Преобразователь частоты следования импульсов

ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТОРСНОМУ СВИ СТ(прототип) . нинаМ.И,Калирденаитут инейныеприменеМ., с, етельст 19/00 интегр ние, По 153-15 но СССР ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ(54)(57) 1, ПРЕОВРАЭОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ, содержащий ФоР- мирователь импульсов, вход которого является входом преобразователя частоты,генератор пилообразного напряжения, выход которого соединен со входом измерительного блока и с первым входом порогового устройства, выход которого является выходом преобразователя частоты, элЕМеит сРавнения, первый вход которого подключен к выходу измерительного блока, а вы" ход - ко второму входу генератора пилообразного напряжения, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей преобразователя путем расширения диапазона регулирования выходной частоты следования импульсов в сторону частот, меньших входной частоты следования импульсов, при одновременном обеспечении возможности управления значением ныходной частотой следования импульсов электрическим сигналом и устранении начального сдвига фаз между выходными и входными импульсами, в него введены блок фсрмирования на" пряжения сравнения, масштабирующий элемент, управляющий логический блок, первый вход которого соединен с вь: - ходом формирователя импульсов, второй вход - с пусковым входом преобразователя частоты, а выход - с первым входом генератора пилообразного напряжения, формирователь задающих напряжений, вход которого подключен к управляющему входу преобразователя частоты, первый выход - ко второму входу элемента сравнения и кпервому входу блока Формирования напряжения сравнения, второй вход которого соединен со вторым выходом формирователя задающих напряжений, третий вход " с пусковым входом преобразователя частоты, четвертый вход " с выходом Формирователя импульсов, пятый вход - с выходом порогового устройства, а выход блока Формирования напря- жения сравнения подключен к первому входу масштабирующего элемента, второй вход которого соединен с выходом измерительного блока, третий вход - с первым выходом формирователя задающих напряжений, а выход подключен ко второму входу порогового устройст. ва. 2. Преобразователь по и. 1,о т л и ч а ю щ и й с я тем, чтоблок Формирования напряжения сравнения содержит первый управляемый ключ,первый вход которого подключен ковторому входу блока формирования напряжения сравнения, выход соединен спервым неинвертирующим входом сумматора, выход которого подключен квыходу блока формирования напряжениясравнения и к первому входу первогокаскада запоминающего устройства,первый вход блока формирования напря- ,жения сравнения соединен с первымвходом второго управляемого. ключа,.выход которого подключен к иннерти.Рующему входу сумматора, четвертыйвход блока формирования напряжениясравнения соединен с первым входом,пятый вход - со вторым входом, пер,вый вход - с третьим входом логического устройства и третьим входом вто1092697 рого каскада запоминающего устройства, второй вход которого подключен к первому выходу логического устройства, второйвыход которого соединен со вторым входом первого управляемого ключа, третий выход - со вторым входом второго управляемого ключа, а четвертый выход - со вторым входом первого каскада запоминающего устройства, выход которого подключен к входу второго каскада запоминающего устройства, выход которого соединен со вторым неинвертирующим входом сумматор а.3. Преобразователь по и, 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что формирователь задающих напряжений содержит Изобретение относится к импульсной технике и может быть использованов системах телемеханики, связи, информационно-измерительной техники,автоматического управления, 5Известны преобразователи опорнойчастоты следования импульсов, например синтезаторы частот, в основу которых положен принцип фазовой автоподстройки частоты с программируемыми 0делителями частоты на входе и выходе Г 13.Недостатками известных устройствявляются относительно узкий диапазони дискретность изменения выходнойчастоты,Наиболее близким по техническойсущности и достигаемому результатук предлагаемому устройству являетсяумножитель частоты, содержащиЙ форми.рователь импульсов, генератор пилообразного напряжения, выход которого соединен со входом измерительного блока и первым вХодом пороговогоустройства, выход которого является,выходом устройства, элемент сравнения, первый вход которого подключенк выходу измерительного блока, авыход - ко второму входу генераторапилообразного напряжения 1 23.1 30Однако для известного устройствахарактерны невозможность регулирова"ния выходной частоты следования импульсов в сторону частот, меньшихвходной частотЫ, механический способрегулирования выходной частоты следо"З 5вания импульсов, в общем случае ненулевой начальный сдвиг фаз междуимпульсами выходной и входной частот..Перечисленные недостатки объясняютсятем, что в устройстве отсутствуют 40узлы, обеспечивающие одновременное источник наименьшего граничного аапряжения, выход которого подключенк первому входу первого суммирующегоэлемента, второй вход которого является управляющим входом преобразователя частоты, а выхоц соединен совторым выходом формирователя задающих нагтряжений и с первым входом второго суммирующего элемента, второйвход которого подключен к выходу источника наименьшего граничного напряжения, третий вход - к источникунаибольшего граничного напряжения,а выход второго суммирующего элемента соединен с первым выходом формирователя задающих напряжений. и взаимосвязанное регулирование амплитуды пилообразного напряжения и опорного напряжения, а также не содержатся узлы, производящие в некоторый, например начальный момент времени обнуление запоминающих элементов итеграторов.,преимущественно конденсаторов.Цель изобретения - расширение функциональных воэможностей устройства путем расширения диапазона регулирования выходной частоты следования импульсов в сторону частот, меньших входной частоты следования импульсов при одновременном обеспечении возможности управления значением выходной частотой следования импульсов электрическим сигналом, и устранении начального сдвига фаз между выходными и входными импульсами.Поставленная цель достигается,тем, что в преобразователь частоты следования импульсов, содержащий формирователь импульсов, вход которого является входом преобразователя частоты, генератор пилообразного напряжения, выход которого соединен со входом измерительного блока и с первым входом порогового устройства, выход которого является выходом преобразователя частоты, элемент сравнения, первый вход которого подключен к выходу измерительного блока, а выход - ко второму входу генератора пилообразно. го напряжения, введены блок формирования напряжения сравнения, масштабирующий элемент, управляющий логический блок, первые вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, второй вход - с пусковым входом преобразователя частоты, а выход " с первым входом генератора пилообразного напряжения, формирователь задающих напряжений, нход которого подключен к управляющему входу преобразователя частоты, первый выход", ко второму входу элемента сравнения и к первому входу блока Формирования 5 напряжения сравнения, второй вход которого соединен со вторым выходом формирователя задающих напряжений, третий вход - с пусковым входом преобразователя частоты, четвертый 10 вход - с выходом формирователя импульсов, пятый вход - с выходом порогового устройства, а выход блока формирования напряжения сравнения подключен к первому входу масштаби рующего элемента, второй вход которого соединен с выходом измерительного блока, третий вход - с перным выходом формирователя задающих напряжений, а выход подключсн ко второ му входу порогового устройства.При этом блок Формирования напряжения сравнения содержит первый управляемый ключ, первый вход которого подключен ко второму входу блока фор мирования напряжения сравнения, выход соединен с первым неинвертирующим входом сумматора, выход которого подключен к выходу блока Формирования напряжения сравнения и к первому входу первого каскада запоминающего устройства, первый вход бло" ка формирования напряжения сравнения соединен с первым входом второго уп" равляемого ключа, выход которого поцключен к инвертирующему входу сум- З 5 матора, четвертый вход блока форми"ронания напряжения сравнения соединен с первым входом, пятый вход - со вторым входом, первый вход - с третьимвходом логического устройства и третьим входом второго каскада запоминающего устройства, второй вход которого подключен к первому входу логического устройства, второй вход которого соединен со вторым входомперного управляемого ключа, третийвыход - со вторым входом второгоуправляемого ключа, а четвертый выход - со вторым входом первого каскада запоминающего устройства, выходкоторого подключен к входу второгокаскада запоминающего устройства,выход которого соединен с вторым неинвертирующим входом сумматора,При этом формирователь задающихнапряжений содержит источник наименьщего граничного напряжения, выхоДкоторого подключен к первому входупервого суммирующего элемента, второй вход которого является управляющим нходом преобразователя частоты, 60а выход соединен со вторым выходомФормирователя задающих напряжений ис первым входом второго суммирующегоэлемента, второй вход которого подключен к выходу источника наименьше- у го граничного напряжения, третийвход - к источнику наибольшего граничного напряжения, а выход второгосуммирующего элемента соединен с первым выходом формирователя задающихнапряжений,На Фиг. 1 приведена структурнаясхема преобразователя частоты следо"вания импульсов; на фиг. 2 - функциональная схема блока формирования напряжения сравнения (БФНС); на фиг, 3 функциональная схема формирователязадающих напряжений (ФНЗ); на Фиг.4импульсные диаграммы работы преобразователя частоты следования импуль"сов.Вход преобразователя частоты следования импульсов (ПЧ) соединен свходом формирователя импульсов (ФИ)1, выход которого подключен к первому входу управляющего логическогоблока (УЛБ) 2 и четвертому входу блока формирования напряжений рравнения(БФНС) 3. Пусковой вход ПЧ подключен ко второму входу УЛБ 2, выходкоторого соединен с первым входомгенератора импульсного напряжения(ГПН) 4. Выход ГПН 4 подключен ковходу измерительчого блока (ИБ) 5и перному входу порогового устройстна (ПУ) б, выход которого соединенс выходом ПЧ и с пятым входом БФНС 3,третий вход которого подключен кпусковому .входу ПЧ. Управляющий входПЧ соединен со входом Формирователязадающих напряжений (ФЗН) 7, второйвыход ФЗН 7 подключен ко второмувходу БФНС 3, первый выход - к пер-вому входу БФНС, второму входу элемента сравнения (ЭС) 8 и третьемувходу масштабирующего элемента (МЭ)9. Первый вход МЭ 9 соединен с ныходом БФНС 3, а выход - со нторым входом ПУ б. Выход ИБ 5 подключен кпервому входу ИЭ 9 и первому входуЭС 8. Выход ЭС 8 соединен со вторымвходом ГПН 4.Перный вход управляемого ключа(УК) 10 подключен ко второму входуБФНС 3 (Фиг, 2) . Выход УК 10 соедйнен с первым неинвертирующим входомсумматора (СУ) 11, выход которогоподключен к выходу БФНС 3 и первомувходу каскада запоминающего устройства (КЗУ) 12. Выход КЗУ 12 соединенс первым входом КЗУ 13. Выход КЗУ13 подключен ко второму неинвертирующему входу СУ 11. В свою очередь инвертирующий вход СУ 11 подключен квыходу УК 14, первый вход которогосоединен с первым входом БФНС 3, четвертый вход БФНС 3 подключен к первому входу логического устройства(ЛУ) 15, пятый вход БФНС 3 - ко второму входу ЛУ 15, третий вход БФНСк третьему входу ЛУ 15 и к третьемувходу КЗУ 13. Второй вход КЗУ 13подключен к первому выходу ЛУ 15, вто 1092697рой выход которого соединен со вторым входом УК 10. Второй вход ПУ 6подключен ко второму входу УК 14, ачетвертый выход Пу 6 - ко второмувходу КЗУ 12, Первый вход суммирующего элемента (СУЭ) 16 подключен квыходу источника наименьшего граничного напряжения (ИН) 17, второй входк первому выходу ФЗН 7 (фиг, 3) ., Первый вход СУЭ 18 подключен к выходуИ " 17, второй вход - к выходу СУЭ 1016 третий вход - к выходу источника наибольшего граничного напряжения(ИН) 19, а выход СУЭ 18 - ко второмувыходу ФЗН 7. Первый выход ФЗН 7 соединен с выходом СУЭ 16, 15Устройство работает следующимобразом, .На управляющий вход ПЧ (фиг, 1)подается электрический сигнал 0например напряжение, величина которого определяет коэффициент преобразования частоты К,Поступивший на вход сигнал Уз преобразуется ФЗН 7 в задающее опорное напряжение (1 з и задающее напряжение амплитуды пилообразногонапряжения О щ, (фиг. 4 а, б, в),При этом заданный коэффициент преобразования входной частоты можно определить по формулеКОапнь(1)цВходные импульсы (фиг. 4 г) через вход ф Вхпреобразователя частоты (фиг. 1) поступают на ФИ 1, например одновибратор. Длительность импульсов,вырабатываемых ФИ 1 (фиг. 4 д), определяется условиями нормального функционирования устройства, рабочим частотным диапазоном ПЧ, Она зависит, 40 например, от временных задержек ло гических элементов, аналоговых ключей, Начало работы определяется моментом подачи ступенчатого сигнала на вход Пуск преобразователя час тоты (фиг. 4 е) . Работа УЛБ 2 происходит таким образом, что нарастание напряжения с выхода ГПН 4 начинается по заднему фронту импульса, сформированного ФИ 1 и являющегося первым после подачи пускового сигнала, С приводом переднего фронта второго импульса происходит спад пилообразного напряжения, а по окончании его напряжение снова начинает линейно расти и т,д. (Фиг. 4 е) . Амплитуда пилообразного напряжения в установив" шемся режиме соответствует Пс (фиг. 4 ж) и стабилизируется посредством петли образиной связи, содержащей ИВ 5 и ЭС 8 (фиг, 1), Стабилиза С ция амплитуды напряжения ГПН 4 неза висимо от значения входной частоты позволяет поддерживать заданную точ ность преобразования входной часто" ты Во всем рабочем диапазоне ПЧ. ИБ 655 вырабатывает сигнал, пропорционаяьный текущему значению амплитуды на"пряжения ГПН 4 Пд, Этот сигналсравнивается в ЭС 8 с О , и преобразованная, например проинтегрированная во времени, ошибка с выходаЭС 8 в виде управляющего стабилизирующего сигнала поступает на входГПН 4,Формирование напряжения сравнения,осуществляемое БФНС 3, происходит путем алгебраического сложения Оощ вмомент прихода импульса выходной частоты и вычитания Папь в момент прихода импульса входной частоты с сигналом, сформированным БФНС 3 до прихода соответствующего импульса,С выхода БФНС 3 выходной сигнал Ор ступенчатой формы йоступает на одиниз входов МЭ 9, например, аналогового множительно-делительного устройства, На другие входы МЭ 9 поступают сигналы П, и П,щ, . МЭ 9 выполняет операцию, которую можно описать выражением(2) Поп - Пср 0 аонз Формирование БФНС 3 (фиг. 2) ступенчатого напряжения П происходитсрследующим образом,При поступлении на входы БФНС 3импульсов входной частоты 0 и выходной частоты Ц , а также ступенчатого пускового сйгналаЛУ 15вырабатывает логический сигнал, управляющий УК 14. Этот сигнал безучета временных задержек совпадаетс выходной частотой за исключениемимпульса, пришедшего первым послеподачи П на соответствующий входЛУ 15, Остальные сигналы, вырабатываемые ЛУ 15, описываются следующимиуправлением,1 кУ Вье (3)где Пр- управляющий логическийсигнал, подаваемый на входуправления обнулением второго КЗУ; где 0 д - опорное напряжение, поступающее на один из .входовПУ б.ПУ б, например компаратор с двумядифференциальными входами, осуществляет сравнение По и напряжения ГПН Пп, поступающего на другой вход ПУ 6. Нри ,.пнП оп на выходе ПУ б появляется импульс выходной частоты (фиг. 4 и), длительность которого определяется условиями нормального функционирования устройства, рабочим частотным диапазоном ПЧ. Она зависит, например, от временных задержек логических элементов, аналоговых ключей.(фиг. 2) образуют цепь обратной связи с выхода СУ 11 на один из его неинвертирующих входов. Однако КЗУ 12и КЗУ 13, например неинвертирующиеустройства выборки -хранения, каквидно из уравнения (3), управляютсяпарафазными сигналами Оупен 1 кз 1 иОчпр гкзч соответственно. Это значит,что процессы выборки и хранения сигналов, приходящих на сигнальные входы каскадов, происходят в разные моменты времени. При поступлении насоответствующие входы БФНС 3 импульсавходной или (и) выходной частоты и 2 Оналичии разрешающего пускового сигнала КЗУ 12 переходит в режим выборки, а КЗУ 13 - в режим хранения. Поокончании импульса КЗУ 12 переходитв режим хранения, а КЗУ 13 - в режим выборки. При одновременном появленииимпульсов входной и выходной частот цепьобратной связи, содержащая первый ивторой КЗУ,работает аналогично,Второй неинвертирующий вход и Инвертирующий вход СУ 11 посредствомУК 10 и УК 14, например нормальноразомкнутых полупровдниковых управляемых аналоговых ключей, подключаются соответственно к источникам сигналов 0 рз и 0 апнз через второй и четвертый входы БФНС 3, Прохождение сигнала 0 з на вход СУ 11 происходитпри равействе 0 за 2 зк логическойединице, а 0- при равенстве Ло-гической единице 0 Р, что следует из (3) . Нулевое начальное условие работы БФНС 3 обеспечиваетсяполупроводниковым аналоговым нормально замкнутым управляемым ключом, Подключенным к запоминающему элементуКЗУ 13 (конденсатору) . С поступлением пускового сигнала КЗУ приходит висходное рабочее состояние. Приэтом сигнал на его выходе равен О,Этот сигнал поступает на вход СУ 11и до появления импульсов входнойили(и) выходной частоты на выходеСУ 11 и, тем самым, на выходе БФНСвыходной сигнал равен О. С приходомимпульса входной или (и) выходнойчастоты замыкается УК 14 или (и)УК 10 соответственно, а на выходеСУ 11 (появляется сигналз или(и) + 0 сз . КЗУ 12 переходит в режим выборки, КЗУ 13 - в режим хране"ния. После окончания импульса КЗУ 12 60переходит в режим хранения, КЗУ 13 "в режим выборки. В этом случае Замкнувшийся УК 14 или (и) УК 10 пере"ходит в разомкнутое состояние, С вы"хода КЗУ 12 записанный сигнал через 65КЗУ 13 поступает на СУ 11, такимобразом проходя на выход БФНС 3.В случае одновременного приходаимпульсов входной и выходной частотв КЗУ 12, производится выборка сигнала с выхода Су 11, соответствующаяси гн алУ 0 пз - 0 сн зС пРи хОДОм Пос ледующих импульсов, т.е. в последующих тактах работы, описанный процесс в БФНС 3 повторяется. Разница заключается лишь в том, что если с приходом первого импульса или одновременно первых двух задающие напряжения 0 оз или (и) 0 нз складывались или (и) вычитались с нулевым сигналом КЗУ 13, то в последующих тактах эти задающие напряжения суммируются или (и) вычитаются с ненулевым сигналом КЗУ 13. Этот сигнал, начиная со второго такта работы БФНС 3, является запомненным результатом выполнения операций сложения или(и) вычитания сигналов 0 з, 0 ,з и сигнала с выхода КЗУ.13, полученного в предыдущем такте. Таким образом, сигнал на выходе БФНС 3 (фиг. 4 з) в п-м такте можно описать следующим управлениемл и-0 0 (41ср ср опз Евьи опнз Евхгде 0" " - сигнал на выходе БФНС всритакте; 1 - при наличии импульсавыходной частоты на соответствующем выходе БФНС;0 - при отсутствии этогоимпульса;1 - при наличии импульсавходной частоты на соответствующем входе БФНС;0 - при отсутствии этогоимпульса. 0 х вью Формирование задающих напряженийФзн 7 происходит следующим образом,После подачи задающего напряженияна управляющий вход ФЗН 7 на выходе СУЭ 16 появляется напряжение, величину которого можно определить из выражения0 цянз = 0 з + 0 вю (5) где 0;- наименьший граничный сиг"иал,Одновременно на выходе СУЭ 18 появляется сигнал, величину которого можно определить следующим образомОоой = 0 гпах(б) гДе 0 П 1,хх - наибольший гРаничный сигнал,Источниками граничных сигналов явся условиями работы ПЧ, например точностью И диапазоном преобразованиявходной частоты Р, помехами, шумамиэлементов схемы. Величина 0 должнапри этом изменяться в пределах ляются источники эталонного напряжения, Значения 0 ; и 0Определяют(8) 5 ЯЪг Граничные сигналы должны быть одного знака, йапример положительные. В соответствии с формулой (1) можно записать следующее выражение0 в 1 ь + Орз о,л - из максимальный коэффициент преобразования ПЧК можно вычислить по формулеЯ фУ ван 10пах (9)ваап Минимальный коэффициент преобразования равен1( - ".11. (10) 1511 111 ах Полный диапазон преобразования входныхчастот можно определить о формулеХ ва 0 вых 20, Таким образом, применение изобретения позволяет расширить Функциональные возможности устройства-прототипа. .Е новым Функциональным воэможностям следует отнести, например, плавную ипростую перестройку устройства из режима умножения входной частоты в режим деления ее и обратно. Изменениережима преобразования и установка вы.ходной частоты одним электрическимсигналом, преимущественно напряжением, позволяет реализовывать на базепредлагаемого устройства генераторыс широким диапазоном перестройки,управляемые напряжением. В совокупности с цифровыми схемами и цифроаналоговыми преобразователями предлагаемое устройство может служить.генератором сигналов специальной формы, частота которых определяется входной частотой и управляющим сигналом.При этом фаза выходного сигнала в результате введения в предлагаемоеустройство обнуления соответствуетфазе входной частоты следования импульсов. Предлагаемое устройство может быть использовано как в виде самостоятельных задающих источниковпериодических сигналов, так и в видепреобразовательных элементов большихсистем.1092697 Упр (.Рписноаж Зб НИИПИ Заказ 3274/42ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Прое