Умножитель частоты следования импульсов

 

Изобретение может быть использовано в устройствах измерительной и вычислительной техники. Цель изобретения - повьппение динамической точности за счет экстраполяции .выходной частоты. Умножитель содержит синхронизатор 1, входную шину 2,экстраполятор 3, корректор 4, управляемый генератор 5, выходную шину 6, счетчик 7 числа выходных периодов, счетчик 8 для измерения длительности входных периодов, ключ 9, генератор 10 импульсов опорной частоты. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 9 ил. с S

„„Я0„„1465975 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц 4 H 03 K 5/156

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlQ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4243521/24-21 (22) 11.05.87 (46) 15.03.89. Бюл. Н - 10 (71) Харьковский политехнический институт им. В.И. Ленина (?2) В.И. Калашников, Л.А. Калашникова и А.Н. Клименко (53) 621.374.4(088.8) (56) Заявка ФРГ Ф 3205296, кл. Н 03 К 5/156, 1982.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1256182, кл. Н 03 К 5/156, 1984.

Авторское свидетельство СССР

1123087, кл. H 03 В 19/00, 1983. (54) УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ СЛЕДОВАНИЯ

ИИПУЛЬСОВ (57) Изобретение может быть использовано в устройствах измерительной и вычислительной техники. Цель изобретения — повышение динамической точности за счет экстраполяции .выходной частоты. Умножитель содержит синхронизатор 1 входную шину 2,экстраполятор 3, корректор 4, управляе-. мый генератор 5, выходную шину 6, счетчик 7 числа выходных периодов, счетчик 8 для измерения длительности входных периодов, ключ 9, генератор

10 импульсов опорной частоты. 3 э.п. ф-лы, 2 табл., 9 ил.

1465975

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах измерительной и вычислительной техники.

Цель изобретения — повышение динамической точности за счет экстраполя" ции величины выходной частоты.

На фиг. 1 изображена структурная электрическая схема умчсжителя час- 1п таты следования жлпульсов; на фиг.2— схема экстраполятора; на фиг..Зсхема скалярного перемножи еля двух и-мерных векторных сигналов на фиг.4схема блока стековой памяти," на фиг.5 - 5 схема формирователя вектора напряжений; иа фиг. 6 — схема формирователя степенных функций; на фиг. 7 - схема управляемого генератора;, на фиг. 8схема корректора; иа фиг. 9 - схема синхронизатора.

Умножитель частоты следования импульсов содержит синхронизатор 1, информационный вход которого соединен с входной шиной 2, первый вы|

xop, - с управляющим входом экстраполятора 3 и с первым входом корректо1 ра 4 выход которого соединен с корректирующим входом управляемого гене= ( ратора 5, второй вход - с выхсдом 30 экстраполятора 3 н с управляющим входом управляемого генератора 5, выход которого соединен с выходной шиной 6 и со счетным входом счетчика 7 числа выходных периодов, вход cbpoca кото- .35 рого соединен с выходом переполнения счетчика 8 для измерения длительности входных периодов и с первым входом ключа 9, выход которого соединен со счетным входом счетчика 8 для измере- 1@ ния длительности входных периодов, второй вход — с выходом генератора 10 импульсов опорной частсты и с входом синхронизации синхронизатора 1 второй выход которого соединен с входом сброса счетчика 8 для измерения длительности входных импульсов, кодовые выходы которых соединены с первым кодовым входом экстраполятора 3„ второй кодовый вход которого соединен с. кодовым вьгкодом счетчика 7 числа выходных импульсов, старший разряд которого соединен с третьим входом корректора 4.

Экстраполятор 3 ссдержит скалярный55 перемножитель 11 двух а-мерных векторных сигналов, выход которого соединен с выходом "-кстраполятора 3, п=pпервый кодовый и управляющий входы которого соединены соответственно с кодовым и с управляющим входами блока

12 стековой памяти, выходы которого соединены с соответствующими кодовыми входами скалярного перемножителя

11 двух и-мерных векторных сигналов„ аналоговые входы которого через последовательно соединенные формирователь 13 вектора напряжений и формирователь 14 степенных функций соединены с вторым кодовым входом экстраполятора 3.

Скалярный перемножитель 11 двух и-мерных векторных сигналов содержит операционный усилитель 15 с резистором 16 в цепи обратной связи. выход операционного усилителя 15 соединен с выходом, скалярного перемножителя 11 двух и-мерных векторных сигналов, аналоговые и кодовые входы которого соединены с соответствуюшимн входами соответствующих умножающих цифроаналоговых преобразователей 17-1„17-2, ... 17-, „, 17-и выходы которых соединены с входом операционного усилителя 15.

Блок 12 стековой памяти содержит и. соединенных последовательно блоков

18-1,.--., 18-(п-1), 18-и памяти, кодовый вход первогс из которых соединен с кодовым входом блока 12 стековой памяти, управляющий вход которого соединен с управляющими входами блоКоВ 18-1, « 18-(Q-1), 18-и памяти, выходы которых соединены с соответствующими кодовыми выходами блока 12 стековой памяти.

Формирователь 13 вектора напряжений содержит и сумматоров 19-1, ..., 1.9-п, входы и выходы которых соединены с соответствующими входами и выходами формирователя 13 вектора напряжений.

Формирователь 14 степенных функций содержит ш умножающих, включенных последовательно по цепи аналогового сигнала, цифроаналоговых преобразователей 20-1, 20-2, -,20-тп, кодовые входы которых соединены с кодовым входом формирователя 14- степенных функций, а выходы непосредственно и через соответствующий инвертор 21-1, 21-2, ...,21-я — с соответствующими выходами формирователя 14 степенных функций, при этом шина опорного напряжения соединена с аналоговым входом первого умножающего цифроаналогового преобразователя 20-1 непосред1465975 ственно, а через инвертор 22 — с соответствующими выходами формирователя

14 степенных функций.

Управляемый генератор 5 содержит 5 интегратор 23, выход которого соединен с инвертирующими вхоцами первого 24 и второго 25 компараторов, неинвертирующие входы которых соединены соответственно с управляющим и с корректирующим входами управляемого генератора 5> а выходы — соответственно с первым и вторым входами триггера 26, выход которого соединен с выходом управляемого генератора 5 и с первым входом делителя 27 напряжения, второй вход которого соединен с шиной напряжения смещения, а выход через первый 28 и второй 29 последовательно соединенные ограничители — . с входом интегратора 23.

Корректор 4 содержит операционный усилитель 30, в цепи обратной связи которого имеется конденсатор 31 и двуполярный ограничитель 32, выход 25 которого соединен с выходом корректора 4, а вход через резистор 33 — с выходом первого ключа 34, управляющий вход которого соединен с первым входом корректора 4, второй вход которо- З0 рого соединен с первым входом через инвертор 35 и непосредственно — с вторым входом второго ключа 36, выход которого соединен с входом первого ключа 34, а управляющий вход — с. третьим входом корректора 4.

Синхронизатор 1 содержит триггер

37, информационный и тактовый входы которого соецинены соответственно с информационным и синхронизирующим входом синхронизатора 1, прямой и инверсный выходы соединены, непосредственно соответственно с первыми, а через первый нелинейный элемент 38 задержки — с вторым входами первого элемента И-НЕ 39, выход которого соединен с первым входом второго элемента И-НЕ 40 и с входом первого инвертора 41, выход которого соединен с первым выходом синхронизатора 1, а через второй нелинейный элемент 42 задержки — с вторым входом второго элемента И-HE 40, выход которого через второй инвертор 43 соединен с вторым выходом синхронизатора 1.

Умножитель частоты следования импульсов работает следующим образом.

Импульсы с шины 2 зходной частоты с длительностью, не менее одного периода выходных импульсов генератора

10, поступают на информационный вход синхронизатора 1, который по фронту импульса с выхода генератора 10, не совпадающему с моментом переходных процессов в счетчике 8, вырабатывает короткий импульс на первом выходе, который поступает на управляющий вход экстраполятора 3, в результате чего в блок !8-п блока 12 стековой памяти экстраполятора 3 переписывается содержимое счетчика 8 с одновременным сдвигом к последующему блоку на один шаг содержимого всех блоков 18. Короткий, задержанный импульс, вырабатываемый на втором выходе синхронизатора 1 в момент окончания импульса на его первом выходе, поступает на вход сброса счетчика 8 и сбрасывает его в нуль, начиная тем самым процесс измерения бчередного периода входной частоты без потери в счете импульсов опорной частоты.

Непрерывная работа синхронизатора

1, счетчика 8 и блока 12 экстраполятора 3 постоянно держит на входе перемножителя 11 текущий векторный цифровой сигнал Т = (Т,,Т, .",Т

Т „ ), составленный в виде постоянно обновляющихся с частотой следования входных периодов п цифровых кодов, являющихся измерениями последних и периодов входной частоты.

Ключ 9 при изменении входной частоты (в пределах одного-двух порядков) постоянно пропускает импульсы с выхода генератора 10 на счетный вход счетчика 8 и лишь при очень низких частотах, когда не хватает емкости счетчика 8, сигналом переполнения последнего ключ 9 размыкается, останавливая счет. При этом счетчик 7 сигналом переполнения счетчика 8 устанавливается и удерживается с сброшенном в нуль состоянии. Генератор 5 в заторможенном состоянии вырабать. вает наинизшую,выходную частоту умножителя.

Если импульсы входной частоты следуют в пределах расчетного диапазона изменения входной частоты, то затормаживания" счетчиков 7 и 8 не происходит.

Выработанный экстраполятором 3 на выходе сигнал Т(Ч) пропорционален периоду выходной частоты и подчиняется следующей функциональной зависимости от компонент вектора Т и отно1465975

6 ер периода выходнои частоты, равный отношению текущего значения кода в счетчике 7 к его мо10 дулю счета, представляющего коэффициент умножения частоты О Ч41; — показатель степени., 0 -6 j c m выбранное заранее максимальное значение которой, равное j == m характеризу( ет ожидаемый порядок кривой, аппроксимирующей временную зависимость входной частоты;

Т; — компоненты вектора Т, пропорциональные длительностям периодов входной частоты, i"-1,2, .,п ггричем i=1 соответствует самому давнему измеренному значению периода входной частоты it

R; . — весовые коэффициенты, 1, 1 зависящие от способа экстраполяции, т.е. от принятого критерия построения аппроксимирующего полинома.

Используя, например, критерий ми ггимума среднего квадрата отклонения ггзмеренных значений от аппроксимиру1ощих для заданных m и и их можно рассчитать с помощью ЭВМ. Расчетные формулы для этого критерия и расчетные значения для некоторых ш и и при-. ведены ниже.

Другие методы аппроксимации дадут иные значения т и и (лучшие или худшие в зависимости от выбранного критерия).

Выработанный экстраполятором 3 5 аналоговый сигнал Т(М) поступает на управляющий вход генератора 5, который преобразует аналоговую величину

Т(Ч) в длительность периода выходной частоты. Именно с целью максимально точного преобразования напряжения, пропорционального T(V) в длительнос.ть периода в широком диапазоне изменяк щихся величин генератор 5 построен

45

5 сительно номера периода выходной частоты V:

t=ti } = ttt

Т(Ч) =(Т,O) = Q Т(, Ч .R,,), 0

N . де У относительный ном щакс по компараторной схеме с интегратором

23 и с термокомпенсацией. Это позволяет с предельно высокой точностью получать на выходе предсказанную частоту как величину, обратную периоду.

Для каждого очередного периода выходной частоты (благодаря изменению кода в счетчике 7) экстраполятором 3 формируется своя величина Т(Ч) Так как в генераторе 5 при управлении частотой от сигнала T(v) изменяется лишь порог срабатывания компаратора

24, то в течение времени развертки очередного периода выходной частоты можно разрешать любые переходные процессы в экстраполяторе 3 (лишь бы они проходили без глубоких "провалов" в выходном сигнале и устанавливались к концу очередного периода выходной частоты), !

Пересчитав все периоды выходной частоты в пределах одного периода входной частоты счетчик 7 устанавливается (за счет переполнения) в начальное, нулевое состояние (счет удобно осуществлять по модулю коэффициента умножения). В момент перехода в начальное состояние счетчика

7 старший разряд его изменяет состояl l It 1т И ние с 1 на 0 . В этот же момент времени (при правильном прогнозе предсказании) приходит очередной импульс входной частоты, а значит, устанавливается значение в блоке 12 и процесс умножения с предсказанием повторяется.

Однако неточность цифрового измерения счетчиком 8 истинного значения, дЛительность входньгх периодов неточности работы гибридных вычислительных блоков (сумматоры и ЦАП) в экстраполяторе 3 и неточность преобразования

Т(Ч) в период выходной частоты приводят к тому, что моменты переключения старшего разряда (Р, ) счетчика 7 из

И И It

1 в О и прихода уже синхронизированного импульса входной частоты на вход экстраполятора 3 не совпадают. Если импульс частоты и сприходит тогда, когда Р „ = "Г > это означает, что необходимо несколько замедлить темп преобразования Т(ч) в..длительность периода выходной частоты в генераторе 5, если же ггмпульс частоты

f „ приходит, когда Р,, = "О", то необходимо ускорить указанный темп преобразования на некоторую величину.

1465975

Это выполняется путем добавки или изъятия незначительного приращения ьT(v) к значению T(v), которое формируется в корректоре 4 и подается на управление пороговым уровнем второго компаратора 25, который в качестве среднего значения уровня порога срабатывания имеет нулевое значение.

Формирование корректирующего при-. 10 ращения T(v) в корректоре 4 происходит следующим образом. Интегратор на усилителе 30 хранит значение приращения, пропорционального 1 Т(Ч), в силу того, что ключи 34.и 36 практи- 15 чески все время держат отключенным вход интегратора от двух одинаковых, но разнополярных источников входного напряжения. В качестве последнего к второму входу корректора 4 подводится 20 напряжение, пропорционельное Т(Ч).

Это сделано с целью сохранения одинаковых корректирующих свойств в умножителе независимо от того, каково значение T(V) в данный момент при данной входной частоте в этот же момент.

Всякий раз, когда с первого входа на ключ 34 проходит короткий импульс ключ 36 подключает на вход ключа,30

34 либо положительное, либо отрицательное входное напряжение, пропор-. циональное T(V) и, следовательно, на вход интегратора через резистор 33

ПОдВОдится на ВР™ действия 1 им 35 пульс положительной, отрицательной или положительной и отрицательной (с различными длительностями, в сумме равными длительности f xr) полярности. Если среднее значение эа пе- 40 риод указанного воздействия, которое происходит один раз за период входной частоты, равно нулю, то значение кор" ректирующего воздействия не изменится, что соответствует случаю точного 45 совпадения двух моментов в умножителе: момента прихода импульса входной частоты и момента окончания выработки импульса последнего периода выходной частоты. Если среднее значение 50 воздействия через ключ 34 окажется положительным, то на выходе корректора будет запомнено отрицательное приприращение X — ЛТ(Ч), в противном случае — положительное. 55

Отрицательное приращение на корректирующем входе генератора 5 приводит к уменьшению е"o выходной частоты, а положительное — к увеличению.

Если принять, что s ключе 36 нормально замкнутый контакт соответствует

"1", на его управляющем входе, а "1" с выхода счетчика 7 соответствует тому, что генератор 5 "не успел" сгенерировать заданное количество периодов выходной частоты, то корректирующее воздействие ЛТ(Ч) должно оказаться положительным, чтобы ускорить работу генератора 5. Для согласования всех перечисленных условий необходимо на нормально замкнутый контакт ключа 36 подключать отрицательное значение входного напряжения, пропорционального T(v).

Связь между абсолютной длительностью несовпадения моментов переключения ключа 34 и ключа 36 при общей длительности импульса .Т» равной выражается следующей зависимостью (е.) 1Т(" i) o n+

Тм RC — 1 е °" (1, где += 21./, -1 — относительное несовпадение моментов времени.

Относительная коррекция за один период входной частоты не должна превышать дисперсии суммарной ошибки предсказания периода выходной частоты, иначе может возникнуть неустойчивость регулирования частоты управляемого генератора. Из этих соображений по заданным 1 Т/() и, можно выбрать значение величин резистора 33 и конденсатора 31.

Приведем расчетные соотношения и значения для коэффициентов R . фор1j мирователя 13 в случае использования в экстраполяторе 3 аппроксимации по методу наименьших квадратов для заданных и и m: (ий

К1 = (и 1) - С1 С;1, Еа, где i =1 2, ..., п;

k=m

С Р=;> (i-1) d

k=e

1I

С вЂ” число сочетаний 1 эле(1-j )I j l менi.îâ по

1„ = А1, /Det S — элемент матрицы относительных адьюнктов;

Det S — - определитель матрицы S;

9 1465975 10

А - элемент матрицы адьюнктов матрицы Б.

Для ряда сочетаний и и ш ниже приведены табл. 1 и 2.

Моделирование показало, что, если закон изменения входных периодов опи,сывается кривой не выше ш-го порядка, ( то расчетные значения предсказывае- мых значений периода точно совпада- 10 ют с оющаемым в пределах дисперсии ошибок расчета.

В конкретном- варианте умножителя частоты следования импульсов для

n = 5 m 2 были использованы: 8-12- 16, разрядный счетчик, блок 12, содержа, щий пять 12-разрядных регистров па1 мяти, цифроаналоговые преобразова тели (ЦАП) в перемножителе 11 — 12 разрядные, а аналоговые величины для 20

ЦАП в диапазоне, равном %10 В о

5-разрядный счетчик 7, что обеспечило умножение. входной частоты в 32 ( раза.

При таком коэффкциенте умножения и 12-разрядных кодах в умножителе обеспечивается изменение входной частоты практически в 1ÎÎ раз.

Ф

Формула изобретения ЗО

1. Умиожитель частоты следования импульсов, содержащий генератор импульсов опорной частоты, ключ„ счетчик для измерения длительности входных периодов, входную шину и счетчик числа выходных периодов, счетный вход которого соединен с выходной шиной, отличающийся тем, что, с целью повышения динамической 4О точности, в него введены экстраполятор, управляемый генератор, корректор и синхронизатор, информационный вход которого соединен с входной шиной, первый выход — с управляющим входом экстраполятора:и с первым входом корректора, выход. которого соединен с корректирующим входом управляемого генератора, выход которого соединен со счетным входом счетчика ц1 числа выходных периодов„ вход сброса которого соединен с выходом переполнения счетчика для измерения длитель" ности входных периодов и с первым

Входом ключа,Выход которого соединен со счетным входом счетчика для измерения длительности входных периодов, второй вход — с выходом генератора импульсов опорной частоты и с входом синхронизации синхронизатора, второй выход которого соединен с входом сброса счетчика для измерения длительности входных периодов, кодовые выходы которого соединены с первым кодовым входом экстраполятара, выход которого соединен с вторым входом корректора и с управляющим входом управляемага генератора, второй кодовый вход — с кодовым выходом счетчика числа выходных периодов, выход старшего разряда которого соединен с третьим входом корректора.

2ф Умножитель по пф1у о т л и ч а ю шийся тем, чта экстраполятор содержит скалярный перемножитель двух и-мерных векторных сигналов,выход которого соединен с выходом экстраполятора, первый кодовый и управляющий входы которого соединены соответствекко с кодовым и с управляющим входами блока стековой памяти, выходы которого соединены с соответствующими кодовыми входами скалярного перемножителя двух и-мерных векторных сигналов, аналоговые входы которого через последовательно соединенные формирователи вектора напряжений и степенных функций соединены с вторым кодовым входом экстраполятора.

3. Умножитель по п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что управляемый генератор содержит интегратор, выход которого соединен с инвертирующими входами первого и второго компараторов, неинвертируюшие входы которых соединены соответственно с управляющим н корректирующим входами управляемого генератора, выход которого соединен с выходом триггера,первый и второи входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго кампараторов, и с первым,входом делителя напряжения, второй вход которого соединен с шиной нацряжения смещения, а выход через первый и второй последовательно соединенные ограничители — с входом интегратора.

4. Умножитель по п.1„о т л и ч аю щ и Й с я тем, что корректор содержит операционный усилитель, в цепи обратной связи которого имеется конденсатор и двуполярный ограничитель, выход которого соединен с вы",ходом коррек. .ора, а вход через резистор - с выходом первого ключа, 12

1465975

Т а б л и ц а 1

14i 3

Примечание. n3,ш 1.

Таблица 2

0 -0,0317

1 -0,3307

2 -0,2579

3 -0,0463

0,0873

О, 7130

0,4683

0,0648

0,1270 0,9603

-0,8915 1,2235

-0,5040 0,4565

-О, 0648 0,0463

-0,1111

-0,8360

-0,3492

-0,03?О

П р и м е ч а н и е. n 6 ш = 3. управляющий вход которого соединен с первым входом корректора, второй вход которого соединен с первым входом через инвертор и непосредственно " 6 с вторым входом второго ключа, выход которого соединен с входом пер,вого ключа, а управляющий вход - с третьим входом корректора.

-0sO3f7

-О, 1217

0,2063

0,0370

1 2 3

-0,1667 0,3333 0,8333

-0 5 0 0 5

В.2 Й

1465975

Фиг. 7

1465975