3.3 Указания к теме 2

Кольцевым коммутатором (КК) называют генератор многофазной системы меандров. Двойной КК должен выдавать две системы, вторая из которых сдвинута по фазе относительно первой на заданную часть периода (в данном задании – на фиксированную величину). Источником тактовых импульсов является либо общесистемный генератор тактовых импульсов (ГТИ), либо собственный, обслуживающий только данный КК. В данном случае необходимо разработать локальный ГТИ со стабилизированной частотой.

Начнем с этапа функционального представления устройства.

Его функции:

• генерация тактовых импульсов;

• формирование системы тактовых импульсов, два из которых будут задавать сдвиг по фазе между системами меандров на выходах;

• формирование первой многофазной системы меандров, тактируемой одним из тактовых сигналов;

• формирование второй многофазной системы меандров, запускаемой от сдвинутого тактового сигнала;

• реверсирование порядка фаз каждого из формирователей.

Этот список функций должен быть приведен в разделе задания.

Соответственно графическое изображение устройства на данном этапе будет иметь на входах только сигналы реверса F/R# для каждой из систем импульсов (если реверс задан). На выходах – две системы сигналов, например (для трехфазного КК системы А-В-С и А'-В'-С '. Для однозначности понимания на листах задания должны быть приведены временные диаграммы выходных сигналов.

На этапе составления структурной схемы сформируем набор модулей, каждый их которых должен выполнять перечисленную выше функцию или ее часть, затем соединим изображения модулей связями, как показано в /9/, и изобразим входные и выходные сигналы. В состав схемы будут входить следующие модули:

генератор тактовых импульсов;

распределитель импульсов РИ (для сдвига фазы);

КК, тактируемый с нулевого выхода РИ;

коммутатор порядка фаз (при задании А4 с реверсом);

второй КК, тактируемый с нужного выхода РИ;

коммутатор порядка фаз (при задании А4 с реверсом).

Здесь же следует изобразить совмещенную временнỳю диаграмму импульсов ГТИ, РИ и систем выходных сигналов.

Для формирования такой диаграммы рассмотрим процедуру синтеза системы частот в общем случае – для М-фазного КК со сдвигом второй системы меандров на r, где r = u/v  – простая дробь, задающая угол сдвига в долях периода (например 3/5 Т). Для тактирования всего устройства потребуется генератор тактовых импульсов с частотой f_ти . Период этого генератора Т_ти должен быть в к раз меньше периода выходных импульсов Т, где к – наименьшее общее кратное чисел М и v, например, для М = 6 и r = 3/5  Т_ти = Т/к = Т/30, для М = 4 и r = 1/6  Т_ти = Т/к = Т/12. К выходу этого генератора подключаем распределитель импульсов РИ (закольцованный сдвиговый регистр) на к тактов. Для тактирования сдвиговой цепочки, формирующей первую систему импульсов, будем использовать нулевой выход РИ, а для получения второй системы – выход распределителя номер m = к_·r, например для М = 6 и r = 3/5 – номер 18, для М = 4 и r = 1/6 – номер 2. Для четных М число триггеров в первой цепочке равно М/2, соответственно и к уменьшается вдвое. Анализ полученной временной диаграммы систем сигналов может привести и к какому-либо иному структурному решению, в частности, при кратности М и v роль РИ может исполнять первый КК.

Этап составления структурной схемы излагается в пояснительной записке.

На этапе разработки принципиальной схемы устройства необходимо подобрать микроэлектронную базу для реализации всех блоков структурной схемы (возможно совмещение), реализовать все связи и функции, проработанные ранее. Ниже – некоторые указания.

1. Генератор исходной частоты должен включать в себя согласно заданию кварцевый резонатор (КР). Схемы кварцованных генераторов были рассмотрены в конспекте курса «Цифровая электроника». Следует учесть, что резонаторы на столь низкую частоту, как в задании, не выпускаются (не считая часовых КР на 32,768 кГц), соответственно необходимо выбрать бóльшую частоту (от 0,25 МГц), а затем применить делитель с таким коэффициентом, чтобы с учетом последующего понижения частоты в кольцевом коммутаторе получить на выходе заданное значение 20 кГц. Выбор конкретной модели КР (его несложно сделать по материалам из Интернета) следует привести в пояснительной записке. Элементную базу делителя следует выбрать самостоятельно и обосновать.

2. Распределитель импульсов может быть выполнен на цепочке триггеров, на сдвиговом регистре, на счетчике с дешифратором, которые должны быть закольцованы. РИ двух первых типов при k ≠ 2ⁱ могут попадать в ложный цикл, рассмотренный в курсе лекций. При значительной величине k схемы выведения РИ в штатное состояние оказываются громоздкими, поэтому преимущество имеет схема РИ на основе двоичного счетчика.

3. В отличие от РИ элементная база КК определена заданием, однако во всех случаях для первого КК должна быть образована цепочка триггеров, охваченная инвертирующей обратной связью («инверсно закольцованная»), и дополненная логическими узлами. Вариант КК на основе двоичного счетчика должен включать либо элементы, формирующие нужную последовательность нулей и единиц непосредственно из позиционного кода, либо элемент, формирующий бегущую единицу (или бегущий нуль), а после него логику, формирующую меандры из этого унитарного кода. Второй вариант удобнее в реализации.

4. Известно, что при А1 ≠ 2ⁱ возникает возможность входа кольцевых коммутаторов в ложный цикл. Следует предусмотреть средства вывода КК из него за минимальное количество тактов.

5. В качестве второго КК следует организовать не самостоятельный инверсно закольцованный регистр, а набор триггеров, повторяющих сигналы КК1 со сдвигом за счет тактирования от соответствующего выхода РИ.

6. Для реверсирования (изменения порядка следования фаз) следует применить логические элементы или интегральные коммутаторы, управляемые сигналом F/R#, единичное значение которого соответствует выдаче на выходы прямой последовательности фаз, а нулевое – инверсной. Обоснование выбора элементной базы и описание функционирования коммутатора реверса следует привести в пояснительной записке.

7. Нагрузочная способность выходных элементов схемы стандартная (без умощнения), сигналы следует выдавать непосредственно на выходной разъем.

Этап составления принципиальной схемы должен быть подробно изложен в пояснительной записке.

Общие рекомендации по оформлению принципиальной схемы приведены ниже.