SU1677857A1 - Широтно-импульсный модул тор - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к импульсной технике и может быть использовано в измерительных системах и системах автоматизированного управлени . Цель изобретени  - расширение диапазона преобразуемых частот при сохранении точности преобразовани . Широтно-импульсный модул тор содержит счетчик 1 импульсов.делитель 2 частоты, выходной RS-триггер 4, выходную шину 5, шины 6, 7 опорной и измер емой частот, элемент 12 совпадений. Введение в модул тор вычитател  8 опорной и измер емой частот, регистра 13, дешифратора 14. мультиплексора 15, счетного триггера 9. элементов 3. 11, 17, 18 и инверторов 10. 16 позвол ет расширить диапазон преобразуемых частот при сохранении точности преобразовани  благодар  тому, что первоначальное значение кода пропорционально квадратному корню из величины измер емой частоты, а также благодар  формированию зоны нечувствительности с помощью старших разр дов регистра, т.е. при сохранении разр  дности счетчика импульсов и делител  частоты. 5 ил. fe

Description

ON VI VI 00 СП VI

Изобретение относитс  к импульсной технике и может быть использовано в измерительных системах и системах автоматизированного управлени .

Целью изорбетени   вл етс  расширение диапазона преобразуемых частот при сохранении точности преобразовани .

На фиг. 1 приведена функциональна  схема широтно-импульсного модул тора; на фиг. 2, 3 - временые диаграммы его работы; на фиг. 4 - пример выполнени  вычи- тател  опорной и измер емой частот; на фиг. 5 - временные диаграммы его работы.

Широтно-импульсный модул тор содержит счетчик 1 импульсов, управл емый делитель 2 частоты, элемент И-НЕ 3, выходной RS-триггер 4, выходную шину 5. шину 6 опорной частоты, шину 7 измер емой частоты , вычитатель 8 опорной и измер емой частот , счетный триггер 9, инвертор 10, элемент И-НЕ 11, элемент 12 совпадений, регистр 13, дешифратор 14, мультиплексор 15, инвертор 16, элементы И-НЕ 17, 18, при этом шина б опорной частоты соединена с тактовыми входами счетчика 1 импульсов, управл емого делител  2 частоты и одним входом вычитател  8 опорной и измер емой частот, а выход - с входами инвертора 10 и счетного триггера 9, инверсный выход которого соединен с тактовым входом регистра 13, а пр мой - с первыми входами элемента И-НЕ 11 и элемента 12 совпадений, вторые входы которых соединены соответственно с выходом инвертора 10 и выходом элемента И-НЕ 3,входы которого соединены с информационными входами регистра 13 и входами счетчика 1 импульсов, вход разрешени  счета которого соединен с выходом элемента 12 совпадений, а вход установки в О -с выходом элемента И-НЕ 11 и входом установки в О управл емого делител  2 частоты , выходы которого соединены с входами дешифратора 14, выходы которого соединены с информационными входами мультиплексора 15, адресные входы которого соединены соответственно с выходами младших разр дов регистра 13, а выход - с первым входом элемента И-НЕ 18, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами старших разр дов регистра 13, а выход - с первым входом элемента И-НЕ 17 и с входом установки в 1 выходного RS-триггера 4, выход которого соединен с выходной шиной 5, а вход установки в О - с выходом элемента И-НЕ 17, второй вход которого соединен с выходом инвертора 16, вход которого соединен с первым выходом дешифратора 14,

Вычитатель 8 опорной и измер емой частот может быть выполнен на JK-триггерах

19, 20. RS-триггере 21, элементах 22, 23 совпадений , дешифраторе 24 и элементе И-НЕ 25. при этом К-входы триггеров 19, 20 соединены с общей шиной, J-входы - с шиной

Лог. 1, тактовый вход триггера 19 соединен с шиной 7 измер емой частоты, его вход установки в О - с выходом элемента 22 совпадений, а его пр мой выход - с первым входом дешифратора 24, второй вход кото0 рого соединен с пр мым выходом RS-триггера 21, а третий - с пр мым выходом триггера 20 и первым входом элемента И- НЕ 25, выход которого  вл етс  выходом вычитател , а второй вход соединен с ши5 ной 6 опорной частоты и с тактовым входом триггера 20, вход установки в О которого соединен с выходом элемента 23 совпадений , первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым

0 входами элемента 22 совпадений и первым и вторым выходами дешифратора 24, третий выход которого соединен с третьим входом элемента 23 совпадений и входом установки в О триггера 21, а четвертый выход - с

5 третьим входом элемента 22 совпадений и входом установки в 1 триггера 21.

Широтно-импульсный модул тор работает следующим образом.

Счетный триггер 9 делит импульсы раз0 ностной частоты на 2 (эпюры фиг.2г). На выходе элемента 11 формируютс  узкие импульсы разностной частоты, поделенной на 2 (эпюры фиг.2е), которые используютс  дл  начальной установки счетчика 1 и делител 

5 2 в нулевое положение. С приходом первого импульс разностной частоты (фиг.2в) все триггеры счетчиков 1 и делител  2 устанавливаютс  в нулевое положение. Триггер 9 опрокидываетс  в состо ние 1 (эпюры

0 фиг.2г). На выходе элемента 3 потенциал равен 1, по входам и на выходе элемента 12 потенциалы равны 1, поэтому счетчик 1 и делитель 2 начинают измен ть свои состо ни  в соответствии с эпюрами фиг.2ж-о. На

5 инверсном выходе триггера 9 Qg О, этот потенциал поступает на тактовый вход С регистра 13 и запрещает запись информации в триггеры регистра 13. С приходом второго импульса разностной частоты

0 (фиг.2в) триггер 9 опрокидываетс  в противоположное состо ние. При этом потенциал Qg 0 через элемент 12 поступает на вход V разрешени  счета счетчика 1. При V 1 счетчик 1 работает в режиме делени  вход5 ной частоты. При V 0 триггеры счетчика не переключаютс , счетчик работает в режиме хранени  записанной информации.

Регистр 13 работает в режиме параллельного ввода (на входы D1-D5) - параллельного вывода (с выходов QI-IV- 61-5)

информации. Запись информации с входов на выходы регистра осуществл етс  при поступлении положительного фронта J (0,1) напр жени  по тактовому входу С.

Вычитатель 8 частот с элементами 9-12. осуществл ет следующие функции: при f0 fu импульсы разностной частоты форми- руютс  на выходе вычитател  8 частот. Триггер 9 делит эти импульсы на 2 и формирует полупериоды с потенциалом Qg, равным 1 и О, с частотой

fo-fu

выходе элемента 11 формируютс  узкие имfo -fu пульсы с частотой причем момент

по влени  этих импульсов совпадает с на- чалом положительного полупериода импульса Qg (эпюры фиг.2в-е).

Полупериод частоты с потенциалом Qg 1 назовем тактом записи. С началом этого такта счетчик 1 и делитель 2 обнул ютс  узким импульсом с выхода элемента 11 и начинают мен ть свои состо ни  по мере поступлени  импульсов fo. Регистр 13 заблокирован сигналом по входу С Qg О, его триггеры сохран ют прежнее состо ние , записанное до начала такта записи.

Следующий полупериод частоты

Ј t

-2-х--  вл етс  тактом считывани , при

этом импульс на выходе элемента 11 не формируетс , потенциал Qg 0. Счетчик 1 потенциалом V 0 останавливаетс , регистр положительным фронтом импульса 0-9 ,1) переписывает содержимое счет- чика 1 на свои выходы.

С формированием 3-го импульса частоты (fo-fu)(фиг.2г) потенциал Qg 1, формируетс  узкий импульс по выходу элемента 11, это следующий такт записи. Счетчик 1 и делитель 2 обнул ютс  и начинают заполн тьс  импульсами f0, регистр 13 хранит состо ние, записанное в предыдущий полутакт записи, процесс повтор етс .

Таким образом, часть устройства на эле- ментах 1, 3. 8-13 преобразует разность частот (fo-fu) в код, мен ющийс  один раз за

fo-fu

интервал времени в функции

входной частоты fu.

Моменты по влени  импульсов f0, fu, такты записи и считывани  и импульсы на выходах триггеров счетчика и делител  в функции текущего значени  времени приведены на фиг. 2 и 3 при различных соотноше- ни х частот f0 и fu.

Работа дешифратора 14 в зависимости от потенциалов напр жений, поступающих

5

10

15 20 25

OQ

35

40 45

50

55

на его входы, по сн етс  табл. 1, В табл. 1 индексами X обозначены входы дешифратора , индексами Y - его выходы.

В качестве RS-триггера используетс  триггер, который при подаче О на вход R принимает состо ние 0 0, при подаче О на вход S - состо ние Q 1, при подаче 1 на входы R и S остаетс  в прежнем состо нии .

Работа мультиплексора 15 заключаетс  в том. что в зависимости от потенциалов по его адресным входам на выходе мультиплексора подключаетс  один из инвертированных сигналов, поступающих на его информационные входы, согласно табл. 2.

Потенциалы на выходах счетчика 1 при поступлении импульсов f0 на тактовый вход Т приведены в табл. 3. Потенциалы приведены в предположении, что счетчик работает в режиме делени  частоты при потенциале разрешающего входа V 1.

В табл. 4 приведены потенциалы на выходах триггеров делител  2 частоты при отсутствии управл ющих сигналов по входам R триггеров, т.е. при R 1.

В зависимости от соотношений между значени ми частот f0 и fu можно выделить три рабочие области работы устройства:

1)между соседними импульсами вычитател  8 частоты формируетс  не более 24 импульсов частоты f0;

2)между соседними импульсами вычитател  8 частоты формируетс  от 25 до 31 импульса частоты f0;

3)между соседними импульсами вычитател  8 частоты формируетс  32 и более импульсов частоты f0.

Дл  первой рабочей области в такт записи счетчик 1 с приходом импульса с потенциалом входы R с выхода элемента 11 переходит в первое состо ние согласно табл, 3, делитель 2 частоты - в первое состо ние согласно табл. 4. При этом согласно табл. 1 формируетс  потенциал О на выходе У1 дешифратора 14, который через элементы 16 и 17 поступает на вход R триггера 4 и переводит его в состо ние Q4 0.

На выходах триггеров старших разр дов регистра 13 Qi-4 и QI-S формируютс  потенциалы в состо ни х 1-14 согласно табл. 3. Один или оба из них имеют при этом потенциал О, то есть на выходе элемента 18 потенциал всегда будет соответствовать Г, а выходной RS-триггер 4 всегда будет оставатьс  в состо нии QA - 0. Таким образом , если между соседними импульсами вычитател  8 частоты формируетс  не более 0-24 импульса частоты fo, то на выходе устройства формируетс  посто ный сигнал 04 0.

Дл  второй рабочей области, когда между соседними импульсами вычитател  8 частоты fo-fu формируетс  от 25 до 31 импульса частоты f0, на выходах старших разр дов регистра 13 Q-м и Qi-s потенциалы равны 1, поэтому нет внешней блокировки элемента Т8 (по его входам И, запускаемым от регистра 13, поступают потенциалы 1), в этой области существует пропорциональна  зависимость между величиной кода и шириной выходного импульса устройства.

Дл  получени  характеристики с изменением относительной длительности импульса от О до 1 с увеличением числа импульсов от 25 до 31 должна пропорционально увеличиватьс  длительность импульса с состо нием 1.

Проанализируем два крайних случа . Пусть между двум  соседними импульсами вычитател  8 частоты fo-fu формируетс  25 импульсов частоты f0. Этот случай иллюстрируетс  эпюрами фиг. 2 и характеризуетс  окончанием такта записи при 25-м состо нии счетчика 1 согласно табл. 3.

Если в промежуток времени Твых 1 -гт- поступает 25 импульсов частоты f0 и

TO и

24 импульса частоты fu, то можно высчитать величину частоты fui начала диапазона регулировани , прин в конкретно величину опорной частоты f0 1000 Гц. Твых.1 25-То 24TMI; fui fo 24/25 960 Гц.

В начале такта считывани  по выходам счетчика 1 сформирован сигнал QM 0, Qi-2 0, Qi-з 0, Qi-4 1, Qi-5 1, который согласно табл. 3 соответствует 25-му состо нию счетчика 1. Дл  статического состо ни , при неизменной частоте fu fui. по мере прихода 1-51 импульсов частоты f0 (эпюры фиг. 2) на выходе мультиплексора 15 А1-АЗ подаютс  сигналы А1 О, А2 О, A3 0. При этом согласно таблице истинность работы мультиплексора 15 (табл. 2) на выход мультиплексора 15 подаетс  инвертированный сигнал с его входа Х1, который соединен с выходом У8 дешифратора 14. Согласно таблице истинности работы дешифратора 14 (табл.1) на выходе У8 формируетс  потенциал У8 0 при подаче на входы дешифратора 14 потенциала Х1 1, Х2 1, ХЗ 1. Согласно табл. 4 такие потенциалы на выходах триггеров делител  2 частоты формируютс  с приходом каждого 8-го импульса по тактовому входу Т делител  2.

Анализ эпюр фиг. 2 показывает, что при записи на триггерах регистра 13 25-го состо ни  счетчика 1 согласно табл. 3 на выходе устройства формируютс  импульсы с длительностью в 1/8 часть периода выходного напр жени  (1/8 часть периода с состо нием 1).

Проанализируем ситуацию, когда меж- ду двум  соседними импульсами вычитател  8 частоты f0-fu поступает 31 импульс частоты f0 и 30 импульсов частоты fu (фиг.З). Вычислим частоту fU2 конца диапазона регулировани  при to 1000 Гц,

Твых.2 змо fu2 frf зо/31

967,74 Гц.

Таким образом, при изменении длительности выходного устройства по всему диапазону регулировани  изменение изме- 5 р емой частоты составл ет 967,74 - 960 7,74 Гц. Относительное изменение частоты 7.7-100%,

д%

64

;0,8%

составл ет величину менее 1 %.

В начале такта считывани  (эпюры фиг. 3) по выходам счетчика 1 сформирован сигнал QM 0, Qi-2- Qi-5 1, который согласно табл. 3 соответствует 31-му состо нию счетчика 1. Дл  статического состо ни  при неизменной частоте fu fui, по мере прихода 1-70 импульсов частоты f0 на входы мультиплексора 15 А1-АЗ поступают сигналы А1 О, А2 1, A3 1. При этом согласно таблице истинности работы мультиплексора 15

(табл. 5) на выход мультиплексора 15 подаетс  инвертированный сигнал с его входа Х7, который соединен с выходом У2 дешифратора 14. Согласно таблице истинности работы дешифратора 14 (табл. 1) на выходе У2

формируетс  потенциал У2 0 при подаче на входы дешифратора Х1 1, Х2 О, ХЗ 0. Согласно табл. 4 такие потенциалы на выходах триггеров делител  2 частоты формируютс  с приходом каждого второго импульса

по тактовому входу Т делител  2.

Анализ эпюр фиг. 4 показывает, что при записи на триггерах регистра 13 31-го состо ни  счетчика 1 согласно табл. 3 на выходе устройства формируютс  импульсы с длительностью в 7/8 часть периода выходного напр жени .

Дл  третьей рабочей области, когда между двум  соседними импульсами вычитател  8 частоты формируютс  32 и более

импульсов частоты f0, от 32-го импульса (согласно табл. 3) на выходе элемента 3 формируетс  потенциал О, который поступает на вход разрешени  счета V счетчика 1 и блокирует его работу в 32-м состо нии.

При V 0 счетчик 1 хранит ранее записанную информацию. При подаче нулевого потенциала на вход R счетчика 1 его триггеры переход т в состо ние Qi-icr - Qi-5cr 0, то есть Y 1, блокировка снимаетс . Поэтому в начале каждого такта записи счетчик 1

переходит в 1-е состо ние согласно табл. 3. На выходах триггеров регистра 13 записаны потенциалы QM - Ch-s 1 (32-е состо ние). На адресных входах мультиплексора 15 при этом А1 - A3 1. Согласно таблице истинности мультиплексора 15 (табл. 2) при этом на его выход подключаетс  инвертированный сигнал с его входа Х8, который соединен с выходом У1 дешифратора 14. Согласно таблице истинности работы дешифратора 14 (табл. 1)на выходеУ1 формируетс  потенциал У1 0 при подаче на его входы потенциалов Х1 - ХЗ 0. Согласно табл. 4 такие потенциалы на выходах триггеров делител  2 частоты формируютс  с приходом каждого 1-го импульса по тактовому сьходу Т делител  2. Импульс с потенциалом О с выхода элемента 18 поступает на вход элемента 17 и создает на его выходе потенциал 1, тем самым блокиру  прохождение сигнала с потенциалом О на вход R триггера 4.

Таким образом, в третьей рабочей области по входу R RS-триггера 4 не формируютс  потенциалы R 0, по входу S регул рно проход т импульсы с потенциалом О, поэтому триггер 4 посто нно находитс  в положении .

Исход  из принципа работы устройства, можно написать следующие уравнени , характеризующие его работы:

, T0NU1 Tul(Nui-l); T0(Nui+10) TU2(NU1+10-1)

О)

где То - период импульсов частоты f0;

Tui, TU2 периоды импульсов частоты fu в начале и в конце интервала .регулировани , соответствующие частотам fui и fU2;

NU1, Nui+10 - код входной частоты в начале и конце интервала регулировани .

Уравнени  (1) можно переписать следующим образом:

T0Nui TU1 (Nui - 1 ) ,„.

T0(NU1 +10) Tu2(Nui +10 -1 )( При допущении, что fu2 fui+10, уравнение преобразовываетс  в вид

Nui2 + 9Nui-(fui + 101 0(3)

При допущении, что Nur 9Nui; fui Ю, пол учаем следующее выражение:

Nui ,(4)

Таким образом, первоначальное значение кода пропорционально не текущему значению измер емой частоты, а корню квадратному из его величины.

В устройстве прин т следующий принцип формировани  зоны нечувствительности (0 - fui} и получени  регулировочной характеристики. Код измер емой частоты fu рассматриваетс  в виде кода младших разр дов (Ом - Qi-з) и кода старших разр дов

Qt-4. Ch-s). Младшие разр ды используютс  дл  формировани  всех значений регулируемой длительности е пределах (1/8 - 7/8) относительной длительности ШИМ ГцЫх .э

старшие дл  получени  крайних значений О и 1 и блокировки устройства в этих положени х в зонах нечувствительности.

В последней графе габл. 3 приведены значени  гвы в функции общего кода регистрз 13. Как следует из анализа работы устройства, при смене 25-31 состо ний кода Ni /Ni (25-31)/ относительна  длительность выходных импульсов ШИМ мен етс  в пределах (1 /8-7 - 8).

Анализиру  вес состо ни  младших

разр дов счетчика 1 по табл. 3, видим, что состо ни  25-31 младших разр дов повтор ютс  периодически по мере нарастани  кода: при значени х кода 1-7, 9-f, 17-23,

25-3 i могли бы формироватьс  значени  регулируемой длительности в пределах (1/8 - У/8).

С помощью старших разр дов формируютс  состо ни  О в пределах кода N (0-24) и состо ни  1 в пределах кода Ni 32 (если счетчик 1 имеет больше 32 состо ний ),

При разделении функций старших и младших разр дов регистра 13 нет необходимости в сравнении накопленного кода с кодом одной установки, вычитани  кодов с помощью другой установки, что значительно упрощает схему устройства в целом. В предлагаемом устройстве в пределах

зоны регулировани  при NJ 0-24 относительна  длительность выходного импульса равна 0; при N, 25-31, гвых 1/8-7/8; при NI 32 Гвых 1, т.е. минимальное значение относительной длительности выходного

импульса равно 0, максимальное - 1, полный динамический диапазон преобразовани  равен eft .

Анализ работы устройства показывает, что разр дность счетчика 1 определ ет диапазон преобразовани  часгэты fu, в пределах которого относительна  длительность выходного импульса устройства (выход См триггера 4) измен етс  от 0 до 1.

Чем больше триггеров входит в состав

счетчика 1, тем уже диапазон преобразуемых частот fu, тем выше коэффициент преобразовани .

Число разр дов делител  2 частоты определ ет дискретность изменени  ширины

импульса на выходе устройства. Чем больше триггеров входит в состав делител  2 частоты, тем большее число уровней изменени  длительности импульса выходного напр жени  имеетс  на выходе устройства.

Легка  перестрзиваемость диапазон преобразовани  и необходимой дискретности изменени  выходной характеристики  вл етс  достоинством предложенного устройства .

Таким образом, введение в широтно- импульсный модул тор новых элементов и св зей позволило расширить диапазон преобразуемых частот при сохранении точности преобразовани  благодар  тому, что первоначальное значение кода пропорционально квадратному корню из величины измер емой частоты, а также формированию зоны нечувствительности с помощью старших разр дов регистра, т.е. при сохранении разр дности счетчика и делител  частоты.

Использование счетчика импульсов и делител  частоты дл  формировани  диапазона преобразуемых частот и дискретности изменени  выходного импульса обеспечивает легкую перенастройку устройства дл  различных областей работы и независимость этих параметров от характеристик элементов.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Широтно-импульсный модул тор, содержащий счетчик импульсов, тактовый вход которого соединен с тактовым входом управл емого делител  частоты и шиной опорной частоты, элемент совпадени , выходной RS-триггер, выход которого соединен с выходной шиной, и шину измер емой частоты, отличающийс  тем, что, с целью расширени  диапазона преобразуемых частот при сохранении точности преобразовани , в него дополнительно введены

   0

   вычитатель опорной и измер емой частот, регистр , дешифратор, мультиплексор, счетный триггер, четыре элемента И-НЕ и два инвертора , при этом входы вычитател  опорной и измер емой частот соединены с шинами опорной и измер емой частот, а его выход - с входами первого инвертора и счетного триггера, инверсный выход которого соединен с тактовым входом регистра, а пр мой выход - с первыми входами первого элемента И-НЕ и элемента совпадений, вторые входы которых соединены соответственно с выходами первого инвертора и второго элемента И-НЕ, входы которого соединены с 5 информационными входами регистра и выходами счетчика импульсов, вход разрешени  счета которого соединен с выходом элемента совпадений,а вход установки в О - с выходом первого элемента И-НЕ и входом установки в О управл емого делител  частоты, выходы которого соединены с входами дешифратора, выходы которого соединены с информационными входами мультиплексора, адресные входы которого соединены соответственно с выходами младших разр дов регистра, а выход - с первым входом третьего элемента И-НЕ, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами старших разр дов регистра, а выход - с входом установки в 1 выходного RS-триггера и первым входом четвертого элемента И-НЕ, выход которого соединен с входом установки в О выходного RS-триггера, а второй вход - с выходом второго инвертора, вход которого соединен с первым выходом дешифратора.

   0

   5

   0

   5

   Т а б л и ц а 1

   Таблица 2

   О О I I I I О О

   о о

   I о I о

   4

   о I о I о

   01

   6

   8 L 9 S «7

   е г

   i

   У Л1в }f и и g в аГ

   i98U9l

   f 1J U U U U U U U U U U U UU U U

   U U U U U U Ll U U U LTLTU U UU U LJTJ U LJTJ LI U UU U U U

   - 1I

   1.

   гю оо г-- г to

   U LJ L

   ииии

   3:

   д Мф п

   JT

   fy

   /-/,

   о

   1-2.

   О

   S-l,

   о

   т

   т

   Ґ-1

   /9

   П

   О

   и и и и1 и1 и и

   /-;

   U U LJULJ UU U ииТГиии /-;

   Q

   $

   4

   Л CJ4

   f-si 5i