Цифро-аналоговое дифференцирующее устройство Советский патент 1982 года по МПК G06J3/00 G06G7/18 

(5) ЦИФРО-АНАЛОГОВОЕ ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЕ Изобретение относится к автомати ке и вычислительной технике и мбжет найти применение , в частности , в , дискретных системах автоматического управления различными объектами и технологическими процессакм. Известно устройство для дифференцирования частотно-импульсных сигналов , содержащее генератор, триггер формирователи импульсов, элементы И и элемент задержки, счетчики, цифроаналоговые преобразователи, аналоговые запоминаюиие элементы и выходной дифференциальный усилитель l ; Недостатками этого устройства являются ограниченный диапазон дифференцируемых частот, пониженная точность и сложность технической реализации . Известно также дифференцирующее устройство, содержащее генератор тактовых импульсов, триггер, формиро ватель импульсов, элемент задержки,реверсивный счетчик, регистр и выУСТРОЙСТВОходной цифро аналоговый прео азователь 2}. Недостатками данного устройства также являются пониженная точность дифференцирования и относительная сложность,,.,: Наиболее близким к предлагаемому является цифро-аналоговое дифференцирующее устройство, содержащее счетчики, элементы И и первый блок синхронизации, соединенный с сигнальным входом с входом дифференцируемой частоты, а управлякнцим входом - с первым входом генератора тактовых импуд сов и с первым входом первой схемы с разности, подключенной вторым и третьим входами к выходу первого счетчика и к первос у выходу блока управления , а выходом - к первому входу преобразователя времяимпульсного сигнала в напряжение, соединенного вторым входом с первым выходом второй схемы разности, подключенной вторым выходом к первому входу блока управления, первым входом - к второму выходу генератора тактовых импульсов и к второму входу блока управления, вторым входом - к выходу второго счетчика, а третьим входом - к выходу первого бяока синхронизации, к входам обнуления второго и третьего счетчиков и к третьему входу бло ка управления, соединенного выхода со счетными входами счетчиков и с первыми входами элементов И первой и второй групп, причем элементы И первой группы подключены вторыми входами к выходам разрядов третьего счетчика, а выхвдами г к входам разрядов второго счетчика, а элементы И второй группы соединены вто ,рыми входами с выходами разрядов второго счетчика, а выходами - с входами разрядов первого счетчика З Недостатки данного устройства ограниченный диапазон изменения диф ференцируемой частоты, пониженная точность дифференцирования и, конструктивная сложность. Целью изобретения является расширение диапазона дифференцируемой частоты, повышение точности и упрощение устройства. Поставленная цель достигается тем, что устройство , содержащее :счетчики, элементы И и первый блок синхронизации, соединенный сигнальным входом с входом дифференцируемой частоты, а управляющим входом - с первым выходом генератора тактовых импульсов, содержит регистр сдвига, второй блок синхронизации, делитель частоты, узлы обну|ления, триггер и преобразователь |широтно-импульсного сигнала в анало говый, подключенный выходом к выхо ду устройства,первь1м входом - к первому выходу триггера, первому входу первого элемента И и к входу первого узла обнуления , а вторым входом - к второму выходу триггера, первому входу второго элемента И и к входу второго узла обнуления, соединенного выходом с установочным входом первого счетчика, подпюченно го -выходом переполнения к первому , установочному входу триггера, первым счетным входом - к выходу первого элемента И, а вторым счетным входом - к выходу первогогблока син хронизации и к сигнальному входу регистра сдвига, соединенного управ-, яющим входом с выходом делителя час оты, а выходом - с сигнальным вхоом второго блока синхронизации, подключенного управляющим вхоом к первому выходу генератоа тактовых импульсов, а выхоом - к первому счетному входу второго счетчика, соединенного выходом переполнения со вторым установочным входом триггера,установочным входом - с выходом первого узла обнуления, а вторым счетным входом - с выходом второго элемента ff, второй вход которого подключен к второму входу первого элемента И и к втс рому выходу генерат;ора тактовых импульсов, соединенного третьим выходом с входом делителя частоты. На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства. Устройство содержит первый блок 1 синхронизации, соединенны сигнальным входом с входом дифференцируе- мой ч астоты, а управляющим входом с первым выходом Генератора 2 тактовых импульсов. Преобразователь 3 шн.ротно-импульсного сигнала в аналоговый подключен выходом к выходу устройства, первым входом - к первому выходу триггера k, первому входу первого элемента И 5 и к входу первого узла 6 обнуления,а вторым входом к второму выходу триггера k, первому входу второго элемента И 7 и к входу второго узла 8 обнуления. Выход узла 8 соединен с установочным входом первого счетчика 9, подключенного выходом переполнения к перр.ому установочному входу тригге-. ра k, первым счетным входом - к выходу элемента И 5, а вторым счетным входом - к выходу.блока 1 синхронизации и к сигнальному входу регистра 10 сдвига. Регистр 10 соединен управляющим входом с выходом делителя 11 частоты, а выходом - с сигнальным входом блока 12 синхронизации. Блок 12 подключен . управляющим входом к первому выходу генератора 2, а выходом - к первому счетно входу второго Ъчетчика 13. Счетчик 13 соединен выходом переполнения со вторым установоч1 |м входом триггера k, установочным входомс выходом узла 6 обнуления, а вторым счетным входом - с выходом элемента И 7. Второй вход элемента И 7 подключен к второму входу элемента И 5 и к второму выходу генератора 2, соединенного третьим выходом с входом делителя 11 частоты. Устройство работает следующим образом., Первый режим проводят при отсутст вии импульсов дифференцируемой частоты. В этом режиме генератор 2, который мoжet. быть выполнен, например, на кварцевом генераторе опорной частоты, и формирователе коротких импульсов, вырабатывает на первом и втором выходах две последовательности нормализованных импульсов F1 и F2 с периодом следования Т, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 180° а на третий выход генератора 2 поступают импульсы частот р1 и F2. Импульсы частоты Р2 поступают на вто рые входы элементов И 5 и 7. Пусть например , триггер k находится в таком состоянии, при котором на его первом выходе имеется высокий потенциал, а на втором - низкий. При этом элемент И 7 закрыт, а элемент И 5 открыт и импульсы со второго выхода генератора 2 через элемент И 5 заполняют счетчик 9. Импульс .переполнения счетчика 9 поступая на вход триггера , изменяют его состо яние. На первом выходе триггера 4 по является низкий потенциал, а на втором выходе - высокий. При этом элемент И 5 закроется, запрещая прохождение импульсов на счетчик 9, а узел 8 обнуления, выполненный аналогично узлу 6 на ключе и формирователе ког ротких импульсов, устанавливает счет чик 9 в нулевое состояние. Одновре.менно с этим отпирается элемент И 7 и импульсы со второго выхода генератора 2 начнут заполнять счетчик 13. Учитывая его нулевое начальное состо яние и емкость (аналогично счетчику 9),время его заполнения такое же, ка и счетчика 9. Следовательно, триггер находится в колебательном ре жиме, период Ту и частота f которого ол|5еделяются соотношениями .Ж где п - количество разрядов счетчика При эхом длительность импульса t равна длительности паузы t и, соответственно, среднее значение нап- ряжения на выходе преобразователя 3 равно нулю. Во втором режиме при f const O устройство работает следующим образом. Импульсы дифференцируемой частоты поступают на сигнальный вход блока 1 синхронизации и с его выхода вводятся на второй счетный вход счетчика 9 синхронно и синфазно с импульсами тактовой частоты F1 с первого выхода генератора 2. Благодаря этому дифференцирующее устройство надежно защищено от сбоев и потери информации. В этом режиме в счетчик 9 до начала его заполнения импульсами со . второго выхода генератора 2 записано определенное количество импульсов частоты f, что приводит к уменьшению времени его заполнения и, как следствие, к уменьшению периода колебаний триггера k. Кроме этого, импульсы дифференцируемой частоты после блока 1 синхронизации поступают также на регистр 10 сдвига, в котором задерживаются на время Т Время задержки зависит от частоты импульсов на выходе делителя 11 частоты. Изменяя коэффициент деления делителя 11, можно смещать диапазон возможного изменения дифференцируемых частот в область верхних или нижних частот. Импульсы с выхода регистра 10 поступают на сигнальный вход блока 12 синхронизации и с его выхода синхронно и синфазно с импульсами тактовой частоты F1 вводятся на первый счетный вход счетчика 13. Следовательно, Ёремя заполнения счетчика 13 также сократится аналогично счетчику 9 и период переключения триггера Ц уменьшится. Таким образом, при постоянном значении дифференцируемой частоты, отличном от нуля, период колебаний на выходе триггера А ньшится, но скважность этих колебаний по-лрежнему останется равной двойке и напряжение на выходе преобразователя 3 равно нулю. В третьем режиме при изменяющейся во времени дифференцируемой частоте работа устройства происходит следующим образом. Пусть значение дифференцируемой частоты непрерывно возрастает с постоянной скоростью. При этом время заполнения счетчика 9 непрерывно уменьшается, а время заполнения счетчика 13 также уменьшается, но со сдвигом во времени на величину , Это приводит к изменению скважности выходных широтно-импулБСНых сигнало триггера на постоянную величину и на выходе преобразователя 3 появляется аналоговыйсигнал постоянного уровня. Чем больше скорость изменения дифференцируемой частоты, тем выше уровень выходного аналогового сигнала. Если дифференцируемая част та уменьшается, то на выходе преобразователя 3 также появляется анало говый сигнал, но противоположного знака. Напряжение навыходе преобразователя 3 определяется соотношением i 1Г 11 ЧЛГ.и . К - передаточный коэффициент пр образователя 3; напряжение питания преобразователя 3. Длительность паузы t, и длительност импульса t выходного сигнала триггера k связаны с входным значением f дифференцируемой частоты и с частоты держанным значением соотношениями вида ,ъ,а 1 x-rfr a-tn l r j Определив t и t,;, из уравнения (2) и подставив в (1) можно.получить вы ражение для выходного сигнала устро ства (на выходе преобразователя 3). При этом максимальное значение дифференцируемой частоты ограни чено значением тактовой частоты. f 4 ЧААОКС а минимальное значение : дифферен цируемой частоты ограничено временем задержки, т.е. «ми Сравнение предлагаемого дифференцирующего устройства с прототипо показывает, что диапазон изменения дифференцируемой частоты у рассмотренного устройства примерно в 1U ра шире, а относительная погрешность в 2,7 раза меньше, при этом констру тивная реализация устройства упроаается за счет исключения третьего счетчика двух групп элементов И и схем разности. Все это определяет технико-экономическую эффективность возможного применения устройства. Формула изобретения Цифро-аналоговое дифференцирующее устройство, содержащее счетчики, элементы И и первый блок синхронизации, соединенный сигнальным вхо дом с входом дифференцируемой частоты, а управляющим входом - с первым выходом генератора тактовых импульсов , о т л и ч а ю.:Щ € е с я тем, что, с целью расширения диапазона дифференцируемых частот, повышения точности и упрощения устройства, оно содержит регистр сдвига, второй блок синхронизации, делитель частоты, узлы обнуления, триггер и преобразователь широтно-импульсного сигнала в аналоговый, подключенный выходом к выходу устройства, первым входом - к первому выходу триггера, первому входу первого элемента И и к входу первого узла обнуления, а вторым входом - к второму выходу триггера, первому входу второго элемента И и к входу второго узла обнуления, соединенного выходом с установочным входом первого счетчика, подключенного выходом переполнения к первому установочному входу триггера, первым счетным входом - к выходу первого элемента И, а вторым счетным входом к выходу первого блока синхронизации и к cигнaпьнo y входу регистра сдвига, соединенного управляющим входом с выходом делителя Частоты, а выходом - с сигнальным входом второго блока синхрюнизации, подключенного управляющим входом к первому выходу генератора тактовых импульсов, а выходом - к первому счетному входу второго счетчика соединенного выходом переполнения со вторым установочным входом триггера, установочным входом - с выходом первого узла обнуления, а вторым счетным входом - с выходом второго элемента И, второй вход которого подключен к второму входу первого элемента И и к второму выходу генератора тактовых импульсов, соединенного третьим выходом с входом делителя частоты.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Карпов Р. Г. Техника частотноимпульсного моделирования. М., Машиностроение. 1969, с. 166, рис.93.

2.Авторское свидетельство СССР №711586, кл. G Об G 7/18, 1977.

3. Авторское свидетельство СССР NT 1 81919, кл. G 06 J 3/00, 1973 (прототип).

f,

;

W

(

8

п

JL

/ S