Преобразователь частоты в напряжение Советский патент 1984 года по МПК H03K9/06 

1 Изобретение относится к информаци онно-измерительной технике и может использоваться в системах автоматического контроля и регулирования. Известны устройства преобразовани частоты в напряжение, использующие линейные цепи с частотно зависимыми свойствами f} Недостатками данных устройств являются низкие точность и быстродейст вие, обусловленные зависимостью вы ходного сигнала от величины входного и необходимостью фильтрации выходног сигнала. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство преобразования частоты следо вания импульсов в напряжение постоянного тока, содержащее формирователь Пимпульсов, выходной интегратор и интегратор с узлом установки начальных условий фиксирующего блока, сумматор, источник эталонного напряжения, причем интегратор с узлом установки начальных условий соединен через фиксирукнций блок, сумматор и блок с выходным интегратором, выход которого соединен с входом интегратора, с блоком установки начальных условий, источник эталонного напряжения соединен с одним из входов сум матора. Преобразователь построен как замкнутая импульсная система, поддер живающая на выходе фиксирующего устройства напряжение, близкое к нулю, благодаря наличию выходного интегрирующего усилителя 2, Недостатком известного устройства является то, что высокое быстродейст вие достигается в узком диапазоне измеряемых частот. Цель изобретения - повышение быст родействия в широком диапазоне преобразуемых частот. Поставленная цель достигается Тем, что в преобразователь частоты в напряжение, содержащий формирователь импульсов, последовательно соединенные выходной интегратор и интегратор с узлом установки начальных условий, выход которого подключен к входу фик сирующего блок&, выход которого подключен к первому входу сумматора, вход которого подключен к источнику эталонного напряжения, пер вый выход формирователя импульсов - к управляющему входу фиксирующего блока, а второй выход формирователя им34пульсов - к управляннцему входу интегратора с узлом установки начальных условий, введены ключ, компаратор и дополнительный интегратор с узлом установки начальных условий, выход которого соединен с первым входом компаратора, а вход - с источником этаг лонного напряжения, вход ключа - с выходом сумматора, выход ключа - с входом выходного интегратора, управ ляющий вход ключа - с выходом компаf aTopa, второй вход которого подключен к выходу выходного интегратора, а управляющий вход дополнительного интегратора с узлом установки начальных условий соединен с вторым выходом формирователя импульсов. . На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - электрическая схема предлагаемого устройства; нафиг.З - временные диаграммы его работы. Преобразователь частоты в напряжение содеряит формирователь 1 импульсов, последовательно соединенные выходной инт.егратор 2 и интегратор 3 с узлом установки начальных условий, выходы которого подключены к входу фиксирунщего блока 4, выход которого подключен к перв1ому входу сумматора 5, второй вход которого подключен к источнику 6 эталонного напр яжения, первый выход формирователя импульсовк управляющему входу фиксирующего блока 4, а второй выход формирователя импульсов - к управляющему входу интегратора 3 с узлом установки начальных условий, ключ 7, компаратор 8 и дополнительный интегратор 9 с узлом установки начальных условий, выход которого соединен с первым входом компаратора 8, а вход - с источником 6 эталонного напряжения, вход ключа с выходом сумматора 5, вьпсод ключас входом выходного Интегратора 2, управляющий вход ключа - с выходом компаратора 8, второй вход которого подключен к выходу выходного интегратора 2, а управляющий вход дополнительного интегратора 9 с узлом установки начальных условий соединен с вторым выходом формирователя 1 импульсов. Устройство работает следующим образом. С приходом очередного импульсного сигнала преобразуемой частоты U (фиг.З) на первом выходе формирователя 1 формируется импульсный сигнал 0 (на фиг.З), поступающий на управляющий вход фиксирующего блока 4, и осуществляется запоминание значени выходного напряжения Uj (фиг.З) ин тегратора 3, достигнутого на предыду щем такте работы устройства. По окон чании импульса (} фиксирующий блок переходит в режим хранения, и напр жение на его выходе U (фиг.З) остается неизменным вплоть до прохода следукщего импульсного сигнала Ор . Одновременно по окончании импульса и на втором выходе формирователя формируется импульсный сигнал U (фиг.З), поступающий на управляющие входы узлов установки начальных усло вий интеграторов 3 и 9, и происходит обнуление выходного напряжения интеграторов Uj и Ug (фиг.З). При уменьшении выходного напряжения интегратора 9 до величины выходного напря интегратора 2 (фиг.З) жения и на выходе компаратора 8 формируется :передний фронт импульсного сигнала Ug (фиг.З), поступающего на управляющий вход ключа 7. Ключ 7 включается, и напряжение с выхода сумматора 5, равное сумме эталонного напряжения UQ источника 6 и выходного напряжения фиксирукнцёго блока U (фиг.З), поступает на вход интеграто ра 2. Выходное напряжение Ug,,, интегратора 2 (фиг.З), являющееся выходным сигналом всего устройства, начинает изменяться в зависимости от величины и полярности выходного напряжения сумматора 5. По окончании импульса интеграторы 3 и 9 переходят в режим интегрирования напряжения ( и их выходные напряжения U и Ug (фиг.З) нарастают. По достижении выходным напряжением интегратора 9 величины, равной напряжению U g, , на вьпсоде компаратора В формируется задний фронт импульсного сигнала Од (фиг.З), ключ 7 выключается, и интег ратор 2 переходит в режим хранения вплоть до момента прихода .следующего импульсного сигнала Ug. С npH ходом следующего импульса порядок операций повторяется. Интегратор 2, охваченный обратной связью, в цепь которой включены интегратор 3 и фиксирующий блок 4, является астатическим усилителем. Поэтому в установившемся режиме при постоянной частоте входного сигнала обеспечивается равенство нулю выходного напряжения сумматора 5, т.е. установившееся значение U4 ( U ) равно по V U4y противоположно по полярносличине и ти эталонному напряжении U{j:U|.p -Ujj В то же время значение (J. значению пилообразного выходного напряжения интегратора 3 в моменты прихода очередных входных импульсных сигналов, прямо пропорциональному периоду преобразуемой частоты Т и установившемуся значению выходного напряжения устройства и, ВЫХ.УСТ т Vrx.YCT) постоянная времени интегратора 3. Таким образом. -UdT.f где - частота входного сигнала. Следовательно, установившееся значение выходного напряжения устройства прямо пропорционально частоте следования входньк импульсных сигналов. На фиг.З установившемуся режиму работы устройства соответствуют первый и третий такт работы устройства. Установившееся значение выходного напряжения устройства не зависит от длительности t импульсного сигнала Оа (фиг.З), поступакицего на управляющий вход ключа 7. Однако для обеспечения устойчивости и высокого быстродействия устройства в широком диапазоне изменения преобразуемой частоты необходимо, чтобы равная tr длительность проводящего состояния ключа 7 на каяадом такте работы устройства изменялась- прямо пропорционально величине выходного напряжения Ug . fl предлагаемом устройстве это условие обеспечиваеГся. Действительно, длительность импульсного сигнала Ug равна интервалу нарастания выходного напряжения интегратора 9 от нулевого значения для значения, равного выходному напряжению устройстра i.v,u,,, постоянная времени интегратора 9. Следовательно, К вых/Ч,); т.е. прямо пропорционально значению выходного напряжения. При наличии такой зависимости можно, выбрав определенные соотношения междУ постоянными времени интеграторов устройства добиться максимально возможного быстродействия устройства при отработке скачка частоты входного импульсного сигнала независимо от начального значения частоты. Для доказательства последнего утверящеиия рассмотрим работу устройства на двух следующих друг за другом интервалах повторяемости - (п) и (п + 1), полагая начало каядцого из интервалов совпаданицим с выходным импульсом формирователя1 импульсов U. (фиг.З). Значения выходного напряжения устройства после запирания ключа 7 на п-м и (h+1)-M интервалах связаны между собой соотношением e6,,(Vo-y4Cn 0), (1) где Tj постоянная времени интегратора 2j и - значение напряжения на выходе 4в1ксирую1цего блока на (n+t)-M интервале повторяемости, равное напряжению на выходе интегратора 3 в момент окончания h-го интервала повторяемости. .TCn}u,,,n , (2) где Tj - постоянная времени интегра- о тора 3; - длительность h-ro интервала. Подставив (2) в (t), получим разностное уравнение, описывающее работу устройства (-).w в установившемся режиме T t TCn+iJs:r cohst ; выxl: eыД 8ыx..cr. ВДПп-Г|. Значение Ug, определяется из (3)/7 Т, ,Mct , (4) 1 где установившееся значение измеряемой частоты следования входных импульсов. Условие устойчивой работы устройства в соответствии с (3) имеет вид -,-l№M Условие максимального быстррдействия устройства - достижения выходным напряжением устройства установившегося значения за один интервал и повторяемости - имеет вид )/ТЫ . Напряжение на выходе интегратора 9 за интервал времени достигает значения UgyxCb-nj , Ueb., (f где T - постоянная времени интегратора 9. Подставив в (7) значение (h+lJ из (3), получим f-VWf)f..(.. При равенстве постоянных времени и Т- из (8) получим Т Р равенстве постоянных интегрирования интеграторов 2 и 9 предлагаемре устройство обладает максимальным быстродействием во всем диапазоне изменения изъгёряемой частоты: при изменении скачком частоты следования входных импульсов от значения { до значения f установившееся значение напряжения на выходе устройства пропорциональное f2 , достигается с запаздыванием на один период следования импульсов. Таким образом, предлагаемое устройство, обеспечивающее высокую точность преобразования частоты в напряжение за счет астатической обратной связи по измеряемой величине, реализует предельное быстродействие в широком диапазоне частот.

Вмд

-

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ В НАПР}ШЕНИБ, содержащий формирователь импульсов, последовательно соединенные выходной интегратор и интегратор с узлом установки начальных условий. выход которого подключен к входу фиксирукщего блока, выход которого подключен к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к источнику эталонного напряжения,- первый выхсщ форкшрователя импульсов подключен к управляняцему входу фиксирукщего блока, а второй выход формирователя импульсов подключен к-управляющему входу интегратора с узлом установки начальных условий, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия в широком диапазоне преобразуемых Частот, в него введены ключ, компаратор и дополнительный интегратор с узлом установки начальных условий, выход коV) торого соединен с первым входом комс паратора, а вход - с источником зталонного напряжения, вход ключа соеди§ нен с выходом сумматора, выход ключа соединен с входом выходного интегра, тЬра,управлякт(ий вход ключа соединен с выходом компаратор а, второй вход которого подключен к выходу выходного интегч ратора, а управляющий вход дополнительэо ного интегратора с узлом установки с начальных условий соединен с вторым 4 выходом формирователя импульсов.

. Фиг./

9 zrpri

ш

(/Ю

т

(f3

(//.