ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ Российский патент 2005 года по МПК H03G3/12 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в радиотехнике и автоматике, в частности в системах измерения и слежения.

Известны схемы автокомпенсационных усилителей (масштабных преобразователей) с замкнутой структурной схемой измерительного устройства (см. Туз Ю.М. “Структурные методы повышения точности измерительных устройств”. Издательское объединение “Вища школа”, 1976, стр. 37, табл. 3). В этих устройствах содержатся каналы коррекции усиления, что приводит к изменению уравнения преобразования и появлению петли положительной обратной связи.

Недостатком данных преобразователей является трудность обеспечения устойчивости при их реализации на операционных усилителях.

Наиболее близким схемотехническим решением к предлагаемому является принятый авторами за прототип преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий усилитель, охваченный петлей отрицательной обратной связи и петлей положительной обратной связи, содержащей в своем составе второй усилитель и развязывающий блок (см. заявку №2001112498/09, М.кл.⁷ Н 02 М 3/00, по которой имеется решение о выдаче патента от 28.01.2003 г.). Таким образом, этот преобразователь представляет усилитель с корректирующим каналом в виде петли положительной обратной связи. При коэффициенте передачи корректирующего канала, близком к единице, удается уменьшить значение нестабильности коэффициента усиления преобразователя, вызванной нестабильностью усилителя. Отличительной особенностью данного преобразователя является устойчивость системы в области медленно меняющихся напряжений, которая обеспечивается наличием развязывающего блока, состоящего из двух параллельных каналов и блока управления.

Недостатком этого преобразователя является погрешность его коэффициента усиления, обусловленная неидентичностью коэффициентов передачи параллельных ветвей развязывающего блока в цепи положительной обратной связи, в результате чего, при установившемся процессе на выходе цепи положительной обратной связи на постоянное напряжение накладывается меандр, амплитуда которого определяется неидентичностью коэффициентов передачи параллельных ветвей развязывающего блока.

Задачей, решаемой заявленным техническим решением, является повышение точности преобразователя.

Поставленная задача решается тем, что в преобразователе постоянного напряжения в постоянное, содержащем первый усилитель, вход которого присоединен к выходу суммирующего устройства, цепь отрицательной обратной связи, включенную между выходом первого усилителя, являющимся выходом преобразователя, и первым входом суммирующего устройства, второй вход которого является входом преобразователя, цепь положительной обратной связи, содержащую второй усилитель, вход которого подключен к входу первого усилителя, развязывающий блок, содержащий последовательно соединенные размыкающийся ключ, вход которого подключен к выходу второго усилителя, первое запоминающее устройство и замыкающийся ключ, блок управления, выход которого подключен к управляющим входам обоих ключей, и второе запоминающее устройство, вход второго запоминающего устройства подключен к выходу замыкающегося ключа развязывающего блока, а выход - к третьему входу суммирующего устройства.

Сущность настоящего изобретения состоит в создании в заявляемом преобразователе цепи прерывистой положительной обратной связи, включающей два последовательно соединенных запоминающих устройства, улучшающей точность преобразования системы по сравнению с точностью преобразования прототипа, содержащего в цепи положительной обратной связи два параллельных запоминающих устройства.

В заявляемом техническом решении благодаря совокупности перечисленных признаков в процессе работы устройства отсутствует гальваническая связь между напряжениями на входе и выходе развязывающего блока, что предотвращает преобразователь от самовозбуждения при высоком коэффициенте усиления преобразователя. Кроме того, развязывающий блок содержит только одну ветвь преобразования, что повышает точность преобразования за счет устранения влияния погрешности, вызванной неидентичностью коэффициентов передачи параллельных ветвей преобразования в развязывающем блоке прототипа.

На чертеже приведена функциональная схема заявляемого преобразователя.

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное содержит суммирующее устройство 1, к выходу которого присоединен усилитель 2, охваченный цепью отрицательной обратной связи 3, включенной между выходом усилителя 2 и первым входом суммирующего устройства 1. Второй вход суммирующего устройства 1 является входом преобразователя, выходом преобразователя является выход усилителя 2. Между входом усилителя 2 и третьим входом суммирующего устройства 1 включена цепь положительной обратной связи, содержащая усилитель 4, развязывающий блок 5, который состоит из последовательно соединенных размыкающегося ключа 6, подключенного к выходу усилителя 4, запоминающего устройства 7, замыкающегося ключа 8, и запоминающее устройство 9. Вход усилителя 4 подключен к входу усилителя 2, выход запоминающего устройства 9 подключен к третьему входу суммирующего устройства 1, а вход - к выходу замыкающегося ключа 8 развязывающего блока 5. Выход блока управления 10 подключен к управляющим входам обоих ключей.

Устройство работает следующим образом. Входной сигнал поступает на первый вход суммирующего устройства 1, на второй и третий входы которого поступают соответственно сигналы отрицательной и положительной обратной связи. Выходной сигнал суммирующего устройства 1 поступает на входы усилителей 2 и 4. Сигнал с выхода усилителя 4 поступает на вход ключа 6, коммутирующего вход запоминающего устройства 7 с периодом Т. Сигнал с запоминающего устройства 7 поступает на вход ключа 8, который коммутирует вход запоминающего устройства 9 с периодом Т. Коммутация ключей осуществляется блоком управления 10 так, что в течение времени (0, t₁), t₁=T/2, выход усилителя 4 через ключ 6 замкнут на вход запоминающего устройства 7, а ключ 8 разомкнут. В качестве блока управления используется генератор прямоугольных импульсов скважностью 1 и регулируемым периодом колебаний Т. В момент времени t₁ происходит синхронное переключение ключей, в результате которого ключ 8 замыкается, а ключ 6 размыкается на время t₂=T/2. С выхода второго запоминающего устройства 9 на вход суммирующего устройства 1 поступает значение напряжения, соответствующее значению напряжения на выходе первого запоминающего устройства 7. В момент времени Т происходит синхронное переключение ключей, возвращающее их в исходное состояние, и на выходе запоминающего устройства 9 поддерживается напряжение, соответствующее значению напряжения на выходе первого запоминающего устройства 7 в момент времени t₁. Таким образом, за счет коммутации ключей 6 и 8 осуществляется коммутация сигнала положительной обратной связи и гальваническая развязка сигналов между выходом усилителя 4 и третьим входом суммирующего устройства 1. Гальваническая развязка в цепи положительной обратной связи исключает возможность самовозбуждения преобразователя через цепь положительной обратной связи при условии, что 1/Т<<f_R, где Т - период коммутации ключей, f_R - частота, на которой преобразователь наиболее близок к потери устойчивости при непосредственном подключении выхода усилителя 4 к входу суммирующего устройства 1.

Для преобразователя постоянного напряжения в постоянное, содержащего только отрицательную обратную связь, уравнением преобразования является

где К_П - коэффициент усиления преобразователя,

К₁ - коэффициент усиления усилителя, не охваченного цепью обратной связи,

β - коэффициент преобразования цепи отрицательной обратной связи.

При введении цепи положительной обратной связи уравнение преобразования примет вид

где К₂ - коэффициент передачи цепи положительной обратной связи, равный произведению коэффициента усиления усилителя 4, коэффициента передачи развязывающего блока 5 и коэффициента передачи запоминающего устройства 9.

При K₂→_{1 имеем формулу}

Таким образом, при условии K₂=1=const, имеем коэффициент преобразования преобразователя К_П, не зависящий от величины K₁. При условии 1/Т<<f_R, где Т - период коммутации, f_R - частота, на которой преобразователь наиболее близок к потере устойчивости, коэффициент передачи цепи положительной обратной связи К₂ в области частоты f_R близок или равен нулю, т.е. наличие положительной обратной связи практически не влияет на устойчивость преобразователя.

Примером реализации усилителя 2 совместно с суммирующим устройством 1 может служить цепь, состоящая из операционного усилителя, неинвертирующий вход которого присоединен к общей шине (заземлен), а к инвертирующему входу через резисторы присоединены выход усилителя 2, чем осуществляется цепь отрицательной связи 3, вход самого преобразователя и выход запоминающего устройства 9, причем полярность напряжения на выходе запоминающего устройства 9 совпадает с полярностью входного сигнала преобразователя. Благодаря этому входной сигнал преобразователя всегда суммируется с сигналом на выходе запоминающего устройства 9. Требуемая полярность сигнала на выходе запоминающего устройства 9 обеспечивается неинвертирующим включением операционного усилителя 4 и применением неинвертирующих запоминающих устройств 7 и 9. Примером таких устройств служит конденсатор, один вывод которого присоединен к общей шине, а другой - к входу неинвертирующего повторителя напряжения. Вход и выход повторителя напряжения являются соответственно входом и выходом запоминающего устройства.

В качестве блока управления ключами служит генератор прямоугольных импульсов, например, мультивибратор со скважностью импульсов, равной 1, и регулируемым периодом колебаний Т.

Заявленное техническое решение относится к измерительной технике. Технический результат - повышение точности преобразователя, охваченного цепями отрицательной обратной связи и прерывистой положительной обратной связи. Цель положительной обратной связи содержит последовательно соединенные усилитель, развязывающий блок и запоминающее устройство. В преобразователе отсутствует гальваническая связь между напряжениями на входе и выходе развязывающего блока. Повышение точности преобразователя достигается тем, что развязывающий блок состоит из последовательно соединенных размыкающегося ключа, запоминающего устройства и замыкающегося ключа. 1 ил.

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий первый усилитель, вход которого присоединен к выходу суммирующего устройства, цепь отрицательной обратной связи, включенную между выходом первого усилителя, являющимся выходом преобразователя, и первым входом суммирующего устройства, второй вход которого является входом преобразователя, цепь положительной обратной связи, содержащую второй усилитель, вход которого подключен к входу первого усилителя, развязывающий блок, содержащий последовательно соединенные размыкающийся ключ, вход которого подключен к выходу второго усилителя, первое запоминающее устройство и замыкающийся ключ, блок управления, выход которого подключен к управляющим входам обоих ключей, и второе запоминающее устройство, отличающийся тем, что вход второго запоминающего устройства подключен к выходу замыкающегося ключа развязывающего блока, а выход - к третьему входу суммирующего устройства, в качестве блока управления используется генератор прямоугольных импульсов со скважностью 1.