CC BY
6
Сироткин С. Л. Sirotkin S. Ь
кандидат технических наук, ведущий инженер-конструктор Научно-конструкторского бюро моделирующих и управляющих систем, ФГАОУ ВО «Южный федеральный
университет», г. Таганрог, Российская Федерация
Коньков А. Н. Konkov А. N.
начальник сектора Научно-конструкторского бюро моделирующих и управляющих систем, ФГАОУ ВО «Южный федеральный
университет», г. Таганрог, Российская Федерация
УДК 681.3
НЕПРЕРЫВНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ В КОД ПРОИЗВЕДЕНИЯ ДВУХ ЧАСТОТ И РАЗНОСТИ ФАЗ МЕЖДУ НИМИ
Данная статья относится к области аналого-цифрового преобразования. Аналоговым сигналом здесь является средняя частота импульсов или другие параметры этих сигналов, например сумма и разность частот, сумма и разность периодов частот, скорость изменения частоты (первая производная), скорость изменения периода частоты (первая производная), ускорение изменения частоты (вторая производная) и т.п.
Принцип работы всех описываемых преобразователей одинаков и построен на основе способа измерения частоты, предложенного С. С. Бруфманом в 1964 г. Средняя входная частота импульсов поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика, и она же, пройдя линию задержки, поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика. При постоянной частоте входных импульсов показания счетчика не изменяются и равны количеству импульсов, поступивших на суммирующий вход реверсивного счетчика до начала поступления этих же импульсов на вычитающий вход. При изменении входной частоты изменяются показания реверсивного счетчика, т.е. при увеличении частоты импульсов показания увеличиваются, а при уменьшении — уменьшаются. Таким образом, осуществляется непрерывное слежение за величиной средней частоты входных импульсов.
Рассматриваются основанные на описанном способе обработки частотно-импульсных сигналов преобразователь произведения двух частот в код и преобразователь разности фаз двух частот в код.
Описанные методы построены на основе использования дискретных линий задержки (регистров сдвига) с большим числом разрядов. Реализация линий задержки с большим числом разрядов предлагается на основе программируемых логических интегральных схем.
Предложенные устройства можно использовать в измерительных системах, в системах автоматического управления, в системах стабилизации частоты, в системах фазовой или частотной автоподстройки частоты.
Ключевые слова: частотный датчик, реверсивный счетчик, частота импульсов, скорость изменения частоты, ускорение изменения частоты, разность частот, период, скорость изменения периода, разность периодов, дискретная линия задержки, регистр сдвига.
CONTINUOUS TRANSFORMATION IN THE WORKS OF THE TWO FREQUENCIES AND THE PHASE DIFFERENCE BETWEEN THEM
This article relates to the field of analog-to-digital transformation. An analog signal here is the average pulse frequency or other parameters of these signals, for example, the sum and difference of frequencies, the sum and difference of frequency periods, the frequency change rate (the first derivative), the frequency change rate (the first derivative), the frequency change acceleration (the second derivative), etc.
The principle of operation of all described converters is the same and is based on the method of frequency measurement proposed by Brufman S.S. in 1964. The average input pulse frequency goes to Sumirific entrance reversible counter and it, after passing the delay line, walking on the subtractive input of the reversible counter. When the input pulses are constant, the meter readings do not change and are equal to the number of pulses received at the summating input of the reversing counter before the beginning of the receipt of the same pulses at the subtracting input. When the input frequency change readings reversible counter, i.e., with increasing pulse frequency readings increase and during decrease — reduced. Thus, a continuous reduction is carried out behind the value of the average frequency of the input pulses.
Based on the described method of processing of frequency-pulse signals, the Converter of the product of two frequencies into the code and the Converter of the phase difference of two frequencies into the code are considered.
The described methods are based on the use of disk-based delay lines (shift registers) with a large number of digits. The realization of delay lines with a large number of digits is proposed on the basis of programmable logic integrated circuits.
The proposed device can be used in measuring systems, automatic control systems, stabilization systems hour friends, in systems of phase or frequency-locked loop, rate of change of period, difference in periods, the digital delay line, a shift register.
Key words: power quality, quality parameters of electric voltage, the load unit, the power consumers, electricity supply, monitoring of the power quality, transmission of signals and data via communication channels, visualization, software tools, microcontrollers and microcontroller boards.
Задача обработки информации от частотных датчиков является актуальной, т.к. существует множество устройств и приборов, оснащенных частотными датчиками, у которых информационными параметрами являются средняя частота импульсов и ее производные.
В 1964 г. С.С. Бруфманом был запатентован способ измерения частоты [1]. Описание этого способа опубликовано в 1970 г. [2]. Суть способа следующая. Средняя частота входных импульсов поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика, и она же через линию задержки поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика. В результате выходной код реверсивного счетчика непрерывно отслеживает величину входной частоты.
На базе данного способа предложены различные преобразователи, позволяющие непрерывно отслеживать в двоичном коде
различные характеристики частотных сигналов.
В [3] описаны различные устройства, защищенные авторскими свидетельствами СССР, непрерывно преобразующие в код различные параметры частотно-импульсных сигналов, например, сумму двух частот в код, разность двух частот в код, скорость изменения частоты в код (первая производная), скорость изменения суммы и разности частот в код, ускорение изменения частоты в код (вторая производная), код периода средней частоты импульсов, разность периодов двух частот в код и скорость изменения периода частоты в код (первая производная).
В настоящей статье предложены и описаны отсутствующие в [3] преобразователи в код произведения двух частот [4] и преобразователи в код сдвига фаз между двумя близкими частотами [5].
Схема преобразователя в код произведения двух частот приведена на рисунке 1. Преобразователь работает следующим образом.
Две входные частоты f и f2 поступают на суммирующие входы реверсивных счетчиков «РС1» и «РС2» соответственно. Эти же частоты, пройдя линии задержки «ЛЗ1» и «ЛЗ2», поступают на вычитающие входы реверсивных счетчиков «РС1» и «РС2» соответственно.
Импульсом «СБРОС» преобразователь устанавливается в исходное состояние, т.е. обнуляются счетчики «РС1» и «РС2», линии задержки «ЛЗ1», «ЛЗ2» и управляемый делитель частоты «УДЧ».
После снятия потенциала на входе «СБРОС» преобразователь начинает работать. Счетчик «РС1» непрерывно отслеживает значение частоты fb а счетчик «РС2» отслеживает значение частоты f2.
На выходе «РС1» непрерывно формируется код, прямо пропорциональный первой входной частоте fb а на выходе «РС2» непрерывно формируется код, прямо пропорциональный второй входной частоте f2. Код с выхода счетчика «РС2» поступает на вход управляемого делителя частоты «УДЧ», коэффициент деления которого тем больше, чем больше код на его управляющем входе и чем меньше частота импульсов на его выходе. Частота с выхода «УДЧ» поступает на такти-
рование первой линии задержки «ЛЗ1», и в зависимости от величины частоты тактирования меняется время задержки линии «ЛЗ1».
Импульсы с «ГТИ» поступают на делитель частоты «Д» и на вход распределителя импульсов «Р». Импульсы с «ГТИ» тактируют линию задержки «ЛЗ2» с постоянной частотой от делителя частоты «Д».
Таким образом, код на выходе счетчика «РС2» прямо пропорционален частоте f2, а код на выходе «РС1» прямо пропорционален частоте и обратно пропорционален частоте £г. Таким образом, код на выходе счетчика «РС1» прямо пропорционален произведению частот ^ и Г2.
Синхронизаторы «С» необходимы для устранения совпадения импульсов на входах реверсивных счетчиков «РС1» и «РС2» и коммутатора «К». С коммутатора «К» код произведения частот поступает на выход преобразователя.
На базе способа измерения средней частоты импульсов [1] предложен и описан непрерывный преобразователь сдвига фаз двух частот в код [5]. Структура преобразователя приведена на рисунке 2.
Преобразователь работает следующим образом. Частоты ^ и ^ через синхронизаторы «С» поступают на вход R и S триггера «Т» соответственно (частоты и ^ должны быть равны или близки между собой). В
ГТИ
f1
f2
Сброс
ЛЗ 1
Д
ЛЗ 2
■7F.-Ж~
\
р N /
Kj /
РС1 • • к
•
и / /
—»
Код произведения частот
с —^ + S / N
РС2 • • УДЧ
с; ) -
/
Рисунок 1. Структура преобразователя произведения двух частот в код
Рисунок 2. Структура преобразователя сдвига фаз в код
зависимости от сдвига фаз между частотами ^ и ^ на выходе триггера «Т» формируется импульс, длительность которого пропорциональна сдвигу фаз между частотами ^ и . Этот импульс поступает на первый вход элемента «И», на второй вход которого через делитель «Д» поступают тактовые импульсы от «ГТИ». Эти пачки импульсов в каждом цикле заполняют временной интервал, сформированный на единичном выходе триггера «Т». Число импульсов в пачке в каждом цикле преобразования соответствует сдвигу фаз между частотами ^ и Г2.
Пачки импульсов с выхода элемента «И» поступают на суммирующий вход счетчика «СТ», на котором подсчитывается число импульсов в каждой пачке. Число импульсов в каждой пачке прямо пропорционально сдвигу фаз между частотами ^ и После окончания каждого импульса на выходе триггера «Т» с помощью одновибратора «О» формируется импульс, поступающий на вход записи регистра «RG» и записывающий в каждом периоде значение кода из счетчика «СТ» в регистр «RG». Импульс от одновибратора «О» с помощью элемента задержки «ЛЗ1» задерживается и через элемент «ИЛИ2» поступает на вход сброса счетчика «СТ». Таким образом, код в регистре «RG» следит за длительностью импульса на единичном выходе триггера «Т», т.е. следит за
разностью фаз двух частот и изменяется только при изменении разности фаз.
Далее код с выхода регистра «ЯО» поступает на вход управляемого делителя частоты «УДЧ», который осуществляет деление частоты следующим образом: чем больше код на его выходе, тем больше коэффициент деления. При нулевом коде деление не осуществляется, т.е. коэффициент деления равен единице. Тактовая частота на счетный вход «УДЧ» поступает с первого выхода распределителя «Р». В зависимости от сдвига фаз между входными частотами непрерывно изменяется коэффициент деления «УДЧ», причем чем больше сдвиг фаз, тем больше коэффициент деления и тем меньше частота на выходе «УДЧ». Эта частота поступает на тактирующий вход линии задержки «ЛЗ2» и управляет ее временем задержки. На вход линии задержки «ЛЗ2» через элемент «ИЛИ1» поступает суммарная частота входных частот ^ и Г2 .
На вход линии задержки «ЛЗ1» поступают импульсы от «О», который формирует импульсы по переднему фронту импульса на выходе триггера «Т». Импульс с выхода одно-вибратора «О», пройдя линию задержки «ЛЗ1», в каждом цикле перезаписывает код из счетчика «СТ» в регистр «ЯО» и после этого с помощью элемента «ИЛИ2» обнуляет счетчик «СТ». Код из регистра «ЯО» посту-
пает на управляющий вход управляемого делителя частоты «УДЧ», импульсы с выхода которого поступают на тактирующий вход линии задержки «ЛЗ2». Частота импульсов на выходе «УДЧ» преобразуется в код по методу [1] с использованием реверсивного счетчика «РС» и линии задержки «ЛЗ2». «УДЧ» формирует импульсы с частотой, обратно пропорциональной коду управления на его входе, который, в свою очередь, прямо пропорционален коду, соответствующему сдвигу фаз.
Во время действия сигнала «СБРОС» счетчик «СТ» и регистр «ЯО» обнулены, на «УДЧ» поступает нулевой код, частота на его выходе максимальна, и время задержки в «ЛЗ2» минимально, реверсивный счетчик «РС» не считает, и на его выходе нулевой код. После окончания сигнала на шине «СБРОС» и при нулевой разности фаз между входными частотами на выходе элемента «И» пачка импульсов будет отсутствовать, на выходе «СТ» будет нулевой код, «УДЧ» делить частоту не будет, в линии задержки будет минимальная задержка. Эта минимальная задержка с помощью выбора частоты, подаваемой на ее тактирование, должна быть такой малой, чтобы при максимальных преобразуемых частотах за время этой задержки на суммирующий вход «РС2» до появления на его вычитающем входе поступало не больше одного импульса, т.е. чтобы в этом случае «РС2» складывал и вычитал одинаковое число импульсов, и чтобы его код сохранялся нулевым, т.к. разность фаз остается нулевой.
При одновременном изменении входных частот Г! и Г и при неизменном сдвиге фаз между ними показания «РС2» не изменяются и соответствуют данному сдвигу фаз.
Список литературы
1. Авторское свидетельство СССР 161417, МПК Н 03 К 13/20. Способ измерения частоты / С.С. Бруфман (СССР). БИ № 7, 1964.
2. Новицкий П.В., Кнорринг Е.Г., Гут-ников В.С. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л.: Энергия, 1970. 423 с.
3. Сироткин С.Л., Коньков А.Н. Методы непрерывной обработки информации от частотных датчиков // Электротехнические и
Таким образом, в описываемом преобразователе осуществляется непрерывное преобразование сдвига фаз в код независимо от величины входных частот, которые между собой не должны отличаться на большую величину. Делитель «Д» необходим для подбора соотношения частот синхронизации и тактовой частоты заполнения счетчика «СТ».
Под разностью фаз двух частотно-импульсных сигналов понимается разность фаз двух гармонических сигналов, совпадающих по частоте с двумя частотно-импульсными сигналами.
Выводы
1. Для полноты группы ранее описанных непрерывных преобразователей частотных сигналов в код добавлен преобразователь в код произведения двух частот, который непрерывно отслеживает в коде произведение двух частот, что расширяет функциональные возможности преобразования в код частотно-импульсных сигналов.
2. Предложен преобразователь, непрерывно преобразующий в код разность фаз двух частот в код, который позволяет применять его в системах автоматического управления, использующих автоматическую подстройку частоты или фазы.
3. Оба описанных преобразователя относятся к области обработки частотно-импульсных сигналов и характеризуются непрерывным отслеживанием параметров этих сигналов. В перспективе число преобразуемых параметров частотно-импульсных сигналов может быть расширено на основе использования описанных принципов преобразования.
информационные комплексы и системы. 2014. № 3. С. 90-97.
4. Авторское свидетельство СССР 1305857, МПК Н 03 К 1/60. Преобразователь частоты в код / С.Л. Сироткин, А.Н. Коньков, Ю.А. Куликов, В.В. Клименко (СССР). 3948669, Заявлено 01.07.1985; Опубл. 23.04.1987. БИ 15.
5. Авторское свидетельство СССР 1515368, МПК Н 03 М 1/60, 1/64. Преобра-
зователь частота-код / А.Н. Коньков, С.Л. Сироткин, А.В. Бойченко, В.В. Клименко (СССР). 4315771, Заявлено 12.10.1987; Опубл. 15.10.1989. БИ 38.
References
1. Brufman S.S. Means to Measurement of Frequency. Certificate of Authorship USSR, No. 161417, 1964. [in Russian].
2. Novitskii P.V., Knorring E.G., Gutni-kov V.S. Digital Devices with Frequency Sensors. Leningrad, Energiya Publ., 1970. 423 p. [in Russian].
3. Sirotkin S.L., Kon'kov A.N. Methods of continuous processing of information from frequency sensors. Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2014, No. 3, pp. 90-97. [in Russian].
4. Sirotkin S.L., Kon'kov A.N., Kuli-kov Yu.A., Klimenko V.V. Converter Frequency in Code. Certificate of Authorship USSR, No. 1305857, 1987. [in Russian].
5. Kon'kov A.N., Sirotkin S.L., Boichen-ko A.V., Klimenko V.V. Converter Frequency — Code. Certificate of Authorship USSR, No. 1515368, 1989. [in Russian].
