Преобразователь частоты в напряжение

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, может быть использовано в системах автоматического регулирования, в частности, для преобразования частотных сигналов, и позволяет обеспечивать увеличение крутизны преобразования частоты в напряжение и снижение уровня пульсации выходного сигнала. Преобразователь имеет генератор 1 образцовой частоты, D-триггеры 2 и 3, логические элементы ИЛИ - НЕ 4 и 5, интегро суммирующее звено 6. 2 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического управления для преобразования частотных сигналов.

Известен преобразователь частоты в напряжение, принцип действия которого основан на получении импульсов постоянной длительности, кратной периоду колебаний генератора образцовой частоты [1].

Основные недостатки такого преобразователя - сложность и малая точность.

Эти недостатки частично устранены в преобразователе, описанном в [2].

Недостатками этого устройства являются малая крутизна преобразования и высокий уровень пульсации выходного сигнала при низких частотах преобразования. Частично ослабить эти недостатки можно путем увеличения постоянной времени интегрирующего звена либо увеличением коэффициента его усиления, однако это приводит к снижению точности и быстродействия преобразования.

Целью изобретения является увеличение крутизны преобразования частоты в напряжение и снижение уровня пульсации выходного сигнала.

Это достигается тем, что в преобразователь частоты в напряжение, содержащий генератор образцовой частоты, первый и второй D-триггеры и элемент ИЛИ-НЕ, причем входы синхронизации D-триггеров подключены к выходу генератора образцовой частоты, инверсный выход первого D-триггера и прямой выход второго D-триггера подключены к входам элемента ИЛИ-НЕ, входом преобразователя является информационный вход первого D-триггера, прямой выход первого D-триггера подключен к информационному входу второго D-триггера, введены дополнительный двухвходовый элемент ИЛИ-НЕ и интегросуммирующее звено с двумя входами, причем первый вход дополнительного элемента ИЛИ-НЕ подключен к прямому выходу первого D-триггера, а второй вход - к инверсному выходу второго D-триггера, выходы элементов ИЛИ-НЕ подключены к входам интегросуммирующего звена, выход которого является выходом преобразователя.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов, существующих в схеме.

Преобразователь содержит генератор 1 образцовой частоты, первый 2 и второй 3 D-триггеры, первый 4 и второй 5 элементы ИЛИ-НЕ, интегросуммирующее звено 6, связи 7 между выходами элементов ИЛИ-НЕ и входами звена 6. Синхронизирующие входы D-триггеров обозначены буквой а, информационный вход первого D-триггера - буквой б, прямые выходы первого и второго D-триггеров - соответственно буквами в, д, инверсные выходы D-триггеров - буквами г, е. Выход первого элемента ИЛИ-НЕ обозначен буквой ж, выход второго элемента ИЛИ-НЕ - буквой з. Выход преобразователя обозначен буквой и.

Преобразователь работает следующим образом.

От генератора 1 образцовой частоты импульсы f_o образцовой частоты поступают на синхронизирующие входы триггеров 2 и 3. Импульсы f_х преобразуемой частоты (фиг.2 б) поступают на информационный вход б триггера 2. На прямом выходе в триггера 2 получают импульсы, сдвинутые относительно импульсов f_х частоты на период генератора образцовой частоты (фиг.2 в), на инверсном выходе триггера 2 - инверсный сигнал (фиг.2 г). Так как прямой выход триггера 2 соединен с информационным входом второго триггера 3, на прямом выходе последнего получают импульсы, сдвинутые относительно импульсов на прямом выходе первого триггера 2 также на период сигнала образцовой частоты (фиг. 2 д). На инверсном выходе триггера 3 получают соответствующий инвертированный сигнал (фиг.2 е). На выходе элемента ИЛИ-НЕ 4 получают импульсы (фиг.2 ж), соответствующие одновременному наличию "нулевого" сигнала на прямом выходе триггера 3 и инверсном выходе триггера 2. Эти импульсы по длительности соответствуют периоду сигналов образцовой частоты и следуют с частотой преобразуемого сигнала (период Т_х). На выходе элемента ИЛИ-НЕ 5 получают импульсы (фиг. 2 з), соответствующие одновременному наличию "нулевого" сигнала на прямом выходе триггера 2 и инверсном выходе триггера 3.

Эти импульсы следуют с частотой преобразуемого сигнала, по длительности соответствуют периоду сигналов образцовой частоты и сдвинуты относительно выходных импульсов элемента 4 на половину периода преобразуемой частоты. Последовательности импульсов (фиг.2 ж, з) с выходов элементов 4 и 5 подаются через связь 7 на интегросуммирующее звено 6. Среднее значение сигнала на выходе звена 6 можно определить следующим образом. Обозначают уровень сигналов, соответствующих логической "1", как U₁. Значением уровня "нулевого" сигнала пренебрегают. Площадь одного импульса на выходах элементов 4 и 5 определяют по формуле U₁·T₀= , где Т_о - период сигналов образцовой частоты.

При идеальном сглаживании и суммировании n интервалов за период преобразуемого сигнала, причем n≅ , где n - число входов сложения звена 6, получают U_вых.T_x = K˙n˙U_1˙T_о, где К - коэффициент усиления интегросуммирующего звена 6; U_вых - среднее значение входного напряжения; Т_х - период сигнала преобразуемой частоты. Тогда U_вых=K·n·U . В предлагаемом преобразователе с идентичными входами звена 6 имеют n = 2, поэтому U_вых= 2f_x . Таким образом, при всех прочих равных условиях по сравнению с прототипом предложенный преобразователь увеличивает крутизну преобразования сигнала входной частоты в напряжение в 2 раза. Под крутизной преобразования подразумевается отношение абсолютных величин выходного и входного сигналов. Уровень пульсации выходного сигнала снижается за счет уменьшения провалов напряжения за время присутствия "нулевого" значения импульсов на входах 7 интегросуммирующего звена 6, так как звено 6 не может быть идеальным. Это наглядно показано на диаграмме фиг.2 и, где подъемы значения выходного сигнала происходят в моменты наличия "единичных" дополнительных импульсов, сформированных на выходе з дополнительного логического элемента 5. Экспериментальные исследования заявляемого преобразователя подтвердили его работоспособность и преимущества по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ В НАПРЯЖЕНИЕ, содержащий генератор образцовой частоты, первый и второй D-триггеры и элементы ИЛИ - НЕ, входы синхронизации D-триггеров подключены к выходу генератора образцовой частоты, инверсный выход первого D-триггера и прямой выход второго D-триггера подключены к входам элемента ИЛИ - НЕ, информационный вход первого D-триггера соединен с входной шиной, а прямой выход с информационным входом второго D-триггера, отличающийся тем, что, с целью повышения крутизны преобразования и снижения уровня пульсации выходного сигнала, в него введены второй элемент ИЛИ - НЕ и интегро-суммирующее звено с двумя входами, причем первый вход второго элемента ИЛИ - НЕ подключен к прямому выходу первого D-триггера, второй вход - к инверсному выходу второго D-триггера, выходы элементов ИЛИ - НЕ подключены к входам интегро-суммирующего звена, выход которого соединен с выходной шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2