Делитель частоты с переменным коэффициентом деления

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, а также к системам автоматического управления и может найти применение в системах числового программного управления, в измерительных и вычислительных устройствах. Техническим результатом является повышение быстродействия устройства. Устройство содержит два n разрядных двоичных счетчика, n элементов И, элемент ИЛИ. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, а также к системам автоматического управления и может найти применение в системах числового программного управления, в измерительных и вычислительных устройствах.

Известно устройство [Интегральные микросхемы серии 155. Экспресс-информация. Вып.4, М.: ЦНИИ БЭИ приборостроения, 1975, с.40.] для деления частоты с переменным коэффициентом деления, содержащее n-разрядный двоичный счетчик с входами разрешения счета, установки в начальное состояние, синхронизации, разрешения деления, n-разрядную шину управления, информационный выход делителя частоты, элемент И-НЕ, выход переполнения счетчика, n-входовый элемент ИЛИ-НЕ, n элементов И с увеличивающимся в зависимости от разрядности числом входов.

Недостатками данного устройства являются большая нагрузка на прямые выходы разрядных триггеров двоичного счетчика, растущая от разряда к разряду из-за увеличивающегося числа подключаемых элементов И, и низкое быстродействие, обусловленное необходимостью групповой организации подключения элементов И при больших разрядностях (в аналоге группа состоит из шести разрядов).

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является делитель частоты с переменным коэффициентом деления [RU Патент № 2015539, опубл. 30.06.94.], который и выбран в качестве прототипа. В прототипе уменьшена выходная нагрузка двоичного счетчика по сравнению с устройством [Интегральные микросхемы серии 155. Экспресс-информация. Вып.4, М.: ЦНИИ БЭИ приборостроения, 1975, с.40.] и обеспечена поразрядная, а не групповая наращиваемость разрядности устройства.

В состав прототипа входят n-разрядный двоичный счетчик, входы синхронизации, разрешения счета, установки в начальное состояние и разрешения деления, являющиеся соответствующими входами счетчика, выход переполнения, являющийся соответствующим выходом счетчика, n-разрядная шина управления, информационный выход делителя частоты, n логических элементов с функцией И, первые входы которых соединены соответственно с прямыми разрядными выходами n-разрядного счетчика, а вторые входы этих элементов соединены с n-разрядами шины управления в обратном порядке, причем делитель частоты содержит также двухвходовой элемент И-НЕ, а логические элементы с функцией И по двум входам реализуют еще функцию 2ИЛИ, по выходам - функцию НЕ, составляя таким образом функцию 2ИЛИ-И-НЕ, кроме того, первый вход элемента И-НЕ соединен с выходом первого логического элемента, составляющего функцию 2ИЛИ-И-НЕ, а второй вход - с инверсным выходом синхронизации двоичного счетчика, при этом выход элемента И-НЕ является информационным выходом делителя частоты, выход расширения которого соединен с выходом первого логического элемента 2ИЛИ-И-НЕ, третьи входы всех логических элементов 2ИЛИ-И-НЕ соединены соответственно с инверсными разрядными выходами n-разрядного двоичного счетчика, четвертый вход i-го элемента 2ИЛИ-И-НЕ (i=1, n-1) соединен с выходом (i+1)-го элемента 2ИЛИ-И-НЕ, четвертый вход n-го элемента 2ИЛИ-И-НЕ является входом расширения делителя частоты, причем первые и вторые входы всех логических элементов 2ИЛИ-И-НЕ относятся к первому элементу ИЛИ, а третьи и четвертые входы - ко второму элементу ИЛИ.

Прототип осуществляет деление за счет последовательного преобразования потенциальных (по отношению к сигналу на входе синхронизации) управляющих сигналов с шины управления и от разрядов счетчика на элементах 2ИЛИ-И-НЕ, включенных последовательно, с выделением выходного информационного сигнала из потенциального (по отношению к сигналу на входе синхронизации) сигнала на выходе расширения делителя. Сигнал на выходе расширения получается путем последовательного преобразования с использованием элементов 2ИЛИ-И-НЕ сигналов от прямого и инверсного выходов разряда счетчика, сигнала с шины управления и сигнала с выхода последующего элемента 2ИЛИ-И-НЕ. Элементы 2ИЛИ-И-НЕ образуют итеративную (последовательную) цепочку, в которой на каждом элементе на первой ступени в первой паре сигнал с выхода каждого последующего элемента преобразуется с сигналом с инверсного выхода счетчика, во второй паре сигнал с шины управления преобразуется с сигналом от прямого выхода счетчика, причем на нечетный элемент 2ИЛИ-И-НЕ поступает инверсный управляющий сигнал с шины управления, а на четный - прямой сигнал с шины управления, затем на второй ступени сигналы обеих пар преобразуются в сигнал выхода элемента 2ИЛИ-И-НЕ.

Средняя частота F_y импульсной последовательности на выходе элемента И-НЕ, т.е. на выходе устройства, определяется выражением

где

или в общем виде ,

Т_i={0;1} - логическое состояние i-x разрядов кодов управления.

Недостатком прототипа является большое время преобразования, связанное с последовательной обработкой сигналов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение быстродействия устройства за счет параллельной обработки сигналов.

Техническим результатом является высокое быстродействие работы устройства при упрощении коммутации формирователя информационного сигнала.

Поставленная задача решается тем, что в делитель частоты с переменным коэффициентом деления, содержащий n-разрядный двоичный счетчик, вход синхронизации, вход разрешения счета, вход установки в начальное состояние, вход разрешения деления, выход переполнения, n-разрядную шину управления, информационный выход делителя частоты, n логических элементов с функцией И, первые входы которых соединены соответственно с прямыми разрядными выходами n-разрядного счетчика, а вторые входы этих элементов соединены с n-разрядами шины управления в обратном порядке, введены второй n-разрядный двоичный счетчик и элемент ИЛИ с n входами, выход которого является информационным выходом делителя частоты, а входы подключены к выходам соответствующих логических элементов с функцией И, причем третьи входы этих элементов соединены с соответствующими инверсными разрядными выходами второго счетчика, вход синхронизации которого соединен с инверсным выходом тактовой частоты первого счетчика, причем остальные входы второго счетчика объединены с соответствующими входами первого счетчика.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании делителя частоты с переменным коэффициентом деления и реализацией параллельного преобразования за счет использования при формировании выходного сигнала информации не только со счетчика, работающего от входной тактовой частоты, но и сдвинутой на полтакта информации о состоянии счетчика, работающего от инверсной входной тактовой частоты.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого делителя частоты, на фиг.2 - временные диаграммы процессов, протекающих в устройстве.

Делитель частоты с переменным коэффициентом деления (фиг.1) содержит n-разрядный двоичный счетчик 1, входы синхронизации 2, разрешения счета 3, установки в начальное состояние 4, разрешения деления 5, являющиеся соответствующими входами счетчика, выход переполнения 6, являющийся соответствующим выходом счетчика, n-разрядную шину управления 7, информационный выход делителя частоты 8, n логических элементов L 9 с функцией И, первые входы которых соединены соответственно с прямыми разрядными выходами n-разрядного счетчика 1, а вторые входы этих элементов 9 соединены с n-разрядами шины управления 7 в обратном порядке. Кроме того, устройство содержит второй n-разрядный двоичный счетчик 10 и элемент ИЛИ 11 c n входами, выход которого является информационным выходом 8 делителя частоты, а входы подключены к выходам соответствующих логических элементов 9 с функцией И, причем третьи входы этих элементов 9 соединены с соответствующими инверсными разрядными выходами второго счетчика 10, вход синхронизации которого соединен с инверсным выходом тактовой частоты первого счетчика 1, причем остальные входы второго счетчика 10 объединены с соответствующими входами первого счетчика 1.

Устройство работает следующим образом.

На вход синхронизации 2 счетчика 1 поступает импульсная (тактовая) последовательность с частотой F₀. На вход разрешения счета 3 подается сигнал, разрешающий счет счетчикам 1 и 10. С помощью подачи сигнала на вход установки 4 в начальное состояние счетчики 1 и 10 устанавливаются в нулевое состояние, при котором выходы Q₀, Q₁,..., Q_n-1 сбрасываются в ноль, а выходы , устанавливаются в единицу. На вход разрешения деления 5 поступает сигнал, разрешающий деление счетчикам 1 и 10. Временные диаграммы, соответствующие входам 2, 3, 4 и 5 устройства, представлены на фиг.2.

После завершения сигналов на входах 3, 4 и 5 устройства появление на входе 2 первого импульса тактовой частоты F₀ обеспечивает появление единицы на выходе Q₀ первого счетчика 1 (диаграмма Q₀, фиг.2). В результате на первом входе первого логического элемента L с функцией И 9₁ появится единица. На третьем входе этого элемента после исходной установки была единица с выхода второго счетчика 10. На второй вход первого логического элемента с функцией И 9₁ подан старший разряд T_n кода N с шины управления 7. Если этот старший разряд соответствует логической единице (диаграмма Т₃ для N=111, фиг.2), то на выходе элемента И 9₁ появится единица (диаграмма 9₁ для N=111, фиг.2), которая поступает на выход 8 устройства через элемент ИЛИ 11 (диаграмма F_y для N=111, фиг.2). Если же старший разряд T_n соответствует логическому нулю, то на выходе элемента И 9₁ и на первом входе элемента ИЛИ 11 останется состояние логического нуля (диаграмма 9₁ для N=011, фиг.2). На всех остальных входах элемента ИЛИ 11 состояние нуля обеспечивается нулевыми состояниями выходов Q₁,..., Q_n-1, поступающими на логические элементы с функцией И 9₂,..., 9_n. В результате на выходе 8 устройства останется состояние логического нуля (диаграмма F_y для N=011, фиг.2).

Завершение первого импульса тактовой частоты Fo обеспечивает появление нуля на выходе второго счетчика 10 и на третьем входе первого логического элемента с функцией И 9₁. Следовательно, на выходе этого элемента сформируется состояние нуля (диаграмма 9₁ для N=111, фиг.2). Таким образом, на всех входах элемента ИЛИ 11 будет присутствовать логический ноль, а, значит, на выходе 8 устройства также будет присутствовать ноль. В результате на выходе 8 устройства был сформирован единичный импульс, равный по длительности импульсу тактовой частоты F₀. Для ситуации, при которой старший разряд Т_n соответствует логическому нулю, на выходе 8 устройства останется состояние логического нуля (диаграмма F_y для N=011, фиг.2).

Появление на входе 2 второго импульса тактовой частоты F₀ обеспечивает переход в нулевое состояние выхода Q₀ и появление единицы на выходе Q₁ первого счетчика 1 (диаграммы Q₀ и Q₁, фиг.2). В результате на первом входе второго логического элемента с функцией И 9₂ появится единица. На третьем входе этого элемента после исходной установки была единица с выхода второго счетчика 10. На второй вход первого логического элемента с функцией И 9₂ подан предпоследний разряд Т_n-1 кода N с шины управления 7. Если этот разряд соответствует логической единице (диаграмма Т₂ для N=111, фиг.2), то на выходе элемента И 9₂ появится единица (диаграмма 9₂ для N=111, фиг.2), которая поступает на выход 8 устройства через элемент ИЛИ 11 (диаграмма F_y для N=111, фиг.2). Если же предпоследний разряд T_n-1 соответствует логическому нулю, то на выходе элемента И 9₂ и на втором входе элемента ИЛИ 11 останется состояние логического нуля. В результате ситуация будет соответствовать ранее рассмотренной для нулевого сигнала в старшем разряде шины управления 7, и на выходе 8 устройства останется состояние логического нуля.

Завершение второго импульса тактовой частоты F₀ обеспечивает появление нуля на выходе второго счетчика 10 и на третьем входе второго логического элемента с функцией И 9₂. Следовательно, на выходе этого элемента сформируется состояние нуля (диаграмма 9₂ для N=111, фиг.2). Таким образом, на всех входах элемента ИЛИ 11 вновь будет присутствовать логический ноль, а, значит, на выходе 8 устройства также будет присутствовать ноль. В результате на выходе 8 устройства был сформирован второй единичный импульс, равный по длительности импульсу тактовой частоты F₀. Для ситуации, при которой предпоследний разряд Т_n-1 соответствует логическому нулю, на выходе 8 устройства останется состояние логического нуля, как и при рассмотрении формирования первого импульса при нулевом управляющем разряде.

Появление на входе 2 третьего импульса тактовой частоты F₀ обеспечивает появление единицы на выходе Q₀ первого счетчика 1 (диаграмма Q₀, фиг.2). В результате на первом входе первого логического элемента с функцией И 9₁ появится единица. На третьем входе этого элемента была единица с выхода второго счетчика 10 после завершения второго импульса тактовой частоты F₀. На второй вход первого логического элемента с функцией И 9₁ подан старший разряд Т_n кода N с шины управления 7. Далее процесс протекает аналогично рассмотренному при подаче первого импульса тактовой частоты.

Завершение третьего импульса тактовой частоты F₀ обеспечивает появление нуля на выходе второго счетчика 10 и на третьем входе первого логического элемента с функцией И 9₁. Таким образом, процесс повторится так же, как и для первого импульса, и будет повторяться для всех нечетных импульсов.

Появление на входе 2 четвертого импульса тактовой частоты F₀ обеспечивает переход в нулевое состояние выходов Q₀ и Q₁, появление единицы на выходе Q₂ первого счетчика 1 (диаграммы Q₀, Q₁ и Q₂, фиг.2). В результате на первом входе третьего логического элемента с функцией И 9₃ появится единица. На третьем входе этого элемента после исходной установки была единица с выхода второго счетчика 10. На второй вход третьего логического элемента с функцией И 9₃ подан разряд T_n-2 кода N с шины управления 7. Если этот разряд соответствует логической единице (диаграмма T₁ для N=111, фиг.2), то на выходе элемента И 9₃ появится единица (диаграмма 9₃ для N=111, фиг.2), которая поступает на выход 8 устройства через элемент ИЛИ 11 (диаграмма F_y для N=111, фиг.2). Если же разряд Т_n-2 соответствует логическому нулю, то на выходе элемента И 9₃ и на третьем входе элемента ИЛИ 11 останется состояние логического нуля. В результате ситуация будет соответствовать ранее рассмотренной для нулевого сигнала в старшем разряде шины управления 7, и на выходе 8 устройства останется состояние логического нуля.

Завершение четвертого импульса тактовой частоты F₀ обеспечивает появление нуля на выходе второго счетчика 10 и на третьем входе третьего логического элемента с функцией И 9₃. Следовательно, на выходе этого элемента сформируется состояние нуля (диаграмма 9₃ для N=111, фиг.2). Таким образом, на всех входах элемента ИЛИ 11 вновь будет присутствовать логический ноль, а, значит, на выходе 8 устройства также будет присутствовать ноль. В результате на выходе 8 устройства был сформирован четвертый единичный импульс, равный по длительности импульсу тактовой частоты F₀. Для ситуации, при которой разряд Т_n-2 соответствует логическому нулю, на выходе 8 устройства останется состояние логического нуля, как и при рассмотрении формирования первого импульса при нулевом управляющем разряде.

Процессы, связанные с прохождением пятого импульса, соответствуют, как было отмечено ранее, всем нечетным импульсам.

Появление на входе 2 шестого импульса тактовой частоты F₀ обеспечивает переход в нулевое состояние выхода Q₀ и появление единицы на выходе Q₁ первого счетчика 1 (диаграммы Q₀ и Q₁, фиг.2). В результате на первом входе второго логического элемента с функцией И 9₂ появится единица. На третьем входе этого элемента была единица с выхода второго счетчика 10 после завершения четвертого импульса тактовой частоты F₀. На второй вход первого логического элемента с функцией И 9₂ подан предпоследний разряд T_n-1 кода N с шины управления 7. Далее процесс протекает аналогично рассмотренному при подаче второго импульса тактовой частоты.

Завершение шестого импульса тактовой частоты F₀ обеспечивает появление нуля на выходе второго счетчика 10 и на третьем входе второго логического элемента с функцией И 9₂. Таким образом, процесс повторится так же, как и для второго импульса, и будет повторяться в дальнейшем для десятого, четырнадцатого и далее для каждого следующего четвертого импульса.

Процессы, связанные с прохождением седьмого импульса, соответствуют, как было отмечено ранее, всем нечетным импульсам.

Появление на входе 2 восьмого импульса тактовой частоты F₀ обеспечивает переход в нулевое состояние выходов Q₀, Q₁, Q₂ и появление единицы на выходе 6 переполнения первого счетчика 1 (диаграммы Q₀, Q₁ и Q₂, фиг.2). В результате на первых входах всех логических элементов с функцией И 9 будет присутствовать ноль. Следовательно, на всех выходах этих элементов также будет присутствовать ноль, а, значит, и на выходе элемента ИЛИ 11 также будет состояние логического нуля.

Процессы, связанные с прохождением девятого импульса, будут соответствовать процессам прохождения первого импульса. Далее весь процесс работы устройства циклически повторяется, причем цикл определяется разрядностью счетчиков и шины управления.

В основу работы делителя частоты с переменным коэффициентом деления положен принцип одновременного формирования двух отличающихся на полтакта состояний счетчиков с выделением за эти полтакта разряда, в котором происходит изменение состояния из нуля в единицу, и разрешением прохождения полученного сигнала на выход при наличии единицы на соответствующем разряде шины, управляющей в обратном порядке, благодаря чему реализуется быстрое формирование выходного сигнала.

Логическое выражение для выхода 8 имеет вид:

где функция L в общем случае ,

a i - номер разряда шины управления (от 1 до n).

Очевидно, что для любого i равенство единице достигается при одновременном равенстве единице Q_i, и . Такая ситуация возникает для каждого единичного состояния Q_i в течение времени длительности импульса тактовой частоты τ только при начале этого единичного состояния. Это связано с тем, что переход состояния из единицы в ноль сдвинут на время (относительно перехода Q_i из нуля в единицу, и обеспечено тактированием второго счетчика 10 инверсным выходом синхронизации первого счетчика 1, то есть сигналом .

Таким образом, на выходе любого логического элемента L_i будет формироваться импульсная последовательность с частотой

Импульсы в этих последовательностях разнесены по времени, поэтому на выходе логического элемента ИЛИ 11 происходит формирование суммарной частоты, то есть среднее значение выходной частоты устройства F_y определяется выражением

F_y=F₁+F₂+...+F_i+...+F_n-1+F_n

или

Вынося за скобки F₀ и 2^-n, имеем:

F_y=F₀2^-n(T_n2^n-1+T_n-1T^n-2+...+Т_i2^i-1+...+T₁2¹+T₁2⁰.

Выражение в скобках представляет собой развернутую запись двоичного кода числа N, задающего коэффициент деления по шине управления, как и у прототипа (2).

Таким образом, в общем виде среднее значение выходной частоты F_y делителя примет вид

что соответствует выражению (1) для прототипа.

При этом быстродействие заявляемого делителя частоты при больших разрядностях (n>9) выше, чем у прототипа, так как в прототипе задержка λ_П на изменение значения частоты напрямую связана с разрядностью n кода шины управления из-за последовательной обработки сигналов, а в заявляемом делителе частоты эта задержка имеет фиксированную величину λ.

Эти задержки определяются выражениями

λ=λ_СТ+λ_СТ+λ_L+λ_ИЛИ,

λ_П=λ_СТ+nλ_L+λ_И-НЕ,

где λ_СТ - время срабатывания счетчика,

λ_L - время срабатывания логического элемента L с функцией И,

λ_ИЛИ - время срабатывания логического элемента ИЛИ,

λ_И-НЕ - время срабатывания логического элемента И-НЕ.

Времена срабатывания этих логических элементов λ_j в первом приближении можно считать одинаковыми

λ_L=λ_ИЛИ=λ_И-НЕ=λ_j.

Время срабатывания счетчика обычно не превышает 6...8λ_j.

Таким образом, для заявляемого делителя частоты

λ=8λ_j+8λ_j+λ_j+λ_j,

λ=18λ_j,

а для прототипа

λ_П=8λ_j+nλ_j+λ_j,

λ_П=(9+n)λ_j.

Следовательно, с повышением разрядности быстродействие работы заявляемого устройства по сравнению с прототипом будет увеличиваться.

Кроме того, прототип имеет более сложную коммутацию, а значит, обладает худшей технологичностью.

Делитель частоты с переменным коэффициентом деления, содержащий n-разрядный двоичный счетчик, входы синхронизации, разрешения счета, установки в начальное состояние и разрешения деления, являющиеся соответствующими входами счетчика, выход переполнения, являющийся соответствующим выходом счетчика, n-разрядную шину управления, информационный выход делителя частоты, n логических элементов с функцией И, первые входы которых соединены соответственно с прямыми разрядными выходами n-разрядного счетчика, а вторые входы этих элементов соединены с n-разрядами шины управления в обратном порядке, отличающийся тем, что в устройство введены второй n-разрядный двоичный счетчик и элемент ИЛИ с n входами, выход которого является информационным выходом делителя частоты, а входы подключены к выходам соответствующих логических элементов с функцией И, причем третьи входы этих элементов соединены с соответствующими инверсными разрядными выходами второго счетчика, вход синхронизации которого соединен с инверсным выходом тактовой частоты первого счетчика, причем остальные входы второго счетчика объединены с соответствующими входами первого счетчика.