Обратимый функциональный преобразователь код-частотно-временной сигнал Советский патент 1981 года по МПК G06J1/00 

(З) ОБРАТИМЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОД- ЧАСТОТНО-8РЕМЕННОЙ СИГНАЛ Изобретение относится к вымислигельной технике и может быть использовано в частотно-цифровых вычислительных устройствах, а также для сопряжения управляющих вычислительных машин с частотными датчиками. Известен обратимый функциональный преобразователь, содержащий усилител напряжения разбаланса с подключенными к его входам управляемыми проводимостями, управляющие входы которых соединены с внешними зажимами устрой ства, блок согласования формы представления информации, подключенный к выходу усилителя напряжения разбаланса и переключатель на два положения, подвижный контакт которого соед нен с выходом блока согласования фор мы представления информации, а неподвижные контакты - с двумя внешним зажимё(Х«1 l . Данный преобразователь имеет огра ниченную точность преобразования. Известен также функциональный.пре: образователь код-частотный сигнал, содержащий управляемый генератор выходного сигнала с усилителем напряжения разбаланса на входе, два цифроаналоговых преобразователя, подсоединен-; ных управляющими входами к выходам регистра входного кода, два преобразователя частотного сигнала в напряжение, частотно-зависимые цепи и два развязывающих усилителя, причем вход усилителя напряжения разбаланса через дифференциальный амплитудный нуль-орган связан с выходами вторых цифроаналогового преобразователя и преобразователя частотного сигнала в напряжение, входы которых через развязывающие усилители подключены соответственно к выходам первого преобразователя частотного сигнала в напряжение и первого цифроаналогового преобразователя, а выход управляемого генератора выходного сигнала подсоединен к шинам питания первых цифроаналогового преобразователя и преобразователя частотного сигнала в напряжение 2 . На основе этого преобразователя может быть реализован обратимый функциональный преобразователь код-мастот ный сигнал путем простого добавления в его схему управляемого генератора цифрового кода, подключенного входом к выходу усилителя разбаланса, а также ключа и цифрового коммутатора, осуществляющих коммутацию внешних зажимов устройства с выходами управляемых генераторов. Однако в этом преобразователе в качестве усилителя напряжения разбаланса может быть использован только усилитель постоянного тока со свойственным ему дрейфом нуля, ограничива ющим возможности уменьшения инструмен тальных погрешностей и повышения точ ности преобразования. Цель изобретения - уменьшение погрешностей преобразования. Поставленная цель достигается тем, что обратимый функциональный преобразователь код-мастотно-временной сигнал, содержащий управляемый генератор прямоугольных импульсов, управляемый генератор цифрового кода, усилитель напряжения разбаланса, два цифроаналоговых преобразователя, подключенных управляющими входами к входам.цифрового коммутатора, первая группа выходов которого соединена с выходами регистра входного кода, а вторая группа выходов - с выходами управляемого генератора цифрового кода, два преобразователя частотно-временного си|- нала в напряжение и два развязывающих усилителя, причем входы усилителя напряжения разбаланса соответственно соединены с выходами второго цифроаналогового преобразователя и второго преобразователя частотно-временного сигнала в напряжения, входы которых через развязывающие усилители подключены соответственно к выходам первого преобразователя частотно-временного сигнала в напряжение и первого цифроаналогового преобразователя шины питания которых соединены с выходной ши ной устройства и через ключ с выходом управляемого генератора прямоугояьных импульсов, выход которого подключен ко входу управляемого генератора цифрового кода, введены два однополупериодных фазочувствительных выпрямителя, два обратных амплитудно-импульс86 4 иых преобразователя и еычитатель, примем преобразователи частотно-временного сигнала в напряжение выполнены в виде преобразователей относительной длительности прямоугольных импульсов а амлитуду, усилитель напряжения разбаланса выполнен в виде импульсного усилителя, к выходу.которого через соответствующие однополупериодные фазочувствительные выпрямители, соединенные управляющими входами с выходной шиной устройства, подключены два обратных амплитудно-импульсных преобразователя, выходы которых соединены с соответствующими входами вычитателя, выход которого подключен ко входу управляемого генератора цифрового кода. При этом преобразователи относительной длительности прямоугольных импульсов в амплитуду содержат один или несколько параллельно соединенных блоков преобразования, подключенных выходами к соответствующим входам суммирующего устройства и содержащих один или несколько последовательно соединенных блоков, выполненных на последовательно включенных фильтре верхних частот, однополупериодном выпрямителе и развязывающем усилителе. На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема устройства; на фиг. 2 - схема преобразователей относительной длительности примоугольиых импульсов в амплитуду. Преобразователь (фиг. 1) содержит мостовую измерительную цепь, образованную цифроаналоговым преобразователем 1 и преобразователем 2 относительной длительности прямоугольных импульсов в амплитуду импульсного напряжения U)2, включенными как ветви моста, развязывающие усилители 3 и 4, второй цифроаналоговый преобрааователь 5 второй преобразователь 6 относительной длительности прямоугольных импульсов в амплитуду импульсного напряжения и, импульсный усилитель 7 напряжения разбаланса мостовой цепи, однополупериодные фазочувствительные выпрямители 8 и 9, обратные амплитудно-импульсные преобразователи 10 и 11, вычитатель 12, управляекый генератор 13 прямоугольных импульсов, связанный через ключ Н с выходной шиной 15 устройства, включенной в диагональ питания мостовой цепи, а также управляемый генератор 16 цифрового кода. цифровой коммутатор 17 и регистр 18 входного кода. Преобразователи 2 и 6 относительн длительности прямоугольных импульсов а их амплитуду (фиг. 2) состоят из п раллельно соединенных цепей, содержа щих последовательно включенные блоки состоящие из последовательно соединенных фильтров 1921 верхних частот однополупериодных выпрямителей 22-2k и развязывающих усилителей 25 и 2б. Выходы цепей С1«язаны с входами суммирующего устройства 27f одновременно выполняющего функции развязывающих усилителей для выходных блоков. Преобразователь работает следующим образом. В замкнутом состоянии ключа I, при котором цифровой коммутатор 17 на ходится в положении а и обеспечивает связь управляющих входов цифро,ана логовых преобразователей 1 и 5 с выходами регистра 18 входного кода, устро ство является преобразователем кода в частотно-временной сигнал. В этом режиме выходная шина 16 образует выходные зажимы преобразователя, напряжение Ug на которых, одновременно используемое в качестве напряжения питания мостовой цепи, подается с вы.чода управляемого генератора 13 и имеет форму прямоугольных импульсов длитель ностью f , следующих с периодом Т а относительная длительность б этих импульсов является обобщенным параметром выходного сигнала, соответствующим в зависимости от выполнения управляемого генератора 13 или управляемой длительности импульсов, следующих с постоянной частотой, или управляемой частоте f -i следования импульсов постоянной длительности 0 так как в последнем случае 9 tof. Выходные напряжения UQ и и преобразователей 2 и 6 повторяют по форме частотно-временной сиг|Нал Ug, но имеют амплитуду Uxi зависящую по определенному закону от величины б , причем преобразователи 2 и б имеют разные функциональные характеристики Uy . (9), где - амплитуда входных импульсов пре образователей, 1 2 или i 6, При изменениях входного кода N,изменяются амплитуды импульсов на дах цифроаналоговых преобразователей 1 и 5 и возникает импульсное напряжение разбаланса мостовой цепи с амплитудой Uxj - Uxj, где (f амплитуда импульсов напряжения U на выходе цифроаналогового преобразователя 5. Это импульсное напряжение усиливается усилителем 7 и после преобразования элементами 8-12 в постоянное напряжение, пропорциональное указанной . амплитуде, воздействует на управляемый генератор 13 изменяя длительность или частоту следования его выходных импульсов таким образом, чтобы восстановить равновесие моста, т.е. равенство амплитуд U;( и U. В разомкнутом состоянии ключа , при котором цифровой коммутатор 17 находится в положении s и устанавливает связь управляющих входов циф:роаналоговых преобразователей с выходами управляемого генератора 16 цифрового кода, устройство раб(отает в режиме обратного преобразования как преобразователь частотно-временного сигнала в код. При этом на выходную шину 15 преобразователя подается входное напряжение Up той же формы, по-прежнему используемое в качестве напряжения питания мостовой цепи, примем относительная длительность б входных импульсов является обобщенным преобразуемым параметром, соответствующем преобразованию как длительности т; импульсов, следующих с постоянной частотой, так и частоты f следования импульсов постоянной длительности. При изменениях величины б изменяются амплитуды UXQ и и у. импульсных напряжений на выходах преобразователей 2 и 6, и возникает импульсное напряжение разбаланса мостовой цепи, которое после усиления усилителя 7 и преобразования элементами 8-12 в постоянное напряжение, пропорциональное разности амплитуд X.5 воздействует на управляеый генератор 16 цифрового кода, измеяя должным образом его выходной код , с тем, чтобы восстановить равнове-г ие моста, характеризуемое равенством ,(j в соответствии с функциональыми характеристиками преобразования ода в напряжение цифроаналоговых реобразователей 1 и 5. Так как (e)F5(N); Ux,,{N) f (9), де ампгитуда импульсов частотно-временного сигнала U9; F(N) и FgCN) - функциональные ха-; рзктеристики цифре аналоговых преобразователей 1 и 5 соответственно, отличающиеся друг от друга,

о равенство )(, автоматимески оддерживаемое следящей системой пребразователя как в первом, так и во . тором режиме его работы, соответтвует получению характеристик пряого и обратного преобразований предагаемого устройства, определяемых ависимостью

,CQ) P-,CN) I

Получение напряжения разбаланса в виде импульсного напряжения позволяет использовать в качестве усилителя 7 напряжения разбаланса импульсный усилитель, содержащий переходные конден саторы, и, тем самым значительно снизить инструментальные погрешности преобразований, связанные с дрейфом нуля усилителя напряжения разбаланса.

Выходной сигнал этого усилителя имеет вид двухполярного импульсного напряжения, в котором усиленная разность амплитуд ихуи Ux представлена алгебраической суммой амплитуд U-, и UJ и положительных и отрицательных импульсов. Для преобразования этой алгебраической суммы в вели ину постоянного напряжения, управляющего генераторами 13 и 16, применены элементы 8-12. Однополупериодные фазочувствительные выпрямители 8 и 9 разделяют выходной сигнал усилителя 7 на импульсы, соответствующие по времени импульсам и паузам частотно-временного сигнала UQ. Выходные импульсы выпрямителей 8 и 9 подаются на соответствующие обратные амплитудно-импульсные преобразователи 10 и 11, на выходах которых образуются постоянные напряжения, соответствующие по величине и полярности преобразуемым амплитудам - импульсов. Эти разнополярные напряжения подаются на входы вычитателя 12, с выхода которого снимается постоянное напряжение, пропорциональное величине указанной алгебраической сумкы и соответствующее ей по полярности.

Предлагаемая схема преобразователей 2 и 6 относительной длительности прямоугольных импул1 сов в их амплитуду работает следующим образом.

Из каждый блок преобразователей 2 и 6, состоящий из последовательно соединенных фильтра верхних частот, однополупериодного выпрймитеяя иразвязывающого усилителя, поступает последовательность однополярмы импульсов напряжения, подобная частотно-временному сигналу Ug. Фильтр верних частот (например, 19 на фиг. 2) не пропускает постоянную составляющую этой импульсной последовательности, в результате чего на выходе фильтра имеет место двухполярный импульсный процесс, в котором амплитуды положительных и отрицательных импульсов соответственно равны

UK U|,()-8);

и: u,cf и,

1сб I

где и амплитуда входных импульсов блока.

Зависимость амплитуд Ujt и Uy от относительной длительности импульсов 9 используется для получения преобразования относительной длительности импульсов в их амплитуду. Однополупериодный выпрямитель (например, 22) пропускает только импульсы одной полярности, и, следовательно, на его выходе восстанавливается однополярный импульсный процесс, но амплитуда импульсов на выходе выпрямителя зависит от величины Q в соответствии с одной из приведенных зависимостей. Развязывающий усилитель (например, 25) служит для согласования выхода выпрямителя с входом последующих блоков или усилителя напряжения разбаланса.

Для случая пропускания однополупериодным выпрямителем положительных импульсов при использовании в качестве преобразователя 2 одного блока (фильтр верхних частот - однополупериодный выпрямитель - развязывающий

усилитель) для этого преобразователя получаем Uj( . Jvt Ри уменьшении относительной длительности имЯульсов сигнала UQ до значения, определяемого величиной t , согласно

0 вышеприведенной зависимости амплитуда положительных импульсов на выходе фильтра, проходящих на выход блока, увеличивается до значения Uy .

Таким образом, при использовании 5 в качестве преобразователей 2 или 6 одного блока (фильтр верхних частотоднополупериодный выпрямитель - развязывающий усилитель), когда j U,;, в зависимости от полярности напряжения, пропускаемого однополупериодным выпрямителем, получаем Xi Uj , f (б) 1 -8 х; и; : fi(9) 9 Соответственно для цепи, содержащей m последовательно включенных бло ков (фильтр верхних частот - однополу периодный выпрямитель - разВЯЗЫ вающий усилитель), где в каждом блоке выпрямитель пропускает импульсы одной и той же полярности, полумаем Ц (9) (1-0Г или f.(9) «, а для цепи, содержащей п блоков с выпрямителями, пропускающими положительные импульсы, и р блоков с выпря мителями, пропускающими отрицательные импульсы, имеем f.(6) (1-б). В полной схеме преобразователей 2 и 6 характеристика преобразования величины $ в амплитуду импульсов определяется суммированием выражений для f(e) трех приведенных видов, чем обусловливаются широкие возможности получения этой характеристики в виде различных нелинейных функциональных зависимостей при помощи полино «нальной аппроксимации, а в схеме пре лагаемого преобразователя в целом в соответствии с вышеприведенным выражением для его характеристик преобра зования обеспечивается также возможность аппроксимации заданных нелинейных функций прямого и обратного преобразований дробно-рациональным приближением как непосредственно заданной функции, так и функции, обрат ной заданной. Предлагаемый преобразователь может обеспечить прямое и обратное пре образования между кодом и частотновременным сигналом, в качестве которого может быть использована как длительность импульсов, так и частота их следования, что в сочетании с возможностью получения повышенной то ности преобразований за счет исключе ния из схемы преобразователя усилителей постоянного тока или иных срав нивающих устройств, работающих с напряжениями постоянного тока, а также с возможностью одновременного воспроизведения различных нелинейных зависийостей между входной и выходной переменными предопределяет широкую сферу возможного применения преобразователя. На его основе могут быть созданы обратимые устройства ввода-вывода в цифровые ЭВМ информации, представленной частотой следования или длительностью импульсов, блоки частотно-цифровых вычислительных устройств, цифровые измерительные приборы, преобразующие и линеаризующие устройства для использования в телемеханических и информационных измерительных системах и т.п. Формула изобретения 1. Обратимый функциональный прео азователь код-часТотно-временной сигнал, содержащий управляемый генератор прямоугольных импульсов, управляе лй генератор цифрового кода, усилитель напряжения разбаланса, два цифроаналоговых преобразователя, подключенных управляющими входами к входам цифрового коммутатора, первая группа выходов которого соединена с выходами регистра входного кода, а вторая группа выходов - с выходами управляемого генератора цифрового кода, два преобразователя частотно-временного сигнала в напряжение и два развязывающих усилителя, причем входы усилителя напряжения разбаланса соответственно соединены с выходами второго цифроаналогового преобразователя и второго преобразователя частотно-временного сигнала в напряжение, . входы которых через развязывающие усилители подключены соответственно к выходам первого преобразователя частотно-временного сигнала в напряжение и первого цифроаналогового преобразователя, шины питания которых соединены с выходной шиной устройства и через ключ - с выходом управляемого генератора прямоугольных импульсов, выход которого подключен ко входу управляемого генератора цифрового кода, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешностей преобразования, в него введены два однополупериодных фазочувствительных вь прямителя, два обратных амплитудноимпульсных преобразователя и вычитатель, причем преобразователи частотно- временного сигнала в напряжение выполнены в виде преобразователей относительной длительности прямоугольных импульсов в амплитуду, усилитель ;напряжения разбаланса выполнен в виде импульсного усилителя, к выходу которого через соответствующие однополупериодные фазочувствительные выпря мители, соединенные управляющими вхо дами с выходной шиной устройства подключены два обратных амплитудно-импульсных преобразователя, выходы которых соединены с соответствующими входа «1 вычитателя, выход которого подключен ко входу управляемого генератора цифрового кода.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что преобразователи относительной длительности прямоугольных импульсов в амплитуду содержат один или несколько параллельно соединенных блоков преобразования, подключенных выходами соответствующим входзм суммирующего устройства и содержащих один или несколько последовательно соединенных блоков, выполненных на последователь но включенных фильтре верхних частот, однополупериодном выпрямителе и развязывающем усилителе.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Смолов B.F., Фомиче в B.C. Аналого-цифровые и цифроаналоговые нелинейные вычислительные устройства. Л., Энергия, 197, с. 226-228.

2.Авторское свидетельство СССР

№ 656077, кл. G 06 J 1/00, 1979 (прототип) .