HU203008B - Method for transforming electrical signal into proportional frequency signal and circuit arrangement for carrying out thereof - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás és kapcsolási elrendezés elektromos jel átalakítására az elektromos jellel arányos frekvenciájú jellé.

Ilyen átalakításra elsősorban mérési feladatoknál lehet szükség, például töltésszám- 5 látókban, a villamos teljesítménnyel, azaz az áram és a feszültség szorzatával arányos jellel arányos frekvenciájú impulzussorozat előállításához.

Ilyen célra alkalmas berendezés és mű- 10 kűdési módja ismerhető meg a 41 24 821 számú US szabadalmi leírásból. Az ott közölt megoldás szerint nullfeszűltség (.offset'-feszültség) kiküszöbölésére a periodikus polaritásváltoztatás elvét alkalmazzák. A nullfe- 15 szültség rendszerint bemeneti jel kompenzálhatatlan idő- vagy hőmérsékletfüggő részeként közvetlenül a mérés pontosságát hátrányosan befolyásoló linearitáshibaként jelentkezik. A periodikus polaritásváltoztatás elve 20 szerint mind az átalakítandó jel, mind pedig a jelátalakításra szolgáló kapcsolás átviteli irányának polaritása periodikusan és egyidejűleg változik, igy az átalakítandó jel két elöjelváltozása kölcsönösen kiegyenlíti egy- 25 mást. A nullfeszűltség azonban az átkapcsolás! jel félperiódusaiként váltakozva a jelhez hozzáadódik vagy abból kivonódik, így a nullfeszültséget az átkapcsolási jel periódusának egész számú többszörösén keresztül 30 integrálva nulla adódik, feltéve, hogy az átkapcsolási jel két félperiódusának tartama megegyezik. Mivel a polaritásváltás pillanatában az integráló kondenzátorban tárolt maradéktöltés értéke rendszerint nullától külön- 35 bözó, a maradéktöltés a polaritásváltás után ellentétes, polaritással hat és a mérési eredmény meghamisításához vezet. Hosszabb mérési időt tekintve ez az eltérés nem befolyásolja feltétlenül negatív módon az impulzus- 40 frekvencia közepes értékét, mindenképpen azonban pillanatnyi ingadozásokat, azaz az impulzusfrekvencia modulációját eredményezi. Ennek kiküszöbölése céljából az ismert megoldás szerint a polaritásváltás pillanatában 45 komparátor kimenőjelével szinkronizálnak, amely a kondenzátorfeszültséget felügyeli, így a polaritásváltás mindig a kondenzátorfeszültség nullátmeneténél következik be, vagyis abban a pillanatban, amikor a kon- 50 denzátor maradéktöltése éppen nulla.

Ez a megoldás azt eredményezi, hogy az átkapcsolási jel két félperiódusa nem minden esetben egyezik meg, ami a berendezés kimenöfrekvenciájának rendszertelen modulációját 55 eredményezi, ami viszont a berendezés hitelesítését jelentősen megnehezíti és rendkívül időigényessé teszi.

A találmánnyal célunk a fenti ismert eljárás hiányosságainak kiküszöbölése, azaz az 60 átkapcsolási jel nem egyenlő hosszúságú félperiódusai következtében fellépő kimenófrekvencia-moduláció és a polaritásváltás pillanatában meglévő kondenzátor-maradéktöltés által okozott kimenőfrekvencia-moduláció mér- 65 sékelése, illetőleg kiküszöbölése, és ezáltal a berendezés - a kapcsolási elrendezés - hitelesítésének illetve kalibrálásának pontosítása és gyorsítása.

A kitűzött feladat megoldására olyan eljárást dolgoztunk ki, amelynek során az átalakítandó elektromos jel polaritását periodikusan változtatjuk, a periodikusan változtatott polaritású elektromos jelet kondenzátorral integráljuk, az igy kapott integrált jelet konstans referenciaáram be- illetve kikapcsolásának vezérlése céljából előre meghatározott küszöbértékkel folyamatosan összehasonlítjuk, ily módon négyszögletes kimenóimpulzusokat állítunk eló, miközben a konstans referenciaáram az integrátor kondenzátorát az integrált jel küszöbértékéhez viszonyított értékétől függően konstans töltésmennyiséggel kisüti, illetve tölti, ahol a találmány szerint az integrálást megelőzően a periodikusan változtatott polaritású elektromos jellel arányos jelet konstans referenciajellel összegzünk, amely konstans referenciajel értéke a referenciaáram felének felel meg, majd a kapott összegjellel arányos áramot képezünk, amelynek polaritását az átalakítandó elektromos jel periodikus polaritásváltoztatásával szinkronban változtatjuk, majd az így előállított perodikusan változó polaritású jelet integráljuk, és a kapott négyszögletes impulzusok frekvenciájából kivonjuk a konstans referenciajel értékének megfelelő konstans referenciafrekvenciát.

Az eljárás foganatosítására alkalmas találmány szerinti kapcsolási elrendezésnek első polaritásváltó kapcsolóegysége, annak kimenetére csatlakozó, feszültség/áram átalakítóval és kondenzátorral megvalósított integrátora, az integrátor kimenetére csatlakozó komparátora, annak kimenetére csatlakozó flip-flopja, a flip-floppal vezérelt átkapcsolója, az átkapcsolóra csatlakozó konstans áramgenerátora, az első polaritásváltó kapcsolóegység vezérlöbemenetére csatlakozó periodikus vezérlőjel előállító egysége, valamint referenciajel-forrása van, ahol a találmány szerint a referenciajel-forrás az integrátor bemeneti oldalára csatlakozik, az integrátor feszültség/áram-átalakitója és kondenzátora közé egy második polaritásváltó kapcsolóegység van beépítve, amellyel ugyancsak a periodikus vezérlőjel előállító egység van vezérlő jelkapcsolatban, és a kapcsolási elrendezés .kimeneti egysége a konstans referenciafrekvencia kivonására szolgáló frekvenciakülönbség-képző áramkör, amely előre/hátra-számlálóval van megvalósítva, és egyik bemenetére a flip-flop kimenete, a másik bemenetére a referenciafrekvencia van kötve.

A találmányt részletesebben a rajz alapján ismertetjük. A rajzon az

1. ábra a találmány szerinti kapcsolási elrendezés első példakénti kiviteli alakját, a

2. ábrán a találmány szerinti kapcsolási elrendezés második példakénti kiviteli alakját, a

3. ábrán a találmány szerinti kapcsolási elrendezés harmadik példakénti kiviteli alakját tüntettük fel; a

4. ábrán az 1. ábra szerinti kapcsolási elrendezéshez tartozó idődiagramokat ábrázoltuk, az

5. ábrán a találmány szerinti kapcsolási elrendezés kimeneti frekvenciaosztójának blokkvázlatát tüntettük fel, a

6. ábrán a találmány szerinti kapcsolási elrendezés töltésszámlálójának blokkvázlatát ábrázoltuk, a

7. ábrán a találmány szerinti kapcsolási elrendezés bemeneti részének kapcsolási rajzát tüntettük fel, a

8. ábrán a találmány szerinti kapcsolási elrendezés negyedik példakénti kiviteli alakjának vázlatát tüntettük fel.

A találmány szerinti kapcsolási elrendezés elemei például CMOS-technológiával valósíthatók meg, és pozitív Vdd egyen-tápfeszültséggel és negatív- (Vss) egyen-tápfeszültséggel táplálhatok. Mindkét egyen-tápfeszültség viszonyítási potenciálja a földpotenciál. A Vdd és - (Vss) egyen-tápfeszültségek például un hálózati váltófeszültségből hálózati egyenirányítóval, önmagában ismert módon állíthatók elő. A rajzon a hálózati egyenirányítót nem tüntettük fel.

A rajzon a kapcsolási elrendezés egy áramköri egységet vagy részegységet képező elemei szaggatott vonallal vannak elkülönítve. A pozitív élvezérelt órajelbemeneteket a rajzon szimbolikusan fehér háromszögekkel, a negatív élvezérelt órajelbemeneteket pedig fekete háromszögekkel jelöltük.

Az átalakítandó uh elektromos jel például feszültség vagy más mérőjel, vagy mérőjelekből leszármaztatott jel, például villamos teljesítmény, azaz áram- és feszültségjelek szorzata, stb.

Az 1-3. ábrákon feltüntetett kiviteli változatok lényegében hasonló felépítésűek, és gyakorlatilag csak bemeneti részükben különböznek. Amint az ábrákból kitűnik, a találmány szerinti kapcsolási elrendezésnek 1 polaritásváltó kapcsolóegysége van, amely 2 elektromos egységre csatlakozik. A 2 elektromos egység mindhárom (1-3. ábrák szerinti) kiviteli alak esetében 3 feszültség/áram-étalakitóból és annak kimenetére csatlakozó 4 elektromos részegységből épül fel, ahol a 3 feszültség/áram-átalakitó bemenete a 2 elektromos egység jelbemenetét képezi. A 4 elektromos részegység mindhárom kiviteli alak esetében (lásd az 1. ábrát) 5 polaritásváltó kapcsolóegységből, C kondenzátorból, 6 komparátorból, 7 flip-flopból, 8 kimeneti frek4 venciaosztóból, 9 átkapcsolóból, konstans áramot előállító 10 áramgenerátorból, 11 órajelgenerátorból, 12 óra jelfrekvencia-osztóból, és opcionálisan 13 Schmitt-triggerből és 14 frekvenciaosztóból épül fel. A 7 flip-flop előnyösen D flip-flop.

Az 1. ábra szerinti kiviteli alak esetében a 2 elektromos egység továbbá konstans áramgenerátorként kialakított 15 referencia10 jel-forrást tartalmaz, amelynek egyik pólusa a 3 feszültség/áram-átalakitó nem földpotenciálra kötött kimenetére, másik pólusa pedig a pozitív Vdd egyen-tápfeszültségre van kötve.

A 2. ábra szerinti kapcsolási elrendezés esetében a 2 elektromos egység továbbá konstans áramgenerátorként kialakított 16 referenciajel-forrást tartalmaz, amelynek egyik pólusa 17 összeadótag első bemenetére, második pólusa pedig a földpontra csatlakozik. A 17 összeadótag másik bemenetére a 2 elektromos egység nem földpontra kötött bemenete csatlakozik, a 17 összeadótag kimenete pedig a 3 feszültség/áram-átalakitó nem földpoteciálra kötött bemenetére csatlakozik.

A 3. ábra szerinti kapcsolási elrendezés esetében az 1 polaritásváltó kapcsolóegység és a 2 elektromos egység közé 18 felületáteresztő erősítő van beiktatva, amely előnyö30 sen 19 erősítőből és azzal sorba kapcsolt 20 felüláteresztő szűrőből épül fel.

Az 1 és 5 polaritásváltó kapcsolóegységek, valamint a 3 feszültség/áram-átalakitó bemenetel és kimenetei mindhárom kiviteli alak esetében (1-3. ábrák) kétpólusosak, ahol a 3 feszültség/áram-átalakitó és az 5 polaritásváltó kapcsolóegység egyik bemeneti pólusa a földpotenciálra van kötve. Az 5 polaritásváltó kapcsolóegység kétpólusos bemenete egyúttal a 4 elektromos részegység kétpólusos bemenetét képezi. Az 5 polaritásváltó kapcsolóegység kétpólusú kimenetére a C kondenzátor van kötve, amelynek egyik pólusa továbbá a 6 komparátor nem invertáló bemenetére, valamint a 9 átkapcsoló munkaérintkezőjén keresztül a 10 áramgenerátor egyik pólusára csatlakozik. A C kondenzátor másik pólusa a 6 komparátor invertáló bemenetére, valamint a 9 átkapcsoló nyugvóáramú érintkezőjén keresztül a 10 áramgenerátor fent említett pólusára van kötve. A 10 áramgenerátor második pólusa a negatív - (Vss) egyen-tápfeszültségre van kötve. A 6 komparátor kimenete a 7 flip-flop D bemenetére csatlakozik, a 7 flip-flop Q kimenete pedig egyrészt a 9 átkapcsoló vezérlőbemenetére, másrészt a 8 kimeneti frekvenciaosztó első jelbemenetére csatlakozik. A 2^x,fB órajelfrekvenciát előállító 11 órajelgenerátor kimenete ⁶⁰ a 12 órajelfrekvencia-osztó bemenetével van összekötve. A 12 órajelfrekvencia-osztónak például (1. ábra) hat kimenete lehet. Az első ^fR kimenet, amelyen— frekvenciájú P órajel £

HU 203008 Β fi jelenik meg, a 8 kimeneti frekvenciaosztó második jelbementére, a második kimenet, amelyen fe frekvenciájú L órajel jelenik meg, a 7 flip-flop órajelbemenetére és a 8 kimeneti frekvenciaosztó első órajelbemeneté*R re, a harmadik kimenet pedig, amelyen 128 frekvenciájú T órajel jelenik meg, a 8 kimeneti frekvenciaosztó második órajelbemenetére van kötve. A 12 órajelfrekvencia-osztó negyedik kimenete, amelyen 2 fu frekvenciájú Y órajel jelenik meg, a 8 kimeneti frekvenciaosztó harmadik órajelbemenetére csatlakozik. A 12 órajelfrekvencia-osztó ötödik fit kimenete, amelyen-frekvenciájú E órajel jelenik meg, opcionálisan például töltéaszámlálóra csatlakoztatható. Ez a kimenet a 2 20 elektromos egység 21 órajelkimenetére van kötve.

A 14 frekvenciaosztó bemenetére csatlakozó kimenetű 13 Schmitt-trigger kétpólusú bemenetére N vezérlő váltófeszültség (például 25 50 vagy 60 Hz-es hálózati váltófeszültség) van kapcsolva. Az 1 és 5 polaritásváltó kapcsolóegyégek egymással összekapcsolt vezérlőbemenetei vagy a 14 frekvenciaosztó kimenetéről érkező A periodikus vezérlőjelet 30 vagy a 12 órajelfrekvencia-osztó hatodik kimenetéről érkező B periodikus vezérlőjelet kapják. A B periodikus vezérlőjel alkalmazása esetén a 13 Schmitt-trigger és -a 14 frekvenciaosztó a kapcsolási elrendezésből kimarad- 35 hat.

A 8 kimeneti frekvenciaosztó négy kimenete közül kettő a 2 elektromos egység 22a, illetve 22b jelkimeneteivel van összekötve. A 22a jelkimeneten M kimenőjel jelenik meg, 40 amely az átalakítandó uh elektromos jel pozitív értékének felel meg, a 22b jelkimeneten pedig Mi kimenőjel jelenik meg, amely az átalakítandó uh elektromos jel negatív értékének felel meg.

Az 1 és 5 polaritásváltó kapcsolóegységek előnyösen azonos felépítésű áramköri elemek, például CMOS-technológiával készült ismert félvezető-analógkapcsolók. Az 1 és 5 polaritásváltó kapcsolóegységek első bemeneti 50 pólusa első nyugvóáramü érintkezőjén keresztül az első kimeneti pólussal, első munkaérintkezőjén keresztül pedig második kimeneti pólussal kapcsolhatók össze, ugyanakkor második bemeneti pólusa második nyug- 55 vóáramú érintkezőn keresztül második kimeneti pólusra, második munkaérintkezőn keresztül pedig első kimeneti pólusra köthető.

A 9 átkapcsoló egypólusú, és például CMOS-technológiával készült félvezető-ana- 60 lógkapcsolóként alakítható ki.

A 12 órajelfrekvencia-osztó és a 14 frekvenciaosztó önmagában ismert, CMOS-technológiával készült bináris számlálókból van kialakítva, és 2-—vei (x egész szám) történő frekvenciaosztást tesz lehetővé.

A 11 órajelgenerétor előnyösen kristálystabilizált kialakítású és négyszögletes óra5 impulzusokat állít elő, például 2^s-fB = = 2¹⁵ Hz = 32,768 kHz frekvenciával. Az óraimpulzus frekvenciáját a 11 órajelgenerátor kimenetére csatlakozó 12 örajelfrekvencia-osztó leosztja. Az m osztási arány 2*, 2⁵, 10 2®, 2¹⁰, 2¹¹ és 2¹² értékekre van beállítva, 2 ír = 2¹¹ Hz frekvenciájú Y órajel, ír = 2¹⁰ Hz frekvenciájú L órajel, íR

- = 2⁹ Hz frekvenciájú P órajel,

2 íR

-= 2⁵ Hz frekvenciájú E órajel, íR

- = 2* Hz = 16 Hz frekvenciájú B periodi64 íR kus vezérlőjel és- = 2³ = 8 Hz frekvenci128 ájú T órajel előállításához.

A 13 Schmitt-trigger az N vezérlő váltófeszültséget . azonos frekvenciájú periodikus négyszögletes impulzusjellé alakítja. A 13 Schmitt-trigger mindkét átkapcsolást küszöbértéke előnyösen úgy van megválasztva, hogy az átkapcsolás a követő 14 frekvenciaosztóban pontosan az N vezérlő váltófeszültség nullátmeneteinél következzen be. A 14 frekvenciaosztó ezután a négyszögletes impulzusjel például 50 vagy 60 Hz-es frekvenciáját n osztásaránnyal leosztja, az átkapcsolást vezérlő A periodikus vezérlőjel létrehozása céljából. Az n oeztáaarány értéke például 2³, így az A periodikus vezérlőjel frekvenciája 12,5 Hz, illetve 15 Hz. Az 1 és 5 polaritásváltó kapcsolóegységek ily módon a 12,5 Hz-es vagy 15 Hz-es (A periodikus vezérlőjel) frekvenciával, illetve a 16 Hz-es (B periodikus vezérlőjel) frekvenciával szinkronban és periodikusan, azonos A, illetve B 45 periodikus vezérlőjel által lesznek vezérelve és átkapcsolva. A 13 Schmitt-trigger a 14 frekvenciaosztóval, illetve a 11 órajelgenerátor a 12 óra jelfrekvencia-osztóval tehát az A, illetve B periodikus vezérlőjeleket előállító egységet képeznek.

A 3 feszültség/áram-átalakitónak gyakorlatilag elkerülhetetlen U_o nullfeszültaége (.offset'-feszültsége) van, amelynek figyelembe vétele céljából a 3 feszültség/áram-étalakitó az 1. és 2. ábrák szerint szimbolikusan 3a feszültségforrásból és a 3a feszültségforrással sorba kapcsolt nullfeszültség-nélküli ideális 3b feszültség/éram-átalakitóból épül fel. Az ideális 3b feszültség/áram-átalakító és a bemenetére csatlakozó 3a feszültségforrás együttesen alkotja a valóságos 3 feszültség/áram-átalakitót.

A 7 flip-flop negatív élvezérelt áramköri egységként van kialakitva.

, HU 203008 Β

A fenti kapcsolási elrendezések működése a következő:

Mindhárom (1-3. ábrák szerinti) kapcsolási elrendezés esetében az átalakítandó uh elektromos jel elektromos feszültség formájában az 1 polaritásváltó kapcsolóegység kétpólusú bemenetére kerüli amelyet A, illetve B periodikus vezérlőjel vezérel. Az 1 polaritásváltó kapcsolóegység az átalakítandó uh elektromos jel polaritását periodikusan változtatja. Az A, illetve B periodikus vezérlőjel páratlan számú félperiódusai alatt például az polaritásváltó kapcsolóegység kimenetén +uh elektromos jel, a páros számú félperiódusai alatt pedig -uh elektromos jel jelenik meg.

Az 1. ábra szerinti kapcsolási elrendezés esetében a periodikusan változtatott polaritású ±uh elektromos jelet az 1 polaritásváltó kapcsolóegység kimenetére csatlakozó 3 feszültség/áram-átalakitó arányos ±íh áramjellé alakítja. A feszültség/áram-átalakitás után, de még az integrálást megelőzően a 3 feszültség/áram-átalakitó kimenetén megjeleli nő ±ih áram jelhez— referenciajelet adunk 2 ahol Ib konstans referenciaáram -, és az Ib — ±íh összegjelet adjuk az 5 polaritásváltó

Ib kapcsolóegység bemenetére. Az - referen2 ciajelet a 15 referenciajel-forrás, adott esetben áramgenerátor állítja elő.

A 2. ábra szerinti kapcsolási elrendezés esetében a periodikusan változó polaritású

Ub ±uh elektromos jelet először -referencia2 jellel összegezzük - ahol Ub konstans refeUb renciafeszültség -, és ezután az -±uh összegjelet adjuk a 3 feszültség/áram-átalaUb kitó bemenetére. Az- referenciajelet a 16 referenciajel-forrás, adott esetben feszültséggenerátor állítja elő. A ±uh elektromos jel

Ub és az- referenciajel összegzését a 17 összeadótag végzi. A 3 feszültség/áram-átalaUr kító a bemenetére érkező ± uh összegje2 Ib let arányos áramjellé, adott esetben-± íh összegjellé alakítja.

A fentiek alapján belátható, hogy az első két kiviteli változat (1-2. ábrák) esetében az 5 polaritésváltó kapcsolóegység a bemeneUb téré érkező ± uh + — összegjelből arányos

Ib áramjelet, azaz ±íh + —— összegjelet állít elő 2

A 3 feszültség/áram-átalakitó ée a C konden5 zátor közé beiktatott 5 polaritásváltó kapcsoIr lóegység ezen ±íh + —— összegjel polaritását 2 az átalakítandó ±uh elektromos jel periodikus polaritásváltoztatásával szinkronban ugyancsak periodikusan változtatja, úgy, hogy a C kondenzátor az 5 polaritás váltó kapcsolóegyIb ség kimenetéről folyamatosan is ±- áram15 2 jelet kap. A kétszeres periodikus polaritásváltás után az átalakítandó uh elektromos jellel arányos íh áramjelet a C kondenzátor integrálja.

Mivel a 3 feszültség/áram-átalakitó bemenetén, mint azt már említettük, általában Uo nullfeszültség van, amely a 3 feezültség/áram-átalakitó kimenetén Io nulláramot eredményez, az 5 polaritásváltó kapcsolóegység

Ib bemeneti árama a valóságban a ±íh + 2 összegjellel nem pontoan egyenlő, hanem Ib mindkét változat esetében - ±íh +-h Io áram lesz.

Ub Ib

Az -illetve -referenciajelekre a

2 2 következő egyenlőtlenségeknek kell teljesülniük:

Másképpen fogalmazva azt mondhatjuk, hogy az Ub Ib —, -referenciajelek értékét

2 nagyobbnak kell választani, mint a periodikusan változó polaritású ±uh elektromos jel, illetve ±íh áramjel Uh, illetve Ih amplitúdójának az összegzés helyén vett, az Uo nullfeszültséggel, illetve az Io nullárammal megnö55 veit értéke.

Mivel az Uo nullfeszültség értéke az uh elektromos jelhez viszonyítva, illetőleg az Io nulláram értéke az íh áramjelhez viszonyítva rendszerint igen kicsi, az Io nulláram a kap60 csolási elrendezés kivezérlési tartományának csak igen kis részét érinti. Kritikus esetekben, ahol az uh elektromos jel maximális értéke az Uo nullfeszültséghez viszonyítva ki-59

HU 203008 Β

1Ű esi, az uh elektromos jel számára megmaradó kivezérlési tartomány a maximálisan lehetséUr ges,- referenciajelnek megfelelő kivezér2 5 lesi tartományhoz viszonyítva megengedhetetlenül kicsi lehet. Ezért - a dinamikai viszonyok javítása érdekében - a 2 elektromos egységben történő további jelfeldolgozást megelőzően célszerű lehet a periodikusan 10 változó polaritású íuh elektromos jel 3. ábra szerinti, 18 felüláteresztő erősítővel történő li felerősítése. Ezáltal az-viszony, illetve az ío 15

Uh

-viszony javítható. A 18 felüláteresztő

Uo erősítő egyenáramú erősítése elhanyagolhatóan kicsi, ami önmagában ismert módon bizto- 20 sitható. A 18 felüláteresztő erősítő például 20 felüláteresztő szűrőből és annak bemenetére csatlakozó 19 erősítőből alakítható ki. A 18 felüláteresztó erősítő idókonstansát elegendően kicsinek kell választani, hogy a ±uh 25 elektromos jelből erősítővel nyert négyszögletes ±uh* jel torzítása az átvitel szempontjából megengedhető mértékű legyen.

A harmadik változat esetében a 2 elektromos egység akár az 1. ábra szerinti, akár 30 a 2. ábra szerinti felépítésű lehet.

A 3 feszültség/áram-átalakitó az utána kapcsolt C kondenzátorral mindhárom változat esetében integrátort képez, .amelynek bemeneti részére a 15, illetve a 16 referencia- 35 jel-forrás csatlakozik. A C kondenzátorra az integrátor kimenetére - csatlakozó 6 komparátor az integrátor kimenőfeszültségét, pontosabban az uc kondenzátorfeszültséget figyeli a 10 áramgenerátor által generált Ih 40 konstans referenciaáram kapcsolásának vezérlése céljából, négyszögletes kimenőimpulzusok egyidejű létrehozása mellett. A 6 komparátor az uc kondenzátorfeszültséget előre meghatározott küszöbértékkel hasonlítja ősz- 45 sze.

Az uc kondenzátorfeszültség időbeli változását a 4. ábra mutatja, olyan esetben, amikor az uh elektromos jel értéke konstans és pozitív, továbbá az Uo nullfeszültség ér- 50 teke nulla. Amint az ábrából kitűnik, az uc kondenzátorfeszültség időfüggvénye ebben az esetben fürészfog alakú görbe, amelynek állandó meredekségű élei vannak, és amelynek pozitív, illetve negatív lefutású élei pár- 55 huzamosak.

A 7 flip-flop által vezérelt 9 átkapcsoló az Ir konstans referenciaáram kapcsolását végzi. Mint már említettük, a C kondenzátor az 5 polaritásváltó kapcsolóegység kimeneté- 60

Ir ről íh ± —· ± Io áramot kap, ahol a pozitív 2 előjelek az A, illetve B periodikus vezérlőjel páratlan számú félperiódusaira, a negatív θ5 előjelek pedig az A, ületve B periodikus vezérlőjel páros számú félperiódusaira vonatkoznak.

Amennyiben a 7 flip-flop F kimenőjele kezdetben logikai nulla értéket vesz fel, a 9 átkapcsoló kezdetben az 1. ábra szerinti kapcsolóállásban van. Ekkor a konstans 10 áramgenerátor az A, ületve B periodikus vezérlőjel páratlan számú félperiódusai alatt, miközben az 5 polaritásváltó kapcsolóegység ugyancsak az 1. ábra szerinti kapcsolóállásban van, az 5 polaritásváltó kapcsolóegység éppen földpotenciálon lévő kivezetésével van összekötve. A konstans 10 áramgenerátor Ir konstans referencia árama igy a C kondenzátort nem tölti. Az A, ületve B periodikus vezérlőjelek páratlan számú félperiódusai alatt tehát a C kondenzátort kizárólag az 5 polariIr tásváltó kapcsolóegység is + - ± Io ára2 ma tölti. Ezáltal a 6 komparátor által felügyelt uc kondenzátorfeszültség növekszik. A 6 komparátor kezdeti küszöbértéke például nulla. Amikor az uc kondenzátorfeszültség a 6 komparátor kezdeti küszöbértékét túllépi, a 6 komparátor K kimenőjele logikai nulla szintnek megfelelő értékről logikai 1 szintre billen.

A 6 komparátor K kimenőjelének időbeli változása ugyancsak a 4. ábrán látható.

A 6 komparátor K kimenőjelének állapotváltozásait a 7 flip-flop F kimenőjele a nagyfrekvenciás L órajel negatív (lefutó) éleinek pillanatában követi. A nagyfrekvenciás L órajel frekvenciája előnyösen 2¹⁰ Hz.

A 7 flip-flop tehát a 6 komparátor négyszögletes K kimenőjelének a négyszögletes L órajellel történő szinkronizálására szolgál. A 7 flip-flop által közvetített szintváltozás az F kimenőjelen keresztül a 9 átkapcsolót vezérli. A 9 átkapcsoló 1. ábra szerinti kapcsolóállással ellentétes kapcsolóállása esetén a 10 áramgenerátor Is konstans referenciaárama a C kondenzátoron átfolyhat.

A C kondenzátort töltőáram ebben az esetben:

Ír Ir íh +-+ Io - Ir = is--+ Io

2 azaz gyakorlatilag a C kondenzátort töltőin áram -referenciajel komponensének az előjele változott meg. Mivel a már említett — > ^±*Η ± I_OJ feltétel továbbra is érvényes, az eredő töltőáram értéke negatív.

Az uc kondenzátorfeszültség tehát csökken, és amint a 6 komparátor küszöbértékénél kisebb lesz, K kimenőjele ismét viszszabillen logikai nulla szintnek megfelelő kiindulási értékébe. Ezt a szintváltozást a 7 flip-flop ismét az L órajel soron következő

-611

HU 203008 Β negatív (lefutó) élének pillanatában veszi át, és a 7 flip-flop F kimenőjelének szintváltozása hatására a 9 átkapcsoló újra kiindulási kapcsolóállását veszi fel, ily módon új ciklus kezdődhet. A fenti kapcsolási ciklus mindaddig ismétlődik, amíg az A, illetve B periodikus vezérlőjel páratlan számú félperiódusa befejeződik. A 7 flip-flop F kimenőjelének minden egyes impulzusához tehát a C kondenzátor Ib konstans referenciaárammal történő egy-egy kisütése rendelhető.

Az A, illetve B periodikus vezérlőjel minden egyes páratlan számú félperiódusának befejezésekor az 1 és 5 polaritásváltó kapcsolóegységek az A, illetve B periodikus vezérlőjel hatására szinkronban átkapcsolnak, és mindkettő az 1. ábrával ellentétes kapcsolóállást vesz fel. Az 5 polaritásváltó kapcsolóegység átkapcsolásának következtében mind a C kondenzátor, mind pedig a konstans 10 áramgenerátor polaritása megváltozik. Ez esetben a konstans 10 áramgenerátor a 9 átkapcsoló 1. ábra szerinti kapcsolóállása esetén a C kondenzátor pólusaira csatlakozik, tehát üzemben van. Feltéve, hogy az A, illetve B periodikus vezérlőjel páros számú félperiódusának kezdetén a 9 átkapcsoló például ugyancsak az 1. ábra szerinti kapcsolóállásban van, a C kondenzátort mind az 5 poIb laritésvéltó kapcsolóegység íh---Io árama, mind pedig a 10 áramgenerátor Ib konstans referenciaárama tölti. Az eredő töltőáram tehát:

Ib Ib íh---Io + Is = ÍH+--Io

2

Az uc kondenzátorfeszültség növekszik, és amikor a 6 komparátor előre meghatározott küszöbértékét túllépi, a 6 komparátor K kimenőjele logikai nulla szintről logikai 1 szintre billen. Ez az értékváltozás a fentiek szerint a 9 átkapcsoló kapcsolóállásának változását eredményezi. A 9 átkapcsoló megváltozott kapcsolóállásában a konstans 10 áramgenerátor a C kondenzátor földpotenciálon lévő fegyverzetére csatlakozik. A C kondenzátort ettől kezdve már csak az 5 polaritásIb váltó kapcsolóegység íh - —— - Io árama 2 tölti, amely áram polaritása negatív, mivel az ^lR / >(±íh + Io) egyenlőtlenségnek teljesülnie kell.

A C kondenzátor uc kondenzátorfeszültsége csökken, és amint a 6 komparátor küszöbértékénél kisebb lesz, a 6 komparátor K kimeneti jele visszabillen logikai nulla szintre, aminek következtében a 9 átkapcsoló újra kiindulási kapcsolóállását veszi fel, igy új ciklus kezdődhet. Ez a ciklus mindaddig ismétlődik, amíg az A, illetve B periodikus ve8 zérlőjel páratlan számú félperiódusa befejez zódik.

Összefoglalva tehát:

Az A, illetve B periodikus vezérlőjel páratlan számú félperiódusa alatt a C kondenIb zátor periodikusan íh +-+ Io árammal töl2

Ib tődik és íh--+ Io árammal kisül. Az A, illetve B periodikus vezérlőjel egész számú félperiódusa alatt ezzel szemben a C kondenIb zátor - ugyancsak periodikusan íh +--Io

Ib árammal töltődik és in - —— - Io árammal ki2 sül.

Fentiek alapján belátható, hogy az A, illetve B periodikus vezérlőjel különböző félperiódusai csupán az Io nulláram előjelében különböznek. Mivel az A, illetve B periodikus vezérlőjel félperiódusai - előállításukból következően - -azonos időtartamúak, és az lo nulláram előjele az egymást követő félperiódusokban ellentétes, az lo nulláram és ezáltal az U_o nullfeszültség hatása az A, illetve B periodikus vezérlőjel egész számú periódusán keresztül vett integrálás esetén, vagy elegendő hosszú időtartamon keresztül vett integrálás esetén gyakorlatilag ki van küszöbölve.

Az a Qb töltésmennyiség, amellyel a C kondenzátort az A, illetve B periodikus vezérlőjel páratlan számú félperiódusa alatt az

Ib polaritásvéltó kapcsolóegység in·* ——+ Io 2 árama folyamatosan tölti, a konstans 10 áramgenerátor bekapcsolása után pontosan

Ib definiálható Qb =— töltésmennyiségenként fa kisül, miközben a 7 flip-flop Q kimenetén négyszögletes impulzusok jelennek meg. Az a Qb töltésmennyiség, amelyet a C kondenzátorból az 5 polaritásváltó kapcsolóegység

Ib íh---lo árama az A, illetve B periodi2 kus vezérlőjel páros számú félperiódusa alatt folyamatosan kisüt, a konstans 10 áramgenerátor . bekapcsolása után pontosan definiálható konstans Qb töltésmennyiségenként ismét a C kondenzátorba kerül, úgy, hogy a C kondenzátor teljes töltőárama az

Ib Ib íh —— - Io + Ir = íh + - Io

2 áramnak felel meg, és a 7 flip-flop Q kimenetén ugyancsak négyszögletes impulzus jelenik meg. Ezek az impulzusok tehát annak a pontosan difiniálható Qb töltésmennyiségnek

-713

HU 203008 Β felelnek meg, amely a C kondenzátort az In konstans referenciaáram révén tölti, illetve kisüti. Mivel a C kondenzátor polaritásváltása

1b az íh +- ± Io áram polaritását nem érinti, és így a periodikus polaritás váltás időpontjában a C kondenzátorban lévő maradéktöltés a kővetkező félperiódusban helyes polaritással lesz figyelembe véve, a C kondenzátor maradéktöltése a kimenőfrekvenciát nem modulálja.

A 7 flip-flopnak az integrálást és a komparálást követően létrehozott F kimenőjele négyszögletes impulzussorozat, amelynek

Ib ír közepes frekvenciája az íh + — összeg2

Ug jellel arányos, és így az - referenciajelnek

Ib 2 (illetve az - referenciajelnek) megfelelő fa konstans —— referenfciafrekvenciával na2 fe gyobb az előállítandó frekvenciánál. Az — referenciafrekvencia egyúttal a P órajel négyszögletes impulzusainak frekvenciája. A —íh áramjellel, illetve az átalakítandó uh elektromos jellel pontosan arányos kimenőfrekvencia előállítása céljából tehát a 7 flip— -flop F kimenőjelének ír közepes frekvenciáin jából a P órajel —- frekvenciáját, azaz a re2 ferenciafrekvenciát ki kell vonni. A kivonás a kapcsolási elrendezés kimenetére csatlakozó frekvencia-különbségképző áramkör segítségével történik, ahol a 7 flip-flop F kimenőjelének impulzusai előre, a P órajel impulzusai pedig hátrafelé számlálódnak. A frekvenciakülönbség-képző áramkör ezzel egyidejűleg a fe ír - —— különbségfrekvenciát k osztás2 aránnyal osztja. A frekvenciakülönbség-képző áramkört példánk esetében a 8 kimeneti frekvenciaosztó valósítja meg, amelynek felépítését részletesebben az 5. ábrán tüntettük fel. Amint az 5. ábrából kitűnik, a 8 kimeneti frekvenciaosztó 23 KIZÁRÓ-VAGY-kapuból, 24 ÉS-kapuból, 25 számlálóból, 26 flip-flopból, 27 flip-flopból, 28 flip-flopból, 29 ÉS-kapuból, 30a ÉS-kapuból, 30b ÉS-kapuból, 30c ÉS-kapuból, 30d inverterből, 31 inverterből, 32 inverterből, 33 ÉS-kapuból és 34 számlálóból épül fel. A 25 számláló bináris előre/hátra-számláló, amely például akkor száU mól elóre, amikor — bemenetén logikai 1 D szint van, és akkor számol hátrafelé, amikor

U — bemenetén logikai nulla szint van. A 26,

D és 28 flip-flopok például D-flip-flopok. A 33 ÉS-kapu a 34 számlálóval együttesen önmagában ismert 35 monostabil multivib rátört képez. A 25 számláló, a 26 flip-flop és a 27 flip-flop óra jelbemenetei pozitív élvezéreltek, a 28 flip-flop és a 34 számláló órajelbemenetei pedig negatív élvezéreltek. A 28 flip-flop, a 30a ÉS-kapu és a 35 monostabil multivibrátor együttesen üresjáratot megakadályozó egységet valósítanak meg, amely különösen például a találmány szerinti kapcsolási elrendezés töltésszámlálóban történő alkalmazása esetén lehet fontos.

A 8 kimeneti frekvenciaosztó első jelbemenete a 23 KIZÁRÓ-VAGY-kapu első bemenetével van összekötve, és a 7 flip-flop F kimenőjele által van vezérelve. A 8 kimeneti frekvenciaosztó második jelbemenete a 23 KIZÁRÓ-VAGY-kapu második bemenetével, a 25

U számláló — bemenetével és a 27 flip-flop D D bemenetével van összekötve. A 8 kimeneti fe frekvenciaosztö ez utóbbi bemenetére az 2 referenciafrekvenciájü P órajel csatlakozik. A 8 kimeneti frekvenciaosztó első órajelbemenete a 24 ÉS-kapu első bemenetével és a 32 inverteren keresztül a 29 ÉS-kapu első bemenetével van összekötve. Ezen órajelbemenetre az Ír órajelfrekvenciájú L órajel csatlakozik. A 8 kimeneti frekvenciaosztó második órajelbemenete a 33 ÉS-kapu első bemenetével van összekötve; erre az órajelbemenetre fa az — frekvenciájú T órajel csatlakozik. A 8 128 kimeneti frekvenciaosztó harmadik órajelbemenete a 26 flip-flop órajelbemenetével van összekötve; erre az órajelbemenetre a 2fe frekvenciájú Y órajel csatlakozik.

Amint az 5. ábra szerinti logikai kapcsolási rajzból kitűnik, a 23 KIZÁRÓ-VAGY-kapu kimenete a 24 ÉS-kapu második bemenetére csatlakozik, amelynek kimenete a 25 számláló órajelbemenetére van kötve;

a 25 számláló CO (Carry out) kimenete a 26 flip-flop D bemenetével van összekötve, amelynek § kimenete a 29 ÉS-kapu második bemenetére, a 27 flip-flop órajelbemenetére és a 28 flip-flop órajelbemenetére csatlakozik;

a 29 ÉS-kapu kimenete a 30a ÉS-kapu első bemenetével, a 25 számláló PE töltöbemenetével és a 34 számláló RE visszaállító bemenetével van összekötve;

a 27 flip-flop Q kimenete a 25 számláló Pi, P2, P3 és P« párhuzamos bemenetéivel és a 30b ÉS-kapu első bemenetével, valamint a 31 inverteren keresztül a 25 számláló Ps párhuzamos bemenetével és a 30d inverteren 9

-815

HU 203008 Β keresztül a 30c ÉS-kapu első bemenetével van összekötve;

a 28 flip-flop Q kimenete a 30a ÉS-kapu második bemenetére csatlakozik, amelynek kimenete a 30b és 30c ÉS-kapuk második be- 5 meneteire van kötve;

a 33 ÉS-kapu kimenete a 34 számláló órajelbemenetére csatlakozik, amelynek Qiz kimenete a 33 ÉS-kapu második bemenetére, valamint a 28 flip-flop invertáló visszaállító io bemenetére van kötve.

A 28 flip-flop D-bemenete logikai 1 szinten van. A 30b és 30c ÉS-kapuk kimenetei a 8 kimeneti frekvenciaosztó kimeneteit képezik, amelyeken M, illetve Mi kimenőjelek 15 jelennek meg.

Mivel a 25 számláló nem számlálhat egyidejűleg előre ée hátra is, a 7 flip-flop F kimenőjele és a P órajel, amelyek a 8 kimeneti frekvenciaosztó mindkét jelbemenetén egy- 20 idejűleg jelennek meg, a 23 KIZÁRÓ-VAGY-kapu bemenetelre kerülnek, amelynek kimenetén akkor jelenik meg logikai 1 szint, ha az F kimenőjel és a P órajel szintjei különbözőek. Ez a kizárás a 25 számláló kimenőállapo- 25 tát nem befolyásolja, hiszen egy előreszámlált és egy hátraszámlált impulzus összege amúgy is nullát adna.

Az F kimenőjel és a P órajel logikai szintjének különbözősége esetén tehát a 23 30 KIZÁRÓ-VAGY-kapu kimenetén logikai 1 szint jelenik meg. A 24 ÉS-kapu impulzusátalakító funkciót tölt be, amely a 23 KIZÁRÓ-VAGY-kapu kimenőimpulzusának impulzustartamát az L órajel impulzustartamára redukálja. 35

A P órajel idöfüggvényét a 4. ábrán tüntettük fel. Alatta a 23 KIZÁRÓ-VAGY-kapu S kimenőjelének időfüggvénye, az alatt pedig a 24 ÉS-kapu W kimenőjelének idófüggvénye látható. A P órajel és a 24 ÉS-kapu W kimé- 40 nőjele a 8 kimeneti frekvenciaosztó egy-egy további kimenetére van kötve.

U

Abban az esetben, ha a 25 számlálóD 45 bemenetén lévő P órajel logikai 1 szinten van, a 25 számláló a 24 ÉS-kapu W kimenőjelének impulzusait előre számlálja, ha pedig a

U számláló - bemenetén lévő P órajel logi- 50

D kai nulla szintet vesz fel, a 25 számláló a 24 ÉS-kapu W kimenőjelének impulzusait hátrafelé számlálja. A hátraszámlált impulzusokat a 25 számláló CO kimenetéről a 26 flip-flop az 55 Y órajel soron következő pozitív (felfutó) élének pillanatában írja át, és ily módon azok a 26 flip-flop 15 kimenetén pozitív impulzusként jelennek meg. A pozitív impulzusok ezután a 29 ÉS-kapu első bemenetére 60 kerülnek, amelynek kimenetén - a 29 ÉS-kapu második bemenetére adott invertált L órajelnek köszönhetően már rövidebb impulzustartammal jelennek meg. A 29 ÉS-kapu tehát ugyancsak impulzusalakitó funkciót tölt 65 be. Mivel a számlálás Iránya különböző zajok, illetőleg az átalakítandó uh elektromos jel polaritásváltásai következtében változhat, a 25 számláló kezdeti értéke nem a hagyományos értékekre (előreszámlálás esetén 0 = = 00000; hátraszámlálás esetén 31 = 11111) lesz beállítva, hanem például a számlálási tartomány közepe táján elhelyezkedő 16 = = 10000 értékre, há előzőleg hátraszámlálás közben a 0 = 00000 (P = 0) állapotot vette fel, vagy például 15 = 01111 értékre, ha előzőleg előreszámlálás közben az 11111 (P = 1) állapotot vette fel. Ez úgy történik, hogy a 27 flip-flop a 26 flip-flop kimenőimpulzusának minden egyes pozitív (felfutó) élére átveszi a P órajel aktuális logikai szintjét, és a 27 flip-flop Q kimenetéről a 25 számláló Ps, P<, P3, P2 és Pi párhuzamos bemenetelre P = 0 esetén 16 = 10000 bináris szám, P = 1 esetén pedig 15 = 01111 bináris szám íródik be. A 25 számláló PE töltóbemenete révén a 29 ÉS-kapu minden egyes kimenőimpulzusa hatására ez a kiindulási érték íródik be a 25 számlálóba, és ezzel egyidejűleg a 34 számláló a RE visszaállító bemenet segítségével nullázódik. A · 25 számláló töltődésével CO kimenetén újra logikai 1 szint jelenik meg, amely rendszerint kis késleltetéssel a 26 fiip-flopra kerül és az annak Q kimenetén lévő pozitív impulzus ezzel befejeződik. Ezáltal fejeződik be a 29 ÉS-kapu kimenőimpulzusa is. Amennyiben a 28 flip-flop még nem vette fel a logikai 1 szintet a fenti folyamat a 26 flip-flop Q~ kimenetén megjelenő kimenőimpulzus negatív (lefutó) élének hatására játszódik le, amikor is a 28 flip-flop Q kimenete a 30a ÉS-kaput engedélyezi. Ezzel egyidejűleg a 29 ÉS-kapu kimenőimpulzusa befejeződik, a 8 kimeneti frekvenciaosztó kimeneteire nem jut el, mivel számára a 30a ÉS-kapu túl későn lett engedélyezve. A 34 számláló 29 ÉS-kapu kimenőimpulzusa általi visszaállítása eredményeképpen a 34 számláló Q12 kimenete logikai 1 szintet vesz fel, amely a 33 ÉS-kaput engedélyezi. Amint a 29 ÉS-kapu kimenóimpulzusa befejeződik, a 34 számláló megkezdi a T órajel négyszögletes impulzusainak számlálását. Ha a 34 számláló időközben a 29 ÉS-kapu kimenóimpulzusa által nem lett nullázva, úgy a 34 számláló mindaddig számlál, amig QÜ kimenetén logikai nulla szint nem jelenik meg. Ez a logikai nulla szint egyrészt a 28 flip-flopot nullázza, másrészt pedig a 33 ÉS-kaput letiltja és ily módon a 34 számláló számlálását befejezi. A 34 számláló Q12 kimenetén a logikai nulla szint

128 a-periódusidejű T órajel 2¹²'¹ = 2^U fe 218 számú periódusa után, azaz - másodperc

ÍR elteltével (fa = 21° Hz esetén például 2® = = 256 másodperc) elteltével jelenik meg.

-917

HU 203008 Β

A 28 flip-flop, a 30a ÉS-kapu és a 35 monostabil multivibrátor által alkotott üresjárat megakadályozására szolgáló egység megakadályozza, hogy 256 másodpercnél hoszszabb idő eltelte utána 25 számláló CO kimenetén megjelenő impulzus a 8 kimeneti frekvenciaosztó kimeneteire kerülhessen. Mivel 256 s eltelte után a 28 flip-flop a 34 számláló kimenőjele hatására nullázódik, a 30a ÉS-kapu minden első impulzusra le van tiltva. Normál üzemmódban, amikor az átalakítandó uu elektromos jel a kapcsolási elrendezés bemenetére kerül, a 26 flip-flop Q kimenetén megjelenő első pozitív impulzus nem jut el a 8 kimeneti frekvenciaosztó kimeneteire, az impulzus negatív (lefutó) éle azonban a 28 flip-flopot logikai 1 szintre billenti, amelynek Q kimenete ezáltal a 30a ÉS-kaput valamenynyi következő impulzus számára engedélyezi. Ez annak köszönhető, hogy a 29 ÉS-kapu minden újabb kimenőimpulzusa - 256 s elteltéig - a 34 számlálót újra nullázza. Ezáltal a 34 számláló a számlálást mindig újra nulláról kezdi, ily módon Q12 kimenetén logikai nulla szint nem jelenhet meg, és ezért a 28 flip— -flopot nem nullázhatja. A 30a ÉS-kapu engedélyezése tehát mindaddig tart, amig a 256 s leteltéig több impulzus nem jelenik meg.

A 25 számláló, a 26 flip-flop, a 29 ÉS-kapu és a 30a ÉS-kapu kiraenőimpulzusainak közepes frekvenciája a fenti esetben a ±íh áramjellel, és így az átalakítandó uh elektromos jellel arányos.

Üresjárat esetén - amikor a kapcsolási elrendezés bemenetén az átalakítandó uh elektromos jel nem jelenik meg - ezzel szemben nincs kizárva, hogy a kis zavarójelek integrálása igen hosszú időtartamon keresztül végül is a 29 ÉS-kapu kimenetén impulzust eredményezi Mivel a 30a ÉS-kapu le van tiltva, ez az impulzus a többi első impulzushoz hasonlóan nem éri el a 8 kimeneti frekvenciaosztó kimenetét. Belátható azonban, hogy a többi üresjárati impulzus sem éri el a 8 kimeneti frekvenciaosztó kimeneteit, mivel azok több mint 256 másodperccel az első impulzus után jelentkeznek. Következésképpen a 34 számlálónak minden egyes nullázása előtt elegendő ideje van arra, hogy Q12 kimenetén logikai nulla szint jelenjen meg, amely a 28 flip-flopot minden esetben nullázza és ezáltal a 30a ÉS-kaput a következő impulzus előtt kellő időben letiltja.

A 27 flip-flop kimenőjele megmutatja, hogy az átalakítandó uh elektromos jel milyen aktuális polaritással rendelkezik. Az uh elektromos jel pozitív értékei esetén a 27 flip-flop kimenőjele a 30b ÉS-kaput engedélyezi, igy a 30a ÉS-kapu kimenőjele a 30b ÉS-kapu kimenetén M kimenőjelként jelenhet meg. Az uh elektromos jel negatív értékei esetén ezzel szemben a 27 flip-flop a 30c ÉS-kaput engedélyezi, igy a 30a ÉS-kapu kimenőjele ezúttal Mi kimenőjelként a 30c ÉS-kapu kimenetén jelenhet meg.

Töltésszámlálóként történő alkalmazása esetén az átalakítandó uh elektromos jel az un hálózati váltófeszültség és az íl terhelőáram szorzatával arányos. A 6. ábrán blokkvázlat formájában feltüntetett töltésszámláló 1 polaritásváltó kapcsolóegységből, 36 szorzóból, a fent ismertetett 2 elektromos egy10 ségból alternatív 37 frekvenciaosztóból, 38 interfészból, 39 léptetőmotorból, 40 kijelzőből és Di fénydiódával (LED) jelölt optikai egységből épül fel. Az uh hálózati váltófeszültség az 1 polaritásváltó kapcsolóegység két15 pólusú bemenetére és a 2 elektromos egység kétpólusú bemenetére kerül. A 2 elektromos egységet N váltóáramú vezérlőfeszültség táplálja. Az íl terhelóárammal arányos ul feszültség a 36 szorzó első bemenetére kerül, az 1 polaritásváltó kapcsolóegység kimenete pedig a 36 szorzó máeodik bemenetére van kötve. A 36 szorzó kimenete kétpólusosan csatlakozik a 2 elektromos egység jelbemenetére, amelynek egyik pólusa földpotenciálra van kötve.

Amint a 6. ábrából kitűnik, a 2 elektromos egység 22a jelkimenete a frekvenciaosztó órajelbemenetére és a 38 interfész visszaállító bemenetére csatlakozik;

- a 2 elektromos egység 21 kimenete a 38 interfész órajelbemenetére van kötve;

a 37 frekvenciaosztó kimenete a 38 interfész egyik jelbemenetére csatlakozik;

a 2 elektromos egység kimenete A, illet— ve B periodikus vezérlőjellel az 1 polaritásváltó kapcsolóegység vezérlőbemenetére csatlakozik.

A 38 interfész kétpólusú kimenete a 39 léptetőmotor elektromos kapcsaira csatlako40 zik, amely 39 léptetőmotor a 40 kijelzőt hajtja. A 38 interfész másik kimenete egypólusosan csatlakozik a Di fénydióda katódjára, amelynek anódja a pozitív Vdd egyen-tápfeszültségre van kötve.

A 6. ábra szerinti elrendezés helyett, ahol az 1 polaritásváltó kapcsolóegység csatlakozik a 36 szorzóra, az 1 polaritásváltó kapcsolóegység a 36 szorzó után is csatlakoztatható. A 2 elektromos egység bemenetén a változó polaritású ±uh elektromos jel mindkét esetben arányos az uh hálózati váltófeszültség és az íl terhelőáram szorzatával. A 36 szorzó például Hali-elemként valósítható meg. A 37 frekvenciaosztó előnyösen progra55 mozható.

Az 1 polaritásváltó kapcsolóegység a 6. ábra szerint az un hálózati váltófeszültséget periodikusan polaritásváltott ±un feszültséggé alakítja, amely a 36 szorzóban az ul fe60 szültséggel szorzódik, igy a 2 elektromos egység bemenetén olyan ±uh elektromos jel (feszültség) jelenik meg, amely az un hálózati váltófeszültség és az íl terhelőáram szorzatával, vagyis ezzel arányos elektromos tel65 jesítménnyel arányos. A ±uh elektromos jelet

-1019

HU 203008 Β a 2 elektromos kapcsolás integrálja és ezáltal az elektromos teljesítménnyel arányos kimeneti frekvenciát állít elő. A 2 elektromos kapcsolás 22a jelkiraenetén megjelenő négyszögimpulzusok frekvenciáját a 37 impulzusosztó h osztásaránnyal osztja, és az igy kapott négyszögimpulzusokat a követő 38 interfész idő- és feszültség szerint önmagában ismert módon úgy dolgozza fel, hogy azok a léptetómotort vezérelni tudják. A 39 léptetómotor minden egyes impulzus fogadásakor egyet léptet előre. Előre meghatározott lépésszám (például 300 lépés) elérése után a kijelző által kijelzett érték eggyel növekszik. Elektromechanikus 40 kijelző helyett teljesen elektronikus, fénydiódákból vagy folyadékkristályokból felépülő kijelző is alkalmazható. Ebben az esetben a 39 léptetőmotor és annak 38 interfésze kimarad, és ezek helyett frekfvenciaosztó és tároló kerül beépítésre. A Di fénydióda az M kimenőjel impulzusainak ütemében villog, és így az impulzusok frekvenciájának optikai ellenőrzésére szolgál.

Az 1. ábrán feltüntetett 2 elektromos egység bemeneti részét részletesebben a 7. ábrán tüntettük fel. A 7. ábra szerinti előnyös kialakítás monolitikus integrált áramkört mutat. Az ábrán különösen a 3 feszültség/óram-átalakító, a konstans 10 áramgenerátor és a 15 referenciajel-forrós felépítését részletezzük. A 2 elektromos egység többi részegységét a 7. ábrán csak jelöltük.

A 10 áramgenerátor és a 15 referenciajel-forrós, valamint a 3 feszültség/áram-átalakitóban lévő áramforrások egy-egy műveleti erősítőből, FET-tranzisztorból és legalább egy ellenállásból épülnek fel, ahol az ellenállások értéke az áramforrás kimeneti áramát határozza meg. Az ilyen precíziós áramforrások önmagukban ismertek (lásd például: Tietze-Schenk: Buch Advanced Electronic Circuits, 57-63. oldalak, Springer Verlag, 1978).

Amint a 7. ábrából kitűnik, az alkalmazott konstans áramforrásoknak közös 41 konstans feszültségforrásuk van, amelynek feszültsége például 1,235 V, pozitív pólusa a pozitív Vdd egyen-tápfeszültségre, negatív pólusa pedig egy-egy műveleti erősítő (42, 43, illetve 44 műveleti erősítők) nem invertáló bemenetére van kötve. A konstans 10 áramgenerátornak 42 műveleti erősítője van, amelynek kimenete 45 FET-tranzisztor gate kivezetésével van összekötve. A 45 FET-tranzisztor második kivezetése közvetlenül a 42 műveleti erősítő nem invertálö bemenetére, 46 ellenálláson keresztül pedig a pozitív Vdd egyen-tápfeszültségre csatlakozik. A 45 FET-tranzisztor harmadik kivezetése a konstans 10 áramgenerátor kimenetét képezi és In konstans referenciaáramot szállít. A konstans 10 áramgenerátor kimenete a 9 átkapcsolón keresztül az 5 polaritásváltó kapcsolóegység kimeneti pólusára, valamint a C kondenzátor egyik pólusára csatlakozik. A 15 referenciajel-forrós (konstans áramgenerátor) 43 műveleti erősítőből, 47 FET-tranzisztorból és 48 ellenállásból épül fel. A 3 feszültség/áram-ótalakitónak konstans 49 áramforrása, valamint

50 és 51 áramforrásai vannak. A konstans 49 áramforrás 44 műveleti erősítőből, 52 FET-tranzisztorból és 53 ellenállásból van kialakítva. Az 50 áramforrás 54 műveleti erősítőből, 55 FET-tranzisztorból és 56 ellenállásból épül fel, mig az 51 áramforrás 57 műveleti erősítőből, 58 FET-tranzisztorból és 59 ellenállásból van kialakítva.

Valamennyi áramforrás - a 15 referenciajel-forrás, valamint a 49, 50 és 51 óram15 források - a konstans 10 áramgenerátorral lényegében azonos felépítésűek, azzal a különbséggel, hogy az 55 FET-tranzisztor második kivezetése az 56 ellenálláson keresztül nem a pozitív Vdd egyen-tápfeszültségre, hanem a földpotenciálra csatlakozik, az 58 FET-tranzisztor második kivezetése pedig az 59 ellenálláson keresztül a pozitív Vdd egyen-tápfeszültség helyett a negatív - (Vss) egyen-tápfeszültségre van kötve.

A 2 elektromos egység nem fóldpotenciálon lévő bemeneti pólusa, valamint a konstans 49 áramforrás kimenete az 54, illetve 57 műveleti erősítő nem invertálö bemenetére csatlakozik. Az 57 műveleti erősítő nem in30 vertáló bemenete továbbá 60 ellenálláson keresztül a negatív - Vss egyen-tópfeszültségre csatlakozik. A 15 referenciajel-forrós

Ib (konstans áramgenerátor) - referenciajelet

2 állít elő, amely az 54 műveleti erősítő invertáló bemenetére van kötve, az 50 áramforrás kimenete pedig az 57 műveleti erősítő invertáló bemenetére csatlakozik. Az 50 áramforrás feszültség/áram-átalakitóként működik, amely a feszültség formában érkező ±uh elektromos jelet azzal arányos ±iu áramjellé alakítja, amely az 56 ellenálláson folyik keresztül és az 55 FET-tranzisztorban a 15 referenciajel45 Ir

-forrás által szállított - referenciajelböl

Is kivonódik. Az - ± íh összegjel, amely az 50

2 áramforrás kimenetén jelenik meg, az 51 áramforrásban, amely az Ib konstans referenciaáramot állítja elő, az 1b konstans referenciaáramból kivonódik, így az 51 áramfor55 _rás kimenetén és ezzel együtt a 3 feszültle ség/áram-átalakító kimenetén a ±íh + 2 összegjel jelenik meg. Az 51 áramforrás kiθθ menete és a földpotenciól együttesen a 3 feszültség/áram-átalakitó kétpólusú kimenetét képezik, és az 5 polaritásváltó kapcsolóegység kétpólusú bemenetére csatlakoznak.

A 8. ábrán a találmány szerinti kapcsoθδ lási elrendezés negyedik változatát tüntettük

-1121

HU 203008 Β fel, amely lényegében a 2. ábra szerinti második változathoz hasonló felépítésű, azzal a különbséggel, hogy a 16 referenciajel-forrást (konstans áramforrást) feszültségforrásként működő szabályozókör helyettesíti. A szabáUr lyozókör--U_o kimenőfeszültsége tehát a referenciajel-forrás (konstans feszültségűn forrás) — referenciajelét helyettesíti, tehát 2 a 3 feszültség) áram-átalakltó Uo nullfeszültségével csökkentett értékű referenciafeszültségnek felel meg. A szabályozókőr 61 KIZÁRÓ-VAGY-kapu ból, 62 előre/hátra-számlálóból, 63 közbenső tárolóból és 64 digitál/analóg átalakítóból épül fel. kA 61 KIZÁRÓ-VAGY-kapu kimenete a 62 előre/hátra-számláló bemenetére, annak kimenete a 63 közbenső tároló bemenetére, annak kimenete pedig 64 digitál/analög átalakító bemenetére csatlakozik. A 62 elóre/hétra-számláló és a 63 közbenső tároló között, valamint a 63 közbenső tároló és a 64 digitál/analög-átalakitó között adatbusz- kapcsolat van.

A 4 elektromos részegység kimenete, amelyen A, illetve B periodikus vezérlőjel jelenik meg, a 61 KIZÁRÓ-VAGY-kapu bemenetére, valamint a 63 közbenső tároló órajelbemenetére van kötve. A 4 elektromos részegység W és P kimenőjelei (1. ábra) ennél a - negyedik változat szerinti - kiviteli alaknál a 62 előre/hátra-számláló órajelbemenetére, illetve a 61 KIZÁRÓ-VAGY-kapu második bemenetére csatlakoznak (8. ábra). A 61 KIZÁRÓ-VAGY-kapu kimenete a 62 előre/hátra-számU láló - bemenetével van összekötve.

D

Míg a 2. ábra szerinti kiviteli alak esetében az Uo nullfeszültség hatásának csak a középértéke van semlegesítve, addig a 8. ábra szerinti kiviteli alak esetében ezenkívül még az M és Mi kimenőjelek Uo nullfeszültség által okozott frekvenciamodulációi is ki vannak küszöbölve. A 62 előre/hátra-számláló (8. ábra) a 8 kimeneti frekvenciaosztó 25 számlálójához (5. ábra) hasonló funkciót tölt be, azzal a különbséggel, hogy a 62 előre/hátra-számláló számlálási iránya a 61 KIZÁRÓ-VAGY-kapunak köszönhetően a páros számú félperiódusok alatt ellentétes az A, illetve B periodikus vezérlőjel páratlan számú félperiódusai alatti számlálási iránnyal. A páratlan számú félperiódusok alatt a 62 előre/hátra t számláló (íh + fo)· - értéket, a páros szá2 t mú félperiódusok alatt pedig -(íh - fo)· 0 2 értéket számlál, így az A, illetve B periodikus vezérlőjel teljes t periódusideje alatt t t t (fH + fo)·--(fa - fo)· - = 2fo· =

2 2 2 = fo · t számlálási érték adódik, ahol fH az fr közepes frekvencia ±uh elektromos jelnek megfelelő komponense, fo pedig az fr közepes frekvencia Uo nullfeszültségnek megfele0 lő komponense. Az fo · t számlálási érték tehát az Uo nullfeszültséggel arányos. Az fo · t számlálási érték az A, illetve B perodikus vezérlőjel minden periódusának végén, az A, illetve B periodikus vezérlőjel pozitív (felfu!5 tó) élével a 63 közbenső tárolóba íródik be, amelyet a 64- digitál/analóg-átalakitó analóg értékké alakit át. A 17 összeadótagból, a 3 feszültség/áram-átalakitóból, a 4 elektromos részegységből, a 61 KIZÁRÓ-VAGY-kapuból, a

62 előre/hátra-számlélóból, a 63 közbenső tárolóból és a 64 digitál/analóg-átalakítóból álló szabályozókor rezonanciaállapotában ez az analóg érték a 64 digitál/analóg-átalakitó kiUr menetén az--Uo kimenőfeszültséggel egyenlő. A 64 digitál/analóg-átalakitó analóg kimenete a 17 összeadótag első bemenetére csatlakozik. A 3 feszültség/áram-átalakitó

Ό Ur kimenőárama így a ±uh + - - Uo + Uo =

Ur = ±uh + - összegjellel arányos, ahol az

2 egyenlet bal oldalán szereplő második Uo nullfeszültség a 3 feszültség/áram-átalakitóból származik. A 3 feszültség/áram-átalakitó kimenöáramában íly módon az Uo nullfeszült0 ségnek megfelelő komponens nem szerepel.

Claims (19)

1. Eljárás elektromos jel átalakítására arányos frekvenciájú jellé, amelynek során az átalakítandó elektromos jel polaritását periodikusan változtatjuk, a periodikusan változtatott polaritású jelet kondenzátorral integráljuk, az integrált jelet előre meghatározott küszöbértékkel folyamatosan összehasonlítjuk, és attól függően, hogy az integrált jel a küszöbértéket túllépi vagy sem, konstans referenciaáramot kapcsolunk be, illetve ki, ily módon négyszögletes kimenőimpulzusokat állítunk elő, miközben a konstans referenciaárammal a kondenzátorból konstans töltésmennyiséget kisütünk, illetve a kondenzátort konstans töltésmennyiséggel töltjük, azzal jellemezve, hogy az integrálást megelőzően a perodikusan változtatott polaritású elektromos jellel (±uh) arányos jelet konstans refe' Uh Is renciajellel:-, összegzünk, amely refe- 2 2

Us Is renciajel (-, -) értéke a konstans referen- 25

2 2 ciaáram (Is) felének felel meg, majd az igy -i Us Is kapott összeg jellel (±uh + - ; ±íh + -) ^J 2 2 30 arányos áramot képezünk, amelynek polaritását az átalakítandó elektromos jel (ub) polaritásának periodikus változtatásával szinkronban változtatjuk, majd az igy előállított periodikusan változó polaritású jelet integ- 35 ráljuk, és a kapott négyszögletes impulzusok frekvenciájából kivonjuk a konstans referenUs Is ciajel --, - értékének megfelelő konstans

2 2 fs 40 referenciafrekvenciát (-).

2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a perodikusan változtatott polaritású elektromos jellel (±uh) egyenfe- 45

Us szültség referenciajelet (-) összegzünk,

Us majd az összeg jelet (±uh + -) arányos 50

Is áram összeg jellé (±íh + -) alakítjuk át.

3. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal 55 jellemezve, hogy az egyenfeszültség referenUs ciajel (—) értékét egy feszültség/áram-át2 alakító (3) nullfeszültségével (Uo) csökkent- 60 jük, és a változtatott polaritású elektromos jelet (±uh) az így kapott kimenöfeszültséggel

Us (— - Uo) összegezzük.

2 65

4. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a változtatott polaritású elektromos jelből (±uh) feszültség/áram átalakításával előállított változó polaritású áramjellel (±íh) egyenáram referenciajelet

Ir (-) összegzünk, ily módon a feszültség összegjellel (±uh +

Us arányos áram őszszeg jelet (üh + —) állítunk elő.

5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a periodikusan változtatott polaritású jelet (±un) a további jelfeldolgozást megelőzően váltóáramúlag erősítjük.

6. Az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a refefs renciafrekvenciát (-) órajel (P) négyszög2 letes impulzusainak frekvenciájaként állítjuk elő.

7. Kapcsolási elrendezés az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti eljárás foganatosítására, amelynek első polaritásváltó kapcsolóegysége, annak kimenetére csatlakozó, feszültség/áram átalakítóval és kondenzátorral megvalósított integrátora, az integrátor kimenetére csatlakozó komparátora, annak kimenetére csatlakozó flip-flopja, a flip-floppal vezérelt kapcsolatban lévő átkapcsolója, az átkapcsolóra csatlakozó konstans áramgenerátora, az első polaritásváltó kapcsolóegység vezérlóbemenetére csatlakozó periodikus vezérlőjel előállító egysége, valamint referenciajel-forrása van, azzal jellemezve, hogy a referenciajel-forrás (15, 16) az integrátor bemeneti oldalával van kapcsolatban, az integrátor feszültség/áram-átalakítója (3) és kondenzátora (C) közé egy második polaritásváltó kapcsolóegység (5) van beiktatva, amelynek vezérlöbemenetére a periodikus vezérlőjel (A, B) előállító egység csatlakozik, és a flip-flop (7) elóre/hátra számlálóval (25) megvalósított frekvenciakülönbség-képző áramkör bemenetére csatlakozik, amelynek további bemenetére a referenfs ciafrekvencia (-) van kötve, és kime2 nete a kapcsolási elrendezés kimenete.

8. A 7. igénypont szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy a referenciajel-forrás (16) feszültségforrásként van kialakítva, amely összeadótagon (17) keresztül a feszültség/áram-átalakító (3) bemenetére csatlakozik.

9. A 8. igénypont szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy a feszültségforrás konstans feszültséggenerátorként van kialakítva.

-13HU 203008 B

10. A 8. igénypont szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy a feszültségforrás szabályozókörként van kialakítva, amely KIZÁRÓ-VAGY kapuból (61), annak kimenetére csatlakozó közbenső tárolóból (63) és annak kimenetére csatlakozó digitál/analóg-átalakitóból (64) épül fel.

11. A 7. igénypont szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy a referenciajel-forrás (16, konstans áramgenerátor- 10 ként van kialakítva, amely a feszültség/áram-átalakító (3) kimenetére csatlakozik.

12. A 7-11. igénypontok bármelyike szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy az első polaritásváltó kapcsolóegység 15 (1) és a feszültség/áram-átalakító (3) között felületáteresztő erősítő (18) van elrendezve.

13. A 12. igénypont szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy a felüláteresztő erősítő (18) erősítőből (19) és annak kimenetére csatlakozó felüléteresztó szűrőből (20) van kialakítva.

14. A 7-13. igénypontok bármelyike szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy a frekvenciakülönbség-képzó áramkör 25 kimeneti frekvenciaosztóként (8) van kialakítva, amely legalább egy KIZÁRÓ-VAGY-kapuból (23), elóre/hátra számlálóból (25), két flip-flopból (26, 27) és két ÉS-kapuból (24,

29) épül fel, ahol a számláló (25) órajelbeme- 30 netére az első ÉS kapun (24) keresztül a KIZÁRÓ-VAGY-kapu (23) kimenete, másik beméin netére referenciafrekvencia (-.) van kötve, az első flip-flop (26) bemenetére a számláló (25) kimenete (CO), a második flip-flop (27) bemenetére az első flip-flop (26) kimenete van kötve, a második ÉS-kapu (29) egyik 5 bemenetére az első flip-flop (26) kimenete van kötve, a második ÉS-kapu (29) egyik bemenetére az első flip-flop (26) kimenete csatlakozik, másik bemenete inverteren (32) keresztül az első ÉS-kapu (24) bemenetével van összekötve.

15. A 14. igénypont szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy a kimeneti frekvenciaosztónak (8) üresjárat-megakadályozó kapcsolása van.

16. A 15. igénypont szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy az üresjárat-megakadályozó kapcsolás monostabil multivibrátorből (35), annak kimenetére csatlakozó flip-flopból (28) és annak kimenetére

20 csatlakozó ÉS-kapuból (30) van kialakítva.

17. A 16. igénypont szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy a monostabil multivibrátor (35) ÉS-kapuból (33) és annak kimenetére csatlakozó számlálóból (34) van kialakítva.

18. A 7-17. igénypontok bármelyike szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy a feszültség/éram-átalakitónak (3) három áramforrása (49, 50, 51) van.

19. A 7-18. igénypontok bármelyike szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy az áramgenerátor (10), a referenciajel-forrás (15) és az áramforrások (49, 50, 51) műveleti erősítőből (42, 43, 44, 54, 57) FET35 -tranzisztorból (45, 47, 52, 55, 58) és legalább egy ellenállásból (46, 48, 53, 56, 59) vannak kialakítva.