CS268035B1

CS268035B1 - Accurate number to frequency converter

Info

Publication number: CS268035B1
Application number: CS877191A
Authority: CS
Inventors: Kamil Ml Doc Ing Csc Vrba; Jaromir Ing Csc Kolouch
Original assignee: Vrba Kamil; Kolouch Jaromir
Priority date: 1987-10-06
Filing date: 1987-10-06
Publication date: 1990-03-14
Also published as: CS719187A1

Abstract

zapojení se týká přesného převodníku čísla na kmitočet. Podstatou řešení je, že vstupní kodová kombinace odpovídající převáděnému číslu se přivádí na číslicový vstup číslicově analogového převodníku, z jehož přímého proudového výstupu je nabíjenJcapacitor zapojený ve zpětné vazbě operačního zesilovače. Jakmile výstupní napětí operačního zesilovače dosáhne komparačního napětí, přiváděného na invertující vstup komparátoru, připraví se číslicový obvod k činnosti. Vlastní aktivace číslicového obvodu však nastane až po příchodu zvolené hrany signálu o referenčním kmitočtu, který je přiváděn na hodinový vstup tohoto obvodu. Číslicový obvod vydá impuls přesně definované délky odvozené od referenčního kmitočtu. Po dobu trvání impulsu je sepnut elektronický spínač a kapacitorem teče navíc vybíjecí proud, jehož velikost je určena napětím zdroje referenčního napětí a odporem rezistoru. Celý děj se neustále opakuje, přičemž kmitočet impulsů na výstupní svorce přesného převodníku čísla na kmitočet Je přímo úměrný kodové kombinaci přiváděné na číslicový vstup číslicově analogového převodníku. Blokovací signál přiváděný na blokovací vstup číslicového obvodu slouží k zablokování druhého výstupu číslicového obvodu v případě, kdy na číslicový vstup číslicový analogového převodníku je přiváděna kodová kombinace odpovídající nulovánu kmitočtu. Zapojení má obecné využití pro přístrojové a průmyslové aplikace s vyššími nároky na přesnost převod čísla na kmitočet. Zejména je zapojení vhodné pro konstrukci programovatelných zdrojů kmitočtu pro řízeni krokových motorů.The connection concerns a precise number-to-frequency converter. The essence of the solution is that the input code combination corresponding to the converted number is fed to the digital input of the digital-to-analog converter, from whose direct current output a capacitor connected in the feedback of the operational amplifier is charged. As soon as the output voltage of the operational amplifier reaches the comparison voltage fed to the inverting input of the comparator, the digital circuit is prepared for operation. However, the actual activation of the digital circuit occurs only after the arrival of the selected edge of the reference frequency signal, which is fed to the clock input of this circuit. The digital circuit emits a pulse of a precisely defined length derived from the reference frequency. For the duration of the pulse, an electronic switch is closed and an additional discharge current flows through the capacitor, the size of which is determined by the voltage of the reference voltage source and the resistance of the resistor. The whole process is constantly repeated, while the pulse frequency at the output terminal of the precision number-to-frequency converter is directly proportional to the code combination applied to the digital input of the digital-to-analog converter. The blocking signal applied to the blocking input of the digital circuit serves to block the second output of the digital circuit in the event that a code combination corresponding to the zero frequency is applied to the digital input of the digital-to-analog converter. The circuit is generally used for instrumentation and industrial applications with higher demands on the accuracy of the number-to-frequency conversion. In particular, the circuit is suitable for the construction of programmable frequency sources for controlling stepper motors.

Description

Vynález ee týká přesného převodníku čísla na kmitočet.The invention relates to a precision number-to-frequency converter.

Je známo několik způsobů převodu Čísla na kmitočet. U prvního z nich se převede nejprve vstupní kodová kombinace odpovídající dekadickému číslu na napětí v číslicově analogovém převodníku a potom se toto napětí převede na kmitočet v převodníku napětí na kmitočet.There are several known methods of converting numbers to frequency. In the first of these, the input code combination corresponding to the decimal number is first converted to voltage in a digital-to-analog converter and then this voltage is converted to frequency in a voltage-to-frequency converter.

Nevýhodou tohoto uspořádání je obvodová složitost a cenová náročnost. Číslicově analogové převodníky jsou totiž obvykle konstruovány s přepínatelnými zdroji proudu, například převodníky čs. produkce MDAC08, MDAC565, MDAC566 a je zapotřebí převést jejich výstupní proud na napětí připojeným operačním zesilovačem. Výstupní napětí převodníku je potom nutno zpracovat v převodníku napětí na kmitočet.The disadvantage of this arrangement is the circuit complexity and cost. Digital-to-analog converters are usually designed with switchable current sources, for example, Czechoslovak-made converters MDAC08, MDAC565, MDAC566, and it is necessary to convert their output current to voltage by a connected operational amplifier. The output voltage of the converter must then be processed in a voltage-to-frequency converter.

Druhý způsob převodu čísla na kmitočet umožňují kmitočtové syntenzátory. V současné době se nejčastěji užívají syntenzátory se smyčkou fázového závěsu, které obsahují zdroj referenčního kmitočtu, programovatelný dělič kmitočtu, napětím řízený oscilátor, fázově kmitočtový detektor a popřípadě výstupní děliče kmitočtu.The second method of converting a number to a frequency is enabled by frequency synthesizers. Currently, the most commonly used synthesizers are phase-locked loop synthesizers, which contain a reference frequency source, a programmable frequency divider, a voltage-controlled oscillator, a phase-frequency detector, and possibly output frequency dividers.

Nevýhodou tohoto uspořádání je také obvodová složitost a cenová náročnost.The disadvantage of this arrangement is also the circuit complexity and cost.

Jednoduché a cenově nenáročné je jiné uspořádání převodníku, které využívá nabíjení kapacitoru v integrátoru z proudového výstupu číslicově analogového převodníku. Výstupní napětí integrátoru se srovnává v komparátoru a komparační úrovní. Po dosažení komparační úrovně je k rezistoru zapojenému do sčítacího bodu integrátoru připojen po definovanou dobu určenou časovou konstantou monostabilního klopného obvodu zdroj referenčního napětí, čímž dojde k vybíjení integračního kapacitoru. Podobné uspořádání využívá k vybíjení integračního kapacitoru zdroje referenčního proudu.Another converter arrangement is simple and inexpensive, which uses charging of the capacitor in the integrator from the current output of the digital-to-analog converter. The output voltage of the integrator is compared in the comparator and the comparison level. After reaching the comparison level, a reference voltage source is connected to the resistor connected to the integrator's summing point for a defined time determined by the time constant of the monostable flip-flop, thereby discharging the integrating capacitor. A similar arrangement uses a reference current source to discharge the integrating capacitor.

Společnou nevýhodou obou uspořádání je okolnost, že přesnost převodu závisí na citlivosti komparátoru, který určuje okamžik aktivace monostabilního klopného obvodu a na stabilitě časové konstanty tohoto monostabilního klopného obvodu.A common disadvantage of both arrangements is the fact that the accuracy of the conversion depends on the sensitivity of the comparator, which determines the moment of activation of the monostable flip-flop, and on the stability of the time constant of this monostable flip-flop.

Uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje zapojení přesného převodníku čísla na kmitočet, jehož podstatou je, že vstupní kódová kombinace odpovídající převáděnému číslu se přivádí na číslicový vstup číslicově analogového převodníku, jehož přímý proudový výstup je spojen s invertujícím vstupem operačního zesilovače. Přitom mezi invertující vstup operačního zesilovače a společný vodič je připojena sériová kombinace zdroje referenčního napětí, elektronického spínače a rezistoru a mezi invertující vstup operačního zesilovače a jeho výstup je zapojen kapacitor. Neinvertující vstup operačního zesilovače je spojen se společným vodičem a jeho výstup potom s neinvertujícím vstupem komparátoru. Mezi invertující vstup komparátoru a společný vodič je připojen zdroj komparačního napětí. Výstup komparátoru je zaveden na vstup číslicového obvodu. Na hodinový vstup číslicového obvodu je přiveden signál o referenčním kmitočtu a na jeho blokovací vstup pak blokovací signál, který je vytvářen v blíže neznázoměných obvodech. První výstup číslicového obvodu je spojen s řídicím vstupem elektronického spínače a druhý výstup s výstupní svorkou přesného převodníku čísla na kmitočet. .The above disadvantages are largely eliminated by the connection of a precise number-to-frequency converter, the essence of which is that the input code combination corresponding to the converted number is fed to the digital input of the digital-to-analog converter, the direct current output of which is connected to the inverting input of the operational amplifier. In this case, a series combination of a reference voltage source, an electronic switch and a resistor is connected between the inverting input of the operational amplifier and the common conductor, and a capacitor is connected between the inverting input of the operational amplifier and its output. The non-inverting input of the operational amplifier is connected to the common conductor, and its output is then connected to the non-inverting input of the comparator. A comparison voltage source is connected between the inverting input of the comparator and the common conductor. The output of the comparator is fed to the input of the digital circuit. A reference frequency signal is fed to the clock input of the digital circuit, and a blocking signal is fed to its blocking input, which is generated in circuits not shown in more detail. The first output of the digital circuit is connected to the control input of the electronic switch and the second output to the output terminal of the precision number-to-frequency converter.

Výhodou zapojení přesného převodníku čísla na kmitočet je jednoduchost zapojení a vysoká přesnost převodu. V daném případě nedochází ke snižování přesnosti v důsledku mezipřevodu výstupního proudu číslicově analogového převodníku na napětí a jeho následnému převodu na kmitočet, protože výstupní proud číslicově analogového převodníku se převede přímo na kmitočet. Další výhodou také je, že na přesnost převodu nemá vliv citlivost komparátoru ani stabilita časové konstanty monostabilního klopného obvodu, která určuje dobu, po kterou se bude kapacitor ve zpětné vazbě operačního zesilovače vybíjet. Doba vybíjení kapacitoru je totiž odvozena od signálu o referenčním kmitočtu, který se přivádí na hodinový vstup číslicového obvodu·.The advantage of connecting a precision number-to-frequency converter is the simplicity of the connection and high accuracy of the conversion. In this case, there is no reduction in accuracy due to the intermediate conversion of the output current of the digital-to-analog converter to voltage and its subsequent conversion to frequency, because the output current of the digital-to-analog converter is converted directly to frequency. Another advantage is that the conversion accuracy is not affected by the sensitivity of the comparator or the stability of the time constant of the monostable flip-flop, which determines the time for which the capacitor in the feedback of the operational amplifier will discharge. The capacitor discharge time is derived from the reference frequency signal, which is fed to the clock input of the digital circuit.

Vynález je v dalším blíže popsán podle připojeného výkresu, na kterém je znázorněno příkladné provedení přesného převodníku čísla na kmitočet.The invention is further described in more detail with reference to the attached drawing, which shows an exemplary embodiment of a precise number-to-frequency converter.

Vstupní kódová kombinace, odpovídající převáděnému číslu, se přivádí na číslicový vstup číslicově analogového převodníku 2- Přímý proudový výstup číslicově analogového převodníku 2 3® spojen s invertujícím vstupem operačního zesilovače j>. Mezi invertující vstup operačního zesilovače 6 a společný vodič 2 3® připojena sériová kombinace zdroje 2 referenčního napětí, elektronického spínače 2 ^a rezlstoru £. Mezi invertující vstup operačního zesilovače 6 a jeho výstup je zapojen kapacitor 2» Přičemž neinvertující vstup operačního zesilovače 6 je spojen se společným vodičem 7 a jeho výstup potem β neinvertujícím vstupem koniparátoru 9. Mezi invertující vstup komparátoru 2 ^a společný vodič 7 je připojen zdroj 8 komparačního napětí. Výstup kompatároru 2 je zaveden nevstup číslicového obvodu 10. Na hodinový vstup číslicového obvodu 10 se přivádí signál o referenčním kmitočtu. Na blokovací vstup tohoto obvodu je přiveden blokovací signál, vytvářený v blíže neznázoměných obvodech. První výstup číslicového obvodu 10 je spojen s řídicím vstupem elektronického spínače a druhý výstup s výstupní svorkou 11 přenosného převodníku čísla na kmitočet.The input code combination corresponding to the converted number is fed to the digital input of the digital-to-analog converter 2. The direct current output of the digital-to-analog converter 2 is connected to the inverting input of the operational amplifier 3. A series combination of a reference voltage source 2, an electronic switch 2 ^and a resistor 1 is connected between the inverting input of the operational amplifier 6 and the common conductor 2. A capacitor 2 is connected between the inverting input of the operational amplifier 6 and its output. The non-inverting input of the operational amplifier 6 is connected to the common conductor 7 and its output to the non-inverting input of the comparator 9. A comparison voltage source 8 is connected between the inverting input of the comparator 2 ^and the common conductor 7. The output of the comparator 2 is fed to the non-inverting input of the digital circuit 10. A reference frequency signal is fed to the clock input of the digital circuit 10. A blocking signal, generated in circuits not shown in more detail, is applied to the blocking input of this circuit. The first output of the digital circuit 10 is connected to the control input of the electronic switch and the second output to the output terminal 11 of the portable number-to-frequency converter.

V činnosti se na číslicově analogového převodníku 2 přivede kódová kombinace D odpovídající převáděnému číslu. Použijeme-li příkladně pro realizaci přesného převodníku čísla na kmitočet podle vynálezu dvanáotibiťový binární číslicově analogový převodník, poteče z přímého proudového výstupu číslicově analogového převodníku 2 proud ^D10 ϊ----- ^Xo ,In operation, a code combination D corresponding to the converted number is supplied to the digital-to-analog converter 2. If, for example, we use a twelve-bit binary digital-to-analog converter to implement a precise number-to-frequency converter according to the invention, a current ^D 10 ϊ----- ^X o will flow from the direct current output of the digital-to-analog converter 2,

4096 kde D_1q je dekadický ekvivalent dvanáctibitového binárního čísla z intervalu celých čísel 0 až 4095 a I_Q je vnitřní referenční proud číslicově analogového převodníku 2· V případě, že elektronický spínač 23® rozpojen, nabíjí se tímto proudem kapacitor 2· Výstupní napětí operačního zesilovače 6 je sledováno komparátorem 9, který se překlopí v tom okamžiku, kdy výstupní napětí operačního zesilovače 6 dosáhne komparační úrovně dané zdrojem 8 komparačního napětí. Tím se připraví číslicový obvod 10 k činnosti. Vlastní aktivace číslicového obvodu 10 však nastane až po příchodu zvolené hrany signálu o referenčním kmitočtu , který je přiváděn na hodinový vstup tohoto obvodu. Číslicový obvod 10 vydá impuls přesně definované délky t_r odvozené od referenčního kmitočtu f_p . Impuls je k dispozici jak na prvním, tak i na druhém výstupu číslicového obvodu 10. Po dobu trvání impulsu je sepnut elektronický spínač 2 ^a kapacitorem 2 teče navíc vybíjecí proud ' V⁸ ’ přičemž značí napětí zdroje £ referenčního napětí a R odpor rezistoru 4. Proces nabíjení a vybíjení kapacitoru 2 ^ae periodicky opakuje, přičemž kmitočet impulsů na prvním i druhém výstupu číslicového obvodu 10 je dán vztahem ^Ko ^ř ’ 4096 U_r t_r ^Dl° ’4096 where D _1q is the decimal equivalent of a twelve-bit binary number from the interval of integers 0 to 4095 and I _Q is the internal reference current of the digital-to-analog converter 2. In the event that the electronic switch 23® is open, this current charges the capacitor 2. The output voltage of the operational amplifier 6 is monitored by a comparator 9, which switches at the moment when the output voltage of the operational amplifier 6 reaches the comparison level given by the source 8 of the comparison voltage. This prepares the digital circuit 10 for operation. However, the actual activation of the digital circuit 10 occurs only after the arrival of the selected edge of the signal with the reference frequency , which is fed to the clock input of this circuit. The digital circuit 10 will emit a pulse of precisely defined length t _r derived from the reference frequency f _p . The pulse is available on both the first and second outputs of the digital circuit 10. For the duration of the pulse, the electronic switch 2 is closed ^and an additional discharge current ' V ⁸ ' flows through the capacitor 2, where £ denotes the voltage of the reference voltage source and R the resistance of the resistor 4. The process of charging and discharging the capacitor 2 ^is repeated periodically, while the pulse frequency on the first and second outputs of the digital circuit 10 is given by the relation ^K o ^ř ' 4096 U _r t _r ^Dl ° '

CS 268035 B1 3 kde význam jednotlivých veličin je shodný jako v předchozím. Proto na výstupní svorce 11 přesného převodníku čísla na kmitočet můžeme odebírat pravoúhlé impulsy s kmitočtem f přímo úměrným dekadickému ekvivalentu D^ kódové kombinace D.CS 268035 B1 3 where the meaning of the individual quantities is the same as in the previous one. Therefore, at the output terminal 11 of the precise number-to-frequency converter, we can receive rectangular pulses with a frequency f directly proportional to the decimal equivalent D^ of the code combination D.

Poněkud složitější způsob generování impulsu v číslicovém obvodě £0 je dán tím, že z důvodu vysoké přesnosti převodu je délka impulsu odvozena z referenčního kmitočtu f_r , který je dodáván z blíže neznázorněného oscilátoru řízeného krystalem. Okamžitý kmitočet výstupního signálu přesného převodníku čísla na kmitočet není z tohoto důvodu zcela přesně úměrný vstupní kódové kombinaci. V kapacítoru £ je v Sak ohýba každého převodu zapamatována a jakmile dojde k nahromadění chyby nad určitou mez, je převodníkem provedena oprava výstupního kmitočtu. V průběhu delěího časového intervalu je proto převod čísla na kmitočet velmi přesný.A somewhat more complicated method of generating a pulse in a digital circuit £0 is given by the fact that, due to the high accuracy of the conversion, the pulse length is derived from the reference frequency f _r , which is supplied from a crystal-controlled oscillator (not shown). The instantaneous frequency of the output signal of the precise number-to-frequency converter is therefore not exactly proportional to the input code combination. The capacitor £ stores the error of each conversion and, as soon as the error accumulates above a certain limit, the converter corrects the output frequency. Therefore, during a given time interval, the number-to-frequency conversion is very accurate.

Blokovací signál B přiváděný na blokovací vstup číslicového obvodu 10, generovaný v blíže neznázorněných obvodech, slouží k zablokování druhého výstupu číslicového obvodu 10 v případě, kdy na číslicový vstup číslicově analogového převodníku £ je přivedena kódová kombinace odpovídající nulovému kmitočtu. Blokovací vstup se využívá pouze při vyšších nárocích na stabilitu nuly výstupního kmitočtu.The blocking signal B applied to the blocking input of the digital circuit 10, generated in circuits not shown in more detail, serves to block the second output of the digital circuit 10 in the case when a code combination corresponding to the zero frequency is applied to the digital input of the digital-to-analog converter £. The blocking input is used only when higher demands are made on the stability of the zero of the output frequency.

Menší nevýhodou zapojení je okolnost, že zbytkový odpor sepnutého elektronického spínače £ se přičítá k odporu rezistorů £ a ovlivňuje tak velikost vybíjecího proudu kapacitoru £. Zejména vadí změny tohoto zbytkového odporu v závislosti na protékajícím proudu nebo teplotě. Při vhodném výběru elektronického spínače je možno však tuto nevýhodu potlačit a běžně lze tímto způsobem realizovat 10 až 12-bitové převodníky čísla na kmitočet.A minor disadvantage of the connection is the fact that the residual resistance of the switched electronic switch £ is added to the resistance of the resistors £ and thus affects the size of the discharge current of the capacitor £. Changes in this residual resistance depending on the flowing current or temperature are particularly troublesome. However, with a suitable choice of the electronic switch, this disadvantage can be suppressed and 10 to 12-bit number-to-frequency converters can usually be implemented in this way.

Přesný převodník čísla na kmitočet podle vynálezu má obecné využití a je ho možno b výhodou aplikovat všude tam, kde je zapotřebí velmi přesný převod čísla na kmitočet. Zejména lze přesný převodník čísla na kmitočet podle vynálezu využít pro přístrojové a průmyslové aplikace, například pro konstrukci programovatelných zdrojů kmitočtu pro řízení krokových motorů.The precise number-to-frequency converter according to the invention has general use and can be advantageously applied wherever very precise number-to-frequency conversion is required. In particular, the precise number-to-frequency converter according to the invention can be used for instrumentation and industrial applications, for example for the construction of programmable frequency sources for controlling stepper motors.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

Precise number-to-frequency converter, characterized in that the output of the code combination corresponding to the number to be converted is connected to a digital input of a digital-to-analog converter (1), the direct current output of which is connected to the inverting input of an operational amplifier (6). A series combination of a reference voltage source (2), an electronic switch (3) and resistors (4) is connected between the inverting input of the operational amplifier (6) and the common conductor (7) and its output is connected to a capacitor (5) , wherein the non-inverting input of the operational amplifier (6) is connected to a common conductor (7) and its output then to the non-inverting input of the comparator (9), while a source (8) of the comparator is connected between the inverting input of the comparator (9) and the common conductor voltage, the output of the comparator (9) being connected to the input of a digital circuit (10), to the clock input of which the output of a reference frequency signal is connected and to the blocking input of which an output is connected. up of the blocking signal, where the first output of the digital circuit (10) is connected to the control input of the electronic switch (3) and the second output of the digital circuit (10) is connected to the output terminal (11) of the precision number converter.