Преобразователь частоты в напряжение

Полезная модель относится к радиотехнике и связи, которая может быть использована при построении многофазных генераторов, в управляемых фазовращателях, а также в устройствах допускового контроля, например реле частоты. В преобразователь частоты в напряжение, содержащий первый и второй фазовращатели, первый и второй пиковые детекторы, причем входы первого и второго фазовращателей соединены с входной шиной преобразователя частоты в напряжение, дополнительно введены инвертор, делитель и масштабирующий усилитель, при этом выход первого фазовращателя соединен с входом инвертора и вторым входом пикового детектора, к выходу которого подключен второй вход делителя, между выходом которого и выходом преобразователя частоты в напряжение включен масштабирующий усилитель, выход второго фазовращателя соединен с первым входом первого пикового детектора и вторым входом второго пикового детектора, к выходу которого подключен первый вход делителя, причем первый вход второго пикового детектора соединен с выходом инвертора. Первый фазовращатель выполнен из операционного усилителя, резистора и конденсатора, включенного между общей шиной и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с выходом фазовращателя, между входом которого и неинвертирующим входом операционного усилителя включен резистор. Второй фазовращатель выполнен из операционного усилителя, конденсатора и резистора, включенного между общей шиной и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с выходом второго фазовращателя, между входом которого и неинвертирующим входом операционного усилителя включен конденсатор. Первый и второй пиковые детекторы выполнены аналогично, каждый из которых включает компаратор, одновибратор и устройство выборки-хранения, выход которого соединен с выходом первого пикового детектора, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с неинвертирующим входом компаратора и вторым входом устройства выборки-хранения, первый вход которого подключен к выходу одновибратора, вход которого соединен с выходом компаратора, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной.

Использование предлагаемой полезной модели позволит получить на выходе преобразователя сигнал с высокой линейностью, пропорциональный частоте входного источника, при изменении его параметров в широком диапазоне. 1 с., 3 з.п. ф-лы полезной модели, 2 ил.

Полезная модель относится к радиотехнике и связи, которая может быть использована при построении многофазных генераторов, в управляемых фазовращателях, а также в устройствах допускового контроля, например реле частоты.

Известно устройство [1], содержащее источник гармонического сигнала и RC-цепь, обладающую свойствами реального дифференцирующего звена с передаточной функцией H(s)=[·s/(·s+1)], где =R·С - постоянная времени цепи; R - сопротивление резистора; С - емкость конденсатора; s - комплексная переменная.

Напряжение на выходе цепи зависит не только от частоты f, но и амплитуды А входного сигнала, что является существенным недостатком подобного преобразователя. Кроме того, при изменении частоты f в широких пределах неизбежно возникает дополнительная погрешность, связанная с не идеальностью дифференцирующей цепочки, поскольку коэффициент передачи реального дифференцирующего звена отличается от коэффициента передачи идеального дифференцирующего звена H_I(f)=2.

Наиболее близким устройством к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является, принятый за прототип, преобразователь однофазного напряжения в трехфазное [2], который содержит два фазовращателя и блок коррекции, выполненный из двух пиковых детекторов, двух интеграторов и двух сумматоров, при этом входы первого и второго фазовращателей соединены с входной шиной преобразователя, первый, второй и третий входы блока коррекции соединены, соответственно, с входом преобразователя однофазного напряжения в трехфазное, с выходом первого фазовращателя и с выходом второго фазовращателя.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей устройства.

Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, заключается в расширении функциональных возможностей путем получения на выходе сигнала, пропорционального частоте входного источника, при изменении его параметров в широком диапазоне.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в преобразователь, содержащий первый и второй фазовращатели, первый и второй пиковые детекторы, причем входы первого и второго фазовращателей соединены с входной шиной преобразователя частоты в напряжение, дополнительно введены инвертор, делитель и масштабирующий усилитель, при этом выход первого фазовращателя соединен с входом инвертора и вторым входом пикового детектора, к выходу которого подключен второй вход делителя, между выходом которого и выходом преобразователя частоты в напряжение включен масштабирующий усилитель, выход второго фазовращателя соединен с первым входом первого пикового детектора и вторым входом второго пикового детектора, к выходу которого подключен первый вход делителя, причем первый вход второго пикового детектора соединен с выходом инвертора.

Первый фазовращатель выполнен из операционного усилителя, резистора и конденсатора, включенного между общей шиной и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с выходом фазовращателя, между входом которого и неинвертирующим входом операционного усилителя включен резистор.

Второй фазовращатель выполнен из операционного усилителя, конденсатора и резистора, включенного между общей шиной и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с выходом второго фазовращателя, между входом которого и неинвертирующим входом операционного усилителя включен конденсатор.

Первый и второй пиковые детекторы выполнен аналогично, каждый из которых включает компаратор, одновибратор и устройство выборки-хранения, выход которого соединен с выходом первого пикового детектора, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с неинвертирующим входом компаратора и вторым входом устройства выборки-хранения, первый вход которого подключен к выходу одновибратора, вход которого соединен с выходом компаратора, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».

Введение в предлагаемый преобразователь частоты в напряжение инвертора, делителя и масштабирующего усилителя, а также выполнение пикового детектора и организация новых связей между функциональными элементами позволило получить на выходе преобразователя сигнал с высокой линейностью, пропорциональный частоте входного источника, при изменении его параметров в широком диапазоне.

Полезная модель поясняется структурной схемой преобразователя частоты в напряжение, изображенной на фиг.1 и графиками, поясняющими принцип работы преобразователя частоты в напряжение - на фиг.2.

Преобразователь частоты в напряжение содержит первый 1 и второй 2 фазовращатели, первый 3 и второй 4 пиковые детекторы, инвертор 5, делитель 6 и масштабирующий усилитель 7, причем входы первого 1 и второго 2 фазовращателей соединены с входной шиной преобразователя частоты в напряжение, выход первого фазовращателя 1 соединен с входом инвертора 5 и вторым входом пикового детектора 3, к выходу которого подключен второй вход делителя 6, между выходом которого и выходом преобразователя частоты в напряжение включен масштабирующий усилитель 7, выход второго фазовращателя 2 соединен с первым входом первого пикового детектора 3 и вторым входом второго пикового детектора 4, к выходу которого подключен первый вход делителя 6, причем первый вход второго пикового детектора 4 соединен с выходом инвертора 5.

При этом первый фазовращатель 1 выполнен из операционного усилителя 14, резистора 15 и конденсатора 16, включенного между общей шиной и неинвертирующим входом операционного усилителя 14, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с выходом фазовращателя 1, между входом которого и неинвертирующим входом операционного усилителя 14 включен резистор 15. Второй фазовращатель 2 выполнен из операционного усилителя 17, конденсатора 18 и резистора 19, включенного между общей шиной и неинвертирующим входом операционного усилителя 17, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с выходом второго фазовращателя 2, между входом которого и неинвертирующим входом операционного усилителя 17 включен конденсатор 18. Первый пиковый детектор 3 выполнен из компаратора 8, одновибратора 10 и устройства выборки-хранения 12, выход которого соединен с выходом первого пикового детектора 3, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с неинвертирующим входом компаратора 8 и вторым входом устройства выборки-хранения 12, первый вход которого подключен к выходу одновибратора 10, вход которого соединен с выходом компаратора 8, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной. Второй пиковый детектор 4 выполнен из компаратора 9, одновибратора 11 и устройства выборки-хранения 13, выход которого соединен с выходом второго пикового детектора 4, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с неинвертирующим входом компаратора 9 и вторым входом устройства выборки-хранения 13, первый вход которого подключен к выходу одновибратора 11, вход которого соединен с выходом компаратора 9, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной.

Преобразователь частоты в напряжение работает следующим образом.

На вход первого 1 и второго 2 фазовращателей поступает гармонический сигнал

где A₀ - амплитуда сигнала N ₀(t); x=t - текущее значение угла, выраженное в радианах.

После окончания переходного процесса на выходе первого фазовращателя 1 также устанавливаются гармонические колебания N₁ (t) с той же самой частотой , но с другой амплитудой А₁ и фазой ₁

а на выходе второго фазовращателя 2 - гармонические колебания N₂(t) c амплитудой A₂ и фазой ₂

Для нахождения амплитудных значений и фазовых сдвигов воспользуемся операторным методом, для этого найдем передаточные функции Н₁(s) и H₂(s), соответственно, первого 1 и второго 2 фазовращателей.

Операционный усилитель 14, резистор 15 и конденсатор 16 образуют фазовращатель 1 с передаточной функцией

где ₁=R₁·C₁ - постоянная времени фазовращателя 1; R₁ - сопротивление резистора 15; C₁, - емкость конденсатора 16; s - комплексная переменная.

Операционный усилитель 17, конденсатор 18 и резистор 19 образуют второй фазовращатель 2 с передаточной функцией

где ₂=R₂·C₂ - постоянная времени второго фазовращателя 2; R₂ - сопротивление резистора 19; С₂ - емкость конденсатора 18.

Передаточная функция Н₁(s) соответствует инерционному (апериодическому) звену первого порядка, а передаточная функция Н₂(s) - реальному дифференцирующему звену.

При R₁=R₂=R и C₁=С₂ =С передаточная функция первого фазовращателя

а передаточная функция второго фазовращателя

Подставив значение комплексной переменной s=j в уравнения (6) и (7) найдем комплексные частотные функции первого H₁(j) и второго Н₂(j) фазовращателей

Коэффициент передачи первого фазовращателя 1 (модуль комплексной частотной функции), определяющий изменение амплитуды A₁ сигнала N₁(t} от частоты =2f,

Коэффициент передачи второго фазовращателя 2

Фазовый сдвиг ₁() между выходным N₁(t) и входным N₀ (t) колебаниями определяется выражением

а фазовый сдвиг ₂() между выходным N₂(t) и входным N₀ (t) колебаниями определяется выражением

Фазовый сдвиг () между колебаниями N₂(t) и N₁(t)

Из (14) следует, что фазовый сдвиг между выходными колебаниями N₂(t) и N₁(t) при любых изменениях частоты и постоянной времени будет неизменным и составлять 90 электрических градусов.

Выходной сигнал N₁(t) будет зависеть от амплитуды A₀ входного сигнала N₀(t) и коэффициента передачи первого фазовращателя 1

Выходной сигнал N₂(t) будет зависеть от амплитуды A₀ входного сигнала N₀ (t) и коэффициента передачи второго фазовращателя 2

Первый компаратор 8 формирует из сигнала N₂(t) сигнал D₁(t) прямоугольной формы (фиг.2), а второй компаратор 9 формирует из инвертированного (с помощью инвертора 5) сигнала N₁(t) сигнал прямоугольной формы D₂(t).

Одновибраторы 10 и 11, срабатывающие по переднему фронту поступающих на их входы импульсов D₁(t) и D₂(t), формируют узкие импульсы T₁ и Т₂, поступающие на соответствующие входы первого 12 и второго 13 устройств выборки-хранения.

Поскольку время прихода импульсов T₁ и Т₂ на входы устройств выборки-хранения 12 и 13 всегда совпадает с максимальными (экстремальными) значениями соответствующих сигналов N₁(t) и N₂(t), поступающими на вторые входы устройств выборки-хранения 12 и 13, а длительность управляющих импульсов T₁ и T₂ чрезвычайно мала, то постоянные напряжения E₁ и Е₂, формируемые на выходах устройств выборки-хранения 12 и 13 будут в точности равны пиковым (амплитудным) значениям А₁ и А₂ сигналов N₁(t) и N₂(t), то есть

На выходе делителя 7 формируется сигнал

который не зависит от амплитуды A ₀ входного сигнала N₀(t), и величина F которого (при фиксированном значении постоянной времени ) будет изменяться по линейному закону при изменении частоты f входного сигнала N₀(t).

Источники информации

1. Кузнецов Э. Два аналоговых частотомера. Журнал «Радио», 2009, 7, с.74 - рис.1.

2. Авт. св-во СССР 1803955, Н02М 5/14. Дубровин B.C. Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное 1993 г., бюл. 11.

1. Преобразователь частоты в напряжение, содержащий первый и второй фазовращатели, первый и второй пиковые детекторы, причем входы первого и второго фазовращателей соединены с входной шиной преобразователя частоты в напряжение, отличающийся тем, что в него дополнительно введены инвертор, делитель и масштабирующий усилитель, при этом выход первого фазовращателя соединен с входом инвертора и вторым входом пикового детектора, к выходу которого подключен второй вход делителя, между выходом которого и выходом преобразователя частоты в напряжение включен масштабирующий усилитель, выход второго фазовращателя соединен с первым входом первого пикового детектора и вторым входом второго пикового детектора, к выходу которого подключен первый вход делителя, причем первый вход второго пикового детектора соединен с выходом инвертора.

2. Преобразователь частоты в напряжение по п.1, отличающийся тем, что первый фазовращатель выполнен из операционного усилителя, резистора и конденсатора, включенного между общей шиной и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с выходом фазовращателя, между входом которого и неинвертирующим входом операционного усилителя включен резистор.

3. Преобразователь частоты в напряжение по п.1, отличающийся тем, что второй фазовращатель выполнен из операционного усилителя, конденсатора и резистора, включенного между общей шиной и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с выходом второго фазовращателя, между входом которого и неинвертирующим входом операционного усилителя включен конденсатор.

4. Преобразователь частоты в напряжение по п.1, отличающийся тем, что первый и второй пиковые детекторы выполнены аналогично, каждый из которых включает компаратор, одновибратор и устройство выборки-хранения, выход которого соединен с выходом первого пикового детектора, первый и второй входы которого соединены соответственно с неинвертирующим входом компаратора и вторым входом устройства выборки-хранения, первый вход которого подключен к выходу одновибратора, вход которого соединен с выходом компаратора, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной.