Умножитель частоты следования импульсов

Изобретение относится к импульснойтехнике и может быть использовано вустройствах измерительной и вычислительной техники.Цель изобретения - повышение динамической точности за счет экстраполя"ции величины выходной частоты,На фиг. 1 изображена структурнаяэлектрическая схема умчсжителя час- Нтаты следования импульсов, на фиг.2 "схема экстраполятора; на Фиг. 3 схема скалярного перемножителя двухи-мерных векторных сигналов на фиг.4 схема блока стековой памяти," на Фиг.5 -15схема Формирователя вектора напряжений; на Фиг. б - схема Формирователястепенных Функций; на фиг, 7 " схемауправляемого генератора;, на Фиг. 8 "схема корректора; иа фиг. 9 - схема 2 Осинхронизатора.Умножитель частоты следования импульсов содержит синхронизатор 1,информационный вход которого соединен с входной шиной 2, первый выход - с управляющим входом экстраполятора 3 и с первым входом корректо 1ра 4 выход которого соединен с корректирующим входом управляемого генератора 5, второй вход - с выходом 3 Оэкстраполятора 3 н с управляющим входом управляемого генератора 5, выходкоторого соединен с выходной шиной би со счетным входом счетчика 7 числавыходных периодов, вход сброса которого соединен с выходом переполнениясчетчика 8 для измерения длительностивходных периодов и с первым входомключа 9, выход которого соединен сосчетным входом счетчика 8 для измере ъния длительности входных периодов,второй вход - с выходом генератора 10импульсов опорной частсты и с входомсинхронизации синхронизатора 1, второй выход которого соединен с входомсброса счетчика 8 для измерения длительности входных импульсов, кодовыевыходы которых соединены с первым кодовым входом экстраполятора 3 второйкодовый вход которого соединен с. ко-довым вьгкодом счетчика 7 числа выходных импульсов, старший разряд которого соединен с третьим входом ксррек "тора 4.Экстраполятор 3 содержит скалярныйперемножитель 11 двух а-мерных векторных сигналов, выход которого соединен с выходом зкстраполятора 3, перпервый кодовый и управляющий входы которого соединены соответственно скодовым и с управляющим входами блока12 стековой памяти, выходы которого соединены с соответствующими кодовыми входами скалярного перемножителя11 двух и-мерных векторных сигналов аналоговые входы которого через последовательно соединенные формирователь 13 вектора напряжений и формирователь 14 степенных функций соединены с вторым кодовым входом экстраполятора 3.Скалярный перемножитель 11 двухи-мерных векторных сигналов содержитоперационный усилитель 15 с резистором 16 в цепи обратной связи. выходогерационного усилителя 15 соединен свыходом, скалярного перемножителя 11двух и"мерных векторных сигналов,аналоговые и кодовые входы которогосоединены с соответствуюшимн входамисоответствующих умножающих цифроаналоговых преобразователей 17-117-2,17-., , 17-п, выходы которыхсоединены с входом операционного усилителя 15.Блок 12 стековой памяти содержити соединенных последовательно блоков18-1, ", 18-(п), 18-и памяти, кодовый вход первого из которых соединен с кодовым входом блока 12 стековой памяти, управляющий вход которогосоединен с управляющими входами блоков 18-1,., 18-(п), 18-и памяти,выходы которых соединены с соответствующими кодовыми выходами блока 12стековой памяти.Формирователь 13 вектора напряжений содержит и сумматоров 19-1,19-п, входы и выходы которых соединены с соответствующими входами и выходами формирователя 13 вектора напряжений,Формирователь 14 степенных функцийсодержит ш умножающих, включенных последовательно по цепи аналоговогосигнала, цифроаналоговых преобразователей 20-1, 20-2, ,20-т, кодовыевходы которых соединены с кодовымвходом формирователя 14 степенныхфункций, а выходы непосредственно ичерез соответствующий инвертор 21-1,21-2, ,21-я - с соответствующимивыходами формирователя 14 степенныхфункций, при этом шина опорного напряжения соединена с аналоговым входом первого умножающего цифроаналогового преобразователя 20-1 непосред 1465975ственно, а через инвертор 22 - с соответствующими выходами формирователя 14 степенных функций.Управляемый генератор 5 содержит5 интегратор 23, выход которого соединен с инвертирующими вхоцами первого 24 и второго 25 компараторов, неинвертирующие входы которых соединены соответственно с управляющим и с корректирующим входами управляемого генератора 5 а выходы - соответственно с первым и вторым входами триггера 26, выход которого соединен с выходом управляемого генератора 5 и с первым входом делителя 27 напряжения, второй вход которого соединен с шиной напряжения смещения, а выход через первый 28 и второй 29 последовательно соединенные ограничители - . с входом интегратора 23.Корректор 4 содержит операционный усилитель 30, в цепи обратной связи которого имеется конденсатор 31 и двуполярный ограничитель 32, выход 25 которого соединен с выходом коррек тора 4, а вход через резистор 33 - с выходом первого ключа 34, управляющий вход которого соединен с первым входом корректора 4, второй вход которо- З 0 рого соединен с первым входом через инвертор 35 и непосредственно - с вторым входом второго ключа 36, выход которого соединен с входом первого ключа 34, а управляющий вход - с. третьим входом корректора 4.35Синхронизатор 1 содержит триггер 37, информационный и тактовый входы которого соецинены соответственно с информационным и синхронизирующим входом синхронизатора 1, прямой и инверсный выходы соединены, непосредственно соответственно с первыми, а через первый нелинейный элемент 38задержки - с вторым входами первого элемента И-НЕ 39, выход которого соединен с первым входом второго элемента И-НЕ 40 и с входом первого ин- вертора 41, выход которого соединен с первым выходом синхронизатора 1, а через второй нелинейный элемент 42 задержки - с вторым входом второго элемента И-НЕ 40, выход которого через второй инвертор 43 соединен с вторым выходом синхронизатора 1,Умножитель частоты следования импульсов работает следующим образом.Импульсы с шины 2 зходной частоты с длительностью, не менее одного периода выходных импульсов генератора 10, поступают на информационный вход синхронизатора 1, который по фронту импульса с выхода генератора 10, не совпадающему с моментом переходных процессов в счетчике 8, вырабатывает короткий импульс на первом выходе, который поступает на управляющий вход экстраполятора 3, в результате чего в блок 8-п блока 12 стековой памяти экстраполятора 3 переписывается содержимое счетчика 8 с одновременным сдвигом к последующему блоку на один шаг содержимого всех блоков 18. Короткий, задержанный импульс, вырабатываемый на втором выходе синхронизатора 1 в момент окончания импульса на его первом выходе, поступает на вход сброса счетчика 8 и сбрасывает его в нуль, начиная тем самым процесс измерения очередного периода входной частоты без потери в счете импульсов опорной частоты.Непрерывная работа синхронизатора 1, счетчика 8 и блока 12 экстраполятора 3 постоянно держит на входе перемножителя 11 текущий векторный цифровой сигнал Т = (ТТ, .",Т"., Т), составленный в виде постоянно обновляющихся с частотой следования входных периодов п цифровых кодов, являющихся измерениями последних и периодов входной частоты.Ключ 9 при изменении входной частоты (в пределах одного-двух порядков) постоянно пропускает импульсы с выхода генератора 10 на счетный вход счетчика 8 и лишь при очень низких частотах, когда не хватает емкости счетчика 8, сигналом переполнения последнего ключ 9 размыкается, останавливая счет. При этом счетчик 7 сигналом переполнения счетчика 8 устанавливается и удерживается с сброшенном в нуль состоянии. Генератор 5 в заторможенном состоянии вырабать. вает наинизшую,выходную частоту умножителя,Если импульсы входной частоты следуют в пределах расчетного диапазона изменения входной частоты, то затормаживания" счетчиков 7 и 8 не происходит.Выработанный экстраполятором 3 на выходе сигнал Т(Ч) пропорционален периоду выходной частоты и подчиняется следующей функциональной зависимости от компонент вектора Т и отно5 1465сительно номера периода выходнойчастоты У: 1 де У =Имакс относительный номерпериода выходной частоты, равный отношениютекущего значения кодав счетчике 7 к его модулю счета, представляющего коэффициент умножения частоты О с Ч 41;- показатель степени,О - 1 С ш, выбранноес, 15заранее максимальноезначение которой равное 1:- ш, характеризует ожидаемый порядоккривой, аппроксимирующей временную зависимость входной частоты;Т; - компоненты вектора Т,пропорциональные дли 25тельностям периодоввходной частоты, 1-"1,2,1 .,и, причем =1 соответствует самому давнему измеренному значениюпериода входной часо)К; - весовые коэффициенты,11зависящие от способаэкстраполяции, т,е. отпринятого критерия построения аппроксимирующего полинома.Используя, например, критерий минимума среднего квадрата отклоненияизмеренных значений от аппроксимиру1 ощих для заданных ш и и их можнорассчитать с помощью ЭВМ, РасчетныеФормулы для этого критерия и расчетные значения для некоторых ш и и приведены ниже, 45Другие методы аппроксимации дадутиные значения т и и (лучшие или худшие в зависимости от выбранного критерия).Выработанный экстраполятором 3 5 Оаналоговый сигнал Т(М) поступает на.управляющий вход генератора 5, который преобразует аналоговую величинуТ(Ч) в длительность периода выходнойчастоты, Именно с целью максимально 55точного преобразования напряжения,пропорционального Т(Ч) в длительностьпериода в широком диапазоне изменякщихся величин генератор 5 построен 975 6по компараторной схеме с интегратором23 и с термокомпенсацией, Это позволяет с предельно высокой точностью получать на выходе предсказанную частоту как величину, обратную периоду. Для каждого очередного периода выходной частоты (благодаря изменению кода в счетчике 7) экстраполятором 3 формируется своя величина Т(Ч). Так как в генераторе 5 при управлениичастотой от сигнала Т(Ч) изменяется лишь порог срабатывания компаратора24, то в течение времени развертки очередного периода выходной частоты можно разрешать любые переходные процессы в экстраполяторе 3 (лишь бы они проходили без глубоких "провалов" в выходном сигнале и устанавливались к концу очередного периода выходной частоты),.Пересчитав все периоды выходнойчастоты в пределах одного периодавходной частоты счетчик 7 устанавливается (за счет переполнения) в начальное, нулевое состояние (счетудобно осуществлять по модулю коэффициента умножения), В момент перехода в начальное состояние счетчикастарший разряд его изменяет состоякие с "1" на "О". В этот же момент времени (при правильном прогнозе предсказании) приходит очередной импульс входной частоты, а значит, устанавливается значение в блоке 12 и процесс умножения с предсказаниемповторяется. Однако неточность цифрового измерения счетчиком 8 истинного значения, длительность входных периодов неточности работы гибридных вычислительных блоков (сумматоры и ЦАП) в экстраполяторе 3 и неточность преобразования Т(Ч) в период выходной частоты приводят к тому, что моменты переключения старшего разряда (Р, ) счетчика 7 из "1" в "О" и прихода уже синхронизированного импульса входной частоты Г , на вход экстраполятора 3 не совпадают. Если импульс частоты Г,сприходит тогда, когда Р= "Гэто означает, что необходимо несколько замедлить темп преобразования Т(ч) вдлительность периода выходной частоты в генераторе 5, если же импульс частоты йсприходит, когда Р = "О", то необходимо ускорить указанный темп преобразования на некоторую величину.Это выполняется путем добавки илиизъятия незначительного приращенияьТ(ч) к значению Т(ч), которое формируется в корректоре 4 и подается науправление пороговым уровнем второгокомпаратора 25, который в качествесреднего значения уровня порога срабатывания имеет нулевое значение.Формирование корректирующего при-. 1 ОращенияТ(ч) в корректоре 4 происходит следующим образом. Интеграторна усилителе 30 хранит значение приращения, пропорционального д Т(Ч), всилу того, что ключи 34 и 36 практически все время держат отключеннымвход интегратора от двух одинаковых,но разнополярных источников входногонапряжения. В качестве последнего квторому входу корректора. 4 подводится 20напряжение, пропорционельное Т(Ч).Это сделано с целью сохранения одинаковых корректирующих свойств в умножителе независимо от того, каковозначение Т(Ч) в данный момент приданной входной частоте в этот же момент,Всякий раз, когда с первого входана ключ 34 проходит короткий импульсГ , ключ 36 подключает на вход ключа,3034 либо положительное, либо отрицательное входное напряжение, пропор-.циональное Т(Ч) и, следовательно, навход интегратора через резистор 33подводится на время действия Гимпульс положительной, отрицательнойили положительной и отрицательной(с различными длительностями, в сумме равными длительности Е) полярности. Если среднее значение эа период указанного воздействия, котороепроисходит один раз за период входнойчастоты, равно нулю, то значение кор"ректирующего воздействия не изменится, что соответствует случаю точного 45совпадения двух моментов в умножителе: момента прихода импульса входнойчастоты и момента окончания выработки импульса последнего периода выходной частоты. Если среднее значение 50воздействия через ключ 34 окажетсяположительным, то на выходе корректора будет запомнено отрицательное приприращение - дТ(Ч), в противномслучае - положительное, 55Отрицательное приращение на корректирующем входе генератора 5 приводит к уменьшению его выходной частоты, а положительное - к увеличению. Если принять, что в ключе 36 нормально замкнутый контакт соответствует "1", на его управляющем входе, а "1" с выхода счетчика 7 соответствует тому, что генератор 5 "не успел" сгенерировать заданное количество периодов выходной частоты, то корректирующее воздействие ЛТ(Ч) должно оказаться положительным, чтобы ускорить работу генератора 5. Для согласования всех перечисленных условий необходимо на нормально замкнутый контакт ключа 36 подключать отрицательное значение входного напряжения, пропорционального Т(Ч).Связь между абсолютной длительностьюнесовпадения моментов переключения ключа 34 и ключа 36 при общей длительности импульса,Тсй равной Гой выражается следующей зависимостьюТ(У) е тэ т йТу КСгде ф= 2./ , -1 - относительное несовпадение моментов времени.Относительная коррекция за один период входной частоты не должна превышать дисперсии суммарной ошибки предсказания периода выходной частоты, иначе может возникнуть неустойчивость регулирования частоты управляемого генератора. Из этих соображений по заданным УТ/() и , можно выбрать значение величин резистора 33 и конденсатора 31.1Приведем расчетные соотношения изначения для коэффициентов К . фор.тмирователя 13 в случае использованияв экстраполяторе 3 аппроксимации пометоду наименьших квадратов для заданных и и ш:ийК; = Е (-1) С, С 1,Еа,где 1 = 1,2, , п;с:тС Р=;) (1-1)еО1С вв - - число сочетанийэле(1-1) тменов по= А,/Ре Я - элемент матрицы относительных адьюнктов;ОеС Я - определитель матрицы Б;элемент матрицы адыги ктов матрицы,Для ряда сочетаний и и ш ниже приведены табл. 1 и 2.Моделирование показало, что, еслизакон изменения входных периодов опи,сывается кривой не выше ш-го порядка,то расчетные значения предсказывае-мых значений периода точно совпадают с озидаемым в пределах дисперсииошибок расчета.В конкретном варианте умножителячастоты следования импульсов дляфи = 5, ш2 были использованы: 8-12- 15, разрядный счетчик, блок 12, содержа, щий пять 12-разрядных регистров па 1 мяти, цифроаналоговые преобразова тели (ЦАП) в перемножителе 11 - 12 разрядные, а аналоговые величины для 20ЦАП в диапазоне, равном 11 О В о5-разрядный счетчик 7, что обеспечило умножение. входной частоты в 32раза,При таком коэффициенте умноженияи 12-разрядных кодах в умножителеобеспечивается изменение входной частоты практически в 1 ОО раз.Формула изобретения 301. Умножитель частоты следования импульсов, содержащий генератор импульсов опорной частоты, ключ счетчик для измерения длительности вход- уных периодов, входную шину и счетчик числа выходных периодов, счетный вход которого соединен с выходной шиной, а т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения динамической 40 точности, в него введены экстраполятор, управляемый генератор, корректор и синхронизатор, информационный вход которого соединен с входной шиной, первый выход - с управляющим 45 входом экстраполятара и с первым входом корректора, выход. которого соединен с корректирующим входом управляемого генератора, выход которого соединен со счетным входом счетчика 50 числа выходных периодов вход сброса которого соединен с выходом переполнения счетчика для измерения длитель" ности входных периодов и с первым входом ключа, выход которого соединен со счетным входом счетчика для измерения длительности входных периодов, второй вход - с выходом генератора импульсов опорной частоты и с входом синхронизации синхронизатора, второйвыход которого соединен с входомсброса счетчика для измерения длительности входных периодов, кодовые выходы которого соединены с первым кодовым входом экстрапалятара, выходкоторого соединен с вторым входомкорректора и с управляющим входом управляемага генератора, второй кодовый вход - с кодовым выходом счетчика числа выходных периодов, выходстаршего разряда которого соединенс третьим входом корректора.2. Умножитель по п.1, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, чта зкстраполятор содержит скалярный перемножительдвух и-мерных векторных сигналов,выход которого соединен с выходом экст"раполятора, первый кодовый и управляющий входы которого соединены соответственна с кодовым и с управляющимвходами блока стековой памяти, выходы которого соединены с соответствующими кодовыми входами скалярногоперемножителя двух и-мерных векторных. сигналов, аналоговые входы которогочерез последовательно соединенныеФормирователи вектора напряжений истепенных функций соединены с вторымкодовым входом экстрапалятора.3. Умножитель па п.1, а т л и -ч а ю щ и й с я тем, чта управляемый генератор содержит интегратор,выход которого соединен с инвертирующими входами первого и второго компараторов, неинвертируюшие входы которых соединены соответственно суправляющим и корректирующим входамиуправляемого генератора, выход которого соединен с выходом триггера,пер"вый и второи входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго кампаратаров, и с первым,входом делителя напряжения, второй вход которого соединен с шинойнацряжения смещения, а выход черезпервый и второй последовательно сое"дииенные ограничители - с входоминтегратора,4. Умножитель по п,1 о т л и ч аю щ и Й с я тем, что корректор содержит операционный усилитель, в цепи обратной связи которого имеется конденсатор и двуполярный ограничитель, выход которого соединен с вы",ходом каррекора, а вход через резистор - с выходом первого ключа,-0,1111 -0,8360 -0,3492 -0,03 О П р и м е ч а н и е. и6 а = 3. управляющий вход которого соединенс первым входом корректора, второйвход которого соединен с первым входом через инвертор и непосредственно " 6с вторым входом второго ключа, выход которого соединен с входом пер,вого ключа, а управляющий вход - стретьим входом корректора.