Преобразователь отклонения частоты от номинального значения в аналоговый сигнал Советский патент 1984 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к измерите ной технике и может быть использова но в приборостроении и автоматике в схемах измерения отклонения частоты от номинального значения различных радиоэлектронных устройств, а также для формирования эталонных импульсов с регулируемой длительнос тью. Известен преобразователь частоты в аналоговый сигнал, содержащий фор мирователь эталонных импульсов, кон денсаторный дозирующий блок и фильтр. Формирователь импульсов пре образует входной сигнал в прямоуголь ные импульсы, которые управляют кон денсаторньом дозирующим блоком. При каждом поступившем импульсе на конденсаторе накапливается заряд. Этот заряд во время паузы передается. в фильтр выделяющий постоянную сое тавляющую сигнала 1. Недостаток известного преобразова теля заключается в малой чувствитель ности к изменению частоты и малой то ности преобразования,вследствие влия ния на точность формирования эталонных импульсов нестабильности источНИКОВ питания и элементов схемы. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь частоты в аналоговый сигнал, содержащий источник входной частоты, входной формирователь.импульсов, генератор опорной-частоты (.кварцевый генератор ), формирователь импульсов эталонной длительности и схему сравнения длительности импульсов, один вход которой.подключен к выходу формирователя импульсов эталонной длительности, запускающий вход которого подключен к выходу вхо входного формирователя 2. Недостатком известного преобразователя является сложность, особенно проявляемая при работе с различными значениями номинальных частот. Цель Изобретения - упрощение устройства и расширение функциональных возможностей. Поставленная цель достигается тем что в преобразователь отклонения час тоты от номинального значения в аналоговый сигнал, содержащий источник входной частоты, входнойформирователь импульсов, генератор опорной частоты, формирователь эталонных импульсов и схему сравнения длительнос ти импульсов, первый вход которой подключен к выходу формирователя эта лонных импульсов, запускающий вход которого подключен к выходу входного формирователя импульсов, введены источник постоянного напряжения, калибровочный и рабочий делители напряжения, переключатель с двумя контактными группами и нуль-индикатор, причем источник постоянного напряжения подключен к входам калибровочного и рабочего делителей напряжения, выходы которых через первую контактную группу переключателя подключены к управляющему входу формирователя эталонных импульсов, источник входной частоты и генератор опорной частоты через вторую контактную группу переключателя подключены к входному формирователю импульсов, выход которого подключен к второму входу схемы сравнения длительности импульсов, выход которой подключен к нуль-индикатору. На фиг.1 и 2 приведены функциональная схема преобразователя отклонения частоты от номинального значения в аналоговый сигнал и временные диаграммы, поясняющие его работу, соответственно; на фиг.З и«4 пример функциональной схемы формирователя эталонных импульсов и временные диаграммы, поясняквдие его работу соответственноj на фиг.З и 6 пример функциональной схемы сравне|Ния длительности импульсов и временные диаграммы, поясняющие его работу соответственно. Преобразователь отклонения частоты от номинального значения в аналоговый сигнал содержит генератор 1 опорной частоты и источник 2 входной частоты, подключенные через контактную группу 3 переключателя к входу входного формирователя 4 импульсов, выход 1/оторого подключен к входу форкирователя 5 эталонных импульсов и входу схемы б сравнения длительности импульсов, которая своим выходом подключена к нуль-индикатору 7. В состав устройства входит, кроме того, источник 8 постоянного напряжения, выходное напряжение которого через рабочий 9 и калибровочный 10 делители напряжения.и переключающую контактную группу 11 переключателя подключено к регулирующему входу формирователя 5 эталонных импульсов, выполненного в виде преобразователя постоянного напрйжения Up на его регулирующем входе в длительность импульсов Преобразователь частоты работает следующим образом. В режиме работа вход входного формирователя 4 через контактную . группу 3 .соединен с источником входной частоты 2, а выход рабочего делителя 9 напряжения подключен к управляющему входуформирователя 5 эталонных импульсов. На входе входного формирователя 4, выполненного в виде триггера со счетным входом, действуют импульсы преобра-; зуемого сигнала, следующие с. часто- ; той fgjj (диаграмма а, фиг.2, а на его выходе - импульсы, длительность которых равна периоду следователя Tgj( 1/fgx импульсов входной частот ты (диаграмма , фиг.2). Выходные импульйы входного формирователя 4 своим передним фронтом запускают формирователь эталонных импульсов, выходные импульсы которого ( диаграмма в, фиг.2) имеют фиксированную длительность. На выходе схемы б сравнения фор мируются импульсы, период следования которых равен 2Т, а длительность равна, например, модулю разности длительностей импульсов на ее входах, т.е. где Л - длительность импульсов на выходе схемы 6 сравнения, fj - длительность выходных импульсов формирователя 5 эталонных импульсовj Tgj( - период входной частоты преобразователя. Среднее за период значение выходного импульсного напряжения схемы 6 сравнения (фиг.2г) равно где и - амплитуда выходных импуль Длительность выходных импульсов формирователя 5 определяется велич ной напряжения Up на его регулирую щем входе, которое с помощью делите ля 9 напряжения устанавливают таким чтобы она равнялась номинальному пе риоду следования входного сигнала, т.е. . т т- . , (3) гдеТ, номинальное значение период и частоты, соответственно, входного сигнала преобразователя. Из соотношений (1НЗ) следует и п, , . , где &, (ff абсолютное и относительн значения отклонения вход ной частоты от своего но минального значения, соответственно. . Выделение среднего значения импульсного напряжения может осуществляться известными методами, например, с помощью фильтра нижних часто Погрешность преобразователя частоты в аналоговый сигнал в данном случае определяется точностью установки и стабильностью длительности импульсов f, на выходе формирователя 5 эталонных импульсов. С целью получения точности преобразования соизмеримой с точностью при цифровом методе формирования эталонных импульсов, преобразователь частоты снабжен элементами для периодической калибровки формирователя 5 эталонных импульсов путем сравнения длительности его выходных импульсов с периодом следования импульсов опорной частоты, формируемых генератором 1 опорной частоты, и соответствующей регулировки параметров формирователя 5. Для этого формирователь 5 выполнен в виде преобразователя напряжения Upна его регулирующем входе в длительность импульсов и содержит элементы для регулирования чувствительности преобразователя, например, регулировочный резистор , т.е. его статическая характеристика описывается выражением Г r/(Rp Д,, и% ..-)Up где K(Rp,t|t°, и%) - чувствительность .формирователя эталонных импульсов, являющаяся функцией регулировочного сопротивления Rp и дестабилизирующих факторов времени, t , температуры окружающей среды t° , относительной влажности и% и т.п. В режиме калибровка вход входного формирователя 4 переключается с выхода источника входной частоты 2 на выход генератора 1 опорной частоты, а регулирующий вход формирователя 5 переключается с выхода рабочего делителя 9 напряжения на выход калибровочного делителя 10 напряжения. При этом на выходе формирователя 5 ллительно.сть импульсов равна величине. эк--(«р) . (б) где f ji - длительность выходных импуль-сов. формирователя 5 в режиме калибровки} 2 - коэффициент деления делителя 10; UQ - величина выходйого напряжения источника 8 напряжения. На выходе схемы б сравнения при этом формируются импульсы, длительность которых равна разности периода опорной частоты и f . Среднее значение этого импульсного напряжения индицируется нуль-индикатором 7. В процессе калибровки с помощью элемента регулировки чувствительности RP формирователя 5 добиваются нулевого показания нуль-индикатора 7, т.е. выполнения равенства Рэц TQP vnvii c учетом соотношения (61 ( При этом чувствительность форми рователя 5 станет равной величине XfD - 0 . (8 ) .M P-J- UO При переключении на режим рабо та длительность выходных импульсов формирователя 5 равна )yilJo 9 где у - коэффициент деления рабоч го делителя 9 напряжения, или учитывая, что чувстви тельность K(Rpj после калибровки определяется выражением {8 ) - (10) При этом длительность эталонных импульсовCj не з.ависит от времязад аювдих параметров формирователя 5 и величины выходного напряжения источника 8 напряжения. Стабильность же периода следования импуль сов генератора опорной частоты и отношения коэффициентов деления рабочего и калибровочного делителе иожет быть обеспечена достаточно высокой относительно простыми сред вами. Точность выполнения соотношения (10) определяется чувствительностью нуль-индикатора 7,котору не представляет труда довести до заданных требований. Соотношение (lOf , показывает, что формирователь 10 эталонных импульсов, работает как относительно простой высокостабильный масштабный преобразователь длительности периода следования импульсов опорной частоты в длительность импульсов, как большую Т т I меньшуй Ifln |. что расширяет функциональные возможности устройс ва. При этом генератор опорной час тоты может быть выполнен с нересу лируемой выходной частотой, что уп щает его конструкцию, в частности, при использовании кварцевого генератора. 1 Из соотношений (3) и (10) следует , что градуировка рабочего дел теля 9 должна производиться в соот ветствии с уравнением . (1 Формирователь 5 эталонных импуль сов , обладающий указанными свойстве может быть построен, например-,- по функциональной схеме, изображенной на фиг.З.. , в состав формировагпеля входят ключ 12, компаратор 13, триггер 14 времязадающий резистор 15 и интегрирующий конденсатор 16. Резистор 15,, конденсатор 16 включены последовательно, образуя пассивную интегрирующую цепь. Один вход компаратора 13 подключен к выходу пассивной интегрирующей цепи, а другой к источнику регулирующего на- пряжения Up , Выход компаратора 13подключен к входу установки в ноль триггера i4, к входу установки в единицу которого подключен сигнал запуска с выхода входного формирователя 4. Ключ 12 подключен параллельно конденсатору 16 и управляется с выхода триггера 14/ при единичном сигнале на выходе триггера ключ замкнут, при нулевом - разомкнут.. Формирователь эталонных импульсов работает следующим образом. В исходном состоянии на выход@ триггера 14 сигнал соответствует единице ;ключ 12 замкнут и конденсатор 16 разряжен. При поступлении на нулевой вход триггера 14 импульса с выхода формирователя 4 {диаграмма д фиг.4 ) по переднему фронту этого импульса триггер 14 переЕЮДится в нулевое состояние и на его прямом выходе формируется отрицательный перепад напряжения (диaгpa мa б фиг.4/, переводящий ключ 12 в разомкнутое состояние. Ыа.-чинается .заряд конден-сатора 16 от источника входного на- . пряжения Е через резистор 15 и напряжение на нем экспоненциально возрастает (диаграмма в фиг.4|. - Когда напряжение на конденсаторе достигнет величины порога срабатывания Up компаратора 13, на его выходе появляется импульс ( диаграмма г фиг.4), который поступает на единичный вход- триггера 14 и возвращает его в единичное состояние (диаграмма б , фиг. 4 ). Далее процесс повторяется при приходе следующего запускающего импульса. Отрицательный импульс длительностью Tj формируется на прямом выходе триггера 14, положительный - на инвертирующем выходе. Длительность выходного импульса формирователя при использовании на- чального линейного участка экспоненциально изменяющего напряжения на конденсаторе 16 описывается выражением ,: величина сопротивления я® Rp|C резистора 15 и емкости конденсатора 16, соответственно;Н напряжение на входе интегрирующей RC-цепи. и обозначено о г K|Rp При необходимости повышения точности вместо пассивной интегрирующей цепи может быть, использова интегратор на операционном усилителе. Как видно из временных диаграмм изображенных на фиг.2 г схема 6 сравнения формирует на выходе импульс при несовпадении сигналов на ее -входах. Данным условиям удов летворяет схема, реализующая логическую функцию НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ Схема сравнения(фиг.5J содержит например, инверторы 17 и 18 элементы И 19 и 20, и элемент ИЛИ 21 Данная схема реализует логическую функцию, описываемую выражением , + Y2-XX2f (2 где Y - выходная функция схемы сравнения, У. ,Y- - выходные функции элемеН тов И 20 и 21, соответс венно, X ,Х ,Х Д входные сигналы и их ин версии, соответственно. Процесс формирования выходных: импульсов, длительность которых ра на разности длительностей входных импульсов охе,мы сравнения, ясен из временных диаграмм, изображенных на фиг., б, Импульсы на выходе элемента И 20 появляются при длительности эталонных импульсов меньшей периода входной частоты (входная частота меньше номинальной К Импульсы на выходе элемента И 19 появляются длительности эталонны импульсов большей периода входной частоты (входная частота больше номинальной К Выходные импульсы элементов И 19и 20 собираются на ход схемы сравнения с помощью элемента ИЛИ 21. Длительность выходных импульсов изменяется в соответствии с выражением (1 ). Дальнейшая обработка выходных сигналов схемы 6 cpaвнisния определяется функциональным назначением преобразователя. Например, если достаточно информации о модуле отклонения частоты, то сигнал снимается с выхода элемента ИЛИ 21. Информация о знйке отклонения при необходимости может быть получена с помощью известных детекторов наличия импульсного напряжения, подключаемых к выходам элементов И 19 и 20, на которых импульсное напряжение появляется при gj( f . и fgjj С €j соответственно. Если выходное напряжение должно быть знакоперемённо, то нагрузка может включаться между выходами элементов и 19 и 20 - при ток нагрузки потечет от элемента И 19 и элемента И 20 и наоборот при ток нагрузки потечет в противоположную сторону. В преобразователе отклонения частоты от номинального значения (фиг.11 в качестве нуль-индикатора 7 использованы вольтметр средних значений импульсных напряжений, в простейшем случае может быть использован стрелочный прибор магнитоэлектрической системы достаточно высокой чувствительности. Соответствующая градуировка вольтметра средних значений в предлагаемом преобразователе позволяет использовать преобразователь в качестве частотомера относительного или абсолютного отклонения частоты от ее номинального значения. Предлагаемый преобразователь позволит также заменить в стендах для настройки радиозондов сложный и доогостоящий цифровой прибор 43-34, РИНЯТЫЙ за базовый.

0-р6

/

Г.

.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОТКЛОНЕНИЯ ЧАСТОКЛ ОТ НОМИНАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ В АНАЛОГОВЫЙ СИГНАЛ, содержащий источник входной частоты, входной формирователь импульсов, генератор опорной частоты формирователь эталон- ных импульсов и схему сравнения длительйости импульсов, первый вход ко торой подключен к выходу формирователя эталонных Импульсов, запускающий вход которого подключен к выходу входного формирователя импульсов, о тли ч ающи и с я тем, что, с целью упрощения устройства и расширения функциональных -возможностей, в него введены источник постоянного напряжения. Калибровочный и рабочий делители напряжения, переключатель с Двумя контактными группами и нульиндикатор, причем источник постоянного напряжения подключен к входам калибровочного и рабочего делителей напряжени;и, выходы которых через первую контактную группу переключателя подключены к управляющему входу, формирователя эталонных импульсов, источник входной частоты и генератор опорной частоты через сл вторую контактную группу переключаг еля подключены к входному формирователю импульсов, выход которого подключен к второму входу схемы сравнения длительности импульсов, выход которой подключен к нуЛьиндикатору. 00 а со 4

,

У Х1-Х2

Фиг. 6