ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ АНАЛОГОВОГО ДАТЧИКА В ЧАСТОТУ ИЛИ СКВАЖНОСТЬ Российский патент 2021 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в прецизионных преобразователях физических параметров (МЕМС-датчиках линейного ускорения, давления, угловой скорости, температуры) в частоту или скважность. Прецизионность обеспечивается не только за счет повышенной помехозащищенности частоты или скважности дифференциального усиления и интегрирующего преобразования со сменой направления интегрирования, но и за счет введения компенсирования влияния изменения напряжения питания на напряжение смещения нуля и чувствительность датчика.

Известен двухосевой MEMS-акселерометр с аналоговыми выводами (см. ж. «Современная электроника», №6, статья «Акселерометры и гороскопы для портативных устройств», стр. 19, рис. 2, 2006 г.), содержащий последовательно соединенные сенсор, усилитель, демодулятор, выходной усилитель, RC-фильтр, аналоговый выход по напряжению. Устройство представляет собой трехвыводной датчик, первый и второй выводы которого подключены к шине питания и общей шине, а третий вывод является аналоговым выходом датчика по напряжению.

Недостатками известного устройства являются:

- зависимость напряжения смещения нуля и чувствительности от напряжения питания;

- отсутствие помехозащищенного выхода по частоте или скважности.

Известен датчик температуры (см. ж. «Современная электроника», №6, статья «Простой цифровой термометр с точностью 0,4°C», стр. 52, 2006 г.), содержащий трехвыводной датчик температуры LM35, выход которого через инвертирующий операционный усилитель подключен к аналогово-цифровому преобразователю. Устройство представляет собой трехвыводной датчик, первый и второй выводы которого подключены к шине питания и общей шине, а третий вывод является аналоговым выходом датчика по напряжению.

Недостатками известного устройства являются:

- зависимость напряжения смещения нуля и чувствительности от напряжения питания;

- отсутствие помехозащищенного выхода по частоте или скважности.

Известен преобразователь напряжения аналогового датчика в частоту (см. патент РФ №2395060 «Частотный преобразователь сигнала разбаланса тензомоста с уменьшенной температурной погрешностью», Васильев В.А., Громков Н.В., опубликовано 20.07.2010, Бюл. №20), содержащий мост резистивный, два операционных усилителя (ОУ), первый вход моста через компенсационный резистор подключен к выходу первого ОУ и через конденсатор к инвертирующему входу второго ОУ, подключенному через второй конденсатор к выходу второго ОУ и инвертирующему входу первого ОУ, второй вход моста подключен к общей шине, первый выход моста подключен к инвертирующему входу второго ОУ, второй выход моста подключен к объединенным неинвертирующим входам первого и второго ОУ.

Недостатками известного преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту являются:

- сложность из-за введения двух разнополярных стабилизированных источников питания;

- ограниченная область применения, т.к. переполярность моста постоянного тока недопустима в большинстве типов мостовых кремниевых интегральных тензорезистивных, магниторезистивных датчиков давления, линейного ускорения и т.д.;

- ограниченные функциональные возможности, т.к. не может выполнять функцию преобразователя напряжения разбаланса моста в скважность;

- большие потери (высокое напряжение питания) за счет учетверенной по отношению к сопротивлению моста величины дополнительного сопротивления, компенсирующего температурные изменения моста;

- неработоспособность (нулевая частота, т.е. отсутствие преобразования) при полностью сбалансированном мосте;

- низкая стабильность в случае длинной кабельной линии из-за влияния ее емкости на характеристики преобразования (данный частотный преобразователь рекомендуется применять в случае короткой кабельной линии, т.е. в непосредственной близости от датчика);

- отсутствие мощного однополярного логического выхода, обеспечивающего независимость от емкости линии связи;

- низкая чувствительность за счет отсутствия дифференциального усилителя напряжения разбаланса моста.

Известен преобразователь напряжения датчика в скважность (Э-И ВИНИТИ, серия «Контрольно-измерительная техника», №2, 1990 г., с. 16), содержащий мост (датчик), первый вход которого подключен к источнику питания, а второй вход его подключен к общей шине, первый выход моста подключен через первый резистор к инвертирующему входу первого ОУ, подключенному через конденсатор к его выходу, подключенному через второй резистор к неинвертирующему входу второго ОУ, неинвертирующий вход первого ОУ и инвертирующий вход второго ОУ объединены и подключены ко второму выходу моста, первый выход моста через последовательно соединенные третий и четвертый резисторы подключен к неинвертирующему входу второго ОУ, выход которого подключен к приемнику скважности и точке объединения управляющего входа ключа и входу логического элемента НЕ, выход которого подключен к управляющему входу второго ключа, входы каналов первого и второго ключей объединены и подключены к точке объединения третьего и четвертого резисторов, выход канала первого ключа подключен к источнику питания, выход канала второго ключа подключен к общей шине.

Достоинством преобразователя аналогового датчика в скважность является независимость параметра скважности от изменения параметров времязадающих первого резистора и конденсатора, а также простота последующего преобразования скважностй в напряжение при помощи простейшей интегрирующей RC-цепи на стороне приемника сигналов.

Недостатками известного устройства являются:

- нестабильность скважности, зависимой от изменения напряжения источника питания;

- температурная нестабильность скважности из-за зависимости начального сопротивления моста от температуры;

- ограниченные функциональные возможности, т.к. не может выполнять функцию преобразователя напряжения разбаланса моста (датчика) в частоту.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является преобразователь напряжения в частоту (Ползунов Ю.Л., Гальченко В.Д. «Цифровые измерительно-управляющие устройства тензометрических весов и дозаторов», М., Энергоатомиздат, 1986 г., с. 46, рисунок 2.13), содержащий мост (датчик), резистивный делитель напряжения, неинвертирующий усилитель, первый и второй операционные усилители, первый, второй, третий и четвертый резисторы, выходное устройство. Первый вход моста подключен к источнику положительного напряжения питания, а второй вход моста подключен к источнику отрицательного напряжения питания. Первый вывод первого резистора подключен либо к первому входу моста, либо ко второму, а второй вывод соединен с инвертирующим входом первого ОУ и через конденсатор с выходом первого ОУ, который через второй резистор подключен к инвертирующему входу второго ОУ, выход которого соединен с входом выходного устройства, а неинвертирующий вход соединен с общей шиной. Инвертирующий вход второго ОУ соединен через третий резистор с первым выводом первого резистора и через четвертый резистор с выходом неинвертирующего повторителя, вход которого соединен либо с первым выводом резистивного делителя напряжения, либо со вторым выводом. Неинвертирующий усилитель включает третий операционный усилитель, выход которого является выходом неинвертирующего усилителя и через последовательно соединенные резисторы соединен с общей шиной. Неинвертирующий вход третьего ОУ является входом неинвертирующего усилителя, инвертирующий вход соединен с точной объединения резисторов. Выход выходного устройства является выходом преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность. Второй ОУ и второй, третий и четвертый резисторы образуют инвертирующий трехвходовый компаратор тока (сравнивающее устройство). Достоинством преобразователя является независимость, стабильность показаний от влияния изменения напряжений двух разнополярных источников питания моста.

Недостатками известного устройства являются:

- невозможность преобразования в частоту выходного напряжения трехвыводных датчиков из-за использования мостовых схем;

- сложность из-за наличия двух разнополярных синхронно изменяющихся источников питания;

- нестабильность частоты при синхронном (температурном) изменении сопротивлений плеч моста, обусловленная отсутствием соответсгаующих компенсационных цепей, например, при синхронном (температурном) изменении начального сопротивления плеч моста со 100 на 110 Ом (10%) дифференциальное выходное напряжение и выходная частота имеют разброс в 10%, т.к. выходное напряжение моста и частота пропорциональны синхронному неинформативному изменению сопротивлений плеч моста;

- отсутствие возможности определения начальной частоты моста путем закорачивания его выходов или их отключения из-за зависимости показаний от синхронного температурного изменения сопротивлений плеч моста и отсутствия возможности задания начальной частоты;

инвертирующий трехвходовый компаратор тока (токовое СУ) не позволяет выполнить функции скоростного двухпорогового компаратора напряжения из-за невозможности введения гистерезисных резисторов и использования в качестве компаратора аналогового ОУ;

- ограниченные функциональные возможности, т.к. не может выполнять функцию преобразователя напряжения разбаланса моста в скважность импульсов.

Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является создание преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность.

Техническими результатами, на достижение которых направлено изобретение, заключаются в расширении функциональных возможностей за счет преобразования напряжения аналогового датчика не только в частоту, но и в скважность, в повышении стабильности частоты или скважности при изменении напряжения питания, в упрощении за счет использования однополярного источника питания.

Данные технические результаты достигаются тем, что в преобразователе напряжения аналогового датчика в частоту или скважность, содержащем источник питания, к которому подключен первый вход датчика, первый вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора и с инвертирующим входом первого операционного усилителя, первый вывод третьего резистора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и через конденсатор с выходом второго операционного усилителя, четвертый резистор, выходное устройство, первый резистивный делитель напряжения, неинвертирующий усилитель, новым является то, что дополнительно введены аналоговый ключ с инверсным управляющим входом, второй резистивный делитель напряжения, пятый и шестой резисторы, неинвертирующий компаратор напряжения, условный ключ, при этом выходное устройство выполнено в виде формирователя амплитуды импульсов, стабилизирующего амплитуду импульсов, а аналоговый датчик имеет два входа и один выход, который соединен со вторым выводом первого резистора, а первый вход соединен через последовательно соединенные четвертый и пятый резисторы с общей шиной, к которой подключен второй вход аналогового датчика, точка объединения четвертого и пятого резисторов соединена с первым входом неинвертирующего усилителя и с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен со вторым выводом второго резистора и вторым выводом третьего резистора, первый вывод которого через шестой резистор соединен с входом аналогового ключа, выход которого соединен с общей шиной, а инверсный управляющий вход соединен с выходом неинвертирующего компаратора напряжения и с первым выводом второго резистивного делителя напряжения, выход которого соединен с входом неинвертирующего компаратора напряжения, а второй вывод соединен с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого резистивного делителя напряжения, первый вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод соединен с подвижным контактом условного ключа, первый не подвижный контакт которого соединен с выходом первого операционного усилителя, а второй неподвижный контакт - со вторым входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом питания неинвертирующего компаратора напряжения, выход которого соединен с входом выходного устройства, выход которого является выходом преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность, при этом неинвертирующий компаратор напряжения выполнен на двух последовательно соединенных КМОП-логических элементах НЕ, вход первого из которых является входом неинвертирующего компаратора напряжения, выход второго из которых является выходом неинвертирующего компаратора напряжения, выводы питания КМОП-логических элементов НЕ являются входами питания неинвертирующего компаратора напряжения.

Неинвертирующий усилитель содержит третий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого является первым входом неинвертирующего усилителя, а инвертирующий вход является вторым входом неинвертирующего усилителя и соединен через седьмой резистор с общей шиной и через восьмой резистор с выходом третьего операционного усилителя, выход которого является выходом неинвертирующего усилителя.

Аналоговый датчик может быть выполнен на потенциометрическом датчике или на МЕМС-датчике ускорения, датчиках давления, угловой скорости и температуры.

Расширение функциональных возможностей обеспечивается возможностью преобразования напряжения разбаланса или в частоту, или скважность аналогового датчика.

Повышение стабильности частоты или скважности при изменении напряжения питания в нормальных условиях и при воздействии температуры, влияющих на напряжение смещения нуля и чувствительность аналогового датчика, достигается путем компенсации изменения напряжения питания синхронным изменением напряжения на постоянных или термозависимых четвертом и пятом резисторах, входе питания неинвертирующего компаратора напряжения и, следовательно, соответствующих порогов его переключения за счет совокупности указанных существенных признаков.

Упрощение за счет единого, даже нестабильного, однополярного источника питания обеспечено путем начального смещения напряжения смещения нуля выхода первого ОУ и входа интегратора (на втором ОУ, третьем резисторе и конденсаторе) с точки объединения четвертого и пятого резисторов, равного половине напряжения на входе питания неинвертирующего компаратора напряжения и совокупностью вышеуказанных признаков.

Введение мощных КМОП-логических элементов НЕ для повышения быстродействия неинвертирующего компаратора напряжения, введенных за счет однополярного источника питания, обеспечивает работу преобразователя с повышенной частотой преобразования (повышенное быстродействие), по сравнению с операционными усилителями или даже интегральными дифференциальными компараторами напряжения, а также работу на длинные линии связи, имеющие большие паразитные емкости, без искажения фронтов и амплитуд выходного сигнала.

Повышение стабильности за счет высокого быстродействия достигается введением аналогового ключа с низким потреблением мощности, высокой скоростью переключения, низким сопротивлением в открытом состоянии, низким током утечки и в сочетании со скоростными КМОП- логическими элементами НЕ обеспечивает высокие точностные характеристики предлагаемого преобразователя (по сравнению с биполярными и пр. аналоговыми ключами и возможным неинвертирующим компаратором напряжения на дифференциальных компараторах или операционных усилителях).

На фиг. 1 представлен пример реализации функциональной схемы преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту (при подключении через условный ключ второго вывода первого резистивного делителя напряжения к выходу первого ОУ) или скважность (при подключении через условный ключ второго вывода первого резистивного делителя напряжения ко второму входу неинвертирующего усилителя напряжения). На фиг. 2 а), б) и в) представлены временные диаграммы работы в режимах преобразования скважности при отсутствии рабочего выходного напряжения аналогового датчика преобразования скважности и при рабочих напряжениях аналогового датчика. На фиг. 3 а) и б) представлены временные диаграммы работы в режиме преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту.

Преобразователь напряжения аналогового датчика в частоту или скважность (фиг. 1) содержит источник питания 1, трехвходовый аналоговый датчик 2, первый 3 и второй 4 операционные усилители, первый 5 и второй 6 резистивные делители напряжения, первый 7, второй 8, третий 9, четвертый 10, пятый 11 и шестой 12 резисторы, неинвертирующий усилитель 13, аналоговый ключ 14, неинвертирующий компаратор напряжения 15, конденсатор 16, выходное устройство 17, условный ключ 28.

Первый вход аналогового датчика 2 соединен с источником питания 1 и через последовательно соединенные четвертый 10 и пятый 11 резисторы с общей шиной. Второй вход аналогового датчика 2 подключен к общей шине. Точка объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов соединена с первым входом неинвертирующего усилителя 13 и с неинвертирующим входом первого ОУ 3. Инвертирующий вход первого ОУ 3 соединен с первыми выводами первого 7 и второго 8 резисторов. Второй вывод первого резистора соединен с выходом аналогового датчика 2. Выход первого ОУ 3 соединен со вторым выводом второго резистора и вторым выводом третьего резистора 3, первый вывод которого через шестой резистор 12 соединен с входом аналогового ключа 14. Выход аналогового ключа 14 соединен с общей шиной, а инверсный управляющий вход соединен с выходом неинвертирующего компаратора напряжения 15 либо со вторым выходом неинвертирующего компаратора напряжения и с первым выводом второго резистивного делителя 6 напряжения. Выход второго резистивного делителя 6 напряжения соединен с входом неинвертирующего компаратора напряжения 15, а второй вывод соединен с выходом второго ОУ 4.

Неинвертирующий вход второго ОУ 4 соединен с выходом первого резистивного делителя 5 напряжения, первый вывод которого соединен с общей шиной. Второй вывод первого резистивного делителя 5 напряжения соединен с подвижным контактом условного ключа 28, первый неподвижный контакт которого соединен с выходом первого ОУ 3, а второй неподвижный контакт - со вторым входом неинвертирующего усилителя 13. Выход неинвертирующего усилителя 13 соединен с входом 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения 15, выход которого соединен с входом выходного устройства 17, выход которого является выходом преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность.

Неинвертирующий компаратор напряжения 15 выполнен на двух последовательно соединенных КМОП-логических элементах НЕ 19 и 20, выводы питания которых является входом 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения 15, вход первого КМОП-логического элемента НЕ 19 является входом неинвертирующего компаратора напряжения 15, выход второго КМОП-логического элемента НЕ 20 является выходом неинвертирующего компаратора напряжения 15.

Неинвертирующий усилитель 13 содержит третий ОУ 21, неинвертирующий вход которого является первым входом неинвертирующего усилителя 13, а инвертирующий вход является вторым входом неинвертирующего усилителя 13 и соединен через седьмой резистор 22 с общей шиной и через восьмой резистор 23 с выходом третьего ОУ 21, выход которого является выходом неинвертирующего усилителя 13.

Первый резистивный делитель 5 напряжения выполнен на резисторах 24 и 25. Второй резистивный делитель 6 напряжения выполнен на резисторах 26 и 27.

Аналоговый датчик 2 может быть выполнен на потенциометрическом датчике или на МЕМС-датчике ускорения, давления, угловой скорости, температуры или на трехвходовом цифровом потенциометрическом датчике.

Известные МЕМС-датчики с однополярным питанием фирм Analog Devices, Motorola (см. паспорта на датчики ADXL278, МРХ40-РС и др.) являются датчиками, выходное напряжение (напряжение смещения нуля и чувствительность) которых пропорционально напряжению питания. Напряжение смещения нуля у МЕМС-датчиков имеет разброс порядка 10% относительно половины напряжения питания и должно быть скомпенсировано перед проведением измерений, разброс чувствительности при этом будет скомпенсирован.

Выходное устройство 17 выполнено в виде формирователя амплитуды импульсов, стабилизирующего амплитуду импульсов, что обеспечивает дешифрацию сигналов частоты и в особенности скважности фильтром нижних частот (на фиг. 1 не показан) без искажения, связанного с регулируемым напряжением на входе питания неинвертирующего компаратора напряжения 15. В простейшем случае это активный ограничитель напряжения или однотипный КМОП-логический элемент НЕ, запитанный от стабилизированного источника питания (на фиг. 1 не показано).

Неинвертирующий компаратор напряжения 15 может быть выполнен на КМОП-логических элементах НЕ 1564ЛН2, или ОУ 1487УД2У, или компараторах напряжения 521СА301. В качестве первого 3, второго 4 и третьего 21 операционных усилителей могут применяться операционные усилители типа 1487УД2У. Резисторы (7, 8, 9, 10, 11, 12, 22, 23, 24, 25, 26, 27) могут быть выполнены на прецизионных резисторах С2-29 В. В качестве конденсатора 16 применяют конденсатор К10-43в. Аналоговый ключ 14 выполнен на КМОП аналоговом ключе (1302КН4У).

На фиг. 2 а) представлены временные диаграммы работы в режиме преобразования скважности при отсутствии рабочего выходного напряжения аналогового датчика 2; на фиг. 2 б) и в) представлены временные диаграммы работы в режиме преобразования скважности при рабочих напряжениях аналогового датчика 2, где:

U_нкн - напряжение на выходе неинвертирующего компаратора напряжения 15;

U_инт - треугольное напряжение на выходе второго ОУ 4.

На фиг. 3 а) и б) представлены временные диаграммы работы преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту (второй вывод первого резистивного делителя напряжения 5 (условным ключом 28) подключен к выходу первого ОУ 3) при изменении напряжения питания с 6 В до 5 В, где:

- напряжения на выходе неинвертирующего компаратора напряжения 15. Очевидно, что с изменением напряжения питания с 6 В до 5 В изменяется амплитуда , но неизменна частота;

- напряжения в точке объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов, изменяющееся по амплитуде при изменении напряжения источника питания 1 с 6 В до 5 В;

- разностные (уменьшенные) напряжения на выходе первого ОУ 3 при информативном разбалансе МЕМС-датчика 2. Напряжения изменяются по амплитуде при изменении напряжения источника питания 1 с В до 5 В;

- треугольные напряжения разной крутизны и амплитуды порогов (за счет не равных ) на выходе второго ОУ 4 (интегратора). Скважность равна двум, частота при этом не меняется, т.к. не зависит от изменения напряжения источника питания 1 с 6 В до 5 В. Верхний и нижний пороги переключения изменяются при изменении напряжения источника питания 1 в противовес изменению крутизны треугольного напряжения под действием , что сохраняет неизменной частоту при изменении напряжения источника питания 1.

Моменты переключения направления треугольного напряжения соответствуют моментам достижения верхнего и нижнего порогов неинвертирующего (двухпорогового гистерезисного) компаратора напряжения 15. Верхний и нижний пороги неинвертирующего компаратора напряжения 15 определяются напряжением на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения, гистерезисом за счет второго резистивного делителя 6 напряжения и напряжением в точке объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов. При этом напряжение на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения 15 любого исполнения равно удвоенному напряжению в точке объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов за счет неинвертирующего усилителя 13 с коэффициентом усиления К_ус=2.

МЕМС-датчик ускорения ADXL278 (ф. Analog Devices), МЕМС- датчик давления МРХ-40РС (ф. Motorola) имеют начальное (технологический разброс при изготовлении) напряжение смещения нуля U_см0 с разбросом в 10% относительно половины напряжения питания. Чувствительность этих датчиков и напряжение смещения нуля зависят от изменения напряжения питания. Для исключения ошибки при интегрирующем преобразовании выходного напряжения МЕМС-датчика в частоту или скважность исходное начальное напряжение смещения нуля (из паспорта) выставляется в точке выходного напряжения МЕМС-датчика в частоту или скважность исходное начальное напряжение смещения нуля (из паспорта) выставляется в точке объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов путем их подстройки. Этому значению напряжения смещения нуля соответствует удвоенное напряжение на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения и соответствующие пороги переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15.

Преобразователь напряжения аналогового датчика в частоту или скважность работает следующим образом.

В исходном статическом состоянии при подключении второго вывода резистивного делителя 5 напряжения к выходу первого ОУ 3 (фиг. 1) МЕМС-датчик 2 сбалансирован и на выходе первого ОУ 3 нулевое напряжение. Поэтому на выходе преобразователя аналогового датчика в частоту или скважность (выход выходного устройства 17) образуется стабильная начальная частота. Исходное начальное напряжение смещения нуля МЕМС-датчика 2 выставляется в точке объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов путем их подстройки.

В рабочем режиме появляется измеряемое рабочее напряжение МЕМС-датчика 2, и формируется частота, отличная от начальной, но пропорциональная рабочему напряжению. Второй ОУ 4 работает в линейном режиме, т.к. выполняет функцию интегратора 4, для этого он охвачен отрицательной обратной связью через конденсатор 16. Неинвертирующий компаратор напряжения 15 на КМОП-логических элементах НЕ 19 и 20 преобразует треугольные колебания, вырабатываемые вторым ОУ 4, в прямоугольные. Смена направления треугольных колебаний выполняется с помощью аналогового ключа 14, управляющего вторым ОУ 4. Для анализа работы схемы предположим, что на выходе неинвертирующего компаратора напряжения 15 имеется высокий уровень напряжения, поэтому канал аналогового ключа 14 заперт по управляющему инверсному входу и ток через шестой резистор 12 не течет. Приложенное к входу второго ОУ 4 (см. U₄ на фиг. 3 б)) напряжение вызывает протекание тока I₁, разряжающего конденсатор 16. Величина этого тока при условии равенства сопротивлений резисторов 24, 25 первого резистивного делителя 5 напряжения (R24=R25) определяется по формуле:

где R9 - сопротивление третьего резистора 9.

Ток разряда конденсатора 16 определяется соотношением:

где: С16 - емкость конденсатора 16;

ΔU₁₆ - приращение напряжения на конденсаторе 16.

Приращение напряжения ΔU16 равно максимальному изменению напряжения на конденсаторе 16, которое определяется разностью напряжений порогов переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15 на КМОП-логических элементах НЕ 19 и 20 с выходом Rail-To-Rail. Эти пороги, в свою очередь, устанавливаются напряжением U_пит на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения и гистерезисом за счет резисторов R26 и R27 второго резистивного делителя 6 напряжения. Пороговые напряжения для неинвертирующего компаратора напряжения 15 могут быть определены по формулам:

где: U_пит - напряжение на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения 15,

R26 - сопротивление резистора 26;

R27 - сопротивление резистора 27.

Разность порогов равна

По мере разряда конденсатора 16 выходное напряжение интегратора U₄ уменьшается до тех пор, пока не достигнет нижнего порога переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15, после чего выходное напряжение неинвертирующего компаратора напряжения 15 станет равным нулю, и, следовательно, по этому сигналу аналоговый ключ 14 переходит в низкое состояние на выходе (канал ключа 14 открыт и связан с общей шиной). Ток I₂ через шестой резистор 12 потечет в общую шину. Величина этого тока определяется соотношением:

где R12 - сопротивление шестого резистора 12.

Если R12=R9/2 то ток 12 в два раза больше тока I₁. Это приведет к тому, что теперь конденсатор 16 будет заряжаться током (I₁-I₂), равным току разряда этого конденсатора в первом такте, но противоположном по направлению. Следовательно, напряжение на выходе второго ОУ 4 станет нарастать с той же скоростью, с какой в первом такте снижалась. При достижении этим напряжением верхнего порога переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15 схема вернется в первоначальное состояние, и цикл повторится. Таким образом, на выходе неинвертирующего компаратора напряжения 15 формируются симметричные прямоугольные колебания с коэффициентом заполнения 0,5. Частота этих колебаний может быть определена на основании предыдущих формул и условий по выражению:

Рассмотрим влияние разброса напряжения питания на стабильность формируемой частоты.

При разбалансе МЕМС-датчика 2 напряжение на выходе первого ОУ 3 определяется по формуле:

где - напряжение на выходном устройстве 17.

При разбалансе МЕМС-датчика 2 при воздействии температуры напряжение на выходе первого ОУ 3 определяется по формуле:

где - напряжение на выходном устройстве 17.

Напряжение на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения 15 при разбалансе МЕМС-датчика 2 без воздействия температуры:

Напряжение на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения при разбалансе МЕМС-датчика при воздействии температуры:

Тогда отношения напряжений в формуле (1) при разбалансе МЕМС-датчика без воздействия температуры и при воздействии температуры равны, т.к.:

Отметим, что при дополнительном изменении напряжения U на источнике питания 1 все величины, рассчитанные выше, изменяются пропорционально, поэтому отношение напряжений остается также постоянным.

Тогда частота по формуле (1) равна:

Это подтверждает независимость формируемой частоты от напряжения питания и от температурного изменения начального сопротивления MEMG-датчика, и, в то же время, при информативном разбалансе МЕМС-датчика напряжение на выходе датчика 2 остается связанным с напряжением питания и порогами неинвертирующего компаратора напряжения 15, что позволяет преобразовать только дифференциальное изменение (разбаланс) МЕМС-датчика в соответствующее изменение частоты. При этом скважность выходного сигнала остается постоянной и равной двум во всем диапазоне преобразования напряжения аналогового датчика в частоту

В исходном состоянии для режима преобразования напряжения аналогового датчика в скважность выходного сигнала положение условного переключателя меняется, при этом резистор 24 первого резистивного делителя 5 подключен ко второму входу неинвертирующего усилителя 13. При равных напряжениях на выходе МЕМС-датчика и в точке объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов (сбалансированный датчик) начальная скважность по-прежнему равна 2.

Для анализа работы схемы преобразования в скважность в исходном состоянии предположим, что на выходе неинвертирующего компаратора напряжения 15 имеется высокий уровень напряжения, поэтому канал аналогового ключа 13 заперт по управляющему инверсному входу и ток через резистор 12 не течет.Приложенное к входу интегратора (см. U₄ на фиг. 3) напряжение вызывает протекание тока I₁, разряжающего конденсатор 16. Величина этого тока при условии равенства сопротивлений резисторов 24, 25 (R24=R25) определяется по формуле:

где R9 - сопротивление третьего резистора 9.

Ток разряда конденсатора 16 определяется соотношением:

где: С16 - емкость конденсатора 16;

ΔU₁₆ - приращение напряжения на конденсаторе 16.

Приращение напряжения ΔU₁₆ равно максимальному изменению напряжения на конденсаторе 16, которое определяется разностью напряжений двух порогов переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15 на КМОП-логических элементах НЕ 19 и 20 с выходом Rail-To-Rail. Эти пороги, в свою очередь, устанавливаются напряжением Uпит на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения и гистерезисом за счет резисторов R26 и R27. Пороговые напряжения , для неинвертирующего компаратора напряжения 15 могут быть определены по формулам:

где: U_пит - напряжение на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения, при этом

R26 - сопротивление резистора 26;

R27 - сопротивление резистора 27.

Разность порогов равна:

при этом U_пит=2⋅U_оп, где U_оп - напряжение на втором входе неинвертирующего усилителя 13,

По мере разряда конденсатора 16 выходное напряжение ОУ 4 U₄ уменьшается до тех пор, пока не достигнет нижнего порога переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15, после чего выходное напряжение неинвертирующего компаратора напряжения 15 станет равным нулю, и, следовательно, по этому сигналу аналоговый ключ 14 переходит в низкое состояние на выходе (канал ключа 14 открыт и связан с общей шиной). Ток I₂ через резистор 12 потечет в общую шину. Величина этого тока определяется соотношением:

где R12 - сопротивление резистора 12.

Если R12=R9/2 то ток I₂ в два раза больше тока I₁. Это приведет к тому, что теперь конденсатор 16 будет заряжаться током:

равным току разряда этого конденсатора в первом такте, но противоположном по направлению. Следовательно, напряжение на выходе второго ОУ 4 станет нарастать с той же скоростью, с какой в первом такте снижалась. При достижении этим напряжением верхнего порога переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15 схема вернется в первоначальное состояние, и цикл повторится. Таким образом, при сбалансированном датчике 2 на выходе неинвертирующего компаратора напряжения 15 формируются симметричные прямоугольные колебания с коэффициентом заполнения 0,5.

Изменяемая скважность Q колебаний может быть определена при изменении напряжения U4 на основании предыдущих формул и условий из выражения, не зависящего от параметров времязадающей RC-цепи (резистор 9, конденсатор 16):

где t₁ - длительность пары выходного сигнала неинвертирующего компаратора напряжения 15;

t₂ - длительность импульса выходного сигнала неинвертирующего компаратора напряжения 15;

t₁+t₂ - период выходного сигнала неинвертирующего компаратора напряжения 15.

Т.к. амплитуда импульсов на выходе неинвертирующего компаратора напряжения 15 зависит от напряжения питания на входе 18 питания, то ее нормализация (стабильность амплитуды) обеспечивается выходным устройством 17, которое передает сигнал в линию связи или приемник (на фиг. 1 не показаны).

При разбалансе аналогового датчика 2 (напряжение U₃ на выходе первого ОУ 3 напряжения меняется) величина t₁/(t₁+t₂) по формуле (2), отражающая параметры скважности, становится переменной, изменяемой линейно и пропорционально разбалансу аналогового датчика 2. Но независимость формируемой скважности от напряжения питания и от синхронного температурного изменения начального напряжения аналогового датчика 2 сохраняется при переносе резистора 24 первого резистивного делителя 5 условным ключом с выхода первого ОУ 3 на второй вход неинвертирующего усилителя 13. При этом скважность остается связанной с напряжением питания на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения и его порогами и компенсирующим напряжением на втором входе неинвертирующего усилителя 13, что позволяет преобразовывать только информативный разбаланс аналогового датчика 2 в соответствующее изменение скважности. Измерение скважности в настоящее время производится цифровыми методами с помощью микропроцессора, либо аналоговым методом с помощью прецизионного аналогового фильтра нижних частот, либо с помощью простейшей интегрирующей RC-цепи.

В заявленном изобретении вновь введенные признаки и связи обеспечивают стабильность выходной частоты или скважности при изменениях напряжения смещения нуля и соответствующей чувствительности аналогового датчика 2, вызванных изменением напряжения источника питания 1.

Упрощение и работоспособность за счет единого для преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность однополярного источника питания 1 обеспечено путем начального смещения напряжения смещения нуля выхода первого ОУ 3 и входе второго ОУ 4 с точки объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов, равного половине напряжения на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения 15 и совокупностью вышеуказанных признаков.

Повышение стабильности при изменении напряжения источника питания 1 и, соответственно, смещения нуля МЕМС-датчика 2 достигается соответствующими пропорциональными напряжениями на выходе первого ОУ 3, входе второго ОУ 4 и входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения 15 и пропорциональных им верхнего и нижнего порогов переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15, а также совокупностью вышеуказанных признаков.

Повышение стабильности за счет высокого быстродействия достигается введением быстродействующего КМОП аналогового ключа 14 с управляющим входом с низким потреблением мощности, высокой скоростью переключения, низким сопротивлением в открытом состоянии и низким током утечки в сочетании с такими же по характеристикам быстродействующими КМОП-логическим элементами НЕ 19, 20 обеспечивает высокие точностные характеристики предлагаемого преобразователя (по сравнению с биполярными и пр. аналоговыми ключами и неинвертирующим компаратором напряжения на дифференциальных компараторах или операционных усилителях).

Испытания преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность и моделирование преобразователя напряжения разбаланса аналогового датчика в частоту или скважность в САПР Micro-Cap 9.0, выполненного на операционных усилителях типа AD824, AD8044, КМОП-логических элементах НЕ SN74HC00, компараторе напряжения LM111, аналоговом ключе ADG441, соответствующих резисторах и конденсаторе, подтвердили его работоспособность и заявленные преимущества в диапазоне рабочих температур от -50°C до +50°C.

Изобретение относится к области вычислительной техники. Техническим результатом является обеспечение реализации преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность. Раскрыт преобразователь напряжения аналогового датчика в частоту или скважность, содержащий источник питания, к которому подключен первый вход датчика, первый вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора и с инвертирующим входом первого операционного усилителя, первый вывод третьего резистора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и через конденсатор с выходом второго операционного усилителя, четвертый резистор, выходное устройство, первый резистивный делитель напряжения, неинвертирующий усилитель, при этом дополнительно введены аналоговый ключ с инверсным управляющим входом, второй резистивный делитель напряжения, пятый и шестой резисторы, неинвертирующий компаратор напряжения, условный ключ, при этом выходное устройство выполнено в виде формирователя амплитуды импульсов, стабилизирующего амплитуду импульсов, а аналоговый датчик имеет два входа и один выход, который соединен со вторым выводом первого резистора, а первый вход соединен через последовательно соединенные четвертый и пятый резисторы с общей шиной, к которой подключен второй вход аналогового датчика, точка объединения четвертого и пятого резисторов соединена с первым входом неинвертирующего усилителя и с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен со вторым выводом второго резистора и вторым выводом третьего резистора, первый вывод которого через шестой резистор соединен с входом аналогового ключа, выход которого соединен с общей шиной, а инверсный управляющий вход соединен с выходом неинвертирующего компаратора напряжения и с первым выводом второго резистивного делителя напряжения, выход которого соединен с входом неинвертирующего компаратора напряжения, а второй вывод соединен с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого резистивного делителя напряжения, первый вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод соединен с подвижным контактом условного ключа, первый неподвижный контакт которого соединен с выходом первого операционного усилителя, а второй неподвижный контакт - со вторым входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом питания неинвертирующего компаратора напряжения, выход которого соединен с входом выходного устройства, выход которого является выходом преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность, при этом неинвертирующий компаратор напряжения выполнен на двух последовательно соединенных КМОП-логических элементах НЕ, вход первого из которых является входом неинвертирующего компаратора напряжения, выход второго из которых является выходом неинвертирующего компаратора напряжения, выводы питания КМОП-логических элементов НЕ являются входом питания неинвертирующего компаратора напряжения. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Преобразователь напряжения аналогового датчика в частоту или скважность, содержащий источник питания, к которому подключен первый вход датчика, первый вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора и с инвертирующим входом первого операционного усилителя, первый вывод третьего резистора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и через конденсатор с выходом второго операционного усилителя, четвертый резистор, выходное устройство, первый резистивный делитель напряжения, неинвертирующий усилитель, отличающийся тем, что дополнительно введены аналоговый ключ с инверсным управляющим входом, второй резистивный делитель напряжения, пятый и шестой резисторы, неинвертирующий компаратор напряжения, условный ключ, при этом выходное устройство выполнено в виде формирователя амплитуды импульсов, стабилизирующего амплитуду импульсов, а аналоговый датчик имеет два входа и один выход, который соединен со вторым выводом первого резистора, а первый вход соединен через последовательно соединенные четвертый и пятый резисторы с общей шиной, к которой подключен второй вход аналогового датчика, точка объединения четвертого и пятого резисторов соединена с первым входом неинвертирующего усилителя и с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен со вторым выводом второго резистора и вторым выводом третьего резистора, первый вывод которого через шестой резистор соединен с входом аналогового ключа, выход которого соединен с общей шиной, а инверсный управляющий вход соединен с выходом неинвертирующего компаратора напряжения и с первым выводом второго резистивного делителя напряжения, выход которого соединен с входом неинвертирующего компаратора напряжения, а второй вывод соединен с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого резистивного делителя напряжения, первый вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод соединен с подвижным контактом условного ключа, первый неподвижный контакт которого соединен с выходом первого операционного усилителя, а второй неподвижный контакт - со вторым входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом питания неинвертирующего компаратора напряжения, выход которого соединен с входом выходного устройства, выход которого является выходом преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность, при этом неинвертирующий компаратор напряжения выполнен на двух последовательно соединенных КМОП-логических элементах НЕ, вход первого из которых является входом неинвертирующего компаратора напряжения, выход второго из которых является выходом неинвертирующего компаратора напряжения, выводы питания КМОП-логических элементов НЕ являются входом питания неинвертирующего компаратора напряжения.

2. Преобразователь напряжения аналогового датчика в частоту или скважность по п. 1, отличающийся тем, что неинвертирующий усилитель содержит третий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого является первым входом неинвертирующего усилителя, а инвертирующий вход является вторым входом неинвертирующего усилителя и соединен через седьмой резистор с общей шиной и через восьмой резистор с выходом третьего операционного усилителя, выход которого является выходом неинвертирующего усилителя.