Преобразователь частота - напряжение

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах автоматического управления, в том числе в управляемых фазовращателях, а также при построении многофазных генераторов. Технический результат заключается в обеспечении преобразования периодических сигналов различной формы. Преобразователь включает формирователь биполярных сигналов со скважностью сигналов равной двум, формирователи коротких, стробирующих импульсов 2 и 3, инвертор 4, первый 5 и второй 6 управляемые интеграторы, а выходной формирователь 7 выполнен из первого 8 и второго 9 сумматоров, логической схемы «НЕ» 10, делителя 11 и источника опорного напряжения 12. При этом на вход преобразователя можно подавать периодические сигналы различной формы: гармонические, биполярные прямоугольной формы, сигналы треугольной формы и трапецеидальной. 3 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 формирователь входных импульсов, дозирующее устройство, входную и выходную шины, аналоговые ключи, синхронизированные генераторы, два логических элемента «ИЛИ», распределитель, D-триггеры, формирователь импульса записи, формирователь заднего фронта, фильтр нижних частот, шину сигнала перегрузки и конденсатор. Устройство позволяет получить на выходе сигнал, пропорциональный частоте входного источника, имеет высокое быстродействие, 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 частоте 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 устройства выборки-хранения, то есть конденсатор с потерями, 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.

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

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

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в преобразователе частота - напряжение, содержащем формирователь биполярных импульсов, первый и второй формирователи коротких импульсов, инвертор, первый и второй управляемые интеграторы, выходной формирователь выполнен из первого и второго сумматоров, логической схемы «НЕ», делителя и источника опорного напряжения, минусовой зажим которого соединен с общей шиной, а плюсовой с - первым входом делителя, выход которого соединен с выходом выходного формирователя, выход которого соединен с выходной шиной преобразователя частота - напряжение, к входной шине которого подключен вход формирователя биполярных импульсов, между выходом которого и первым входом первого управляемого интегратора включен инвертор, а первый вход второго управляемого интегратора соединен с выходом формирователя биполярных импульсов, при этом первый вход выходного формирователя соединен с первыми входами первого и второго сумматоров, вторые входы которых соединены со вторым входом выходного формирователя, логическая схема «НЕ» включена между выходом первого сумматора и третьим входом второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом делителя, причем первый формирователь коротких импульсов включен между входной шиной преобразователь частота - напряжение и вторым входом первого управляемого интегратора, второй формирователь коротких импульсов включен между входной шиной преобразователь частота - напряжение и вторым входом второго управляемого интегратора, а первый и второй входы выходного формирователя подключены к выходам, соответственно, первого и второго управляемых интеграторов.

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».

Выполнение выходного формирователя из двух сумматоров, логической схемы «НЕ», делителя и источника опорного напряжения, а также организация новых связей между функциональными элементами позволило расширить функциональные возможности устройства и получить на его выходе напряжение, пропорциональное частоте входного сигнала.

Изобретение поясняется структурной схемой преобразователя частота - напряжение, изображенной на фиг. 1, и графиками, поясняющими принцип работы преобразователя частота - напряжение - на фиг. 2 и фиг. 3.

Преобразователь частота - напряжение содержит формирователь биполярных импульсов 1, первый 2 и второй 3 формирователи коротких импульсов, инвертор 4, первый 5 и второй 6 управляемые интеграторы и выходной формирователь 7, который выполнен из первого 8 и второго сумматоров, логической схемы «НЕ» 10, делителя 11 и источника опорного напряжения 12, минусовой зажим которого соединен с общей шиной, а плюсовой с - первым входом делителя 11, выход которого соединен с выходом выходного формирователя 7, выход которого соединен с выходной шиной преобразователя частота - напряжение, к входной шине которого подключен вход формирователя биполярных импульсов 1, между выходом которого и первым входом первого управляемого интегратора 5 включен инвертор 4, а первый вход второго управляемого интегратора 6 соединен с выходом формирователя биполярных импульсов 1, при этом первый вход выходного формирователя 7 соединен с первыми входами первого 8 и второго 9 сумматоров, вторые входы которых соединены со вторым входом выходного формирователя 7, логическая схема «НЕ» 10 включена между выходом первого сумматора 8 и третьим входом второго сумматора 9, выход которого соединен со вторым входом делителя 11, причем первый формирователь коротких импульсов 2 включен между входной шиной преобразователь частота - напряжение и вторым входом первого управляемого интегратора 5, второй формирователь коротких импульсов 3 включен между входной шиной преобразователь частота напряжение и вторым входом второго управляемого интегратора 6, а первый и второй входы выходного формирователя 7 подключены к выходам, соответственно, первого 5 и второго 6 управляемых интеграторов.

Преобразователь частота - 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 прямоугольной формы на выходе формирователя биполярных импульсов 1 имел скважность, равную двум.

При подаче на входную шину, например, гармонического сигнала S(t)=Asin(ωt) с амплитудным значением А и частотой ω=2πf (фиг. 2, а) на выходе формирователя 1 формируется (фиг. 2, б) последовательность биполярных прямоугольных импульсов V₁(t) с амплитудным значением V_m1.

Одновибраторы 2 и 3, срабатывающие, соответственно, по задним и передним фронтам сигнала V₁(t), формируют соответствующие узкие стробирующие импульсы D₁ (фиг. 2, в) и D₂ (фиг. 2, д).

На первый вход второго управляемого интегратора 6 подается сигнал V₁(t), а на первый вход первого управляемого интегратора 5 - инвертированный сигнал V₂(t)=-V₁(t). Поскольку модуль коэффициента передачи инвертора равен единице, то амплитудное значение V_m2 (фиг. 2, г) сигнала V₂(t) будет равно амплитудному значению V_m1 сигнала V₁(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 V₁(t) и V₂(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 V_m1 и V_m2 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.

При запуске преобразователя в течение первого полупериода (когда значение текущего угла х=ωt изменяется в диапазоне от 0 до π) происходит изменение сигнала L₂(t) в положительном направлении (фиг. 2, ж). Затем при поступлении стробирующего импульса D₂ на второй вход управляемого интегратора 6 происходит сброс сигнала L₂(t) до нулевого значения. Далее полярность формируемого сигнала остается отрицательной (фиг. 2, ж).

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

где Т₀=1/f - период входного сигнала S(t).

По аналогии вычислим максимальное значение L_m2 сигнала L₂(t)

При V_m1=V_m2=V_m и равенстве постоянных времени τ₁=τ₂=τ максимальные значения сигналов L₁(t) и L₂(t) будут равны

Напряжение E_F, пропорциональное частоте f входного сигнала S(t), формируется следующим образом.

В результате суммирования сигналов L₁(t) и L₂(t) на выходе инвертирующего сумматора 8 формируется (фиг. 3, в) сигнал

где k₁₁ и k₁₂ - коэффициенты передачи сумматора 8, соответственно, по первому и второму входам.

При равенстве коэффициентов передачи k₁₁=k_]2=α и при равенстве амплитудных значений L_m1=L_m2=L_m линейно-изменяющихся сигналов L₁(t) и L₂(t) выходной сигнал М₁(t) будет иметь (фиг. 3, в) нулевое значение на интервале х∈[0;π], то есть информационная составляющая на этом участке (в пределах первого полупериода) будет отсутствовать E_T1=0.

Для всех остальных участков величина постоянного напряжения

то есть напряжение E_T1, формируемое на выходе сумматора 8, будет пропорционально периоду Т₀ входного сигнала S(t).

Поскольку частота f обратно пропорциональна периоду Т₀, то напряжение E_F, пропорциональное частоте, можно найти с помощью формулы

Реализовать (6) можно с помощью делителя 11, подав на его первый вход непосредственно с выхода первого сумматора 8 сигнал, а на второй вход - опорное напряжение E_ОП, величина которого в частном случае может быть равна единице Е_ОП=1.

Однако реализация алгоритма (6) вызывает определенные трудности, поскольку при запуске преобразователя частота-напряжение (первый полупериод) напряжение Е_Т1 равно нулю и поэтому формируемое напряжение E_F будет стремиться теоретически к бесконечности.

Для уменьшения выбросов напряжения E_F при пуске можно на выходе преобразователя частота-напряжение включить дополнительный ограничитель либо ограничивать выброс на уровне питающего напряжения. В некоторых случаях подобные решения не могут считаться оптимальными, поэтому в предлагаемом изобретении задача уменьшения первоначального выброса напряжения E_F решается следующим образом.

В то время когда сигнал E_T1 будет равен нулю (первый полупериод), необходимо сформировать (фиг. 3, г) одиночный импульс N(t) длительностью τ_и=T₀/2 определенной амплитуды N_m, с тем чтобы осуществить операцию деления E_f=E_ОП/Е_Т.

Данная операция выполняется с помощью логической схемы «НЕ» 10. При подаче сигнала N(t) на вход логической схемы «НЕ» 10 на ее выходе будет сформирован (фиг. 3, г) одиночный импульс N(t) положительной полярности, который поступает на третий (инвертирующий) вход сумматора 9.

В результате суммирования сигналов L₁(t), L₂(t) и N(t) на выходе сумматора 9 формируется (фиг. 3, д) сигнал

где k₂₁, k₂₂ и k₂₃ - коэффициенты передачи сумматора 9 по соответствующим входам.

При этом следует отметить, что сигнал N(t) будет действовать только в течение первого полупериода и в дальнейшем формировании сигнала М₂(х) принимать участие не будет, поэтому выражение (7) может быть записано в следующем виде:

При равенстве коэффициентов передачи k₂₁=k₂₂=β информационная составляющая Е_Т2 сигнала М₂(х) будет равна

При совместном решении (6) и (9) получим

откуда следует, что напряжение E_F будет изменяться пропорционально частоте f входного сигнала S(t).

Предлагаемое изобретение может быть использовано в 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. А. с. СССР №1208600, Н03К 7/06. Модла Р.Н., Погрибной В.А. Преобразователь частоты в напряжение, заявл. 12.07.1984, опубл. 30.01.1986. Бюл. №4.

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, Н03В 19/06. Заклецкая Ж.Я. Удвоитель частоты сигнала, заявл. 18.07.1979, опубл. 07.05.1981. Бюл. №17 (прототип).

Преобразователь частота - напряжение, содержащий формирователь биполярных импульсов, первый и второй формирователи коротких импульсов, инвертор, первый и второй управляемые интеграторы и выходной формирователь, выход которого соединен с выходной шиной преобразователя частота - напряжение, к входной шине которого подключен вход формирователя биполярных импульсов, между выходом которого и первым входом первого управляемого интегратора включен инвертор, а первый вход второго управляемого интегратора соединен с выходом формирователя биполярных импульсов, отличающийся тем, что выходной формирователь выполнен из первого и второго сумматоров, логической схемы «НЕ», делителя и источника опорного напряжения, минусовой зажим которого соединен с общей шиной, а плюсовой - с первым входом делителя, выход которого соединен с выходом выходного формирователя, первый вход которого соединен с первыми входами первого и второго сумматоров, вторые входы которых соединены со вторым входом выходного формирователя, логическая схема «НЕ» включена между выходом первого сумматора и третьим входом второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом делителя, при этом первый формирователь коротких импульсов включен между входной шиной преобразователь частота - напряжение и вторым входом первого управляемого интегратора, второй формирователь коротких импульсов включен между входной шиной преобразователь частота - напряжение и вторым входом второго управляемого интегратора, а первый и второй входы выходного формирователя подключены к выходам соответственно первого и второго управляемых интеграторов.