Преобразователь код-частота гармонического сигнала Советский патент 1984 года по МПК H03K13/20 

Изобретение относится к контрол но-измерительной технике и может и пользоваться для автоматического задания амплитуды, фазы и высокостабильной частоты гармонического сигнала. Известен аналоговый функциональный генератор высокой вьгходной мощности с микропроцессором, содержапц1й постоянное запоминающее устройство, магнитное оперативное запоминающее устройство, микропроцессор, дисплей, блок оптронных ключей, программируемый задатчик напряжения (преобразователь код - напряжение) и биполярный операционный усилитель, позволяющий воспроизводить Любые сигна вл, предварительно рассчитанные микропроцессором ,и хранящиеся в оперативном запоминающем устройстве большой емкости lj« Недостатками устройства являются относительно высокая сложность, обусловленная наличием оперативного запоминающего устройства и микропро цессора, а также высокие требования к фильтру нижних частот, так как чи ло отсчетов, генерируемых :за период зависит от частоты воспроизводимого сигнала. Кроме того, низка оператнв ность в управлении, так как необходим предварительный расчет точек воспроизводимой функции. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является преобразоватейе.дрд - частота гармонического сигнала, содержащий регистр кода ча тоты, вход которого соединен с первой входной шиной, а первый выход соединен с входом кодоуправляемого генератора импульсов, выход которого соединен с входом блока синхронизации и входом счетчика периода, первый выход которого соединен с первьми управляющими входами первог .и второго коммутаторов, а второй выход - с вторым управляющим входом первого коммутатора,,первый и второй входы которого соединены соответственно с прямым н инверсным выходами регистра амплитуды косинуса, а выход - с первым входом регистра косинуса, первый выход которого подключен к первому входу первого сумматора, выход которого соединен с входом первого буферного регистра, выход которого подключен к входу первого преобразователя код - напряжение, выход которого сое динен с входом первогофильтра нижних частот, а вход - с вторым входом регистра косинуса, второй выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом регистра синуса, а выход - с входом второго буферного регистра, выход которого соединен с пербым входом регистра синуса и черей второй преобразователь код - напряжение с входом второго фильтра нижних частот, а управляющий вход подключен к первому выходу блока синхронизации, второй выход которого соединен с управляющим входом регистра синуса, второй вход которого подключен к выходу второго коммутатора, первый и второй входы которого соответственно соединены с прямым и инверсным выходами регистра амплитуды синуса, вход которого подключен к второй входной шине, а третья входная шина соединена с входом регистра амплитуды косииуса, при этом управляюдай вход первого буферного регистра соединен с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого подключен к .управляющему входу регистра косинуса, второй вход первого сумматора соеданен с вторым выходом регистра синуса, а второй выход счетчика периода подключен к второму управляющему входу второго коммутатора 2 ., . Недостатком известного устройства является низкая точность воспроизведения формы гармонического колебания из-за наличия экспоненциальной составляющей в выходном сигнале . Так, при N « 100 приведенная погрешность составит 10%, а при N 200 - 5%. Рассмотрим подробнее алгоритм работы устройства. Введем для удобства следующие обозначения; А cos oj ti x(i) X(z) Asin u) t y(i) Y(z), i 0, 1, 2, ..., где X(z) и Y(z) - изображение функций x(i) и y(i) на Е-плоскости. Тогда алгоритм работы можно записать в следующем виде: x(i) x(i-1) - к. y(i-1) (2)

y(i) y(i-1) + к. x(i-1) (3) или использовать t -преобразования

X(z) X(z)-Z - kY(z) . ZV + x(-i) - k-. y(-1),

Y(z) Y(z) . Z + k.- X(z) Z H+ y(-1) + k-. x(-1) ,

откуда, исключив X(z), получаем:

.. V((

V(M- ..UKгде y(-1) и x(-1) - начальные условия.

Для упрощения дальнейших выкладо положим:

у(-1) sin О О и х(-1) cos ,

тогда выражение (4) можно записать в следующем виде:

:7f T7rrrirf(l

Изображение ступенчатой функции

ч . , . аг. sinb а бшЬ :

2 -2аг-собЬ ta

Сопоставляя вьфажения (5) и (6), получаем:

. y(z) A-(1+k) sin b(i +1)

или с учетом

FirVuK

найдем

-г -.-. Y(i)A-{1tK T -sin

При значительном увеличении коэффициейта К уравнение (7) может быть приближенно записано в виде:

YdlSA (м) . ()

Однако при этом сужается полоса частЬт, генерируемых устройством, и становится ощутимой погрешностьj-возникающая из-за отбрасывания младших разрядов при аппаратурной реализации операции деления на К . Кроме того, описанное устройство может генерировать только синусоидальный сигнал.

Целью изобретения является повышение точности и воспроизведения гар монической функции и расширение функциональных возможностей преобразователя.

Поставленная цель достигается

тем, что в преобразователь код - частота гармонического сигнала, содержащий регистр кода частоты, вход которого соединен с первой входной шиной, а первый выход соединен с входом кодоуправляемого генератора импульсов, выход которого соединен с входом блока синхронизации и входом счетчи1 а периода, первый выход которого соединен с первыми управлякнцими входами первого и второго коммутаторов, а второй выход - с вторым управляющим входом первого коммутатора, первый и второй входы которого соединены соответственно с

прямым и инверсным выходами регистра амплитуды косинуса, а выход-- с первым входом регистра косинуса, первый выход которого подключен к первому входу первого сумматора, выС6)

ход которого соединен с входом первого буферного регистра, выход которого подключен к входу первого преобразователя код - напряжение, выход которого соединен с входом первого фильтра нижних частот, а вход с вторым входом регистра косинуса, второй выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом регистра синуса, а выход - с входом второго буферного регистра, выход которого соединен с первым входом регистра синуса и через второй преобразователь код напряжение с входом второго фильтра нижних частот, а управляющий вход - пoдкJHoчeн к первому выходу блока синхронизации, второй выход которого соединен с управляющим входом регистр синуса, второй вход которого подключен к выходу второго коммутатора, первый и второй входы которого соответственно соединены с пряыым и инверсным выходами регистра aмпJштyды синуса, вход которого подключен к второй входной шине а третья входная шина соединена с входом регистра амплитуды косинуса, дополнительно введены первый и вто I рой ключи и третий коммутатор, первый и второй входы которого соответственно соединены с первым и вто рым выходами регистра синуса, выход подключен к второму входу перво го сумматора, а управляющий вход к второму выходу регистра кода частоты и управлякицим входам первого и второго ключей, при этом второй вькод счетчика периода через первый ключ соединен с вторым управляющим входом второго коммутатора, а управ ляющий вход первого буферного регистра соединен с третьим выходом блока синхронизадии, четвертый выход которого через второй ключ подключен к управляющему входу регистра косинуса. Пользуясь обозначениями (1), алгоритм работы преобразователя можно записать в следующем виде: x(i) x(i-l) - и-. ) (9) y(i) y(i-1) н- k. x(i) (10) Здесь первое уравнение осталось без изменения, а во втором уравнени вместо переменной x(i-1) взята пере менная x(i). Пользуясь г -преобразо ванием, уравнения (9) и (10) можно записать: X(z) X(z) Z - (z)-zV + x(-1) - C y(-1), Y(z) Y(z) ) + y(-1) откуда, исключая Х(г), получаем: УИ-2(()хИк- i (). Полагая у(-1) О и х(-1) 1, ИЗ уравнения (11) получаем: z4-{2-lC4-E+ Сравнивая последнее выражение с выражением (6), получаем: y(i) А.sin b (i+1) или с учетом b Y(il А sinl (i . (и) к в дыражении (13) отсутствует экспоненциальная составляющая (Нк ) т.е. точность воспроизведения гармо1466. нической функции не зависит от выбора значения коэффициента к . На чертеже представлена структурная электрическая схема преобразователя. Преобразователь код - частота гармонического сигнала содержит регистр 1 кода частоты, регистр 2 амплитуды косинуса, регистр 3 амплитуды синуса, кодоуправляемый генератор 4 импульсов, счетчик 5 периода, первый 6 и второй 7 коммутаторы, первый ключ 8, блок 9 синхронизации, регистр 10 синуса, второй ключ 11, регистр 12 косинуса, третий коммутатор 13, первый 14 и второй 15 сумматоры, первый 16 и второй 17 буферные регистры, первый 18 и второй 19 преобразователи код - напряжение, первый 20 и второй 21 фильтры нижних частот. Регистр 1 кода частоты перв1Л4 своим выходом «соединен с входом кодо управляемого генератора 4 импульсов, а вторым выходом - с управляющими входами первого 8 и второго 11 кгаочей и третьего коммутатора 13, регистр 2 амплитуды косинуса прямым и инверсным выходами подключен соответственно к первому и второму входам первого коммутатора 6, выход которого подключен к первому входу регистра 12 косинуса, первый выход которого подключен к первому входу первого сумматора 14, соединенного свсжм выходом с входом первого буферного регистра 16, выход которого соединен с BTopbffi входом регистра 12 косинуса и с входом первого преобразователя 18 код - напряжение, выход которого подключен к входу первого фильтра 20 нижних частот. Регистр 3 амплитуды синуса соединен прямым и инверсным выходами соответственно с первым и вторым входами второго коммутатора 7, выход которого подключен К второму входу регистра 10 синуса, соединенного первым выходом с вторым входом второго сумматора 15, первый вход которого соединен с вторым выходом регистра 12 косинуса, а выход - с входом втоого буферного регистра 17, выход коорого соединен с первым входом реистра 10 синуса и с входом второго преобразователя 19 код - напряжение, оединенного своим выходом с входом торого фильтра 21 нижних частот. К второму входу первого сумматора 14 подключен выход третьего коммутатора 13, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам регистра 10 синуса, управляющий ; сод которого сое,динен с вторым выходом блока 9 синхронизации, первьй выход которого, под ключен к управляющему входу второго буферного регистра 17, третий выход - к управляющему входу первого буферного регистра 16, а четвертый выход - к входу второго ключа 11, выход которого соединен с управляющим входом регистра 12 косинуса. Выход кодоуправляемого генератора 4 импульсов соединен с входом блока 9 синхронизацш и с входом счетчика 5периода, первый выход которого соединен с первыми управляющими входами первого 6 и второго 7 коммутаторов, а второй вьпсод - с вторым управляющим входом первого коммутатора 6и через первый ключ 8 с вторым управляющим входом второго коммутато ра 7. Регистр 1 кода частоты служит для хранения кода частоты Nr и для управ ления кодоуправляемым генератором 4 импульсов. Блок 9 синхронизации стробирует запись информации в регистры 12 и 10, а также в первый 16 и второй 17 буферные регистры. Регистры 2 и 3 амплитуды косинуса и синуса соответственно служат для хранения кодов и Йдс,|р , определяющих начальную фазу и ампли туду гармонического колебания, при этом должно выполняться соотношение (При генерировании треугольного сиг нала в регистр 2 амплитуды косинуса записывается приращение, а в регистр 3 амплитудь синуса - начальная точка напряжения, изменяющ,егрся по треугольному закону). Первый 6 и второй 7 коммутаторы через некоторое число тактов, определяемое счетчиком 5 периода и формулой (3), подключают на первые (установочные) входы регистров 12 и 10 прямые или обратные выходы регистров 2 и 3 амплитуды косинуса и сииуса соответственно. В первом сумматоре 14 реализуется операция вычитания (13), т.е. сложение прямого и обратного (сдвинутого на logg К разрядов, т.е. поделенного на К) кодов с регистра 12 косинуса и регистра 10 синуса соответственно. При этом в режиме генерирования гармонического сигнала третий коммутатор 13 коммутирует и инвертирует сдвинутый код с второго выхода регистра 10 синуса, а в режиме генерирования треугольного сигнала - полный код с первого выхода. На втором сумматоре 15 реализована операция сложения (14) аналогично тому, как это сделано на первом сумматоре 14. Первый 18 и второй 19 преобразователи код напряжение преобразуют поступающие коды в напряжение, которое затем сглаживается первым 20 и вторьв4 21 фильтрами нижних частот. Второй , ключ 11 необходим для блокировки синхроимпульса перезаписи кода из первого буферного регистра 16 в регистр 12 косинуса в режиме генерации треугольного сигнала. Устройство работает следующм образом. В исходном состоянии регистр 1 кода частоты обнулен и кодоуправляемьй генератор 4 импульсов блокирован , в связи с чем блок 9 синхронизации не вырабат лвает синхроимпульсы на регистры 12, 10, 16 и 17 и никаких операций в устройстве не производится. В режиме генерирования синусоидального сигнала в регистры 2 и 3 амплитуды косинуса и синуса соответственно заносятся коды NдcoьИ удовлетворяющие уравнению (14), а в регистр 1 кода частоты - код N и признак генерирования синусоидального сигнала. При этом с второго выхода регистра 1 кода частоты поступает сигнал, разреша1ощий прохождение через первый 8 и второй 11 ключи синхроимпульсов на регистр 12 косинуса и второй коммутатор 7 и подключающий через третий коммутатор 13 второй выход регистра 10 синуса к второму входу первого сумматора 14. Одновременно на вход кодоуправляемого генератора 4 импульсов пост тупает код частоты, в .результате чего генератор начинает вырабатывать импульсы соответствующей частоты, поступающие на входы счетчика 5 периода и блока 9 синхронизации. 9 По первому импульсу счетчик 5 пе риода по первому выходу вьщает на первый 6 и второй 7 коммутаторы управляющий сигнал, раэреша ощий пере,пись кодов с прямых выходов регистров 2 и 3 амплитуды косинуса и синуса соответственно. С задержкой, необходимой на перепись кодов и сра батывание второго сумматора 15, бло 9 синхронизации вьщает синхроимпуль по первому выходу, разрешающий запоминание во втором буферном регист ре 17 результата операции, произведенной вторым сумматором 15. При поступлении второго импульса с выхо да кодоуправляемого генератора 4 импульсов счетчик 5 периода не вьада ет никаких сигналов, а блок 9 синхронизации вырабатывает по второму выходу сигнал, разрешаюв{ий перепись кода из второго буферного регистра 17 в регистр 10 синуса. По третьему импульсу блок 9 синхронизации вьщает синхроимпульс по третьему выходу на управлякщий вход первого буферного регистра 16, в котором запоминается результат опера1Ц1и, произведенной перзьв сумматором 14. По чет верг тому импульсу блок 9 синхронизации В14дает по четвертому выходу синхроимпульс, который проходит через открытый ключ 11 и разрешает перепись кода с первого буферного регистра 16 в регистр 12 конуса. Через число тактов, соответствую щее половине периода генерируемого гармонического сигнала, счетчик 5 периода выдает сигнал по второму вы ходу на вторые управляющие входы первого 6 и второго 7 (через открытый ключ 8) коммутаторов, при этом осуществляется перепись обратных ко дов из регистров 2 и 3 соответственно в регистры 12 и 10. Еще черкез полпериода счетчик 5 периода обеспе.чивает занесение прямых кодов в регистры 12 и 10. Это восстановление необходимо для предотвращения накопления оошбки округления, возникакщей из-за ограниченности числа разрядов сумматоров и регистров. Коды с первого 16 и второго 17 буферных регист ров преобразуются первым 18 и вторым 19 преобразователями код - напряжение в Напряжение, которое сглаживает ся первым 20 и вторым 21 фильтрами нижних частот. 46 Режим генерирования треугольных сигналов отличается от рассмотренного режима тем, что по признаку режима, занесенному в регистр 1 кода частоты, запираются первый 8 и второй 1 1 ключи, а третий коммутатор 13 коммутирует и инвертирует код с выхода регистра 10 синуса на второй вход первого сумматора 14. Запирание второго ключа 11 эквивалентно разрыву обратной связи: выход первого буферного регистра 16 - второй вход (синхронизируемый)регистра 12 косинуса. Изменение режима коммутации третьим коммутатором 13 позволяет получить на выходе первого фильтра 20 нижних частот сигнал, равный по амплитуде и обратный по фазе сигналу на выходе второго фильтра 21 нижних частот. Первь ключ 8 запрещает прохождение управляющего сигнала с второго выхода счетчика 5 периода на второй управляющий вход второго коммутатора 7, так что в регистре 10 синуса восстанавливается один раз за период только прямой код, занесенный в регистр 3 амплитуды синуса. В этом режиме .меняется также назначение регистров 2 и 3 амплитуды косинуса и синуса соответственно: в регистр 2 амплитуды косинуса заносится приращение, определяющее размах треугольного сигнала, а в регистр 3 амплитуды синуса - первоначальное значение, определяющее смещение треугольного сигнала. В предпочтительном варианте преобразователь код - частота гармонического сигнала имеет 16-разрядные регистры и сзшматоры комбинационного типа. На вторые выходы регистров Kdсинуса и синуса выведен код регистров, сдвинутьй на 4 разряда вправо, что соответствует делению на 16, т.е., ) 16, при этом гармонический сигнал синте зируется по 100 отсчетам, что значительно облегчает его фильтрацию, осуществляемую с помощью активных фильтров нижних частот. чик периода в этом случае вьщает синхроимпульс по первому выходу через каждые 400 тактов кодоуправляемого генератора импульсов, а по второму выходу - через каждые 200 тактов после вьщачи импульсов по первому выходу. Кодоуправляемый генератор импульсов может быть выполнен в виде счетчика с периодическим са11109414612

мовосстановлеиием начального кода,ных каналов заключается в высокой

который считывается опорной кварце-точности воспроизведения гармоничесвой частотой.кого сигнала за счет отсутствия в

Технико-экономический эффект от5 в широких возможностях цифрового

использования ус ройства по сравне-управления его параметрами (генериронию с ручными методаш метрологичес-вание как синусоцдального, так и

ких испытаний частотных измеритель-треугольного сигналов).

нем экспоненциальной составляющей и

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОД - ЧАС-г ТОТА ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА, содержащий регистр кода частоты, вход которого соединен с первой входной шиной, а первый выход соединен с входом кодоуправляемого генератора импульсов, выход которого соединен с входом блока синхронизации и входом счетчика периода, первый выход которого соединен с первыми управляющими входами первого и второго коммутаторов, а второй выход - с вторым управляющим входом первого комгмутатора, первый и второй входы которого соединены соответственно с прямым и инверсным выходами регистра амплитуды косинуса, а выход - с первым входом регистра косинуса, первый выход которого подключен к первому входу первого сумматора, выход которого соединен с входом первого буферного регистра, выход которого подключен к входу первого преобразователя код - напряжение, вход которого соединен с входом первого фильтра нижних частот, а вход с вторым входом регистра косинуса, второй выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом регистра синуса, а выход с входом второго буферного регистра, выход которого соединен с первым входом регистра синуса и через второй преобразователь код - напряжение с входом второго фильтра нижних частот, а управляющий вход подключен к первому выходу блока синхро-, низации, второй выход которого соединен с управляющим входом регистра синуса, второй вход которого подключен к выходу второго коммутатора, первый и второй входы которого соответственно соединены с прямым и инверсным выходами регистра амплитуды синуса, вход которого подключен к второй входной шине, а третья входная шина соединена с входом регистра амплитуды косинуса, отличающийся тем, что, с целью , повьшения точности и расширения функциональных возможностей преобразователя, в него введены первый и второй СО ключи и- третий коммутатор, первый и i{il второй входы которого соответственно соединены с первьбу и вторым выходами регистра синуса, выход - подклюу чен к BTopwjy входу первого сумматора, а управляющий вход - к второму выходу регистра кода частоты и управляющим входам первого и второго ключей, при этом второй выход счетчика периода через первый ключ соединен с вторым управляющим входом второго коммутатора, а управляющий вход первого буферного регистра соединен с третьим выходом блока синхронизации, четвертый выход которого через второй ключ подключен к управляющему входу регистра косинуса.