Умножитель частоты

,Е1 СОК.СОВЕТСКИСОЦИЛЛИСТИЧЕСРЕСПУВЛИК 17873 1)5 Н 03 В 19/1 ИСАНИЕ ОБР Е АТЕН кий инст тво СССР4, 05.12.78. сигнаник. нд исполь. ожения чаОСУДЛРСТВЕННОЕ ПЛГЕНТНОЕДОМСТВО СССРОСПЛТЕНТ СССР)(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как генератор синосуидальных колебаний при калибровке измерительных каналов различных систем. Целью изобретения является обеспечение линейной зависимости амплитуды выходных сигналов от амплитуды входных сигналов и уменьшение нелинейных искажений выходных сигналов. Умножитель частоты содержит преобразователь 1 сигналов синусоидальной формы в Изобретение относится к измерительной технике, в частности к умножителям частоты электрических сигналов, и может быть использовано как генератор синусоидальных колебаний прл калибровке измерительных каналов различных систем. При этом к умножителю предьявляется требование обеспечения линейной зависимости амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного, большого диапазона изменения коэффициента умножения и незначительных гармонических искажений выходного синусоидального сигнала.Известны умпринципу нели ножители, построенные по нейноо преобразования сигналы треугольной формы, пиковый детектор 2, формирователь 3 постоянных напряжений разных уровней, первый 4 и второй 5 резистивные делители напряжения. пороговый формирователь 6 раэнополярных прямоугольных импульсов, блок 7 интегрирования, формирователь 8 управляющих импульсов, амплитудный детектор 9, управляемый усилитель 10, фильтр 11, Импульсы с выхода порогового формирователя 6 поступают на вход формирователя 8 управляющих импульсов, который формирует однополярные управляющие импульсы со скважностью 1/2, следующие друг за другом, эти импульсы поступают на управляю- щий вход управляемого усилителя 10, коэффициент передачи которого принимает значение "+1" или "-1" и на выходе которого появляется сигнал в виде последовательности разнополярных прямоугольных импульсов, а фильтр выделяет основную гармонику. 1 з. и. ф-лы, 3 ил. ла и выделения из него высших гармоОдин из умножителей частоты построен на амплитудном ограничителе с суммированием сигналов. В таком умножителе трудно обеспечить линейную связь между амплитудой выходного гармонического сигнала и амплитудой входного сигнала, так как составляющие высших гармоник уменьшаются нелинейно, а при уменьшении входного сигнала до десятков милливольт выделение высших гармоник становится невозможным. Коэффициент умножения устройства не превышает гпс 10.Другой умножитель основанэовании фазового принципа умн25 30 35 40 55 стоты, он содержит л-фазный преобразователь и перемножитель, выполненный иэ ипоследовательных демодуляторов. Наличиебольшого количества демодуляторов обеспечивает хорошую линейную зависимостьпо амплитуде между выходными и входными сигналами и коэффициент умножения,определяемый количеством демодуляторов, однако с увеличением коэффициентаумножения"и количества- демодуляторовзначительно усложняется конструкция умножителя и он становится неудобным в ис, пользовании.Третий умножитель содержит формирователь гармоник, селективный фильтр и корректирующую ВС-цепочку с регулируемойпостоянной времени,Этот умножитель обеспечивает хорошую линейную зависимость йо амплитудемежду выходным и входным сигналами идостаточно большой коэффициент умножения т 4 20. При малых. коэффициентах умножения выходной сигнал имеет небольшиегармонические искажения, которые возрастают с увеличением коэффициента умножения и, кроме того, коэффициент можетприйимать только дискретные значения в ==2,3,4 и т. д,В принципе все умножители частоты,основанные на нелинейном преобразовании сигнала, имеют сравнительно невысокий коэффициент умножения.Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных существенных признаков идостигаемому эффекту является умножитель частоты (авт, св, СССР М 771781), Умножитель частоты содержит последовательносоединенные преобразователь сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы. пиковый детектор, первыйрезистивный делитель напряжения и пороговый формирователь разнополярных прямоугольных импульсов, причем входпреобразователя сигналов подключен к входу устройства, блокинтегрирования, выходкоторого подключен ко второму опорному. входу порогового формирователя разнополярных импульсов, второй резистивный делитель напряжения, подключенный ктретьему входу порогового устройства,электронный ключ, параллельно соеди-ненный с конденсатором, включенный вобратную связь блока интегрирования, иформирователь управляющих импульсов,выход которого подключен к управляющемувходу электронного ключа, а вход подключен к выходу порогового формирователя.Диапазон изменения коэффициента умножейия определяется диапазоном изменения коэффициента преобразования делителя напряжения и может достигать большихзначений гп 102,Умножитель характеризуется нелиней 5 ной.зависимостью амплитуды выходногосигнала от входного и при этом полностьюизменена форма выходного сигнала (синусоидальный сигнал преобразуется в импульсную последовател ьность), что10 недопустимо в ряде практических применений,Целью изобретения является обеспечение линейной зависимости амплитуды выходных сигналов от амплитуды входных сигналов умножителя и уменьшение нелинейных искажений выходного сигнала.Поставленная цель достигается тем, что в умножитель частоты, содержащий последовательно соединенные преобразователь20 сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, пиковый детектор, первый резистинный делитель напряжения и пороговый формирователь разнополярных прямоугольных импульсов, причем вход преобразователя сигналов подключен к входу устройства, формирователь управляющих импульсов, второй резистивный делитель напряжения, блок интегрирования, выход которого подключен к второму опорному входу порогового формирователя разнополярных прямоугольных импульсов, выход которого подключен к входу формирователя управляющих импульсов, дополнительно введены последовательно соединенные амплитудный детектор, управляемый усилитель и фильтр, а также формирователь постоянных напряжений разных уровней, первый вход которого подключен к выходу пикового детектора, второй его вход является входом регулируемого опорного напряжения, первый выход подключен к входу второгО резистивного делителя напряжения, выход которого подключен к третьему опорному входу порогового формирователя разнополярных прямоугольных импульсов, четвертый и пятый опорные входы которого подключены, соответственно к второму и третьему выходам формирователя постоянных напряжений разных уровней, выход пороговогоформирователя раэнополярнцх прямоугольных импульсов соединен с входом блока интегрирования импульсов, выход формирователя управляющих импульсов подключен к управляющему входу управляемого усилителя, вход амплитудного детектора соединен с входом преобразователя сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, а выход фильтра является выходом умножителя частоты; формирователь постоянных напря1787313 жений разных уровней содержит первый инвертор и последовательно соединенные инвертирующий сумматор и второй инвертор, при этом вход первого инвертора соединен с первым входом инвертирующего 510 сумматора и является первым входом формирователя постоянных напряжений разных уровней, вторым входом которого является второй вход инвертирующего сумматора, при этом выход первого инвертора, выход инвертирующего сумматора и выход стоянных напряжений разных уровней представлена на фиг, 2, Формирователь содержит первый инвертор 12 и последовательно соединенные инвертиру:ощий сумматор 13 и второй инвертор 14, при этом вход первого инвертора 12 соединен с первым входом инвертирующего сумматора 13 и является второго инвертора является, соответственно, первым, вторым и третьим выходами формирователя постоянных напряжений разных уровней, На фиг. 1 приведена функциональная 15 первым входом формирователя 3 постоянных напряжений разных уровней, вторым входом которого является вход инвертирующего сумматора 13, при этом выход первого инвертора 12, выход инвертируюсхема предлагаемого умножителя; на фиг, 2 - структурная схема формирователя; на фиг. 3 - временные диафрагмь 1 работы устройства,Умножитель содержит преобразователь 1 сигналов синусоидальной формы в 20 щего сумматора 13 и выход второго инвертора 14 являются, соответственно, первым, вторым и третьим выходами формирователя 3 постоянных напряжений разных уровней,сигналы треугольной формы, пиковый детектор 2, формирователь 3 постоянных напряжений разных уровней, резистивные 25 30 торый формирует на выходе постоянное напервому входу формирователя 3 постоянных напряжений разных уровней и к входу первого резистинного делителя напряжения; к второму входу формирователя 3 подключен источник регулируемого опорного с выхода пикового детектора 2 поступает на первый вход формирователя 3 постоянных напряжений разных уровней, на второй его вход поступает регулируемое опорное нэнапряжения Ооп, первый вь 1 ходформирователя 3 подключен к входу второго резистивного делителя напряжения 5; выходы делителей 4 и 5 подключены к первому и 45 пряжение Ооп. Формирователь 3 постоянных напряжений разных уровней преобразует постоянтретьему входам порогового формирователя 6 разнополярных прямоугольных импульсов, соответственно; к выходу порогового формирователя 6 подключены вход формирователя управляющих импульсов 8 и вход ное напряжение 02 в напряжение - 02 на первом выходе, в напряжения Оз = (02+ Бог) 50 на втором выходе и - Оз = - (02 + Ооп) на третьем выходе. Напряжения+ 0 (с выхода пикового детектора 2) и - О (с первого выхода формирователя 3) поступают соответблока интегрирования 7, выход которого подключен ко второму опорному входу порогового формирователя 6, четвертый и пятый опорные входы которого подключественно, на резистивные делители 4 и 5, которые имеют одинаковый коэффициент ны, соответственно; к второму и третьему делен; я гл выходам формирователя 3 постоянных на- С выходов этих делителей снимают напряжений разных уровней: амплитудный пряжения,равныеповеличинеипротивопо, делители 4 и 5 напряжений, пороговый формирователь 6 разнополярных прямоугольных импульсов, блок 7 интегрирования,формирователь 8 управляющих импульсов,амплитудный детектор 9, регулируемый усилитель 10, фильтр 11,Блоки соединены между собой следующим образом.Преобразователь 1 сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы и пиковый детектор 2 соединеныпоследовательно, причем вход преобразователя 1 подключен к входу устройства; выход пикового детектора 2 подключен к детектор 9, регулируемый усилитель 10 и фильтр 11 соединены последовательно, причем вход амплитудного детектора 9 подключен к входу устройства, выход фильтра 11 подключен к выходу устройства, ко второму (управляющему) входу управляемого усилителя 10 подключен выход формирователя управляющих импульсов 8,Структурная схема формирователя 3 поУстройство работает следующим образом,Входной синусоидальный сигнал Овх поступает на вход преобразователя 1 сигналов синусоидэльной формы в сигналы треугольной формы, фиг. 2.1, на выходе которого в течение каждого периода колебаний формируются колебания треугольной формы, амплитуда которь 1 х пропорциональна Т -35 длительности полупериода 01 (Т), фиг, 2,2.. Сигнал 01 (Т) с выхода преобразователя 1 поступает на вход пикового детектора 2, ко. пряжение 02, соответствующее по величине40 амплитуде напряжения треугольной формы 01(Т), фиг, 2.3. Постоянное напряжение 02510 15 20 25 30 ложные по знаку, которые являются пороговыми напряжениями Оп 1 = 02/е и Оп 2 = = 02/и, и поступают на первый и второй входы порогового формирователя 6 разно- полярных прямоугольных импульсов.Напряжения + Оз и - Оз со второго и третьего выходов формирователя 3 постоянных напряжений поступают на четвертый и пятый входы порогового формирователя 6, соответственно, и являются напряжениями питания для его выходных каскадов. Пороговый формирователь б с напряжениями питания + Оз и - Оз на его входах в совокупности с блоком интегрирования 7 являются, по существу, генератором прямоугольных разнополярных импульсов, которые формируются на выходе порогового формирователя 6 и имеют частоту выходных колебаний живых, а на Выходе блока интегрирования 7 формируются треугольные импульсы той же частоты, фиг. 2.4,Амплитуда прямоугольных импульсов равнаОз - О , где 01 соответствует падению напряжения на выходном каскаде порогового формирователя б и его величина приблизительно равна напряжению Ооп, Величину напряжения Ооп регулируют хак, чтобы амплитуда напряжения прямоугольных импульсов была равна величине напряжения 02: Оз- Ооп = Оз - 0= 02.Частота следования импульсов определяется отношением величин напряженийОз - Опи Оп - напряжения питания выходных каскадов, в также постоянной времени т. = ВС блока 7 интегрирования,Время нарастания треугольного импульса определяется по известной формуле (5, а 1:тн = - т - г, (1),Оп 1 Оп 2 О 1 Оп 2 Оз Ооп тОЗ - Оапт Подставляя в (1) значения напряженийОп иОз - Опп , получим02/п 1 + 02/гп 2 7 02 а Время спада ттреугольного импульса определяется аналогично по формуле:Опг +Оп 2 т 1 сп.=- в (03 - Ооп)-- Т = - . Частота следования прямоугольных импульсов на выходе порогового формирователя 6 (а также и треугольных импульсов); 1 Ь 1вы( - - = -- , и ри т = 1, 1 вых - 1 н +1 сп 4 Г 4 т 35 40 45 50 55 Подбирая т из соотношения: г = 1/4 1 вых, получаем равенство входных и выходных частот сигнала, а при наличии коэффицИЕНта дЕЛЕНИя ГП: живых = Л 1 1 вх,Импульсы с выхода порогового формирователя 6 поступают на вход формирователя управляющих импульсов 8, который формирует однополярные импульсы логической "единицы" и логического "нуля" со скважиностью 1/2, следующие друг за другом, фиг, 2.5, Эти импульсы поступают на управляющий вход управляемого усилителя 10, а на его первый вход с выхода амплитудного детектора 9 поступае постоянное напряжение 04, равное амплитуде сигнала, фиг, 2,6. Коэффициент передачи усилителя 10 в зависимости от значений сигнала на его управляющем входе в виде логических "нулей" или "единиц" принимает, соответственно, значения "+1" или "-1", на выходе его появляется сигнал в виде последовательности разнополярных прямоугольных импульсов с ЧаСтОтОй 1 вых = П 1 1 вх И аМПЛИтУДОй, РаВНОй амплитуде входного сигнала Эта последовательность импульсовпоступает на вход фильтра 11, который выделяет из входного сигнала основную ГаРМОНИКУ, ИМЕЮЩУЮ ЧаСтстУ 1 вых = П 1 1 вх,фиг. 2,7,Таким образом, на выходе умножителя частоты будут неискаженные гармонические колебания заданной частоты и амплйтудой, линейно связанной с амплитудой входного сигнала, в частности, амплитуда сигнала на входе и выходе устройства одинаковы, Коэффициент умножения устройства может меняться в широких пределах от единиц до нескольких сотен, что обусловлено возможностями конструкции делителей напряжения.Одним из достоинств умножителя является то, что с других его выходов можно снимать сигналы выходной частоты и в форме либо прямоугольных (с выхода порогового формирователя 6), либо треугольных (с выхода блока интегрирования 7), либо однополярных(с выхода формирователя управляющих импульсов 8), и эти последовательности импульсов также могут найти разнообразные применения.Еще одним из достоинств умножителя является то, что при изменении периода входных колебаний в несколько раз коэффициент умножения не будет изменяться, Это обьясняется тем, что коэффициент умножения определяется отношением порогового напряжения, снимаемого с делителя, и выходного напряжения порогового формирователя, которое устанавливается равным 02510 15 20 25 30 35 40 50 с помощью регулирования величины Ооп, т, е, входному напряжению делителей. Таким образом, при увеличении периода, например, в два раза напряжение О 2 также возрастет в два раза, во столько же раз возрастет пороговое напряжение. а отношение их не изменится.При необходимости выходные каскады порогового устройства могут быть выполнены высоковольтными и период входных колебаний может меняться в широких пределах без изменения коэффициента умножения.Умножитель частоты выполнен на стандартных элементах - цифровых микросхемах и операционных усилителях.Ниже приведен один из примеров работы устройства.На вход умножителя подается синусоидальный сигнал амплитудой О =2 В и частотой 1 х = =1 Гц, Преобразователь 1 будет формировать напряжение за время полупериода входного сигнала Т = 0,5 с, для чего соответствующим образом выбирают постоянную времени интегратора, входящего в состав преобразователя 1, и на его выходе будет линейно-нарастающийсигнал амплитудой О 2 = 5 В, Это напряжение через пиковый детектор 2 поступает на формирователь постоянных напряжений 3, а амплитуду напряжения, формируемого преобразователем 1, выбирают из тех соображений, чтобы напряжение со второго и третьего выходов формирователя постоянных напряжений 3 Оз = + О 2 + Ооп) по величине лежало в диапазоне + (3-15) В. В этом диапазоне лежат допустимые значения напряжений питания выходных каскадов порогового формирователя 6, Падение напряжения на выходных каскадах порогового формирователя 6 составляет О - 1 В, а так как значение Ооп подбирается так, чтобы О = Ооп, то на его четвертый и пятый входы будет поступать напряжение Оз = .ф. (02+ Ооп) = =:"б В.Напряжения с выхода пикового детектора+ О 2 =5 В и с первого выхода формирователя 3 - О 2 = - 5 В поступают на делители 4 и 5, соответственно, Для получения частоты выходного сигнала, например, 1 вых = =-50 Гц, устанавливают переключатель делителей на коэффициент деления а = 50 и получают на выходе делителей напряжения Оп 1= 100 мВ и Оп 2 = -100 мВ, соответственно,В блоке интегрирования 7 параметры ВС-цепочки подбирают, исходя из удовлетворения равенства (2): т = 0,25 с и подбирают величины навесных элементов В ==.250 кОм и С - -1 мкФ. На выходе порогового формирователя б формируются рэзнополярные прямоугольные импульсы частотой Ь,х = 50 Гц и амплитУдой О 2 =Оз - Ооп = 5 В, для чего в небольших пределах (сотни милливольт) регулируют величину напряжения Ооп нэ втором входе формирователя 3 с помощью резистивного делителя, подключенного к источнику положительного напряжения питания, общего в системе питания устройства (на схеме не показано), На выходе блока интегрирования 7 формируются прямоугольные импульсы частотой 50 Гц и амплитудой 100 мВ,Разнополярные прямоугольные импульсы с выхода порогового формирователя б поступают на вход формирователя управляющих импульсов 8 и преобразуются в прямоугольные однополярные импульсы путем ограничения входных импульсов по уровню и полярности усилителем-ограничителем, входящим в состав формирователя 8. Импульс, соответствующий логической "единице", имеет амплитуду 4 В, а соответствующий логическому "нулю" - 0,5 В, С помощью триггеров и логических элементов, входящих в состав формирователя 8, эти импульсы преобразуются в импульсы со скважистостью 1/2.При выходном сигнале амплитудой 2 В на выходе амплитудного детектора 9 устанавливается постоянное напряжение 2 В, которое поступает на вход управляемого усилителя, коэффициент передачи которого "+1" или "-1" управляется импульсами с выхода формирователя управляющих импульсов 8,С выхода управляемого усилителя 10 снимают раэнополярные импульсы амплитудой 2 В и частотой 1,= 50 Гц, из которых фильтр 11 отфильтровывает первую гармонику частотой 1 вцх = 50 Гц и амплитудой 2 В,Заявляемый умножитель частоты предполагается использовать преимущественно именно в области низкочастотных и инфранизкочастотных колебаний, например в сейсмологии. В указанном диапазоне заявляемый умножитель частоты также обеспечивает стабильность амплитуды не хуже 0,3;ь при включении на его входе генератора опорной частоты (что соответствует параметру умножителя "линейность зависимости"). Такой генератор может быть разработан специально, например на три части, так чтобы диапазон их изменения перекрывалл друг друга при коэффициенте умножения 10, а суммарныи коэффициент умножения при этом составит уже шесть порядков, что вполне достаточно при калибровке измерительных каналов л п,1 зличныхобластях техники, при это генератор опорной частоты будет малогабаритным и экономичным на одном операцибнном усилителе в двух микросхемах,5формула изобретения. 1. Умножитель частоты, содержащий последовательно соединенные преобразователь сигналов синусоидальной Формы в сигналы треугольной Формы вход которого 10 является входом умножителя частоты, пиковый детектор, первый резистивный делитель напряжения и пороговый формирователь разнополярных прямоугольных импульсов, формирователь управляющих 15 импульсов, второй резистивный делитель напряжения, блок интегрирования, выход которого подключен к второму опорному входу порогового Формирователя разнополярных йрямоугольных импульсов, выход 20 которого подключен к входу Формирователя управляющих импульсов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью обеспечения линейной зависимости амплитуды выходных сигналов от амплитуды входных сигналов и 25 уменьшения нелинейных искажений выходных сигналов, введены последбвателънб соединенные амплитудный детектор, управляемый усилитель и фильтр, а также формирователь постоянных напряжений 30 разных уровней, первый вход которого подключен к выходу пикового детектора, а второй вход которого является входом регулируемого опорного напряжения, а первый вход которого подключен к входу второ го резистивного делителя напряжения, выход которого подключен к третьему опорному входу порогового формирователя разнополярных прямоугольных импульсов, четвертый и пятый опорные входы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам формирователя постоянных напряжений разных уровней, выход порогового формирователя разнополярных прямоугольных импульсов соединен с входом блока интегрирования, выход Формирователя управляющих импульсов подключен к управляющему входу управляемого усилителя, вход амплитудного детектора соединен с входом преобразователя .сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной Формы, а выход фильтра является выходом умножителя частоты.2. Умножитель частоты по и. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что формирователь постоянных напряжений разных уровней содержит первый инвертор и последовательно соединенные инвертирующий сумматор и второй инвертор, при этом вход первого инвертора соединен с первым входом инвертирующего сумматора и является первым входом формирователя постоянных напряжений разных уровней, вторым входом которого является второй вход инвертирующего сумматора, при этом выход первого инвертора; выход инвертирующего сумматора и выход второго инвертора являются соответственно первым, вторым и третьим выходами Формирователя постоянных напряжений разных уровней,-г гоп еда кто роизводст э 275 ВНИИПИ Г Составитель Т. КудряшоваТехред М,Моргентал Корректор Н. Гуньк Тираж Подписноеарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 но-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101