Функциональный цифровой преобразователь частоты Советский патент 1982 года по МПК H03K13/20 G01R23/10 

(54) ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Изобретение относится к цифровой вычислительной и измерительной тех-г нике и предназначено для функционального преобразования выходной частоты датчика с нелинейной номинальной выходной характеристикой.

Известен функциональный цифровой преобразователь выходной частоты датчика с нелинейной номинальной выходной характеристикой, который состоит из устройства управления, реверсивного счетчика результата с устройствами выбора направления счета и выбора направления считывания, устройства автоматического выбора пределов, генератора образцовой частоты, делителя образцовой частоты, триггера цикла коррекции, элемента задержки, через который осуществляется сброс устройства автоматического выбора пределов, запоминающего регистра, счетчика участков аппроксимации, устройства сравнения кодов, схем сравнения, схем совпадения, собирательных схем и клапанов 1.

Недостатки преобразователя - сложность и то, что во многих случаях измерительной практики необходима оценка максимальной погрешности аппроксимации. Однако для одних и тех же интервалов аппроксимации максимальная погрешность аппроксимации превосходит среднеквадратичную.

Известен преобразователь, который состоит из формирователя входной число-импульсной последовательности, который образует схема совпадения и множительное устройство счетчика длины участка аппроксимации, счетчика числа участков аппроксимации, дополнительного счетчика, матрицы управления, выходного счетчика, схемы сборки, комбинационной схемы, состоящей из двухвходовых схем совпадения 12.

В основу его работы положено использование цифровой кусочно-линейной аппроксимации обратной функции частотного датчика с равномерным шагом аппроксимации по оси абсцисс. Достоинством функциона.пьно-кодирующего преобразователя плотности является простота процесса аппроксимации.

Недостатки устройства - увеличение погрешности дискретности при низкой входной частоте, низкая точность функционального цифрового преобразования частоты, изменяющееся число участков аппроксимации при работе с частотными датчиками с навоспроизводимой нелинейной номинальной выходной характеристикой. Кроме того, область применения его ограничена.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является функциональный цифровой преобразователь частоты, содержащий усилитель, счетчик числа периодов входной частоты, дешифратор числа периодов, генератор образцовой частоты, элемент И, счетчик длины участка аппроксимации, дешифратор, матрицы управления, комбинационный блок, элемент ИЛИ, делитель частоты, счетчик результата 3 .

Достоинством этого преобразователя частоты являются широкий диапазон преобразуемых, частот, постоянное число участков аппроксимации, не зависящее от невоспроизводимости нелинейной номинальной выходной характеристики частотного датчика, простота процесса аппроксимации, сочетающиеся с высокой точностью функционального цифрового преобразования и относительной простотой схемных решений, легко реализуемой современными средствами микроэлектроники.

Недостатком функционального цифрового преобразователя частоты является низкое быстродействие при тангенсах углов наклона аппроксимирующи прямых больших единицы.

Это вызвано тем, что при заданной погрешности аппроксимации и равномерном постоянном шаге аппроксимации длина участка аппроксимации опреде. , ляется учстком обратной функции частотного датчика с максимальной кривизной. При этом тангенсы углов наклона аппроксимирующих прямых могут быть больше единицы. В этом случае для обеспечения заданной-точности функционального цифрового преобразователя необходимо увеличить -число периодов входной частоты и/или образцовую частоту.

Однако увеличение образцовой частоты ограничено быстродействием элементной базы, а увеличение числа периодов входной частоты приводит к уменьшению быстродействия функционального цифрового преобразователя частоты.

Цель изобретения - увеличение быстродействия преобразователя при TaHiTeacax углов наклона аппроксими- руюших прямых больше единицы.

поставленная цель достигается тем что в функциональный цифровой преобразователь частоты, содержащий, последовательно соединенные усилитель и счетчик числа периодов входной частоты, выходы которого подключены к входам дешифратора числа периодов входной частоты, генератор образцовой частоты, счетчик длины участка аппроксимации, элемент И, первый

вход которого соединен с выходом дешифратора числа периодов входной частоты, второй вход - с выходом генератора образцовой частоты, выход со счетным входом счетчика длины -участка аппроксимации, выходы которого подключены ко входам дешифратора, комбинационный блок, выходы которого через Последовательно соединенные ,элемент ИЛИ и делитель частоты подключены к счетному входу счетчика результата, выходы которого через матрицу управления соединены с первой группой входов комбинационного блока, дополнительно введены суммирующий и вычитающий счетчики, два делителя частоты, два элемента И и дешифратор нуля, причем выход дешифратора числа периодов входной частоты через инвертор подключен к установочному входу вычитающего счетчика, входы

0 разрядов которого подключены к выходам счетчика длины участка аппроксимации, установочный вход котрого соединен с выходом дешифратора, выходы вычитающего счетчика через дешифратор

5 нуля подключены к первым входам дополнительных элементов И, выход генератора образцовой частоты через соответствующие дополнительные делители частоты подключен к вторым входам

Q первого и второго элементов И, выходы которых подключены к счетным входам соответственно вычитающего и суммирующего счетчиков, выходы последнего соединены со второй группой

t входов комбинационного блока.

I

На чертеже представлена структурная схема функционального цифрового преобразователя частоты.

Функциональный цифровой преобразователь частоты содержит усилитель 1, счетчик 2 числа периодов входной частоты, дешифратор 3 числа периодов входной частоты, генератор 4 образцовой частоты , элемент И 5, счетчик

е 6 длины участка аппроксимации, дешифратор 7, инвертор 8, дополнительные делители 9 и 10 образцовой частоты, дополнительные элементы И 11 и 12, вычитающий счетчик 13, дешифратор

л 14 нуля, суммирующий счетчик 15, матрицу 16 управления, комбинационный блок 17, элемент ИЛИ 18, делитель 19 частоты, счетчик 20 результата.

Выход частотного датчика соединяется с входом усилителя 1, выход которого соединен со счетным входом

счетчика 2 числа периодов входной частоты. Выходы счетчика 2 соединены со входами дешифратора 3 числа периодов входной частоты, выход которого

соединен с входом инвертора 8, выход которого соединен с установочным входом счетчика 13. Выход дешифратора 3 соединен также с одним из входов элемента И 5, другой вход которого

соединен с выходом генератора 4 обраэцовой частоты, а выход элемента И 5 соединен со счетным входом счет чика 6 длины участка аппроксимации. Первая группа выходов счетчика б 1 соединена, со входами дешифратора 7, выход которого соединяется с устано вочным входом счетчика 6. Вторая группа выходов счетчика б соединяет ся с одними из входов счетчика 13, выходы которого соединяются со вход ми дешифратора 14 нуля. Выход генер тора 4 образцовой частоты соединяет ся также с входом каждого из делителей 9 и 10 образцовой частоты. Вы ход делителя 9 соединяется с одним из входов элемента И 11, другой вхо которого соединяется с выходом деши ратора 14 нуля, а выход элемента И соединяется со счетным входом счетч ка 13. Выход делителя 10 соединяется с одним из входов элемента И 12, другой вход которого также соединяется с выходом дешифратора 14 нуля, а вы ход элемента И 12 соединяется со счетным входом счетчика 15, выходы которого соединяются с первой группой входов комбинационного блока 17 Вторая группа входов комбинационного блока 17 соединена с выходами матри цы 16 управления, а выходы комбинационного блока 17 соединены с входа ми элемента ИЛИ 18, выход которого соединен с входом делителя 19 частоты. Выход делителя 19 соединен со счетным входом счетчика 20 результата, выходы которого соединены со вхо дами матрицы 16 управления. В основу работы функционального цифрового преобразователя частоты по ложено использование цифровой кусочно-линейной аппроксимации обратной функции частотного датчика с равномерным шагом аппроксимации по оси ординат. Различный наклон аппроксиМ1 рующих прямых реализуется при помощи двоичного умножителя, который образуют суммирующий счетчик 15, матрица 16 управления, комбинационны блок 17 и элемент ИЛИ 18. Коэффициен ты наклона аппроксимирующих прямых задаются в матрице 16 управления. Функциональная зависимость для каждо го участка аппроксимации при числоимпульсном представлении результата преобразования имеет вид (NU-NV.); .0 где Kj - целое положительное число, включая нуль; частота сложения; ьыч частота вычитания. Коэффициенты наклона аппроксимирующих прямых, задавае:«1ые в матрице управления, рассчитываются по формуле« 17 17° в случае, если коэффициент то показатель степени К4 принимается равным нулю, т.е. f fibi4 В случае, если коэффициент , то показатель степени К принимаетх;я таким, чтобы выполнялось условие для участка аппроксимации с наибЪльшим коэффициентом, а отношение частот fen и fftbi4. должно удовлетворять условию 4-.,о .. Необходимые значения частот-fj,; и выч. задаются при помощи делителей образцовой частоты. Преобразователь работает, следующим образом. При поступлении в дешифратор 3 числа периодов входной частоты команды ПУСК в счетчике 2 числа периодов входной частоты начинается отсчет заданного числа периодов частоты, поступающей на его счетный вход из частотного датчика через усилитель 1. одновременно по команде с дешифратора 3 и генератора 4 образцовой час- . тоты импульсы начинают поступать через элемент И 5 на счетный вход счетчика б длины участка аппроксимации. При поступлении в счетчик 6 заданного числа импульсов, соответствующего границе диапазона преобразования по оси абсцисс, ка выходе дешифратора 7 формируется кратковременный сигнал, поступающий на установочный вход счетчика 6. По этому сигналу счетчик 6 устанавливается в нуль до прихода следуквдего импульса из генератора 4 и счет импульсов в счетчике 6 продолжается. При поступлении в счетчик 2 заданного числа периодов входной частоты команда из дешифратора 3, разрешающая прохождение импульсов из генератора 4 через элемент И 5 в счетчик б, снимается. Одновременно на выходе инвертора 8 формируется сигнал, поступающий на установочный вход счетчика 13. По этому сигналу

осуществляется перепись числа импульсов, полученных в счетчике 6, в счетчих 13, При этом на выходе дешифратора 14 нуля формируется команда, по которой импульсы с выхода делителя 9 образцовой частоты через элемент И 11 поступают на счетный вход счетчика 13, а импульсы с выхода делителя 10 образцовой частоты через элемент И 12 поступают на счетный вход счетчика 15. При поступлении импульсов в счетчик 15 на выходах комбинационного блока 17 в соответствии с кодом коэффициента наклона аппрокисмирующей прямой, поступающим из матрицы 16 управления, формируется импульсная по)следовательность, Эта последовательность через элемент ИЛИ 18 поступает на вход делителя 19 частоты, где осуществляется деление на заданный коэффициент, С -выхода делителя 19 импульсы поступают на счетный вход , счетчика 20 результата. При поступлении в счетчик 20 числа импульсов, соответствующего границе каждого участка аппроксимации по оси ординат, код коэффициента наклона аппроксимирующей прямой на выходах матрицы 16 управления изменяется и устанавливается код коэффициента наклона следующего участка аппроксимации.

В счетнике 13 осуществляется вычитание импульсов, поступающих на его вход, из числа импульсов, записанных в Нем. В момент времени, когда при поступлении очередного импульса число импульсов в счетчике 13 становится равным нулю, с выхода дешифратора 14 нуля снимается команда, разрешающая прохождение импульсов с выхода делителя 9 через элемент И 11 в счетчик 13 и с выхода делителя 10 через элемент И 12 в счетчик 15 и цикл заканчивается. Число импульсов в счетчике 20 численно равно результату функционального преобразования. Цикл повторяется при наличии команды Пуск сразу после переписи числа импульса из счетчика 6 длины участка аппроксимации в счетчик 13.

Таким образом, сущность изобретения заключается в том, что сохраняя все достоинства известного устройства и изменяя соотношение между частотой считывания, поступающей в вычитающий счетчик, и частотой сложения, поступающей в суммирующий счетчик, при ,их максимальных значениях можно увеличить число импульсов, nocT ynaipщих в двоичный умножитель и пропорциональных разности между текущим значением периода частотных колеба НИИ и границей участка аппроксимации по оси абсцисс во столько раэ, во сколько раз необходимо уменьшить тангенсы углов наклона аппроксимирующих прямых до величины, не превьняающай единицы, не увеличивая числа периодов входной частоты, поступающих в счетчик числа периодов входной частоты.

Использование изобретения позво|ляет увеличить быстродействие функционального цифрового преобразователя частоты при тангенсах углов наклона аппроксимирующих прямых больше единицы за счет уменьшения числа периодов входной частоты, отсчитываемого в счетчике числа периодов входQ ной частоты.

Использование предлагаемого преобразователя особенно эффективно, если обратная Функция частотного датчика имеет небольшую девиацию частоты и большую крутизну.

Формула изобретения

Функциональный цифровой преобра0 зователь частоты, содержащий последовательно соединенные усилитель и счетчик числа периодов входной частоты, выходы которого подключены к входам дешифратора числа периодов

5 входной частоты, генератор образцовой частоты, счетчик длины участка аппроксимации, элемент И, первый вход которого соединен с выходом дешифратора числа периодов входной

. частоты, второй вход - с выходом генератора образцовой частоты, а выход со счетным входом счетчика длины/ участка аппроксимации, первая группа выходов которого подключена ко вхо. дам дешифратора, комбинационный блок, выходы которого через последовательно соединенные элемент ИЛИ и делитель частоты подключены к счетному входу счетчика результата, выходы которого через матрицу управления

0 соединены с первой группой входов; комбинационного блока, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия преобразователя при тангенсах углов наклона аппроксимирующих прямых больше единицы, в него дополнительно введены суммирующий и вычитающий счетчики, два делителя частоты, два элемента И и дешифратор нуля, причем выход дешифрап тора числа периодов входной частоты через инвертор подключен к установочному входу вычитающего счетчика, входы разрядов которого подключены ко второй группе выходов счетчика длины участка аппроксимации, установочный вход которого соединен с выходом дешифратора, выходы вычитающего счетчика через дешифратор нуля подключены к первым входам дополнительных элементов И, выход генератора образцовой частоты через соответствующие дополнительные делители частоты подключен ко вторым входам первого и второго дополнительных элементов И, выходы которых по/дклю5 чаны к счетным входам соответственно вычитающего и суммирующего счетчиков, выходы последнего соединены с второй группой входов комбинационного блока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

17

О