CZ6507U1 - Zařízení pro převod frekvence elektrického signálu na napětí - Google Patents

Description

Oblast techniky

Řešení se týká oblasti elektrotechniky, konkrétně zařízení, které umožňuje převádění frekvence elektrického signálu na napětí. Je navržena kombinace prvků pro obvod tohoto zařízení, a také je vyřešeno jejich uspořádání a zapojení.

Dosavadní stav techniky

V současné době se pro převod frekvence elektrického signálu na napětí používají různé systémy.

Známý je systém, kde vstupní elektrický periodický signál je přímo připojen na dvojici spínačů. První spínač je zapojen na zdroj konstantního proudu, který je připojen ke zdroji napájecího napětí. Druhý spínač je zapojen na jiný zdroj konstantního proudu, který vytváří zátěž konstantním proudem. Spínače střídavě, v každé půlperiodě, spínají vstupní signál, část svého obvodu a kondenzátor, za kterým je zapojen integrační článek. Převod frekvence elektrického signálu na napětí se uskutečňuje tak, že zdroj nabíjí v jedné půlperiodě periodického signálu kondenzátor a v druhé půlperiodě se tento kondenzátor vybíjí do zátěže konstantním proudem. Průměr z napětí na kondenzátoru se odvádí na výstupu z integračního článku. Je přímo úměrný frekvenci vstupního signálu, kapacitě kondenzátoru a napájecímu napětí. Tento systém má nevýhody v důsledku velké závislosti výstupního signálu na změnách napájecího napětí a na změnách kapacity kondenzátoru působením teplotních a časových vlivů, v nutnosti zachování přesné střídy signálu a v nízké selektivitě.

Jiný systém má vstupní elektrický periodický signál zapojen na fázový detektor, za kterým je připojen integrační článek, za nímž následuje napětím řízený oscilátor. Oscilátor je výstupem zapojen zpět na fázový detektor. Převod frekvence elektrického signálu na napětí se uskutečňuje tak, že fáze vstupního signálu se porovnává s fází oscilátoru s pomocí detektoru. Výsledný chybový signál prochází integračním článkem a dolaďuje oscilátor až do té doby, než je fáze a frekvence oscilátoru shodná se vstupním signálem. Řídící napětí na oscilátoru je pak přímo úměrné frekvenci vstupního signálu. Nevýhoda tohoto řešení spočívá v nutnosti použít napětím řízený oscilátor se stabilními vlastnostmi a velkou přeladitelností a v nutnosti použití fázového detektoru, což obojí má za následek relativně vysokou nákladovost.

Další systém má vstupní periodický signál připojen na derivační článek, sestávající zejména z kondenzátoru a odporu. Za ním je zapojen generátor impulzu s konstantní dobou trvání. Ten je zapojen na spínač, který v jedné poloze spíná zemnění kondenzátoru a ve druhé připojuje ke kondenzátoru zdroj konstantního proudu, který je napájen ze zdroje napájecího napětí. Přes integrační článek je pak zapojen výstup ze zařízení. Převod frekvence elektrického signálu na napětí se uskutečňuje tak, že vstupní signál je nejprve pomocí derivačního článku vytvarován a tento signál pak spouští generátor impulzu. Impulz spíná spínač, který vybíjí

-1CZ 6507 Ul kondenzátor, který je mimo dobu zkratu nabíjen zdrojem konstantního proudu. Průměr z napětí na kondenzátoru, získaný integračním článkem, je přímo úměrný frekvenci vstupního signálu a kapacitě kondenzátoru. Nevýhodami tohoto řešení jsou nízká selektivita, nutnost použití přesných, teplotně stabilních součástek a nutnost řešit zdroj konstantního proudu tak, aby byl nezávislý na napájecím napětí.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody odstraňuje navržené řešení. Je navrženo zařízení pro převod frekvence elektrického signálu na napětí, kde je vstupní elektrický periodický signál zapojen na generátor impulzu s konstantní dobou trvání, za nímž je zapojen spínač, který má připojen primární zdroj proudu, připojený na napěťový zdroj, tj. zdroj napájecího napětí. Podstata řešení spočívá v tom, že při daném zapojení je za spínačem jedním pólem zapojena hlavní zátěž a kondenzátor. Jako hlavní zátěž se rozumí obvod, který za jednotku času zajistí odvedení konstantního množství elektrického náboje. Kondenzátor je připojen jedním pólem za spínačem, druhým pólem může být uzemněn, nebo připojen na jiný potenciál. Generátor impulzu s konstantní dobou trvání může být proveden jako integrovaný obvod, nebo sestaven z navzájem propojených prvků. Sestavením a zapojením obvodu podle navrženého řešení se získá zařízení pro převod frekvence vstupního elektrického signálu na výstupní napětí, kde převod je vysoce selektivní a přitom je potlačen vliv změn napájecího napětí. Současně jsou potlačeny teplotní vlivy. Při uvedeném zapojení spínače a kondenzátoru je při nulové frekvenci vstupního signálu výstupní napětí nulové. Se zvyšující se frekvencí výstupní napětí roste. Kondenzátor nemusí být zvlášt jakostní, což snižuje nákladovost. Zařízení je materiálově nenáročné.

Hlavní zátěž je výhodně zapojena tak, že je řízena napájecím napětím, tj. je zapojena na napěťový zdroj napájecího napětí, přičemž rovněž primární zdroj proudu je zapojen tak, že je řízen napájecím napětím.

Pokud je mezi kondenzátorem a výstupem ze zařízení do výše uvedeného obvodu zapojena navíc dolní kmitočtová propust, potlačí se zvlnění napětí na kondenzátoru, způsobené nabíjením a vybíjením kondenzátoru. Zařízení je funkční i bez dolní kmitočtové propusti, případné bez zapojení s řízením výše uvedených prvků napájecím napětím, avšak zařízení se zapojením podle tohoto a předchozího odstavce má dosažený výsledek podstatně lepší.

Zapojení podle předchozího odstavce má dvě alternativy. V obvodu zařízení může být připojena buď vedlejší zátěž, zapojená tak, že je řízena výstupním napětím tj. je zapojena na výstup ze zařízení, nebo má obvod zařízení připojen sekundární zdroj proudu, který je připojen na napěťový zdroj, tj. zdroj napájecího napětí. Ten je zapojen tak, že je řízen výstupním napětím, tj. je zapojen na výstup ze zařízení. Tím je dosaženo ovlivnění strmosti převodu frekvence elektrického signálu na napětí. Obě uvedené alternativy mají po dvou možnostech konkrétního zapojení, které je třeba zvolit podle požadovaného způsobu regulace strmosti převodu.

-2CZ 6507 Ul

Vedlejší zátěží se rozumí další obvod, který za jednotku času zajistí odvedení konstantního množství elektrického náboje. Vedlejší zátěž může být, při zapojení kdy je řízena výstupním napětím, alternativně buď zapojena ke kondenzátoru nebo může být zapojena před spínačem k primárnímu zdroji proudu.

Sekundární zdroj proudu může být, při zapojení kdy je řízen výstupním napětím, zapojen tak, že je zapojen mezi kondenzátorem a napěťovým zdrojem, nebo je připojen jedním pólem na napěťový zdroj a druhým pólem mezi spínač a primární zdroj proudu.

Navržené zařízení je využitelné všude v oblasti elektrotechniky pro převod frekvence elektrického signálu na napětí. Umožňuje selektivní převod vstupního signálu na výstupní napětí, při potlačení vlivu změn napájecího napětí nebo teploty. Zařízení je relativně materiálově nenáročné. Je snadno přeladitelné, použitelné v širokém kmitočtovém rozsahu a umožňuje měnit strmost převodu frekvence na napětí.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je blíže objasněno s pomocí výkresů, kde znázorňují obr. 1 až obr. 4 příkladné elektrické obvody navrženého zařízení.

Příklady provedení technického řešení

Příklad 1

Příkladným provedením technického řešení je zařízení pro převod frekvence signálu na napětí, jehož obvod je znázorněn na obr. 1.

Vstupní elektrický signál je zapojen na generátor 1 impulzu s konstantní dobou trvání. Za generátorem 1 je zapojen spínač 2, který má připojen primární zdroj 2 proudu, zapojený na napěťový zdroj 4, takže je napájecím napětím řízený. Za spínačem 2 je připojen kondenzátor 5 a hlavní zátěž 6, která je zapojena na napěťový zdroj 4., takže je řízená napájecím napětím. V tomto konkrétním případě byla použita hlavní zátěž 6. konstantním proudem. Mezi spínačem 2 a hlavní zátěží 6 je ke kondenzátoru 5 zapojena vedlejší zátěž 7, zapojená na výstup ze zařízení, takže je řízená výstupním napětím z dolní kmitočtové propusti 8. V tomto konkrétním případě byla použita vedlejší zátěž 7 konstantním proudem. Dolní kmitočtová propust 2 j^e přitom zapojena mezi kondenzátorem 5 a hlavní zátěží 6.

Zařízení funguje následovně. Vstupní periodický signál spouští v generátoru 2 v každé periodě impulz s konstantní dobou trvání. Tento impulz sepne po dobu svého trvání spínač 2 a kondenzátor 5 se přitom nabije elektrickým nábojem. Z kondenzátoru 5 odtéká stále elektrický náboj. Pokud je elektrický náboj, který přitekl do kondenzátoru 5 za dobu trvání impulzu, větší než elektrický náboj, který odtekl za dobu periody vstupního signálu do hlavní zátěže 6, začne se na kondenzátoru 5 zvyšovat elektrický náboj a tím se současně zvýší napětí na kondenzátoru 5. Dolní

-3CZ 6507 Ul kmitočtová propust 8 potlačuje zvlnění napětí, způsobené nabíjením a vybíjením kondenzátoru 5. Napětí na výstupu dolní kmitočtové propusti 8 řídí vedlejší zátěž 7 tak, že se zvyšujícím se napětím proud, protékající vedlejší zátěží 7, roste. To má za následek vznik záporné zpětné vazby, která způsobí snížení strmosti převodu frekvence vstupního signálu na napětí. Při zvýšení napájecího napětí z napěťového zdroje 4 se zvýší velikost proudu, dodávaného primárním zdrojem 2 proudu a současně se zvýší i velikost proudu protékajícího hlavní zátěží 6. Oba účinky se takto ruší a vliv zvýšení napájecího napětí z napěťového zdroje 4 na funkci obvodu je tak potlačen. Teplotní vliv, který zvýší velikost proudu dodávaného primárním zdrojem 2 proudu, zároveň zvýší i velikost proudu protékajícího hlavní zátěží 6.· Oha účinky se takto ruší a teplotní vliv na funkci obvodu je potlačen. Snížení napájecího napětí z napěťového zdroje 4 sníží velikost proudu, dodávaného primárním zdrojem 2 proudu, zároveň se sníží i proud protékající hlavní zátěží 6. Oba účinky se takto ruší a vliv snížení napájecího napětí z napěťového zdroje 4 na funkci obvodu je potlačen. Teplotní vliv, který sníží velikost proudu dodávaného primárním zdrojem 2 proudu, zároveň sníží i velikost proudu protékajícího hlavní zátěží 6. Oba účinky se takto ruší a teplotní vliv na funkci obvodu je potlačen.

Při shodném zapojení může napětí na výstupu dolní kmitočtové propusti 2 působit naopak na vedlejší zátěž 7 tak, že se zvyšujícím se napětím proud, protékající vedlejší zátěží 7, klesá. To má za následek vznik kladné zpětné vazby, která zavede hysterezi a zvýší strmost přechodové charakteristiky převodu frekvence vstupního signálu na napětí.

Zařízení by bylo funkční i bez řízení napájecím zdrojem 4 primárního zdroje 2 proudu a hlavní zátěže 6, nedosáhlo by se však potlačení vlivu změn napájecího napětí. Zařízení by bylo též funkční i bez dolní kmitočtové propusti 2 ^a vedlejší zátěže 2, nebylo by však zajišťováno potlačení zvlnění napětí na kondenzátoru 5 a požadovaná strmost převodu frekvence napětí.

Příklad 2

Jiným příkladným provedením technického řešení je zařízení, jehož obvod je znázorněn na obr. 2.

Zařízení je podobné jako předchozí, ale liší se v tom, že vedlejší zátěž 7 je připojena mezi spínačem 2 a primárním zdrojem 2 proudu a na výstup z dolní kmitočtové propusti 2, takže je řízena výstupním napětím.

Zařízení funguje obdobně jako zařízení podle příkladu 1.

Příklad 3

Dalším příkladným provedením technického řešení je zařízení, jehož obvod je znázorněn na obr. 3.

Zařízení je podobné jako v příkladu 2, ale liší se v tom, že v obvodu není zapojena vedlejší zátěž 7, nýbrž je zapojen

-4CZ 6507 Ul sekundární zdroj 9 proudu. Ten je zapojen mezi napěťovým zdrojem 4 a kondenzátorem 5 a současně je zapojen na výstup z dolní kmitočtové propusti 8., takže je řízen výstupním napětím na dolní kmitočtové propusti 8.

Zařízení funguje následovně. Vstupní periodický signál spouští v generátoru 1 v každé periodě impulz s konstantní dobou trvání. Tento impulz sepne po dobu svého trvání . spínač 2. a kondenzátor 5 se přitom nabije elektrickým nábojem. Z kondenzátoru 2 odtéká stále elektrický náboj. Pokud je elektrický náboj, který přitekl do kondenzátoru 5 za dobu trvání impulzu, větší než elektrický náboj, který z něj odtekl za dobu periody vstupního signálu z primárního zdroje 2 proudu, začne se na kondenzátoru 5 zvyšovat elektrický náboj a tím se současně zvýší napětí na kondenzátoru 5. Dolní kmitočtová propust 8 potlačuje zvlnění napětí, způsobené nabíjením a vybíjením kondenzátoru 2· Napětí na výstupu dolní kmitočtové propusti 8 řídí také sekundární zdroj 9 proudu tak, že se zvyšujícím se napětím proud, vystupující ze sekundárního zdroje 9_ proudu, roste. To má za následek vznik kladné zpětné vazby, která zavádí hysterezi a dojde ke zvýšení strmosti přechodové charakteristiky převodu frekvence vstupního signálu na napětí. Vliv zvýšení nebo snížení napájecího napětí a také teplotní vlivy jsou potlačeny stejným způsobem, jako u předchozího příkladu.

Při shodném zapojení může napětí na výstupu dolní kmitočtové propusti 8 působit naopak na sekundární zdroj 9 proudu tak, že se zvyšujícím se napětím proud, vystupující ze sekundárního zdroje 9 proudu, klesá. To má za následek vznik záporné zpětné vazby, která způsobí snížení strmosti převodu frekvence vstupního signálu na napětí.

Zařízení by bylo funkční i bez řízení napájecím zdrojem 4 primárního zdroje 2 proudu a hlavní zátěže 6, nedosáhlo by se však potlačení vlivu změn napájecího napětí. Zařízení by bylo též funkční i bez dolní kmitočtové propusti 8 a sekundárního zdroje 9 proudu, nebylo by však zajištováno potlačení zvlnění napětí na kondenzátoru 2 ^a požadovaná strmost převodu frekvence napětí.

Příklad 4

Dalším příkladným provedením technického řešení je zařízení, jehož obvod je znázorněn na obr. 4.

Zařízení je podobné jako zařízení podle příkladu 3 s tím rozdílem, že sekundární zdroj 9_ proudu je zapojen jedním pólem k napájecímu zdroji 4 a druhým mezi primárním zdrojem 2 proudu a spínačem 2 a současně je zapojen na výstup ze zařízení, takže je řízen výstupním napětím na dolní kmitočtové propusti 2·

Funkce zařízení je stejná, jako funkce zařízení v předchozím příkladu.

Claims (9)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro převod frekvence elektrického signálu na napětí, které obsahuje obvod, kde je vstupní elektrický signál zapojen na generátor impulzu s konstantní dobou trvání, za nímž je zapojen spínač, který má zapojen primární zdroj proudu, zapojený na napěťový zdroj napájecího napětí, vyznačuj í c í s e tím, že za spínačem /2/ jsou zapojeny jedním pólem hlavní zátěž /6/ a kondenzátor /5/.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že hlavní zátěž /6/ je současně zapojena na napěťový zdroj /4/ napájecího napětí.
3. 3. Zařízení podle nároků la 2, vyznačující se tím, že jeho elektrický obvod je opatřen dolní kmitočtovou propustí /8/, zapojenou mezi kondenzátorem /5/ a výstupem ze zařízení.
4. 4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že jeho obvod je opatřen vedlejší zátěží /7/, která je zapojena na výstup ze zařízení.
5. 5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že vedlejší zátěž /7/ je zapojena na kondenzátor /5/.
6. 6. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že vedlejší zátěž /7/ je zapojena na spínač /2/ a primární zdroj /3/ proudu.
7. 7. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že jeho obvod je opatřen sekundárním zdrojem /9/ proudu, který je zapojen na výstup ze zařízení.
8. 8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že sekundární zdroj /9/ proudu je jedním pólem zapojen na kondenzátor /5/.
9. 9. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že sekundární zdroj /9/ konstantního proudu je jedním pólem zapojen na spínač /2/ a primární zdroj /3/ proudu.

   2 výkresy