Преобразователь напряжения в частоту

Преобразователь напряжения в частоту

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ по авт. св.№ 930663, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования , в него введен второй последовательный резистивный делитель, первый вход которого соединен с выходом второго компаратора, второй вход - с общей шиной устройства, первый выход - с вторым входом интегратора , второй выход - с вторый входом второго компаратора,

СОЮЗ 00ВЕТСННХ

СО14ИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) Ш) А 1б)) Н 03 К 13/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 930663 (21) 3499228/18-21 (22) 06.10.82 (46) 23.09 .84. Бюл . Н - 35 (72) Л.А.Иванов (71) Специальное конструкторское бюро систем промышленной автоматики

Чебоксарского производственного обь— единения "Промприбор" (53) 681.325(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР У 930663, кл. Н 03 К 13/20, 1980.

4 (54) (57) ПРЕОБРАЗОВАТЕПЬ НАПРЯЖЕНИЯ

В ЧАСТОТУ по авт. св. И - 930663, отличающийся тем,что, с целью повышения точности преобразования, в него введен второй последовательный резистивный делитель, первый вход которого соединен с выходом второго компаратора, второй вход — с общей шиной устройства, первый выход — с вторым входом интегратора, второй выход — с вторый входом второго компаратора,.

1115222

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в интеграторах аналоговых сигналов и в аналого-цифровых преобра l0

Поставленная цель достигается тем, что н преобразователь напряжения н частоту, содержащий интегратор, первый вход которого через первый резистор соединен с входной шиной первый и второй компараторы, первый вход первого компаратора соединен с выходом интегратора, второй вход— с источником опорного напряжения через второй резистор и с общей шиной через ключ, управляющий вход ко- 45 торого подключен к выходу первого компаратора, выходы компараторов соединены между. собой через первый последовательный резистивный делитель, средняя точка KQToporo соединена с первым входом интегратора через нелинейный симметричный двухполюсник с зоной нечувствительности, первый и второй входы второго компаратора подключены соответственно к вход- 55 ной и Общей шинам преобразователя,введен второй последовательный pet зистивный делитель, первый вход кото"! эователях. 5

По основному авт.св. У 930663 известен преобразователь напряжения в частоту, содержащий интегратор, вход которого через первый резистор соединен с входной шиной, первый и второй компараторы, первый вход первого компаратора соединен с выходом интегратора, второй вход — с источником опорного напряжения через второй резистор и с общей шиной через 15 ключ, управляющий вход которого подключен к выходу первого компаратора, выходы компараторов соединены между собой через последовательный реэистинный делитель, средняя точка кото- 2п рого соединена с входом интегратора через нелинейный симметричный днухполюсник с зоной нЕчувстнительности, первый и второй входы второго компаратора подключены соответственно 25 к входной и общей шинам преобразователя 1) .

Недостаток известного устройст ва — низкая точность преобразования . в области малых значений входного сигнала, что обусловлено наличием, зоны нечувствительности.

1(ель изобретения — повышение точности преобразования. ! рого соединен с выходом второго компаратора, второй вход — с общей шиной устройстна, первый выход — с вторым входом интегратора, второй выход — с вторым входом второго хомпаратора. .На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого преобразователя, на фиг. 2 — временные диаграммы электрических сигналов н преобразователе.

Преобразователь содержит интегратор 1, иннертирующий первый вход которого соединен с входной шиной 2 через резистор 3. К выходу интегратора подключен неинвертирующий первый вход компаратора 4, а к нходйой шине 2 — инвертирующий первый вход компаратора 5. К выходам компараторон 4 и 5 подключен резистинный делитель 6, выполненный на резисторах 7 и 8. Средняя точка делителя 6 соединена с первым входом интегратора через нелинейный симметричный днухполюсник 9 с зоной нечувствительностИ, в качестве которого .может быть использован симметричный стабилитрон. Неинвертирующий второй вход компаратора 4 соединен с источником 10 положительного опорного напряжения через резистор ll и с общей шиной устройства 12 через ключ 13, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора 4.Выходы компараторов 4 и 5 соединены соответственно с выходными шинами

14 и 15, Преобразователь содержит также последовательный резистивный делитель 16, первый вход которого соединен с выходом компаратора 5, второй вход — с общей шиной устройства, первый выход — с неинверти— рующим вторым входом интегратор, второй выход — с неинвертирующим вторым входом компаратора 5.

Интегратор выполнен на операционном усилителе, инвертирующий вход которого соединен с выходом через конденсатор и является инвертирующим входом интегратора, а неиннертирующий вход — неинвертирующим входом интегратора. В качестве компаратора 4 и 5 применены операционные усилители. Ключ 13 выполнен любым известным образом так, что он замкнут при положительном и разомкнут при отрицательном напряжениях на входе управления с уровнями, соответствующими выходным логическим

1115222

3 уровням компаратора 4. В делителе 6 резисторы 7 и 8 имеют одинаковые номинальные сопротивления, которые но много раэ (например более, чем в

501 меньше сопротивления реэисто5 ра 3. Двухполюсник 9 имеет зону нечувствительности с границами, которые по абсолютной величине меньше в 2-3 раза выходных напряжений компараторов 4 и 5, но больше мак- Ip симально возможной разности их абсолютных значений. Например, при использовании в качестве компараторов 4 и 5 микросхем операционных усилителей с абсолютными величинами напряжений выходных логических уровней в пределах,12-14,5 В при номинальных напряжениях питания

+15 В и использовании в делителе 6 резисторов с пятипроцентными допускаемыми отклонениями сопротивлений от номинальных значений может быть использован двуханодный стабилитрон с номинальными напряжениями стабилизации «+6,2 В.

Делитель 16 выпол не н н виде соедиHeHíûõ последовательно резисторов

17-! 9, сопротивления которых выбраны такими, что напряжение относительно общей шины 12, получаемое путем

30 деления им выходного напряжения компаратора 5, на втором выходе превышает по абсолютной величине каждое из напряжений питания компаратора 5, деленное н.а коэффициент усиления примененного в качестве компаратора 5 операционного усилителя, но составляет пренебрежимо малую часть от верхнего предела изменения входного напряжения преобразователя на шине 2 и равно + (2-31 мВ, а на 4О первом выходе превышает по абсолютной величине напряжение на втором выходе по краййей мере на сумму абсолютных значений максимально воэможных напряжений смещения нуля ин- 45 тегратора 1 и компаратора 5.

С вЂ” емкость конденсатора отрицательной обратной связи интегратора !;

U „- напряжение на выходе источника 10;

0 — напряжение на выходе делиЯл теля 6;

U и U << -напряжения на первом, - 74 и втором выходах делителя 16 соответственно;

1 и I< — напряжения смещения нуля интегратора 1 и компаратора 5 соответственно;

0 и (f — логические сигналы на выходных шинах 14 и 15 соответственно; — ток через двухполюсник 9 в

2 сторону интегратора I ..

Другие условные обозначения вводятся по ходу описания.

Ela шину 2 от внешнего источника поступает аналоговый сигнал Х напряжения постоянного тока с симметричным относительно нуля напряжения на шине 12 верхним и нижним пределами изменения, например сигнал плюс

I0-0- минус 10 В. Если напряжение У находится в пределах линейной части выходной характеристики интегратора 1, что всегда имеет место, то напряжения на иннертирующем и неинвертирующем входах интегратора I отличаются не более чем на небольшую величину 14 напряжения смещения нуля интегратора 1. При указанном симмет ричном питании компараторов 4 и 5 .. установившиеся значения У1, И<, У и У4 напряжений V и У имеют приблизительно одинаковую абсолютную величину Е, близкую к абсолютной вели чине напряжений питания ° H а неинвертирующий вход интегратора 1 с делителя 16 поступает напряжение

У 4, приблизительно равное

Устройство работает следующим образом.

50

Будем использовать следующие условные обозначения:

Х вЂ” напряжение внешнего анапогового сигнала на входной шине 2;

У вЂ” напряжение на выходе интег- 55 ратора 1;

U4 и U — напряжения на выходах компараторов 4 и 5; где К „ — коэффициент передачи делителя 16 по первому

Выходу;

Sqи.(к-, 1- .величина, принимающая значение плюс 1 при (Х-Iq) 0 и значение минус I прй (Х-j<) .) О.

Иэ вышеизложенного следует, что ,ток !1„, поступающий на инвертирующий вход интегратора 1 с шины 2 через резистор 3, равен

В 111522 -Ь tßóã

4 .(= g где R — сопротивление резистора 3.

При указанном выборе сопротивлений резисторов делителя 16 U .,< по абсолютной величине всегда больше, чем 1, так что знак алгебраической суммы второго и трЕтьего слагаемых в числителе правой части выражения (2) противоположен зеваку разностй величины (Х-1 ), а абсолютная величина упомянутой cjjMMbl пренебрежимо мала по сравнению с верхним пределом изменения сигнала Х. Величина тока зависит от выходных логических состояний компараторов 4 и 5, т.е. от логических сигналов Q u

При противоположных знаках установившихся значений напря:.;ений

U и U< напряжение U 4 находится в зоне нечувствительностИ двухполюс— ника 9, при этом i =0. В этих случаях входной ток интегратора 1, если пренебречь небольшим собственным входным током, определяется выражением (2 ), в процессе интегрирования которого напряжение У изменяется со скоростью Ч,1, определяемой выражением

30 (3)

Е-U

/i / = 2

Rg (4) 50 где цпоp — порог открывания двухполюсника 9; сопротивление резисторов

7и8.

В этих случаях при указанном выборе значений U> > и, R òîê i по абсолютной величине на два порядка больше максимально возможной величины тока l gp соответствующей верхЪ

При совпадающих знаках установив35 шихся значений напряжений U< и U к двухполюснику 9 через выходное со-противление делителя б приложено напряжение с абсолютной величиной, приблизительно равной Е, Которая зна40 чительно превышает порог открывания двухполюсника 9, вследствие чего на инвертирующий вход интегратора 1 поступает ток i направление которого определяется знаком напря45 жений iUq и U, а абсолютная величина определяется выражением нему пределу изменения напряжения Х, при этом напряжение У изменяется со скоростью Д, определяемой приближенным выражением

L1

С (5) Из вышеизложенного следует, что

/о,/ » /а„/.

Работа преобразователя в режиме большого (по сравнению с напряжением

0 у ) сигнала Х поясняется с лов

3 мощью фиг. 2, на которой приведены временные диаграммы электрических сигналов Х, U, U, i, Y. Хотя сигнал Х является аналоговым сигналом, т. е. может произвольно изменяться во времени, для упрощения диаграмм напряжение Х до момента времени t4 принято равным плюс 10 В, в интервале времени от t 4 до t> плюс 5 В, после момента времени t g минус 10 В.

При Х) 0 U < 00, à Uq в различЮ ные моменты времени может име-ь разные знаки. Если, как пока:;ано в начальный момент времени, 11< > 0,то =0 и У уменьшается со скоростью, абсолютная величина которой в соот— ветствии с выражениями (2) и (3) приблизительно прямо пропорциональна напряжению Х. Ключ 13 при этом открыт, вследствие чего напряжение на инвертирующем входе компаратора 4 имеет первое значение, близкое к нулю. При достижении в момент времени напряжением У указанного первого значения U принимает отрицательное значение 0 „, вследствие чего ключ !3 закрывается, напряжение на инвертирующем входе компаратора 4 принимает второе значение, близкое к U пп, возникает отрицательный ток 1 = и напряжение У быстро увеличивается со скоростью U< (на диаграммах фиг.2 для повышения наглядности скорости изменения напряжения У в интервалах времени, когда 10, значительно уменьшены по сравнению с их действительными значениями). При достижении в момент времени 1, напряжением У упомяну1 того второго значения 114 снова принимает положительное значение О + вследствие чего ключ 13 открывается, а ток 4 становится равным нулю, и напряжение У снова уменьшается со скоростью, определяемой величиной напряжения Х, до момента време1115222

«Пдп

1 Tv 1 (6) 15 (7) ни 1, когда оно снова достигает первого упомянутого значения. Дапее описанные процессы периодически повторяются, при этом преобразователь формирует на шине 14 последовательность импульсов выходного логического сигнала Q g.

Период Т следования импульсов равен сумме первой и второй частей 2 < и g<, определяемых приближенными выр аж ения ми

При уменьшении в момент времени 4 напряжения Х в два раза пропорционально увеличиваются первые час-. ти периода, тогда как вторые части сохраняются неизменными.

При Х <0 (после момента времени t g ) V < 7 О, при этом преобразователь рабо1 ает аналогично опи25 санному выше эа исключением того, что при совпадающих (положительных ) знаках напряжение U < и U, ток i принимает положител ьное направление, также противоположное направлению тока ig, .

Частота f следования импульсов обратна периоду Т.

Из зависимостей следует:

Так как i g> зависит от Х, то наличие в выражении (8) последнег сомножителя свидетельствует о наличии

40 определенной нелинейности зависимос- 1 ти Ф от Х, которая, однако, может быть снижена до практически приемлемой величины, например до 0,57, путем выбора надлежащего соотношения между сопротивлениями R„è К2

НалиЧие в выражении(8) постоянных слагаемых -1 и + U < < < свидетельствует о наличии некоторой составляющей погрешности преобразования напряжения Х в частоту, однако ее приведенная величина к верхнему пределу изменения напряжения Х при достаточно большом значении этого предела, небольших свойственных интегральным микросхемам операционных усилителей значениях 1 и 1 и указанном выборе коэффициентов передачи делителя 16 находится в приемлемых пределах для многих. областей применения преобразователя, например при входном сигнале Х минус 10-0

+10 В, применении операционных усилителей типа К553УД2 и величине

+ 20 мВ указанная составляющая приведенной погрешности не превышает

+ O, ЗЕ. Более высокая точность преобразователя может быть достигнута путем балансировки интегратора 1 и компаратора 5 с помощью известных устройств балансировки и соответствующего уменьшения величины К g,,1 и

Триггерная характеристика переключений компаратора 5, достигаемая за

: чет подключения его неинве зтирующегс входа к второму выходу делителя 16, обеспечивает крутые фронты логического сигнала Й,1знака на шине 15. В тех случаях, когда к преобразователю не предъявляются жесткие требования в отношении длительностей фронтов сигнала Q, резистор 19 может быть исключен и заменен перемычкой.

Введение в преобразователь делителя 16 при надлежащем выборе его коэффициента передачи обеспечивает описанное действие при любых значениях напряжения Х, в том числе находящихся между значениями.14 и l т.е. преобразователь не имеет эоны нечувствительности к входному напряжению, причем выходное напряжение интегратора всегда остается в пределах приблизительно от нуля до опорного значения напряжения, т.е. в допустимых пределах для входа ком-. паратора 4.

1!)5222 .Х

+7И

Составитель В. Пешков

Редактор А. Козориз Техредл.йикеш Корректор А Обручар

Заказ 679 ) /44 Тираж 86) Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий .

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4