ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ ЧАСТОТА-КОД Российский патент 2016 года по МПК H03M1/88 

Изобретение относится к измерительной технике и автоматике и может использоваться для работы с различными датчиками неэлектрических величин в частоту синусоидальных сигналов в информационно-измерительных устройствах при контроле и управлении технологическими процессами и в других отраслях промышленности для прецизионного измерения отклонений частоты от номинального значения в определенном диапазоне частот.

Известен частотомер номинальных значений (Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства. М.: Высшая школа, 1981. С. 150-153), в котором импульсы измеряемой частоты после усилителя-формирователя и заполнения цифрового счетчика до определенного числа, соответствующего номинальному значению, управляют через триггер открытием ключа на время отношения номинальной частоты к измеряемой. За это же время реверсивный счетчик из начального заданного перед измерением значения отсчета, равного удвоенному произведению номинальной частоты на отношение опорной частоты к номинальной, вычитает импульсы опорной частоты, поступающие на него от генератора импульсов, формируя показания, пропорциональные измеряемой частоте.

Недостатками аналогов являются малый диапазон измерений, что не пригодно для работы с различными преобразователями неэлектрических величин в частоту, и большая методическая погрешность измерения.

Известен также цифровой измеритель отклонения измеряемой частоты от номинальной (А.с. 300833 СССР, МКИ G01R 17/00, опубл. 10.06.1971. Бюл. №13), содержащий формирователь импульсов измеряемой частоты, ключи, генератор образцовой частоты, блок управления и счетчик импульсов, в котором для устранения методической погрешности измерения, расширения диапазона измерения и повышения быстродействия используют счетчик с предустановкой, схемы сравнения прямого и обратного кодов, схему совпадения и интегратор с последовательным переносом, выход которого соединен с входом счетчика с предустановкой, выход кода которого связан с первыми входами схемы сравнения прямого и обратного кодов, вторые входы которых подключены к выходам прямого и обратного кодов управляющего счетчика интегратора с последовательным переносом, выходы которого через схему совпадения подключены к входу установки начального состояния счетчика с предустановкой.

Основным существенным недостатком цифрового измерителя отклонения измеряемой частоты от номинальной являются низкие быстродействие и точность, сложность, большое количество операций по обработке синусоидальных сигналов и необходимость вычитания из текущего значения частоты ее начального значения, соответствующего нулевому значению измеряемого параметра, что требует включения дополнительного устройства, влекущего за собой дополнительное усложнение и снижение надежности устройства.

Кроме того, общим недостатком всех частотомеров и преобразователей частота-код синусоидальных сигналов является выполнение требования отсутствия гармоник и необходимость дополнительного преобразования входного аналогового сигнала в импульсную форму.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения номинальной частоты синусоидальных сигналов (Пат. РФ №2503019, МПК G01R 23/00, опубл. 27.12.2013, Бюл. №36), состоящее из преобразователя частота-код, содержащего генератор образцовой частоты, ключ, схему И, счетчик импульсов и блок индикации, снабженный микроконтроллером, вход которого соединен с выходом счетчика импульсов, а выход - с индикатором, компаратором фаз, на первый вход которого синусоидальный сигнал с выхода датчика поступает через электронно-управляемый фазовращатель и усилитель, а на второй - он поступает непосредственно от датчика с частотным выходом, одновибратором, запускающим генератор пилообразного напряжения, который управляет фазовращателем до равенства фаз на компараторе.

Основным существенным недостатком устройства измерения номинальной частоты синусоидальных сигналов является сложность и недостаточная надежность.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение схемы преобразователя физических параметров от аналоговых датчиков с частотным выходом с использованием минимального набора стандартных функциональных узлов, что обеспечит высокую надежность.

Поставленная задача решается использованием функционального преобразователя синусоидальных сигналов частота-код, содержащего электронно-управляемый фазовращатель, компаратор фаз, ключ, одновибратор, в котором согласно изобретению выход компаратора через ключ соединен с первым входом функционального генератора, законы разверток которого заложены в программу в виде градуировочных характеристик различных частотных датчиков в микроконтроллере, соединенном с его третьим входом, второй вход соединен с одновибратором, а выход соединен с преобразователем напряжение-код и управляющим входом фазовращателя.

Технический результат достигается использованием электронно-управляемого функциональным генератором развертки фазовращателя для фазовой автоподстройки частоты синусоидального сигнала с выхода датчика.

Сущность технического решения поясняется структурной схемой функционального преобразователя синусоидальных сигналов частота-код, показанной на чертеже.

Сущность: в преобразователе реализуется принцип фазовой автоподстройки частоты аналогового сигнала с применением электронного фазовращателя, управляемого функциональным генератором, законы разверток которого заложены в виде градуировочных характеристик различных частотных датчиков в микроконтроллере.

Функциональный преобразователь синусоидальных сигналов частота-код содержит электронно-управляемый фазовращатель (ЭУФ) 1, соединенный с первым входом компаратора фаз 2, на второй вход которого преобразуемая частота поступает непосредственно, а выход компаратора через ключ 3 соединен с первым входом функционального генератора развертки 4 (ФГР), второй вход которого соединен с одновибратором 5, а выход ФГР 4 соединен с преобразователем напряжение-код (ПНК) 6 и управляющим входом фазовращателя 1. Микроконтроллер 7 соединен с третьим входом ФГР 3.

Программу микроконтроллера снабжают градуировочными характеристиками различных типов частотных датчиков.

Преобразование частоты от датчиков с аналоговым частотным выходом осуществляется следующим образом. Синусоидальный сигнал с выхода датчика поступает через ЭУФ 1 на первый вход компаратора фаз 2, на второй вход которого он поступает непосредственно. При включении преобразователя одновибратор 5 запускает ФГР 4, управляющий фазовращателем 1 до равенства фаз на компараторе 2, выдающем при этом команду через ключ 3 на ФГР, останавливая его дальнейшее изменение. Зафиксированное напряжение развертки с помощью ПНК 6 преобразуется в код, пропорциональный преобразуемому физическому параметру. Микроконтроллер 7, подключенный к третьему входу ФГР, программно управляет формой развертывающего напряжения в соответствии с градуировочными характеристиками различных типов датчиков.

Итак, заявляемое изобретение позволяет непосредственно без дополнительных преобразований функционально преобразовывать выходную частоту различных датчиков аналоговым выходом в код, что обеспечивает высокую надежность, точность способа, быстродействие и универсальность применения.

Изобретение относится к измерительной технике и автоматике и может использоваться в датчиках неэлектрических величин, в информационно-измерительных устройствах при контроле и управлении технологическими процессами в диапазоне частот. Достигаемый технический результат - повышение точности и быстродействия. Функциональный преобразователь синусоидальных сигналов частота-код содержит электронно-управляемый фазовращатель, компаратор фаз, ключ, одновибратор, функциональный генератор развертки, преобразователь напряжение - код и микроконтроллер. 1 ил.

Функциональный преобразователь синусоидальных сигналов частота-код, содержащий электронно-управляемый фазовращатель, компаратор фаз, ключ, одновибратор, отличающийся тем, что выход компаратора через ключ соединен с первым входом функционального генератора развертки, второй вход соединен с одновибратором, микроконтроллер соединен с его третьим входом, а выход соединен с преобразователем напряжение-код и управляющим входом фазовращателя.