Преобразователь отклонения частоты от номинального значения в аналоговый сигнал

 

.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОТКЛОНЕНИЯ ЧАСТОКЛ ОТ НОМИНАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ В АНАЛОГОВЫЙ СИГНАЛ, содержащий источник входной частоты, входной формирователь импульсов, генератор опорной частоты формирователь эталонных импульсов и схему сравнения длительйости импульсов, первый вход ко торой подключен к выходу формирователя эталонных Импульсов, запускающий вход которого подключен к выходу входного формирователя импульсов, о тли ч ающи и с я тем, что, с целью упрощения устройства и расширения функциональных -возможностей, в него введены источник постоянного напряжения. Калибровочный и рабочий делители напряжения, переключатель с Двумя контактными группами и нульиндикатор , причем источник постоянного напряжения подключен к входам калибровочного и рабочего делителей напряжени;и, выходы которых через первую контактную группу переключателя подключены к управляющему входу, формирователя эталонных импульсов , источник входной частоты и генератор опорной частоты через сл вторую контактную группу переключаг еля подключены к входному формирователю импульсов, выход которого подключен к второму входу схемы сравнения длительности импульсов, выход которой подключен к нуЛьиндикатору . 00 а со 4

СОЮЗ С08ЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И)

3(59 G 01 R 23/00

Я

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABT0PCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbfYHA (21) 3493623/18-21 (22) 30.07.82 (46) 07.04.84. Бюл.913 (72) В.Ф. Иогильчак (71) Свердловский отдел Специального конструкторского бюро гидрометеорологического приборостроения (S3) . 621. 317.. 761 (088, 8) (56) 1. Баранов Л.А. и др. Конденсаторные преобразователи в автоматике и системах управления. M. "Энергия",,1969, с;7.

2. Авторское свидетельство СССР

9 670902, кл. Я 01 Р 23/00, .1979 (прототип).(54)(57).ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОТКЛОНЕНИЯ

ЧАСТОТЫ ОТ НОМИНАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ

В АНАЛОГОВЫЙ СИГНАЛ, содержащий источниквходной частоты, входной формнрователь импульсов, генератор опорной частоты, формирователь эталонных импульсов и схему сравнения длительности импульсов, первый вход ко торой подключен к выходу формирователя эталонных импульсов, запускаюI

f щий вход которого подключен к выходу входного формирователя импульсов, отличающийся тем, что, с целью упрощения устройства и расширения функциональных возможностей, в него введены источник постоянного напряжения, калибровочный и рабочий делители напряжения, переключатель с двумя контактными группами и. нульиндикатор, причем источник постоянного напряжения подключен к входам калибровочного и рабочего делителей напряжения, выходы которых через первую контактную группу переключателя подключены к управляющему входу. формирователя эталонных импульсов, источник входной частоты . I и генератор опорной частоты через вторую контактную группу переключателя подключены к входному формирователю импульсов, выход которого подключен к второму входу схемы сравнения длительности импульсов, выход которой подключен к нульиндикатору.

1084694

Изобретение относится к измеритель. ной технике и может быть использовано в приборостроении и автоматике в схемах измерения отклонения частоты от номинального значения различных радиоэлектронных устройств, а также для формирования эталонных импульсов с регулируемой длительностью.

Известен преобразователь частоты в аналоговый сигнал, содержащий фор- 10 мирователь эталонных импульсов, конденсаторный дозирующий блок и фильтр. Формирователь импульсов преобразует входной сигнал в прямоугольные импульсы, которые управляют кон- 15 денсаторным дозирующим блоком. При каждом поступившем импульсе на конденсаторе накапливается заряд. Этот заряд во время паузы передается. в фильтр выделяющий постоянную сос- 2О

1 тавляющую сигнала (1).

Недостаток известного преобразователя заключается в малой чувствитель-. ности к изменению частоты и малой точности преобразования, вследствие влия- 25 ния на точность формирования эталонных импульсов нестабильности источников питания и элементов схемы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь частоты в аналоговый сигнал, содержащий источник входной частоты, входной формирователь.импульсов, генератор опорной. частоты (кварцевый генератор ), формирователь импульсов эталонной длительности и схему сравнения длительности импульсов, один вход которой подключен к выходу формирователя импульсов эталонной длительности, запускающий вход которого подключен к выходу вход

40 входного формирователя (2).

Недостатком известного преобразователя является сложность, особенно проявляемая при работе с различными значениями номинальных частот.

Цель Изобретения — упрощение устройства и расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь отклонения частоты от номинального значения в аналоговый сигнал, содержащий источник входной частоты, входной формирователь импульсов, генератор опорной частоты, формирователь эталонных импульсов и схему сравнения длительности импульсов, первый вход которой подключен к выходу формирователя эталонных импульсов, запускающий вход которого подключен к выходу входно- 60

ro формирователя импульсов, введены источник постоянного напряжения,. калибровочный и рабочий делители напряжения, переключатель с двумя контактными группами и нуль-индикагор, причем источник постоянного напряжения подключен к входам калибровочного и рабочего делителей напряжения, выходы которых через первую контактную группу переключателя подключены к управляющему входу формирователя эталонных импульсов, источник входной частоты и генератор опорной частоты через вторую контактную группу переключателя подключены к входному формирователю импульсов, выход которого подключен к второму входу схемы сравнения длительности импульсов, выход которой подключен к нуль-индикатору.

На фиг.1 и 2 приведены функцио" нальная схема преобразователя отклонения частоты от номинального значения в аналоговый сигнал и временные диаграммы, поясняющие его работу, соответственно, на фиг.3 и а4 пример функциональной схемы формирователя эталонных импульсов и временные диаграммы, поясняющие его работу соответственно, на фиг.5 и 6 пример функциональной схемы сравне1 ния длительности импульсов и временные диаграммы, поясняющие его работу соответственно.

Преобразователь отклонения частоты от номинального значения в аналоговый сигнал содержит генератор 1 опорной частоты и источник

2 входной частоты, подключенные через контактную группу 3 переключателя к входу входного формирователя 4 импульсов, выход которого подключен к входу формирователя 5 эталонных импульсов и входу схемы

6 сравнения длительности импульсов, которая своим выходом подключена к нуль-индикатору 7. В состав устройства входит, кроме того, источник 8 постоянного напряжения, выходное напряжение которого через рабочий 9 и калибровочный 10 делители напряжения и переключающую контактную группу 11 переключателя подключено к регулирующему входу формирователя 5 эталонных импульсов, выполненного в виде преобразователя постоянного напряжения 0 на его регулирующем входе в длительность импульсов

Преобразователь частоты работает следующим образом.

В режиме "работа" вход входного формирователя 4 через контактную . группу 3 соединен с источником входной частоты 2, а выход рабочего делителя 9 напряжения подключен к управляющему входу формирователя

5 эталонных импульсов. На входе входного формирователя 4, выполненного в виде триггера со счетным входом, дЕйствуют импульсы преобразуемого сигнала, следующие с.часто-, 1084694 ля 5 эталонных импульсов. С целью получения точности преобразования соизмеримой с точностью при цифровом методе формирования эталонных импульсов, преобразователь частоты снабжен элементами для периодической калибровки формирователя 5 эталонных импульсов путем сравнения длительнос ти его выходных импульсов с периодом следования импульсов опорной частоты, )0 формируемых генератором 1 опорной ,частоты, и соответствующей регулировки параметров формирователя 5.

Для этого формирователь 5 выполнен в виде преобразователя напряжения Uð

35 íà его регулирующем входе в длительность импульсов и содержит элементы для регулирования чувствительности преобразователя, например, регулировочный резистор R<, т.е. его статическая характеристика описывается выражением

"эк к(к (3 )

Н гдеТ,Е номинальное значение периода н

45 и частоты, соответственно, входного сигнала преобразователя.

Из соотношений {ЩЗ) следует

От йК 0Ф 50 (еых д„ (4 где hf,df — абсолютное и относительное значения отклонения вход-. ной частоты от своего номинального значения, соответственно.

Выделение среднего значения импульсного напряжения может осуществляться известными методами, например, с помощью фильтра нижних частот.60

Погрешность преобразователя частоты в аналоговый сигнал в данном случае определяется точностью установки и стабильностью длительности имнульсов Г на выходе формировате- 65 (7) той f бх (диаграмма а, фиг. 2 ), а на его выходе — импульсы, длительность которых равна периоду следователя

Твх= 1/Гаях импУльсов входной часто-. ты (диаграмма d, фиг.2}. Выходные

:импульсы входного формирователя 4 своим передним фронтом запускают формирователь эталонных импульсов, выходные импульсы которого (диаграмма в, фиг.2) имеют фиксированную длительность. На выходе схемы б сравнения формируются импульсы, период следования которых равен 2Т х, а длительность равна, например, модулю разности дли ельностей импульсов на ее входах, т.е.

d l = I iI Ý - твх t ((1 ) где d Ô вЂ” длительность импульсов на выходе схемы б сравнения, Т вЂ” длительность выходных импульсов формирователя

5 эталонных импульсов

Т х — период входной частоты преобразбвателя.

Среднее за период значение выходного импульсного напряжения схемы б сравнения (фиг.2г ) равно и

"Вь|х= 2т где Ощ — амплитуда вйходных импульсов.

Длительность выходных импульсов формирователя 5 определяется величиной напряжения Ор на его регулирующем входе, которое с помощью делителя 9 напряжения устанавливают таким

t чтобы она равнялась номинальному периоду следования входного сигнала, т.е.

g(pp,, 1, U% .. )О,, (5)

Где K(Rp Ф,1, U%j — чувствительность формирователя эталонных импульсов, являющаяся функцией регулировочного сопротивления R< и дестабилизирующих факторов времени, 1, температуры окружающей среды 1О, относительной влажности U% и т. п.

В режиме "калибровка" вход входного формирователя 4 переключается с выхода источника входной частоты

2 на выход генератора 1 опорной частоты, а регулирующий вход формирователя 5 переключается с выхода рабочего делителя 9 напряжения на выход калибровочного делителя 10 напряжения. При этом на выходе формирователя 5 длительность импульсов равна величине. где ь „ — длительность выходных импульсов формирователя

5 в режиме калибровки, у — коэффициент деления делителя 10;

0 — величина выходйого напряжения источника 8 напряжения.

На выходе схемы 6 сравнения при этом формируются импульсы, длительность которых равна разности периода опорной частоты и Г . Среднее значение этого импульсного напряжения индицируется нуль-индикатором 7.

В процессе калибровки с помощью элемента регулировки чувствитель/ности R> формирователя 5 добиваются нулевого показания нуль-индикатора

7, т.е. выполнения равенства (6}

Т „= 7 „или, с учетом соотношения

1084694

При этом чувствительность формирователя 5 станет равной величине

1ор (8 )

<2 ()о

При переключении на режим "рабо5 та" длительность выходных импульсов формирователя 5 равна

"э= "(" ) Г (3о где у — коэффициент деления рабочеOg го делителя 9 напряжения, или учитывая, что чувствительность К{К ) после калибровки определяется выражением (8 )

3 15

-., = — т,„. (10)

При этом длительность эталонных импульсовЯ. не зависит от времязадающих параметров формирователя

5 и величины выходного напряжения источника 8 напряжения. Стабильность же периода следования импульсов генератора опорной частоты Тор и отношения коэффициентов деления рабочего и калибровочного делителей может быть обеспечена достаточно высокой относительно простыми средствами. Точность выполнения соотно:шения (10) определяется чувствительностью нуль-индикатора 7,которую ЗО не представляет труда довести до заданных требований.

Соотношение .(10), показывает, что формирователь 10 эталонных импульсов, работает как относительно 35 простой высокостабильный масштабный преобразователь длительности периода следования импульсов опорной частоты в длительность импуль! 3 1

4О сов, как большую 7 †" т(так и

/3 Д меньшуЮ "Ой < i что расширяет "z

/ функциональные возможности устройства. При этом генератор опорной частоты может быть выполнен с нерегу,лируемой выходной частотбй, что упрощает его конструкцию, в частности, 5О при использовании кварцевого генератора.

Из соотношенйй (3 ) и (10) следует, что граДуировка рабочего делителя 9 должна производиться в соот- 55 ветствии с уравнением к îï 1ор 2 н

Формирователь 5 эталонных импульсов, обладающий указанными свойствами может быть построен, например-; по функциональной схеме, изображенной на фиг.3,, В состав формироваюеля входят ключ 12, компаратор 13, триггер 14, 65 времязадающий резистор 1 5 и интегрирующий конденсатор 16.

Резистор 15 „ конденсатор 16 включены последователЬно, образуя пассивную интегрирующую цепь. Один вход компаратора 13 подключен к выходу пассивной интегрирующей цепи, а дру- гой — к источнику регулирующего напряжения Up . Выход компаратора 13подключен к входу установки в ноль триггера 4, к входу установки в единицу которого подклкчен сигнал запуска с выхода входнсго формирователя 4. Ключ 12 подключен параллельно конденсатору 16 и управляется с выхода триггера 14„ при единичном сигнале на выходе триггера ключ замкнут, при нулевом — разсмкнут..

Формирователь эталонных импульсов работает следующим образом.

В исходном состоянии на выходе триггера 14 сигнал соответствует единице, ключ 12 замкнут и конденсатор

16 разряжен. При поступлении на нулевой вход триггера 14 импульса с выхода формирователя 4 (диаграмма а фиг.4 )по переднему фронту этого импульса триггер 14 переводится в нулевое состояние и на его прямом выходе формируется отрицательный перепад напряжения (диаграмма б фиг.4), переводящий ключ 12 в разомкнутое состояние. Начинается =-.àðÿä конденсатора 16 от источника входного на-. пряжения Е через резистор 15 и напряжение на нем экспоненциально возрастает (диаграмма в фиг.4 ).

Когда напряжение на конденсаторе достигнет величины порога срабатывания Ор компаратора 13, на его выходе появляется импульс (диаграмма г фиг.4 ), который поступает на единичный вход триггера 14 и возвращает его в единичное состояние (диаграмма б, фиг.4 ). Далее процесс повторяется при приходе следующего запускающего импульса.

Отрицательный импульс длительностью формируется на прямом выходе триггера 14, положительный — на инвертирующем выходе.

Длительность выходного импульса формирователя при использовании начального линейного участка экспоненциально изменяющего напряжения на конденсаторе 16 описывается выражением

i,=ЯрС < =К(й,}Ц„, (1а)

"де Я С вЂ” величина сопротивления

J р резистора 15 и емкости конденсатора 16, соответственно напряжение на входе интегрирующей РС -цепи.

1084694 и обозначено и с

=К(йР) у=4

7g» f+

° Ф

° Ф

° Ф

° Ф

При необходимости повышения

5 точности вместо пассивной интегрирующей цепи может быть, использован интегратор на операционном усилителе.

Как видно из временных диаграмм, изображенных на фиг, 2 г схема 6 сравнения формирует на выходе импульс при несовпадении сигналов на ее входах. Данным условиям удовлетворяет схема, реализующая логическую функцию НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ..

Схема сравнения(фиг.5 содержит, например, инверторы 17 и 18 элементы И 19 и 20, и элемент ИЛИ 21.

Данная схема реализует логическую . функцию, описываемую выражением 2О где Y - выходная функция схемы сравнения; 25

Y (— выходные функции элемен1 2 тов И 20 и 21, соответственно, )(,Х,Х„,g — входные сигналы и их ин Ф g(1! Я версии, соответственно. 30

Процесс формирования выходных. импульсов, длительность которых равна разности длительностей входных импульсов схемы сравнения, ясен из временных диаграмм, изображенных на фиг.6. Импульсы на выходе элемента И 20 появляются при,длительности эталонных импульсов меньшей .периода входной частоты (входная частота меньше номинальной). Импульсы на выходе элемента И 19 появляются при длительности эталонных импульсов большей периода входной частоты (входная частота больше номинальной . Выходные импульсы элементов И 19 и 20 собираются на вы

1 ход схемы сравнения с помощью эле,мента ИЛИ 21. Длительность выходных импульсов изменяется в соответствии с выражением (1 ).

Дальнейшая обработка выходных сигналов схемы 6 сравнения определяется функциональным назначением преобразователя. Например, если достаточно информации о модуле отклонения частоты, то сигнал снимается с выхода элемента ИЛИ 21. Информация о знаке отклонения при необходимости может быть получена с помощью известных детекторов наличия импульсного напряжения, подключаемых к выходам элементов И 19 и 20, на которых импульсное напряжение появляется при Es< ) f Ä, и f>< (ЯН соответственно. Если выходйое йапряжение должно быть знакопеременно, то нагрузка может включаться между выходами элементов И 19 и 20 - при „>Е ток нагрузки потечет от элемента И 19 и элемента И 20 и наоборот при Е „<Юд ток нагрузки потечет в противоположную сторону.

В преобразователе отклонения частоты от номинального значения (фиг.1 ) в -качестве нуль-индикатора

7 использованы вольтметр средних значений импульсных напряжений, в простейшем случае может быть использован стрелочный прибор магнитоэлектрической системы достаточно высокой чувствительности. Соответствующая градуировка вольтметра средних значений в предлагаемом преобразователе позволяет использовать преобразователь в качестве частотомера относительного или абсолютного отклонения частоты от ее номинального значения.

Предлагаемый преобразователь позволит также заменить в стендах для частройки радиозондов сложный и дорогостоящий цифровой прибор ЧЗ-34; принятый за базовый.

1084694

1084694

Х1 =47 Д

g =Av 47

Составитель В. Пешков

Редактор О. Сопко,Техред Л.Коцюбняк КорректорЮ. Макаренко

Заказ 1990/39 Тираж 711 Подписное

ВИИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4