Преобразователь период-напряжение

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах автоматического управления, в измерительных устройствах, в управляемых фазовращателях, а также при построении многофазных генераторов. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей путем преобразования входных сигналов различной формы. Преобразователь период-напряжение содержит формирователь биполярных импульсов, первый и второй формирователи коротких импульсов, инвертор, первый и второй управляемые интеграторы, сумматор. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

.

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах автоматического управления, в измерительных устройствах, в управляемых фазовращателях, а также при построении многофазных генераторов.

Известно устройство [1], содержащее двухканальное запоминающее устройство, компаратор, инвертор, схему сравнения, фильтр нижних частот, два ключа, накопительную емкость, повторитель, источник постоянного напряжения и три резистора, причем первый вход первого запоминающего устройства соединен с выходом компаратора и входом инвертора, выход которого соединен с первым входом второго запоминающего устройства, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, с первым и вторым входами второго ключа, выход которого соединен с входом повторителя, выход которого подключен к выходу преобразователя, вход которого соединен в входом компаратора, первый и второй выходы первого запоминающего устройства соединены, соответственно, с первым и вторым входами первого ключа, выход которого соединен с входом повторителя, первый вход схемы совпадения соединен с первым выходом первого запоминающего устройства, к первому выходу второго запоминающего устройства подключен второй вход схемы сравнения, выход которой соединен с входом фильтра нижних частот, при этом между выходом источника постоянного напряжения и вторым входом первого запоминающего устройства включен первый резистор, второй резистор включен между выходом источника постоянного напряжения и вторым входом второго запоминающего устройства, третий резистор включен между выходом фильтра нижних частот и вторым входом второго запоминающего устройства, а накопительная емкость включена между общей шиной и входом повторителя.

При этом первое и второе запоминающие устройства выполнены аналогично, каждое из которых включает цепочку последовательно соединенных двух дифференциаторов, генератора пилообразного напряжения и устройства выборки-хранения, первый вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, а второй вход - со вторым выходом первого запоминающего устройства и с первым выходом первого дифференциатора.

Устройство позволяет получить на выходе сигнал, пропорциональный периоду входного источника, но является достаточно сложным.

Известно устройство [2], содержащее первый и второй компараторы, первый и второй одновибраторы, управляемый интегратор, устройство выборки-хранения и источник постоянного напряжения, плюсовой зажим которого соединен с общей шиной, а минусовой зажим - с первым входом управляемого интегратора, к выходу которого подключен первый вход устройства выборки-хранения, вход которого соединен с выходом устройства, входная шина которого соединена с неинвертирующим входом первого компаратора, между выходом которого и вторым входом управляемого компаратора включен первый одновибратор, при этом к входной шине подключен инвертирующий вход второго компаратора, между выходом которого и вторым входом устройства выборки-хранения включен второй одновибратор, причем инвертирующий вход первого и неинвертирующий вход второго компараторов соединены с общей шиной.

Устройство позволяет получить на выходе сигнал, пропорциональный периоду входного источника, но при работе с входными сигналами низкой и инфранизкой частот появляется погрешность в формировании выходного сигнала. Действительно, при низких частотах входного сигнала значительно увеличивается время между подачей стробирующих импульсов с выхода второго одновибратора на второй вход устройства выборки-хранения. Следовательно, за время между двумя соседними стробирующими импульсами, реальный запоминающий конденсатор, то есть конденсатор с потерями устройства выборки-хранения, сможет значительно разрядиться, что неизбежно приведет к дополнительной погрешности устройства.

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является, принятый за прототип, удвоитель частоты сигнала [3], содержащий формирователь биполярных импульсов, первый и второй формирователи коротких импульсов, инвертор, первый и второй управляемые интеграторы, каждый из которых выполнен из интегрирующего усилителя и ключа, схему сравнения и выходной формирователь, при этом первый и второй входы схемы сравнения подключены к выходам, соответственно, первого и второго управляемых интеграторов, инвертор включен между выходом формирователя биполярных сигналов и первым входом первого управляемого интегратора, второй вход которого соединен с выходом первого формирователя коротких импульсов, вход которого соединен с входом формирователя биполярных импульсов и входом второго формирователя коротких импульсов, к выходу которого подключен второй вход второго управляемого интегратора, первый вход которого соединен с выходом формирователя биполярных импульсов, причем к выходу схемы сравнения подключен первый вход выходного формирователя, выход которого соединен с выходом удвоителя частоты сигнала, вход которого соединен с входом формирователя биполярных импульсов и вторым входом выходного формирователя.

При подаче на вход устройства сигнала прямоугольной формы, то есть видеоимпульсов, с амплитудным значением, изменяющимся в широких пределах, на выходе устройства также формируются сигналы прямоугольной формы, с частотой, равной удвоенной частоте входного сигнала. Кроме того, при подаче на вход преобразователя периодических сигналов синусоидальной, треугольной, трапецеидальной или иной формы потребуется дополнительный входной преобразователь, преобразующий эти сигналы в сигналы прямоугольной формы (видеоимпульсы).

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства путем получения на его выходе напряжения, пропорционального периоду входных сигналов различной формы.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей путем получения на его выходе напряжения пропорционального периоду входного сигнала.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в преобразователь период - напряжение, содержащий формирователь биполярных импульсов, первый и второй формирователи коротких импульсов, инвертор, первый и второй управляемые интеграторы, при этом инвертор включен между выходом формирователя биполярных импульсов и первым входом первого управляемого интегратора, второй вход которого подключен к выходу первого формирователя коротких импульсов, причем к выходу формирователя биполярных импульсов подключен первый вход второго управляемого интегратора, второй вход которого соединен с выходом второго формирователя коротких импульсов, вход которого соединен с входом первого формирователя коротких импульсов, а вход преобразователя период - напряжение соединен с входом формирователя биполярных импульсов, дополнительно введен сумматор, первый и второй входы которого подключены к выходам, соответственно, первого и второго управляемых интеграторов, при этом выход формирователя биполярных импульсов соединен с входом первого формирователя коротких импульсов, а выход сумматора соединен с выходом преобразователя период - напряжение.

Формирователь биполярных импульсов может быть выполнен из операционного усилителя, двуханодного стабилитрона и резистора, включенного между инвертирующим входом операционного усилителя и входом формирователя биполярных импульсов, выход которого соединен с выходом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, при этом двуханодный стабилитрон включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Введение в предлагаемый преобразователь период - напряжение дополнительного сумматора, а также организация новых связей между функциональными элементами позволило расширить функциональные возможности устройства и получить на его выходе напряжение, пропорциональное периоду входного сигнала.

Изобретение поясняется структурной схемой преобразователя период - напряжение, изображенной на фиг. 1, и графиками, поясняющими принцип работы преобразователя период - напряжение - на фиг. 2.

Преобразователь период - напряжение содержит формирователь биполярных импульсов 1, первый 2 и второй 3 формирователи коротких импульсов, инвертор 4, первый 5 и второй 6 управляемые интеграторы и сумматор 7, первый и второй входы которого подключены к выходам, соответственно, первого 5 и второго 6 управляемых интеграторов, при этом между выходом формирователя биполярных импульсов 1 и вторыми входами, соответственно, первого 5 и второго 6 управляемых интеграторов включены первый 2 и второй 3 формирователи коротких импульсов соответственно, первый вход второго управляемого интегратора 6 подключен к выходу формирователя биполярных импульсов 1, между выходом которого и первым входом первого управляемого интегратора 5 включен инвертор 4, причем выход сумматора 7 соединен с выходом преобразователя период - напряжение, входная шина которого соединена с входом формирователя биполярных импульсов 1.

Формирователь биполярных импульсов 1 может быть выполнен из операционного усилителя 8, двуханодного стабилитрона 9 и резистора 10, включенного между инвертирующим входом операционного усилителя 8 и входом формирователя биполярных импульсов 1, выход которого соединен с выходом операционного усилителя 8, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, при этом двуханодный стабилитрон 9 включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 8.

Преобразователь период - напряжение работает следующим образом.

На вход преобразователя можно подавать периодические сигналы различной формы (гармонические, биполярные прямоугольной формы, сигналы треугольной и трапецеидальной формы). Главное требование к таким сигналам - равенство длительностей в течение первого и второго полупериодов, с тем чтобы сигнал V(t) на выходе формирователя биполярных импульсов 1 имел скважность равную двум.

При подаче на входную шину, например, гармонического сигнала S₁(t)=A₁sin(ωt) с амплитудным значением A₁ и частотой ω=2πf (фиг. 2, а) на выходе формирователя 1 формируется (фиг. 2, б) последовательность биполярных прямоугольных импульсов V(t) с амплитудным значением V_m.

Одновибраторы 2 и 3, срабатывающие, соответственно, по задним и передним фронтам сигнала V(t) формируют соответствующие узкие стробирующие импульсы D₁ (фиг. 2, в) и D₂ (фиг. 2, д).

На первый вход второго управляемого интегратора 6 подается сигнал V(t), а на первый вход первого управляемого интегратора 5 - инвертированный сигнал U(t)=-V(t), амплитудное значение которого U_m (фиг. 2, г) будет равно амплитудному значению V_m сигнала V(t).

Управляемые интеграторы 5 и 6 являются инвертирующими, поэтому их выходные сигналы L₁(t) и L₂(t) будут сдвинуты по отношению к входным на 180 электрических градусов.

При поступлении биполярных сигналов V(t) и U(t) на первые входы управляемых интеграторов 5 и 6, на их выходах начинают формироваться (фиг. 2, е и фиг. 2, ж) линейно изменяющие сигналы L₁(t) и L₂(t), максимальные (амплитудные) значения которых L_m1 и L_m2 будут зависеть от амплитудных значений U_m и V_m соответствующих сигналов и постоянных времени τ₁ и τ₂ соответствующих управляемых интеграторов 5 и 6.

Стробирующие импульсы D₁ и D₂, поступающие на вторые входы управляемых интеграторов 5 и 6, производят их сброс, то есть «привязку» к нулевому уровню соответствующих сигналов L₁(t) и L₂(t), что исключает смещение («сползание») этих сигналов из-за наличия различных дестабилизирующих факторов и, прежде всего, из-за дрейфа нулевого уровня самих интеграторов.

Для нахождения аналитических выражений сигналов L₁(t) и L₂(t) используем общее выражение для прямой y=kx+b, проходящей через две точки с координатами (x₁,y₁) и (x₂,y₂)

где x=ωt - текущее значение угла в радианах.

Подставив в (1) координаты двух граничных точек для первого участка формируемых сигналов L₁(x) и L₂(t), получим

Подставив в (1) координаты двух граничных точек для второго участка формируемых сигналов L_x(x) и L₂(t), получим

В результате суммирования сигналов L₁(t) и L₂(t) на выходе инвертирующего сумматора 7 формируется (фиг. 2, з) сигнал

где k₁ и k₂ - коэффициенты передачи сумматора 7, соответственно, по первому и второму входам.

При совместном решении (2) и (5) получим для первого интервала x∈[0;π]:

Подставив (3) в (5), получим для второго интервала x∈[π;2π]:

При k₁=k₂=K и L_m1=L_m2=L_m выражения (6) и (7) упрощаются, поэтому

Как следует из уравнения (8) выходное напряжение E_T=K·L_m на всем интервале формирования x∈[π;2π], то есть в пределах периода Т₀, остается величиной постоянной, причем выражение (8) будет справедливо для любого текущего значения угла x.

Найдем максимальное значение L_m1 (фиг. 2, е) сигнала L₁(t) с помощью выражения

где U_m - амплитудное значение сигнала U(t); τ₁ - постоянная времени первого управляемого интегратора 5; Т₀=1/f - период входного сигнала S₁(t), x=ωt - текущее значение угла в радианах.

По аналогии вычислим максимальное значение L_m2 сигнала L₂(t)

где V_m - амплитудное значение сигнала V(t); τ₂ - постоянная времени второго управляемого интегратора 6.

При U_m=V_m и равенстве постоянных времени τ₁=τ₂=τ максимальные значения сигналов L₁(t) и L₂(t) будут равны

Предлагаемое изобретение может быть использовано системах автоматического управления, в измерительных устройствах, в управляемых фазовращателях, а также при построении многофазных генераторов.

Преобразователь может работать с периодическими сигналами различной формы и может быть выполнен в интегральном исполнении, что является достоинством предлагаемого изобретения.

Источники информации

1. Патент РФ №2030108, H03K 9/06. Сумачев Ю.Н., Чалов Е.И. Преобразователь период - напряжение, заявл. 27.02.1995, опубл. 27.02.1995.

2. Патент РФ №2520409, H03K 7/06. Дубровин B.C., Зюзин A.M. Преобразователь периодического сигнала в частоту и период, заявл. 25.09.2012, опубл. 27.06.2014, Бюл. №18.

3. А.с. СССР №828366, H03B 19/06. Заклецкая Ж.Я. Удвоитель частоты сигнала, заявл. 18.07.1979, опубл. 07.05.1981. Бюл. №17 (прототип).

1. Преобразователь период-напряжение, содержащий формирователь биполярных импульсов, первый и второй формирователи коротких импульсов, инвертор, первый и второй управляемые интеграторы, при этом инвертор включен между выходом формирователя биполярных импульсов и первым входом первого управляемого интегратора, второй вход которого подключен к выходу первого формирователя коротких импульсов, причем к выходу формирователя биполярных импульсов подключен первый вход второго управляемого интегратора, второй вход которого соединен с выходом второго формирователя коротких импульсов, вход которого соединен с входом первого формирователя коротких импульсов, а вход преобразователя период-напряжение соединен с входом формирователя биполярных импульсов, отличающийся тем, что в него дополнительно введен сумматор, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго управляемых интеграторов, при этом выход формирователя биполярных импульсов соединен с входом первого формирователя коротких импульсов, а выход сумматора соединен с выходом преобразователя период-напряжение.

2. Преобразователь период-напряжение по п. 1, отличающийся тем, что формирователь биполярных импульсов выполнен из операционного усилителя, двуханодного стабилитрона и резистора, включенного между входом формирователя биполярных импульсов и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, при этом двуханодный стабилитрон включен между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с выходом формирователя биполярных импульсов.