ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРИОДИЧЕСКОГО СИГНАЛА В ЧАСТОТУ И ПЕРИОД Российский патент 2014 года по МПК H03K7/06 

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 источник гармонического сигнала и RC-цепь, обладающую свойствами реального дифференцирующего звена с передаточной функцией H(s)=[τ·s/(τ·s+1)], где τ=R·C - постоянная времени цепи; R - сопротивление резистора; C - емкость конденсатора; s - комплексная переменная.

Устройство позволяет получить на выходе только один сигнал, зависящий от частоты входного источника. Однако напряжение на выходе цепи зависит не только от частоты f, но и амплитуды A входного сигнала, что является существенным недостатком подобного преобразователя. Кроме того, при изменении частоты f в широких пределах неизбежно возникает дополнительная погрешность, связанная с неидеальностью дифференцирующей цепочки, поскольку коэффициент передачи реального дифференцирующего звена $$H_R\left(f\right)=2\pi f\tau /\sqrt{1+{\left(2\pi f\tau \right)}^2}$$ отличается от коэффициента передачи идеального дифференцирующего звена H₁(f)=2πfτ. К недостаткам следует также отнести и невозможность работы преобразователя от источника с формой сигнала, отличной от гармонического.

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является принятый за прототип преобразователь период-напряжение [2], который содержит 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 с 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 является достаточно сложным и позволяет получить на выходе только один сигнал, пропорциональный периоду входного источника.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей путем получения на выходах преобразователя периодического сигнала в частоту и период двух сигналов с высокой линейностью, один из которых изменяется пропорционально периоду, а другой - пропорционально частоте входного сигнала, с изменяющимися в широких пределах амплитудой и частотой.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в преобразователь периодического сигнала в частоту и период, содержащий компаратор, первый и второй одновибраторы, устройство выборки-хранения, источник постоянного напряжения, ключ, первый и второй резисторы и конденсатор, причем инвертирующий и неинвертирующий входы компаратора соединены соответственно с общей шиной и входом преобразователя периодического сигнала в частоту и период, между выходом компаратора и управляющим входом ключа включен первый одновибратор, выход устройства выборки-хранения соединен с выходом преобразователя периодического сигнала в частоту и период, при этом к отрицательному зажиму источника постоянного напряжения подключены последовательно соединенные первый и второй резисторы, дополнительно введены второй компаратор, операционный усилитель и формирователь сигнала, пропорционального частоте входного сигнала, при этом неинвертирующий и инвертирующий входы операционного усилителя подключены соответственно к общей шине и к общей точке соединения первого и второго резисторов, между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя включен конденсатор, нормально разомкнутый контакт ключа включен между свободным выводом второго резистора и выходом операционного усилителя, выход которого соединен с первым входом устройства выборки-хранения, второй вход которого подключен к выходу второго одновибратора, вход которого соединен с выходом второго компаратора, неинвертирующий и инвертирующий входы которого соединены соответственно с общей шиной и входом преобразователя периодического сигнала в частоту и период, к выходу которого подключен вход формирователя сигнала, пропорционального частоте входного сигнала, выход которого соединен со вторым выходом преобразователя периодического сигнала в частоту и период.

Формирователь сигнала, пропорционального частоте входного сигнала, выполнен из делителя, блока задержки и источника опорного напряжения, отрицательный зажим которого соединен с общей шиной, а к его положительному зажиму подключен вход блока задержки, выход которого соединен с первым входом делителя, второй вход и выход которого соединены соответственно с входом и выходом формирователя сигнала, пропорционального частоте входного сигнала.

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

Введение в предлагаемый преобразователь периодического сигнала в частоту и период второго компаратора, операционного усилителя и формирователя сигнала, пропорционального частоте входного сигнала, а также выполнение формирователя сигнала, пропорционального частоте входного сигнала, и организация новых связей между функциональными элементами позволило получить на выходах преобразователя периодического сигнала в частоту и период сигналы с высокой линейностью, пропорциональные периоду и частоте входного источника, при изменении его параметров в широком диапазоне.

Изобретение поясняется структурной схемой преобразователя периодического сигнала в частоту и период, изображенной на фиг.1, и графиками, поясняющими принцип работы преобразователя периодического сигнала в частоту и период - на фиг.2.

Преобразователь периодического сигнала в частоту и период содержит два компаратора 1 и 10, два одновибратора 2 и 3, устройство выборки-хранения 4, формирователь сигнала, пропорционального частоте входного сигнала 12, операционный усилитель 11, источник постоянного напряжения 5, ключ 6, первый 7 и второй 8 резисторы и конденсатор 9, причем вход преобразователя периодического сигнала в частоту и период соединен с неинвертирующим входом компаратора 1 и инвертирующим входом второго компаратора 10, между выходом компаратора 1 и управляющим входом ключа 6 включен первый одновибратор 2, второй одновибратор 3 включен между выходом второго компаратора 10 и вторым входом устройства выборки-хранения 4, выход которого соединен с выходом преобразователя периодического сигнала в частоту и период и с входом формирователя сигнала, пропорционального частоте входного сигнала 12, выход которого соединен со вторым выходом преобразователя периодического сигнала в частоту и период, при этом к отрицательному зажиму источника постоянного напряжения 5 подключены последовательно соединенные первый 7 и второй 8 резисторы, к общей точке соединения которых подключен инвертирующий вход операционного усилителя 11, между выходом и инвертирующим входом которого включен конденсатор 9, нормально разомкнутый контакт ключа 6 включен между свободным выводом второго резистора 8 и выходом операционного усилителя 11, выход которого соединен с первым входом устройства выборки-хранения 4, при этом инвертирующий вход компаратора 1, неинвертирующий вход второго компаратора 10 и положительный зажим источника постоянного напряжения 5 соединены с общей шиной.

При этом формирователь сигнала, пропорционального частоте входного сигнала 12, выполнен из делителя 13, блока задержки 14 и источника опорного напряжения 15, отрицательный зажим которого соединен с общей шиной, а к его положительному зажиму подключен вход блока задержки 14, выход которого соединен с первым входом делителя 13, второй вход и выход которого соединены соответственно с входом и выходом формирователя сигнала, пропорционального частоте входного сигнала 12.

Преобразователь периодического сигнала в частоту и период работает следующим образом.

На неинвертирующий вход первого 1 и инвертирующий вход второго 10 компараторов поступает периодический сигнал, например (фиг.2) синусоидальной формы

где A₀ - амплитуда сигнала N₀(t); x=ωt - текущее значение угла, выраженное в радианах.

На выходе компаратора 1 формируется сигнал M₁(t) прямоугольной формы, поступающий на вход первого одновибратора 2, а на выходе второго компаратора 10 формируется сигнал M₂(t) прямоугольной формы, поступающий на вход второго одновибратора 3.

На выходе одновибратора 2 формируется последовательность узких импульсов V₁(t), привязанных к переднему фронту сигнала M₁(t), а на выходе одновибратора 3 формируется последовательность узких импульсов V₂(t), привязанных к переднему фронту сигнала M₂(t).

Поскольку сигналы M₁(t) и M₂(t) сдвинуты по фазе на 180 градусов, то импульсные последовательности V₁(t) и V₂(t) также будут сдвинуты между собой на 180 градусов (фиг.2).

Операционный усилитель 11, первый резистор 7 и конденсатор 9 образуют интегратор с передаточной функцией

где τ=R·C - постоянная времени фазовращателя 1; R - сопротивление резистора 7; C - емкость конденсатора 9; s - комплексная переменная.

Второй резистор 8 служит для ограничения величины тока разряда конденсатора 9, который происходит при замыкании ключа 6.

Импульсы с выхода первого одновибратора 2 поступают на управляющий вход ключа 6, а импульсы с выхода второго одновибратора 3 - на второй вход устройства выборки-хранения.

При разомкнутом ключе 6 конденсатор 9 заряжается по линейному закону от источника постоянного напряжения 5 через резистор 7. Поскольку операционный усилитель 11 является инвертирующим, то на выходе операционного усилителя 11, то есть на выходе интегратора, формируется линейно нарастающее напряжение L положительной полярности (фиг.2). Крутизна нарастания и максимальный уровень этого напряжения будут зависеть от постоянной времени интегратора τ и величины напряжения E₁, поступающего на вход интегратора от источника постоянного напряжения 5.

Запоминание напряжения L происходит в момент подачи стробирующего импульса V₂(t), поступающего на второй вход устройства выборки-хранения 4. Выбор постоянной времени интегратора и величины напряжения позволит в момент поступления стробирующего импульса получить (фиг.2) на выходе устройства выборки-хранения 4 сигнал N₁, пропорциональный периоду T входного сигнала N₀(t):

где k₁ - коэффициент пропорциональности.

Сброс интегратора, то есть разряд конденсатора 9, происходит в момент подачи узкого импульса V₁(t) на управляющий вход ключа 6. В этот момент происходит быстрый разряд конденсатора 9 до нуля, при этом величина тока разряда ограничивается величиной малого сопротивления резистора 8.

Затем процесс заряда-разряда конденсатора 9, то есть формирование линейно изменяющегося напряжения, повторяется (фиг.2).

Формирование на втором выходе преобразователя сигнала N₂(t), пропорционального частоте f входного сигнала N₀(t), происходит в формирователе сигнала, пропорционального частоте входного сигнала 12, следующим образом.

На первый вход делителя 13 от источника опорного напряжения 15 через блок задержки 14 подается напряжение E₀=1, а на второй вход делителя 13 подается напряжение N₁ с первого выхода преобразователя периодического сигнала в частоту и период.

В результате выполнения математической операции деления на выходе делителя 13, то есть на втором выходе преобразователя периодического сигнала в частоту и период, формируется сигнал, пропорциональный частоте f входного сигнала N₀(t)

где k₂=m/k₁ - коэффициент пропорциональности, m - масштабный коэффициент делителя 13; f=1/T.

Блок задержки 14 необходим для правильной работы делителя 13, поскольку исключает выполнение математической операции деления одной величины (напряжение E₀) на другую (напряжение N₁), имеющую в начальный момент времени (при пуске) нулевое значение. Величина задержки τ₂ (фиг.2), формируемой блоком задержки 14, должна несколько превышать значение времени τ₁, то есть τ₂>τ₁.

Преобразователь периодического сигнала в частоту и период может работать с периодическими сигналами различной (синусоидальной, треугольной, трапецеидальной, прямоугольной) формы и может быть выполнен в интегральном исполнении, что является достоинством предлагаемого изобретения. Выходные характеристики, то есть зависимости формируемых выходных сигналов от параметров (периода и частоты) входного сигнала, линейны в широком диапазоне их изменения, что также является достоинством предлагаемого изобретения.

Источники информации

1. Кузнецов Э. Два аналоговых частотомера. Журнал «Радио», 2009, №7, с.74 - рис.1.

2. Патент РФ №2030108, H03K 9/06. Сумачев Ю.Н., Чалов Е.И. Преобразователь период - напряжение. 1995 г.

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. Техническим результатом является обеспечение возможности получения на выходах преобразователя двух сигналов с высокой линейностью, один из которых изменяется пропорционально периоду, а другой - пропорционально частоте входного сигнала, с изменяющимися в широких пределах амплитудой и частотой. Устройство содержит компараторы, одновибраторы, устройство выборки-хранения, источник постоянного напряжения, ключ, резисторы, конденсатор, операционный усилитель и формирователь сигнала, пропорционального частоте входного сигнала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь периодического сигнала в частоту и период, содержащий компаратор, первый и второй одновибраторы, устройство выборки-хранения, источник постоянного напряжения, ключ, первый и второй резисторы и конденсатор, причем инвертирующий и неинвертирующий входы компаратора соединены соответственно с общей шиной и входом преобразователя, между выходом компаратора и управляющим входом ключа включен первый одновибратор, выход устройства выборки-хранения соединен с выходом преобразователя периодического сигнала в частоту и период, при этом к отрицательному зажиму источника постоянного напряжения подключены последовательно соединенные первый и второй резисторы, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй компаратор, операционный усилитель и формирователь сигнала, пропорционального частоте входного сигнала, при этом неинвертирующий и инвертирующий входы операционного усилителя подключены соответственно к общей шине и к общей точке соединения первого и второго резисторов, между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя включен конденсатор, нормально разомкнутый контакт ключа включен между свободным выводом второго резистора и выходом операционного усилителя, выход которого соединен с первым входом устройства выборки-хранения, второй вход которого подключен к выходу второго одновибратора, вход которого соединен с выходом второго компаратора, неинвертирующий и инвертирующий входы которого соединены соответственно с общей шиной и входом преобразователя периодического сигнала в частоту и период, к выходу которого подключен вход формирователя сигнала, пропорционального частоте входного сигнала, выход которого соединен со вторым выходом преобразователя периодического сигнала в частоту и период.

2. Преобразователь периодического сигнала в частоту и период п.1, отличающийся тем, что формирователь сигнала, пропорционального частоте входного сигнала, выполнен из делителя, блока задержки и источника опорного напряжения, отрицательный зажим которого соединен с общей шиной, а к его положительному зажиму подключен вход блока задержки, выход которого соединен с первым входом делителя, второй вход и выход которого соединены соответственно с входом и выходом формирователя сигнала, пропорционального частоте входного сигнала.