Преобразователь ток-частота с импульсной обратной связью

Преобразователь ток-частота с импульсной обратной связью

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в качестве прецизионного преобразователя ток-частота в автоматических системах управления и устройствах обработки аналоговой информации. Цель изобретения - упрощение устройства. Устройство содержит источник входного тока, интегрирующий элемент, выполненный на конденсаторе, интегрирующий усилитель-сумматор, первый компаратор, генератор тактовых импульсов, первый триггер, мостовой коммутатор из четырех ключей, источник эталонного тока, первый и второй элементы И. В устройство вновь введены источники порогового напряжения, выполненные каждый на резисторе и диоде, второй компаратор и второй триггер. Выходы интегрирующего усилителя-сумматора через первый источник порогового напряжения подключены к входам первого компаратора и через второй источник порогового напряжения - к входам второго компаратора, выход второго компаратора подключен к D-входу второго триггера, прямой и инверсный выходы которого подключены к управляющим входам мостового коммутатора и входам элементов И соответственно, а C-вход второго триггера подключен к выходу генератора тактовых импульсов. В предложенном преобразователе выходное напряжение интегратора всегда симметрично около нуля и не содержит постоянной составляющей. При входном токе, равном нулю, частота на выходе преобразователя отсутствует. Предлагаемый преобразователь обеспечивает линейность преобразования не хуже 0,0001%. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСА) УБОИН (19) (11) (51) 5 Н 03 M 1/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И,ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4254587/24-24 (22) 02.06.87 (46) 23.03.90. Бюл. ¹- 11 (72) В,С.Малов и А.П.Смирнов (53) 681.325(088.8) (56) Балакай В.Г. и др. Интегральные схемы АЦП и ЦАП. 1978, с.72-74, рис.1-23.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1451863, кл. Н 03 M 1/60, 1986. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОК вЂ” ЧАСТОТА

С ИИПУЛЬСНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ (57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в качестве прецизионного преобразователя ток"частота в автоматических системах управления и устройствах обработки аналоговой информации. Цель изобретения — упрощение устройства. Устройство содержит источник входного тока, интегрирующий элемент, выполненный на конденсаторе, интегрирующий усилитель-. сумматор, первый компаратор, генератор тактовых импульсов, первый триггер, мостовой коммутатор из четырех ключей, источник эталонного

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в автоматических системах управления в качестве прецизионного аналого-цифрового преобразователя.

Цель изобретения — упрощение.преобразователя.

2 тока, первый и второй элементы И. В устройство вновь введейы источники порогового напряжения, выполненные каждый на резисторе и диоде, второй компаратор и второй триггер. Выходы интегрирующего усилителя-сумматора через первый источник порогового напряжения подключены к входам первого компаратора и через второй источник порогового напряжения — к входам второго компаратора, выход второго компаратара подключен к D-входу второго триггера, прямой и инверсный выходы которого подключены к управляющим входам мостового коммутатора и входам элементов И соответственно, а С-вход второго триггера подключен к выходу генератора тактовых импульсов. В предложенном преобразователе выходное напряжение интегратора всегда симметрично около нуля и не содержит постоянной составляющей. При входном токе, равном нулю, частота на выходе преобразователя отсутствует. Предлагаемый преобразователь| обеспечивает линейность преобразования не хуже 0,0001Х.

3 ил.

На фиг.1 представлена функциональ- ная схема преобразователя; на фиг.2 3М и 3 — временные диаграммы работы преобразователя.

Преобразователь содержит источник

1 входного тока, интегрирующий элемент 2, выполненный на конденсаторе, интегрирующий усилитель-сумматор 3, 1552377 выполненный на резисторе 4, операционном усилителе 5 и конденсаторе 6, первый и второй источники 7 порогового напряжения, первый 10 и второй

11 компараторы, генераторы тактовых импульсов, первый 13 и второй 14 D.— триггеры, мостовой коммутатор, состоящий из четырех ключей 15-18, источ-. ник 19 эталонного тока, первый 20 и второй 21 элементы И.

Совокупность элементов из первого

13 и второго 14 D-триггеров, мостовруо коммутатора и источника 19 эталонного тока представляет собой формирователь нормированных импульсов обратной связи (формирователь импульсов биполярного тока). Первый 20 и второй 2 1 элементы И образуют логи ческую схему выделения выходных импульсов преобразователя.

На фиг.2 и 3 представлены временные диаграммы работы устройства, где а — импульсы тактовой частоты генератора 12 f» б, и — эпюры.пилообразно- 25 го напряжения Б интегратора 2; в, к — эпюры пилообразного напряженйя U на выходе интегрирующего усилителя-сумматора 3; г„ л — импульсы U Ä, на выходе первого компаратора 10 и импульсы Б п; на выходе второго.компаратора 11; д, м — импульсы U-, на прямом выходе первого триггера 13;е, н — импульсы Uz< на прямом выходе второго триггера 14; ж, о — импульсы эталонного тока I,35 формирователя; з, п — импульсы йзыу, на первом выходе преобразователя и импульсы f >> > на втором выходе преобразователя °

На фиг.2 диаграммы б-з раскрывают процесс преобразования положительного входного тока величиной

I = 1/8 I, диаграммы и-и - входного тока Хь = 5/9 Хзт, диаграммы б-з (фиг.3) — входного тока I q =

7/8.I .

Диаграммы и-п (фиг.3) раскрывают процесс преобразования отрицательного входного тока I

Ключи 15-18 мостового коммутатора включаются при появлении на соответствующем управляющем входе сигнала лог. "0", а выключаются сигналом лог. " 1" (например, возможно применение микросхем 590KH5). управляю55 щими сигналами для мостового коммута1 тора служат логические сигналы с прямых H инверсных выходов первого 13 и второго 14 P — триггеров. В целом формирователь импульсов обратной связи может иметь четыре состояния. При совпадении состояний D-триггеров 13 и 14 оказываются включенными диагонал:ьные ключи 15, I6 или 16, 18, в этом случае ток эталонного источника 19 появляется на выходе формирователя и затекает в интегратор 2.

При нахождении триггеров в состоянии лог. "1" включаются ключи 16, 18 и формирователь выдает импульсы эталонного тока положительной полярности. эти моменты времени фиксируются вторым элементом И 21. При нахождении триггеров в состоянии лог. "0" включаются ключи 15, 17 и формирователь выдает импульсы эталонного тока отрицательной полярности, эти моменты времени фиксируются первым элементом И 20. При любом несовпадении состояний D-триггеров 13 и 14 оказываются включенными ключи 15, 18 или

16, 17, при этом ток эталонного источника 19 оказывается замкнутым внутри формирователя. Этот режим соответствует нулевому выходному току формирователя, при этом интегратор 2 заряжается только входным током источника 1.

Постоянная времени интегрирующего усилителя-сумматора 3, равная ь =- К С, где К, С6 — соответственно номиналы резистора 4 и конденсатора 6, выбирается из условия ь М 10 T где Т вЂ” период тактовой частоты генератора 12.

Номиналы напряжений источников 7 пороговых напряжений Uppp u Unop.z должны выбираться из условия Uppp,1 +

+U =- — — — -- где I

I з1 по . г — С эт — эталонный ток источника 19; С вЂ” номинал конденсатора 2.

Полярности источников порогового напряжения выбираются из условия чриложения суммы их напряжений к входам первого 10 и второго 11 компараторов. Операционный усилитель 5 и компараторы 10 и 11 должны иметь мапые входные токи.

Преобразованче входного тока в; выходную частоту основано на принципе сравнения и уравновешивания, зарядов интегратора 2 от входного тока и токовых импульсов обратной связи формирователя, нормированных по амплитуде источников 19 тока и по длительности D-триггерами 13 и 14.

Последние срабатывают по переднему фронту тактовых импульсов гене- ратора 12, поэтому длительность их состояний всегда кратна целому числу периодов тактовой частоты. Преобразователь образует следующую систему с замкнутой петлей импульсной отрицательной обратной связи, работающей на принципе дельта — сигма модулятора. В замкнутой системе происходят автоколебания с частотой, кратной тактовой частоте генератора 12.

Преобразователь работает следующим образом.

В исходном состоянии напряжение на выводах конденсаторов равно нулю.

При подаче положительного входного тока интегратор 2 заряжается в направлении увеличения на его выводах положительного напряжения. Данное напряжение в первые моменты времени практически без изменения попадает на выход интегрирующего усилителясумматора 3 и при превышении порога срабатывания первого компаратора 10, определяемого источником 7, вызывает срабатывание компаратора 10 и по переднему фронту тактового импульса—

D-триггера 13. Формирователь выдает импульс эталонного тока отрицательной полярности. Б системе возникают автоколебания в соответствии с диаграммами б-з (фиг,2). Положительный входной ток уравновешен отрицательными импульсами эталонного тока. В этом случае второй компаратор 11 и второй триггер 14 находятся в устойчивом состоянии лог. "0", так как. порог срабатывания второго компаратора 11 разнесен от порога срабатывания первого компаратора 10 на величину напряжения, первышающую размах пилообразного напряжения на выводах интегратора 2 °

Интегрирующий усилитель-сумматор

3 имеет передаточную характеристи1 ку M(P) = 1 +, т.е. его вы-

4 6 ходное напряжение равно U = Нс +

1

+ — — t U dt. При его отсутствии

R406 о для положительного входного тока

552377 6 среднее напряжение на выводах интегратора 2 уравновешиьается около напряжения U p, первого источника

7 а для отрицательного входного тока — около напряжения U „op > второго источника 7. Наличие интегрирующего усилителя-сумматора 3 позволяет непрерывно чувствовать среднее

10 значение напряжения интегратора и автоматически сводить его к нулю путем выработки напряжения коррекции, выделяемого на выводах конденсатора 6, Uggpp . Напряжение коррек15 ции U „„ включено последовательно в контуре выходы интегратора — источ— ник порогового напряжения — входы компаратора. Поскольку постоянная времени с, выработки Н намного л

2О превышает период повторения U, то

l

U „ = ---- U dt является пракК,4С о тически постоянным напряжением по

25 сравнению с переменным напряжением

V и выполняет функцию дополнительного управляемого источника порогового напряжения, изменением которого можно регулйровать среднее значе30 ние Ut . В контуре обратной связи осу— ществляется пропорционально интегрирующее регулирование. Такое построение обеспечивает более высокую точность уравновешивания зарядов интеграторов от входного тока и нормированных импульсов обратной связи.

При подаче отрицательного входного тока цепь обратной связи замыкадб ется через второй источник 7 порогового напряжения, второй компаратор

11, второй триггер 14 и формирователь импульсов обратной связи. Наблюдается накопление отрицательного на45 пряжения и уравновешивание его положительными импульсами эталонного тока формирователя (фиг.3, диаграммы и-и) . Первый компаратор 10 и первый триггер 13 находятся в устойчиВОм сОстОЯнии лог 1, Выходные импульсы преобразователя присутствуют Только íà его втором выходе.

Частота выходных импульсов преобразователя с выходов элементов И 20

55 и 21, т.е. среднее число импульсов за единицу времени, определяется выражением иых = Ти filIзт.

1552377

В предложенном устройстве источники 7 порогового напряжения выполнены в виде делителей напряжения, состоящих из резисторов 8 и стабили5 зирующих элементов 9, общая точка которых подключена к выходу операционного усилителя 5. В этом случае подключения общей точки источников питания усилителя 5 и компараторов

10 и 11 к другим элементам преобразователя не требуется. Потенциалы источника 1 входного тока, интегратора 2, интегрирующего усилителя-сумматора 3, источников 7 и входов компараторов 10 и 11 оказываются "взве— шенными 1 по отношению к общей шине источников питания усилителя 5, компараторов 10, 11, ключей 15-18 и источника 19 эталонного тока, являю в 20 щихся общими на все аналоговые узлы преобразователя, что упрощает реализацию всего. устройства. В этом случае источник 19 может быть гальванически завязан и запитан от источников питания узлов (5, 10, 11).

Предложенный преобразователь обеспечивает двойное уменьшение размаха пилообразного напряжения интегратора. Достигнутый порог чувствитель- 30 ности составляет менее 10 нА, линейность преобразования не хуже

0,,00017, выходная частота при нулевом входном токе практически равна нулю (данные приведены при применении усилителя. 5, компараторов 10 и

11 типа 544УД2, ключей типа 590КН5, триггеров типа 533ТМ8, I T = 20 мА, f1- = 20 кГц, С = 1 мкФ, R 4 = 2 МОм, Сб = 0,047 мкФ) . 10

Повышение точности преобразования в области малых токов достигнуто благодаря уменьшению частоты переключения ключей формирователя импульсов обратной связи. При нулевом 5 входном токе отсутствует заряд интегратора под его воздействием, а следовательно, его разряд импульсом эталонного тока. В формировании импульса эталонного тока участвуют только два ключа формирователя, при этом диапазон изменения амплитуды импульса эталонного тока равен 1

Разделение двух полярностей входного тока осуществляется применением двух компараторов и двух триггеров, работающих с различными порогами срабатывания. В известном устройстве при формировании импульсов эталонного тока одновременно переключаются все четыре ключа мостового коммутатора, при этом диапазон изменения амплитуды импульса эталонного тока составляет 2 I T.

В предложенном устройстве среднее значение напряжения интегратора: равномерно во всем диапазоне входных токов -I с 1 „(+Х+т и близко к нулю с точностью до напряжения смещения интегрирующего усилителя-сумматора 3.

Формула изобретения

Преобразователь ток — частота с импульсной обратной связью, содержащий источник входного тока, выходы которого объединены с соответствующими выводами интегрирующего элемента, выполненного на конденсаторе, с соответствующими выходами формирова-" теля импульсов биполярного эталонного тока, выполненного на мостовом

\ коммутаторе и источнике эталонного тока, включенном в первую диагональ мостового коммутатора, вторая диагональ которого является соответствующим выходом формирователя импульсов биполярного тока и подключена к первому и второму входам интегрирующего усилителя-сумматора, первый вход которого объединен с неинвертирующим входом первого компаратора, выход которого соединен с D — входом первого D-триггера, С-вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, прямой выход соединен с первым управляющим входом мостового коммутатора и первым входом первого элемента И, второй вход которого объединен с первым входом второго элемента И и подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а второй вход второго элемента И соединен с инверсным выходом первого

D-триггера, выходы первого и второго элементов И являются соответственно первой и второй выходными шинами,отличающийся тем, что, с целью упрощения преобразователя, в него введены второй компаратор, второй D-триггер и первый и второй источники порогового напряжения, выполненные каждый соответственно на диоде и резисторе, первый вывод которого подключен к соответствующей шине питания, причем неин1552377

10 вертирующии вход второго компаратора объединен с неинвертирующим входом первого, их инвертирующие входы подключены соответственно к вторым выводам первого и второго резисторов, при этом инвертирующий вход первого компаратора соединен с анодом диода первого источника порогового напряжения, а инвертирующий вход второго компаратора — с катодом диода второго источника порогового напряжения, катод и анод диодов соответственно первого и второго источников пороговых напряжений подключены к выходу интегрирующего усилителя-сумматора, а выход второго компаратора соединен с D-входом второго Dтриггера, прямой выход которого соединен с третьим входом первого элемента И и вторым управляющим входом мостового коммутатора, третий управляющий вход которого объединен с третьим входом второго элемента И и подключен к инверсному выходу вто" рого D-триггера, а инверсный выход первого D-триггера соединен с четвертым управляющим входом мостового коммутатора, 1552377

У мхУ

%юг

Редактор А.Мотыль

Заказ 340 Тираж 664 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101, Or< о Я

Фг 3Ò

ЙиИ т й

Ф ф

Ю

Ф

Иг е

Зт

Составитель В.Махнанов

Техред А.Кравчук Корректор М.Самборская