Преобразователь синусоидальных сигналов в сигналы прямоугольной формы

 

Использование: в измерительной технике в качестве умножителя частоты в различных устройствах. Сущность изобретения: преобразователь синусоидальных сигналов в сигналы прямоугольной формы содержит преобразователь 1 синусоидальных сигналов в сигналы треугольной формы, пиковый детектор 2, резистивный делитель 3 напряжения, пороговый формирователь 4 прямоугольных разнополярных импульсов, блок 5 интегрирования, инвертор 6 и усилитель-ограничитель 7, что позволяет увеличить стабильность значения коэффициента умножения при изменении его в широком диапазоне. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям сигналов с умножением частоты электрических сигналов, и может быть использовано в качестве умножителя частоты в различных устройствах. При этом должен обеспечиваться большой диапазон изменения коэффициента умножения и его высокая стабильность во времени.

Известен умножитель частоты [1] построенный на амплитудном ограничителе.

Однако при уменьшении величины входного сигнала выделение высших гармоник становится невозможным. Коэффициент умножения устройства N < 10.

Известен умножитель частоты [2] основанный на использовании фазового принципа умножения частоты, который содержит n-фазный преобразователь и перемножитель, выполненный из n-1 последовательных демодуляторов.

Однако данный умножитель имеет коэффициент умножения, зависящий от количества демодуляторов, поэтому с увеличением коэффициента умножения увеличивается количество демодуляторов и значительно усложняется конструкция умножителя.

Известен также умножитель частоты [3] содержащий формирователь гармоник, селективный фильтр и корректирующую RC-цепочку с регулируемой постоянной времени.

Однако данный умножитель частоты имеет недостаточно большой коэффициент умножения N < 20. Кроме того, коэффициент может принимать только целые значения N 2, 3, 4 и т.д.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является умножитель частоты [4] содержащий преобразователь сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, пиковый детектор, два резистивных делителя напряжения, пороговый формирователь прямоугольных разнополярных импульсов, формирователь управляющих импульсов, блок интегрирования и фильтр с соответствующими связями.

Такой умножитель имеет большой диапазон изменения коэффициента умножения, однако стабильность его недостаточно высока.

В изобретении решается задача увеличения стабильности значения коэффициента умножения при изменении его в широком диапазоне.

Для этого в преобразователь синусоидальных сигналов в сигналы прямоугольной формы, содержащий последовательно соединенные преобразователь синусоидальных сигналов в сигналы треугольной формы, амплитуда которых пропорциональна длительности полупериода входных синусоидальных сигналов, пиковый детектор, резистивный делитель напряжения и пороговый формирователь прямоугольных разнополярных импульсов, другой вход которого подключен к выходу блока интегрирования, введен регулируемый усилитель-ограничитель и инвертор, вход которого соединен с выходом резистивного делителя напряжения, а выход с дополнительным входом порогового формирователя прямоугольных разнополярных импульсов, выход которого соединен с входом регулируемого усилителя-ограничителя, управляющий вход которого соединен с выходом пикового детектора, при этом выход регулируемого усилителя-ограничителя соединен с входом блока интегрирования и является выходом преобразованного по форме и частоте сигнала.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 временные диаграммы работы.

Преобразователь синусоидальных сигналов в сигналы прямоугольной формы содержит преобразователь 1 синусоидальных сигналов в сигналы треугольной формы, пиковый детектор 2, резистивный делитель 3 напряжения, пороговый формирователь 4 прямоугольных разнополярных импульсов, блок 5 интегрирования, инвертор 6 и регулируемый усилитель-ограничитель 7.

Преобразователь 1 синусоидальных сигналов в сигналы треугольной формы, пиковый детектор 2, резистивный делитель 3 напряжения соединены последовательно, причем вход преобразователя 1 синусоидальных сигналов в сигналы треугольной формы подключен к входу предлагаемого преобразователя. Первый вход порогового формирователя 4 прямоугольных разнополярных импульсов подключен к выходу резистивного делителя 3 напряжения, а второй вход подключен к выходу блока 5 интегрирования. Вход инвертора 6 подключен к первому входу, а его выход к третьему дополнительному входу порогового формирователя 4 прямоугольных разнополярных импульсов, выход которого соединен с первым входом регулируемого усилителя-ограничителя 7, второй управляющий вход последнего соединен с выходом пикового детектора 2. Выход регулируемого усилителя-ограничителя 7 соединен с входом блока 5 интегрирования и с выходом преобразователя синусоидальных сигналов в сигналы прямоугольной формы.

Преобразователь 1 синусоидальных сигналов в сигналы треугольной формы состоит из последовательно соединенных однополупериодного выпрямителя, усилителя-ограничителя и блока интегрирования (не показано).

Преобразователь синусоидальных сигналов в сигналы прямоугольной формы работает следующим образом.

Входной периодический, например, синусоидальный сигнал с длительностью полупериода Т поступает на вход преобразователя 1 синусоидальных сигналов в сигналы треугольной формы. На его выходе в течение каждого периода колебаний формируется сигнал треугольной формы, амплитуда которого пропорциональна значению Т-длительности полупериода входного сигнала, а частота этого сигнала равна частоте входного сигнала.

Сигнал U1(T) с выхода преобразователя 1 поступает на вход пикового детектора 2, на выходе которого получают постоянное напряжение U2, пропорциональное по величине амплитуде напряжения треугольной формы U1(T) и соответственно пропорциональное значению периода или полупериода входного сигнала (фиг. 2в). Постоянное напряжение U2 с выхода пикового детектора 2 поступает на второй управляющий вход регулируемого усилителя-ограничителя 7 и на вход резистивного делителя 3 напряжений, который может быть выполнен в виде резистивного делителя напряжения или с помощью операционного усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, обратная величина которого будет равна коэффициенту умножения N.

Напряжение U3 с выхода резистивного делителя 3 напряжения является пороговым напряжением для порогового формирователя 4 прямоугольных разнополярных импульсов. Напряжение U3 с выхода резистивного делителя 3 напряжения поступает на вход инвертора 6, на выходе которого получают напряжение U6, отличающееся от напряжения U3 знаком, т.е. U6 -U3. Напряжение U4 с выхода порогового формирователя 4 прямоугольных разнополярных импульсов поступает на первый вход регулируемого усилителя-ограничителя 7, выход которого соединен со вторым входом блока 5 интегрирования.

Эти три блока являются генератором треугольных и прямоугольных разнополярных импульсов. Работу блоков 4, 5 и 7 нужно рассматривать одновременно, эти блоки можно считать традиционным генератором сигналов треугольной формы.

Пороговый формирователь 4 прямоугольных разнополярных импульсов выполняет функцию компаратора с гистерезисом, имеющего два устойчивых состояния разнополярного выходного напряжения U_n1 и работает следующим образом. Два разнополярных напряжения U_n 1,2 с входа и выхода резистивного делителя 3 напряжения поступают на первый и третий дополнительный вход порогового формирователя 4 прямоугольных разнополярных импульсов. Второй вход порогового формирователя 4 прямоугольных разнополярных импульсов соединен с выходом блока 5 интегрирования, напряжение на котором линейно нарастает или линейно спадает. При увеличении входного напряжения переключение происходит с напряжения U_вых-U_нас на напряжение U_вых +U_нас в момент времени, когда U_вх U_пн, а при уменьшении входного напряжения переключение происходит с напряжения U_вых +U_нас на напряжение U_вых -U_нас в момент времени, когда U_вх U_пн. В начальный момент времени при подаче питающего напряжения на выходе блока 5 интегрирования имеют напряжение U5 0. Напряжение на выходе порогового формирователя 4 прямоугольных разнополярных импульсов произвольное, например отрицательное, равное напряжению U4 -U_нас. Это напряжение поступает на вход двухстороннего регулируемого усилителя-ограничителя 7, на выходе которого их амплитуда ограничивается уровнем, определяемым напряжением U2. Это напряжение поступает на вход блока 5 интегрирования, на выходе которого сигнал начинает возрастать по линейному закону до величины верхнего порога U_пв.

В тот момент времени, когда U5 U4(вх) U_пв, пороговый формирователь 4 переключается и на его выходе устанавливается положительное напряжение, равное U4 +U_нас, поступающее на усилитель-ограничитель 7, на выходе которого оно ограничивается величиной +U2. Под действием этого U4 +U2 напряжение на выходе блока 5 интегрирования начинает линейно уменьшаться до величины нижнего порога U_пн. В момент времени, когда U5 U4(вх) U_пн, пороговый формирователь 4 снова переключается и на его выходе устанавливается отрицательное напряжение, равное U4 -U_нас, которое на выходе усилителя 7 ограничивается до величины напряжения U2. Под действием этого U4 -U2 напряжение на выходе блока 5 интегрирования снова начинает линейно увеличиваться до величины верхнего порога U_пв и процесс переключений снова повторяется.

При уменьшении величины порогового напряжения, что можно сделать, уменьшив коэффициент передачи резистивного делителя 3 напряжения, переключения порогового формирователя 4 прямоугольных разнополярных импульсов будут происходить чаще, при этом пропорционально будет увеличиваться коэффициент умножения преобразователя синусоидальных сигналов в сигналы прямоугольной формы.

На выходе блока 5 интегрирования генерируется последовательность импульсов напряжения U5 разнополярной треугольной формы, а на выходе порогового формирователя 4 прямоугольных разнополярных импульсов и на выходе регулируемого усилителя-ограничителя 7 генерируются последовательности импульсов прямоугольной разнополярной формы, отличающиеся только амплитудой, как показано на фиг.2г. Частота следования импульсов определяется величиной амплитуды напряжения, поступающего на вход блока 5 интегрирования, равного напряжению U2, значениями пороговых напряжений, равных U_n1 U₂/N, U_n2 -U₂/N, а также постоянной времени, равной t_o RC, блока 5 интегрирования.

Время нарастания t_н треугольного импульса определяется по формуле t_н -[(U_n1-U_n2)/(-U₂)]t_o (1) [(U_n1-U_n2)/U₂]t_o, где t_o постоянная времени блока 5 интегрирования.

Подставляя в (1) значения пороговых напряжений, получим t_н [(U₂/N+U2/N)/U2]t_o 2t_o/N. (2) Время спада t_сп треугольного импульса определяется аналогично по формуле t_сп -[(U_n2-U_n1)/U2]t_o 2t_o/N. (3) Частота следования разнополярных прямоугольных импульсов на выходе усилителя-ограничителя 7, являющегося выходом устройства, а также и частота треугольных импульсов, будет равна f_вых 1/(t_н+t_сп) N/4t_o (4) Значение постоянной времени t_o выбираем из выражения t_o 1/4f_вх, подставляя которое в (4), получаем окончательно
f_вых Nf_вх (5)
Таким образом, на выходе регулируемого усилителя-ограничителя 7 формируются разнополярные прямоугольные импульсы, следующие друг за другом с частотой, определяемой коэффициентом умножения N. Значение N, являющееся обратной величиной коэффициента передачи резистивного делителя 3 напряжения, определяем значение частоты для выходного сигнала (фиг.2г).

Следовательно, устанавливая нужное значение этого коэффициента передачи, получают на выходе преобразователя синусоидальных сигналов в сигналы прямоугольной формы последовательность импульсов, частота которых больше частоты следования входного периодического сигнала в N раз. Коэффициент умножения N может меняться в широких пределах от единицы до нескольких сотен, так как он определяется только значением коэффициента передачи резистивного делителя 3 напряжения и имеет высокую стабильность. При этом расширяется возможность изменений периода входных сигналов, которые не будут требовать перестройки параметров преобразователя 1 синусоидальных сигналов в сигналы треугольной формы, т.е. при изменении периода входных колебаний в несколько раз коэффициент умножения не будет изменяться.

Это объясняется тем, что коэффициент умножения определяется отношение амплитуды выходного напряжения, равного U2 к значению пороговых напряжений U_n1|U_n2| U₂/N (выражения (1)-(3)). Следовательно, при увеличении периода, т. е. при уменьшении частоты следования входного сигнала, например, в два раза, напряжение U2 также возрастет в два раза. Во столько же раз возрастает пороговое напряжение, поэтому отношение их не изменится. При необходимости выходные каскады всех блоков могут быть выполнены высоковольтными, тогда период входных колебаний может изменяться в широких пределах (в десятки раз) без изменения значения коэффициента умножения.

Преобразователь синусоидальных сигналов в сигналы прямоугольной формы могут быть выполнены на стандартных элементах. Преобразователь 1 синусоидальных сигналов в сигналы треугольной формы может быть построен по типовой схеме: последовательно соединенные однополупериодный детектор, усилитель-ограничитель и интегратор выполнены на операционных усилителях (не показан). Резистивный делитель 3 напряжения может быть выполнен на прецизионных резисторах в виде резистивного потенциометра, его можно выполнить и на операционном усилителе (не показан). Пороговый формирователь 4 может быть выполнен аналогично компаратору с гистерезисом. Блок 5 интегрирования может быть выполнен на одном операционном усилителе. Инвертор 6 может быть собран на одном операционном усилителе. Регулируемый усилитель-ограничитель является двухсторонним и может быть выполнен на двух операционных усилителях (не показан).

Для преобразования входного синусоидального напряжения в сигналы прямоугольной формы, например при входном сигнале амплитудой U_вх 2b и частотой f 1 Гц, для получения коэффициента умножения N 50 в блоке 5 интегрирования должно удовлетворяться равенство: RC t_o 0,25 с. Например, при R 250 кОм и С 1 мкф коэффициент передачи резистивного делителя выбирают равным К_д 1/50.

Предлагаемый преобразователь синусоидальных сигналов в сигналы прямоугольной формы можно использовать совместно с дополнительным каналом, обеспечивающим линейную зависимость амплитуды выходных сигналов от амплитуды входных сигналов.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ В СИГНАЛЫ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ, содержащий последовательно соединенные преобразователь синусоидальных сигналов в сигналы треугольной формы, амплитуда которых пропорциональна длительности полупериода входных синусоидальных сигналов, пиковый детектор, резистивный делитель напряжения и пороговый формирователь прямоугольных разнополярных импульсов, другой вход которого подключен к выходу блока интегрирования, отличающийся тем, что введены регулируемый усилитель-ограничитель и инвертор, вход которого соединен с выходом резистивного делителя напряжения, а выход- с дополнительным входом порогового формирователя прямоугольных разнополярных импульсов, выход которого соединен с входом регулируемого усилителя-ограничителя, управляющий вход которого соединен с выходом пикового детектора, при этом выход регулируемого усилителя-ограничителя соединен с входом блока интегрирования и является выходом преобразованного по форме и частоте сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2