Преобразователь код-частота гармонического сигнала

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОД - ЧАС-г ТОТА ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА, содержащий регистр кода частоты, вход которого соединен с первой входной шиной, а первый выход соединен с входом кодоуправляемого генератора импульсов, выход которого соединен с входом блока синхронизации и входом счетчика периода, первый выход которого соединен с первыми управляющими входами первого и второго коммутаторов, а второй выход - с вторым управляющим входом первого комгмутатора , первый и второй входы которого соединены соответственно с прямым и инверсным выходами регистра амплитуды косинуса, а выход - с первым входом регистра косинуса, первый выход которого подключен к первому входу первого сумматора, выход которого соединен с входом первого буферного регистра, выход которого подключен к входу первого преобразователя код - напряжение, вход которого соединен с входом первого фильтра нижних частот, а вход с вторым входом регистра косинуса, второй выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом регистра синуса, а выход с входом второго буферного регистра, выход которого соединен с первым входом регистра синуса и через второй преобразователь код - напряжение с входом второго фильтра нижних частот, а управляющий вход подключен к первому выходу блока синхро-, низации, второй выход которого соединен с управляющим входом регистра синуса, второй вход которого подключен к выходу второго коммутатора , первый и второй входы которого соответственно соединены с прямым и инверсным выходами регистра амплитуды синуса, вход которого подключен к второй входной шине, а третья входная шина соединена с входом регистра амплитуды косинуса, отличающийся тем, что, с целью , повьшения точности и расширения функциональных возможностей преобразователя , в него введены первый и второй СО ключи итретий коммутатор, первый и i{il второй входы которого соответственно соединены с первьбу и вторым выходами регистра синуса, выход - подклюу чен к BTopwjy входу первого сумматора , а управляющий вход - к второму выходу регистра кода частоты и управляющим входам первого и второго ключей, при этом второй выход счетчика периода через первый ключ соединен с вторым управляющим входом второго коммутатора, а управляющий вход первого буферного регистра соединен с третьим выходом блока синхронизации , четвертый выход которого через второй ключ подключен к управляющему входу регистра косинуса.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

И Юб

РЕСГЬ%ЛИН

0% (11) з(59 Н 03 К 13/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДДРстВЕННЫЙ НОМитЕт СССР

fl0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ

1 (21) 3577748/18-21 (22) 07. 02. 83 (46) 23.05.84. Бюл, В 19 (72) В.Н. Жилин, В.M. Бейлин, В.Д. Шершуков, В.С. Шиндов, Г.П. Шлыков и С.Б. Кутыркин (53) 681.325(088.8) (56) 1. "EIektronik", ФРГ, 1979, У 18, с. 67-72.

2. Авторское свидетельство СССР

В 913586, кл. Н 03 К 13!20, 27.06.80 (прототип). (54)(57) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОД вЂ” ЧАСТОТА ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА, содержащий регистр кода частоты, вход которого соединен с первой входной шиной, а первый выход соединен с входом кодоуправляемого генератора импульсов, выход которого соединен с входом блока синхронизации и входом счетчика периода, первый выход которого соединен с первыми управляющими входами первого и второго коммутаторов, а второй выход — с вторым управляющим входом первого ком; мутатора, первый и второй входы которого соединены соответственно с. прямым и инверсным выходами регистра амплитуды косинуса, а выход — с первым входом регистра косинуса, первый выход которого подключен к первому входу первого сумматора, вы- . ход которого соединен с входом первого буферного регистра, выход которого подключен к входу первого преобразователя код — напряжение, вход которого соединен с входом первого фильтра нижних частот, а вход— с вторым входом регистра косинуса, второй выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом регистра синуса, а выход— с входом второго буферного регистра, выход которого соединен с первым входом регистра синуса и через второй преобразователь код — напряжение с входом второго фильтра нижних частот, а управляющий вход подключен к первому выходу блока синхронизации, второй выход которого соединен с управляющим входом регистра синуса, второй вход которого подключен к выходу второго коммутатора, первый и второй входы которого соответственно соединены с прямым и инверсным выходами регистра ампли- 9 туды синуса, вход которого подключен к второй входной шине, а третья входная шина соединена с входом регистра амплитуды косинуса, о т л ич а ю щ и н с я тем, что, с целью, O повышения точности и расширения функФ циональных возможностей преобразователя, в него введены первый и второй ключи и третий коммутатор, первый и второй входы которого соответственно соединены с первым и вторым выходами регистра синуса, выход — подключен к второму входу первого сумматора, а управляющий вход - к второму выходу регистра кода частоты и управляющим входам первого и второго ключей, при этом второй выход счет! чика периода через первый ключ сое- ф динен с вторым управляющим входом второго коммутатора, а управляющий вход первого буферного регистра соединен с третьим выходом блока синхронизации, четвертый выход которого через второй ключ подключен к управляющему входу регистра косинуса.

1094146

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для автоматического задания амплитуды, фазы и высокостабильной частоты гармонического сигнала ..

Известен аналоговый функциональный генератор высокой выходной мощности с микропроцессором, содержащий постоянное запоминающее устрой10

1 ство, магнитное оперативное запоминающее устройство, микропроцессор, дисплей, блок оптронных ключей, программируемый задатчик напряжения (преобразователь код — напряжение) и биполярный операционный усилитель, позволяющий воспроизводить любые сигналы, предварительно рассчитанные микропроцессором,и хранящиеся в оперативном запоминающем устройстве большой емкости P).

Недостатками устройства являются относительно высокая сложность, обусловленная наличием оперативного запоминающего устройства и микропро25 цессора, а также высокие требования к фильтру нижних частот, так как число отсчетов„ генерируемых за период, зависит от частоты воспроизводимого сигнала. Кроме того, низка онератив- З9 ность в управлении, так как необходим предварительный расчет точек воспроизводимой функции.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является преобразователь,код — частота гармонического сигнала, содержащий регистр кода частоты, вход которого соединен с пер- 40 вой входной шиной, а первый выход соединен с входом кодоуправляемого . генератора импульсов, выход которого соединен с входом блока синхронизации и входом счетчика периода, 45 первый выход которого соединен с первыми управляющими входами первого .и второго коммутаторов, а второй выход — с вторым управляющим входом первого коммутатора,.первый

50 и второй входы которого соединены соответственно с прямым и инверсным выходами регистра амплитуды косинуса, а выход — с первым входом регистра косинуса первый Выход кото 55 рого. подключен к первому входу первого сумматора, выход которого соединен с входом первого буферного регистра, выход которого подключен к входу первого преобразователя код — напряжение, выход которого сое динен с входом первого фильтра нижних частот, а вход — с вторым вхо- дом регистра косинуса, второй выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход ко« торого соединен с первым выходом регистра синуса, а выход — с входом второго буферного регистра, выход которого соединей с первым входом регистра синуса и через второй преобразователь код — напряжение с входом второго фильтра нижних частот, а управляющий вход подключен к первому выходу блока синхронизации, второй выход которого соединен с управляющим входом регистра синуса, второй вход которого подключен к выходу второго коммутатора, первый и второй входы которого соответственно соединены с прямым и инверсным выходами регистра амплитуды синуса, вход которого подключен к второй входной шине, а третья входная шина соединена с входом регистра амплитуды косинуса, при этом управляющий вход первого буферного регистра соединен с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого подключен к,управляющему входу регистра косинуса, второй вход первого .сумматора соединен с вторым выходом регистра синуса, а второй выход счетчика периода подключен к второму управляющему входу второго коммута-. тора (21 .

Недостатком известного устройстВа является низкая точность воспроизведения формы гармонического колебания иэ-за наличия экспоненциальной составляющей в выходном сигнале. Так, при йт 100 приведенная погрешность составит 10X„ а при

Б = 200 — 5X. Рассмотрим подробнее

7 алгоритм работы устройства. Введем. для удобства следующие обозначения:

A cos м) t = x(i) = X(z) (1)

А sin ы t = y(i) = Y(z), i = О, 1, 2, где X(z) и Y(z) — иэображение функций x(i) и у(з.) на

K-плоскости.

Тогда алгоритм работы можно записать s следующем виде:

x(i) x(i-1) — к ° y(i-1) (2) 1094146 или с учетом

ФГ1-. р 1 р

27 6 1 К 4 К

40 найдем

50 у() = У(1-1) + к x(i-1) (3) или использовать t -преобразования

-1 -1

X(z) = X(z) ° Z - k Y(z) ° Z +

+ х(-1) — k ° у(-1), 5. Y(z). = Y(z) ° Z + k . X(z) 2 +

+ .у(-1) + k х(-1) откуда, исключив X(z), получаем:

\ y(-4) (-("+К 31+ К "(-<) 2 -2ь+ 1+К

1 1 где у(-1.) и х(-1) — начальные условия.

Для упрощения дальнейших выкладок положим: у(-1) = sin 0 = 0 и х(-1) соз0=1, тогда выражение (4) можно записать в следующем виде:

Z.2 .-К "

У(я) =, . sj

,Z2-2K+k+Ê 2

Изображение ступенчатой функции

},, 0K Мп

О . Ь!05; (6) . Зе 2 g< . P yg<

Сопоставляя выражения (5) и (6), получаем:

У(х) = А (1+k ) sin b(i +1) р5

1+1

У(1) = А.(1ФК 2i! . s,n О (, + t),(FJ

%+ К

При значительном увеличении козф- 45 фициейта g уравнение (7) может быть приближенно записано в виде:

1(11 Й sin (1+$) . (S)

Однако при этом сужается полоса частот, генерируемых устройством, и становится ощутимой погрешность;-возникающая из-за отбрас1ывания младших разрядов при апнаратурной реализации операции деления на К . Кроме того, описанное устройство может генерировать только синусоидальный сигнал.

Целью изобретения является повышение точности и воспроизведения гармонической функции и расширение функциональных возможностей пре,образователя.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь код — частота гармонического сигнала, содержащий регистр кода частоты, вход которого соединен с первой входной шиной, а первый выход соединен с вхо-, дом кодоуправляемого генератора импульсов, выход которого соединен с входом блока синхронизации и входом счетчика периода, первый выход которого соединен с первыми управляющими входами первого и второго коммутаторов, а второй выход — с вторым управляющим входом первого коммутатора, первый и второй входы которого соединены соответственно с прямым и инверсным выходами регистра амплитуды косинуса, а выход-- с первым входом регистра косинуса, первый выход которого подключен к первому входу первого сумматора, выход которого соединен с входом первого буферного регистра, выход котороге подключен к входу первого преобразователя код — напряжение, выход которого соединен с входом nepsoFo фильтра нижних частот, а вход. " с вторым входом регистра косинуса, второй выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом регистра синуса, а выход — с входом второго буферного регистра, выход которого соединен с первым входом регистра синуса и через второй преобразователь код— напряжение с входом второго фильтра нижних частот, а управляющий вход — подключен к первому выходу блока синхронизации, второй выход которого соединен с управляющим входом регистра синуса, второй вход которого подключен к выходу второго коммутатора", первый и второй sxoды которого соответственно соединены с прямым и инверсным выходами регистра амплитуды синуса, вход которого подключен к второй входной шине, а третья входная шина соединена с входом регистра амплитуды косинуса, дополнительно введены первый и вто=

1094146

Х (R K 1 + . 45

Сравнивая последнее выражение с выражением (6)., получаем: у(х) = А зз,п b (i+1) йли с учетом Ь = f0/k

В выражении (13) отсутствует экспоненциальная составляющая (1+к ) +, т.е. точность воспроизведения гарморой ключи и третий коммутатор, первый и второй входы которого соответственно соединены с первым и вторым выходами регистра синуса, выход подключен к второму входу перво- 5 го сумматора, а управляющий входк второму выходу регистра кода частоты и управляющим входам первого .и второго ключей, при этом второй

10 выход счетчика периода через первыи ключ соединен с вторым управляющим входом второго коммутатора, а управляющий вход первого буферного регистра соединен с третьим выходом блока синхронизации, четвертый выход которого через второй ключ подключен к управляющему входу регистра косинуса.

Пользуясь обозначениями (1), алгоритм работы преобразователя можно записать: в следующем виде:

x(i) = x(i-1) — k ° y(i-1) (9) у(1.) = y(i"1) + k1 ° x(i) (10)

Здесь первое уравнение осталось без изменения, а во втором уравнении вместо переменной x(i-1) взята пере менная x(i). Пользуясь ь -преобразованием, уравнения (9) и (10) можно записать: .1 . 4

Х(г) = Х(г) Z — k Y(z) Z +

+ х(-1) — k у(-1), Y(z) Y(z) Z + k ° X(z) + у(-1)

35 откуда, исключая X(z), получаем:

Y$- 11 R (2 j 4 — К ) - 1) + Х(-Ч К - Ь

Y()= - ()<) я -(2-К ).. +1Полагая у(-1) = 0 и х(-1) 1, 40 из уравнения (11) получаем: нической функции не зависит от выбора значения коэффициента K

На чертеже представлена структурная электрическая схема преобразователя.

Преобразователь код — частота гармонического сигнала содержит регистр 1 кода частоты, регистр 2 амплитуды косинуса, регистр 3 амплитуды синуса, кодоуправляемый генератор 4 импульсов, счетчик 5 периода, первый 6 и второй 7 коммутаторы, первый ключ 8, блок 9 синхронизации, регистр 10 синуса, второй ключ 11, регистр 12 косинуса, третий коммутатор 13, первый 14 и второй 15 сумматоры, первый 16 и второй 17 буферные регистры, первый 18 и второй 19 преобразователи код - напряжение, первый 20 и второй 21 фильтры нижних частот.

Регистр 1 кода частоты первым своим выходом соединен с входом кодо управляемого генератора 4 импульсов,, а вторым выходом - с управляющими входами первого 8 и второго 11 ключей и третьего коммутатора 13, регистр 2 амплитуды косинуса прямым и инверсным выходами подключен соответственно к первому и второму входам первого коммутатора б, выход которого подключен к первому входу регистра 12 косинуса, первый выход которого подключен к первому входу первого сумматора 14, соединенного своим выходом с входом первого буферного регистра 16, выход которого соединен с вторым входом регистра 12 косинуса и с входом первого преобразователя 18 код — напряжение, выход которого подключен к входу первого фильтра 20 нижних частот.

Регистр 3 амплитуды синуса соединен прямым и инверсным выходами соответственно с первым и вторым входами второго коммутатора 7, выход которого подключен к второму входу регистра 10 синуса, соединенного первым выходом с вторым входом второго сумматора 15, первый вход которого соединен с вторым выходом регистра

12 косинуса, а выход - c входом второго буферного регистра 17, выход которого соединен с первым входом регистра 10 синуса и с входом второго преобразователя 19 код - напряжение, соединенного своим выходом с входом второго фильтра 21 нижних частот.

1094146

Регистры 2 и 3 амплитуды косинуса и синуса соответственно служат для хранения кодов И4д> и 114ь п определяющих начальную фазу и амплитуду гармонического колебания, при этом должно выполняться соотношение . (При генерировании треугольного сигнала в регистр 2 амплитуды косинуса записывается приращение, а в регистр 3 амплитудь| синуса — начальная точка напряжения, изменяющегося . по треугольному закону).

Первый 6 и втор и 7 коммутаторы через некоторое число тактов, определяемое счетчиком 5 периода и формулой (3), подключают на первые (установочные) входы регистров 12 и 10 прямые или обратные выходы регистров 2 и 3 амплитуды косинуса и синуса соответственно. В первом сумматоре 14 реализуется операция вычитания (13), т.е. сложение прямого и обратного (сдвинутого на

55 К второму входу первого сумматора 14 подключен выход третьего коммутатора

13, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам регистра 10 синуса, управляющий <од которого сое,динен с вторым выходом блока 9 синхронизации, первый выход которого подключен к управляющему входу второго буферного регистра 17, третий выход — к управляющему входу первого буферного регистра 16, а четвертый выход — к входу второго ключа 11, выход которого соединен с управляющим входом регистра 12 косинуса.

Выход кодоуправляемого генератора 4 импульсов соединен с входом блока 9 синхронизации и с входом счетчика

5 периода, первый выход которого соединен с первыми управляющими входами первого 6 и второго 7 коммутаторов, а второй выход — с вторым управляющим входом первого коммутатора

6 и через первый .ключ 8 с вторым управляющим входом второго коммутатора 7.

Регистр 1 кода частоты служит для хранения кода частоты N и для управf ления кодоуправляемым генератором

4 импульсов. Блок 9 синхронизации 30 стробирует запись информации в регистры 12 и 10, а также в первый 16 и второй 17 буферные регистры.

log< К разрядов, т.е. поделенного на K ) кодов с регистра 12 косинуса и регистра 10 синуса соответственно. При этом в режиме генерирования гармонического сигнала третий коммутатор 13 коммутирует и инвертирует сдвинутый код с второго выхода регистра 10 синуса, а в режиме генерирования треугольного сигнала — полный код с первого выхода. На втором сумматоре 15 реализована операция сложения (14) аналогично тому, как это сделано на первом сумматоре 14. Первый 18 и второй 19 преобразователи код— напряжение преобразуют поступающие коды в напряжение, которое затем сглаживается первым 20 и вторым 21 фильтрами нижних частот. Второй, ключ 11 необходим для блокировки синхроимпульса перезаписи кода из первого буферного регистра .16 в регистр 12 косинуса в режиме генерации треугольного сигнала.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии регистр 1 кода частоты обнулен и кодоуправляемый генератор 4 импульсов блокирован, в связи с чем блок 9 синхронизации не вырабатывает синхроимпульсы на регистры 12, 10, 16 и 17 и никаких операций s устройстве не производится.

В режиме генерирования синусоидального сигнала в регистры 2 и 3 амплитуды косинуса и синуса соответственно заносятся коды Е4со и Nagn удовлетворяющие уравнению (14), а в регистр 1 кода частоты — код Nf u признак генерирования синусоидального сигнала. При этом с второго выхода регистра 1 кода частоты поступает сигнал, разрешающий прохождение через первый 8 и второй 11 ключи синхроимпульсов на регистр 12 косинуса и второй коммутатор 7 и подключающий через третий коммутатор

13 второй выход регистра 10 синуса к второму входу первого сумматора

14. Одновременно на вход кодоуправляемого генератора 4 импульсов пос-. тупает код частоты, в .результате чего генератор начинает вырабатывать импульсы соответствующей частоты, поступающие на входы счетчика 5 периода.и блока 9 синхронизации.

1094146

По первому импульсу счетчик 5 периода по первому выходу выдает на первый 6 и второй 7 коммутаторы управляющий сигнал, раэреша|ощий пере.пись кодов с прямых выходов регистров 2 и 3 амплитуды косинуса и синуса соответственно. С задержкой, необходимой на перепись кодов и срабатывание второго сумматора 15, блок

9 синхронизации вьдает синхроимпульс по первому выходу, разрешающий запоминание во втором буферном регистре 17 результата операции, произведенной вторым сумматором 15. При поступпении второго импульса с выхода кодоуправляемого генератора 4 импульсов счетчик 5 периода не выдает никаких сигналов, а блок 9 синхронизации вырабатывает по второму выходу сигнал, разрешающий перепись кода из второго буферного регистра

17 в регистр 10 синуса. По третьему импульсу блок 9 синхронизации вьдает синхроимпульс по третьему выходу на управляющий вход первого буферного регистра 16 ° в котором запоминается результат операции, произведенной первым сумматором 14. По четse"„òîìó импульсу блок 9 синхрониза" ции вьдает по четвертому выходу синхроимпульс, который проходит через открытый ключ 11 и разрешает перепись кода с первого буферного регистра И в регистр 12 конуса. 35

Через число тактов, соответствующее половине периода генерируемого гармонического сигнала, счетчик 5 периода выдает сигнал по второму вы.ходу на вторые управляющие входы .первого 6 и второго 7 (через открытый ключ 8) крммутаторов, при этом осуществляется перепись обратных кодов иэ регистров 2 и 3 соответствен- 4 н8 в регистры 12 и 10. Еще через полпериода счетчик 5 периода обеспе.чивает занесение прямых кодов в ре- гистры 12 и 10. Это восстановление" необходимо для предотвращения накопления ошибки округления, возникающей из-за ограниченности числа разрядов сумматоров и регистров. Коды с первого 16 и второго 17 буферных регистров преобразуются первым 18 и вторым

19 преобразователями код - напряжение в напряжение, которое сглаживается первым 20 и вторым 21 фильтрами нижних частот.

Режим генерирования треугольных сигналов отличается от рассмотренного режима тем, что по признаку режима, занесенному в регистр 1 кода частоты, запираются первый 8 и второй 11 ключи, а третий коммутатор 13 коммутирует и инвертирует код с выхода регистра 10 синуса на второй вход первого сумматора 14. Запирание -второго ключа 11 эквивалентно разрыву обратной связи: выход первого буферного регистра 16 — второй вход (синхронизируемый) регистра 12 косинуса. Изменение режима коммутации третьим коммутатором 13 позволяI ет получить на выходе первого фильтра 20 нижних частот сигнал, .равный пс амплитуде и обратный по фазе сигналу на выходе второго фильтра 21 нижних частот. Первый ключ 8 запрещает прохождение управляющего сигнала с второго выхода счетчика 5 периода на второй управляющий вход второго коммутатора 7, так что в регистре 10 синуса восстанавливается один раз эа период только прямой код, занесенный в регистр 3 амплитуды синуса. В этом режиме, меняется также назначение регистров 2 и 3 амплитуды косинуса и синуса соответственно: в регистр 2 амплитуды косинуса заносится приращение, определяющее размах треугольного сигнала, а в регистр 3 амплитуды синуса — первоначальное значение, определяющее смещение треугольного сигнала.

В предпочтительном варианте преобразователь код — частота гармонического сигнала имеет 16-разрядные регистры и сумматоры комбинационного типа. На вторые выходы регистров косинуса и синуса выведен код регистров, сдвинутый на 4 разряда вправо, что соответствует делению на 16, т.е, К = 16, при этом гармонический сигнал синтезируется по 100 отсчетам, что значительно облегчает его фильтрацию, осуществляемую с помощью активных фильтров нижних частот. Счет-, чик периода в этом случае вьдает синхроимпульс по первому выходу через каждые 400 тактов кодоуправляемого генератора импульсов, а по второму выходу — через каждые 200 так" тов после вьдачи импульсов по первому выходу. Кодоуправляемый генератор импульсов может быть выполнен в виде счетчика с периодическим са11

1094146

1г мовосстановлением начального кода, который считывается опорной кварцевой частотой.

Технико-экономический эффект от использования ус:ройства по сравнению с ручными методами метрологических испытаний частотных измерительных каналов заключается в высокой точности воспроизведения гармонического сигнала за счет отсутствия в нем экспоненциальной составляющей и

5 в широких возмошностях цифрового управления его параметрами (генериро ванне как синусоидального, так и треугольного сигналов).

1094146

ВНИЦПИ Заказ 3455/44 . Тиру 862 Полиисное, г.Уазород, ул.Проектная, 4