Применение гармонических сигналов в радиотехнике

 

Одним из наиболее известных периодических сигналов является гармоническая функция

s(t) = A cos(2πft+φ) = A cos(2πt/T+φ) = A cos(ωt+φ), (4.5)

где А - амплитуда гармонических колебаний; f - циклическая частота гармонических колебаний (величина, обратная периоду колебаний), f = 1/T; ω= 2πf - круговая частота гармонических колебаний; φ- начальный сдвиг фазы гармонического колебания.

Здесь и далее значения сигналов в текущий момент времени (мгновенное значение сигналов, например, s(t)) будем обозначать строчными буквами, для обозначения амплитуды колебаний будем использовать прописные буквы.
Поведение гармонического колебания во временной области показано на рисунке 4.6. При анализе радиотехнических устройств, кроме временного представления, также используется представление сигналов в частотной области.

Рис. 4.6 Гармонический сигнал

Широкое применение гармонического сигнала объясняется универсальностью формы гармонического колебания. Эта универсальность заключается в том, что гармоническое колебание не изменяет свою форму при прохождении через линейные цепи (напомним, что в линейной цепи коэффициенты дифференциального уравнения, описывающего работу этой цепи, постоянны и не зависят от величины входного сигнала). При прохождении гармонического сигнала через линейную цепь форма (повторяющая синусоидальную зависимость) и частота этих колебаний остаются неизменными, могут измениться только амплитуда и начальная фаза.

 

7. Счетчики импульсов представляют собой современные модули автоматики и могут применяться в системах управления автоматическими линиями, станками и т.д.
Счетчики импульсов предназначены для прямого, обратного и реверсивного счета импульсов и включение/выключение цепей управления внешними объектами по достижении заданного количества импульсов.
Счетчики импульсов имеют на передней панели знакосинтезирующий индикатор и кнопки управления.
Конструкция счетчиков рассчитана на установку в переднюю панель шкафов управления.
Подключение внешних цепей осуществляется к клеммнику на тыльной стороне корпуса счетчика.

Принцип работы счетчиков импульсов

Счетчики импульсов работают следующим образом: с помощью кнопок на лицевой панели задается уставка счета, которая высвечивается на индикаторе, и запоминается заданное значение в энергонезависимой памяти. Подача внешнего импульса на вход СЧЕТ увеличивает/уменьшает значение счетчика на 1. На индикатор выводится сосчитанное значение. При совпадении заданного значения с сосчитанным происходит срабатывание встроенного реле и переключение его контактов. При подаче сигнала на вход СБРОС происходит обнуление счетчика импульсов и обратное переключение реле. У реверсивных и обратных счетчиков происходит счет от заданной уставки до 0. Некоторые типы счетчиков не имеют отдельного входа для сброса, поскольку обнуление происходит автоматически по совпадению сосчитанного значения с уставкой. При этом происходит срабатывание выхода счетчика и переключение контактов на заданное время. Имеются также комбинированные счетчики, рассчитанные на прямой и обратный счет, причем направление счета определяется фазировкой входных импульсов, что позволяет, например, применять счетчик в намоточных станках для определения количества витков.
Ввод уставки счета производится следующим образом: нажатие кнопки ПРОСМОТР переводит счетчик в режим ввода уставки (или выводит из него), при этом начинает мигать младший разряд уставки. Нажатием кнопки ВЫБОР можно выбрать для изменения любой разряд уставки (выделяется миганием). Кнопкой УСТАВКА можно установить требуемое значение разряда уставки.

Классификация счетчиков импульсов

Счетчики классифицируются по следующим параметрам:

Напряжение питания

Напряжение входных сигналов

Быстродействие

Разрядность

Управление счетом

Количество устройств в одном корпусе

Прямой счет/ обратный счет/реверсивный счет

Функция выхода

Тип выхода

Тип корпуса

Подключение счетчиков

Питание счетчиков (в зависимости от выбранного типа) может осуществляться:

Постоянным/переменным напряжением 18…36В

Постоянным/переменным напряжением 85…240В

Входными сигналами(в зависимости от выбранного типа) могут быть:

Постоянное/переменное напряжение 18…36В

Постоянное/переменное напряжение 85…240В

Выход счетчика - “сухой” контакт, коммутирующий постоянный/переменный ток до 3А напряжением до 250В. Исключение составляют быстродействующие счетчики, выход которых представляет собой транзисторный ключ pnp или npn типа.
Некоторые типы счетчиков имеют встроенный источник питания =24В, которое выведено на клеммник счетчика и предназначено для питания оптических/индуктивных и других выключателей (датчиков), используемых в качестве источников входного сигнала для самого счетчика.

Счётчики

Счетчиком называют устройство, предназначенное для подсчёта числа импульсов поданных на вход. Они, как и сдвигающие регистры, состоят из цепочки триггеров. Разрядность счетчика, а следовательно, и число триггеров определяется максимальным числом, до которого он считает.

Рисунок 1

Регистр сдвига можно превратить в кольцевой счетчик, если выход последнего триггера соединить с входом первого. Схема такого счетчика на разрядов приведена на рисунке 1. Перед началом счета импульсом начальной установки в нулевой разряд счетчика (Q0) записывается логическая 1, в остальные разряды - логические 0. С началом счета каждый из приходящих счётных импульсов Т перезаписывает 1 в следующий триггер и число поступивших импульсов определяется по номеру выхода, на котором имеется 1. Предпоследний (N-1) импульс переведет в единичное состояние последний триггер, а импульс перенесёт это состояние на выход нулевого триггера, и счет начнётся сначала. Таким образом, можно построить кольцевой счетчик с произвольным коэффициентом счета (любым основанием счисления), изменяя лишь число триггеров в цепочке.

Недостаток такого счетчика - большое число триггеров, необходимы; для его построения. Более экономичны, а поэтому и более распространены счетчики, образованные счетными Т-триггерами. После каждое тактового импульса Т сигнал на входе D (инверсном выходе) меняется на противоположный и поэтому частота выходных импульсов вдвое меньше частоты поступающих. Собрав последовательную цепочку из n счетных триггеров соединяя выход предыдущего триггера со входом C следующего), мы получим частоту f_вых=f_вх/2ⁿ. При этом каждый входной импульс меняет код числа на выходе счетчика на 1 в интервале от 0 до N=2ⁿ-1.

Микросхема К155ИЕ5 рисунок 2 содержит счетный триггер (вход С1) и делитель на восемь (вход С2) образованный тремя соединенными последовательно триггерами. Триггеры срабатывают по срезу входного импульса (по переходу из 1 в 0). Если соединить последовательно все четыре триггера как на рисунке 2, т получится счетчик по модулю 2⁴=16. Максимальное хранимое число при полном заполнении его единицами равно N=2⁴-1=15=(111)₂. Такой счетчик работает с коэффициентом счета К (модулем), кратным целой степени 2, и в нем совершается циклический перебор К=2ⁿ устойчивых состояний. Счетчик имеет выходы принудительной установки в 0.

Рисунок 2

Часто нужны счетчики с числом устойчивых состояний, отличным от 2ⁿ Например, о электронных часах есть микросхемы с коэффициентом счета 6 (десятки минут). 10 (единицы минут). 7 (дни недели). 24 (часы). Для построения счётчика с модулем К≠2ⁿ можно использовать устройство из n триггеров для которого выполняется условие 2ⁿ>К. Очевидно, такой счётчик может иметь лишние устойчивые состояния (2ⁿ-К). Исключить эти ненужные состояния Можно использованием обратных связей, по цепям которых счетчик переключается в нулевое состояние в том такте работы когда он досчитывает до числа К.

Для счетчика с К=10 нужны четыре триггера (так как 2³<10<2⁴) должен иметь десять устойчивых состояний N==0,1...,8,9. В том такте, когда он должен был перейти в одиннадцатое устойчивое состояние (N=10), его необходимо сбросить в исходное нулевое состояние. Для такого счётчика можно использовать микросхему К155ИЕ5 рисунок 3, введя цепи обратной связи с выходов счетчика, соответствующих числу 10 (т. е. 2 и 8) на входы установки счетчика в 0 (вход R). В самом начале 11-го состояния (число 10) на обоих входах элемента И микросхемы появляются логические 1, вырабатывающие сигнал сброс всех триггеров счетчика в нулевое состояние.

Рисунок 3

Во всех сериях цифровых микросхем есть счетчики с внутренней организацией наиболее ходовых коэффициентов пересчета, например в микросхема К155ИЕ2 и К155ИЕ6 К=10. в микросхеме К155ИЕ4 К=2х6==12.

Как видно из схем и диаграмм на рисунках 1-3, счетчики могут выполнят функции делителей частоты, т. е. устройств, формирующих из импульсной последовательности с частотой f_вх импульсную последовательность на выходе, последнего триггера с частотой fвых, в К раз меньшую входной. При таком использовании счетчиков нет необходимости знать, какое число в нем записано в настоящий момент, поэтому делители в некоторых случаях могут быть значительно проще счетчиков. Микросхема К155ИЕ1, например, представляет собой делитель на 10, а К155ИЕ8 - делитель с переменным коэффициентом деления К=64/n. где n=1...63.

Кроме рассмотренных суммирующих широко применяют реверсивные счетчики на микросхемах К155ИЕ6. К155ИЕ7, у которых в зависимости от режима работы содержимое счетчика или увеличивается на единицу режим сложения, говорится что происходит инкремент счётчика или уменьшается на единицу режим вычитания, декремент после прихода очередного счетного импульса. Микросхема К155ИЕ1 рисунок 4 - делитель на 10. Установка ее триггеров в 0 осуществляется одновременной подачей высокого уровня на входы 1 и 2 (элемент И). Счетные импульсы подают на вход 8 или 9 (при этом на другом входе должен быть высокий уровень) или одновременно на оба входа (элемент И).

Рисунок 4

В состав микросхемы К155ИЕ2 рисунок 4 входят триггер со счетным входом (вход С1) и делитель на 5 (вход С2). При соединении выхода счетного триггера с входом С2 образуется двоично-десятичный счетчик (диаграмма его работы аналогична приведенной на рисунке 3). Счет происходит по срезу импульса. Счетчик имеет входы установки в 0 (R0 с логикой И) и входы установки в 9 (R9 с логикой И).

 

Рисунок 5

Микросхему К155ИЕ4 образуют счетный триггер и делитель на 6 рисунок 5. О микросхеме К155ИЕ5 было сказано ранее рисунок 2

Микросхемы К155ИЕ6 и К155ИЕ7 рисунок 6,а)-реверсивные счетчики предварительной записью, первый из них - двоично-десятичный, второй четырехразрядный двоичный. Установка их в 0 происходит при высок уровне на входе R. В счетчик можно записать число подав на выходы D1-D4 (в К155ИЕ6 от 0 до 9, в К155ИЕ7 от 0 до 15). Для этого на вход S необходимо подать низкий уровень, на входах С1 и С2 высокий уровень, на входе R - низкий. Счет начнется с записанного числа по импульсам низкого уровня, подаваемым на вход С1 (в режиме сложения) или на С2 (в режиме вычитания). Информация на выходе изменяется по фронту счётного импульса. При этом на втором счетном входе и входе S должен быть высокий уровень, на входе R-низкий, а состояние входов D безразлично. Одновременно с каждым десятым (шестнадцатым) на входе С1 импульсом на выходе P1 повторяющий его выходной импульс, который может подаваться вход следующего счетчика. В режиме вычитания одновременно с каждым импульсом на входе С2, переводящим счетчик в состояние 9, (15), на выходе Р2 появляется выходной импульс.

Временная диаграмма работы счетчика К155ИЕ6 приведена на рисунке 6,б. На диаграмме в режиме параллельной записи (S=0) было записано число 6 (высокий уровень на входах D2 и D3).

Рисунок 6

Микросхемы К176ИЕ1, К56ИИЕ10 и К561ИЕ16 рисунок 7 - двоичные счётчики. Счетчик К561ИЕ10 при подаче счетных импульсов на вход С1 и при С2=1 работает по фронту, при счете по входу С2 и при С1==0 - по срезу. Счётчик К561ИЕ16 не имеет выходов от второго и третьего делителя. Счетчики устанавливаются в нулевое состояние при подаче высокого уровня на вход R. Для правильной работы этих и всех других счетчиков, выполненных по КМОП технологии (серий К164, К176, К564, К561..), необходимо после включения питания (или после снижения напряжения источника питания до 3 В) устанавливать их в исходное нулевое состояние подачей импульса высокого уровня на вход R. В противном случаи счётчики могут работать случайными коэффициентами пересчёта. Импульс сброса после включения питания может подаваться автоматически, если ввести времязадающую RC-цепь и инвертор, как показано на рисунке 7,в.

Рисунок 7