Изобретение относится к измерительной технике, в частности к умножителям частоты электрических сигналов, и может быть использовано как генератор синусоидальных колебаний прм калибровке измерительных каналов различных систем. При этом к умножителю предъявляется требование обеспечения линейной зависимости амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного, большого диапазона изменения коэффициента умножения и незначительных гармонических искажений выходного синусоидального сигнала.
Известны умножители, построенные по принципу нелинейного преобразования
сигнала и выделения из него высших гармоник.
Один из умножителей частоты построен на амплитудном ограничителе с суммированием сигналов. В таком умножителе трудно обеспечить линейную связь между амплитудой выходного гармонического сигнала и амплитудой входного сигнала, так как составляющие высших гармоник уменьшаются нелинейно, а при уменьшении входного сигнала до десятков милливольт выделение высших гармоник становится невозможным. Коэффициент умножения устройства не превышает nrxlO.
Другой умножитель основан на использовании фазового принципа умножения чаXJ
00 XI
со
00
со
стоты, он содержит n-фазный преобразователь и перемножитель, выполненный из п- последовэтельных демодуляторов. Наличие большого количества демодуляторов обеспечивает хорошую линейную зависимость по амплитуде между выходными и входными сигналами и коэффициент умножения, определяемый количеством демодуляторов, однако с увеличением коэффициента умножения и количества демодуляторов значительно усложняется конструкция умножителя и он становится неудобным в использовании.
Третий умножитель содержит формирователь гармоник, селективный фильтр и корректирующую RC-цепочку с регулируемой постоянной времени.
Этот умножитель обеспечивает хоро шую линейную зависимость rio амплитуде между выходным и входным сигналами и достаточно большой коэффициент умножения m : 20. При малых коэффициентах умножения выходной сигнал имеет небольшие гармонические искажения, которые возра; стают с увеличением коэффициента умножения и, кроме того, коэффициент может принимать только дискретные значения m 2,3,4 и т. д.
В принципе все умножители частоты, основанные на нелинейном преобразовании сигнала, имеют сравнительно невысокий коэффициент умножения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных существенных признаков и достигаемому эффекту является умножитель частоты (авт. св. СССР tsfe 771781). Умножитель частоты содержит последовательно соединённые преобразователь сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, пиковый детектор, первый резистивный делитель напряжения и пороговый формирователь разнополярных прямоугольных импульсов, причем вход преобразователя сигналов подключен к входу устройства, блок интегрирования, выход которого подключен ко второму опорному входу порогового формирователя разнополярных импульсов, второй резистивный Делитель напряжения, подключенный к третьему входу порогового устройства, электронный ключ, параллельно соединенный с конденсатором, включенный в обратную связь блока интегрирования, и формирователь управляющих импульсов, выход которого подключен к управляющему входу электронногр ключа, а вход подключен к выходу порогового формирователя.
Диапазон изменения коэффициента умножения определяется диапазоном изменения коэффициента преобразования делителя напряжения и может достигать больших значений т - Ю2.
Умножитель характеризуется нелинейной .зависимостью амплитуды выходного сигнала от входного и при этом полностью изменена форма выходного сигнала (синусоидальный сигнал преобразуется в импульсную последовательность), что
0 недопустимо в ряде практических применений,
Целью изобретения является обеспечение линейной зависимости амплитуды выходных сигналов от амплитуды входных
5 сигналов умножителя и уменьшение нелинейных искажений выходного сигнала.
Поставленная цель достигается тем, что в умножитель частоты, содержащий последовательно соединенные преобразователь
0 сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, пиковый детектор, первый резистивный делитель напряжения и пороговый формирователь разнополярных прямоугольных импульсов, причем вход
5 преобразователя сигналов подключен к входу устройства, формирователь управляющих импульсов, второй резистивный делитель напряжения, блок интегрирования, выход которого подключен к второму
0 опорному входу порогового формирователя разнополярных прямоугольных импульсов, выход которого подключен к входу формирователя управляющих импульсов, дополнительно введены последовательно
5 соединенные амплитудный детектор, управляемый усилитель и фильтр, а также формирователь постоянных напряжений разных уровней, первый вход которого подключен к выходу пикового детектора, второй его
0 вход является входом регулируемого опорного напряжения, первый выход подключен к входу второго резистивного делителя напряжения, выход которого подключен к третьему опорному входу порогового фор5 мирователя разнополярных прямоугольных импульсов, четвертый и пятый опорные входы которого подключены, соответственно к второму и третьему выходам формирователя постоянных напряжений разных уров0 ней, выход порогового формирователя разнополярных прямоугольных импульсов соединен с входом блока интегрирования импульсов, выход формирователя управляющих импульсов подключен к управляю5 щему входу управляемого усилителя, вход амплитудного детектора соединен с входом преобразователя сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, а выход фильтра является выходом умножителя частоты; формирователь постоянных напряжений разных уровней содержит первый инвертор и последовательно соединенные инвертирующий сумматор и второй инвертор, при этом вход первого инвертора соединен с первым входом инвертирующего сумматора и является первым входом формирователя постоянных напряжений разных уровней, вторым входом которого является второй вход инвертирующего сумматора, при этом выход первого инвертора, выход инвертирующего сумматора и выход второго инвертора является , соответственно, первым, вторым и третьим выходами формирователя постоянных напряжений разных уровней.
На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого умножителя; на фиг. 2 - структурная схема формирователя; на фиг. 3 - временные диафрагмы работы устройства.
Умножитель содержит преобразователь 1 сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, пиковый детектор 2, формирователь 3 постоянных напряжений разных уровней, резистивные делители 4 и 5 напряжений, пороговый формирователь 6 разнополярных прямоугольных импульсов, блок 7 интегрирования, формирователь 8 управляющих импульсов, амплитудный детектор 9, регулируемый усилитель. 10, фильтр 11.
Блоки соединены между собой следующим образом.
Преобразователь 1 сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы и пиковый детектор 2 соединены последовательно, причем вход преобразователя 1 подключен к входу устройства; выход пикового детектора 2 подключен к первому входу формирователя 3 постоянных напряжений разных уровней и к входу первого резистииного делителя напряжения; к второму входу формирователя 3 подключен источник регулируемого опорного напряжения Don, первый выход формирователя 3 подключен к входу второго резистив- ного делителя напряжения 5; выходы делителей А и 5 подключены к первому и третьему входам порогового формирователя 6 разнополярных прямоугольных импульсов, соответственно; к выходу порогового формирователя 6 подключены вход формирователя управляющих импульсов 8 и вход блока интегрирования 7, выход которого подключен ко второму опорному входу порогового формирователя 6. четвертый и пятый опорные входы которого подключены, соответственно, к второму и третьему выходам формирователя 3 постоянных напряжений разных уровней: амплитудный
детектор 9, регулируемый усилитель 10 и фильтр 11 соединены последовательно, причем вход амплитудного детектора 9 подключен к входу устройства, выход фильтра 511 подключен к выходу устройства, ко второму (управляющему) входу управляемого усилителя 10 подключен выход формирователя управляющих импульсов 8.
0Структурная схема формирователя 3 постоянных напряжений разных уровней представлена на фиг, 2. Формирователь содержит первый инвертор 12 и последовательно соединенные инвертирующий сумматор 13 и второй инвертор 14, при этом вход первого инвертора 12 соединен с первым входом
5 инвертирующего сумматора 13 и является первым входом формирователя 3 постоянных напряжений разных уровней, вторым входом которого является вход инвертирующего сумматора 13, при этом выход
0 первого инвертора 12, выход инвертирующего сумматора 13 и выход второго инвертора 14 являются, соответственно, первым, вторым и третьим выходами формирователя 3 постоянных напряжений разных уров5 ней.
Устройство работает следующим образом.
Входной синусоидальный сигнал UBX поступает на вход преобразователя 1 сигна0 лов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, фиг. 2.1, на выходе которого в течение каждого периода колебаний формируются колебания треугольной формы, амплитуда которых пропорциональна Т 5 длительности полупериода Ui (Т), фиг, 2.2. Сигнал DI (Т) с выхода преобразователя 1 поступает на вход пикового детектора 2, который формирует на выходе постоянное на- . пряжение LJ2, соответствующее по величине
0 амплитуде напряжения треугольной формы Ui (Т), фиг. 2.3. Постоянное напряжение U2 с выхода пикового детектора 2 поступает на первый вход формирователя 3 постоянных напряжений разных уровней, на второй его
5 вход поступает регулируемое опорное напряжение Uon.
Формирователь 3 постоянных напряжений разных уровней преобразует постоянное напряжение Ua в напряжение - U2 на
0 первом выходе, в напряжения Уз (Ua + Uon) на втором выходе и - Us - (U2 +. Uon) на третьем выходе. Напряжения + U2 (с выхода пикового детектора 2) и - U2 (с первого выхода формирователя 3) поступают соответ5 ственно, на резистивные делители 4 и 5, которые имеют одинаковый коэффициент деления т.
С выходов этих делителей снимают напряжения, равные по величине и противоположные по знаку, которые являются пороговыми напряжениями Uni U2/m и Оп2 - U2/m, и поступают на первый и второй входы порогового формирователя 6 разно- полярных прямоугольных импульсов.
Напряжения + Us и - Уз со второго и третьего выходов формирователя 3 постоянных напряжений поступают на четвертый и пятый входы порогового формирователя 6, соответственно, и являются напряжениями питания для его выходных каскадов. Пороговый формирователь 6 с напряжениями питания + Уз и - Us на его входах в совокупности с блоком интегрирования 7 являются, по существу, генератором прямоугольных разнополярных импульсов, которые формируются на выходе порогового формирователя 6 и имеют частоту выходных колебаний fBbix. а на выходе блока интегрирования 7 формируются треугольные импульсы той же частоты, фиг. 2.4.
Амплитуда прямоугольных импульсов равна I Da - U11, где Ui соответствует падению напряжения на выходном каскаде порогового формирователя 6 и его величина приблизительно равна напряжению Uon. Величину напряжения Uon регулируют так, чтобы амплитуда напряжения прямоугольных импульсов была равна величине напряжения U2: lU3-Uonl IU3-U | U2.
Частота следования импульсов определяется отношением величин напряжений Шз - Uonl и Un - напряжения питания выходных каскадов, в также постоянной времени т RC блока 7 интегрирования.
Время нарастания треугольного импульса определяется по известной формуле 5, . .
Uni -Una UM - Un2 /,,.
1 i t i iГ f I /
tH
- (из - ОД
Подставляя в (1) значения напряжений Un и I Us -Uonl, получим
tH
+ U2/m +U2/m .т 2jr U2m Время спада tcn треугольного импульса определяется аналогично по формуле:
un2 +u
rit
- (U3 - Uon)
2т m
Частота следования прямоугольных импульсов на выходе порогового формирователя 6 (а также и треугольных импульсов):
1
л
, --- --г-, при m tH + ten 4 Г
1 , ffiblX -
Подбирая т из соотношения: т 1/4 Твых, получаем равенство входных и выходных частот сигнала, а при наличии коэффициента деления m: fBbix m-fBx.
5Импульсы с выхода порогового формирователя 6 поступают на вход формирователя управляющих импульсов 8, который формирует однрполярные импульсы логиче ской единицы и логического нуля со
10 скважиностью 1/2, следующие друг за другом, фиг. 2.5. Эти импульсы поступают на управляющий вход управляемого усилителя 10, а на его первый вход с выхода амплитудного детектора 9 поступает постоянное на15 пряжение U4, равное амплитуде сигнала, фиг. 2.6.
Коэффициент передачи усилителя 10 в зависимости от значений сигнала на его управляющем входе в виде логических нулей
20 или единиц принимает, соответственно, значения +1 или -1, на выходе его появляется сигнал в виде последовательности разнополярных прямоугольных импульсов с частотой febix m.fBX и амплитудой, равной
25 амплитуде входного сигнала.
Эта последовательность импульсов поступает на вход фильтра 11, который выделяет из входного сигнала основную гармонику, имеющую частоту fBbix m-fex.
30 фиг. 2.7.
Таким образом, на выходе умножителя частоты будут неискаженные гармонические колебания заданной частоты и амплитудой, линейно связанной с амплитудой
35 входного сигнала, в частности, амплитуда сигнала на входе и выходе устройства одинаковы. Коэффициент умножения устройства может меняться в широких пределах от единиц до нескольких сотен, что обусловле40 но возможностями конструкции делителей напряжения.
Одним из достоинств умножителя является то, что с других его выходов можно снимать сигналы выходной частоты и в
45 форме либо прямоугольных (с выхода порогового формирователя 6), либо треугольных (с выхода блока интегрирования 7), либо однополярных (с выхода формирователя управляющих импульсов 8), и эти после50 доватёльности импульсов также могут найти разнообразные применения.
Еще одним из достоинств умножителя является то, что при изменении периода входных колебаний в несколько раз коэффи55 циент умножения не будет изменяться. Это объясняется тем, что коэффициент умножения определяется отношением порогового напряжения, снимаемого с делителя, и выходного напряжения порогового формирователя, которое устанавливается равным U2
с помощью регулирования величины U0n, т. е. входному напряжению делителей. Таким образом, при увеличении периода, например, в два раза напряжение Da также возрастет в два раза, во столько же раз возрастет пороговое напряжение, э отношение их не изменится.
При необходимости выходные каскады порогового устройства могут быть выполнены высоковольтными и период входных колебаний может меняться в широких пределах без изменения коэффициента умножения.
Умножитель частоты выполнен на стандартных элементах - цифровых микросхемах и операционных усилителях.
Ниже приведен один из примеров работы устройства.
На вход умножителя подается синусоидальный сигнал амплитудой U 2 В и частотой fBx 1 Гц. Преобразователь 1 будет формировать напряжение за время полупе- риода входного сигнала Т 0,5 с, для чего соответствующим образом выбирают постоянную времени интегратора,входящего в состав преобразователя 1, и на его выходе будет линейно-нарастающий сигнал амплитудой U2 5 В. Это напряжение через пиковый детектор 2 поступает на формирователь постоянных напряжений 3, а амплитуду напряжения, формируемого преобразователем 1, выбирают из тех соображений, чтобы напряжение со второго и третьего выходов формирователя постоянных напряжений 3
03 ± (Uz + Uon) по величине лежало в диапазоне ± (3-15) В. В этом диапазоне лежат допустимые значения напряжений питания выходных каскадов порогового формирователя 6. Падение напряжения на выходных каскадах порогового формирователя б составляет U 1 В, а так как значение Uon подбирается так, чтобы U Uon, то на его четвертый и пятый входы будет поступать напряжение 11з ± (Ua + Uon) ±6 В.
Напряжения с выхода пикового детектора + U2 5 В и с первого выхода формирователя 3 - U2 - 5 В поступают на делители
4 и 5, соответственно. Для получения частоты выходного сигнала, например, Твых -50 Гц, устанавливают переключатель делителей на коэффициент деления m 50 и получают на выходе делителей напряжения Uni 100 мВ и Un2 -100 мВ, соответственно.
В блоке интегрирования 7 параметры RC-цепочки подбирают, исходя из удовлетворения равенства (2): г 0,25 с и подбирают величины навесных элементов R
250 кОми С 1 мкФ. На выходе порогового формирователя 6 формируются разнопо- лярные прямоугольные импульсы частотой Твых 50 Гц и амплитудой Ui 1)з- Uon I 5 5В, для чего в небольших пределах (сотни милливольт) регулируют величину напряжения Uon на втором входе формирователя 3 с помощью резистивного делителя, подключенного к источнику положительного напря- 0 жения питания, общего в.системе питания устройства (на схеме не показано). На выходе блока интегрирования 7 формируются прямоугольные импульсы частотой 50 Гц и амплитудой 100 мВ.
5 Разнополярные прямоугольные импульсы с выхода порогового формирователя 6 поступают на вход формирователя управляющих импульсов 8 и преобразуются в пря- моугольные однополярные импульсы
0 путем ограничения входных импульсов по уровню и полярности усилителем-ограничителем, входящим в состав формирователя 8. Импульс, соответствующий логической единице, имеет амплитуду 4 В, а соответ5 ствующий логическому нулю - 0,5 В, С помощью триггеров и логических элементов, входящих в состав формирователя 8, эти импульсы преобразуются в импульсы со скважистостью 1/2.
0 При выходном сигнале амплитудой 2 В на выходе амплитудного детектора 9 устанавливается постоянное напряжение 2 В, которое поступает на вход управляемого усилителя, коэффициент передачи которого
5 -Н или -1 управляется импульсами с выхода формирователя управляющих импульсов 8.
С выхода управляемого усилителя 10 снимают разнополярные импульсы ампли0. тудой 2 В и частотой febix 50 Гц, из которых фильтр 11 отфильтровывает первую гармонику частотой Твых 50 Гц и амплитудой 2 В. Заявляемый умножитель частоты предполагается использовать преимуществен5 но именно в области низкочастотных и инфранизкочастотных колебаний, например в сейсмологии. В указанном диапазоне заявляемый умножитель частоты также обеспечивает стабильность амплитуды не
0 хуже 0,3 % при включении на его входе генератора опорной частоты (что соответствует параметру умножителя линейность зависимости). Такой генератор может быть разработан специально, например на три
5 части, так чтобы диапазон их изменения перекрывал друг друга при коэффициенте умножения 10 , а суммарным коэффициент умножения при этом составит шесть порядков, что вполне достаточно при калибровке измерительных каналов Р различных
областях техники, при это генератор опорной частоты будет малогабаритным и экономичным на одном операционном усилителе в двух микросхемах. - : . .
CD ормула изобретения 1. Умножитель частоты, содержащий последовательно соединенные преобразователь сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы,вход которого является входом умножителя частоты, пиковый детектор, первый резистивный делитель напряжения и пороговый формирователь разнополярных нрямоугольнйх импульсов, формирователь управляющих импульсов, второй резистивный делитель напряжения, блок интегрирования, выход которого подключен к второму опорному входу порогового формирователя разнополярных прямоугольных импульсов, выход которого подключен к входу формирователя управляющих импульсов, от ли ч а ю щ и й- с я тем, что, с целью обеспечения линейной зависимости амплитуды выходных сигналов от амплитуды входных сигналов и уменьшения нелинейных искажений выходныхсигналов, введены последоватёлъно со- единенные амплитудный детектор, управляемый усилитель и фильтр, а также формирователь постоянных напряжений разных уровней, первый вход которого подключен к выходу пикового детектора, а второй вход которого является входом регулируемого опорнбго напряжения, а первый вход которого подключен к входу второ-
го резистивного делителя напряжения, выход которого подключен к третьему опорному входу порогового формирователя разнополярных прямоугольных импульсов, четвертый и пятый опорные входы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам формирователя постоянных напряжений разных уровней, выход порогового формирователя разнополярных прямоугольных импульсов соединен с входом блока интегрирования, выход формирователя управляющих импульсов подключен к управляющему входу управляемого усилителя, вход амплитудного детектора соединен с входом преобразователя сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, а выход фильтра является выходом умножителя частоты.
2. Умножитель частоты по п. 1, о т л и - чаю щ и и с я тем, что формирователь постоянных напряжений разных уровней содержит первый инвертор и последовательно соединенные инвертирующий сумматор и второй инвертор, при этом вход первого инвертора соединен с первым входом инвертирующего сумматора и является первым входом формирователя постоянных напряжений разных уровней, вторым входом которого является второй вход инвертирующего сумматора, при этом выход первого инвертора, выход инвертирующего сумматора и выход второго инвертора являются соответственно первым, вторым и третьим выходами формирователя постоянных напряжений разных уровней.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как генератор синосуидальных колебаний при калибровке измерительных каналов различных систем. Целью изобретения является обеспечение линейной зависимости амплитуды выходных сигналов от амплитуды входных сигналов и уменьшение нелинейных искажений выходных сигналов. Умножитель частоты содержит преобразователь 1 сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, пиковый детектор 2, формирователь 3 постоянных напряжений разных уровней, первый 4 и второй 5 резистивные делители напряжения, пороговый формирователь б разнопо- лярных прямоугольных импульсов, блок 7 интегрирования, формирователь 8 управляющих импульсов, амплитудный детектор 9, управляемый усилитель 10, фильтр 11. Импульсы с выхода порогового формирователя 6 поступают на вход формирователя 8 управляющих импульсов, который формирует однополярные управляющие импульсы со скважностью 1/2, следующие друг за другом, эти импульсы поступают на управляющий вход управляемого усилителя 10, коэффициент передачи которого принимает значение +1 или -1 и на выходе которого появляется сигнал в виде последовательности разнополярных прямоугольных импульсов, а фильтр выделяет основную гармонику. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.
/
Г/ш
60 80ЮО/20т б073О20Ог2О2МгбО2#О30О
цМ
-тт
Редактор
Техред М.Моргентал
Заказ 275Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
Фиг.2
Корректор Н. Гунько
| Умножитель частоты | 1978 |
|
SU771781A1 |
| Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
