Преобразователь частоты в напряжение Советский патент 1985 года по МПК H03K9/06 

Изобретение относится к информационноизмерительной технике, может использоваться в системах автоматических измерений, контроля и управления и является усовершенствованием изобретения по авт. св. № 671029.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет введения источника опорного напряжения, цифроаналогового преобразователя, счетчика импульсов, генератора тактовых импульсов и соответствующих связей, что обеспечивает получение различных функциональных зависимостей выходного напряжения от входной частоты.

Это позволяет, например, линеаризовать частотные датчики, обладаюш,ие, как правило, существенной нелинейностью.

На фиг. 1 приведена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие его работу.

Преобразователь частоты в напряжение содержит формирователь 1 импульсов, подключенный к входу преобразователя, выход которого через интегратор 2 и ключ 3 соединен с входом повторителя 4 напряжения, к которому подключен также конденсатор 5, одновибратор 6 включен между входом преобразователя и управляющим входом ключа 3, управляемый усилитель 7 подключен к повторителю 4 напряжения, к входу и к выходу преобразователя, источник 8 опорного напряжения подключен к цифроаналоговому преобразователю 9, к которому подключен также счетчик 10 импульсов, к счетному входу которого подключен генератор 11 тактовых импульсов, выход цифроаналогового преобразователя 9 подключен к входу интегратора 2, а установочный вход счетчика 10 импульсов подключен к выходу одиовибратора 6. Цифроаналоговый преобразователь 9 может быть построен, например, путем последовательного включения коммутатора 12 и матрицы 13 резисторов. Интегратор 2 может быть построен на операционном усилителе с включенным в цепь обратной связи конденсатором.

Преобразователь частоты в напряжение работает циклично. Циклы задаются импульсами входной частоты {вх, каждый из которых запускает формирователь 1 импульсов, формирующий импульс стабильного заряда qo (временная диаграмма УФН на фиг. 2), поступающий на вход интегратора 2, и запускает одновибратор 6, выходной короткий импульс которого (диаграмма Utg. на фиг. 2 на короткий промежуток времени подключает выход интегратора 2 через ключ 3 к конденсатору 5, т. е. осуществляется выборка и запоминание выходного напряжения интегратора 2. Напряжение с конденсатора 5 через повторитель 4 напряжения и усилитель 7 подается на выход преобразователя, а также на вход интегратора 2. Выходной импульс одновибратора 6 осуществляет установку в нулевое состояние счетчика 10, на счетный вход которого поступают импульсы с генератора 11 тактовых импульсов. Частота тактовых импульсов выше частоты f и выбирается такой, чтобы при минимальной /вх (т. е. при максимальном периоде входных импульсов) счетчик 10 успевал просчитать до переполнения. Соответственно при fBx большей, чем минимальная,

счетчик 10 успевает просчитывать до значения, зависящего от /вх. Каждому значению кода счетчика 10 соответствует выходной ток цифроаналогового преобразователя 9. Примером реализации цифроаиалогового

j преобразователя 9 может быть совокупность коммутатора 12 и матрицы резисторов 13. В этом случае каждому коду счетчика 10 соответствует подключение коммутатором 12 соответствующего резистора матрицы 13 между выходом источника 8 опорного напряжения и входом интегратора 2. В результате на вход интегратора 2 поступает ток, значение которого зависит от напряжения опорного источника 8 и сопротивления выбранного резистора матрицы 13.

При изменении кода счетчика 10 от начального (соответствующего состоянию начальной установки) до переполнения на вход интегратора окажутся поданными последовательно импульсы тока /«i, IR2...IR, (на фиг. 2

соответствующие временные диаграммы приведены для случая числа резисторов матрицы 1 ). Длительность каждого из этих импульсов равна периоду следования тактовых импульсов генератора 11, а их число зависит от периода следования импульсов входной частоты /вх.

Предположим, что в начальный момент (например, в момент изменения входной частоты f#x.). выходное напряжение U 6r. U/. В течение одного цикла преобразования (т.е. одного периода входной частоты f(.) интегратор проинтегрирует один импульс тока 1.. от формирователя, i импульс тока от цифроаналогового преобразователя 9 и выходное напряжение. Тогда после окончания первого цикла преобразования (т. е. по истечении одного периода Т частоты ,.) выходное напряжение равно

1T-U-I- «iKnKvияТКпК

ппу I

1/1- RC 1

,JinK:j 5 El 2С tSi Ri

(i-l)/o +Sign(r-i/o)/o+ -f-Sing 7-(/-l)/o -Sign(r-i/o) (/-1) ;о } -5«- К- +U«Q-f + -| -|Л1-И о+.В I Т- a-1) to),

qo - заряд, поступающий с выхода формирователя 1 импульсов; К,пК,у - коэффициенты передачи повторителя 4 и усилителя 7 соответственно;

С - емкость времязадающего конденсатора интегратора 2; Q -TK-KylRC R - сопротивление времязадающего

резистора интегратора 2; 1//вх - период следования импульсов

входной частоты;

, - напряжение источника опорного напряжения 8, подключаемое к г-му резистору матрицы 13; RI - сопротивление г-го резистора матрицы 13;

1//о - период следования импульсов тактовой частоты /о генератора 11; t - порядковый номер резистора матрицы 13; / 1,т

m - количество резисторов матрицы 13 ignA -знаковая функция:

Sign X I +1 при , 1-1 при ,

L-1 при ,

,ign Т-(i-)io +Sign(Г-г/о) Sign Т- (i-1) /о -Sign ()

Аналогично, последовательно рассматривая последующие циклы (периоды /вх), можно записать выражения для выходного напряжения. Так, для «-го цикла получим

и п ( JinJxf + S Г bt- Hi L

-fi-Uto) +UMQ

Последнее выражение состоит из двух частей - геометрической прогрессии, сходящейся при условии (здесь Q - знаменатель геометрической прогрессии) и убывающего при выполнении условия члена UnQ. В результате если неравенство выполняется, то в установивщемся режиме (т. е. при ) напряжение на выходе преобразователя равно

Uc« limU, oA+-|-f {Жо +

П- 12It.:lKtL

+ fi qoRfEx +

+ f , + 5 r-(i-i;to }.

Таким образом, процесс установления выходного напряжения после изменения входной частоты описывается геометрической

прогрессией, т. е. в устройстве осуществляется итерационная аддитивная коррекция погрещности преобразования - корректируются погрещности, обусловленные неидеальнос, тью коэффициентов передачи повторителя 4, усилителя 7 и конденсатора интегратора 2 (К,К.у и С - отсутствуют в уравнении преобразования для установившегося режима и лишь влияют на характер переходного процесса установления). Это позволяет не предъ0 являть к указанным блокам высоких требовами и при достижении высокой точности преобразования.

Условием сходимости переходного процесса установления выходного напряжения (или процесса коррекции погрешности преобразования) является неравенство . При этом максимальная скорость сходимости соответствует равенству . Затем, что Q зависит от fsx. В результате существует такая частота /н (при ), при которой

0 переходной процесс заканчивается за один период /вх, т. е. быстродействие на этой частоте чрезвычайно высокое. Из условия можно определить диапазон частоты, в котором это условие соблюдается.

Уравнение преобразования состоит из двух слагаемых - линейного члена , зависящего от часоты /вх и нелинейного члена, зависящего не только от частоты /вх, но и от сопротивлений резисторов матрицы 13 и соответствующих напряжений, подключаемых к матрице 13 коммутатором 12. На фиг. 2 на графике 1/вых /(/) первому члену соответствует прямая 1, а кривая 2 соответствует сумме обоих членов. Эта кривая реализует нелинейную зависимость для приведенного в качестве примера случая. Характер получаемой нелинейности зависит от полярности и амплитуды импульсов тока IKI,...IRS (полярность определяется полярностью Ei, а амплитуда - сопротивлением /,. Поскольку результат интегрирования каждого импульса тока от цифро0 аналогового преобразователя 9 описывается отрезком прямой, то следовательно аппроксимация требуемой нелинейности кусачнолинейная, а угол наклона каждого участка аппроксимации выбирается сопротивлением резистора /,- -матрицы 13 и полярностью подключаемого к нему напряжения. Таким образом,предлагаемый преобразователь позволяет реализовать различные функциональные зависимости напряжения от частоты, которые задаются с требуемой

точностью при сравнительно малых аппаратурных затратах (число резисторов составляет 6-10), причем перестройка с одной заданной функции на другую может быть легко осуществлена, например, путем замены резисторов матрицы, к точности и стабиль5 ности которых не предъявляются высокие требования.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ В НАПРЯЖЕНИЕ по авт. св. № 671029, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены источник опорного напряжения, цифроаналоговый преобразователь, счетчик импульсов и генератор тактовых импульсов, подключенный к счетному входу счетчика импульсов, установочный вход которого подключен к выходу одновибратора, выходы источника опорного напряжения и счетчика импульсов подключены к соответствующим входам цифроана.логового преобразователя, выход которого соединен с входом интегратора. (Л со о ел о со