Интегрирующий преобразователь напряжения в интервал времени

Интегрирующий преобразователь напряжения в интервал времени

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

O Il И С А Н И Е 739731

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советски к

Социалнстмческкн

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ФФф t (51)М. Кл.

Н 03 К 13/02 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 15.03.77 (21) 2462077/18 — 21 с присоединением заявки,% (28) П риоритет

Гоеударстнвнный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 05,06.80. Бюллетень йй 21

Лата опубликования описания 05.06,80 (53) УДК681325 (088.8) (72) Авторы изобретения

Э. k. ШMа х оoвa,, АA. . А . . )ЖKу р1и1нH, В. М. Шляндин и С. Б. Шахов (71) Заявитель

Пензенский политехнический институт (54) ИНТЕГРИРУКНЦИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

В ИНТЕРВАЛ ВРЕМЕНИ

Изобретение относится к импульсной технике, может быть использовано в электроизмерительных устройствах.

Известны интегрирчюшие преобразователи напряжения во временной интервал, принцип

5 действия которых заключается в сравнении интеграла от входного напряжения с интегралом от разнополярных импульсов стабильной амплитуды регулируемой скважности.

1О

В установившемся состоянии длительность импульсов обратнон связи определяется значением входного напряжения.

Особенностью таких преобразователей явля15 ется наличие переходного процесса, дляшегося несколько циклов преобразования (в зависимости от требуемой точности установления) и возникающего при включении преобразователя илн скачкообразном изменении входного напряжения, что является их существенным недостатком. Кроме того, одним нз источников т(огрешности таких преобразователей являются ключи, коммутирующие опорное напряжение.

Известен интегрируюший преобразователь напряжения в интервал времени, основанный . на днухтактном интегрировании.

Преобразователь содержит ключи, интегратор,,нуль-орган, устройство управления, причем через первый ключ к первому входу интегратора подключается напряжение U>, через второй ключ ко второму входу интегратора подключается опорное напряжение U выход интегратора соединен со входом нуль-органа, выход которого соединен со входом устройства управления, выход генератора тактовых импульсов соединен со входом устройства управления, управляющие входы ключей соединены с выходами устройства управления.

При работе преобразователя входное напряжение 0 подключается ко входу интегратора на определенное время, а в течение остального времени цикла (с, — 4 ) информация на вход преобразователя не поступает, что приводит к появлению динамической погрешности.

Кроме того, неидеальность ключей в цепях преобразуемого и опорного напряжений является источником дополнительных погрешностей.

739731 а Л

Целью настоящего изобретения является повышение точности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь, содержащий интегратор", выход которого подключен ко входу неинвертирующЕго усилителя —, нуль-органа, выход которого соединен с одним из входов устройства управления, вторбй вход которого соединен с генератором. тактовых импульсов, выходы устройства управления соединены с управляющими 10 входами ключей, выходы последних — соответственно с первым и вторым входами интегратора, введены неинвертирующий усилитель и дополнительный интегратор, выход которого через неинвертирующий усилитель подключен ко входу первого ключа, первый вход дополнительного интегратора соединен с клеммой преобразуемого напряжения, второй — с клеммой опорного напряжения и третьим входом интегратора, первый вход которого подключен к третьему входу дополнительного интегратора, а выход неинвертирующего усилителя— нуль-органа соединен со входом второго ключа.

На фиг. 1 изображена функциональная схема 25 интегрирующего преобразователя напряжения в интервал времени без прецизионных ключей; на фиг. 2 — временная диаграмма, поясняющая ее работу.

Интегрирующий преобразователь напряжения 30 в интервал времени без прецизионных ключей содержит дополнительный интегратор 1, неинвертирующий усилитель 2, ключ 3, интегратор

4, неинвертирующий усилитель — нуль-орган 5, ключ 6, устройство управления 7, генератор З5 тактовых импульсов 8, клемму 9 входного преобразуемого напряжения, клемму 10 опорного напряжения.

Входом преобразователя является клемма 9, соединенная с первым входом интегратора 1,второй вход которого соединен через клемму 10 с источником опорного напряжения и с третьим входом интегратора 4, выход которого соединен со входом неинвертирующего усилителя— нуль-органа 5. Выход последнего соединен со входом устройства управления 7 и через ключ

6 — со вторым входом интегратора 4. Выход интегратора 1 подключен ко входу неинвертирующего усилителя 2, выход которого соединен

50 через ключ 3 с третьим входом интегратора 1 и с первым входом интегратора 4; управляющие входы ключей 3 и 6 соединены с выходами устройства управления 7.

На фиг, 2 представлена временная диаграмма, 55 поясняющая работу преобразователя (А — выходное напряжение интегратора 1; Б — выход-. ное напряжйие ключа 3;  — выходное напря жение интегратора 4) .

Работу преобразователя рассмотрим начиная с момента Ф „(фиг. 2). При этом ключ 3 разомкнут, дополнительный . интегратор 1 находится в начальном состоянии (нулевое напряжение на выходе). Рассмотрим случай, когда входное 0 и опорное Цо напряжения положительны. Для простоты (без ограничения общ ности получаемых далее результатов) примем что напряжение Uх постоянно в течение цикла . преобразования.

Начиная с момента Ф „напряжение на выходе интегоатоова 1. изменяясь по закону

".« — с" (-t„j.—, - - )

1 1 достигает в момент Ф. значения где t<-t< = 1u, /2 представляет собой половину цикла преобразования, а Тц — время цикла измерения. R, R и ф— элементы, входящие в схему йнтегратора 1.

В этот же момент времени по сигналу с устройства управления 7 замыкается ключ 3, и выходное напряжение отрицательной полярности неинвертирующсго усилителя 2 поступает. на третий вход интегратора 1 н первый вход интегратора 4 через соответствующие резисторы.

На интервале от t до г . напряжение на выходе интсгратбра 1 изменяется по закону

U (t)*u (t -;",:,(t-t)з

Я с (11 Я (-х(2) где R — резистор связи между интеграторами

Ъ

1и4;

"ос — напряжение на выходе ключа 3 на интервале от г до t в течение

9 3 которого оно остается постоянным и равным (за вычетом падения напряжения на открытом ключе 3) напряжению насыщения усилителя 2 (см. вторую строку временной диаграммы фиг. 4). К моменту г напряжение на выходе интегратора 1 достигает значения, "п М "n (t.) в с (1

В момент 1 усилитель 2 выходит из насы3 щения, и начинает действовать отрицательная обратная связь через открытый ключ 3 и резистор В >, охватывающая последовательно включенные интегратор 1, усилитель 2 и ключ 3.

Как известно из теории автоматического регулирования, при охвате интегрирующего звена жесткой отрицательной обратной связью оно о обращается в апериодическое звено первого порядка., В данном случае наличие усилителя 2, ха»

5 73973 включенного последовательно с интегратором 1, приводит к тому, что постоянная времени апериодического звена равна А>С.„ /К2, где К2— коэффициент усиления усилителя 2,. По оконв чании переходного процесса, длящегося весьма короткое время (так как постоянная времени К С„ IK2 очень мала, учитывая, что К2>) 1), в рассматриваемой замкнутой системе устанавливается напряжение обратной связи (см. вторуго строку временной диаграммы, фиг, 2)»о .u =-U — -U -> (3)

Ri R ос х р„оо г 2.

Умножим обе части равенства (3) на одну и ту же величину

Найдем общую площадь сигнала на выходе ключа 3, т.е. Ц>с(t t2)»1осЬа t.ç, 1

Начиная с момента t > на выходе интегратора 2О

1 устанавливается напряжение

If к

Отсюда с учетом большого значения коэффициента К2можно полагать,что 0 (т. )=0.(5)

В соответствии с (5), приравнивая выраже- ние (2) нулю, найдем

Н С (з 2 С о(3 Д

- „— ", о„(t. t;I. о„„(L,1 л 4

Подставляя сюда выражение (1) для

U,„„(t ), получим

» ОС(3 Я= Р "o(ta л) — R» х(, Я(6)

Складывая правые и левые части равенства (4) и (6), получим искомую общую площадь онгнала на выходе ключа 3 . гаооф» гД+ и (а-,,)-- о (4 — t.„)»„- о„(,-t,„р

Сигнал с выхода ключа 3 поступает в течение интервала от t до т.4 на интегратор 4, 2 который к моменту t находится в началь 2. ном состоянии (нулевое напряжение на выходе).

В результате напряжение на выходе интеграто- 55 ра 4 к моменту т.4 достигает значения

tt =- — u c,-М- — "о-(а- 4,Н4 4 f4C „ < $4444

5 2

1 6.

После момента т а ключ 3 размыкается по команде с устройства управления 7, и на ин- тегратор 4 поступает лишь опорное напряжение

uo . Поэтому на интервале времени от t

4 до15 напряжение на выходе интегратора 4 изменяется по закону

Ф= 1иа(t„) в с о(а11

5 2.

В момент t> выходное напряжение интегратора 4 переходит через нулевой уровень, в результате чего выходное напряжение неинвертирующего усилителя — нуль-органа 5 скачком изменяет свою полярность. Соответствующий сигнал поступает на устройство уйравления 7, которое в этот момент зам1якает ключ 6. Вследствие этого интегратор 4 и усилитель 5 оказываются охваченными отрицательной обратной связью, благодаря чему до момента 1 напряжение на выходе интегратора 4 поддерживается на уровне Оо / где К вЂ” коэффициент усиления усилителя 5, причем Uoc= 0 R /R Ïîñêoëüêó K> > 1, можно полагать Uoc/K ж О, т.е. интегратор 4 находится в начальном нулевом состоянии до момента 1, когда начинается новый цикл его работы.

Определим длительность интервала времени

d Т=1.<-t4, который и является в данном случае информативным. Для этого в выражение (9) подставим т = 1. и приравняем его нулю. Получим

Подставив сюда значение 0„„(4 ) в соответствии с выражением (8), имеем ач = -„— О,, (,-,»ч О,",(;,))-(,-,)

В это выражение подставим вместо с(t2)+uOC(t4 чение в соответствии с выражением (7), При ,3ТОМ y4rTeM, 4rTo %4- t 2ю та /2 . Тогда дт=т — + 5въ их Рбръ ти (10) ч

< R„R„uo Вава

При надлежащем выборе сопротивления R, можно получить

В5Вэ т т т,=—

R4R2 2. после чего функция преобразования интегрирующего преобразователя принимает окончательный вид дт=с — — ;(»)

Я Ь Й ь 4-4 х ачЛ 4 О

Если же выбрать R2 исходя из соотношения ь г = — т возможно преобразов»и=а ц» ние напряжения U обеих полярностей. Функция преобразования при этом будет иметь вид дт= — + т„ —,, (12)

RsR5 Ux

4 к„д„Г

7 и в зависимости от знака Uõ информативный

NHTepBNt h T будет уменьшаться или увеличи"ватЬся относительно своего начального значения, ровного T4,>

Ох= О

Таким образом, стабильность функции пре. оЪраэовеяйя определяется лишь отношением резисторов и стабильностью опорного напряжения. °

Become метрологические характеристики преобразователя полностью потверждены экспериментально.

Таким образом, использовайие допблнитель нбго йнтегратора и неннвертирующего усилителя выгодно отличает предложенный преобразователь от прототипа, та" как в цепях как преобразуемого, так и опорного напряжений отсутствуют коммутирующие элементы. Параметры ключей 3 и 6 не входят в функцию . преобразовйФя и не сказываются" па точности преобразования, так как оба ключа находятся в прямой цепи преобразования. Кроме того, отсутствуют пропуски информации о преобразуемом напряжении, (ийтервалы интегрирования примыкают друг к другу). В результате точность предложенного преобразователя Ilph одинаковой элементной базе существенно повы39731 8 шается по сравнению с устройством — прото.типом.

Формула изобретения

Интегрирующий преобразователь напряжения в интервал времени, содержащий интегратор, выход которого подключен ко входу неинвер тйрующего усилителя — нуль-органа, выход которого соединен с одним из входов устройства управления, второй вход которого соеди- нен с генератором тактовых импульсов, выходы устройства управления соединен с управляющими входами ключей, выходы последних — соответственно с первым и вторым входами интегратора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в йего введены неинвертирующий усилитель и дополнительный интегратор, выход которого через неинвертирующий усилитель подключен ко входу первого ключа, первый вход дополнительного интегратора соединен с клеммой преобразуемого напряжения, второй — с клеммой опорного напряжения и третьим входом интегратора, первый вход которого подключен к третьему входу дополнительного интегратора, а выход неинвертирующего усилителя — нульоргана соединен со входом второго ключа.

739731

Составитель Д Голубович

Техред Я,Бирчак

Корректор И Муска

Редактор Б. Федотов

Тираж 995 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 l 3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 2957/50

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