Генератор импульсов с регулируемой скважностью и частотой

Источники информации

Электронные документы, доступные на сайтеdeveloper.intel.com.

1) Intel Pentium 4 Processor 660, 650, 640 and 630 and Intel Pentium 4
Processor Extreme Edition Datasheet. Document Number 306382-001.
2) Intel Pentium D Processor 840, 830 and 820 Datasheet. Document Number
307506-001.
3) Intel Pentium D Processor 900 Sequence and Intel Pentium Processor Extreme
Edition 955, 965 Datasheet. Document Number 310306-006.
4) Intel Celeron D Processor 300 Sequence Datasheet. Document Number 304092-006.
5) Intel Celeron Processor 400 Sequence Datasheet. Document Number 316963-001.
6) Intel Celeron Dual-Core Processor E1000 Series Datasheet. Document Number
318924-001.
7) Intel Core Duo Processor and Intel Core Solo Processor on 65 nm Process
Datasheet. Document Number 309221-004.
8) Intel Core 2 Extreme Processor X6800 and Intel Core 2 Duo Desktop Processor
E6000 and E4000 Sequences Datasheet. Document Number 313278-004.
9) Intel Core 2 Extreme Processor QX9000 Series and Intel Core 2 Quad Processor
Q9000 Series Datasheet. Document Number 318726-003.
10) Intel 82371AB PCI-TO-ISA / IDE XCELERATOR (PIIX4) Datasheet. Order Number
290562-001.

Электронные документы, доступные на сайтеdeveloper.amd.com.

11) AMD Functional Data Sheet, 754 Pin Package. Publication # 31410.
12) AMD Functional Data Sheet, 939 Pin Package. Publication # 31411.
13) AMD Functional Data Sheet, 940 Pin Package. Publication # 31412.
14) AMD Athlon 64 Processor Power and Thermal Data Sheet. Publication #30430.
15) AMD NPT Family 0Fh Desktop Processor Power and Thermal Data Sheet.
Publication #33954.
16) Clock Generator Specification for AMD64 Processors. Publication # 24707.

Электронные документы, доступные на сайтеdatasheetarchive.com.

(Информация на данном сайте более полная, чем на «родных» сайтах
производителей указанных микросхем.)
19) VIA VT82C686A South Bridge Datasheet. Revision 1.54. Для поиска документа
набирать строку «VT82C686».
20) VIA VT82C686B South Bridge Datasheet. Revision 1.71. Для поиска документа
набирать строку «VT82C686».
21) Cypress W230 Spread Spectrum FTG (Frequency Timing Generator) for VIA K7
Chipset. Для поиска документа набирать строку «W230».

Ждущий мультивибратор (одновибратор)

Ждущий мультивибратор в отличие от автоколебательного на выходе формирует одиночный импульс под действием входного сигнала, причём длительность выходного импульса зависит от номиналов элементов обвязки операционного усилителя. Схема ждущего мультивибратора показана ниже



Схема ждущего мультивибратора (одновибратора) на операционном усилителе.

Ждущий мультивибратор состоит из операционного усилителя DA1, цепи ПОС на резисторах R4R5, цепи ООС VD1C2R3 и цепи запуска C1R1VD2.

Цикл работы ждущего мультивибратора можно условно разделить на три части: ждущий режим, переход из ждущего режима в состояние выдержки и непосредственно состояние выдержки. Рассмотрим цикл работы мультивибратора подробнее.

Ждущий режим является основной и наиболее устойчивой частью цикла работы данного типа мультивибратора, так как самопроизвольно он не может перейти в следующие части цикла работы ждущего мультивибратора. В данном состоянии на выходе мультивибратора присутствует положительное напряжение насыщения ОУ (UНАС+), которое через цепь ПОС R4R5 частично поступает на неинвертирующий вход ОУ, тем самым задавая пороговое напряжение переключения мультивибратора (UПП), которое определяется следующим выражением

На инвертирующем входе ОУ присутствует напряжение, которое задаётся диодом VD1 (в случае кремневого диода напряжение примерно равно 0,6 – 0,7 В), то есть меньше порога переключения мультивибратора. При данных условиях ждущий мультивибратор может находиться неограниченно долгое время (до тех пор, пока не поступит запускающий импульс).

Переход из ждущего режима в состояние выдержки, является следующей частью цикла работы ждущего мультивибратора и начинается после того, как на вход поступит импульс отрицательной полярности, амплитуда которого превысит двухкратное значение напряжения переключения ждущего мультивибратора. То есть минимальная амплитуда входного напряжения (UВХ min) должна быть равна


В этом случае напряжение порога переключения ждущего мультивибратора понизится и станет меньше, чем напряжение падения на диоде VD1. Далее произойдёт лавинообразный процесс переключения выходного напряжения и на выходе установится напряжение отрицательного насыщение ОУ (UНАС-) и ждущий мультивибратор перейдёт в состояние выдержки. При выборе номиналов элементов входной цепи C1 и R1 надо исходить из того, что конденсатор С1 должен полностью разрядиться за время действия входного импульса, то есть постоянная времени цепи C1R1 должна быть на порядок (в десять раз) меньше длительности входного импульса.

Заключительная часть цикла работы ждущего мультивибратора является состояние выдержки. В данном состоянии на неинвертирующий вход поступает часть напряжения с выхода мультивибратора, тем самым задавая пороговое напряжение перехода мультивибратора в ждущий режим. В тоже время выходное напряжение через цепь ООС C1R1 поступает на инвертирующий вход и открывает диод VD1, через который начинает разряжаться конденсатор С1. После разряда конденсатора С1 до 0 В происходит его зарядка через резистор R1 до напряжения перехода мультивибратора в ждущий режим. После чего схема переходит в исходное состояние и на выходе устанавливается напряжение положительного насыщения ОУ (UНАС+). Длительность состояния выдержки и непосредственно формируемого выходного импульса определяется временем зарядка конденсатора С1 через резистор R1 и в общем случае определяется следующим выражением


Так как ждущий мультивибратор имеет только одно устойчивое состояние, то за ним закрепилось название одновибратора.

Для того чтобы одновибратор вырабатывал положительные импульсы при положительных управляющих входных сигналах необходимо изменить полярность включения диодов VD1 и VD2.

Платформы PC/XT. Разгоняем с помощью паяльника.

Тактовый генератор в IBM PC/XT реализован на микросхеме Intel 8284, советский
аналог – КР1810ГФ84, описан в .

Задающий генератор использует кварцевый резонатор частотой 14.31818 MHz.
Тактовая частота процессора формируется путем деления на 3 частоты задающего
генератора: 14.31818 MHz / 3 = 4.773 MHz. Тактовый сигнал для системного таймера
формируется путем деления на 12 частоты задающего генератора: 14.31818 MHz / 12
= 1.193 MHz. Заменив кварцевый резонатор 14.318 MHz на 24.0 MHz, мы получим
тактовую частоту процессора в режиме «турбо» 24.0 MHz / 3 = 8.0 MHz.

Работоспособность системы на новой тактовой частоте будет зависеть от
величины технологического запаса быстродействия у процессора, подсистем памяти и
ввода-вывода. Отдельного внимания требует системный таймер. Напомним, что он
используется программным обеспечением для формирования интервалов времени,
продолжительность которых не зависит от быстродействия процессора, поэтому
повышение частоты тактирования таймера приведет к нежелательным последствиям:
будут спешить часы DOS Time, частоты звуковых сигналов, выводимых на PC Speaker,
будут завышены. Чтобы избежать таких последствий, система IBM PC/XT,
поддерживающая режим «турбо» должна содержать два тактовых генератора: для
процессора и для таймера. Вместе с тем, существовали некорректно написанные
программы, которые для формирования времязадающих функций использовали не
таймер, а процессор, рассчитывая на то, что тактовая частота всегда равна 4.773
MHz. Для обеспечения совместимости с такими программами, была введена кнопка
«Turbo», позволяющая переключаться между стандартной и повышенной частотой.
Заметим, что понятия «множитель» тогда не существовало, частоты тактирования
ядра процессора и шины всегда были равны. Следовательно, разгон процессора мог
быть выполнен только путем повышения частоты шины.

На микросхемах

Реализовать устройство на транзисторах нужно обязательно, а после этого пробовать собирать схемы мультивибраторов на микросхемах (ИМС). Микросхемы могут содержать встроенный генератор или с возможностью на её основе сделать его. Дополнив ИМС несколькими элементами, получим, генератор с более чёткими фронтами сигнала, регулируемой частотой или заполнением.

Современные устройства содержат генераторы именно на микросхемах. Многие блоки питания построены как мультивибратор Ройера. В недавнем прошлом чаще всего реализовывал вибраторы на К176ЛА7, предшественницы более надёжной К561ЛА7. Итак, давайте рассмотрим некоторые варианты.

Микросхема NE555

Мультивибраторы, исполненные на ИМС 555 серии, можно встретить во многих схемах генерации сигналов. Это различные звуковые или световые устройства оповещения, игрушек, бытовых приборов и устройств.

Заменить ИМС NE555 можно импортными аналогами AN1555, MC1455, TA7555P или отечественным — 1006ВИ1. Приведу схему мультивибратора на NT555 таймере с регулировкой частоты.

При отсутствии сигнала горит светодиод VD1, а при появлении он тухнет и горит VD2. Эта схема может выполнять тест на исправность микросхем данной серии.

Схема мультивибратора на К561ЛА7

Широко распространённая микросхема, на основе которой реализовываются различные устройства. Генераторы звуковых и световых сигналов, металлоискатели и т. д. Аналогом К561ЛА7 является К564ЛА7 или импортная ИМС CD4011BE. Поскольку выход логического элемента является слаботочным, схема практически всегда содержит выходной нагрузочный каскад.

Мультивибратор собран на 2 логических элементах 2И-НЕ с регулировкой частоты. Если дополнить схему ещё 2 логическими элементами частотой 3 кГц как триггер и с пьезоэлектрическим излучателем в нагрузке, то получится звуковой сигнализатор.

Работает она так, мультивибратор собран на элементах DD1.1 и DD1.2 с частотой 1 Гц. Сигнал поступающий на вывод 8 DD1.3 запускает генератор. Это схема подойдёт автолюбителям, как сигнализатор включения поворотников.

Платформы PC/AT 286, 386. Работаем с переключателями.

Во времена процессоров 80286, 80386 производители наладили выпуск
универсальных материнских плат, допускающих установку процессоров с различными
тактовыми частотами. Модельный ряд 80386DX содержал процессоры с частотами 16,
20, 25, 33, 40 MHz. Первые универсальные платы использовали панельку для
установки осциллятора (осциллятором здесь называется схема, содержащая кварцевый
резонатор и генератор, интегрированные в одном корпусе). Пользователь или
производитель платы должен был установить осциллятор, частота которого
соответствовала тактовой частоте процессора. Разумеется, системный таймер
тактировался от другого генератора.

Такой «детский конструктор» уже допускал разгон без паяльника (путем
установки осцилляторов с частотами, превышающими штатные), если конечно
осциллятор был установлен в панельке, а не запаян. Затем появились так
называемые частотные синтезаторы, способные из частоты одного задающего
генератора (обычно это классическая для платформы PC частота 14.31818 MHz)
сформировать все частоты, необходимые для работы платформы при поддержке
различных процессоров. Один из методов выполнения такого преобразования –
умножить опорную частоту на достаточно большой коэффициент, в результате
получится сигнал с частотой, из которой путем деления на целые коэффициенты
можно получить все требуемые частоты с приемлемой точностью. Данное
преобразование выполняется внутри микросхемы частотного синтезатора. Для
управления частотой выдаваемого тактового сигнала используются входы задания
частоты. Код, подаваемый на эти входы, задается переключателями (jumpers),
установленными на материнской плате. Теоретически, в таких системах уже
существовала возможность реализации программного управления тактовой частотой.
Для этого требовалось реализовать порт вывода (программно-доступный регистр),
выходы которого подключаются к входам задания частоты, вместо переключателей.
Записывая разные коды в этот порт, BIOS или другая программа может переключать
тактовую частоту. Но данное решение не стало популярным, во-первых, потому, что
такая гибкость в те времена еще не была востребована, а во-вторых, потому, что
большинство частотных синтезаторов тех времен не допускали переключение частоты
без выключения питания.

Принцип работы

Разобраться с функционированием блокинг генератора поможет схема, изображённая ниже.


Принципиальная схема типового генератора

В следующем перечне приведены основные этапы работы:

После подачи напряжения через резистор R1 происходит зарядка конденсатора C Время завершения этого процесса определяется параметрами данных элементов.

Величину тока ограничивает сопротивление цепи, а напряжение на конденсаторных клеммах не успевает стать максимальным.

  • Как только оно достигло определённой величины, транзистор начнёт открываться. Ток начинает проходить по цепи: обмотка трансформатора – коллектор – эмиттер. На этом этапе, напряжение почти мгновенно становится максимальным, а ток увеличивается относительно медленно.
  • Он индуцирует ЭДС в обмотке трансформатора, соединённой с базой, что ещё больше увеличивает напряжение и открывает транзистор. Этот процесс завершается при насыщении сердечника трансформатора (материал не способен проводить магнитное поле определённой интенсивности). Также он прекратится при увеличении тока базы, до порога насыщения полупроводникового прибора.
  • Транзистор закрывается. Начинается зарядка конденсатора C Индуктивность обмотки трансформатора образует ЭДС с направлением, противоположным первоначальному. Это ускоряет закрытие транзистора.

Принцип работы блокинг генератора проще понять с помощью временных диаграмм, которые иллюстрируют изменение электрических параметров в отдельных частях схемы.


Диаграммы токов и напряжений

Эти рисунки необходимо изучать совместно со следующим чертежом, на котором изображена другая принципиальная схема блокинг генератора.


Схема блокинг генератора

На рисунке выше не приведена определённая нагрузка (обозначение Rн). Диод выполняет демпфирующие функции. Он предотвращает броски напряжения, способные повредить транзистор.

Описанные выше этапы хорошо видны на диаграммах. Ниже отмечены особенности, которые характерны для второй схемы:

  • Комбинацией t0 отмечен момент, когда напряжение на базе транзистора недостаточно для его открытия.
  • Временной отрезок t0 – t1 обозначает период постепенного открытия транзистора. В конечной точке насыщение произошло, поэтому изменение тока в базе не оказывает влияние на форму импульса.
  • Однако разряд конденсатора происходит. Поэтому происходит постепенное уменьшение тока базы.
  • Так как нагрузка на коллекторе обладает индуктивными характеристиками, ток Ic не уменьшается. Продолжительность этого периода определяется параметрами сердечника трансформатора.
  • С точки t2 начинается срез импульса. Ток, созданный индукцией, уменьшается, что провоцирует постепенное закрытие транзисторного ключа. На рисунках видно, когда появляется ток в обратном направлении. Этот процесс интенсифицирует разряд конденсатора. Скорость закрытия транзистора увеличивается, и срез получается крутым (образуется за малое время).
  • Точкой t3 обозначен момент полного закрытия затвора транзистора. После него допустимо появление колебательных процессов. Для их блокировки в данной схеме установлен диод.

Характеристики мультивибратора

Работа схемы характеризуется несколькими величинами. Это:

Частота. Единица измерения F — герц, Гц.
Амплитуда. Вольт.
Длительность импульса

Единица измерения секунды.
Скважность. Отношение периода Т к длительности импульса t

S=T/tim. Обозначение буквы тау не воспроизводит word и применена прописная буква t.

Если посмотреть осциллографом сигнал, снятый с нагрузки, а для данных мультивибраторов это лампочки, то в идеале мы должны увидеть «меандр». Это форма прямоугольных импульсов с длительностью равной паузам.

Импульсы меандр, длительность паузы tp равна длительности импульса tim

На примере схемы симметричного мультивибратора мы видим, что длительность перезаряда конденсаторов определяется цепями:

t1=R2C1 и t2=R3C2

Где С – ёмкость в Фарадах: R – сопротивление в Омах.

Амплитуда сигнала или импульса – это максимальное значение напряжения или тока. Амплитуда может выражаться в вольтах или амперах.

Частота колебаний F, выражается в герцах сек/сек=Гц и определяется отношением периода Т (сек) к секунде времени через соотношение:

F=1/T

Расчёт скважности определяется формулой — S=T/tim. Важный параметр колебательного процесса

Не имеет единицы измерения, являясь числовой величиной. Изменяемая величина, например, счётчики-дешифраторы, могут делить импульсы на отдельные.

Платформы Intel Pentium, AMD K5, K6. Гибкость заставляет задуматься.

Умножение частоты и возможность выбора множителя появились еще во времена
процессоров 486. Следующее поколение процессоров — Intel Pentium и AMD K5/K6,
использующее процессорный разъем Socket 7, базируется на той же идеологии
тактирования, но набор частот и множителей был существенно расширен. Перед
оверклокерами встает задача выбора оптимального (с точки зрения
производительности) режима работы процессора. Хотя численные значения частот и
множителей сегодня совсем другие, приведенный ниже принцип рассуждений применим
и для современных систем.

Дано: Тактовый генератор на плате поддерживает частоты шины 50, 55, 60, 66.6
MHz. Процессор поддерживает множители 1.5x и 2 x. Предел устойчивой работы
нашего процессора 120 MHz.

Найти: Оптимальный (с точки зрения производительности) режим работы
процессора.

Очевидно, у нас два варианта: 66.6 x 1.5 = 100 MHz или 60 x 2 = 120 MHz. В
нашем случае, мы не можем использовать 66.6 x 2 = 133.3 MHz, так как заявленный
порог устойчивости процессора 120 MHz. В первом варианте шина работает быстрее,
но ниже частота ядра, во втором варианте – наоборот. Сразу признаемся, что на
прямой вопрос «что лучше» однозначного ответа не существует, и вот почему.

Представим себе компактный фрагмент машинного кода, долго работающий с
компактным блоком данных, код и данные помещаются во внутренний кэш процессора.
Очевидно, что вскоре после начала выполнения, код и данные будут автоматически
скопированы процессором из ОЗУ во внутренний кэш и для доступа к ним не
потребуется обращений по системной шине. От этого момента и до завершения
выполнения нашего фрагмента процессор будет работать с производительностью,
зависящей от частоты ядра и не зависящей от частоты шины.

Теперь представим другую ситуацию – процессор копирует в памяти блок данных,
размером десятки мегабайт. Очевидно, в этом случае, процессор существенную часть
времени будет занят операциями на шине (чтение из блока-источника, запись в
блок-получатель), поэтому производительность здесь существенно зависит от
частоты шины, если, конечно эффект от быстрой шины не нивелирован медленной
оперативной памятью.

Мы рассмотрели два диаметрально противоположных примера. Ситуации,
встречающееся в программном обеспечении на практике, находятся «посередине». Но
тем не менее, на скорость работы одних программ больше влияет частота шины,
других – частота ядра. Даже в пределах одного приложения могут встречаться
фрагменты, как первого, так и второго типа. Поэтому, углубляясь в теоретические
рассуждения, не следует забывать и о методе «научного тыка».

Платформы PC/AT 486. Первые процессоры с умножением частоты.

В процессорах класса 486 впервые появилось понятие «множитель». Например,
процессор 80486DX2-50 тактировался от частоты 25 MHz, на этой частоте работала
шина. Внутри процессора происходило умножение частоты тактового сигнала на 2, и
ядро работало на частоте 50 MHz. Разумеется, этот процессор работает медленнее,
чем 80486DX-50, у которого и шина и ядро тактируются от 50 MHz. Тогда почему же
разработчики приняли такое решение? Дело тут в том, что технологических
возможностей для роста частоты ядра значительно больше, чем для роста частоты
шины. Цепи системной шины реализованы в виде проводников на плате, соединяющих
процессор и «северный мост» чипсета. Цепи ядра реализованы внутри кристалла
процессора, здесь физическая длина проводников и количество буферных элементов,
через которые проходят сигналы, значительно меньше. Чтобы максимально
реализовать разгонные потенциалы, как ядра, так и шины, их требовалось запустить
на разных частотах, что и было сделано путем введения механизма умножения
частоты, который успешно применяется и в современных процессорах. Для
процессоров поколения 486 были достигнуты частоты 50 MHz (для шины) и 133MHz
(для ядра). Приведены штатные значения, без учета экспериментов по разгону.

Заметим, что переключатели задания частоты шины подключены к управляющим
входам тактового генератора, так как он вырабатывает частоту, а переключатели
задания множителя – к управляющим входам процессора, так как умножение
происходит внутри процессора.

Современные системы. Нажми на кнопку – получишь результат.

Понятия «частота шины» и «множитель», рассмотренные выше, благополучно дожили
до наших дней, изменились только численные значения этих параметров. Современная
платформа позволяет управлять тактовой частотой процессора и множителем из BIOS
Setup. Читателю, знакомому с цифровой и микропроцессорной схемотехникой,
очевиден путь решения этой задачи: код управления частотой, подаваемый на
тактовый генератор и код управления множителем, подаваемый на процессор
формируется посредством программно-доступных регистров (портов вывода), выходы
которых подключены к соответствующим управляющим линиям. Записывая данные в эти
регистры, BIOS, либо другая программа, может устанавливать требуемые значения
частоты и множителя. Архитектура регистров, реализующих данную функцию, зависит
от модели платформы, поэтому программы, реализующие такое управление, могут быть
написаны под одну конкретную плату (как пишется BIOS), либо они должны
распознавать тип платы и содержать модули поддержки под каждую плату.

В большинстве реализаций современных платформ, тактовый генератор выполнен в
виде отдельной микросхемы, программный доступ к его регистрам обеспечивается по
2-проводной последовательной шине SMB (System Management Bus). Заметим, что та
же шина используется для считывания микросхем SPD (Serial Presence Detect)
хранящих параметры модулей оперативной памяти. Контроллер шины SMB находится в
составе «южного моста» чипсета. Детальное описание шины SMB содержится в .
Информацию по контроллеру шины SMB можно найти в документации на «южные мосты»
чипсетов, например , , . Документация на большинство тактовых
генераторов также доступна, например . Шина SMB построена на базе протокола
I2C, предложенного фирмой Philips.

Важным свойством современных платформ является автоматическое определение
тактовой частоты процессора. Для этого процессор сам формирует код управления
частотой системной шины. Этот код жестко прошит в процессоре в соответствии с
его типом (не путать с множителем). Код подается от процессора на тактовый
генератор и управляет режимом работы последнего. Процессоры семейства Intel
Socket 775 используют сигналы BSEL для выбора частоты системной шины.
BSEL расшифровывается как Bus Select.

Каким же образом автоматический выбор частоты в соответствии с типом
процессора и управление частотой из BIOS Setup существуют совместно?

Итак, мы включили питание, тактовый генератор принял от процессора код
управления частотой по линиям BSEL и автоматически запустился на частоте,
соответствующей установленному процессору. Процессор начал выполнение стартовой
процедуры BIOS POST на штатной частоте. Затем, BIOS на одном из этапов
выполнения процедуры POST, интерпретирует содержимое памяти CMOS, в которой
хранится информация о состоянии опций Setup. Если в Setup установлена частота,
отличающаяся от штатной, BIOS перепрограммирует тактовый генератор, и он
запустится на новой частоте. Физически, это сводится к выполнению транзакций на
шине SMB, записывающих данные в регистры тактового генератора.

Именно так приводятся в исполнение установки BIOS Setup. Прежде чем выполнить
перенастройку тактового генератора, чипсета и других устройств в соответствии с
установками опций, BIOS проверяет контрольную сумму информации CMOS, а также
бит, индицирующий факт потери батарейного питания. Если выясняется, что
информация в CMOS недостоверна, перепрограммирования частоты не происходит,
процессор продолжает работать на штатной частоте. На этом основано действие
перемычки Clear CMOS, которая позволяет сбросить настройки Setup и запуститься в
штатном режиме, если плата не стартует после чрезмерного разгона.

(Продолжение следует)

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Editor
Editor/ автор статьи

Давно интересуюсь темой. Мне нравится писать о том, в чём разбираюсь.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Семинар по технике
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector