Преобразователь период - напряжение

 

Преобразователь период - напряжение относится к импульсной технике и может быть использован в системах автоматического управления и в измерительной аппаратуре. Целью изобретения является расширение полосы частот пропускания. Преобразователь период - напряжение содержит компаратор 1, инвертор 9, дифференциаторы 2, 3, 10, 11, два генератора 4 и 12 пилообразного напряжения, схемы 5, 13 выборки - хранения, аналоговые ключи 6, 14, фильтр 16 нижних частот, аналоговую схему 15 сравнения, повторитель 7 с накопительной емкостью 8, источник 17 постоянного напряжения. 2 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах автоматического управления, в измерительных устройствах и т.п.

Известен преобразователь частоты следования импульсов в напряжение (авт. св. СССР N 482884, кл. H 03 K 9/06), содержащий триггер, соединенный с генератором пилообразного напряжения и через дифференциатор (дифференциальную цепь) и элемент задержки с управляющим входом схемы выборки-хранения (аналоговым запоминающим устройством), схему сравнения и генератор экспоненциального напряжения с входом, подключенным к входу схемы выборки-хранения , а выход схемы выборки-хранения соединен с управляющим входом генератора пилообразного напряжения и с одним из управляющих входов генератора экспоненциального напряжения, второй управляющий вход которого соединен с выходом дифференциатора.

Известно также устройство для преобразования периода следования импульсов в напряжение [1], содержащее последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения и схему выборки-хранения, состоящую из электронного ключа и выходного усилителя с большим входным сопротивлением (повторителя), и накопительную емкость на его входе. В устройство включен формирователь коротких импульсов, подключенный к управляющим входам схемы выборки-хранения и генератора пилообразного напряжения.

Эти известные устройства позволяют, как следует из теоремы о дискретизации (Котельникова), преобразовать девиацию частоты входного сигнала в пропорциональное изменение выходного напряжения, если частота этой девиации, как минимум, вдвое ниже частоты входного сигнала.

Использование описанных устройств в системах стабилизации частоты вращения электродвигателей, у которых обычно частота тахогенератора не превышает 50-100 Гц, затруднено, так как эти преобразователи частоты в напряжение не обеспечивают необходимого быстродействия системы, которое ограничено половиной частоты тахогенератора.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является преобразователь период-напряжение, который используется в устройстве для стабилизации частоты вращения электродвигателя по авт. св. N 1053247, кл. H 02 P 5/06 [2].

Устройство содержит последовательно соединенные компаратор (усилитель-ограничитель), дифференциатор, генератор пилообразного напряжения, схему выборки-хранения и аналоговую схему сравнения, на второй вход которой подключен источник постоянного напряжения (тока). К управляющему входу схемы выборки-хранения присоединены последовательно соединенные второй компаратор и второй дифференциатор. Сигналы на входы компараторов поступают поочередно от двух таходатчиков, генерирующих импульсы с частотой, пропорциональной частоте вращения электродвигателя.

Известное устройство работает следующим образом.

При поступлении импульсов на входы компараторов на выходах устройства формируются прямоугольные импульсы с крутыми фронтами и спадами. Входные (выходные) импульсы компараторов сдвинуты один относительно другого на время, зависящее от частоты вращения электродвигателя. При этом чем ниже частота входных импульсов, тем больше сдвиг между ними. Дифференциаторы преобразуют последовательности прямоугольных импульсов в последовательности коротких положительных импульсов, соответствующих фронтам прямоугольных импульсов. С выхода первого дифференциатора короткие импульсы поступают на вход генератора пилообразного напряжения, а короткие импульсы с выхода второго дифференциатора - на управляющий вход схемы выборки-хранения. Короткий положительный импульс первого дифференциатора устанавливает выходное напряжение генератора, которое при отсутствии импульсов соответствует напряжению питания, равным нулю, и после окончания этого импульса выходное напряжение генератора линейно возрастает до момента прихода следующего, т.е. до следующего периода колебаний входных сигналов. И чем реже поступают эти импульсы, т. е. чем ниже частота их следования, тем выше напряжение на выходе генератора. Это пилообразное напряжение поступает на сигнальный вход схемы выборки-хранения, которая запоминает величину этого напряжения в момент прихода на ее управляющий вход короткого положительного импульса с выхода второго дифференциатора и сохраняет величину этого напряжения до момента прихода следующего короткого импульса. Выходное напряжение схемы выборки-хранения поступает на один из входов схемы сравнения, на другой вход которой подается опорное напряжение от источника постоянного тока. Величина опорного напряжения определяет настройку устройства стабилизации на номинальную частоту вращения электродвигателя.

Таким образом, устройство формирует выходное напряжение, прямо пропорциональное периоду колебаний или обратно пропорциональное частоте входных импульсов компараторов, что необходимо для замкнутого контура системы стабилизации частоты вращения электродвигателя. Известное устройство обладает заданным коэффициентом преобразования периода следования импульсов в напряжение, но при этом, как следует из теоремы о дискретизации, максимальная частота частотной модуляции входного сигнала как минимум вдвое ниже несущей частоты этого сигнала, т.е. полоса частот пропускания устройства недостаточна.

Целью изобретения является расширение полосы частот пропускания. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь период-напряжение, содержащий последовательно соединенные компаратор и первый дифференциатор, последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения, схему выборки-хранения и аналоговую схему сравнения, источник постоянного напряжения и второй дифференциатор, дополнительно введены последовательно соединенные первый аналоговый ключ и повторитель с накопительной емкостью на входе, последовательно соединенные третий и четвертый дифференциаторы, второй генератор пилообразного напряжения, вторая схема выборки-хранения и второй аналоговый ключ, а также инвертор, фильтр нижних частот и первый, второй и третий резисторы, при этом первый аналоговый ключ подключен к выходу первой схемы выборки-хранения, выход второго ключа - к входу повторителя, второй дифференциатор подключен к инверсному выходу первого дифференциатора, вход первого генератора пилообразного напряжения - к выходу второго дифференциатора, второй вход схемы сравнения подключен к выходу второй схемы выборки-хранения, фильтр нижних частот - к выходу схемы сравнения, а инвертор включен между компаратором и входом третьего дифференциатора, управляющие входы схемы выборки-хранения и аналогового ключа попарно подключены к прямым выходам первого и третьего дифференциаторов соответственно, первый резистор включен между источником постоянного напряжения и управляющим входом первого генератора пилообразного напряжения, а второй и третий резисторы соединены последовательно, свободный вывод второго резистора подключен к источнику постоянного напряжения, свободный вывод третьего резистора - к выходу фильтра нижних частот, а общая точка резисторов подсоединена к управляющему входу второго генератора пилообразного напряжения.

На фиг. 1 изображена функциональная схема преобразователя период-напряжение; на фиг. 2 - временная диаграмма, поясняющая работу преобразователя.

Преобразователь период-напряжение содержит компаратор 1, последовательно соединенные дифференциаторы 2 и 3, генератор 4 пилообразного напряжения, схему 5 выборки-хранения, аналоговый ключ 6 и повторитель 7 с накопительной емкостью 8 на входе. Между выходом компаратора 1 и входом повторителя 7 параллельно каналу, состоящему из блоков 2-6 включен второй канал преобразования, образованный последовательно соединенными инвертором 9, третьим дифференциатором 10, четвертым дифференциатором 11, вторым генератором 12 пилообразного напряжения, второй схемой 13 выборки-хранения и вторым аналоговым ключом 14. Управляющие входы схемы 5 и ключа 6 подключены вместе к прямому выходу дифференциатора 2, а управляющие входы схемы 13 и ключа 14 - к прямому выходу дифференциатора 10. Кроме того, преобразователь содержит аналоговую схему 15 сравнения (дифференциальный усилитель), фильтр 16 нижних частот, источник 17 постоянного напряжения и резисторы 18, 19 и 20.

Первый вход схемы 15 сравнения подключен к выходу первой схемы 5 выборки-хранения, а ее второй вход - к выходу второй схемы 13 выборки-хранения. Источник 17 подключен через резистор 18 к управляющему входу генератора 4, а через резистор 19 - к управляющему входу генератора 12. К управляющему входу генератора 12 через резистор 20 подключен также выход фильтра 16, вход которого подключен к выходу схемы 15 сравнения.

Резистор 18 может быть выполнен регулируемым для обеспечения начальной установки режима генератора 4. Аналоговые ключи 6 и 14 подключены к накопительной емкости 8 на входе повторителя 7 непосредственно или через резистор (на фиг. 1 не показан).

Компаратор 1 может быть выполнен, например, в виде операционного усилителя с большим коэффициентом усиления и формирует на выходе прямоугольные импульсы с крутыми фронтами и спадами. Дифференциаторы 2, 3, 10 и 11 могут быть реализованы в виде одновибраторов с DS-триггерами с двумя выходами: прямым и инверсным (см., например, С.Волков. Генераторы прямоугольных импульсов на МОП-элементах. М., Энергоиздат, 1981, стр.89-90). Дифференциатор формирует на выходах короткие импульсы по фронтам прямоугольных импульсов на его входе. При этом на прямом выходе формируются короткие импульсы положительной полярности, а на инверсном - отрицательной.

Генераторы 4 и 10 пилообразной формы содержат RC-цепочку и аналоговый ключ, подключенный параллельно емкости (см., например, Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства. М., Высшая школа, 1989, стр.427). Короткий положительный импульс на входе аналогового ключа устанавливает выходное напряжение генератора равным нулю и после окончания этого импульса выходное напряжение генератора линейно возрастает до прихода следующего импульса. Крутизна возрастания выходного напряжения определяется током, проходящим через сопротивление на емкость заряда. Схемы 5 и 13 выборки-хранения содержат аналоговый ключ, запоминающую емкость и буферные усилители на входе и выходе схемы (см. , например, Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.Н. Приложение прецизионных аналоговых микросхем. - Радиосвязь, 1985, стр.194). Схема выборки-хранения запоминает величину напряжения на ее сигнальном входе в момент прихода на управляющий вход ключа короткого импульса и сохраняет величину этого напряжения на своем выходе до момента прихода следующего импульса. Аналоговая схема 15 сравнения может быть выполнена в виде дифференциального усилителя и формирует на выходе сигнал, равный разности уровней сигналов на ее входах.

Преобразователь период-напряжение работает следующим образом.

При поступлении сигнала определенной частоты на вход компаратора 1 на его выходе формируются импульсы той же частоты с крутыми фронтами и спадами (фиг. 2, а). С выхода компаратора 1 прямоугольные импульсы поступают на входы первого дифференциатора 2 и инвертора 9. Дифференциатор 2 преобразует последовательности прямоугольных импульсов в последовательности коротких импульсов, соответствующих фронтам прямоугольных импульсов на его входе (фиг. 2, б) С прямого выхода дифференциатора 2 короткие положительные импульсы поступают на управляющие входы схемы 5 выборки-хранения и аналогового ключа 6, а с инверсного выхода - на вход дифференциатора 3. Дифференциатор 3 формирует на прямом выходе короткие положительные импульсы, фронты которых соответствуют положительным перепадам напряжения отрицательных импульсов на инверсном выходе дифференциатора 2 или, иначе, - спадам импульсов на его прямом выходе. Поэтому импульсы на выходе дифференциатора 3 задержаны во времени на длительность импульсов на выходах дифференциатора 2. Короткий импульс дифференциатора 3 поступает на вход генератора 4 пилообразного напряжения и устанавливает выходное напряжение генератора 4 равным нулю, и после окончания этого импульса выходное напряжение генератора 4 линейно возрастает до момента прихода следующего импульса (фиг. 2, в). Крутизна возрастания и максимальный уровень этого напряжения устанавливается напряжением, поступающим от источника 17 постоянного напряжения через резистор 18 на генератор 4 пилообразного напряжения. При использовании переменного резистора 18 можно установить необходимую крутизну линейного возрастания напряжения генератора 4. Пилообразное напряжение генератора 4 поступает на сигнальный вход схемы 5 выборки-хранения, которая запоминает величину этого напряжения в момент прихода на ее управляющий вход короткого положительного импульса от дифференциатора 2 и сохраняет величину этого напряжения постоянной до момента прихода следующего импульса (фиг. 2, г).

Таким образом, на выходе схемы 5 выборки-хранения формируется напряжение U₁, прямо пропорциональное длительности периодов Т₁ входных импульсов или обратно пропорциональное их частоте.

Прямоугольные импульсы, поступающие одновременно с выхода компаратора 1 на вход инвертора 9, на его выходе меняют свою фазу на 180^о. Дифференциатор 10 преобразует последовательности прямоугольных выходных импульсов инвертора 9 в последовательности коротких импульсов, соответствующих спадам прямоугольных импульсов на выходе компаратора 1 (фиг. 2, д). С прямого выхода дифференциатора 10 короткие положительные импульсы поступают на управляющие входы схемы 13 выборки-хранения и аналогового ключа 14, а с инверсного - на вход дифференциатора 11. Короткий положительный импульс дифференциатора 11 поступает на вход генератора 12 пилообразного напряжения, устанавливает выходное напряжение генератора 12 равным нулю и после окончания этого импульса выходное напряжение генератора 12 линейно возрастает до момента прихода следующего (фиг. 2, е). Крутизна возрастания этого пилообразного напряжения определяется напряжением источника 17, поступающим через резистор 19 на генератор 12. Это пилообразное напряжение поступает на сигнальный вход схемы 13 выборки-хранения, которая запоминает величину напряжения в момент прихода на ее управляющий вход короткого импульса от дифференциатора 10 и сохраняет величину этого напряжения на своем выходе постоянной до момента прихода следующего импульса (фиг. 2, ж).

Таким образом, и на выходе схемы 13 выборки-хранения формируется напряжение U₂, прямо пропорциональное длительности Т₂ периодов входных импульсов или обратно пропорциональное их частоте. В отличие от первого канала преобразования длительности периодов в напряжение, образованного дифференциаторами 2 и 3, генератором 4 и схемой 5 выборки-хранения, во втором канале преобразования, образованном соответственно инвертором 9, дифференциаторами 10 и 11, генератором 12 и схемой 13 выборки-хранения, это напряжение формируется с запозданием на полпериода, так как в первом канале преобразования напряжение формируется по фронтам входных импульсов, а во втором - по их спадам.

Выходное напряжение схемы 5 выборки-хранения поступает на накопительную емкость 8 в момент открытия аналогового ключа 6 при поступлении на его управляющий вход короткого положительного импульса с выхода дифференциатора 2.

Аналогично напряжение с выхода схемы 13 передается на емкость 8 в момент поступления на управляющий вход ключа 14 импульса с выхода дифференциатора 10. Повторитель 7 имеет большое входное сопротивление и препятствует разряду накопительной емкости 8 при подключении нагрузки к преобразователю.

Напряжение на емкости 8 (фиг. 2, з) и, соответственно, на выходе повторителя 7 формируется с двойной частотой по сравнению с частотой входного сигнала компаратора 1, что расширяет полосу пропускания ЧМ-сигналов в два раза.

При подключении аналоговых ключей 6 и 14 к накопительной емкости 8 через резистор (не показан) образуется RC-фильтр, срезающий высшие частоты, что повышает помехоустойчивость устройства при воздействии высокочастотных помех. Аналоговые ключи 6 и 13 в открытом состоянии практически имеют сопротивление порядка 100-200 Ом. Поэтому емкость 8 выбирают с учетом этих сопротивлений при обеспечении заданной частоты среза RC-фильтра, ограничивающей спектр частот, который может передать предлагаемое устройство. Для подавления пульсаций выходного напряжения с частотой дискретизации и минимального ограничения выходного спектра частот целесообразно частоту RC-фильтра выбрать равной граничной частоте устройства, т.е. равной частоте входных импульсов.

Резистор, который подключается к емкости 8, выбирают с учетом сопротивлений аналоговых ключей из условия ее заряда до уровня, равного 0,95 значения выходного напряжения схем 5 и 13 выборки-хранения, за один-два импульса выборки с выходов дифференциаторов 2 и 10. Постоянная времени такой RC-цепочки зависит от длительности импульсов выборки. Минимальная же длительность импульсов выборки выбирается из условия обеспечения в схеме выборки-хранения заряда накопительной емкости за один такт выборки с учетом реальных величин сопротивлений (и их возможного разброса) открытых ключей при заряде. Практически длительность импульсов выборки примерно в тысячу раз меньше периода их следования, поэтому при расчете RC-цепочки ее постоянную времени выбирают соответственно в тысячу раз меньше эквивалентной постоянной времени RC-фильтра, задаваемой при выборе его частоты среза.

Напряжения с выходов схем 5 и 13 выборки-хранения поступают также на входы схемы 15 сравнения. Разностное напряжение с выхода схемы 15 через фильтр 16 нижних частот, срезающий (сглаживающий) паразитные пульсации напряжения с двойной частотой входного сигнала устройства, и резистор 20 поступает на второй управляющий вход генератора 12, изменяя крутизну возрастания пилообразного напряжения. Изменение крутизны возрастания напряжения генератора 12 приводит к изменению уровня выходного напряжения схемы 13 выборки-хранения, которое будет происходить до тех пор, пока не будет устранено рассогласование с выходным напряжением схемы 5 выборки-хранения.

Таким образом, происходит автоматическая подстройка второго генератора 12 пилообразного напряжения по уровню напряжения генератора 4 и выравнивание коэффициентов преобразования в обоих каналах. Постоянную времени фильтра 16 выбирают значительно больше (например, на порядок) постоянной времени устройства. Так как постоянная времени фильтра 16 не влияет на переходные процессы выходного сигнала предлагаемого устройства, а влияет только на время выравнивания уровней каналов в момент включения устройства, то для удобства пользования устройством постоянную времени фильтра выбирают в пределах от долей до нескольких секунд.

Низкочастотная помеха может приводить к периодическим изменениям постоянной составляющей во входном сигнале и соответственно - к изменению скважности прямоугольных импульсов на выходе компаратора 1. Так как преобразование частоты в напряжение в каждом из двух каналов происходит прямо пропорционально длительности периодов колебаний как при формировании этого напряжения по фронтам импульсов в первом канале, так и по их спадам - во втором, то изменение скважности импульсов не приводит к паразитному изменению выходного напряжения преобразователя. Следовательно, паразитное воздействие низкочастотной помехи будет значительно ослаблено.

Из этого следует, что устройство, указанное в качестве прототипа, характеризуется недостаточной полосой пропускания ЧМ-сигналов, ограниченной половиной численного значения частоты входных импульсов. Технический эффект предлагаемого устройства состоит в расширении вдвое полосы пропускания ЧМ-сигналов при высокой помехозащищенности.

Предлагаемый преобразователь периода в напряжение легко реализуется в интегральном (микроминиатюрном) исполнении.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРИОД - НАПРЯЖЕНИЕ, содержащий последовательно соединенные компаратор и первый дифференциатор, последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения, схему выборки-хранения и аналоговую схему сравнения, а также источник постоянного напряжения и второй дифференциатор, отличающийся тем, что, с целью расширения полосы частот пропускания, в него дополнительно введены последовательно соединенные первый аналоговый ключ и повторитель с накопительной емкостью на входе, последовательно соединенные инвертор, третий и четвертый дифференциаторы, второй генератор пилообразного напряжения, вторая схема выборки-хранения и второй аналоговый ключ, а также фильтр нижних частот и первый, второй и третий резисторы, при этом первый аналоговый ключ подключен к выходу первой схемы выборки-хранения, выход второго ключа - к входу повторителя, второй дифференциатор подключен к инверсному выходу первого дифференциатора, вход первого генератора пилообразного напряжения - к выходу второго дифференциатора, второй вход схемы сравнения подключен к выходу второй схемы выборки-хранения, фильтр нижних частот - к выходу схемы сравнения, а вход инвертора подключен к выходу компаратора, управляющие входы схемы выборки-хранения и аналогового ключа попарно подключены к прямым выходам первого и третьего дифференциаторов соответственно, первый резистор включен между источником постоянного напряжения и управляющим входом первого генератора пилообразного напряжения, а второй и третий резисторы соединены последовательно, второй вывод второго резистора подключен к источнику постоянного напряжения, второй вывод третьего резистора - к выходу фильтра нижних частот, а общая точка резисторов подсоединена к управляющему входу второго генератора пилообразного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2