Цифроаналоговое дифференцирующее устройство

Данное устройство предназначено для вычисления производной от частотно-импульсного сигнала по времени Принцип построения его основан на непрерывном сравнении каждого текущего периода с предыдущим в цифровой форме, выделении разности в виде временного интервала (длительности импульса) и преобразовании его в аналоговый сигнал [37]. Такой принцип построения цифрового дифференциатора позволяет существенно повысить его быстродействие и точность.

Структурная схема дифференцирующего устройства показана на рис. 30, а. Она содержит схему управления включающую генератор тактовых импульсов, схему синхронизации и логические элементы управления; три счетчика импульсов две группы схем совпадения две схемы выделения разности соответствующего знака и преобразователь временного интервала в аналоговый сигнал

Генератор тактовых импульсов вырабатывает две последовательности импульсов одинаковой частоты, сдвинутые по фазе на 180°. Тактовая частота используется для заполнения счетчиков — для синхронизации импульсов входного сигнала. Кроме того, тактовые частоты используются для управления схемами выделения разности соответственно. Выход схемы , воздействуя на схему управления, разрешает работу схемы при (сигнал ).

Рис. 30. (см. скан) Структурная схема (а) и временные диаграммы (б) цифроаналогового дифференцирующего устройства

В схеме управления имеются также логические элементы, обеспечивающие установку начальных условий, запуск счетчиков и обмен информацией между ними в моменты поступления каждого следующего импульса в зависимости от знака изменения

Принцип работы дифференцирующего устройства За, ключается в следующем. В счетчике к концу каждого периода, т. е. к приходу каждого следующего импульса записывается число импульсов тактовой частоты соответствующее текущему периоду которое с приходом импульсов переносится в счетчик в обратном коде с помощью схем совпадения При этом к началу периода состояние счетчика будет нулевое, а в запишется дополнение к числу, соответствующему периоду.

При равенстве периодов счетчик переполнится импульсами одновременно с окончанием периода, вернее со сдвигом на полтакта, поскольку синхронизированы с Схема выделения разности, имеющая зону нечувствительности, равную одному такту, останется в нулевом состоянии. Если частота уменьшится то счетчик переполнится раньше, чем закончится период, и на выходе схемы разности появится импульс, длительность которого будет равна разности периодов

Если же частота увеличится то счетчик не успеет переполниться к концу периода и его содержимое, соответствующее новому значению периода в прямом коде будет перенесено в счетчик в момент поступления очередного импульса (с помощью схем совпадения ). При этом на выходе схемы разности появится импульс, который закончится по переполнению Длительность этого импульса и определит отрицательную разность текущего и предыдущего периодов

Импульсы с выходов схем разности поступают на входы преобразователя

преобразуются в постоянное напряжение, пропорциональное временному интервалу, равному разности Временные диаграммы работы устройства показаны на рис. 30, б. Алгоритм функционирования устройства может записан в виде где коэффициент передачи преобразователя; два соседних периода следования импульсов период тактовой частоты Здесь разность периодов измеряется количеством периодов тактовой частоты импульсы на выходах . Выразив через получим

Пренебрегая вторым членом (вследствие его малости) в знаменателе (27), получаем

Заменяя в выражении (28) коэффициент для фиксированного значения и устремляя к нулю (повышая тактовую частоту), получаем Принимая диапазон изменения рабочей частоты равным 100, выбирем для частот Гц и для частот Гц. При этом одинаковое относительное изменение частоты на разных участках диапазона будет преобразовано в один и тот же уровень напряжения. Например, изменение частоты 500 Гц на 10% при тактовой частоте 1 МГц составит 200 тактов где — ступенька выходного напряжения, соответствующая 1 такту при в то время как изменение частоты на 10% составляет 20 тактов .

Частота тактовых импульсов выбирается из при этом погрешность дифференциатора не превышает 1 %.

Емкость счетчика выбирается из условия, что счетчик не должен переполняться импульсами при .

Емкости счетчиков должны быть равны емкости счетчика .

Преобразователь временного интервала в пропорции нальное напряжение, включенный на выходе устройства может быть построен аналогично описанному в работе [18] с использованием высокочастотных интегральных микросхем.