Частотный датчик с дискретным выходом Советский патент 1983 года по МПК H03B25/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для дискретного преобразования напряженИя в частоту сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство по авт. св. № 892326, содержащее первый и второй автогенераторы с некратными частотами, выход каждого из которых соединен с входом другого через соответствующий элемент зажержки, между вторым выходом второго автогенератора и вторым входом первого автогенератора включены .последовательно соединенные фильтр нижних частот и формирователь коротких видеоимпульсов, между выходом фильтра нижних частот и управляющим входом второго автогенератора включены последовательно соединенные амплитудный детектор и триггер со счетным входом, а к управляющему входу первого автогенератора подключен источник информационного сигнала 1 .

Однако в устройстве недостаточно высокая точность преобразования. Это обусловлено тем, что при изменении под воздействием информационного сигнала s(t) собственной частоты Ы первого автогенератора, выход которого является информационным, переход с одного дискретного уровня выходного частотного сигнала на другой происходит непрерывно, а не дискретно и происходит перемещение только огибающей спектра вдоль оси частот, а спектральные составляющие выходног информационного сигнала близки по амплитуде и тем самым оказывается невозможньом определить однозначно уровень выходного дискретного частотного сигнала, действительно соответствующий имеющемуся в данный момент уровню сигнала s(t) на выходе информационного сигнала.

Цель изобретения - повышение точностных характеристик датчика. Поставленная цель достигается тем, что в частотный датчик с дискретным выходом, содержащий первый и второй автогенераторы с некратными частотами, выход каждого из.которых соединен с входом другого через соответствующий элемент задержки, между вторым выходом второго автогенератора и вторым входом первого автогенератора включены последовательно соединенные фильтр нижних частот и формирователь коротких видеои тульсов, между выходом фильтра нижних частот и управляющим входом второго автогенератора включены последовательно соединенные амплитудный детектор и триггер со счетны входом, а к управляющему входу первого автогенератора подключен источник информационного сигнала, введены третий автогенератор, второй ам плитудный детектор и второй фильтр нижних часто, причем выход третьего автогенератора соединен с третьим входом первого автогенератора, а выход последнего через последовательно соединенные второй амплитудный детектор и второй фильтр нижних частот подключен к первому управляющему входу третьего автогенератора, второй управляющий вход третьего .автогенератора соединен с выходом источника информационного сигнала.

На фиг. 1 представлена функционал ная схема частотного датчика с дискретным выходом; на фиг. 2 - сигналы на выходах блоков,- на фиг. 3 - спект сигнала на выходе устройства.

Устройство содержит автогенераторы 1 и 2, элементы 3 и 4 задержки фильтр 5 нижних частот (ФИЧ), формирователь 6 коротких видеоимпульсов амплитудный детектор 7, триггер 8, автогенератор 9, источник 10 информационного сигнала, амплитудный детектор 11, фильтр 12 нижних частот.

Устройство, начиная с момента его включения, работаетследующим образом.

После включения датчика происходит нарастание колебаний в каждом из автог€ нераторов 1, 2 и 9. Причем, поскольку выход автогенератора 1 через элеме нт 3 задержки связан с входом автогенератора 2, а выход последнего через элемент 4 задержки подключен к входу первого автогенератора, то в эток кольце при некратности частот U)и и2сигналов, генерируемых автогенераторами 1 и 2 соответственно, возможен режим генерации двух последовательностей радиоимпуль сов (фиг. 2 а и 5 ). Режим работы Кольца: автогенератор 1 - элемент 3 задержки-автогенератор 2 - элемент 4 задержки обеспечивается за счет эффекта асинхронного гашения колебаНИИ. Этот эффект заключается в том, что при возд-айствии на автогенератор 1 или 2 напряжения определенной амплитуды с частотой,отличающейся от собственной частоты автогенератора и некратной ей, колебания собственной частоты этого автогенератора прекращаются. При этом, частота следования радиоимпульсов в последовательностях, генерируемых автогенераторами 1 и 2, определяется суммарной задержкой в вышеупомянутом кольце

Т tr, +.Г2 , .

где с и ir2 - зажержки, обеспечива

емые элемейтами задержки 3 и 4 соответственно

Скважность радиоимпульсов зависит от соотношения задержек fj {фиг. 2 а и 5 ). В предлагаемом устройстве для обеспечения -коэффициента заполнения радиоимпульсной последовательности К , генерируемой автогенератором 1, близким к единице соотношение задержкеГ-, и Tj таково, НТО Т «Tj (фиг, 2 а, 5). В этом случае гашение колебаний автогенератора 2 произойдет через малое время f после включения устройства, а длительность радиоимпульсов, генерируемых автогенераторов i, определяется временем задержки Т, t т.е. соотношением коэффициентов заполнения радиоимпульсных последовательностей на выходах автогенераторов 1 и 2 соответственно запишется

И,гГ2/т К2 /т

ч . Для обеспечения жесткой фиксации начальных фаз в ргщиоимпульсах последовательностей устройство снабжено цепью, содержащей последовательно включенные фильтр 5 нижних частот и формирователь коротких видеоимпульсов, которая включена между вторым выходом автогенератора 2 и вторым входом автогенератора 1. При этом фильтр 5 нижних частот выделяет из спектра радиоимпульсной последовательности автогенератора 2, составлякяцую с частотой, .равной частоте следования радиоимпульсов SE 1/Т (фиг, 2 в ), а формирователь коротких видеоимпульсов формирует наносекундные. видеоимпульсы с этой же частотой (фиг. 2 г), которые поступают в колебательную систему автогенератора 1 Это обеспечивает рост амплитуды ударного возбуждения колебаний в автоне. нераторе, 1 (фиг. 2 д) и повышает стабильность начальных фаз обеих раДиоимпульсных последовательностей,

а значит улучшает и стабильность спектральных составляющих дискретгных спектров этих последовательностей.

В случае, когда на автогенератор 1 воздействует информационный сигнал с выхода источника информационного сигнала, соотношение между собственными частотами u;2 автогенераторов 1 и 2 непрерывно изменяется, а значит может .нарушаться условие, асинхронности (нецелочисленного отношения) этих частот. Для устранения этого явления, которое приводит к потере работоспособности устройства, в датчике между выходом фильтра 5 нижних частот и управляющим входом автогенератора 2 включены последовательно соединенные амплитудный детектор 7 и триггер 8 со счетным входом 3.. Когда условие

асинхронности z

где тип- целые числа, нарушается, то в датчике срывается режим генерирования радиоимпульсных последовательностей автогенераторами1 и 2, в результате пропадает сигнал на выходе фильтра 5 нижних частот, частота которого, как было указано выше, равна частоту следования радиоимпульсов . При этом напряжение на выходе амплитудного детектора 1, а значит и на входе триггера со счетным входом претерпевает отрицательный скачок и триггер 8 опрокидывается. Это, в свою очередь, приводит к скачкообразному изменению потенциала на выходе триггера 8, и соответственно, на управляющем входе автогенератора 2. Собственная частота колебаний и 2последнегр изменяется, условие асинхронности колебаний с частотами 102 восстанавливается и датчик вновь переходит в режим генерирования двух радиоилтульсных

последовательностей.

Таким образом, в предлагаемом датчике на выходе автогенератора 1 во всем динамическом диапазоне изменения информационного сигнала s(t)

обеспечивается генерирование радиоимпульсной последовательности с коэффициентом заполнения 1 «Xj/T, где Т - период следования радиоимпульсов, близким к единице, и фиксированными от импульса к импульсу начсшьной фазой высокочастотного заполнения. Спектр такой радиоимпульсной последовательности является дискретным (фиг. 3).

Частоты -спектральных составля-. ющих спектра выходного сигнала автогенератора 1 не зависят от собственной частоты колебаний (2 этого- автогенератора. При изменениях частоты

воздействием информационного сигнала s(t) происходит лишь перемещение огибающей спектра вдцль оси частот, а спектральные линии при этом изменяются только по амплитуде (фиг. 3). Однако, при величине собственной частоты и; автогенератора 1 близкой к значению

, r.9tf2/2,

где ntln.- - спектральные составляющие сигнала этого автогенератора с частотами п5 и (п ± 1)S .оказываются близкими по амплитуде. Причем начальная фаза радиоимпульсной последовательности Д 4 является функцией разности между частотами tjOjи ближайшей к ней по частоте дискретной спектральной составлягацей сигнала, а именно

ш -пЛ

f лЧ. 277п

S

Частотные и фазовые различия колебаний w и преобразуются в различия начальных амплитуд колебаний в радиоимпульсов. Это, в свою , приводит к широтной модуляции радиоимпульсной последовательности иа выходе автогенератора 1. Детектирование этой последовательности с помощью амплитудного детектора 11 и дальнейшая фильтрация фильтром 12 нижних частот позволяет получить на выходе последнего напряжение биений с частотой В результате на выходе ФНЧ 12 удается.выделить напряжение, пропорционгшьное частотному paccor iacosaнию собственной частоты lUj автогенератора 9 и спектральной составля1сяцей сигнала (1)/ максимальной в данный момент по амплитуде. Подавая этот сигнал ФНЧ 12 на первый управляющий вход автогенератора 9 удается во врем динамическом диапазоне датчика достичь взаимной синхронизации частоты tuy, являкщейся, как и частота Ui- автогенератора 1, функцией информационного сигнала s(t) и спектральных состаЕ1Ляющих с частотами r3t , где ne(n.- п),.т.е. каждому уровню входного информационного сигнала s(t) йа выходе преобразователя будет соответствовать одно единственное вполне определенное дискретное значение частоты, снимаемое с выхода автогенератора 9. При этом переход с одной дискретной частоты на, другую будет Происходи ь не плаЬно, сопровождаясь процессами паразитной амплитудной деформации спектра, как это имеет место в прототипе, а скачкообразно, причем скорость перехода с частотыtiS на соседнюю (п ± 1)52 в процессе изменения информационного сигнала s(t) практически полностью / будет Определяться постоянной времени фильтра 12 нижних частот. В предлагаемом датчике шаг дискрет ности выходного частотного сигнала .а следовательно и погрешность преобразования, могут быть обеспечены не больше среднеквадратического отклонения Л собственной частоты автогенератора 9,

ЧАСТОТНЫЙ ДАТЧИК С ДИСКРЕТНЫМВЫХОДОМ по авт. св. 892326, : о т л и ч а ю щ и и с я тем, что. с целью повьииения точностных характеристик датчика, в него введены третий автогейератор, второй амплитудный детектор и второй фильтр нижних частот, причем выход третьего автогенератора соединен с третьим входом первого автогенератора, выход последнего через последов.ательно соединенные второй амплитудный детектор и второй фильтр нижних частот подключен к первому управляющему входу третьего автогенератора, а второй управляняций вход третьего автогенератора соединен с выходом источника информационного сигнала. . оо CD О