SU1278896A1 - Quadratic voltage-to-frequency converter - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах, а также дл  предварительной обработки переменных высокочастотных сигналов. Цель изобретени  - расширение частотного диапазона и повьшение точности. Достижение указанной цели осуществл етс  за счет введени  двух источников образцового положительного и отрицательного тока, двух двухпозиционных переключателей, компаратора и сумматора с соответствующими св з ми . Работа преобразовател  происходит циклически, причем каждый цикл работыпреобразовател  состоит из двух тактов, в которых осуществл етс с  перезар д емкости интегратора. S 1 ил. СО сThe invention relates to automation and computing and can be used in analog computers, as well as for pre-processing of variable high-frequency signals. The purpose of the invention is to expand the frequency range and increase accuracy. Achieving this goal is accomplished by introducing two sources of exemplary positive and negative current, two two-position switches, a comparator and an adder with the appropriate connections. The operation of the converter occurs cyclically, with each cycle of operation of the converter consisting of two cycles, in which the integrator's capacity is recharged. S 1 Il. SO with

Description

Изобретение относитс  к автоматике и вычислительной техн1же и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах, а также дл  предварительной обработки переменных высокочастотных сигналов.The invention relates to automation and computing technology and can be used in analog computers, as well as for pre-processing of variable high-frequency signals.

Цель изобретени  - расширение частотного диапазона и повышение точности .The purpose of the invention is to expand the frequency range and improve accuracy.

На чертеже представлена структурна  схема квадратичного преобразовател  напр жени  в частоту.The drawing shows a quadratic voltage to frequency converter circuit diagram.

Преобразователь содержит интегратор 1, повторитель 2 напр жени , интегрирующий конденсатор 3, два компаратора 4 и 5, три двухпозицион- ных переключател  6-8, три источника 9-11 образцового положительного и отрицательного тока, сумматор 12.The converter contains integrator 1, voltage follower 2, integrating capacitor 3, two comparators 4 and 5, three two-position switches 6-8, three sources 9-11 of exemplary positive and negative current, adder 12.

Квадратичный преобразователь напр жени  в частоту работает следующим образом. .The quadratic voltage-to-frequency converter operates as follows. .

При отсутствии входного напр жени и без учета выходных токов источников 10 и 11 на вход компаратора 4,In the absence of input voltage and without taking into account the output currents of sources 10 and 11 to the input of the comparator 4,

образованного операционным усилителем и двум  резисторами, подают пороговое напр жение отрицательной по- .л рности - и , а двухпозиционхый переключатель 6 находитс  в нижнем положении. В этом случае происходит зар д конденсатора 3 посто нным током IQ источника 9 образцового тока . Напр жение в точке а измен етс  линейно (зар д идет посто нным током ) до момента равенства его пороговому напр жению - U. В момент равенства напр жени  в точке а пороговому напр жению срабатывает компаратор 4. В результате измен етс  пол рность порогового напр жени , а переключатель 6 переводитс  в верхнее положение. Происходит процесс перезар да конденсатора 3 током Ig, при этом напр жение в точке а измен етс  также линейно, но в противоположную сторону до момента ра- венства его пороговому напр жению Up В момент равенства вновь срабатывает компаратор 4, измен   тем самым пол рность порогового напр жени  и переключа  переключатель 6. Далее цикл работы повтор етс . Таким образом, цикл работы преобразовател  состоит из двух тактов. В первом такте переключатель 6 находитс  в нижнем положении, пороговое напр жение отрицательно, во втором такте пере278896 2formed by the operational amplifier and two resistors, the threshold voltage of negative polarity is supplied - and, and the dip switch 6 is in the lower position. In this case, the capacitor 3 is charged by a constant current IQ of the source 9 of the reference current. The voltage at point a varies linearly (the charge goes with direct current) until it equals its threshold voltage - U. At the time that the voltage at the point equals the threshold voltage, the comparator 4 is triggered. As a result, the polarity of the threshold voltage changes and the switch 6 is moved to the upper position. The process of recharging capacitor 3 with current Ig occurs, and the voltage at point a also changes linearly, but in the opposite direction until its threshold voltage Up is equal. At the moment of equality the comparator 4 is again triggered, thereby changing the polarity of the threshold voltage switch 6. Next, the operation cycle is repeated. Thus, the work cycle of the converter consists of two cycles. In the first cycle, the switch 6 is in the lower position, the threshold voltage is negative, in the second cycle, the rest 278896 2

ключатель 6 нахсздитс  в верхнем положении , пороговое напр жение положительно .the key 6 is raised in the upper position, the threshold voltage is positive.

Работа схемы при указанном вьппеThe operation of the circuit at the specified type

условии описыва тс  уравнени ми т.the condition is described by the equations m.

о about

ТгTg

ИAND

, -2и„ , -2i „

где Тwhere t

о и Тo and t

0 t0 t

Т 2П J-2 T 2P J-2

(1)(one)

(2)(2)

5five

00

- длительности соответственно первого и второго тактов;- the duration of the first and second cycles, respectively;

С, - емкость конденсатора 3. Реша  уравнени  (1) и (2) относительно Т, и Т J определ ем частоту следовани  импульсов на выходе преобразовател C, is the capacitance of capacitor 3. Solving equations (1) and (2) with respect to T, and T J determine the pulse frequency at the output of the converter

0 0

1one

Т +ТT + T

i, f iji, f ij

4 и„С,4 and „С,

(3)(3)

отора  носит название начальной частоты преобразовател .This is called the initial frequency of the transducer.

Рассмотрим работу преобразовател  при подключении на вход переменного напр жени .Consider the operation of the converter when connected to the input of a variable voltage.

Сумматор 12 осуществл ет суммирование выходного напр жени  интегратора и пилообразного напр жени , форируемого при зар де конденсатора 3 опорным током +1, В остальном работа п реобразовател  ие отличаетс  от работы преобразовател  при отсутст- ВИИ входного сигнала.The adder 12 performs the summation of the output voltage of the integrator and the sawtooth voltage, which is shaped by charging the capacitor 3 with the reference current +1. Otherwise, the conversion operation is different from the operation of the converter with no input signal.

Процессы в течение одного цикла преобразовани  описьшаютс  уравне-Processes during one cycle of conversion are described by

ни миnot mi

lollloll

-2U -2U

nn

(4)(four)

UxTzUxtz

2U 2U

n n

(5)(five)

где Uxwhere ux

среднее на интервале Т, -Hj значение входного напр жени ;the average value of the input voltage on the interval T, -Hj;

, - посто нна  времени интегратора 1. Решив уравнение (4) и (5) относительно Т . и Т, is the time constant of the integrator 1. Solving equation (4) and (5) with respect to T. and t

г g

получают вьфажениеget a puff

дл  выходной частоты преобразовател for the output frequency of the converter

UxCUxc

и, 1,1 and 1,1

и, Сand, C

4 и„ l7r4 and „l7r

fo-SUK. fo-suk.

где S where s

4 и4 and

h оh o

- посто ннын коэффициент , определ емый параметрами преобразовател  .- constant coefficient determined by the parameters of the converter.

Последнее выражение представл ет собой функцию преобразовани  предлагаемого устройства. The last expression is a conversion function of the proposed device.

Дл  достижени  поставленной цели в преобразователь введены источники 10 и 11 тока, переключатели 7 и и компаратор 5. Последний обеспечивает работу интегратора 1 в линейном режиме благодар  тому, что при достижении выходным напр жением интегратора 1 одного из его пороговых уровней компаратор 5 посредством переключател  7 измен ет пол рность тока, подаваемого на вход интегратора 1. При этом выходное напр жени интегратора 1  вл етс  суммой результатов интегрировани  входного напр жени  U (t) и тока с выхода источника 10. Дл  того, чтобы это не сказывалось на нормальном функционировании преобразовател , компаратор 5 одновременно с переключением переключател  7 осуществл ет переключение переключател  8, через который выходные токи источника 11 поступают на интегрирующий конденсатор 3.To achieve this goal, current sources 10 and 11, switches 7 and and comparator 5 are introduced into the converter. The latter ensures that integrator 1 operates in linear mode because when the output voltage of integrator 1 reaches one of its threshold levels, the comparator 5 changes by The polarity of the current supplied to the input of the integrator 1. In this case, the output voltage of the integrator 1 is the sum of the results of integrating the input voltage U (t) and the current from the output of the source 10. In order for this not to be During the operation of the converter, the comparator 5 simultaneously with the switching of the switch 7 switches the switch 8, through which the output currents of the source 11 are fed to the integrating capacitor 3.

Покажем, что токи I источников 10 и 11 не оказывают вли ни  на выходную частоту преобразовател . Действительно , на один из входов сумматора 12 поступает результат интегрировани  выходного тока источника 10 При верхнем положении переключател  7 на соответствующем входе сумматора 12 присутствует напр жениеLet us show that the currents I of sources 10 and 11 do not affect the output frequency of the converter. Indeed, one of the inputs of the adder 12 receives the result of integrating the output current of the source 10 When the switch 7 is in the upper position, a voltage is present at the corresponding input of the adder 12

и. (t) I I dt.and. (t) I I dt.

1 Cj J1 Cj J

На другом входе сумматора 12 присутствует напр жение tAt the other input of the adder 12 there is a voltage t

U,(t)-J--J -I dtU, (t) -J - J -I dt

поскольку переклю чатель В находитс  в нижнем положении. При равенстве номиналов конденсаторов С( и €2 сумма напр жений U,(t) и U2(t) равнsince switch B is in the lower position. With equal values of capacitors C (and € 2, the sum of the voltages U, (t) and U2 (t) is equal to

нулю, т.е. значение токов I источников 10 и 11 не оказывает вли ние на процесс. Противоположное состо ние процесса формировани  напр же- НИИ и,(t) и ) повтор етс  аналогично с той разницей, что в выражение дл  U| (t) входит значение тока -I, а в вьфажение дл  Uj (t) - значение тока I.zero, i.e. the value of the currents I of sources 10 and 11 does not affect the process. The opposite state of the process of formation of stress and, (t) and) is repeated similarly with the difference that in the expression for U | (t) includes the value of the current -I, and the discharge for Uj (t) is the value of current I.

fOfO

5five

00

5five

00

5five

00

5five

00

Claims (1)

Изобретение относитс  к автоматике и вычислительной техн1же и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах, а также дл  предварительной обработки переменных высокочастотных сигналов. Цель изобретени  - расширение час тотного диапазона и повышение точности . На чертеже представлена структурна  схема квадратичного преобразовател  напр жени  в частоту. Преобразователь содержит интегратор 1, повторитель 2 напр жени , интегрирующий конденсатор 3, два компаратора 4 и 5, три двухпозиционных переключател  6-8, три источника 9-11 образцового положительного и отрицательного тока, сумматор 12. Квадратичный преобразователь напр жени  в частоту работает следующим образом. . При отсутствии входного напр жени и без учета выходных токов источников 10 и 11 на вход компаратора 4 образованного операционным усилителем и двум  резисторами, подают пороговое напр жение отрицательной по .л рности - и , а двухпозиционхый переключатель 6 находитс  в нижнем положении. В этом случае происходит зар д конденсатора 3 посто нным током IQ источника 9 образцового тока . Напр жение в точке а измен етс  линейно (зар д идет посто нным током ) до момента равенства его пороговому напр жению - U. В момент равенства напр жени  в точке а пороговому напр жению срабатывает компаратор 4. В результате измен етс  пол рность порогового напр жени  а переключатель 6 переводитс  в верхнее положение. Происходит процесс перезар да конденсатора 3 током Ig, при этом напр жение в точке а измен етс  также линейно, но в про тивоположную сторону до момента ра венства его пороговому напр жению Up В момент равенства вновь срабатывает компаратор 4, измен   тем самым пол рность порогового напр жени  и переключа  переключатель 6. Далее цикл работы повтор етс . Таким образом, цикл работы преобразовател  состоит из двух тактов. В первом так те переключатель 6 находитс  в нижнем положении, пороговое напр жение отрицательно, во втором такте пере6 2 лючатель 6 нахсздитс  в верхнем полоении , пороговое напр жение положиельно . Работа схемы при указанном вьппе словии описыва тс  уравнени ми т. , -2и„ 0 t Т 2П J-2 - длительности соответственно первого и второго тактов; С, - емкость конденсатора 3. Реша  уравнени  (1) и (2) относиельно Т, и Т J определ ем частоту ледовани  импульсов на выходе преобразовател  4 и„С, отора  носит название начальной частоты преобразовател . Рассмотрим работу преобразовател  при подключении на вход переменного напр жени . Сумматор 12 осуществл ет суммирование выходного напр жени  интегратора и пилообразного напр жени , форируемого при зар де конденсатора 3 опорным током +1, В остальном работа п реобразовател  ие отличаетс  от работы преобразовател  при отсутстВИИ входного сигнала. Процессы в течение одного цикла преобразовани  описьшаютс  уравне- среднее на интервале Т, -Hj где Ux значение входного напр жени ; , - посто нна  времени интегратора 1. Решив уравнение (4) и (5) относительно Т . и Т получают вьфажение дл  выходной частоты преобразовател  и, 1,1 fo-SUK. 4 и„ l7r где S - посто ннын к эффициент, о редел емый п раметрами пре образовател  Последнее выражение представл е собой функцию преобразовани  предлагаемого устройства. Дл  достижени  поставленной цели в преобразователь введены источники 10 и 11 тока, переключатели 7 и и компаратор 5. Последний обеспечивает работу интегратора 1 в линейном режиме благодар  тому, что при достижении выходным напр жением интегратора 1 одного из его пороговых уровней компаратор 5 посредством переключател  7 измен ет пол рность тока, подаваемого на вход интегратора 1. При этом выходное напр жени интегратора 1  вл етс  суммой результатов интегрировани  входного напр жени  U (t) и тока с выхода ис точника 10. Дл  того, чтобы это не сказывалось на нормальном функционировании преобразовател , компаратор 5 одновременно с переключением переключател  7 осуществл ет переключение переключател  8, через который выходные токи источника 11 поступают на интегрирующий конденсатор 3. Покажем, что токи I источников 10 и 11 не оказывают вли ни  на выходную частоту преобразовател . Дей ствительно, на один из входов сумма тора 12 поступает результат интегри ровани  выходного тока источника 10 При верхнем положении переключател  7 на соответствующем входе сумма тора 12 присутствует напр жение и. (t) I I dt. 1 Cj J На другом входе сумматора 12 присутствует напр жение t U,(t)-J--J поскольку переключатель В находитс  в нижнем положении. При равенстве номиналов конденсаторов С( и €2 сумма напр жений U,(t) и U2(t) равн нулю, т.е. значение токов I источников 10 и 11 не оказывает вли ние на процесс. Противоположное состо ние процесса формировани  напр жеНИИ и,(t) и ) повтор етс  аналогично с той разницей, что в выражение дл  U| (t) входит значение тока -I, а в вьфажение дл  Uj (t) значение тока I. Формула изобретени  Квадратичный преобразователь напр жени  в частоту, содержащий интегратор , вход которого  вл етс  информационным входом преобразовател , повторитель напр жени , первый компаратор , выход которого  вл етс  выходом преобразовател  и подключен к управл ющему входу первого двухпозиционного переключател , подключенного выходом к первой обкладке интегрирующего конденсатора, а сигнальными входами - к выходам первого источника образцового положительного и отрицательного тока, отличающийс  тем, что, с целью расширени  частотного диапазона и повыпшни  точности, в него введены второй компаратор, сумматор, второй и третий двухпозиционные переключатели , BTOpofi и третий источники образцового положительного и отрицательного тока, подключенные выходами к сигнальным входам соответственно второго и третьего двухпозиционных переключателей, соединенных выходами соответственно с входом интегратора и входом повторител  напр жени , соединенного с первой обкладкой интегрирующего конденсатора, втора  обкладка которого подключена к шине нулевого потенциала, управл ющие входы второго и третьего двухпозиционных переключателей соединены с выходом второго компаратора, подключенного входом к выходу интегратора, соединенному с первым входом сумматора , подключенного вторым входом к выходу повторител  напр жени , а выходом - к входу первого компаратора .The invention relates to automation and computing technology and can be used in analog computers, as well as for pre-processing of variable high-frequency signals. The purpose of the invention is to expand the frequency range and increase accuracy. The drawing shows a quadratic voltage to frequency converter circuit diagram. The converter contains integrator 1, voltage follower 2, integrating capacitor 3, two comparators 4 and 5, three two-way switches 6-8, three sources 9-11 of exemplary positive and negative current, adder 12. Quadratic voltage-to-frequency converter works as follows . . In the absence of input voltage and without taking into account the output currents of sources 10 and 11, the input voltage of the comparator 4 formed by the operational amplifier and two resistors serves the threshold voltage of negative polarity - and the dip switch 6 is in the lower position. In this case, the capacitor 3 is charged by a constant current IQ of the source 9 of the reference current. The voltage at point a varies linearly (the charge goes with direct current) until it equals its threshold voltage - U. At the time that the voltage at the point equals the threshold voltage, the comparator 4 is triggered. As a result, the polarity of the threshold voltage changes and switch 6 is moved to the upper position. The process of recharging the capacitor 3 with the current Ig occurs, and the voltage at point a also changes linearly, but in the opposite direction until its threshold voltage Up At the moment of equality the comparator 4 is again triggered, thereby changing the polarity of the threshold voltage switch 6. Next, the operation cycle is repeated. Thus, the work cycle of the converter consists of two cycles. In the first case, the switch 6 is in the lower position, the threshold voltage is negative, in the second cycle the switch 6 is located in the upper position, the threshold voltage is positive. The operation of the circuit at the indicated hypothesis is described by the equations m., -2 and 0 t T 2P J-2 - the durations of the first and second cycles, respectively; C, is the capacitance of capacitor 3. Solving Eqs. (1) and (2) with respect to T, and T J, we determine the frequency of the study of pulses at the output of transducer 4 and "C", the receiver is called the initial frequency of the transducer. Consider the operation of the converter when connected to the input of a variable voltage. The adder 12 performs the summation of the output voltage of the integrator and the sawtooth voltage, which is shaped by charging the capacitor 3 with the reference current +1. Otherwise, the conversion operation is different from the operation of the converter in the absence of the input signal. The processes during one conversion cycle are described by the equation-average on the interval T, -Hj where Ux is the input voltage value; , is the time constant of the integrator 1. Solving equation (4) and (5) with respect to T. and T get a blowdown for the output frequency of the converter and, 1,1 fo-SUK. 4 and „l7r where S is a constant to the efficiency determined by the parameters of the transformer. The last expression is a transformation function of the proposed device. To achieve this goal, current sources 10 and 11, switches 7 and and comparator 5 are introduced into the converter. The latter ensures that integrator 1 operates in linear mode because when the output voltage of integrator 1 reaches one of its threshold levels, the comparator 5 changes by The polarity of the current supplied to the input of the integrator 1. In this case, the output voltage of the integrator 1 is the sum of the results of the integration of the input voltage U (t) and the current from the output of the source 10. In order that this does not It was said on the normal operation of the converter, the comparator 5 simultaneously with the switching of the switch 7 performs the switching of the switch 8, through which the output currents of the source 11 are fed to the integrating capacitor 3. Let us show that the currents I of the sources 10 and 11 do not affect the output frequency of the converter. Indeed, one of the inputs of the sum of the torus 12 receives the result of integrating the output current of the source 10. When the switch 7 is in the upper position, the corresponding input of the sum of the torus 12 contains a voltage and. (t) I I dt. 1 Cj J At the other input of the adder 12, there is a voltage t U, (t) -J - J since switch B is in the lower position. With equal values of capacitors C (and € 2, the sum of the voltages U, (t) and U2 (t) is zero, i.e. the value of the currents I of the sources 10 and 11 does not affect the process. The opposite state of the process of forming the voltage and, (t) and) is repeated in the same way with the difference that in the expression for U | (t) includes the current value -I, and the flux for Uj (t) is the current I. The invention The quadratic voltage-to-frequency converter contains an integrator whose input is the information input of the converter, the voltage follower, the first comparator whose output is the output of the converter and connected to the control input of the first two-way switch connected by the output to the first plate of the integrating capacitor, and the signal inputs to the outputs of the first source of the exemplary positive Go and negative current, characterized in that, in order to expand the frequency range and accuracy, a second comparator, an adder, a second and a third two-way switches, BTOpofi, and a third source of positive and negative current, are connected to the signal inputs of the second and the third two-position switches connected to the outputs respectively to the integrator input and the voltage repeater input connected to the first plate of the integrating capacitor, the second plate of which is connected to the zero-potential bus, the control inputs of the second and third dip switches are connected to the output of a second comparator connected by an input to the integrator's output connected to the first input of an adder connected to the voltage output of the second, and the output to the input of the first comparator. имthem