АНАЛОГОВЫЙ ЧАСТОТОМЕР

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и предназначена для измерения частоты сигнала произвольной формы.
Известен аналоговый частотомер [Авторское свидетельство СССР №943595 МПК G01R 23/02, опубл. 15.7.1982 г.], содержащий гиперболический преобразователь, состоящий из N включенных параллельно RC-цепей, вход которого соединен с шиной оперного напряжения, входной формирователь, вход которого соединен с входной шиной, а выход подключен к входу управления аналогового ключа, запоминающий конденсатор, измерительный прибор, сумматор и одновибратор, а в гиперболический преобразователь введены N ключей, включенных параллельно конденсаторам RC-цепей, причем входы управления N ключей подключены через одновибратор к выходу входного формирователя, выход гиперболического преобразователя подключен к входу сумматора, выход которого через аналоговый ключ подключен к входу измерительного прибора, параллельно которому включен запоминающий конденсатор.
Недостатком данного устройства является недостаточная точность измерения частоты из-за использования аппроксиматора в качестве гиперболического преобразователя. А увеличение количества ступеней аппроксимации с целью повышения точности измерения непременно ведет к увеличению громоздкости схемы и потере точности из-за большого числа неидеальных ключей, разброса и временного изменения параметров компонентов.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является аналоговый частотомер [Патент на ПМ №169440 РФ, МПК G01R 23/00, опубл. 17.03.2017 г.], содержащий, компаратор, интегратор, одновибратор, блок выборки и хранения, гиперболический преобразователь и измерительный прибор, причем вход частотомера соединен с входом компаратора, выход которого соединен с входами одновибратора и интегратора, выход которого соединен с входом блока выборки и хранения, выход которого через гиперболический преобразователь соединен с измерительным прибором, а выход одновибратора соединен с управляющим входом блока выборки и хранения.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного устройства является недостаточная точность измерения частоты, обусловленная низкой частотой выборок измеряемого напряжения, обратно пропорционального частоте входного сигнала.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности измерения частоты.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный аналоговый частотомер, содержащий интегратор, гиперболический преобразователь и измерительный прибор, подключенный к выходу гиперболического преобразователя, дополнительно введены детектор нуля, источник опорного напряжения и амплитудный детектор, а интегратор выполнен со сбросом с управляющим входом, причем вход частотомера соединен с входом детектор нуля, выход которого соединен с управляющим входом интегратора со сбросом, выход которого соединен с входом амплитудного детектора, выход которого соединен с входом гиперболического преобразователя, а выход источника опорного напряжения подключен к входу интегратора со сбросом.
Существенными отличиями предлагаемого частотомера является введение дополнительно детектора нуля, источника опорного напряжения, амплитудного детектора и выполнение интегратора со сбросом, а также организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения точности измерения частоты.
вх
1
3
4
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема аналогового частотомера, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, u, u, u и u.
Устройство (фиг. 1) содержит детектор нуля 1, интегратор со сбросом 2, источник опорного напряжения 3, амплитудный детектор 4, гиперболический преобразователь 5 и измерительный прибор 6, подключенный к выходу гиперболического преобразователя 5, причем вход частотомера соединен с входом детектора нуля 1, выход которого соединен с управляющим входом интегратора со сбросом 2, выход которого соединен с входом амплитудного детектора 4, выход которого соединен с входом гиперболического преобразователя 5, а выход источника опорного напряжения 3 подключен к входу интегратора со сбросом 2.
вх
вх
1
вх
2
Частотомер работает следующим образом. Входное напряжение u переменного тока произвольной формы с частотой f поступает на вход детектор нуля 1. На его выходе формируются узкие импульсы положительной полярности u, соответствующие моментам времени перехода входного переменного напряжения u через нуль (фиг. 2). Это напряжение подается на управляющий вход интегратора со сбросом 2, на вход которого подается опорное напряжение u с выхода источника опорного напряжения 3.
3
На выходе интегратора со сбросом 2 формируется напряжение u пилообразной формы с амплитудой, определяемой выражением:
2
где U - опорное напряжение на входе интегратора со сбросом 2;
вх
Т - период входного напряжения u;
вх
вх
f - частота входного напряжения u;
RC - постоянная времени интегратора со сбросом 2.
3m
3
вх
вх
2
Из выражения (1) видно, что амплитуда U выходного напряжения u интегратора со сбросом 2 прямо пропорционально периоду Т и обратно пропорционально частоте f входного напряжения u. При этом опорное напряжение U, снимаемое с источника опорного напряжения 3 остается неизменным.
3m
3
Выходное напряжение интегратора со сбросом 2 поступает на вход амплитудного детектора 4, на выходе которого формируется напряжение, равное амплитудному значению U напряжения u.
Напряжение с выхода амплитудного детектора 4 поступает на вход гиперболического преобразователя 5, на выходе которого формируется выходное напряжение частотомера:
где  - коэффициент пропорциональности.
вых
вх
вх
вх
вх
Таким образом, на выходе частотомера формируется постоянное напряжение U, пропорциональное частоте f входного сигнала u произвольной формы. Измерительный прибор 6 регистрирует значение частоты f входного сигнала u.
В связи с тем, что частота выборок измеряемого напряжения в данной полезной модели в два раза выше, чем у прототипа, то имеет место значительное повышение точности измерения частоты.
При практической реализации предлагаемого частотомера детектор нуля 1 можно выполнить по схеме (Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. - М.: Мир, 1985. - стр. 236, рис. 9.3, а). Интегратор со сбросом 2 можно выполнить по схеме (В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высш. шк., 2005. - стр. 459, рис. 6.18, в). Амплитудный детектор 4 можно выполнить по одной из известных схем (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 292, рис. 11.17; стр. 304, рис. 11.29). Гиперболический преобразователь 5 можно выполнить по схеме (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 260, рис. 10.1,6), использовав ОУ и перемножитель напряжений на микросхеме КР525ПС3. Измерительный прибор 6 представляет собой вольтметр постоянного тока, шкала которого проградуирована в герцах.