Способ преобразования переменного напряжения в код и устройство для его осуществления

/24-2 .6 Р 41 ател ки о ий инс (анско тут починског ель с 1/60 1979 СССР 1980 ь ств 1/60 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В КОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к области электрических измерений в диапазонах инфранизких и звуковых частот и выполняет кодирование переменного напряжения. Изобретение позволяет упростить известный способ, включаюЯО 14362 щий преобразование переменного напряжения в частотно-импульсный модулированный сигнал, смещение частот этого сигнала и сигнала с постоянной частотой, интегрирование результата смещения в течение периода переменного напряжения, Для этого выбирают интервалы времени, расположенные симметрично относительно моментов обращения в ноль переменного напряжения и равные по продолжительности полуразности длительностей двух соседних временных интервалов ограниченных тремя последовательными моментами обращения в ноль частоты продукта смещес ния, и в течение этих интервалов ин- я тегрируемую частоту уменьшают вдвое.Устройство, предназначенное для осу- /Г ществления способа, упрощается засчет .введения управляемого делителя частоты, элемента И и изменения алго- Д ритма управления устройства, 2 с и 1 з.п.ф-лы. 3 ил.1 аайИзобретение относится к электрическим измерениям в диапазонах инфра- низких и звуковых частот, и может быть использовано при эксперименталь ном определении амплитудно-Фазовых частотных характеристик четырехполюсников, при акустических измерениях, исследованиях в области систем автоматического управления и регулирования, 10 в геофизике биофизике, океанологии и т,д в частности для преобразования в циФровой код переменного напряжения.Цель изобретения - упрощение способа преобразования переменного напряжения в код и реализующего его устройства. 20На Фиг.1 представлена структурнаясхема устройства; на Фиг,2 ." эпюры,илпострирующие способ кодирования переменного напряжения на Фиг.3 - отобрг.(ающие временные зависимости счгналов на выходах отдельньж узлов устройства,.Устройство содержит измерительныйчастотный преобразователь 1, автогенератор 2 смеситель 3 частоты, детекЗОтор 4 нулевых биений, первый элементИ 5, управляемый, целитель 6 час готы,первый счетчик 7 импульсов, блок 8управления,Блок 8 управления содержит Т-триггер 9, мультиплексор 10, 28-триггеры11.и 12, элемент И 13, элемент ИЛИ14, элемент 15 задержки, элементы ИЛИ16 и 17, элемент И 18, счетчик 19 импульсов Т"триггер 20 демультиплек40сор 21, мультиплексор 22, ЕЯ-триггер23, элемент И 24, элемент ИЛИ 25, элемент И 26, элемент ИЛИ 27, счетчик 28импульсов, КБ-триггер 29, коммутатор30, генератор 31 опорной частоты, Т=триггер 32, инвертор 33, элемент И 3445и счетчик 35 импульсов,Последовательность операции ( Фиг,2/выцолняеклх при кодировании переменного напряжения по предлагаемому способу, следующая.Исходное налряжение П =ПО+(1 И)вг Выполняя интегрирование с учетомоговоренной функциональной зависи"мости дГ(Г), получают 2 Ь 1 ЛЕо . Й ИК = ---- агсзгп -- + 2 1-(" - ) ь Частота 4 К(с) результата смещенияследующая; 4 Г=1 ВЕ +Е, згпыг 1, моменты обращения в ноль величины Дг(г),например, в течение первого периодапеременного напряжения равна Г о,(д(/г ), Последовательность импульсов 0 (с), Формируемых в моменты обращения в коль частоты Н (г;), представлена на Фиг.2. Длительности ,идвух соседних врйменных интерва 2лов, ограниченных тремя последовательными моментами обращения в ноль велИчины, равны дЕ(Г),Г=(7/(.4+(2/ы) агсзп (аК И ) иу =/ю)-Р/) агсзгп (д,/Г)причем 2 += 2/,(, и 17 = 1 2/2=(2/и) агсз 1.п (аХоИ(4 .Следующая операция способа - выделение временных интервалов, расположенных симметрично относительно моментов г= з.и/о, где =0,1,2обращения в ноль переменной составляющей кодируемого напряжения, и име-ющих дл(тельность д ьЗатем частоту л Г(Г) подвергают интегрированию втечение интервале времени, кратногопериоду обрабатываемого напряжения,причем в течение выделенных интервалов времени интегрируемую частоту всоответствии с эпюрой С(С) уменьшаютвдвое (заштрихованные части эпюрыМ (г) на Фиг,2),Результат К преобразования, выполняемого например, в течение одногопериоца переменного напряжения:1436275 ИЛИ 17 - эпюра 78) и элемент И 34 иимпульсная последовательность с генератора 31 проходит на счетный входсчетчика импульсов 19, а выходнойсигнал Т-триггера 32, имеющий частоту 2, поступает к счетчикам 28 и 35,Временные зависимости кодов, накапливаемых счетчиками 7, 19, 28 и 35,10 представлены на эпюрах соответственно. уменьшается; И (г.)=И, - Е (г-с) ив момент времени ео=,+ (,+ ) /215 обращается в ноль (эпюра 80,фиг,Зо).Для эпюр фиг3 с , ( , поэтому( :,+ .", 11 мпульс, появляющийся цавьхаде счетчика 19 при его обцулении(эпора 83, фиг,Зс),опрокидывает Т 20 триггер 20. Сигнал на выходе Ц этоготриггера отображается эпюрай 84Фиг,Зс,Содержимое И, (:) счетчика 28 придуощикразам: Н(:).=М,-Г (1:-:1) /2 и к .момен.ту :=г., достигает величины 11,(.)- Г,1/2, Кад 11 - счетчика .35 увелгпнается ва времени: И,- (.) =Г (к 3- ) /2, поэтому при г.= получаютН =Г. к/2 (эпюры 81-82, ФигЗс),После обнуления счетчика 19 в нем появляется код 11,-1, где М - его полная емкость, В дальнейшем этот кадуменьшается пад воздействием импульс 35 ного сигнала с генератора 31: И, (е)==И - 1-Гз(1-Со), так что приимеот К (г. )=И-Г ( -7) /2,В момент времени := детектор 4Формирует очередной импульс после 40 довательности 0(С), Па этому импульсу срабатывает Т-триггер 9 (эпюра 76,фиг,За). Положительный перепад напряжения, возникающий на выходе Я этоготриггера, проходит через демультиплек 45 сар 21 (эпюра 86, фиг.Зс), через элемент ИЛИ 16 производит сброс счетчика 7 в ноль (эпюра 79,фиг.За) и.по входу счетчик 19 осуществляет ин версию содержимого этого счетчика0 Кад счетчика 19 после инверсии равен.И , (Е+0) =11 о-И з(С) =Е э(", "г) /2В исходном состоянии счетчики 7и 35 и триггеры в блоке.8 управления (за исключением Т-триггера 32)установлены в нулевое состояние повходу "Установка". Одновременно всчетчики 19 и 28 записываются кодыМ =Г Т/2=2 ( ,+ ,1)/2, где Г - частота генератора 31 и Т-период переменного напряжения, Низкий потенциал выхода Я второго КБ-триггераблокирует элемент И 5 и отключаетсяот управляемого делителя б частоты,На вход устрайстна наступает входноенапряжение 11(С) =НП зп (г)(Фиг,2), С па.ащью измерительногочастатпага преаб;.ашпателя это напряжение преабразуетс я ва вспомогательный сигнал с частотой Г=Г+Г,зп о (фиг,2), Лвтогенератар 2 вырабатывает сигнал с пастояннай частотой Гс.=саз 1:, Смеситель частоты образует сигнал разнастнай частоты 1 Г=-.Г о+ Гздп кои. (Фиг,2)Детектор 4 пулевых биений Формируетимпульснуо последовательность О (г.)в моменты обращения в нуль величины(1 Й(Фиг, 2),При дальнейшем рассмотрении Функционирования устройства используютэпюры Фиг . 3 . На эпюр е 0 (1: ) (фиг. 3 с)представлена последовательность импульсов, Формируемая детектором 4 нулевых биений, на эпюре 75 - импульсустановки, поступающий на вход при( , В момент времени= , детектор 4 вырабатывает очередной импульс последовательности 0, Подего воздействием срабатывают .Т-триггер 9 и КБ-триггер 12, Временные зависимости выходных потенциалов этихтриггеров приведены на эпюрах соответственно 76 и 77 (фиг,За). Перепаднапряжения, возникающий на выходе КБтриггера 12, открывает элемент И 5 исигнал через управляемый делитель час таты начинает проходить к счетчику 7импульсов, На управляющем входе делителя 6 в это время поддерживается нулевой потенциал (эпюра 90,фиг,За),поэтому его коэффициент деления равен единице.Сигнал выхода Ц Т-триггера 9 деблокирует элемент И 18 (через элемент 4 в Г 1 ,24( е ) (2) В интервале времени (, ) счетчик 19 отключен от генератора 31, так как выходной пециал элемента ИЛИ 17 равен нулю (эпюра 78,фиг,Зц), счетчики 28 и 35 отключены от Т-триггера 32 сигналами выходов Я Т-триггера 9 и КБ-триггера 23 (эпюры соот 1436275ветственно 76 и 91, Фиг,Зб). Лишьсчетчик 7 по-прежнему продолжает ин 1тегрировать выходную частоту А Г (С)эпюра 79, Фиг.Зс, причем в это время коэффициент деления делителя 6 равен единице.При появлении в момент С СЗ очередного выходного импульса детектора4 вновь срабатьвает Т"триггер 9 (эпю 10ра 76, фиг,Зм). Положительный перепаднапряжения, появляющийся при этомна его выходе Я, проходит через мультиплексор 10 (эпюра 87,фиг.Зц) и оп 15рокидывает КЯ-триггер 11, Потенциаломвыхода Я КЯ-триггера 11 (эпюра 88,Фиг,За) через элемент ИЛИ 17 открьвается третий элемент И 18 и содержимоеИ, (С) счетчика .19 уменьшается от20зчач ения Б(С 2+0) до нуля (эпюра 80фиг,За) в соответствии с формулойИ (9 (С) =И 1 (С +О) -К (С "С ) . ВеличинаИ,)9(С,) равна нулю. Отсюда находятС 3С -С= -1 /2=О25Выходной импульс КЯ-триггера 11проходит через открытый элемент И 24(эпюра 90, Фиг,З на вход управленияделителя б и устанавливает его коэфФициент деления, равный двум. В мо"мент очередного обнуления счетчика19 при С=С (эпюра 83, фиг,Зц) срабатывает Т-триггер 20 (эпюра 84,Фиг,Зь), Положительный перепад напряжения, возникающий на выходе Я35этого триггера, через мультиплексор22 (эпюра 86, фиг,За) опрокидываетКЯ-триггер 23 (эпюра 91, Фиг,34),поэтому выходной потенциал элементаИЛИ 25 вновь обращается в нуль (эпюра 90, фиг.З и коэффициент деления делителя б становится равным единице,При С=С сигналом с выхода С 1 КЯо45триггера. 23 открывается элемент И 26и импульсная последовательность с выхода Т-триггера 32, имеющая частотуГ;/2, начинает проходить к счетномувходу счетчика 28. Его содержимое при50Со 11)С) 1)1 р(С) сэ(С С )/2 причем И )(С,")=0 (эпюра 81, фиг.Зе).НОтсюда находят С о -С =. В моментНочищения (С=С о) он формирует импульспо эпюре 94 фиг,За, который опроки 55дывает КЯ-триггер 29 (эпюра 92,фиг.Зс, в результате чего на выходеэлемента ИЛИ 25 вновь устанавливается уровень логической единицы (эцюра 90, фиг,З) и коэффициент деления делителя 6 становится равным двум.Четвертый выходной импульс детектора 4, появляющийся при С=С, (эпюрао 0(С), Фиг.З), проходит через открытый КЯ-триггером 23 элемент И 3 и транслируется на выход устройства в виде сигнала готовности информации (эпюра 93, Фиг.З). Далее этот импульс через элемент ИЛИ 14 и элемент 15 задержки производит установку в нуль отдельных узлов схемы и через элемент ИЛИ 16 возвращает счетчик 7 в исходное состояние. Цикл работы преобразователя завершается.Находят результат измерений - содержимое И(С .) счетчика 7 при Учитывают соотношения С-С =2/ы,Сl-С = =(-)/2= ( С 4-С= Л и тот факт, что результат интегрирования величиныдГ(С) 0(С) по (1) за период переменного напряжения не зависит от сдвигаинтервала интегрирования во времени(фиг.2), получают И (С )=К, где К -искомый результат по (1),Возможен и иной временной сдвигвыходной импульсной последовательности детектора 4 и импульса установки(эпюры 0 (С) и 75, фиг,36), В этомслучае по первому импульсу детектора4 при С=С срабатьвают Т"триггер 9(зпюра 77, Фиг,4 5), деблокируютсяэлементы И 5 и 34. Элемент И 18 открьвается через элемент ИЛИ 17, эпюравыходного сигнала которого на фиг.Зизображена под номером 78Счетчики 7, 19, 28 и 35 импульсовпри С=С начинают накапливать коды5И(С) (эпюры соответственно 79, 80, 81и 82, фиг.Зо)Содержимое И(С) счетчика 35 следующее: М(С)=Г (С-С )/2,При С=С в этом счетчике фиксируетсякод М(С)=Г, ,/2, По второму импульсу детектора 4 при С=Свновь срабатывает Т-триггер 9, положительный пе 1436275репад напряжения, появляющийся на еговыходе Ц, через демультиплексор 21(эпюра 95, фиг,ЗЕ) проходит на входуправления коммутатора 30. Под воздействием этого импульса он переносит код Ив счетчик 28, так что,1=1 зк фПоложительный перепад напряжениявыхода Я Т-триггера 9 проходит также 10через мультиплексор 10 к Я-входу КБтриггера 11 и перебрасывает его (эпюра 88, фиг,ЗБ), Через открытый элемент И 24 (эпюра 89, фиг.ЗБ) и элемент ИЛИ 25 (эпюра 90, фиг,ЗБ) выходной сигнал КЯ-триггера 11 проходитк входу управления делителем 6 и устанавливает коэффициент деления этогоузла, равным двум,Содержимое 11,счетчика 19 при 20=(2 - ь)/2=ь,. В момент обнуления 25счетчика 19 при =Т, на его выходевозникает импульс (эпюра 83, Фиг.36),под воздействием которого опрокидывается Т-триггер 20 (эпюра 84, Фиг.36).Положительный перепад сигнала с выходаэтого триггера через мульти" .,плексор 22 (эпюра 86, Фиг,ЗБ) проходитк Я-входу КБ-триггера 23 и,изменяетего состояние (эпюра 91, фиг,ЗБ),При С= о нулевой потенциал выхода 35Я КЯ-триггера 23 закрывает элементИ 24 (эпюра 89, фиг.36) и на выходеи)элемента ИЛИ 25 при С, появляется уровень логического нуля (эпюра90,фиг,35), в результате чего делитель 6 переводится в режим с единичным коэффициентом деления, Сигнал выхода (1 КБ-триггера 23 деблокируетэлемент И"2 б и на вход счетчика 28(1при 1 ) Т, проходит импульсная последовательность с выхода Т-триггера32. Содержимое И (1:) этого счетчикаследующее: Б (с)=И з (с)-Г (е-е) /2В момент =с(4 счетчик 28 вновь,очищается (эпюра 81, фиг,Зо). Длитель ность(, -С (, этого такта равна(4) (и лО о Импульс обнуления, возникающий прина выходе счетчика 28 (эпюрао94, Фиг.ЗБ), опрокидывает КБ-триггер29 (эпюра 92, Фиг,З с), в результатеэтого положительный уровень с выходаЯ КБ-триггера 29 через элемент ИЛИ 25 переводит делитель б в режим с коэффициентом деления 2.По третьему выходному импульсу детектора 4 (эпюра 0(с), фиг.З) присрабатывает элемент И 13, выдается сигнал готовности информации к считыванию (эпюра 93, Фиг.ЗБ), производится сброс узлов системы в нуль и установка счетчика 7 в исходное состояние.Алгоритм интегрирования выходного сигнала счетчика с помощью счетчика 7 и предвключенного делителя б в данном случае аналогичен алгоритму, описанному при анализе работы устройства с привлечением эпюр фиг.Зи, В обоих случаях производится интегрирование величины дГ(1) в течение периода переменного напряжения, причем в начальной и конечной частях большего из двух соприкасающихся временных интервалов, ограниченных тремяпоследовательными выходными импульсами детектора 4, частота входногосигнала счетчика.7 уменьшается вдвое,Длительности Й этих частей равнад= Г - , 1 /2.Устройство (фиг,1) осуществляетпреобразование средневыпрямленногозначения переменного напряжения вцифровой код. Время преобразованияне превосходит полутора периодов обрабатываемого напряжения,1Формула изобретения 1. Способ преобразования переменного напряжения в код, заключающийся в Формировании частотно-импульсного сигнала с постоянной частотой, преобразовании переменного напряжения в сигнал частотно-импульсной модуляции, формировании разностного сигнала с частотой, равной абсолютному значению разности частот сигнала частотно-импульсной модуляции и частотно-импульсного сигнала с постоянной частотой, с последующим его интегрированием и/ формированием кода, пропорционального амплитуде переменного напряжения, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения способа, перед интегрированием в течение Фиксированных временных интервалов частоту разностного сигнала уменьшают вдвое, при этом Фиксированные временные интервалы выбирают равными абсолютному значению полуразности длительностейдвух соседних временных интервалов, ограниченных тремя последовательными моментами времени, соответствую" щими равенству нулю частоты разностного сигнала, начало и конец фикси 5 рованных временных интервалов выби-рают симметрично относительно моментов равенства нулю переменного напряжения и интервал интегрирования выби О рают кратным периоду переменного напряжения.2. Устройство для преобразования переменного напряжения в код, содержащее последовательно соединенные ав б тогенератор, смеситель и детектор нулевых биений, счетчик, блок управления, измерительно-частотный преобразователь, выход которого подключен к второму входу смесителя, а вход является входной шиной, о т л и ч а ю щ е е с я тем, чта, с целью упрощения, в него введены элемент И и управляемый делитель частоты, управляющий вход которого соединен с 2 Б первым выходом блока управления,вход соединен с выходом элемента И, а выход подключен к счетному входу счетчика, выходы которого явля 1 отся выходной шиной, а установочный вход сае- ЗО динен с вторым выходом блока управления, вход которого соединен с выходом детектора нулевых биений, вход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с третьим выходом блока управления.3. Устройство па п.2, о т л и ч аю щ е е с я тем, чта блок управления выполнен на реверсивном счетчике, 4 О двух счетчиках импульсов, трех Т- триггерах, четырех Р-триггерах, элементе задержки, двух мультиплексорах, демультиплексоре, коммутаторе, пяти элементах И, инверторе, пяти элементах ИЛИ и генераторе опорной частоты, выход которого соединен с первым входом первого элемента И и с Т-входам первого Т-триггера, инверсный выход которого соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, выходы которых соединены с входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика импульсов, входы предустановки которого через коммутатор соединены с соответствующими выходами второго счетчика импульсов, счетный вход которого соединен с выходом третьего элемента И, а вход установки объединен с входами установки первого и реверсивного счетчиков импульсов, с первым управляющим входом коммутатора, с первым входом второго элемента ИЛИ, с К-входами второго и третьего Т-триггеров и с Й-входами КБ-триггеров, с первого па четвертья 1, и подключен к выходу элемента задержки, Б-вхад первого ЕБ-триггера соединен с выходом переполнения первого счетчика импульсов, а выхад - с первым входом третьего элемента ИЛИ, выход которого является первым выходом блока управления и через инвертар соединеп с вторым входам третьего элемента И, третий вход которога соедьше 11 с пря 1 па 11 ыхадом второго Т-григгера и объед 11 не;1 с первь 1 м входа"1 первого мультиплексора и первым 11 хапгй 1 1 Р пЗертага э:1 РМР 11 та ИЛИ выход 11 оторага соединен с вторым вха- дО 1 пер 1301 О элеь 1 ента Ир выхад 1(отара га соединен са счеп 1 ь 111 входом реверсивного счетчика импульсов, ,входы предустановки которого являются щипай Опарнага када, вход у 11 равления инверсией объединен с вторым входам второго элемента ИЛИ и соединеп с пер. вым выходом демультиилексара, а выход переполнения соединен с Т-входом третьего Т-триггера, прямой выход катарага соединен с входам управления первого мультиплексора и с первым входом втарага мультиплексора, а инверсный выход - с втарым входом второго мультиплексора и управляющим входом демультиплексара, второй выход которого соединен с ьта 1 рьм управляющим входом коммутатора, а вход - с инверсным выходам Второго Т-триггера и Объединен с вторым входом первогомультиплексора и управляющим входом второго мультиплексора, выход которого соединен с Б-входам второго КБ-триггера, прямой выход которого соединен с вторым входом второго элемента И и первым входом четвертого элемента И, а инверсный выход - с первым вхацом пятого элемента И, выход 1;атарага соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ, а второй вход объединен с вторым входам четвертага элемента ИЛИ и подключен к прямому выходу третьего КБ-триггера, Б-вход которого соединен с выходом первого мультиплексора, первый вход пятого элемента ИЛИ является входом началь11 1436275 12 ной установки устройства, выход сое- элемента ИЛИ является вторым выходом динен с входом элемента задержки, а блока управления, Т-вход второго Т- второй вход - с выходом четвертого триггера является входом блока управ" элемента И, второй вход которого объ- ления выход четвертого элемента И "5Уединен с Т"входом второго Т-триггера выходом готовности устройства, втои Я"входом четвертого КЯ-триггера, рые входы коммутатора - второй шиной выход которого является третьим выхо- опорного кода. дом блока управления, выход второго1436275 ставитель В.Смирновхред М.Лидь.к рректор О,Кравцо едактор Н,Рогул Подл аказ 5659/56 ираж 92 сное. о комит й иотк тип каяд ул, Проектная,ственно-полиграфическое предприятие, г, Ужго и ВНИИПИ Государственн по делам иэобрете3035, Москва, Ж, Р 81 9 Р Я