Преобразователь частоты в напряжение Советский патент 1989 года по МПК H03K9/06 H03M1/60 G01R23/00 

К)

О5 СО

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для снятия характеристик распределения частот повторения сигналов, и может быть использовано с частотными датчиками для автоматического измерения, индикации и регистрации различных физических величин, произвольно изменяющих свое значение в ходе технологического процесса или научного эксперимента. Цель изобретения - повышение точности преобразования. Для этого в устройство, содержащее усилитель-ограничитель 1, дифференцирующий элемент 15, ключи 11, 12, и элемент 14 памяти, выполненный на конденсаторе, введены генератор 7 пилообразного напряжения, компаратор 8, триггеры 2, 4, 6, элементы и 3 и 9 и элементы 5 и 10 задержки. Введение этих блоков позволяет уменьшить динамическую составляющую погрешности преобразования за счет огранизации следящей системы. 2 ил.

(fJUff.i

3150

Изобретение г)ти(и-иг( я к ичмери- rejibnoii ТРХ11ИКО, иродчлтилчено для снятия характеристик распроделения частот повторения сигналов и может быть использовано с частотными датчиками лпя антоматического измерения, индикадии и регистрации различных физических величин, произвольно изменяющих свое значение в ходе технологического процесса или научного эксперимента.

На Лиг.1 представлена функциональная схема предложенного устройства на фиг.2 - эпюры напряжений, соответствующие двум состояниям работы устройства.

Устройство (фиг.1) содержит усилитель-ограничитель 1 входного сигнала, триггер 2, элемент И 3, триггер 4, элемент 5 задержки, триггер 6, генератор 7 пилообразного напряжения, компаратор 8, элемент И 9, элемент 10 задержки, ключи 11 и 12, дифференцирующий элемент 13, элемент 14 памяти, выполненный на конденсаторе, дифференцирующий элемент 15.

У-стройство работает следующим образом.

На вход усилителя-ограничителя 1 (фиг.1) поступает синусо1адапьный сигнал от датчика (эпюра а , фиг.2). Н выходе усилителя-ограничителя 1 формируется сигнал прямоугольной формы, после дифференцирования одного из фронтов которого дифференцирующим элементом 15 выбираются короткие импульсы (эпюра Si). Первым входным импульсом триггера 2 и 6 устанавливаются в состояние О (эпюры Ь и 2 ) причем триггер 6 - с некоторой 3a;tep жкой на элементе 5 задержки. Состоянием О триггера 6 разрешается генерирование пилообразного напряжения генератором 7 крутизной, соответствующей уровню напряжения, хранящемуся на элементе 14 памяти, представляющем собой запоминдющ конденсатор. Так как в исходном состоянии напряжение на запоминающем конденсаторе 14 мало, напряжение на выходе генератора 7 будет увеличиваться медленно и до прихода второго входного импульса не успеет нарасти до уровня Uj, заданного в качестве опорного компаратору 8. Второй входной импульс приходит Б то время, когда триггер Ь находится в состоянии О. Состоянием 1 с инверсного яы

хода триггера 6 (эпюра Z ) разрешается 11рох) второго входного импульса на единичный вход триггера 4

через элемент И 3. Триггер 4 переводится в состояние 1 (эпюра ч), обеспечивающее зам.кание переключателя 12 и заряд запоминающего конденсатора 14. Одноиременно с зарядом запоминающего конденсатора 14 увеличивается скорость нарастания выходного напряжения генератора-7. Этот процесс продолжается до тех пор, когда выходное напряжение генератора 7 возрастет до уровня напряжения Up .

В момент равенства напряжений компаратор 8 срабатывает (эпюра б) и через дифференцирующий элемент 13

переводит триггер 6 в состояние 1, а триггер 4 с задержкой на элементе 10 - в О. Состоянием 1 триггера 6 генератор 7 обнуляется. Состояние О триггера 4 обеспечивает запирание переключателя 12 на запоминающем ко}гденсаторе 14 хранится накопленное напряжение.

В установившемся режиме период генератора 7 равен периоду входных сиг„„ ,.

налов. Если по какой-либо причине

(например, за счет увеличения частоты входных сигналов) период генератора 7 окажется больше периода входных сигналов, произойдет описанный

процесс и на выходе триггера 4 вьфа- батывается импульс, длительность которого равна разности между длительностью генератора 7 и периодом входного сигнала, включится ключ 12

и обеспечит подэаряд запоминающего конденсатора на величину, пропорциональную разности периодов.

Если по какой-либо причине (напри- мер, за счет уменьшения частоты

входного сигнала) период генератора 7 окажется меньше периода входного сигнала (фиг.2, зона В), к моменту прихода второго импульса (эпюра Bi) триггер 6 успеет возвратиться в состояние 1 импульсом (эпюра е) с выхода генератора 7, и второй импульс входного сигнала через элемент И 3 не пройдет, так как на второй вход элемента ЗИ в это время поступает

нулевое напряжение с инверсного выхода триггера 6. Триггер 4 остаётся в состоянии О (эпюра ), разрешая своим инверсным напряжением (эпюра и )

прохождение очередио1 (1 ю.гходного импульса -еиераторл 7 через гэлемент И 9 на единичны вход тригг-ера 2 (эпюра k), Этим импульсом триггер 2 устанавливается в состояние 1 (эпюра ), разрежая разряд запоминающего конденсатора 1А через переключатель 11. Конденсатор 14 будет разряжаться до прихода очередного им пульса (эпюра 5) входного сигнала, который возвращает в состояние О триггер 2 (эпюра А). Время разряда запоминаюп;его конденсатора 1Д равно разности между периодом входного сигнала и периодом генератора 7, что позволяет обеспечить разряд запоминающего конденсатора 14 до нужной величины практически за один период входного сигнала.

При стабильной частоте входного сигнала в устройстве устанавливается динамическое равновесие, в результате которого на запоминающем конденсаторе 14 поддерживается напря- жение, при котором период генератора 7 равен периоду входного сигнала, величина этого напряжения обратно пропорциональна периоду генератора 7 и входного сигнала, а следовательно, пропорциональна частоте входного сигнала.

При изменении частоты входного сигнала практически за время одного периода происходит подзаряд или раз- ряд запоминающего конденсатора 14 до величины, пропорциональной частоте входного сигнала. Постоянная времени и ток заряда (или разряда) должны выбираться так, чтобы за вре- мя периода входного сигнала обеспечивался полный заряд конденсатора. Связь тока и напряжения заряда с параметрами цепи определяется общеиз- .вестным уравнением

С.и 1 - ,

где I - ток зарядаi

С - емкость конденсатораJ и - напряжение, до которого заряжается конденсатор; t - время уаряда, равное периоду

вх)днс1го сигналл.

Так, для чаряпа конденсатора ем- когт,ю 1 мкФ 10 ь до напряжения 1 В при скачкооб ач 1 м пклн)чеиии сигнала с частотой ИИ) Г ц необходимо обеспечить ч-пк

1010JQ jf 20

25 ЗО

,, 40 45

0

5

Реальная нестабильность элементов цепей перезаряда может привести к недорегулированик) и увеличению на несколько процентоп (пропорционально изменению номиналов элементов) времени переходных процессов или к перерегулированию, связанному с возможностью появлен1гя колебаний, неустойчивости и возбуждения в полном соответствии с теорией устойчивости замкнутых следяиигх систем. Дпя исключения такоГ( возможности в цепях перезаряда должны использоваться элементы с повышенной стабильностью или постоянная времени цепей перезаряда должна быть увел11чена на величину возможной нecтaбил.нocти элементов (несколько процентов) с тем расчетом, чтобы при наихудших сочетаниях элементов не нарушалась устойчивость.

Формула изобретения

Преобразователь частоты в напряжение, содержащий усилитель-ограничитель, вход KOTopoi o является входной тиной, а выход соединен с входом первого дифференцирующего элемента, первый и второй ключи, вы- ХОД1-1 которых объединены, и элемент памяти, вьтолненньв) на конденсаторе, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования за счет уменьшения динамической составляющей погрешности преобразования, введены генератор пилообразного напряжения, компара- TOJ), второй дифференцирующий элемент, два элемента задержки, два элемента И, первый, второй и третий триггеры, , прямые выходы которых соответственно подключены к входам первого и второго ключей и первому входу генератора пилообразного напряжения, второй вход которого соединен с первой обкладкой конденсатора и подключен к выходу первого ключа, обкладка конденсатора соединена г шиной нулевого потенциала, инвергнмГ( г(ыход первого триггера подключен к nepHONf входу первого элемента II, rropoii вход которого объединен г }ixiinoM устаноики

в 1 третьего триггера и подключен к выходу второго дифференцирующего элемента, вход которого подключен к выходу компаратора, вход которого под- ключен к выходу генератора пилообразного напряжения, выход второго дифференцирующего элемента через первый элемент задержки подключен к входу установки в О первого триг- гера, вход установки в 1 которого соединен с выходом второго элемента

д

(/

LJ

Зона A

И, первый пход которого соединен с инверсным выходом третьего три1;гера, а второй вход объединен с входом установки в О второго триггера и подключен к выходу первого диф- ференцируюо;его элемента, выход которого через второй элемент задержки подключен к входу установки в О третьего триггера, выход первого элемента И соединен с входом установки в 1 второго триггера.

/:

47

/L

П

в

фиг. 2