Цифровой умножитель частоты

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 57 9 4(5 Н 03 В 19/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР10 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ПИСА ИЗОБРЕТЕНИИДЕТЕЛЬСТВУ 4(54) (57) 1. ЦИФРОВОЙ УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий последовательно соединенные формирователь импульсов,вход которого является входом цифрового умножителя частоты, и синхронизатор,последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, первыйэлемент совпадения и первый делительчастоты, последовательно соединенныевторой элемен совпадения, первыйвход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, и второйделитель частоты, последовательносоединенные первый регистр памяти ипервый блок переноса кода, выход которого соединен с другим входом первого делителя частоты, последовательно соединенные второй регистр памяти,второй блок переноса кода и сумматор,к второму входу которого подсоединенвыход третьего блока переноса кода,первый элемент ИЛИ и первый триггер,при этом выход первого элемента ИЛИподключен к второму входу первогоблока переноса кода, выход сумматораподключен к первому входу третьегоблока переноса кода и к первому входу,первого триггера, второй вход ко ригг втор риггер торому адения ыход которого пододу третьего элем лючен к нта совретий, последоррекции вход первого торого лементи пятый ержки вертыи чики,лок ко тельно третий единенные ем оро которог делител подключенчастоты, ас первым в к выходу выход к соединенмента ИЛИ дом пе входом при эт ключен ка пер о эле о еноса блока и элемент му входу м выходк второноса аде ржк и его бл К АВТОРСКОМУ(71) Институт техничеки АН ВССР(56) .Авторское сУ 690608, кл. НАвторское свиР 663068, кл. Н торого подключен к выходу генераторатактовых импульсов, а выход которогоподсоединен к второму входу первогоэлемента совпадения, третий элементсовпадения, первый вход которого подключен к выходу второго элемента совпадения, четвертый элемент совпадения, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности умножения частоты, введены последовательно соединенные блок выделения второгоимпульса и второй триггер, выход которого подключен к третьему входупервого элемента совпадения, последовательно соединенные первый счетчики третий триггер, выход которого подключен к первому входу четвертогоэлемента совпадения, последовательносоединенные второй счетчик, второйэлемент ИЛИ и четвертый т ер, выход которого подключен к ому входу второго элемента совппоследовательно соединен выделения первого импульса ода, к третьему входу второго блок ереноса кода, первому установочномФходу пятого счетчика, установочном=Ю О 75 О оставитель Н.Чекановаехред Т.Дубичнак Корректор Е, Рошк дактор С,Тимохи ака 72 ПодписиР да из твенного к ретении Ж, д. 4/5 о скв ш Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектна МсЙа,тро У алых. с ГЗ1164857 1Изобретение относится к электросвязи, а также к измерительной и вычислительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах различного назначе ния, в частности при создании высокоточных умножителей частоты.Целью изобретения является повышение точности умножения частоты.На фиг. 1 представлена структурная 0 электрическая схема цифрового.умножителя частоты; на фиг. 2 - представлена схема блока коррекции; на фиг,3 показан вариант выполнения синхрони - ,затора; на фиг, 4 - диаграмма работы 5 синхронизатора; на фиг. 5 - пример выполнения блока выделения первого импульса; на фиг. 6 - диаграммы работы блока выделения первого импульса; на фиг. 7 - пример выполнения блока 20 выделения второго импульса; на фиг,8- диаграммы работы блока выделения втовходу третьего счетчика, второму входу первого элемента ИЛИ, счетныйвход третьего счетчика подсоединенк выходу второго делителя частоты,а выход третьего счетчика подключенк первому входу первого регистрапамяти, второй вход синхронизатора,первый вход первого счетчика, первыйвход второго счетчика и первый входблока коррекции подключены к выходугенератора тактовых импульсов, выходсинхронизатора соединен с вторым входом блока коррекции, с входом блокавыделения второго импульса, с вторы"ми входами первого счетчика, третьего триггера, четвертого элемента совпадения и второго счетчика, входомблока выделения первого импульса,с входом элемента задержки, с третьим входом сумматора, первым входомвторого регистра памяти и вторым входом первого регистра памяти, второйвход четвертого триггера обьединенс первым входом пятого триггера,второй вход которого соединен с вторым установочным входом пятого счетчика и с выходом второго делителячастоты, счетный вход пятого счетчика подключен к выходу второго элемента совпадения, выход четвертого элемента совпадения подключен к в,торомувходу второго элемента ИЛИ, выходкоторого подключен также к второмувходу второго триггера, выход третьего элемента совпадения соединен свходом четвертого счетчика, выходкоторого подключен к третьему входутретьего блока переноса кода, приэтом выход третьего элемента ИЛИявляется выходом цифрового умножителя частоты. 2. Умножитель частоты по п. 1, отличающийся тем, что блок коррекции выполнен в виде последовательно соединенных счетчика, регистра памяти, сумматора и элемента совпадения, выход которого является выходом блока коррекции, при этом первый вход счетчика является первым входом блока коррекции, другой вход сумматора объединен с входом регистра памяти, вторые входы счетчика, регистра памяти и элемента совпадения объединены и являются вторым входом блока коррекции. рого импульса; на фиг, 9 - 11 - графики, поясняющие принцип анализа входной частоты; на фиг. 12 - 14 - графики, поясняющие принцип умножения частоты.Цифровой умножитель частоты содержит формирователь 1 импульсов, генератор 2 тактовых импульсов, первый элемент 3 совпадения, первый делитель 4 частоты, первый блок 5 переноса кода, первый элемент ИЛИ 6, второй элемент 7 совпадения, второй делитель 8 частоты, третий счетчик 9, пятый счетчик 1 О, сумматор 11, второй и третий блоки 12 и 13 переноса кода, первый триггер 14, третий элемент 15 совпадения, четвертый счетчик 16, второй регистр 17 памяти, первый регистр 18 памяти, третий триггер 19, пятый триггер 20, четвертый триггер 21, второй триггер 22, второй счетчик 23,первый счетчик 24, четвертый элемент24, 23, 9, 16 и 10, сумматор. 11,первый и второй регистры памяти 18и 17, первый, второй, третий, четвертый и пятый триггеры 14, 22, 19, 21,20, элементы, входящие,в составсинхронизатора 27, блока 28 выделения первого импульса, блока 29 выделения второго импульса и блока 30коррекции установлены в нулевое состояние (цепи предварительной установки на фиг. 1 не показаны). Генератор 2 формирует высокостабильнуюимпульсную последовательность. Первый импульс умножаемой частоты с выхода формирователя 1 импульсов поступает на синхронизатор 27, на выходекоторого фромируется сигнал Ч,Зтот сигнал, пройдя через блок 28 выделения первого импульса устанавливает четвертый и пятый триггеры 2 1 и 20 в единичное состояние.Импульсы генератора 2 с частотой ., начинают поступать во второй делитель 8 частоты и четвертый.и пятый импульс второго делителя 8 частотысбрасывает пятый триггер 20 в нулевое состояние и в четвертый счетчик16 прекращается поступление тактовых импульсов. В нем фиксируется число К,В течение первого периода Т, ==1/1, где Г - частота умножаемогосигнала, импульсы частотойнепрерывно поступают во второй делитель 8частоты и пятый счетчик 10, по каждому выходному импульсу второго делителя 8 частоты показания пятого счетчика 10 обнуляются. В итоге, по окончании первого периода Т в пятом счетчике 10 фиксируется число до, накопленное за промежуток времени от мрмента последнего выходного импульса второго делителя 8 частоты до конца первого периода Т,В третий счетчик 9 поступают импульсы с выхода второго делителя 8 частоты и к концу первого периода умножаемой частоты в нем фиксируется и-ьй число =, где М - число импульсов частоты, прошедших за период времени Т.Таким образом, по окончании первого периода в третьем, пятом и четвертом счетчиках 9, 10 и 16 оказываются записанными соответственно значения М иК. С приходом второго импульса умножаемой частоты синхронизатор 27 форз 1164857 425 совпадения, элемент 26 задержки,синхронизатор 27, блок 28 выделенияпервого импульса, блок 29 выделениявторого импульса, блок 30 коррекции,второй элемент ИЛИ 31, третий элемент ИЛИ 32.Цифровой множитель частоты работает следующим образом.Формирователь 1 импульсов предназначен для преобразования сигнала;10умножаемой частоты Ев последовательность импульсов заданной амплитуды.Генератор 2 тактовых импульсов предназначен для формирования тактовыхимпульсов стабильной частоты, которые используются для преобразованиявходного сигнала и синхронизации работы всего цифрового умножителя частоты в целом.Первый и второй делители 4 и 8частоты осуществляют деление тактовой частоты в соответствии с заданным коэффициентом деления, которыйзаносится в параллельном коде.Сумматор 11 предназначен для сло 25 счетчики 16 и 10. Первый выходнойжения двух чисел, поступающих в параллельном коде или сложения одногослагаемого с содержанием сумматора 11. Второй и третий блоки 12 и 13переноса кода осуществляют передачусодержимого второго регистра 17 памя-З 0ти и четвертого счетчика 16 в сумматор 11.Синхронизатор 27 осуществляетпривязку входной частоты к тактовымимпульсам, пропускает на выход сигнал, получаемый при совпадении импульса частотыи первого импуль-,са с выхода генератора 2 по времени.. Блок 28 выделения первого импульсаи блок 29 выделения второго импульса 40пропускают на свои выходы соответственно первый и второй импульсы с выхода синхронизатора 27, эа время работы цифрового умножителя частотыони формируют только по одному импульсу, Блок 30 коррекции выполняетследующую функцию. Если Т 1-й периодумножаемой частоты 1 меньше Т; -го.периода, то в начале Т-го периодана выходе блока формируется одиночный импульс. Если Т;ЪТ; , то импульсне формируется..В исходном состоянии коэффициентделения второго делителя 8 частотыустанавливается равным коэффициенту 55умножения К, Первый и второй делители 4 и 8 частоты, первый, второй,третий, ч:твертый и пятый счетчикимирует сигнал Ч х, по которому содержимое третьего и пятого счетчиков9 и 1 О переписывается соответственнов первый и второй регистры памяти18 и 17, а сумматор 17 обнуляется.По сигналу Чх, задержанному элементом 26 задержки, происходит перенос содержимого второго регистра 17и четвертого счетчика 16 через второй 10и третий блоки 12 и 13 переноса кодав сумматор 11, а также производитсязапись содержимого первого регистрапамяти 18 в первый делитель 4 частоты через первый блок 5 переноса кода. 15Кроме того, задержанный сигнал Чустанавливает в "0" третий и пятыйсчетчики 9 и 10.Незадержанный сигнал Ч , пройдячерез блок 29 вьщеления второго импульса, устанавливает второй триггер22 в единичное состояние и через первый элемент 3 совпадения на первыйделитель 4 частоты начинают поступатьимпульсы с генератора 2 тактовых импульсов.Таким образом, в начале второгопериода преобразуемой частоты в первый делитель 4 частоты записываетсякоэффициент деления р в сумматоре З 011 содержится число К- ьп и третийи пятый счетчики 9 и 10 подготовлены к подсчету величини ап в периоде ТКоэффициент деления К за 2дается постоянным на все время преобразования частоты, поэтому он впоследующих периодах не подсчитыва -ется,Процесс умножения частоты Е наК (т,е. деления периода Т на К час.,40тей) начинается со второго периодаТх и происходит следующим образом.Если число, записанное в сумматоре 11 К-дп)0, то на выходе сумматора 11 импульс не появляется. Первыи45выходной импульс с третьего элементаИЛИ 32, полученный в результате деления частотына(или, что то жесамое, умножения частотына К),переписывает содержимое первого регистра 18 памяти в первый делитель 4частоты и добавляет (по окончанииимпульса) в сумматор 11 через второйблок 12 переноса кода число дп, Есличисло КЬпО, то на выходе сумматора 5511 импульс не формируется, и послепоявления второго выходного импульсачисло в сумматоре 11 становитсяКп. По мере увеличения числа выходных импульсов при ь и 4 0 и при нек отором числе 1 величина Кап становится равной нулю или отрицательной(например: К=5, дп =2, значит =3), что приводит к появлению на выходе сумматора 11 импульса, который добавля-, ет в сумматор 11 из четвертого счетчика 16 через третий блок 13 переноса кода число К. Число 2 Кйп в сумматоре 11 становится, положительным. Этот же импульс, сформированный сумматором 11, устанавливает первый триггер 14 в нуль и на первый делитель 4 частоты следующий тактовый импульс через первый элемент 3 совпадения не проходит. По спаду пропущенного тактового импульса первый триггер 14 устанавливается в исходное состояние и поступление тактовых импульсов на первый делитель 4 частоты возобновляется. В результате пропуска одного импульса очередной 1-й импульс на выходе третьего элемента ИЛИ 32 появляется на время Тр позже (Тр=1/Е где Е - частота генератора 2 тактовых импульсов), т.е. 1-й период выходных импульсов имеет длительность (+1)Т . Остальные периоды имеют длительность аТ . Всего за вре -.у рмя Т. происходит приращение в ьп;,периодах.Например, если в Т 1-м периоде укладывается 253 импульса частоты Е а коэффициент умножения К=10, то =25, Ьп =3; при этом в Т;, -м периоде1три интервала между выходными импульсами К имеют длительность (25+1)Тр, а остальные семь имеют период 25 Т, .Параллельно с процессом умножения частоты в каждом Т периоде происхо 1 хдит вычисление новых значений ч,; и йп,. По этим значениям осуществляется умножение частоты в Т;+ -м периоде. Это позволяет автоматически в реальном масштабе времени следить за изменением умножаемой частотыи в последующем периоде учесть их. Процесс вычисления а и др. происходит ана 11 1логично описанному для периода Ттх, но без вычисления К.В большинстве реальных случаев происходят медленные и достаточно плавные изменения частоты. При этом обеспечивается очень высокая точность преобразования.Одной из наиболее важных характеристик цифровых умножителей частоты.1164является диапазон частот, преобразуемых с заданной точностью.Нижняя граница входной частоты Г, как правило, определяется разрядностью всех регистров, всех счетчиков и других элементов, Например, при К=10,=10 мГц и Ек =100 Гц емкость операционных элементов устройства должна составить 14 двоичных разрядов, в то время как при умножении. 1 О 1=40 кГц достаточно пяти разрядов.С другой стороны, верхняя граница 1 определяется требуемой точностью преобразования. Действительно, период выходной частоты К у может иметь 15 длительность либо , Т , либо (1,;+1)Т, т.е. отличаться на величину Т, погрешность в этом случае равнаТ КТД шСТ Т20о кгде- погрешность преобразования;Т - период тактовых импульсов;Тк - период умножаемой частоты.Таким образом, при заданной величине Т увеличение умножаемой частотыприводит к увеличению погрешности, .апонижение - к ее уменьшению. Диапазонпреобразуемых частот определяетсятой верхней частотой, которая умножа"30 ется с заданной точностью.Если частота входного сигналавпроцессе преобразования выходит запределы предварительно установленногодиапазона Ях ) Е,) или Г (Епн, то для исключения заведомо неверного пре 35 образования или преобразования с недостаточной точностью совокупностьтретьего триггера 19, второго счетчика 23, первого счетчика 24, четверто" го элемента ИЛИ 31 формирует сиг нал, который устанавливает четвер- . тый триггер 21 и второй триггер 22 в нулевое состояние, а это влечет за собой запирание первого и второго элементов 3 и 7 совпадения, прекраще. 45 ние процесса умножения.На вход второго и первого счетчиков 23 и 24 поступают импульсы М с синхронизатора 27, По спаду этих импульсов во второй и первый счетчики 50 23 и 24 записываются коды, соответ.ствующие числам и- М и п-М, а третий триггер 19 устанавливается в единицу. При этом а=2 , где в - число разрядов второго и первого счет- -55 чиков 23 и 24Й о"1=1Х 1 в х теек 857 8где Е - минимально допустимоеЩ 111значение умножаемой частоты;Г - максимальное значениеК щахумножаемой частоты,Из соотношений видно, что й ( Й .На выходе второго счетчика 23 появляется сигнал переноса, совпадающийпо времени с М,-м импульсом генератора 2 тактовой частоты, а на выходе первого счетчика 24 - с й -и импульсом..Рассмотрим три случая.1. Если частота входных импульсовЕх не выходит за границы диапазонаизменения частоты, т.е. Г щ( Гх ((Х, то сигнал переноса с первогох ясах.счетчика 24 опережает следующий входной импульс Ч;,1 и устанавливаеттретий триггер 19 в ноль. Четвертыйэлемент 25 совпадения запираетсяи не пропускает на четвертый и второй триггеры 21 и 22 Ч;+) -й импульс. В этом случае сигнал единицыпереноса вторым счетчиком 23 не формируется и четвертый и второй триггеры 2 и 22 остаются в единичномсостоянии.2. При тх ) Гх период следованиявходных импульсов Ч;х синхронизатора 27 меньше времени, необходимогодля формирования сигнала переноса спервого счетчика 24При этом третийтриггер 19 не успевает перейти в нулевое состояние до момента приходаЧ;+-го импульса и Ч; 1 -й импульс через четвертый элемент совпадения 25 и второй элемент ИЛИ 3.1 поступает на четвертый и второй триггеры 2 1 и 22 и переводит их в нулевое состояние. Это приводит к запиранию первого и второго 3 и 7 элементов совпадения и к прекращению процесса умножения.3, Если частота входных импульсов 1 (Гх ;, то период формированиясигнала переноса вторым счетчиком 23меньше периода следования импульсовМх, В этом случае сигнал переносаформируется вторым счетчиком 23 и через второй элемент ИЛИ 31 устанавливает четвертый и второй триггеры 21и 22 в ноль, прекращая тем самым процесс умножения. Возобновление процесса умножения возможно только перезапуском цифрового умножителя частоты.9,. 11648Временные диаграммы для этих трехслучаев показаны соответственно нафиг. 9, 10, 11,Функциональное назначение и принцип действия блока коррекции 30 5(фиг. 2) описываются ниже.Пусть коэффициент умножения К=4и в 1-м периоде Т; количество )Ч тактовых импульсов с частотойй; =19.Тогда (,=4, дл;=3.10Рассмотрим три случая.1. Пусть частота Юх не изменяется,т.е. М 1 1=19. В процессе деленияТ ( 1) х периода на 4 производятсяследующие вычисления: 15а) К- дп=4-3= +1;б) КД )=4-6=-2;в) 2 К-Здп=8-9=-1;г) ЗКд в=12-12 =0.При этом 2-й, 3-й и 4-й временные 20интервалы увеличиваются, и на выходецифрового умножителя частоты появляются импульсы, соответствующие 4-му,9-му, 14-му и 19-му тактовым импуль-.сам, следующим с частотой Г (фиг.12)252. Если частотауменьшается,то в (1+1)-м периоде Т(;+1) количество Й 1 тактовых импульсов увеличивается. Пусть М,+1=20, Тогда, так как умножение частоты в этом периоде ведет-З 0ся по значениям ,. и дп выходныеимпульсы появляются в те же моменты,что,и в предыдущем случае,но возникает погрешность д , величина которойзависит от разности Т(1 н)ч Т 1 х ф т е 35от скорости изменения умножаемой частоты. Распределение выходных импульсов для этого случая показано нафиг. 133. Если частота У увеличивается, 40имеем М;+ ( М, . Пусть 8, = 18, тогда в соответствии с распределениемвыходных импульсов, вычисленным поТ -му периоду, последний импульсне появляется. Это происходит потому,45что его положение соответствует19-му тактовому импульсу, а их вТ 1+1) ч -м периоде всего 18. Связанную с этим ошибку устраняет блок 30коррекции. 50Это происходит следующим образом.При увеличении частоты Ех, т.е.при Т(11) (Т;, на его выходе в момент появления сигнала Ч;формируется импульс, который через третий 55элемент ИЛИ 32 гроходит на выходцифрового умножителя частоты и темсамым импульс, который вышел за пре 5710,делы 1+1-го периода, формируется в начале 1+2-го периода. Этот случай показан на фиг,14. На временной диа. грамме четвертый выходной импульс сформирован блоком 30 коррекции.Блок ЗО коррекции (фиг. 2) содержит счетчик 33, регистр 34 памяти, сумматор 35, элемент 36 совладения и работает следующим образом.Счетчик 33 блока 30 коррекции подсчитывает количество )ч; тактовых импульсов за период Т; между сигналами Ч. и Ч; . По окончании импульса Ч с задержкой, необходимой для записи числа М в регистр 34 памяти блока 30 коррекции, счетчик 33 устанавливается в нуль. С этого момента счетчик 33 подсчитывает число И;+ тактовых импульсов за период между сигналами Ч;,и Ч, Число й;, записанное в регистре 34 памяти, и число М;+, поступают в сумматор 35 блока 30 коррекции. Если в момент прихода сигналаЧ 1 й сумма М-М;70, то сигнал с выхода сумматора 35 бло. - ка 30 коррекции разрешает прохождение сигнала Ч; через элемент 36 совпадения на выход блока 30 коррекции. По окончании импульса Ч число М, записывается в регистр 34 и укаэанные операции повторяются. Импульс с выхода элемента 36 совпадения, пройдя через третий элемент ИЛИ 32 цифрового умножителя частоты, является импульсом коррекции.Таким образом, точность преобразования частоты с помощью предлагаемого цифрового умножителя частоты зависит от скорости изменения умножаемой частоты 1 х . При умножении стабильной частоты точность преобразования такая же как у прототипа. Но прн изменяющейея частоте точность преобразования у предлагаемого цифрового умножителя частоты значительно выше, тогда как у прототипа при изменении частоты может измениться коэффициент умножения.Экспериментальнай проверка цифрового умножителя частоты показала следующие результаты, Частота тактового генератора была выбрана равной 10 МГц, умножаемая частотаимелах значение (40+20) кГц. Коэффициент умножения К=10. Скорость изменения умножаемой частоты выбиралась такой, чтобы Ч;-И; =+1, гдеЧ;, - количество тактовых импульсов частоты,116485 10 ИГц в 1-м и +1-м периодах соответственно. При этом положение выходных импульсов отличалось от "идеального" не более чем на О, 1 мкс, что 7 12составляет 43. Этот результат совпадает с расчетным и удовлетворяетбольшинству задач преобразования частоты, встречающихся на практике,1164857 бро х. сеп 7 юиЛ ы. улемеют или Уг Ьи. сиегпч каЛ дых. сиелуиика ЯЛа /Х, Я ИЛ