное внимание будет уделено синтезу счетчиков.  

  Счетчики  и делители подразделяются на  асинхронные и синхронные. У синхронных  счетчиков все разрядные триггеры  синхронизируются параллельно одними и теми же синхроимпульсами, поступающими из источника этих импульсов. Асинхронные счетчики имеют последовательную синхронизацию, т.е. каждый последующий разрядный триггер синхронизируется выходными импульсами триггера предыдущего разряда. Асинхронные счетчики иногда называют последовательными, а синхронные счетчики - параллельными.  

  Синхронные  счетчики, в свою очередь, подразделяются  на параллельно-синхронные и последовательно-синхронные. Параллельные счетчики имеют более высокую скорость счета, чем асинхронные.  

  Счетчики, независимо  от способа синхронизации, подразделяются  на счетчики прямого счета  (суммирующие) и на счетчики  обратного счета (вычитающие). В  интегральном исполнении выпускаются  также реверсивные счетчики, в которых имеется специальный вход для переключения режима работы, т.е. направления счета. Многие типы счетчиков, выпускаемые промышленностью в интегральном исполнении, имеют дополнительные входы предустановки, позволяющие использовать эти счетчики в режиме регистра памяти.  

  В качестве  разрядных триггеров счетчиков  и делителей могут быть использованы двухступенчатые D-триггеры, Т- и JK-триггеры.  

  Счетчики  относятся к последовательностным  устройствам с циклически повторяющейся последовательностью состояний. Число, соответствующее количеству импульсов (поступивших на вход счетчика), при котором счетчик “возвращается” в исходное состояние, называется модулем или коэффициентом счета. Модуль счета, обычно, обозначают буквой М (или Ксч). Например, максимальный модуль счета счетчика из двух триггеров равен М = 22 = 4, трех триггеров - М = 23 = 8 и т.д. В общем случае для n - разрядного счетчика - М = 2n. Модуль счета счетчика численно совпадает с модулем деления делителя частоты. Счетчик по модулю 8 позволяет реализовать (без дополнительных схемных затрат) делитель частоты на 8. Это значит, что данный делитель делит частоту входной импульсной последовательности на 8.  

  Асинхронный  двоичный счетчик. Асинхронный  двоичный счетчик представляет собой совокупность последовательно соединенных триггеров (D - или JK ), каждый из  которых  ассоциируется  с  битом в двоичном представлении числа. Если в счетчике m триггеров, то число возможных состояний счетчика равно 2m, и, следовательно, модуль счета М также равен 2m. Счетная последовательность в двоичном суммирующем счетчике начинается с нуля и доходит до максимального числа 2m - 1, после чего снова проходит через нуль и повторяется. В вычитающем двоичном счетчике последовательные двоичные числа перебираются в обратном порядке, и при повторении последовательности максимальное число следует за нулем.  

  Рассмотрим  устройство двоичного суммирующего  счетчика по модулю М=16, выполненного на базе JK-триггеров (рис. 3.33, а).  

Как видно из рис. 3.33, (а), синхронизирующие входы всех триггеров, кроме крайнего левого (Т1), соединены с выходами предыдущих триггеров. Поэтому состояние триггера меняется в ответ на изменение состояния предыдущего триггера.  

  Из таблицы  состояния счетчика (рис. 3.33, б) легко  заметить, что значение разряда в выбранной позиции меняется тогда, когда в соседней справа позиции состояние переходит из “1” в “0”, управление триггерами осуществляется задним фронтом синхроимпульсов (отрицательным перепадом напряжения импульса синхронизации).

 

Отметим, что  условия для изменения состояний триггеров вычитающих счетчиков аналогичны условиям для суммирующих счетчиков с той лишь разницей, что они должны “опираться” на значения инверсных, а не прямых выходов триггеров. Следовательно, рассмотренный выше счетчик можно превратить в вычитающий, просто переключив входы “С” триггеров с выходов Q на выходы  . Когда в качестве разрядных триггеров используются D-триггеры, синхронизируемые передним фронтом синхроимпульсов, для получения вычитающего счетчика (асинхронного) входы “С” последующих тригеров соединяются с прямыми выходами предыдущих, также как в счетчике прямого счета, построенного на JK-триггерах.  

   Работа  вычитающего счетчика на D-триггерах  наглядно иллюстрирована на рис. 3.34, (б). Из рис. 3.34 следует, что  после нулевого состояния всех триггеров, с приходом первого синхроимпульса они устанавливаются в состояние “1”. Поступление второго синхроимпульса приводит к уменьшению этого числа на одну единицу и т.д. После поступления восьмого импульса, снова, все триггеры обнуляются и цикл счета повторяется, что соответствует модулю М=8. 

  В некоторых  случаях необходимо, чтобы счетчик  мог работать как в прямом, так и в обратном направлении счета. Такие счетчики называются реверсивными. Реверсивные счетчики могут быть как асинхронного, так и синхронного типа. Они строятся путем применения логических коммутаторов (мультиплексоров) в цепях связи между триггерами. Так, например, асинхронный реверсивный двоичный счетчик можно построить, если обеспечить подачу сигналов с прямого (при суммировании) или с инверсного (при вычитании) выхода пре-дыдущего JK- или Т-триггера на счетный вход последующего. В случае, когда реверсивный счетчик строится на базе D-триггеров, управляемых передним фронтом, для получения режима прямого счета следует соединить инверсный выход предыдущего с счетным входом последующего триггера.  

  Все рассмотренные  типы счетчиков могут быть  использованы в цифровых устройствах “умеренного” быстродействия, когда частота следования синхроимпульсов не превышает критического значения, при котором время задержки установки триггеров последних (старших) разрядов счетчика становится соизмеримым с длительностью периода входных тактовых импульсов. В связи с этим, асинхронные счетчики строятся на относительно небольшое количество разрядов, так как при большем количестве разрядов выходные сигналы триггеров старших разрядов появляются позднее, чем управляющие фронты синхроимпульсов (поступающих на вход первого триггера) .

  Параллельные  счетчики (синхронные счетчики). Как  было уже сказано выше, параллельные счетчики бывают двух типов: синхронные параллельные и синхронные последовательные.  

 

  Синхронный  последовательный счетчик. По  способу подачи синхроимпульсов такие счетчики параллельные, т.е. синхроимпульсы поступают на все триггеры счетчика параллельно, а по способу управления (подачи управляющих импульсов) - последовательные. Схема синхронного последовательного счетчика, реализованного на JK-триг-герах.  

  Синхронный  последовательный счетчик обладает  повышенным быстродействием, однако, за счет последовательного формирования управляющих уровней, на входы “J” и “К” счетных триггеров, быстродействие несколько уменьшается. От этого недостатка лишены параллельные синхронные счетчики, в которых формирование управляющих уровней и их подача на соответствующие входы триггеров счетчика осуществляется одновременно, т.е. параллельно.

  Поскольку  счетчик имеет одну общую линию  синхронизации, состояние триггеров  меняется синхронно, т.е. те  триггеры, которые по синхроимпульсу должны изменить свое состояние, делают это одновременно, что существенно повышает быстродействие синхронных счетчиков.