RU1787313C - Умножитель частоты - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано как генератор синосуидальных колебаний при калибровке измерительных каналов различных систем. Целью изобретени   вл етс  обеспечение линейной зависимости амплитуды выходных сигналов от амплитуды входных сигналов и уменьшение нелинейных искажений выходных сигналов. Умножитель частоты содержит преобразователь 1 сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, пиковый детектор 2, формирователь 3 посто нных напр жений разных уровней, первый 4 и второй 5 резистивные делители напр жени , пороговый формирователь б разнопо- л рных пр моугольных импульсов, блок 7 интегрировани , формирователь 8 управл ющих импульсов, амплитудный детектор 9, управл емый усилитель 10, фильтр 11. Импульсы с выхода порогового формировател  6 поступают на вход формировател  8 управл ющих импульсов, который формирует однопол рные управл ющие импульсы со скважностью 1/2, следующие друг за другом , эти импульсы поступают на управл ющий вход управл емого усилител  10, коэффициент передачи которого принимает значение +1 или -1 и на выходе которого по вл етс  сигнал в виде последовательности разнопол рных пр моугольных импульсов , а фильтр выдел ет основную гармонику. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к умножител м частоты электрических сигналов, и может быть использовано как генератор синусоидальных колебаний прм калибровке измерительных каналов различных систем. При этом к умножителю предъ вл етс  требование обеспечени  линейной зависимости амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного , большого диапазона изменени  коэффициента умножени  и незначительных гармонических искажений выходного синусоидального сигнала.

Известны умножители, построенные по принципу нелинейного преобразовани 

сигнала и выделени  из него высших гармоник .

Один из умножителей частоты построен на амплитудном ограничителе с суммированием сигналов. В таком умножителе трудно обеспечить линейную св зь между амплитудой выходного гармонического сигнала и амплитудой входного сигнала, так как составл ющие высших гармоник уменьшаютс  нелинейно, а при уменьшении входного сигнала до дес тков милливольт выделение высших гармоник становитс  невозможным . Коэффициент умножени  устройства не превышает nrxlO.

Другой умножитель основан на использовании фазового принципа умножени  чаXJ

00 XI

со

00

со

стоты, он содержит n-фазный преобразователь и перемножитель, выполненный из п- последовэтельных демодул торов. Наличие большого количества демодул торов обеспечивает хорошую линейную зависимость по амплитуде между выходными и входными сигналами и коэффициент умножени , определ емый количеством демодул торов , однако с увеличением коэффициента умножени  и количества демодул торов значительно усложн етс  конструкци  умножител  и он становитс  неудобным в использовании .

Третий умножитель содержит формирователь гармоник, селективный фильтр и корректирующую RC-цепочку с регулируемой посто нной времени.

Этот умножитель обеспечивает хоро шую линейную зависимость rio амплитуде между выходным и входным сигналами и достаточно большой коэффициент умножени  m : 20. При малых коэффициентах умножени  выходной сигнал имеет небольшие гармонические искажени , которые возра; стают с увеличением коэффициента умножени  и, кроме того, коэффициент может принимать только дискретные значени  m 2,3,4 и т. д.

В принципе все умножители частоты, основанные на нелинейном преобразовании сигнала, имеют сравнительно невысокий коэффициент умножени .

Наиболее близким техническим решением к за вл емому по большему количеству сходных существенных признаков и достигаемому эффекту  вл етс  умножитель частоты (авт. св. СССР tsfe 771781). Умножитель частоты содержит последовательно соединённые преобразователь сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, пиковый детектор, первый резистивный делитель напр жени  и пороговый формирователь разнопол рных пр моугольных импульсов, причем вход преобразовател  сигналов подключен к входу устройства, блок интегрировани , выход которого подключен ко второму опорному входу порогового формировател  разнопол рных импульсов, второй резистивный Делитель напр жени , подключенный к третьему входу порогового устройства, электронный ключ, параллельно соединенный с конденсатором, включенный в обратную св зь блока интегрировани , и формирователь управл ющих импульсов, выход которого подключен к управл ющему входу электронногр ключа, а вход подключен к выходу порогового формировател .

Диапазон изменени  коэффициента умножени  определ етс  диапазоном изменени  коэффициента преобразовани  делител  напр жени  и может достигать больших значений т - Ю2.

Умножитель характеризуетс  нелинейной .зависимостью амплитуды выходного сигнала от входного и при этом полностью изменена форма выходного сигнала (синусоидальный сигнал преобразуетс  в импульсную последовательность), что

0 недопустимо в р де практических применений ,

Целью изобретени   вл етс  обеспечение линейной зависимости амплитуды выходных сигналов от амплитуды входных

5 сигналов умножител  и уменьшение нелинейных искажений выходного сигнала.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в умножитель частоты, содержащий последовательно соединенные преобразователь

0 сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, пиковый детектор, первый резистивный делитель напр жени  и пороговый формирователь разнопол рных пр моугольных импульсов, причем вход

5 преобразовател  сигналов подключен к входу устройства, формирователь управл ющих импульсов, второй резистивный делитель напр жени , блок интегрировани , выход которого подключен к второму

0 опорному входу порогового формировател  разнопол рных пр моугольных импульсов , выход которого подключен к входу формировател  управл ющих импульсов, дополнительно введены последовательно

5 соединенные амплитудный детектор, управл емый усилитель и фильтр, а также формирователь посто нных напр жений разных уровней, первый вход которого подключен к выходу пикового детектора, второй его

0 вход  вл етс  входом регулируемого опорного напр жени , первый выход подключен к входу второго резистивного делител  напр жени , выход которого подключен к третьему опорному входу порогового фор5 мировател  разнопол рных пр моугольных импульсов, четвертый и п тый опорные входы которого подключены, соответственно к второму и третьему выходам формировател  посто нных напр жений разных уров0 ней, выход порогового формировател  разнопол рных пр моугольных импульсов соединен с входом блока интегрировани  импульсов, выход формировател  управл ющих импульсов подключен к управл ю5 щему входу управл емого усилител , вход амплитудного детектора соединен с входом преобразовател  сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, а выход фильтра  вл етс  выходом умножител  частоты; формирователь посто нных напр жений разных уровней содержит первый инвертор и последовательно соединенные инвертирующий сумматор и второй инвертор , при этом вход первого инвертора соединен с первым входом инвертирующего сумматора и  вл етс  первым входом формировател  посто нных напр жений разных уровней, вторым входом которого  вл етс  второй вход инвертирующего сумматора , при этом выход первого инвертора, выход инвертирующего сумматора и выход второго инвертора  вл етс  , соответственно , первым, вторым и третьим выходами формировател  посто нных напр жений разных уровней.

На фиг. 1 приведена функциональна  схема предлагаемого умножител ; на фиг. 2 - структурна  схема формировател ; на фиг. 3 - временные диафрагмы работы устройства .

Умножитель содержит преобразователь 1 сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, пиковый детектор 2, формирователь 3 посто нных напр жений разных уровней, резистивные делители 4 и 5 напр жений, пороговый формирователь 6 разнопол рных пр моугольных импульсов, блок 7 интегрировани , формирователь 8 управл ющих импульсов, амплитудный детектор 9, регулируемый усилитель . 10, фильтр 11.

Блоки соединены между собой следующим образом.

Преобразователь 1 сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы и пиковый детектор 2 соединены последовательно, причем вход преобразовател  1 подключен к входу устройства; выход пикового детектора 2 подключен к первому входу формировател  3 посто нных напр жений разных уровней и к входу первого резистииного делител  напр жени ; к второму входу формировател  3 подключен источник регулируемого опорного напр жени  Don, первый выход формировател  3 подключен к входу второго резистив- ного делител  напр жени  5; выходы делителей А и 5 подключены к первому и третьему входам порогового формировател  6 разнопол рных пр моугольных импульсов , соответственно; к выходу порогового формировател  6 подключены вход формировател  управл ющих импульсов 8 и вход блока интегрировани  7, выход которого подключен ко второму опорному входу порогового формировател  6. четвертый и п тый опорные входы которого подключены , соответственно, к второму и третьему выходам формировател  3 посто нных напр жений разных уровней: амплитудный

детектор 9, регулируемый усилитель 10 и фильтр 11 соединены последовательно, причем вход амплитудного детектора 9 подключен к входу устройства, выход фильтра 511 подключен к выходу устройства, ко второму (управл ющему) входу управл емого усилител  10 подключен выход формировател  управл ющих импульсов 8.

0Структурна  схема формировател  3 посто нных напр жений разных уровней представлена на фиг, 2. Формирователь содержит первый инвертор 12 и последовательно соединенные инвертирующий сумматор 13 и второй инвертор 14, при этом вход первого инвертора 12 соединен с первым входом

5 инвертирующего сумматора 13 и  вл етс  первым входом формировател  3 посто нных напр жений разных уровней, вторым входом которого  вл етс  вход инвертирующего сумматора 13, при этом выход

0 первого инвертора 12, выход инвертирующего сумматора 13 и выход второго инвертора 14  вл ютс , соответственно, первым, вторым и третьим выходами формировател  3 посто нных напр жений разных уров5 ней.

Устройство работает следующим образом .

Входной синусоидальный сигнал UBX поступает на вход преобразовател  1 сигна0 лов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, фиг. 2.1, на выходе которого в течение каждого периода колебаний формируютс  колебани  треугольной формы, амплитуда которых пропорциональна Т 5 длительности полупериода Ui (Т), фиг, 2.2. Сигнал DI (Т) с выхода преобразовател  1 поступает на вход пикового детектора 2, который формирует на выходе посто нное на- . пр жение LJ2, соответствующее по величине

0 амплитуде напр жени  треугольной формы Ui (Т), фиг. 2.3. Посто нное напр жение U2 с выхода пикового детектора 2 поступает на первый вход формировател  3 посто нных напр жений разных уровней, на второй его

5 вход поступает регулируемое опорное напр жение Uon.

Формирователь 3 посто нных напр жений разных уровней преобразует посто нное напр жение Ua в напр жение - U2 на

0 первом выходе, в напр жени  Уз (Ua + Uon) на втором выходе и - Us - (U2 +. Uon) на третьем выходе. Напр жени  + U2 (с выхода пикового детектора 2) и - U2 (с первого выхода формировател  3) поступают соответ5 ственно, на резистивные делители 4 и 5, которые имеют одинаковый коэффициент делени  т.

С выходов этих делителей снимают напр жени , равные по величине и противоположные по знаку, которые  вл ютс  пороговыми напр жени ми Uni U2/m и Оп2 - U2/m, и поступают на первый и второй входы порогового формировател  6 разно- пол рных пр моугольных импульсов.

Напр жени  + Us и - Уз со второго и третьего выходов формировател  3 посто нных напр жений поступают на четвертый и п тый входы порогового формировател  6, соответственно, и  вл ютс  напр жени ми питани  дл  его выходных каскадов. Пороговый формирователь 6 с напр жени ми питани  + Уз и - Us на его входах в совокупности с блоком интегрировани  7  вл ютс , по существу, генератором пр моугольных разнопол рных импульсов, которые формируютс  на выходе порогового формировател  6 и имеют частоту выходных колебаний fBbix. а на выходе блока интегрировани  7 формируютс  треугольные импульсы той же частоты, фиг. 2.4.

Амплитуда пр моугольных импульсов равна I Da - U11, где Ui соответствует падению напр жени  на выходном каскаде порогового формировател  6 и его величина приблизительно равна напр жению Uon. Величину напр жени  Uon регулируют так, чтобы амплитуда напр жени  пр моугольных импульсов была равна величине напр жени  U2: lU3-Uonl IU3-U | U2.

Частота следовани  импульсов определ етс  отношением величин напр жений Шз - Uonl и Un - напр жени  питани  выходных каскадов, в также посто нной времени т RC блока 7 интегрировани .

Врем  нарастани  треугольного импульса определ етс  по известной формуле 5, . .

Uni -Una UM - Un2 /,,.

1 i t i iГ f I /

tH

- (из - ОД

Подставл   в (1) значени  напр жений Un и I Us -Uonl, получим

tH

+ U2/m +U2/m .т 2jr U2m Врем  спада tcn треугольного импульса определ етс  аналогично по формуле:

un2 +u

rit

- (U3 - Uon)

2т m

Частота следовани  пр моугольных импульсов на выходе порогового формировател  6 (а также и треугольных импульсов):

1

л

, --- --г-, при m tH + ten 4 Г

Claims (2)

1 , ffiblX -

Подбира  т из соотношени : т 1/4 Твых, получаем равенство входных и выходных частот сигнала, а при наличии коэффициента делени  m: fBbix m-fBx.

5Импульсы с выхода порогового формировател  6 поступают на вход формировател  управл ющих импульсов 8, который формирует однрпол рные импульсы логиче ской единицы и логического нул  со

10 скважиностью 1/2, следующие друг за другом , фиг. 2.5. Эти импульсы поступают на управл ющий вход управл емого усилител  10, а на его первый вход с выхода амплитудного детектора 9 поступает посто нное на15 пр жение U4, равное амплитуде сигнала, фиг. 2.6.

Коэффициент передачи усилител  10 в зависимости от значений сигнала на его управл ющем входе в виде логических нулей

20 или единиц принимает, соответственно, значени  +1 или -1, на выходе его по вл етс  сигнал в виде последовательности разнопол рных пр моугольных импульсов с частотой febix m.fBX и амплитудой, равной

25 амплитуде входного сигнала.

Эта последовательность импульсов поступает на вход фильтра 11, который выдел ет из входного сигнала основную гармонику, имеющую частоту fBbix m-fex.

30 фиг. 2.7.

Таким образом, на выходе умножител  частоты будут неискаженные гармонические колебани  заданной частоты и амплитудой , линейно св занной с амплитудой

35 входного сигнала, в частности, амплитуда сигнала на входе и выходе устройства одинаковы . Коэффициент умножени  устройства может мен тьс  в широких пределах от единиц до нескольких сотен, что обусловле40 но возможност ми конструкции делителей напр жени .

Одним из достоинств умножител   вл етс  то, что с других его выходов можно снимать сигналы выходной частоты и в

45 форме либо пр моугольных (с выхода порогового формировател  6), либо треугольных (с выхода блока интегрировани  7), либо однопол рных (с выхода формировател  управл ющих импульсов 8), и эти после50 доватёльности импульсов также могут найти разнообразные применени .

Еще одним из достоинств умножител   вл етс  то, что при изменении периода входных колебаний в несколько раз коэффи55 циент умножени  не будет измен тьс . Это объ сн етс  тем, что коэффициент умножени  определ етс  отношением порогового напр жени , снимаемого с делител , и выходного напр жени  порогового формировател , которое устанавливаетс  равным U2

с помощью регулировани  величины U0n, т. е. входному напр жению делителей. Таким образом, при увеличении периода, например , в два раза напр жение Da также возрастет в два раза, во столько же раз возрастет пороговое напр жение, э отношение их не изменитс .

При необходимости выходные каскады порогового устройства могут быть выполнены высоковольтными и период входных колебаний может мен тьс  в широких пределах без изменени  коэффициента умножени .

Умножитель частоты выполнен на стандартных элементах - цифровых микросхемах и операционных усилител х.

Ниже приведен один из примеров работы устройства.

На вход умножител  подаетс  синусоидальный сигнал амплитудой U 2 В и частотой fBx 1 Гц. Преобразователь 1 будет формировать напр жение за врем  полупе- риода входного сигнала Т 0,5 с, дл  чего соответствующим образом выбирают посто нную времени интегратора,вход щего в состав преобразовател  1, и на его выходе будет линейно-нарастающий сигнал амплитудой U2 5 В. Это напр жение через пиковый детектор 2 поступает на формирователь посто нных напр жений 3, а амплитуду напр жени , формируемого преобразователем 1, выбирают из тех соображений, чтобы напр жение со второго и третьего выходов формировател  посто нных напр жений 3

03 ± (Uz + Uon) по величине лежало в диапазоне ± (3-15) В. В этом диапазоне лежат допустимые значени  напр жений питани  выходных каскадов порогового формировател  6. Падение напр жени  на выходных каскадах порогового формировател  б составл ет U 1 В, а так как значение Uon подбираетс  так, чтобы U Uon, то на его четвертый и п тый входы будет поступать напр жение 11з ± (Ua + Uon) ±6 В.

Напр жени  с выхода пикового детектора + U2 5 В и с первого выхода формировател  3 - U2 - 5 В поступают на делители

4 и 5, соответственно. Дл  получени  частоты выходного сигнала, например, Твых -50 Гц, устанавливают переключатель делителей на коэффициент делени  m 50 и получают на выходе делителей напр жени  Uni 100 мВ и Un2 -100 мВ, соответственно .

В блоке интегрировани  7 параметры RC-цепочки подбирают, исход  из удовлетворени  равенства (2): г 0,25 с и подбирают величины навесных элементов R

250 кОми С 1 мкФ. На выходе порогового формировател  6 формируютс  разнопо- л рные пр моугольные импульсы частотой Твых 50 Гц и амплитудой Ui 1)з- Uon I 5 5В, дл  чего в небольших пределах (сотни милливольт) регулируют величину напр жени  Uon на втором входе формировател  3 с помощью резистивного делител , подключенного к источнику положительного напр - 0 жени  питани , общего в.системе питани  устройства (на схеме не показано). На выходе блока интегрировани  7 формируютс  пр моугольные импульсы частотой 50 Гц и амплитудой 100 мВ.

5 Разнопол рные пр моугольные импульсы с выхода порогового формировател  6 поступают на вход формировател  управл ющих импульсов 8 и преобразуютс  в пр - моугольные однопол рные импульсы

0 путем ограничени  входных импульсов по уровню и пол рности усилителем-ограничителем , вход щим в состав формировател  8. Импульс, соответствующий логической единице, имеет амплитуду 4 В, а соответ5 ствующий логическому нулю - 0,5 В, С помощью триггеров и логических элементов , вход щих в состав формировател  8, эти импульсы преобразуютс  в импульсы со скважистостью 1/2.

0 При выходном сигнале амплитудой 2 В на выходе амплитудного детектора 9 устанавливаетс  посто нное напр жение 2 В, которое поступает на вход управл емого усилител , коэффициент передачи которого

5 -Н или -1 управл етс  импульсами с выхода формировател  управл ющих импульсов 8.

С выхода управл емого усилител  10 снимают разнопол рные импульсы ампли0 . тудой 2 В и частотой febix 50 Гц, из которых фильтр 11 отфильтровывает первую гармонику частотой Твых 50 Гц и амплитудой 2 В. За вл емый умножитель частоты предполагаетс  использовать преимуществен5 но именно в области низкочастотных и инфранизкочастотных колебаний, например в сейсмологии. В указанном диапазоне за вл емый умножитель частоты также обеспечивает стабильность амплитуды не

0 хуже 0,3 % при включении на его входе генератора опорной частоты (что соответствует параметру умножител  линейность зависимости ). Такой генератор может быть разработан специально, например на три

5 части, так чтобы диапазон их изменени  перекрывал друг друга при коэффициенте умножени  10 , а суммарным коэффициент умножени  при этом составит шесть пор дков, что вполне достаточно при калибровке измерительных каналов Р различных

област х техники, при это генератор опорной частоты будет малогабаритным и экономичным на одном операционном усилителе в двух микросхемах. - : . .

CD ормула изобретени  1. Умножитель частоты, содержащий последовательно соединенные преобразователь сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы,вход которого  вл етс  входом умножител  частоты, пиковый детектор, первый резистивный делитель напр жени  и пороговый формирователь разнопол рных нр моугольнйх импульсов, формирователь управл ющих импульсов, второй резистивный делитель напр жени , блок интегрировани , выход которого подключен к второму опорному входу порогового формировател  разнопол рных пр моугольных импульсов, выход которого подключен к входу формировател  управл ющих импульсов, от ли ч а ю щ и й- с   тем, что, с целью обеспечени  линейной зависимости амплитуды выходных сигналов от амплитуды входных сигналов и уменьшени  нелинейных искажений выходныхсигналов , введены последоватёлъно со- единенные амплитудный детектор, управл емый усилитель и фильтр, а также формирователь посто нных напр жений разных уровней, первый вход которого подключен к выходу пикового детектора, а второй вход которого  вл етс  входом регулируемого опорнбго напр жени , а первый вход которого подключен к входу второ-

го резистивного делител  напр жени , выход которого подключен к третьему опорному входу порогового формировател  разнопол рных пр моугольных импульсов, четвертый и п тый опорные входы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам формировател  посто нных напр жений разных уровней, выход порогового формировател  разнопол рных пр моугольных импульсов соединен с входом блока интегрировани , выход формировател  управл ющих импульсов подключен к управл ющему входу управл емого усилител , вход амплитудного детектора соединен с входом преобразовател  сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, а выход фильтра  вл етс  выходом умножител  частоты.

2. Умножитель частоты по п. 1, о т л и - чаю щ и и с   тем, что формирователь посто нных напр жений разных уровней содержит первый инвертор и последовательно соединенные инвертирующий сумматор и второй инвертор, при этом вход первого инвертора соединен с первым входом инвертирующего сумматора и  вл етс  первым входом формировател  посто нных напр жений разных уровней, вторым входом которого  вл етс  второй вход инвертирующего сумматора, при этом выход первого инвертора, выход инвертирующего сумматора и выход второго инвертора  вл ютс  соответственно первым, вторым и третьим выходами формировател  посто нных напр жений разных уровней.

/

Г/ш

60 80ЮО/20т б073О20Ог2О2МгбО2#О30О

цМ

-тт

Редактор

Техред М.Моргентал

Заказ 275Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., 4/5

Фиг.2

Корректор Н. Гунько