УСТРОЙСТВО ВЫЧИТАНИЯ ЧАСТОТ
FREQUENCY SUBTRACTOR

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в дифференциальных частотных датчиках для измерения разности частот импульсных сигналов.
Известен «Дифференциальный измерительный преобразователь» (см. патент №2280946 от 14.02.2005, опубликован 27.07.2006 г.), который содержит два генератора с частотозадающими элементами, устройство формирования сигналов разностной частоты, выполненное на D-триггере, два идентичных устройства блокировки в виде последовательно соединенных сопротивления и конденсатора, конденсаторы включены соответственно между «S» входом D-триггера и прямым его выходом и «R» входом и инверсным выходом соответственно, сопротивления включены между общей точкой и входами «S» и «R» триггера соответственно.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является погрешность, образующаяся при формировании сигнала разностной частоты, связанная с флуктуационными ошибками при совпадении фронтов входных сигналов.
Решаемой задачей является создание устройства вычитания частот с повышенной стабильностью сигнала разностной частоты и расширенными функциональными возможностями.
Достигаемым техническим результатом является исключение флуктуационных ошибок при совпадении фронтов входных сигналов и увеличение диапазона разностной частоты.
Для достижения технического результата в устройстве вычитания частот, содержащем два генератора частотных сигналов с частотозадающими элементами и формирователь сигналов разностной частоты, новым является то, что формирователь сигналов разностной частоты включает в себя последовательно соединенные смеситель частот и, по крайней мере, одно звено резонаторного активного фильтра, состоящее из первого, второго и третьего логических элементов «НЕ», вход первого из которых соединен с первым выводом первого резистора, первыми выводами второго резистора и первого конденсатора, вторые выводы которых соединены с выходом первого логического элемента «НЕ» и через третий резистор с входом второго логического элемента «НЕ» и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с выходом второго логического элемента «НЕ» и через четвертый резистор с входом третьего логического элемента «НЕ» и первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с выходом третьего логического элемента «НЕ», и через шестой резистор соединен со входом первого логического элемента «НЕ», второй вывод первого резистора соединен с выходом смесителя частот, входы которого соединены с выходами генераторов, при этом выход третьего логического элемента «НЕ» является выходом устройства.
Исключение флуктуационных ошибок в устройстве формирования сигналов разностной частоты при совпадении фронтов входных сигналов и увеличение диапазона разностной частоты в заявляемом устройстве вычитания частот осуществляется за счет того, что формирователь сигналов разностной частоты выполнен в виде последовательно соединенных смесителя частот, выполненного на логическом элементе «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», и, по крайней мере, одного звена резонаторного активного фильтра. Полоса пропускания резонаторного активного фильтра настраивается на предполагаемый диапазон изменения разностной частоты. Порядок резонаторного активного фильтра выбирается из требований: величины необходимого подавления гармоники входных сигналов, гармоники суммарной частоты и производных гармоник; возможной полосы изменения разностной частоты.
На фигуре 1 представлена структурная схема заявляемого устройства. На фигуре 2 - принципиальна схема одного из вариантов заявляемого устройства. На фигурах 3, 5 изображены спектры сигналов на выходе смесителя. На фигурах 4, 6 изображены амплитудно-частотные характеристики фильтра нижних частот и полосового фильтра соответственно. На фигуре 7 изображена амплитудно-частотная характеристика фильтра Чебышева. На фигуре 8 представлена принципиальная схема резонаторного активного фильтра на инверторах.
Устройство вычитания частот, согласно фигуре 2, содержит два генератора частотных сигналов 1, 2 с частотозадающими элементами 3, 4 и формирователь сигналов разностной частоты, который включает в себя последовательно соединенные смеситель частот 5 и, по крайней мере, одно звено резонаторного активного фильтра 6, состоящее из первого 10, второго 14 и третьего 17 логических элементов «НЕ», вход первого из которых соединен с первым выводом первого резистора 7, первыми выводами второго резистора 9 и первого конденсатора 8, вторые выводы которых соединены с выходом первого логического элемента «НЕ» 10 и через третий резистор 11 с входом второго логического элемента «НЕ» 14 и первым выводом второго конденсатора 13, второй вывод которого соединен с выходом второго логического элемента «НЕ» 14 и через четвертый резистор 15 с входом третьего логического элемента «НЕ» 17 и первым выводом пятого резистора 16, второй вывод которого соединен с выходом третьего логического элемента «НЕ» 17, и через шестой резистор 12 соединен со входом первого логического элемента «НЕ», второй вывод первого резистора 7 соединен с выходом смесителя частот 5, входы которого соединены с выходами генераторов 1, 2, при этом выход третьего логического элемента «НЕ» 17 является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом. Формирователь разностной частоты представляет собой последовательно включенные смеситель частот и фильтр. В смесителе формируются гармоники комбинационных частот. Фильтр необходим для выделения нужной гармоники разностной частоты входных сигналов и подавления остальных гармоник комбинационных частот.
Смеситель 5 относится к преобразователям частоты, которые осуществляют перенос спектра сигнала (сигналов) из одной части частотного диапазона в другую. Они применяются в приемных устройствах, в системах обработки информации. Все преобразователи строятся на базе изменения во времени одного из элементов схемы. Наиболее перспективными смесителями (преобразователями) являются балансные. Смеситель частоты 5 выполнен на логическом элементе «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», является балансным. Рассмотрим спектры выходных сигналов такого смесителя (фигуры 3, 5).
На фигуре 3 изображен спектр выходного сигнала смесителя при подаче на его входы прямоугольных сигналов с частотами (16 кГц и 14 кГц), удовлетворяющими условию.
На фигуре 5 изображен спектр выходного сигнала смесителя при подаче на его входы прямоугольных сигналов с частотами (20 кГц и 4 кГц), удовлетворяющими условию.
Анализ спектров выходных сигналов смесителя, изображенных на фигурах 3 и 5, показывает, что для выделения гармоники разностной частоты в случае выполнения условия 1 требуется фильтр нижних частот (фигура 4), а в случае выполнения условия 2 требуется полосовой фильтр (фигура 6).
После того как определен тип фильтра, необходимо выбрать тип аппроксимации амплитудно-частотной характеристики (полином Баттерворта, Чебышева, Лежандра, Бесселя и Баттерворта - Томсона) и определить порядок фильтра.
Для аппроксимации амплитудно-частотной характеристики используется полином Чебышева. Амплитудно-частотная характеристика фильтра Чебышева имеет колебания коэффициента передачи в полосе пропускания и монотонный спад в полосе задерживания. Отсутствие гладкой характеристики в полосе пропускания дает определенные преимущества, а именно обеспечивается высокая скорость нарастания затухания вблизи края полосы пропускания (фигура 7).
Расчет фильтра нижних частот осуществляется по следующей методике. В случае когда требуется рассчитать полосовой фильтр (при выполнении условия 2), сначала рассчитывается фильтр нижних частот, затем выполняется эквивалентная замена (см. Хьюлсман Л.П. Введение в теорию и расчет активных фильтров: Пер. с англ. / Л.П.Хьюлсман, Ф.Е.Аллен - М.: Радио и связь, 1984. - 284 с.).
Для расчета порядка фильтра нижних частот (фигура 7) необходимо задать следующие параметры:
- пульсация в пределах полосы пропускания Р в дБ,
C
- нижняя граница полосы пропускания F в кГц,
- ослабление на верхней границе полосы пропускания А в дБ,
S
- верхняя граница полосы пропускания F в кГц.
При расчете порядка фильтра полосу пропускания следует немного увеличить, для того чтобы скомпенсировать погрешность при выборе номиналов элементов в дальнейшем расчете.
Порядок фильтра нижних частот n определяется по формуле:
Количество звеньев m определяется по формуле
Определим полюса передаточной функции фильтра Чебышева.
Действительные и мнимые части полюсов определяются из следующего соотношения (5).
k
Неизвестные аргументы u,v функций определяются из следующих соотношений (6), (7) соответственно.
Коэффициент неравномерности ε определяется по следующей формуле:
k
Теперь, подставляя численные значения в формулы (9), (8), (7), (6), (5), определяют полюса передаточной функции фильтра Чебышева р (5). Передаточная функция фильтра Чебышева имеет вид:
где М- номер звена (М=1,2…m),
К - коэффициент усиления в пределах полосы пропускания (К=1).
Коэффициенты квадратичного многочлена  для каждой пары полюсов определяются из следующих соотношений:
Подставляя численные значения в формулы (11), (13), (15) или (12), (14), (16) для четного или нечетного m соответственно, находим коэффициенты квадратичного многочлена:
При построении фильтров высоких порядков (n>2) используются индуктивности, которые, как правило, имеют относительно большие габариты. Поэтому решено использовать резонаторный активный фильтр.
Резонаторный активный фильтр обладает следующими достоинствами:
- простые расчетные соотношения,
- реализует высокие добротности,
- низкая чувствительность схемы к изменению номиналов элементов цепи от их расчетных значений.
Резонаторные активные фильтры допускают применение усилителей с конечным усилением в качестве активных элементов, обеспечивая при этом высокую стабильность и добротность. КМОП инверторы могут применяться не только в цифровых устройствах, но и в качестве линейных усилителей. Коэффициент усиления таких усилителей может составлять 30…50 дБ в широком диапазоне питающих напряжений.
К достоинствам усилителей на инверторах относятся:
- возможность работы от однополярного источника;
- высокое входное сопротивление;
- больший по сравнению с операционными усилителями размах выходного напряжения при малых напряжениях питания.
Расчет номиналов элементов каждого (М-го) звена резонаторного активного фильтра на КМОП инверторах («НЕ») (фигура 8) выполняется по следующей методике:
M
M
Если при расчете R1=0, R3=0, то последнее звено с номером m (для n=3,5,..) преобразуется в простейший RC фильтр нижних частот.
Таким образом, задав один из параметров R или С формулы (17), (18) выполняется дальнейший расчет. Подставляя, численные значения в формулы (19 или 20), (21 или 22), (23 или 24), (25 или 26) находим номиналы остальных элементов R (С), R1, R3 схемы (фигура 8).
В заявляемом устройстве вычитания частот, согласно фигуре 2, в смесителе частот 5 формируются гармоники комбинационных частот, в том числе и разностной частоты (фигуры 3, 5), резонаторный активный фильтр 6 выделяет нужную гармонику разностной частоты входных сигналов и подавляет остальные гармоники комбинационных частот (фигуры 4, 6).
В заявляемом устройстве вычитания частот за счет того, что формирователь сигналов разностной частоты выполнен в виде последовательно соединенных смесителя частот на логическом элементе «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» и одного звена резонаторного активного фильтра на элементе «НЕ», полоса пропускания которого настраивается на предполагаемый диапазон изменения разностной частоты, а порядок выбирается из требований: величины необходимого подавления гармоник входных сигналов, гармоники суммарной частоты и производных гармоник; возможной полосы изменения разностной частоты, позволяет исключить флуктуационные ошибки при совпадении фронтов входных сигналов, увеличить диапазон разностной частоты и, соответственно, повысить стабильность сигнала разностной частоты и расширить функциональные возможности.
Работоспособность предлагаемого технического решения экспериментально проверена и подтверждена испытаниями действующих макетов устройств вычитания частот с использованием генераторов с частотами от 10 кГц до 200 кГц для разностной частоты от 0,1 кГц до 150 кГц.