CD4013 dzielnik przez 2 – schemat połączeń i opis działania przerzutnika D

Pytanie

CD4013 schemat dzielnika przez 2

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Aby zrealizować dzielnik częstotliwości przez 2 na układzie CD4013, wystarczy:
  1. Zasilić układ (pin 14 → VDD, pin 7 → GND).
  2. Sygnał wejściowy fIN podać na pin 3 (CLK1).
  3. Połączyć pin 2 (Q̅1) z pinem 5 (D1).
  4. Piny 4 (RESET1) i 6 (SET1) zewrzeć do GND.
  5. Sygnał wyjściowy fOUT = fIN / 2 pobrać z pinu 1 (Q1) – lub z pinu 2, jeśli potrzebna wersja w przeciwfazie.
• Krytyczny punkt: do wejścia D MUSI być podłączone wyjście zanegowane Q̅ (pin 2), a nie Q.

Szczegółowa analiza problemu

1. Budowa CD4013
   • Dwa niezależne przerzutniki D wyzwalane zboczem narastającym.
   • Wejścia asynchroniczne SET (S) i RESET (R) aktywne stanem wysokim.
   • Zakres VDD: 3 – 15 V (18 V dla części producentów).

2. Zasada podziału częstotliwości
   • Po podłączeniu Q̅ → D tworzymy przerzutnik T (toggle).
   • Przy każdym narastającym zboczu CLK stan na D (czyli poprzednie Q̅) jest wpisywany do Q:
   – jeśli Q było “0”, Q̅ = “1”, więc Q przechodzi na “1”;
   – przy następnym zboczu odwrotnie;
   • Wynik: pełny okres na Q wymaga dwóch zboczy CLK ⇒ fOUT = fIN / 2 z wypełnieniem 50 %.

3. Schemat ideowy (pierwszy przerzutnik) – uproszczone oznaczenia DIP-14

          +3…15 V ────┐
                       │
              ┌────────┴────────┐
CLK  fIN ───►3│CLK1        VDD 14│─── +V
              │                │
Q̅1────┐►2│Q̅1        Q1  1│─── fOUT (=fIN/2)
       │      │                │
       └─────►5│D1         S1  6│──┐
              │                │  |
GND ────────▶4│R1         VSS  7│──┘
              └────────────────┘

4. Parametry częstotliwości (typowe CMOS-B):

5. Kaskadowanie
   – Q1 (pin 1) → CLK2 (pin 11) ⇒ podział przez 4.
   – Kolejne kostki → przez 8, 16, …

Aktualne informacje i trendy

• Przy większych częstotliwościach (≥20 MHz) popularny jest 74HC74 lub 74HC/T-flip-flop (szybsza technologia, VDD = 2 – 6 V).
• W układach bateryjnych ceni się serię 74LVC1G79 (pojedynczy przerzutnik D w obudowie SOT-23, Idd ≈ 1 µA).
• W generatorach SDR i syntezatorach PLL coraz częściej dzielniki realizuje się w programowalnym FPGA/CPLD; jednak CD4013 wciąż pozostaje tanim i łatwo dostępnym rozwiązaniem do 10–12 MHz.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Dlaczego Q̅, a nie Q? Jeśli do D podłączymy Q, przerzutnik zapisuje “siebie samego” – stan nie zmieni się nigdy, więc nie nastąpi dzielenie.
• Duty-cycle = 50 % nawet przy asymetrycznym sygnale wejściowym – kluczowe np. dla zegarów RTC.
• Dla sygnałów wolno narastających wskazane jest dodanie komparatora Schmitta (np. 74HC14) lub tranzystora NPN jako bufora wejściowego, aby zapewnić strome zbocza.

Aspekty etyczne i prawne

• Brak szczególnych implikacji – standardowy układ logiki CMOS bez ograniczeń licencyjnych.
• Należy przestrzegać wytycznych ESD; CD4013 jest czuły na ładunki elektrostatyczne.

Praktyczne wskazówki

1. Bezpośrednio przy pinach 14-7 wstaw ceramiczny kondensator 100 nF.
2. Wszystkie NIEużywane wejścia drugiego przerzutnika (CLK2, D2, S2, R2) przyłącz do GND lub VDD.
3. Przy pracy w temp. < 0 °C lub > 70 °C sprawdzić w nocie katalogowej czasy propagacji tpHL/tpLH – mogą ograniczyć fCLKmax.
4. Test: oscyloskop; kanał-1 = CLK, kanał-2 = Q1. Powinno być dokładnie połowę częstotliwości i faza przesunięta o 90° (Q względem Q̅).

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Przy VDD < 4 V fronty sygnału na wyjściu stają się łagodne – mogą nie spełniać poziomów TTL.
• Przy długich ścieżkach drukowanych należy dodać rezystor szeregowy 50–100 Ω przy wyjściu ograniczający ringing.

Sugestie dalszych badań

• Analiza wpływu jittera wejściowego na stabilność podziału (przy PLL).
• Implementacje niskonapięciowe (1,8 V) – seria 74AUP, 74AXP.
• Porównanie rozpraszania mocy CD4013 vs. 74HC74 w układach IoT (sleep / wake-up divider).

Krótkie podsumowanie

Dzielnik przez 2 na CD4013 wymaga jedynie podłączenia wyjścia zanegowanego Q̅ do wejścia D danego przerzutnika i doprowadzenia sygnału zegara na wejście CLK. Zapewnia to dokładny podział częstotliwości i wypełnienie 50 %. Poprawne podłączenie SET/RESET do masy, odsprzęgnięcie zasilania oraz uziemienie nieużywanych wejść gwarantują stabilną pracę układu w szerokim zakresie napięć i temperatur.