Умножитель частоты

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как генератор синосуидальных колебаний при калибровке измерительных каналов различных систем. Целью изобретения является 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 постоянных напряжений разных уровней, первый 4 и второй 5 резистивные делители напряжения , пороговый формирователь б разнополярных прямоугольных импульсов, блок 7 интегрирования, формирователь 8 управляющих импульсов, амплитудный детектор 9, управляемый усилитель 10, фильтр 11. Импульсы с выхода порогового формирователя 6 поступают на вход формирователя 8 управляющих импульсов, который формирует однополярные управляющие импульсы со скважностью 1/2, следующие друг за другом , эти импульсы поступают на управляющий вход управляемого усилителя 10, коэффициент передачи которого принимает значение +1 или -1 и на выходе которого появляется сигнал в виде последовательности разнополярных прямоугольных импульсов , а фильтр выделяет основную гармонику. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

,М

r Ulrl а СОВЕТСКИХ тт. i!ИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,Е, 1 (51)5 Н 03 В 19/14

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПЛТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ

3 (21) 4901927/09 (22) 11.01.91 (46) 07.01.93. Бюл. N 1 (71) Научно-исследовательский институт импульсной техники (72) Б,Г,Келехсаев (73) Б.Г.Келехсаев (56) Авторское свидетельство СССР

N 771781, кл. Н 03 В 19/14, 05.12.78. (54) УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как генератор синосуидальных колебаний при калибровке измерительных каналов различных систем. Целью изобретения является 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

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к умножителям частоты электрических сигналов, и может быть использовано как генератор синусоидальных колебаний пр>л калибровке измерительных каналов различных систем. При этом к умножителю предьявляется требование обеспечения линейной зависимости амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного, большого диапазона изменения коэффициента умножения и незначительных гармонических искажений выходного синусоидального сигнала.

Известны умножители. построенные по принципу íелинейно о преобразования

„.,5lJ 1787313 АЗ сигналы треугольной формы, пиковый детектор 2, формирователь 3 постоянных напряжений разных уровней, первый 4 и второй 5 резистивные делители напряжения. пороговый формирователь 6 раэнополярных прямоугольных импульсов. блок 7 интегрирования, формирователь 8 управляющих импульсов, амплитудный детектор 9, управляемый усилитель 10, фильтр 11, Импульсы с выхода порогового формирователя

6 поступают на вход формирователя 8 управляющих импульсов, который формирует однополярные управляющие импульсы со скважностью 1/2, следующие друг за другом, эти импульсы поступают на управляющий вход управляемого усилителя 10, коэффициент передачи которого принимает значение "+1" или "-1" и на выходе которого появляется сигнал в виде последовательности разнополярных прямоугольных импульсов, а фильтр выделяет основную гармонику. 1 з. и. ф-лы, 3 ил. сигнала и выделения из него высших гармоник.

Один из умножителей частоты построен на амплитудном ограничителе с суммированием сигналов. В таком умножителе трудно обеспечить линейную связь между амплитудой выходного гармонического сигнала и амплитудой входного сигнала, так как составляющие высших гармоник уменьшаются нелинейно, а при уменьшении входного сигнала до десятков милливольт выделение высших гармоник становится невозможным. Коэффициент умножения устройства не превышает m 10.

Другой умножитель основан на использовании фазового принципа умножения ча1787313

30

55 стоты, он содержит и-фазный преобразователь и перемножитель, выполненный иэ ипоследовательных демодуляторов. Наличие большого количества демодуляторов обеспечивает хорошую линейную зависимость по амплитуде между выходными и входными сигналами и коэффициент умножения, определяемый количеством демодуляторов, однако с увеличением коэффициента умножения"и количества демодуляторов значительно усложняется конструкция умножителя и он становится неудобным в ис, пользовании.

Третий умножитель содержит формирователь гармоник, селективный фильтр и корректирующую RC-цепочку с регулируемой постоянной времени, Этот умножитель обеспечивает хорошую линейную зависимость йо амплитуде между выходным и входным сигналами и достаточно большой коэффициент умножения m < 20. При малых коэффициентах умножения выходной сигнал имеет небольшие гармонические искажения, которые возрастают с увеличением коэффициента умножения и, кроме того, коэффициент может прийимать только дискретные значения в =

=2, 3, 4 и т. д.

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

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных существенных признаков и достигаемому эффекту является умножитель частоты (авт, св, СССР М 771781), Умножитель частоты содержит последовательно соединенные преобразователь сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы. пиковый детектор, первый резистивный делитель напряжения и пороговый формирователь разнополярных прямоугольных импульсов, причем вход преобразователя сигналов подключен к входу устройства, блок интегрирования, выход которого подключен ко второму опорному . входу порогового формирователя разнополярных импульсов, второй резистивный делитель напряжения, подключенный к третьему входу порогового устройства, электронный ключ, параллельно соеди- ненный с конденсатором. включенный в обратную связь блока интегрирования, и формирователь управляющих импульсов, выход которого подключен к управляющему входу электронного ключа, а вход подключен к выходу порогового формирователя.

Диапазон изменения коэффициента умножейия onределяется диапазоном изменения коэффициента преобразования делителя напряжения и может достигать больших значений m 10 .

Умножитель характеризуется нелиней5 ной .зависимостью амплитуды выходного сигнала от входного и при этом полностью изменена форма выходного сигнала (синусоидальный сигнал преобразуется в импульсную последовател ьность), что

10 недопустимо в ряде практических применений, Целью изобретения является обеспечение линейной зависимости амплитуды выходных сигналов от амплитуды входных сигналов умножителя и уменьшение нелинейных искажений выходного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в умножитель частоты, содержащий последовательно соединенные преобразователь

20 сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, пиковый детектор, первый резистинный делитель напряжения и пороговый формирователь разнополярных прямоугольных импульсов, причем вход преобразователя сигналов подключен к входу устройства, формирователь управляющих импульсов, второй резистивный делитель напряжения, блок интегрирования, выход которого подключен к второму опорному входу порогового формирователя разнополярных прямоугольных импульсов, выход которого подключен к входу формирователя управляющих импульсов, дополнительно введены последовательно соединенные амплитудный детектор, управляемый усилитель и фильтр, а также формирователь постоянных напряжений разных уровней, первый вход которого подключен к выходу пикового детектора, второй его вход является входом регулируемого опорного напряжения, первый выход подключен к входу второгО резистивного делителя напряжения, выход которого подключен к третьему опорному входу порогового формирователя разнополярных прямоугольных импульсов, четвертый и пятый опорные входы которого подключены, соответственно к второму и третьему выходам формирователя постоянных напряжений разных уровней, выход порогового формирователя раэнополярных прямоугольных импульсов соединен с входом блока интегрирования импульсов, выход формирователя управляющих импульсов подключен к управляющему входу управляемого усилителя, вход амплитудного детектора соединен с входом преобразователя сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, а выход фильтра является выходом умножителя частоты; формирователь постоянных напря178 313 жений разных уровней содержит первый инвертор и последовательно соединенные инвертирующий сумматор и второй инвертор, при этом вход первого инвертора соединен с первым входом инвертирующего

10 сумматора и является первым входом формирователя постоянных напряжений разных уровней, вторым входом которого является второй вход инвертирующего сумматора, при этом выход первого инвертора, выход инвертирующего сумматора и выход стоянных напряжений разных уровней представлена на фиг, 2, Формирователь содержит первый инвертор 12 и последовательно соединенные инвертиру:ощий сумматор 13 и второй инвертор 14, при этом вход первого инвертора 12 соединен с первым входом инвертирующего сумматора 13 и является второго инвертора является, соответственно, первым, вторым и третьим выходами формирователя постоянных напряжений разных уровней, На фиг. 1 приведена функциональная

15 первым входом формирователя 3 постоянных напряжений разных уровней, вторым входом которого является вход инвертирующего сумматора 13, при этом выход первого инвертора 12, выход инвертируюсхема предлагаемого умножителя; на фиг.

2 — структурная схема формирователя; на фиг. 3 — временные диафрагмы работы устройства.

Умножитель содержит преобразователь 1 сигналов синусоидальной формы в

20 щего сумматора 13 и выход второго инвертора 14 являются, соответственно, первым, вторым и третьим выходами формирователя 3 постоянных напряжений разных уровней. сигналы треугольной формы, пиковый детектор 2, формирователь 3 постоянных напряжений разных уровней, резистивные

30 торый формирует на выходе постоянное напервому входу формирователя 3 постоянных напряжений разных уровней и к входу первого резистипного делителя напряжения; к второму входу формирователя 3 подключен источник регулируемого опорного с выхода пикового детектора 2 поступает на первый вход формирователя 3 постоянных напряжений разных уровней, на второй его вход поступает регулируемое опорное нэнапряжения Uan, первый выходформирователя 3 подключен к входу второго резистивного делителя напряжения 5; выходы делителей 4 и 5 подключены к первому и

45 пряжение 0оп.

Формирователь 3 постоянных напряжений разных уровней преобразует постоянтретьему входам порогового формирователя 6 разнополярных прямоугольных импульсов, соответственно; к выходу порогового формирователя 6 подключены вход формирователя управляющих импульсов 8 и вход ное напряжение Uz в напряжение — Uz на первом выходе, в напряжения Uз = (U2+ Uon) 50 на втором выходе и — U = - (U» + Uîoï) на третьем выходе. Напряжения + Uz (с выхода пикового детектора 2) и - Uz (с первого выхода формирователя 3) поступают соответблока интегрирования 7, выход которого подключен ко второму опорному входу порогового формирователя 6. четвертый и пятый опорные входы которого подключественно, на резистивные делители 4 и 5, которые имеют одинаковый коэффициент ны, соответственно; к второму и третьему делен; я m выходам формирователя 3 постоянных на- С выходов этих делителей снимают напряжений разных уровней: амплитудный пряжения,равныеповеличинеипротивопо. делители 4 и 5 напряжений, пороговый формирователь 6 разнополярных прямоугольных импульсов, блок 7 интегрирования, формирователь 8 управляющих 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 преобразователя 1 подключен к входу устройства; выход пикового детектора 2 подключен к детектор 9, регулируемый усилитель 10 и фильтр 11 соединены последовательно, причем вход амплитудного детектора 9 подключен к входу устройства, выход фильтра

11 подключен к выходу устройства, ко второму (управляющему) входу управляемого усилителя 10 подключен выход формирователя управляющих импульсов 8, Структурная схема формирователя 3 поУстройство работает следующим образом, Входной синусоидальный сигнал Usx поступает на вход преобразователя 1 сигналов синусоидэльной формы в сигналы треугольной формы, фиг. 2.1, на выходе которого в течение каждого периода колебаний формируются колебания треугольной формы, амплитуда которых пропорциональна Т—

35 длительности полупериода Ui (T), фиг, 2,2. .Сигнал U> (Т) с выхода преобразователя 1 поступает на вход пикового детектора 2, ко. пряжение Uz, соответствующее по величине

40 амплитуде напряжения треугольной формы

U< (T), фиг. 2.3. Постоянное напряжение Uz

1787313

10

20

30 ложные по знаку, которые являются пороговымии напряжениями Un1 =- Uz/m и Оп2 =

=-- 02/m, и поступают на первый и второй входы порогового формирователя 6 разнополярных прямоугольных импульсов.

Напряжения + Оз и - Оз со второго и третьего выходов формирователя 3 постоянных напряжений поступают на четвертый и пятый входы порогового формирователя 6, соответственно, и являются напряжениями питания для его выходных каскадов. Пороговый формирователь 6 с напряжениями питания + Оз и - Оз на его входах в совокупности с блоком интегрирования 7 являются, по существу, генератором прямоугольных разнополярных импульсов, которые формируются на выходе порогового формирователя 6 и имеют частоту выходных колебаний живых, а на Выходе блока интегpMpoBBHvl5I 7 формируются треугольные импульсы той же частоты, фиг. 2.4, Амплитуда прямоугольных импульсов равна 10з - U I, где U1 соответствует падению напряжения на выходном каскаде порогового формирователя 6 и его величина приблизительно равна напряжению Опп, Величину напряжения Ucn регулируЮт так, чтобы амплитуда напряжения прямоугольных импульсов была равна величине напряжения Uz: Оз - Uon I = 1Оз - 0 I = Uz

Частота следования импульсов определяется отношением величин напряжений

1Оз - Uonl и Un — напряжения питания выходных каскадов, в также постоянной времени т. = RC блока 7 интегрирования, Время нарастания треугольного импульса определяется по известной формуле (5, а1: — т — г, (1), Un1 — 0nz 6 1 — Unz — (0з — 14п1 Тй — 14пТ

Подставляя в (1) значения напряжений

Un u I Ug - Uon I, получим

Uztm + 021m 2 r

02 m

Время спада ten òðåóãîëüíoão импульса определяется аналогично по формуле:

UnZ + Un1 27

Тсп =— (03 — Uоп) — — т= —.

Частота следования прямоугольных импульсов на выходе порогового формирователя 6 (а также и треугольных импульсов);

1 Ь1 1 8ых = — — —, при п1 = 1, 1Вых =

1н + си 4 Г 4т

Подбирая т из соотношения: г = 1/4

1вых, получаем равенство входных и выходных частот сигнала, а при наличии коэффиЦИЕНта ДЕЛЕНИЯ ГП: живых = П1 Âõ

Импульсы с выхода порогового формирователя 6 поступают на вход формирователя управляющих импульсов 8, который формирует однополярные импульсы логической "единицы" и логического "нуля" со скважиностью 1/2, следующие друг за другом, фиг, 2.5. Эти импульсы поступают на управляющий вход управляемого усилителя

10, а на его первый вход с выхода амплитудного детектора 9 поступае постоянное напряжение 04, равное амплитуде сигнала, фиг, 2,6.

Коэффициент передачи усилителя 10 в зависимости от значений сигнала на его управляющем входе в виде логических "нулей" или "единиц" принимает, соответственно, значения "+1" или "-1", на выходе его появляется сигнал в виде последовательности разнополярных прямоугольных импульсов с частотой алых = m f>x и амплитудой, равной амплитуде входного сигнала

Эта последовательность импульсов поступает на вход фильтра 11, который выделяет из входного сигнала основную гармонику, имеющую частоту felix =. m 4x фиг. 2,7, Таким образом, на выходе умножителя частоты будут неискаженные гармонические колебания заданной частоты и амплйтудой, линейно связанной с амплитудой входного сигнала, в частности, амплитуда сигнала на входе и выходе устройства одинаковы, Коэффициент умножения устройства может меняться в широких пределах от единиц до нескольких сотен, что обусловлено возможностями конструкции делителей напряжения.

Одним из достоинств умножителя является то, что с других его выходов можно снимать сигналы выходной частоты и в форме либо прямоугольных {с выхода порогового формирователя 6), либо треугольных (с выхода блока интегрирования 7), либо однополярных(с выхода формирователя управляющих импульсов 8), и эти последовательности импульсов также могут найти разнообразные применения.

Еще одним из достоинств умножителя является то, что при изменении периода входных колебаний в несколько раз коэффициент умножения не будет изменяться. Это обьясняется тем, что коэффициент умножения определяется отношением порогового напряжения, снимаемого с делителя, и выходного напряжения порогового формирователя, которое устанавливается равным 02

1787313

10

40

50 с помощью регулирования величины 0„, т. е, входному напряжению делителей. Таким образом, при увеличении периода, например, в два раза напряжение Ug также возрастет в два раза, во столько же раз возрастет пороговое напряжение. а отношение их не изменится.

При необходимости выходные каскады порогового устройства могут быть выполнены высоковольтными и период входных колебаний может меняться в широких пределах без изменения коэффициента умножения.

Умножитель частоты выполнен на стандартных элементах — цифровых микросхемах и операционных усилителях.

Ниже приведен один из примеров работы устройства.

На вход умножителя подается синусоидальный сигнал амплитудой U =2 В и частотой 4х = =1 Гц, Преобразователь 1 будет формировать напряжение за время полупериода входного сигнала Т = 0,5 с, для чего соответствующим образом выбирают постоянную времени интегратора, входящего в состав преобразователя 1, и на его выходе будет линейно-нарастающий сигнал амплитудой Uz = 5 В, Это напряжение через пиковый детектор 2 поступает на формирователь постоянных напряжений 3, а амплитуду напряжения, формируемого преобразователем 1, выбирают из тех соображений, чтобы напряжение со второго и третьего выходов формирователя постоянных напряжений 3

Оз = «+ (Ug + Uon) по величине лежало в диапазоне «+ (3-15) В. В этом диапазоне лежат допустимые значения напряжений питания выходных каскадов порогового формирователя 6. Падение напряжения на выходных каскадах порогового формирователя 6 составляет Π— 1 В, а так как значение Uon подбирается так, чтобы 0 = Uon то на его четвертый и пятый входы будет поступать напряжение Оз = " (02+ Ооп) =

=:"6 В.

Напряжения с выхода пикового детектора+ Uz =5 В и с первого выхода формирователя 3 - Uz = - 5 В поступают на делители

4 и 5, соответственно. Для получения частоты выходного сигнала, например, f > =

=-50 Гц, устанавливают переключатель делителей на коэффициент деления m = 50 и получают на выходе делителей напряжения

Un1 = 100 мВ и Un2 = - 100 мВ, соответственно, В блоке интегрирования 7 параметры

RC-цепочки подбирают, исходя из удовлетворения равенства (2): т = 0,25 с и подбирают величины навесных элементов R =

=.250 к0м и С вЂ” -1 мкФ. На выходе порогового формирователя 6 формируются рэзнополярные прямоугольные импуль".û частотой

fBblx = 50 Гц и амплитудой 02 = I 03- Uon I =

5 В, для чего в небольших пределах (сотни милливольт) регулируют величину напряжения Uon на втором входе формирователя 3 с помощью резистивного делителя, подключенного к источнику положительного напряжения питания, общего в системе питания устройства (на схеме не показано). На выходе блока интегрирования 7 формируются прямоугольные импульсы частотой 50 Гц и амплитудой 100 мВ.

Разнополярные прямоугольные импульсы с выхода порогового формирователя

6 поступают на вход формирователя управляющих импульсов 8 и преобразуются в прямоугольные однополярные импульсы путем ограничения входных импульсов по уровню и полярности усилителем-ограничителем, входящим в состав формирователя

8. Импульс, соответствующий логической

"единице", имеет амплитуду 4 В, а соответствующий логическому "нулю" — 0,5 В, С помощью триггеров и логических элементов, входящих в состав формирователя 8, эти импульсы преобразуются в импульсы со скважистостью 1/2.

При выходном сигнале амплитудой 2 В на выходе амплитудного детектора 9 устанавливается постоянное напряжение 2 В, которое поступает на вход управляемого усилителя, коэффициент передачи которого

"+1" или "-1" управляется импульсами с выхода формирователя управляющих импульсов 8, С выхода управляемого усилителя 10 снимают раэнополярные импульсы амплитудой 2 В и частотой f>bi> 50 Гц, из которых фильтр 11 отфильтровывает первую гармонику частотой f>ux = 50 Гц и амплитудой 2 В, Заявляемый умножитель частоты предполагается использовать преимущественно именно в области низкочастотных и инфранизкочастотных колебаний, например в сейсмологии. В указанном диапазоне заявляемый умножитель частоты также обеспечивает стабильность амплитуды не хуже 03 ь при включении на его входе генератора опорной частоты (что соответствует параметру умножителя "линейность зависимости"). Такой генератор может быть разработан специально, например на три части, так чтобы диапазон их изменения перекрывалл друг друга при коэффициенте умножения 10, а суммарныи коэффициент умножения при этом составит уже шесть порядков, что вполне достато It î п,1и калибровке измерительных каналов п п,vличных

1787313

12 областях техники, при это генератор опорной частоты будет малогабаритным и экономичным на одном операцибнном усилителе в двух микросхемах, 5

Формула изобретения . 1. Умножитель частоты, содержащий последовательно соединенные преобразователь сигналов синусоидальной формы в сигHBhbl треугольной формы, вход которого 10 является входом умножителя частоты, пиковый детектор, первый резистивный делитель напряжения и пороговый формирователь разнополярных прямоугольных импульсов, формирователь управляющих 15 импульсов, второй резистивный делитель напряжения, блок интегрирования, выход которого подключен к второму опорному входу noporoeoro формирователя разнополярных йрямоугольных импульсов, выход 20 которого подключен к входу формирователя управляющих импульсов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью обеспечения линейной зависимости амплитуды выходных сигналов от амплитуды входных сигналов и 25 уменьшения нелинейных искажений выходных сигналов, введены последбвателънб соединенные амплитудный детектор, управляемый усилитель и фильтр, а также формирователь постоянных напряжений 30 разных уровней, первый вход которого подключен к выходу пикового детектора, а второй вход которого является входом . регулируемого опорного напряжения, а первый вход которого подключен к входу второ- 35 го резистивного делителя напряжения, выход которого подключен к третьему опорному входу порогового формирователя разнополярных прямоугольных импульсов, четвертый и пятый опорные входы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам формирователя постоянных напряжений разных уровней, выход порогового формирователя разнополярных прямоугольных импульсов соединен с входом блока интегрирования, выход формирователя управляющих импульсов подключен к управляющему входу управляемого усилителя, вход амплитудного детектора соединен с входом преобразователя. сигналов синусоидальной формы в сигналы треугольной формы, а выход фильтра является выходом умножителя частоты.

2. Умножитель частоты по и. 1, о тл ич а ю шийся тем, что формирователь постоянных напряжений 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 является первым входом формирователя постоянных напряжений разных уровней, вторым входом которого является второй вход инвертирующего сумматора, при этом выход первого инвертора; выход инвертирующего сумматора и выход второго инвертора являются соответственно первым, вторым и третьим выходами формирователя постоянных напряжений разных уровней, 1787313

-г

-200

Составитель Т. Кудряшова

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н. Гунько

Редактор

Заказ 275 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям npin ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101

1И

140 1601802002И2402Б0280300 ЮГ.,Х

+ + Ьл) 7 6/у)