Преобразователь код-частота гармонического сигнала

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для автоматическогозадания амплитуды, Фазы и высокостабильной частоты гармоническогосигнала,Известен аналоговый функциональный генератор высокой выходной мощности с микропроцессором, содержащий постоянное запоминающее устрой 0ство, магнитное оперативное запоминающее устройство, микропроцессор,дисплей, блок оптронных ключей,программируемый задатчик напряжения (преобразователь код - напряжение) и биполярный операционный уси"литель, позволяющий воспроизводитьлюбые сигналы, предварительно рассчитанные микропроцессором,и хранящиеся в оперативном запоминающемустройстве большой емкости 1,Недостатками устройства являютсяотносительно высокая сложность,обусловленная наличием оперативногозапоминающего устройства и микропро 25цессора, а также высокие требованияк фильтру нижних частот, так как число отсчетов генерируемых за период,зависит от частоты воспроизводимогосигнала. Кроме того, низка оератив- Зеность в управлении, так как необходим предварительный расчет точеквоспроизводимой функции. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является преобразователь.код - частота гармонического сигнала, содержащий регистр кода час.тоти, вход которого соединен с первой входной шиной, а первый выход соединен с входом кодоуправляемого генератора импульсов, выход которого соединен с входом блока синхронизации и входом счетчика периода, первый выход которого соединен с первыми управляющими входами первого .и второго коммутаторов, а второй выход - с вторым управляющим входом первого коммутатора,.первый50 и второй входы которого соединены соответственно с прямым и инверсным выходами регистра амплитуды косинуса, а выход - с первым входом регистра косинуса, первый выход которого. подключен к первому входу первого сумматора, выход которого соединен с входом первого буферного регистра, выход которого подключен к входу первого преобразователя код - напряжение, выход которого сое динен с входом первого фильтра нижних частот, а вход - с вторым вхо-дом регистра косинуса, второй выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом регистра синуса, а выход - с входом второго буферного регистра, выход которого соединей с первым входом регистра синуса и через второй преобразователь код - напряжение с входом второго фильтра нижних частот, а управляющий вход подключен к первому выходу блока синхронизации, второй выход которого соединен с управляющим входом регистра синуса, второй вход которого подключен к выходу второго коммутатора, первый и второй входы которого соответственно соединены с прямым и инверсным выходами регистра амплитуды синуса, вход которого подключен к второй входной шине, а третья входная шина соединена с входом регистра амплитуды косинуса, при этом управляющий вход первого буферного регистра соединен с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого подключен к,управляющему входу регистра косинуса, второй вход первого .сумматора соединен с вторым выходом ре" гистра синуса, а второй выход счетчика периода подключен к второму управляющему входу второго коммута-. тора 12.Недостатком известного устройства является низкая точность воспроизведения формы гармонического коле. бания иэ-за наличия экспоненциальной составляющей в выходном сигнале. Так, при йт щ 100 приведенная погрешность составит 107., а нри Б = 200 - 5 Ж, Рассмотрим подробнее талгоритм работы устройства. Введем. для удобства следующие обозначения:А соэ м) с = х(1) = Х(г) ( )(1)А з 1 п ь) с = у(1) = У(г)1 = О, 1, 2,где Х(г) и 1(г) - иэображение функций х(1) и у(1) наЕ-плоскости.Тогда алгоритм работы можно записать в следующем виде:х(1) = х(1-1) - к у(1-1) (2). Т(г). = (г) Е + 1 . Х(г) Е + +.у(-1) + 1 сх(-1) откуда, исключив Х(г), получаем:Фа У(-11 -(1+К 31 ЬС" Х(-4)Ж где у(-1.) и х(-1) - начальные условия.Для упрощения дальнейших выкладок положим: у(-1) = еп 0 = О и х(-1) сое О = 1, тогда выражение (4) можно записатьв следующем виде:У(П:(5 25.Е+1+КИзображение ступенчатой функции 4 ОЬ51 пО ьПв,(З 0 яоа соЬЬ аСопоставляя выражения (5) и (б) получаем; у(г) щ А (1+1 ) е 1 п Ь(д +1) 35%к При значительном увеличении козффициейта 1 уравнение (7) может бытьприближенно записано в виде: У(112 Й ьп (1, (Е) КОднако при этом сужается полоса частот, генерируемых устройством,и становится ощутимой погрешность; возникающая из-за отбрас 1 ывания младших разрядов при апнаратурной реализации операции деления на К . Кроме Того, описанное устройство может генерировать только синусоидальный сигнал.Целью изобретения является повышение точности и воспроизведения гар" монической функции и расширение функциональных возможностей пре,образователя. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь код - частота гармонического сигнала, содержащий регистр кода частоты, вход которого соединен с первой входной шиной, а первый выход соединен с вхо-, дом кодоуправляемого генератора импульсов, выход которого соединен с входом блока синхронизации и входом счетчика периода, первый выход которого соединен с первыми управляющими входами первого и второго коммутаторов, а второй выход - с вторым управляющим входом первого коммутатора, первый и второй входы которого соединены соответственно с прямым и инверсным выходами регистра амплитуды косинуса, а выход. - с первым входом регистра косинуса, пер. вый выход которого подключен к первому входу первого сумматора, выход которого соединен свходом первого буферного регистра, выход кото- роге подключен к входу первого преобразователя код - напряжение, выход которого соединен с входом первого фильтра нижних частот, а вход. " с вторым входом регистра косинуса, второй выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом регистра синуса, а выход - с входом второго буферного регистра, выход которого соединен с первым входом регистра синуса и через второй преобразователь код - напряжение с входом второго фильтра нижних частот, а управляющий вход - подключен к первому выходу блока синхронизации, второй выход которого соединен с управляющим входом регистра синуса, второй вход которого подключен к выходу второго коммутатора", первый и второй входы которого соответственно соединены с прямым и инверсным выходами регист. ра амплитуды синуса, вход которого подключен к второй входной шине, а третья входная шина соединена с входом регистра амплитуды косинуса, дополнительно введены первый и вто.ОЮ Сравнивая последнее выражениес выражением (6)., получаем:у(х) = А зп Ь (1.+1)йли с учетом Ь = ГВ 50 у(11: А Мп - о 1+11, О КВ выражении ( 13) отсутствует экспоненциальная составляющая (1+к ) +, т.е. точность воспроизведения гарморой ключи и третий коммутатор, первый и второй входы которого соответственно соединены с первым и вторым выходами регистра синуса, выход подключен к второму входу первого сумматора, а управляющий входк второму выходу регистра кода частоты и управляющим входам первого ,и второго ключей, при этом второй10выход счетчика периода через первыиключ соединен с вторым управляющимвходом второго коммутатора, а управляющий вход первого буферного регистра соединен с третьим выходомблока синхронизации, четвертый выход которого через второй ключ подключен к управляющему входу регистра косинуса.Пользуясь обозначениями (1), алгоритм работы преобразователя можно 20записать, в следующем виде;х(1) = х(1-1) - 1 су(з.-1) (9)уИ) = у(з.-1) + 1 с- х(О (10)25Здесь первое уравнение осталось без изменения, а во втором уравнении вместо переменной х(ь) взята переменная х. Пользуясь а -преобразованием, уравнения (9) и (10) можно записать:4 4Х(г) = Х(г) Е - 1 с 7(г) Е ++ х(-1) - 1 су(-1),У(г)Т(г) Е + 1 сХ(г) + у(-1)35 откуда, исключая Х(г), получаем:Уй(Е(4-К 1-1)+Х)К ЬУф= 111уф-(2-К . Я+1.Полагая у(-1) = 0 и х(-1) 1, ф из уравнения (11) получаем: нической функции не зависит от вы" бора значения коэффициента кНа чертеже представлена структурная электрическая схема преобразователя.Преобразователь код - частота гармонического сигнала содержит регистр 1 кода частоты, регистр 2 амплитуды косинуса, регистр 3 амплитуды синуса, кодоуправляемый генератор 4 импульсов, счетчик 5 периода, первый 6 и второй 7 коммутаторы, первый ключ 8, блок 9 синхронизации, регистр 10 синуса, второй ключ 11, регистр 12 косинуса, третий коммутатор 13, первый 14 и второй 15 сумматоры, первый 16 и второй 17 буферные регистры, первый 18 и второй 19 преобразователи код - напряжение, первый 20 и второй 21 фильтры нижних частот. Регистр 1 кода частоты первым своим выходом соединен с входом кодо управляемого генератора 4 импульсов а вторым выходом - с управляющими входами первого 8 и второго 11 ключей и третьего коммутатора 13, регистр 2 амплитуды косинуса прямым и инверсным выходами подключен соответственно к первому и второму входам первого коммутатора б, выход которого подключен к первому входу регистра 12 косинуса, первый выход которого подключен к первому входу первого сумматора 14, соединенного своим выходом с входом первого буферного регистра 16, выход которого соединен с вторым входом регистра 12 косинуса и с входом первого преобразователя 18 код - напряжение, выход которого подключен к входу первого фильтра 20 нижних частот.Регистр 3 амплитуды синуса соединен прямым и инверсным выходами соответственно с первым и вторым входами второго коммутатора 7, выход которого подключен к второму входу регистра 10 синуса, соединенного первым выходом с вторым входом второго сумматора 15, первый вход которого соединен с вторым выходом регистра 12 косинуса, а выход - с входом второго буферного регистра 17, выход которого соединен с первым входом регистра 10 синуса и с входом второго преобразователя 19 код - напряжение, соединенного своим выходом с входом второго фильтра 21 нижних частот.Регистры 2 и 3 амплитуды косинуса и синуса соответственно служатля хранения кодов 4 О, и ф 4 ьа определяющих начальную фазу и амплитуду гармонического колебания, при этом должно выполняться соотношение: (При генерировании треугольного сигнала в регистр 2 амплитуды косинуса записывается приращение, а в регистр 3 амплитудь 1 синуса - начальная точка напряжения, изменяющегося . по треугольному закону).Первый 6 и втор.й 7 коммутаторы через некоторое число тактов, определяемое счетчиком 5 периода и формулой (3), подключают на первые (установочные) входы регистров 12 и 10 прямые или обратные выходы регистров 2 и 3 амплитуды косинуса и синуса соответственно. В первом сумматоре 14 реализуется операция вычитания (13), т.е. сложение прямого и обратного (сдвинутого на 35 40 45 50 55 аК второму входу первого сумматора 14подключен выход третьего коммутатора13, первый и второй входы которогоподключены соответственно к первомуи второму выходам регистра 10 синуса, управляющий сод которого сое,динен с вторым выходом блока 9 синхронизации, первый выход которого. подключен к управляющему входу второгобуферного регистра 17, третий выход - к управляющему входу первогобуферного регистра 16, а четвертыйвыход - к входу второго ключа 11,выход которого соединен с управляющим входом регистра 12 косинуса.Выход кодоуправляемого генератора 4импульсов соединен с входом блока 9синхронизации и с входом счетчика5 периода, первый выход которогосоединен с первыми управляющими входами первого 6 и второго 7 коммутаторов, а второй выход - с вторым управляющим входом первого коммутатора6 и через первый .ключ 8 с вторымуправляющим входом второго коммутатора 7,Регистр 1 кода частоты служит дляхранения кода частоты И и для управФления кодоуправляемым генератором4 импульсов. Блок 9 синхронизации 30.стробирует запись информации в регистры 12 и 10, а также в первый 16и второй 17 буферные регистры. 1 оя И разрядов, т.е. поделенного на К ) кодов с регистра 12 косинуса и регистра 10 синуса соответственно. При этом в режиме генерирования гармонического сигнала третий коммутатор 13 коммутирует и инвертирует сдвинутый код с второго выхода регистра 10 синуса, а в режиме генерирования треугольного сигнала - полный код с первого выхода. На втором сумматоре 15 реализована операция сложения (14)аналогично тому, как это сделанона первом сумматоре 14. Первый 18и второй 19 преобразователи код -напряжение преобразуют поступающиекоды в напряжение, которое затемсглаживается первым 20 и вторым 21фильтрами нижних частот. Второй, ключ 11 необходим для блокировкисинхроимпульса перезаписи кода изпервого буферного регистра 16 в регистр 12 косинуса в режиме генерации треугольного сигнала,Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии регистр 1 кода частоты обнулен и кодоуправляемый генератор 4 импульсов блокирован, в связи с чем блок 9 синхронизации не вырабатывает синхроимпульсы на регистры 12, 10, 16 и 17 и никаких операций в устройстве не производится.В режиме генерирования синусо- идального сигнала в регистры 2 и 3 амплитуды косинуса и синуса соответственно заносятся коды Е 4 соьи 1 ЧАяа удовлетворяющие уравнению (14), а в регистр 1 кода частоты - код И и признак генерирования синусоидального сигнала. При этом с второго выхода регистра 1 кода частоты поступает сигнал, разрешающий прохождение через первый 8 и второй 11 ключи синхроимпульсов на регистр 12 косинуса и второй коммутатор 7 и подключающий через третий коммутатор 13 второй выход регистра 10 синуса к второму входу первого сумматора 14. Одновременно на вход кодоуправляемого генератора 4 импульсов пос-. тупает код частоты, в .результате чего генератор начинает вырабатывать импульсы соответствующей частоты, поступающие на входы счетчика 5 периода.и блока 9 синхронизации.По первому импульсу счетчик 5 периода по первому выходу выдает на первый 6 и второй 7 коммутаторы управляющий сигнал, раэрешаощий пере,пись кодов с прямых выходов регист ров 2 и 3 амплитуды косинуса и синуса соответственно. С задержкой, необходимой на перепись кодов и срабатывание второго сумматора 15, блок 9 синхронизации вьдает синхроимпульс по первому выходу, разрешающий запоминание во втором буферном регистре 17 результата операции, произведенной вторым сумматором 15. При поступпении второго импульса с выхода кодоуправляемого генератора 4 импульсов счетчик 5 периода не выдает никаких сигналов, а блок 9 синхронизации вырабатывает по второму выходу сигнал, разрешающий перепись 20 кода из второго буферного регистра 17 в регистр 10 синуса. По третьему импульсу блок 9 синхронизации вьдает синхроимпульс по третьему выходу на управляющий вход первого буферного регистра 16в котором запоминается результат операции, произведенной первым сумматором 14, По четве"тому импульсу блок 9 синхрониза" ции вьдает по четвертому выходу синхроимпульс, который проходит через открытый ключ 11 и разрешает перепись кода с первого буферного регистра 16 в регистр 12 конуса. 35Через число тактов, соответствующее половине периода генерируемого гармонического сигнала, счетчик 5 периода выдает сигнал по второму вы.ходу на вторые управляющие входы первого 6 и второго 7 (через открытый ключ 8) крммутаторов, при этом осуществляется перепись обратных кодов иэ регистров 2 и 3 соответствен н 8 в регистры 12 и 10. Еще через полпериода счетчик 5 периода обеспе.чивает занесение прямых кодов в ре- гистры 12 и 10. Это восстановление" необходимо для предотвращения накопления ошибки округления, возникающей из-за ограниченности числа разрядов сумматоров и регистров, Коды с первого 16 и второго 17 буферных регистров преобразуются первым 18 и вторым55 19 преобразователями код " напряжение в напряжение, которое сглаживается первым 20 и вторым 21 фильтрами нижних частот. Режим генерирования треугольных сигналов отличается от рассмотренного режима тем, что по признаку режима, занесенному в регистр 1 кода частоты, запираются первый 8 и вто" рой 11 ключи, а третий коммутатор 13 коммутирует и инвертирует код с выхода регистра 10 синуса на второй вход первого сумматора 14. Запирание второго ключа 11 эквивалентно разрыву обратной связи: выход первого буферного регистра 16 - второй вход синхронизируемый) регистра 12 косинуса. Изменение режима коммутации третьим коммутатором 13 позволяет получить на выходе первого фильтра 20 нижних частот сигнал, равный пс амплитуде и обратный по фазе сигналу на выходе второго фильтра 2 1 нижних частот, Первый ключ 8 запрещает прохождение управляющего сигнала с второго выхода счетчика 5 периода на второй управляющий вход второго коммутатора 7, так что в регистре 10 синуса восстанавливается один раз эа период только прямой код, занесенный в регистр 3 амплитуды си" нуса. В этом режиме, меняется также назначение регистров 2 и 3 амплитуды косинуса и синуса соответственно: в регистр 2 амплитуды косинуса заносится приращение, определяющее размах треугольного сигнала, а в регистр 3 амплитуды синуса - первоначальное значение, определяющее смещение треугольного сигнала. В предпочтительном варианте преобразователь код - частота гармонического сигнала имеет 16-разрядные регистры и сумматоры комбинационного типа, На вторые выходы регистров косинуса и синуса выведен код регистров, сдвинутый на 4 разряда вправо, что соответствует делению на 16, т.е, К = 16, при этом гармонический сигнал синтезируется по 100 отсчетам, что значительно облегчает его фильтрацию, осуществляемую с помощью активных фильтров нижних частот. Счет-, чик периода в этом случае вьдает синхроимпульс по первому выходу через каждые 400 тактов кодоуправляемого генератора импульсов, а по второму выходу - через каждые 200 так" тов после вьдачи импульсов по первому выходу. Кодоуправляемый генератор импульсов может быть выполнен в виде счетчика с периодическим самовосстановлением начального кода,который считывается опорной кварцевой частотой. Технико-экономический эффект от использования ус:ройства по сравнению с ручными методами метрологических испытаний частотных измерительных каналов заключается в высокойточности воспроизведения гармонического сигнала за счет отсутствия внем экспоненциальной составляющей и 5 в широких возмоаностях цифровогоуправления его параметрами (генерированне как синусоидального, так итреугольного сигналов).