KR101840309B1 - 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치 - Google Patents

교류신호 주파수의 직류전압 변환장치 Download PDF

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KR101840309B1 KR1020180011403A KR20180011403A KR101840309B1 KR 101840309 B1 KR101840309 B1 KR 101840309B1 KR 1020180011403 A KR1020180011403 A KR 1020180011403A KR 20180011403 A KR20180011403 A KR 20180011403A KR 101840309 B1 KR101840309 B1 KR 101840309B1
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Abstract

본 발명은 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주파수를 전압으로 변환시키기 위한 주파수-전압변환기란 입력 주파수에 비례하여 아날로그 출력 전압을 발생하는 장치를 의미하며, 본 발명은 원자력발전소에서 방사선을 측정하고 원자로의 출력을 제어하는 노외 중성자속 감시계통이나 원자로 제어봉 또는 연계논리 계통 등의 신호주파수를 전압으로 변환하는 데에 사용되는 발전소 제어를 위한 주파수-전압변환기 용도로 개발되었다. 이 장치는 신호의 주파수를 직류전압으로 변환할 수 있는 방법으로서 입력신호의 주파수에 대응하여 주파수 펄스폭이 일정한 펄스열(列)을 입력신호의 주파수 개수만큼 생성하여 이를 일정한 주기로 적분하여 출력하고 전압으로 판독하며 주기 후에는 그 값을 방전시켜 다음 신호를 적분하는 반복적분 방식을 채택한 주파수-전압변환기이다. 이 발명에 의해 개발된 회로에 실제 필요한 부품 값과 변환조건을 입력하여 시뮬레이션 함으로써 주파수와 출력전압이 선형적으로 비례하는 것을 확인할 수 있는 효과가 있다.

Description

교류신호 주파수의 직류전압 변환장치{A DC voltage conversion apparatus for alternating signal frequency}
본 발명은 파형정형부와, 펄스발생부와, 적분부와, 방전부와, 이득조정부와, 필터부로 직류전압 변환장치를 구성함으로써, 입력신호의 주파수에 대응하여 주파수 펄스폭이 일정한 펄스열(列)을 입력신호의 주파수 개수만큼 생성하여 이를 일정한 주기로 적분하여 출력하고 전압으로 판독하며 주기 후에는 그 값을 방전시켜 다음 신호를 적분하는 반복적분 방식을 채택하여 신호의 주파수를 직류전압으로 변환할 수 있고, 원자력발전소에서 방사선을 측정하고 원자로의 출력을 제어하는 노외 중성자속 감시계통이나 원자로 제어봉 또는 연계논리 계통 등의 신호주파수를 전압으로 변환하는 데에 사용되는 발전소 제어를 위한 주파수-전압변환기 용도로 적용될 수 있으며, 파형정형부와, 펄스발생부와, 적분부와, 방전부와, 이득조정부와, 필터부로 구성된 회로에 실제 필요한 부품 값과 변환조건을 입력하여 시뮬레이션 함으로써, 주파수와 출력전압이 선형적으로 비례하는 것을 확인할 수 있는 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치에 관한 기술이다.
전기, 전자회로에는 옴의 법칙(Ohm's Law)에 의한 저항, 전압, 전류 간의 법칙이 있고, 키르히호프의 전압 및 전류 법칙이 있으며, 나아가 테브닌의 정리(Thevenin’ Theorem)와 노튼의 법칙(Norton’Law)이 있어서 이들 법칙에 의한 해당 회로를 구성하고 해석할 수 있으나, 주파수와 전압 또는 주파수와 전류 간에는 현재로서 직접적인 연관을 가진 논리적 이론이 정립되어 있지 않다.
이렇게 주파수-전압간의 변환에 관한 이론이 뚜렷하게 확립되어 있지 않은 상태에서 유수의 전자부품 업체에서 이러한 변환회로를 개발하여 제품 칩의 형태로 출시하고 있으나, 주파수와 전압 간의 직접적인 인과관계를 표현할 수 있는 회로구성이 불완전하여 광범위한 주파수에 걸쳐 정비례관계를 완벽하게 보장할 수가 없다.
입력주파수를 출력전압으로 변환시키기 위한 그간의 발명을 살펴보면, 회전체의 속도를 계측하여 신호처리하기 위해 단일체(Monolithic)형 주파수-전압변환기를 만들어 계측된 속도를 전압으로 바꿀 수 있도록 한 제품이 있다.
또한, 각 싸이클마다 임계전압을 초과하는 순간을 포착하여 그 수만큼 적분하여 입력신호의 주파수에 비례하는 출력전압을 얻는 방법을 채택한 제품도 있으며, 동작전압이 4.0V이고 적용주파수대가 1㎐ ~ 100㎑의 범위에서 적용 가능한 제품 칩도 개발되어 있다.
이들의 공통점을 살펴보면 전압을 (구형파)주파수로 변환하는 데에는 우수한 성능을 보이나, 역으로 주파수를 전압으로 변환시키는 데에 상당한 제약이 존재하였다. 실제 상용제품을 이용하여 전압-주파수 변환기와 주파수-전압변환기를 만드는 연구를 확인한 결과, 이 또한 주파수를 변환할 때 대역이나 임계 전압 등에서 제약을 받고 있었다.
그러므로 본 발명에서는 원자력발전소에서 방사선을 측정하고 원자로의 출력을 제어하는 노외 중성자속 감시계통이나 원자로 제어봉 또는 연계논리 계통 등의 신호주파수를 전압으로 변환하는 데에 사용되는 발전소 제어를 위한 주파수-전압변환기 용도로 적용될 수 있는 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 개발이 절실히 요구되어, 그 기능을 구현하기 위해 파형정형부와, 펄스발생부와, 적분부와, 방전부와, 이득조정부와, 필터부로 직류전압 변환장치를 구성함으로써, 입력신호의 주파수에 대응하여 주파수 펄스폭이 일정한 펄스열(列)을 입력신호의 주파수 개수만큼 생성하여 이를 일정한 주기로 적분하여 출력하고 전압으로 판독하며 주기 후에는 그 값을 방전시켜 다음 신호를 적분하는 반복적분 방식을 채택하여 신호의 주파수를 직류전압으로 변환하는 방법을 고안하였다.
KR 20-1986-0005269(1986. 4. 18)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 착상된 것으로서, 그 기능은 파형정형부와, 펄스발생부와, 적분부와, 방전부와, 이득조정부와, 필터부로 직류전압 변환장치를 구성함으로써, 입력신호의 주파수에 대응하여 주파수 펄스폭이 일정한 펄스열(列)을 입력신호의 주파수 개수만큼 생성하여 이를 일정한 주기로 적분하여 출력하고 전압으로 판독하며 주기 후에는 그 값을 방전시켜 다음 신호를 적분하는 반복적분 방식을 채택하여 신호의 주파수를 직류전압으로 변환할 수 있는 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 원자력발전소에서 방사선을 측정하고 원자로의 출력을 제어하는 노외 중성자속 감시계통이나 원자로 제어봉 또는 연계논리 계통 등의 신호주파수를 전압으로 변환하는 데에 사용되는 발전소 제어를 위한 주파수-전압변환기 용도로 적용될 수 있는 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 파형정형부와, 펄스발생부와, 적분부와, 방전부와, 이득조정부와, 필터부로 구성된 회로를 실제 필요한 부품 값과 변환조건을 입력하여 전자회로 시뮬레이션 함으로써, 주파수와 출력전압이 선형적으로 비례하는 것을 확인할 수 있는 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치에 있어서, 입력측에 교류신호인 입력신호가 들어오면 슈미트트리거 비교기에 의해 구형파신호를 생성하는 파형정형부와; 상기 파형정형부에서 생성된 신호가 입력될 때마다 하나의 펄스파형을 출력하는 단안정발진기를 거쳐 외부의 Rx-Cx 조합을 이용하여 펄스폭이 일정한 펄스열(列)을 생성하는 펄스발생부와; 상기 펄스발생부에서 생성된 펄스신호를 주기 결정부에서 결정된 주기만큼 적분하여 값을 판독하는 적분부와; 상기 적분부에서 판독한 주기 동안의 적분 전압을 방전시켜 다음 신호를 기다리는 방전부와; 상기 방전부에서의 매 방전주기마다 적분부를 통하여 적분된 전압 적분 값을 비반전 증폭기를 통하여 이득을 조정하는 이득조정부와; 상기 이득조정부를 거친 톱니파인 교류전압를 직류전압으로 변환시키기 위해 필터를 거쳐서 원하는 직류형태의 전압으로 출력신호를 출력하게 하는 필터부; 를 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 파형정형부에서의 출력이 양(+)으로 포화되었을 때 비반전입력에 인가되는 입력전압은
Figure 112018010592853-pat00001
이고, 출력이 음(-)으로 포화되었을 때 비반전입력에 인가되는 입력전압은
Figure 112018010592853-pat00002
이며, 상기 Vs은 연산증폭기의 포화전압이고, 상기 출력신호 중 일부가 입력 측으로 되돌아가는 귀환율 B는
Figure 112018010592853-pat00003
인 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 펄스발생부에서는 펄스의 개수가 입력되는 교류전압의 주파수와 동일하므로 입력신호의 주파수에 상관없이 Rx-Cx 조합에 의하여 펄스폭이 일정한 완전한 펄스열(列)이 생성되는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 방전부에서는 펄스발생전원과 저항과 스위칭트랜지스터를 이용하여 일정한 주기의 Reset 신호를 만들게 하고, 상기 일정한 주기의 Reset 신호는 펄스발생기의 Reset 신호로 사용되고, 적분신호의 피크치를 읽어내는 신호로 사용되며, 상기 주기는 입력신호의 주파수의 주기보다 짧은 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 이득조정부에서의 이득은
Figure 112018010592853-pat00004
Figure 112018010592853-pat00005
이고, Vo'는 이득조정회로로 입력되는 적분기의 평균전압이며, 방정식의 [ ] 부분은 상수이므로 출력전압 Vo는 입력신호의 주파수 f에 선형적으로 정비례하는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 필터부에서는 저주파필터를 사용하는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명인 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 파형정형부와, 펄스발생부와, 적분부와, 방전부와, 이득조정부와, 필터부로 직류전압 변환장치를 구성함으로써, 입력신호의 주파수에 대응하여 주파수 펄스폭이 일정한 펄스열(列)을 입력신호의 주파수 개수만큼 생성하여 이를 일정한 주기로 적분하여 출력하고 전압으로 판독하며 주기 후에는 그 값을 방전시켜 다음 신호를 적분하는 반복적분 방식을 채택하여 신호의 주파수를 직류전압으로 변환할 수 있다.
둘째, 본 발명은 원자력발전소에서 방사선을 측정하고 원자로의 출력을 제어하는 노외 중성자속 감시계통이나 원자로 제어봉 또는 연계논리 계통 등의 신호주파수를 전압으로 변환하는 데에 사용되는 발전소 제어를 위한 주파수-전압변환기 용도로 적용될 수 있다.
셋째, 본 발명은 파형정형부와, 펄스발생부와, 적분부와, 방전부와, 이득조정부와, 필터부로 구성된 회로를 실제 필요한 부품 값과 변환조건을 입력하여 시뮬레이션 함으로써, 주파수와 출력전압이 선형적으로 비례하는 것을 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성을 나타낸 블럭도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성을 나타낸 전체 회로도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성 중 파형정형회로를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성 중 펄스발생회로를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성 중 적분회로를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성 중 방전회로를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성 중 이득조정회로를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성 중 평활회로를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스발생회로에서 사용하는 단안정발진기의 출력 펄스열을 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 적분회로에서 사용하는 적분기의 출력신호와 최종 출력전압을 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 입력신호의 주파수 변화에 따른 출력전압의 선형적인 변화를 측정 주파수별 출력을 적분톱니파의 피크 값으로 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 입력신호의 주파수 변화에 따른 최종 직류 출력전압의 값을 확대하여 나타낸 그래프.
이하 첨부된 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시예를 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명인 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성을 나타낸 전체 회로도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성 중 파형정형회로를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성 중 펄스발생회로를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성 중 적분회로를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성 중 방전회로를 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성 중 이득조정회로를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성 중 평활회로를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명인 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치는 입력측에 교류신호인 입력신호(A)가 들어오면 슈미트트리거 비교기에 의해 구형파신호가 생성하는 파형정형부(10)와; 상기 파형정형부(10)에서 생성된 신호가 입력될 때마다 하나의 펄스파형을 출력하는 단안정발진기를 거쳐 외부의 Rx-Cx 조합을 이용하여 펄스폭이 일정한 펄스열(列)을 생성하는 펄스발생부(20)와; 상기 펄스발생부(20)에서 생성된 펄스신호를 주기 결정부에서 결정된 주기만큼 적분하여 값을 판독하는 적분부(30)와; 상기 적분부(30)에서 판독한 주기 동안의 적분 전압을 방전시켜 다음 신호를 기다리는 방전부(40)와; 상기 방전부(40)에서의 매 방전주기마다 적분부를 통하여 적분된 전압 적분 값을 비반전 증폭기를 통하여 이득을 조정하는 이득조정부(50)와; 상기 이득조정부(50)를 거친 톱니파인 교류전압를 직류전압으로 변환시키기 위해 필터를 거쳐서 원하는 직류형태의 전압으로 출력신호(B)를 출력하게 하는 필터부(60); 를 구비한다.
상기 본 발명인 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치를 구성하는 각 기술적 수단들의 기능을 설명하면 다음과 같다.
상기 파형정형부(10)는 입력측에 교류신호인 입력신호(A)가 들어오면 슈미트트리거 비교기에 의해 구형파신호가 생성하는 것이다.
상기 펄스발생부(20)는 상기 파형정형부(10)에서 생성된 신호가 입력될 때마다 하나의 펄스파형을 출력하는 단안정발진기를 거쳐 외부의 Rx-Cx 조합을 이용하여 펄스폭이 일정한 펄스열(列)을 생성하는 것이다.
상기 적분부(30)는 상기 펄스발생부(20)에서 생성된 펄스신호를 주기 결정부에서 결정된 주기만큼 적분하여 값을 판독하는 것이다.
상기 방전부(40)는 상기 적분부(30)에서 판독한 주기 동안의 적분 전압을 방전시켜 다음 신호를 기다리는 것이다.
상기 이득조정부(50)는 상기 방전부(40)에서의 매 방전주기마다 적분부를 통하여 적분된 전압 적분 값을 비반전 증폭기를 통하여 이득을 조정하는 것이다.
상기 필터부(60)는 상기 이득조정부(50)를 거친 톱니파인 교류전압를 직류전압으로 변환시키기 위해 필터를 거쳐서 원하는 직류형태의 전압으로 출력신호(B)를 출력하게 하는 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치의 구성을 나타낸 전체 회로도이며, 도 3 내지 도 8은 전체 회로도의 구성들인 파형정형부와, 펄스발생부와, 적분부와, 방전부와, 이득조정부와, 필터부와 관련한 각 회로의 세세한 기능은 아래와 같이 설명하는 것이다.
상기 파형정형부에서, 입력 측에 교류신호가 들어오면 도 3의 U1과 같은 슈미트트리거 비교기에 의해 구형파신호가 생성된다. 이 때 출력신호 중 일부가 입력 측으로 되돌아가는 귀환율 B는
Figure 112018010592853-pat00006
(1)
이다. 이 회로에서 출력이 양(+)으로 포화되었을 때 비반전입력에 인가되는 입력전압은
Figure 112018010592853-pat00007
로 표현되며, 유사한 방법에 의하여 출력이 음(-)으로 포화되었을 때 비반전입력에 인가되는 입력전압은
Figure 112018010592853-pat00008
로 표현된다. 여기서 Vs은 연산증폭기의 포화전압이다.
출력전압은 입력전압이 기준전압을 초과할 때까지 주어진 상태를 유지한다. 출력전압이 양(+)으로 포화되었다면 기준전압은 +BVs이다. 출력전압이 양의 값에서 음의 값으로 전환되기 위해서는 일격전압이 +BVs보다 더 증가되어야 한다. 한편 출력전압이 음(-)의 상태가 되면 입력전압이 -BVs보다 더 낮은 값이 되었을 때 음의 값에서 양의 값으로 전환된다.
입력전압 Vi에 대해 출력전압 Vo가 결정될 때 입력전압 값이 커지면서 결정되는 출력전압 값과 입력전압 값이 작아지면서 결정되는 출력전압 값이 다를 때, 이러한 전압특성을 히스테리시스 특성을 가진다고 한다. 이러한 히스테리시스 특성을 이용하면 주로 입력전압 값에 대한 어떤 임계 값에 대하여 출력전압이 High 혹은 Low로 결정될 때 임계 값 근처의 입력 값에 대하여 출력전압 값이 자주, 그리고 심하게 흔들리는 것을 막을 수 있다. 이러한 히스테리시스의 특성은 어떤 값 이상에서 High가 되고 나면, 특정 값 이하로 떨어지기 전에는 High값을 유지하게 된다.
반대로 어떤 값 이하에서 Low가 되고 나면, 특정 값 이상으로 올라가기 전에는 Low값을 유지하게 된다. 즉 임계값 근처의 작은 변화에 의해 출력전압 값이 변하는 것을 막고자 할 때 이러한 특성을 이용하는 것인데, 이렇게 출력전압이 과도적으로 변하는 두 입력 값을 상측 트립점(Upper Trip Point ; UTP)과 하측 트립점(Lower Trip Point ; LTP)이라 부른다.
도 3과 같은 회로가 히스테리시스 특성을 가진 회로이다. 이 때,
Figure 112018010592853-pat00009
(2a)
Figure 112018010592853-pat00010
(2b)
라 하고 이 두 트립점 간의 차이를 히스테리시스 H라 하면 그 값은 아래와 같다.
Figure 112018010592853-pat00011
(3)
따라서, 입력파형이 어떤 교류회로가 되었든 이 회로를 거치게 되면 직각파인 펄스가 만들어진다.
한편, 도 3에서 슈미트트리거 회로의 출력은 최대치로서 양(+)의 값을, 최소치로서 음(-)의 값을 가지게 되는데 펄스발생부인 단안정발진기는 한 쪽의 펄스만을 요하기 때문에 양(+)의 펄스를 만들기 위해 도 3에서 보인 U2의 단일전원 비교기를 사용하여 양(+)의 펄스열(列)만을 출력되도록 하였다.
상기 펄스발생부에서, 구형파의 형태로 정형된 양(+)의 입력신호는 도 4에 나타낸 U3과 같은 단안정발진기로 입력된다. 단안정발진기는 신호가 입력될 때마다 하나의 펄스파형을 출력하는 특성을 가지며, 외부의 Rx-Cx 조합을 이용하여 펄스폭이 일정한 펄스파형을 생성한다. 출력펄스의 폭을 w라 하면
Figure 112018010592853-pat00012
(4)
에 의하여 주파수가 변해도 일정한 상수의 펄스폭이 생성된다. 즉, 입력신호의 주파수에 상관없이 Rx-Cx 조합에 의하여 펄스폭이 일정한 완전한 펄스열(列)이 생성되는 것이다. 방전주기를 T라 하면, 이 범위 안에는 펄스의 개수가 fT 만큼 존재한다. 따라서 이 단계에서 펄스의 평균 전압 Va는
Figure 112018010592853-pat00013
(5)
이다. 여기서 a[V]는 펄스의 진폭, w[sec]는 펄스폭, f[cycle/sec]는 입력신호의 주파수이다. 이 방정식에 의하면 펄스폭과 펄스진폭이 일정하므로 평균전압은 입력신호의 주파수 f에 선형적으로 비례하게 된다.
상기 적분부에서, 저주파필터를 통과한 펄스형태의 신호는 도 5와 같은 적분기에 입력되어 일정기간 동안 적분된다. 주기 동안의 적분 값 Vo'는
Figure 112018010592853-pat00014
(6)
이며, 여기서, T는 적분주기로서 주기 방전부에서 설정한 일정한 기간이다. 이 회로는 매 주기마다 동일한 적분활동을 하게 된다. 주기 T만큼 적분한 후, 주기의 끝에서 적분치를 방전시켜 0으로 만들어 다음 적분신호를 기다린다. 또한 주기 T는 주기결정회로에서 설정한 시간으로 펄스발생회로를 Reset 시키는 주기와 동일하다.
상기 방전부에서는, 적분기에서 입력펄스의 직류 값을 적분한 후 이 값을 0으로 방전시켜 다음 직류전압 값을 적분하도록 해주는 회로이다. 아날로그 스위치를 써서 매주기 끝에서 적분회로의 출력 측을 접지시켜 그 전압을 0으로 만든다. 도 6과 같이, 펄스발생전원과 저항과 스위칭트랜지스터를 이용하여 일정한 주기의 Reset 신호를 만들게 하였다. 이는 펄스발생기의 Reset 신호로 쓰이고 적분신호의 피크치를 읽어내는 신호로 사용되며, 이 주기는 입력신호의 주파수의 주기보다 짧다.
상기 이득조정부에서는, 일정시간 동안 적분기를 통하여 적분된 전압 값을 도 7과 같은 비반전 증폭기를 통하여 이득을 조정한다. 이 회로는 변환하고자 하는 주파수의 범위를 정하여 이에 맞도록 출력전압의 범위를 규정하기 위한 전압조정기이다. 도 7과 같은 회로에서 이득은
Figure 112018010592853-pat00015
Figure 112018010592853-pat00016
(7)
이다. 여기서 Vo'는 이득조정회로로 입력되는 적분기의 평균전압이다. 방정식(7)의 [ ] 부분은 상수이므로 출력전압 Vo는 입력신호의 주파수 f에 선형적으로 정비례한다는 것을 알 수 있다.
상기 필터부에서, 이득조정회로를 거친 전압은 톱니파로서 교류이다. 따라서, 이를 직류전압으로 변환시키기 위해 도 8과 같은 평활회로를 사용한다. 이 평활회로는 저주파필터로서, 이 필터를 거쳐서 완전한 직류형태의 전압이 출력된다. 도 8에서 U7은 필터의 입력과 출력 측의 임피던스를 정합시키기 위한 버퍼이다. 최종 출력은 방정식(7)의 결과와 동일하다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스발생회로에서 사용하는 단안정발진기의 출력 펄스열을 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 적분회로에서 사용하는 적분기의 출력신호와 최종 출력전압을 나타낸 그래프이며, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 입력신호의 주파수 변화에 따른 출력전압의 선형적인 변화를 측정 주파수별 출력을 적분톱니파의 피크 값으로 나타낸 그래프이고, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 입력신호의 주파수 변화에 따른 최종 직류 출력전압의 값을 확대하여 나타낸 그래프이다.
본 발명에서 개발한 회로의 성능을 검증하기 위해 회로의 각 소자에 다음 표 1의 값들을 적용하여 시뮬레이션하였다.
표 1. 부품의 회로 적용 값
comp. values comp. values
VDD +15V R8 100
VSS -15V R9 4.7K
U1 AD847 R10 2K
U2 AD847 R11 POT 100K
U3 CD4538B R12 100
U4 74HC00 R13 30
U5 AD847 R14 30
U6 AD847 R15 1K
U7 AD847 Rx 720
R1 10K C1 100P
R2 1M C2 1U
R3 1K C3 500P
R4 1K C4 10U
R5 100 C5 10U
R6 330 Cx 10N
R7 200 M1 IRF034
상기 값들에 입력하고, 입력신호 주파수가 100㎑인 정현파인 경우를 시뮬레이션한 결과는 도 9와 도 10과 같다. 도 10은 펄스발생회로에서 생성된 펄스열(列)이며, 각 주기의 reset 신호기간 동안에는 펄스를 발생시키지 못한다. 적분회로에서는 주기 동안의 펄스열(列)을 적분하게 된다.
도 10의 톱니파는 적분회로에서 적분된 교류신호를 이득조정회로에서 증폭시킨 파형이며, 평활회로를 거친 최종출력은 완전한 직류전압이 되었음을 보여준다. 입력주파수를 10㎑부터 시작하여 100㎑까지 10㎑ 단위로 변화시키면서 적분기를 거쳐서 이득조정된 톱니파의 피크치와 최종 출력된 직류전압을 측정한 결과는 표 2와 같다.
표 2. 출력전압
frequency peak vtg.(V) output vtg.(V)
10k 0.6932 0.3102
20k 1.4786 0.6281
30k 2.1908 0.9657
40k 2.9345 1.2776
50k 3.7029 1.6086
60k 4.4908 1.9289
70k 5.3036 2.2637
80k 6.0674 2.5893
90k 6.8686 2.9122
100k 7.7145 3.2382
입력신호의 주파수 변화에 따른 출력전압의 선형적인 변화를 관찰하기 위해 표 2에 의하여 측정 주파수별 출력을 그래프로 나타낸 것이 도 11에서 보인 결과이다. 도 11에서 가로 좌표의 단위는 ㎑이다. 도 11에서 보면, 톱니파의 피크치나 최종 직류전압 값 모두가 입력신호의 주파수 대비 선형적으로 정비례하여 변한다는 것을 확인할 수 있다. 최종출력전압을 얼마로 할 것인가는 이득조정 증폭기에서 그 값을 결정해주면 된다. 또한, 도 12는 입력주파수 대비 최종 직류 출력전압을 좀 더 확대한 것이다.
상술한 바와 같은, 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치는 원자력발전소에서 방사선을 측정하고 원자로의 출력을 제어하는 노외 중성자속 감시계통이나 원자로 제어봉 또는 연계논리 계통 등의 신호주파수를 전압으로 변환하는 데에 사용되는 발전소 제어를 위한 주파수-전압변환기 용도로 적용할 수 있으므로 그 적용대상이 광범위하다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 이해할 수 있을 것이다.
10 : 파형정형부 20 : 펄스발생부
30 : 적분부 40 : 방전부
50 : 이득조정부 60 : 필터부
70 : 직류전압 변환장치 A : 입력신호
B : 출력신호

Claims (6)

  1. 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치에 있어서,
    입력측에 교류신호인 입력신호가 들어오면 슈미트트리거 비교기에 의해 구형파신호가 생성하는 파형정형부와;
    상기 파형정형부에서 생성된 신호가 입력될 때마다 하나의 펄스파형을 출력하는 단안정발진기를 거쳐 외부의 Rx-Cx 조합을 이용하여 펄스폭이 일정한 펄스열(列)을 생성하는 펄스발생부와;
    상기 펄스발생부에서 생성된 펄스신호를 주기 결정부에서 결정된 주기만큼 적분하여 값을 판독하는 적분부와;
    상기 적분부에서 판독한 주기 동안의 적분 전압을 방전시켜 다음 신호를 기다리는 방전부와;
    상기 방전부에서의 매 방전주기마다 적분부를 통하여 적분된 전압 적분 값을 비반전 증폭기를 통하여 이득을 조정하는 이득조정부와;
    상기 이득조정부를 거친 톱니파인 교류전압를 직류전압으로 변환시키기 위해 필터를 거쳐서 원하는 직류형태의 전압으로 출력신호를 출력하게 하는 필터부; 를 포함함을 특징으로 하는 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 파형정형부에서의 출력이 양(+)으로 포화되었을 때 비반전입력에 인가되는 입력전압은
    Figure 112018010592853-pat00017
    이고, 출력이 음(-)으로 포화되었을 때 비반전입력에 인가되는 입력전압은
    Figure 112018010592853-pat00018
    이며, 상기 Vs은 연산증폭기의 포화전압이고, 상기 출력신호 중 일부가 입력 측으로 되돌아가는 귀환율 B는
    Figure 112018010592853-pat00019
    인 것을 포함함을 특징으로 하는 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 펄스발생부에서는 펄스의 개수가 입력되는 교류전압의 주파수와 동일하므로 입력신호의 주파수에 상관없이 Rx-Cx 조합에 의하여 펄스폭이 일정한 완전한 펄스열(列)이 생성되는 것을 포함함을 특징으로 하는 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 방전부에서는 펄스발생전원과 저항과 스위칭트랜지스터를 이용하여 일정한 주기의 Reset 신호를 만들게 하고, 상기 일정한 주기의 Reset 신호는 펄스발생기의 Reset 신호로 사용되고, 적분신호의 피크치를 읽어내는 신호로 사용되며, 상기 주기는 입력신호의 주파수의 주기보다 짧은 것을 포함함을 특징으로 하는 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 이득조정부에서의 이득은
    Figure 112018010592853-pat00020
    Figure 112018010592853-pat00021
    이고, Vo'는 이득조정회로로 입력되는 적분기의 평균전압이며, 방정식의 [ ] 부분은 상수이므로 출력전압 Vo는 입력신호의 주파수 f에 선형적으로 정비례하는 것을 포함함을 특징으로 하는 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 필터부에서는 저주파필터를 사용하는 것을 포함함을 특징으로 하는 교류신호 주파수의 직류전압 변환장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112803842A (zh) * 2020-12-25 2021-05-14 珠海格力电器股份有限公司 脉冲频率的处理方法、电路、装置、存储介质和处理器

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