Универсальный время-импульсный интегрирующий преобразователь напряжения с функцией широтно-импульсной модуляции Российский патент 2024 года по МПК H03K3/13 

Изобретение относится к прецизионной импульсной электронике и может использоваться в электронных системах автоматического управления и регулирования, в телекоммуникационных системах и измерительной технике.

Известны время-импульсные преобразователи напряжения в частоту следования прямоугольных импульсов (ПНЧ), а также называемые в электронике управляемыми генераторами импульсов и частотно-импульсными модуляторами. Известны время-импульсные преобразователи напряжения во время (ПНЧ), точнее - во временной интервал (длительность импульсов или период их следования).

Схемотехника ПНЧ и ПНВ, анализ их функций преобразования, метрологических характеристик и особенностей практического использования широко представлены в технической литературе [Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: «Энергоатомиздат», 1988 - 304 с., стр. 256; Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: «Радио и связь», 1985. - 304 с., стр. 133; Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: «Додека-ХХ1», 2005. - 528 с., стр. 199; Р. Граф. Электронные схемы: 1300 примеров. - М.: «Мир», 1989. - 688 с., стр. 600; Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: «Энергоатомиздат», 1990. - 320 с., стр. 251; Сафинов Ш.С. Аналоговая и аналого-цифровая электроника в автоматизированных системах: учеб. Пособие в 2 ч. Ч. 2. - Уфа:Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, 2014. - 367 с., Гл. 1, стр. 15].

Известные ПНЧ и ПНВ имеют недостаток, заключающийся в том, что они могут выполнять только один вид преобразования входного напряжения в один параметр выходного импульсного напряжения - частоту или временной интервал (период или длительность импульса), полностью исключая широтно-импульсную модуляцию.

Известенвремя-импульсный универсальный преобразователь напряжения [патент на изобретение №2689805, 29.05.2019, бюл. №16, МПК-Н03К3/13], состоящий из интегратора, компаратора, двух повторителей напряжения, каждый из которых может функционировать как инвертирующий, так и неинвертирующий повторитель напряжения в зависимости от состояния компаратора, и четырехканального коммутатора, позволяющий осуществлять преобразование входного напряжения в частоту выходного импульсного напряжения и интервал времени (длительность импульсов или период из следования) с выполнением арифметической операции деления или без нее.

Наиболее близким к заявленному универсальному время-импульсному интегрирующему преобразователю напряжения (далее УВИИП) по схемотехнике, принципу действия и достигаемому результату преобразования входного напряжения является время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь напряжения с функцией широтно-импульсной модуляции [патент на изобретение №2731601, 04.09.2020 г., бюл. №25, МПК-Н03К 3/13], отличающийся от выше названного преобразователя тем, что в электрическую схему введен третий вход для подключения электрической перемычки. В этом преобразователе, если перемычка не подключена к третьему входу, то схема позволяет осуществить преобразование входного напряжения в частоту выходного импульсного напряжения или во временной интервал, если же к третьему входу подключена электрическая перемычка, то преобразователь будет выполнять функцию широтно-импульсной модуляции входного напряжения.

Представленный выше время-импульсный преобразователь напряжения, являющийся прототипом заявленного УВИИП, имеет существенный недостаток, заключающийся в возникновении нелинейности функции преобразования входного напряжения в частоту, временной интервал и скважность выходного импульсного напряжения, что уменьшает рабочий диапазон изменения входного напряжения и увеличивает относительную погрешность преобразования. При лабораторных исследованиях опытных образцов этих преобразователей, реализованных на отечественных интегральных операционных усилителях и аналоговом коммутаторе, а также их зарубежных аналогах, максимальная частота выходного импульсного напряжения ограничивалась на уровне 4 кГц при относительной приведенной погрешности преобразования не более 0,5 %, что нельзя считать приемлемым для электронных устройств рассматриваемого вида.

Математический анализ источников погрешности преобразования электронных схем и обобщение результатов лабораторных исследований опытных образцов прототипа приводят к выводу: электронная схема прототипа имеет два недостатка.

Первый недостаток заключается во влиянии неидеальности аналогового коммутатора, заключающегося в существовании остаточного сопротивления (10-30 Ом) включенного канала и остаточного тока выключенного канала (100-500 нА). Эти электрические параметры аналогового коммутатора исключают требуемые режимы функционирования двух повторителей напряжения на операционных усилителях.

Если повторитель напряжения находится в инвертирующем состоянии, то к сопротивлению в цепи инвертирующего входа прибавляется остаточное сопротивление включенного канала коммутатора, а через сопротивление в цепи неинвертирующего входа операционного усилителя течет остаточный ток выключенного канала коммутатора. Поэтому коэффициент передачи по напряжению инвертирующего повторителя К_и будет отличаться от требуемого значения К_и= - 1.

Когда повторитель напряжения находится в режиме неинвертирующего повторителя и требуется коэффициент передачи К_и= 1, в схеме сопротивление отрицательной обратной связи не равно нулю, и в цепи инвертирующего входа течет остаточный ток выключенного канала коммутатора, поэтому никак не может быть выполнено требование К_и= 1.

Рассмотренные негативные факторы, исключающие требуемые режимы работы двух повторителей напряжения в схемах прототипа заявленного УВИИП, не позволяют получить желаемую высокую точность преобразования напряжения в частоту, временной интервал или в скважность выходного импульсного напряжения в требуемом широком диапазоне изменения входного напряжения УВИИП.

Второй недостаток электрической схемы прототипа обусловлен переходными процессами переключения аналогового коммутатора и режимов работы двух повторителей напряжения, длительность и конфигурация которых влияют на линейность функций преобразования и, значит, на точность преобразований, причем чем больше частота выходного импульсного напряжения, тем сильнее их негативное влияние.

Временные диаграммы переднего и заднего фронтов выходного напряжения коммутатора, полученных в процессе лабораторных испытаний двух опытных образцов известных преобразователей, показывают, что амплитуда переходных процессов достигает уровня коммутируемого входного напряжения, а их длительность соответствует времени установления используемого типа интегрального аналогового коммутатора (например, КР590КН7). Но самый значимый негативный фактор заключается в том, что переходные процессы выходного напряжения коммутатора подвергаются модуляции синхронно переключаемыми коммутатором переходными процессами повторителей напряжения.

На осциллограмме переходные процессы на выходах повторителей напряжений становятся почти в два раза более длительными и визуально представляют собой сумму гармонических составляющих, которые приходят на вход интегратора напряжения и, что недопустимо, на вход компаратора на операционном усилителе без обратной связи. Компаратор сравнивает первое входное напряжение с выходным напряжением интегратора и может переключаться не при равенстве ±U_вх = ±U_{вых. инт.}, а ошибочно сработать в течение переходных процессов. Поэтому длительность импульсов и период их следования становятся не стабильными при неизменных первом и втором входных напряжениях, а постоянно изменяющимися, что вызывает увеличение погрешности преобразования входных напряжений в частоту, длительность импульсов, период и скважность их следования на выходе преобразователя, причем тем больше, чем больше второе входное напряжение преобразователя.

Задачей изобретения являются расширение областей электроники, в которых применение УВИИП позволяет сократить затраты на производство электронных систем автоматического управления сложными многомерными техническими объектами, увеличение привлекательности предмета изобретения для микроэлектронной промышленности, как универсального время-импульсного устройства, пригодного и экономически целесообразного для серийного производства в виде интегральной микросхемы, наконец, показать, что время-импульсная электроника не исчерпала свои возможности в появлении новых схематических решений, позволяющих получить изделия с более высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Технический результат - значительное увеличение рабочего диапазона изменения входных напряжений, в котором достигаются требуемые линейность функций преобразования, низкая погрешность преобразования, снижение времени настройки схемы преобразователя при его подготовке к эксплуатации в составе электронной системы.

Поставленная задача решается и технический результат достигается в заявленном УВИИП, в котором четырехканальный коммутатор подключен к первому входу и выходу инвертирующего повторителя первого входного напряжения и ко второму входу и выходу инвертирующего повторителя второго входного напряжения во входных цепях, соответственно, компаратора и интегратора, обеспечивая статические состояния инвертирующих повторителей первого и второго входных напряжений.

На фиг. 1 представлена электрическая схема УВИИП, которая состоит из операционных усилителей (далее - ОУ) DA1 и DA2, на которых реализованы инвертирующие повторители входных напряжений U_вх.1 и U_вх.2 при равенстве сопротивлений R₁=R₂ и R₄=R₅. На ОУ DA4 выполнен инвертирующий интегратор, на входе которого может действовать входное напряжение U_вх.2 или его инвертированное значение -U_вх.2, если электрическая перемычка Z не подключена к третьему входу рассматриваемой схемы. На ОУ DA3 реализован компаратор, который сравнивает входное напряжение U_вх.1 или его инвертированное по полярности значение - U_вх.1 с выходным напряжением интегратора -U_инт. или U_инт.

В схеме УВИИП, предоставленной на фиг.1, компаратор на ОУ DA3 при равенстве сопротивлений R₇=R₈ переключается в противоположное (по полярности выходного напряжения) состояние, когда нарушается равенство |-U_вх.1 |= U_инт. всего на несколько микровольт, что зависит от коэффициента усиления по напряжению используемого типа ОУ.

Необходимо отметить, что максимальная возможная частота выходного импульсного напряжения УВИИП зависит от быстродействия компаратора и в меньшей степени от быстродействия ОУ DA4 интегратора, которые нормируются справочным параметром интегральных ОУ - скоростью нарастания выходного напряжения, [В/мкс], и не зависит от быстродействия ОУ DA1 и DA2, так как они функционируют в статическом режиме, что принципиально отличает заявленную схему УВИИП на фиг. 1 от схемы прототипа.

Более того, при использовании ОУ, имеющих входные токи наноамперной величины, из схемы УВИИП можно исключить резисторы R₃, R₆, R₉и R_11, присоединив соответствующие входы ОУ к общей шине двухполярного электропитания.

Рассмотрим процесс двухтактного интегрирования в УВИИП, когда электрическая перемычка Z не подключена к третьему входу, используются идеализированные по своим параметрам интегральные ОУ и R₇=R₈ , что свидетельствует о равенстве порогов срабатывания компаратора входному напряжению + U_вх.1 или -U_вх.1.

Первый такт интегрирования аналогично схеме прототипа описывается уравнением:

где T₁ - длительность первого такта, - постоянная времени интегратора.

Во втором такте интегрирования

где T₂ - длительность второго такта.

Решая уравнения (1) и (2) относительно длительностей тактов интегрирования Т₁ и Т₂ получим:

Длительности отрицательного T₁ и положительного T₂ по полярности импульсов на выходе компаратора на ОУ DA3 одинаковы, значит, период T = T₁ + T₂ или

Частота выходного импульсного напряжения компаратора

Выпрямленное импульсным диодом VD1 двухполярное выходное импульсное напряжение компаратора на ОУ DA3 является управляющим сигналом аналогового коммутатора на ОУ DA5 и используется как однополярное выходные импульсное напряжение УВИИП на Вых.1. Если требуется двухполярное выходное напряжение, то можно использовать выходное напряжение компаратора на Вых.2. В этих вариантах получения выходного напряжения рассматриваемого преобразователя ток нагрузки ограничен максимально допустимым выходным током используемого типа интегрального ОУ DA3.

Биполярный транзистор VТ1 позволяет значительно увеличить нагрузочную способность УВИИП, включив нагрузку в коллекторную (Вых.3) или в эмиттерную цепь (Вых.4), используя его в схемах с открытым коллектором или открытым эмиттером, если необходимо передавать выходной сигнал УВИИП по электропроводной линии на большое расстояние.

Из формул(3) и (4) следует:

во-первых, УВИИП выполняет преобразование входного напряжения. U_вх.1, если считать U_вх.2неизменным (U_вх.2= U₀), или частного от деления U_вх.1/ U_вх.2 в длительность импульсов или период выходного импульсного напряжения;

во-вторых, УВИИП осуществляет преобразование входного напряжения U_вх.2, если принять U_вх.1 фиксированным (U_вх.1= U₀), или частного от деления U_вх.2/U_вх.1 в частоту выходного импульсного напряжения.

Теперь рассмотрим процесс двухтактного интегрирования в УВИИП, когда к третьему входу подключена электрическая перемычка Z.

В этом варианте использования схемы на фиг.1 интегратор на ОУ DA4 при равенстве сопротивлений R₁₀=R₁₁ интегрирует сумму или разность напряжений U_вх.1±U_вх.2.

Первый такт процесса двухтактного интегрирования описывается уравнением:

решая которое относительно длительности первого такта получаем:

При этом на первом выходе УВИИП напряжение предельно низкое, на втором выходе - отрицательное максимально возможной величины (почти напряжение питания схемы).

Во втором такте происходит интегрирование разности входных напряжений U_вх.1 - U_вх.2:

и на первом выходе УВИИП действует высокое, положительной полярности напряжение, почти достигающее напряжение питания.

Из уравнения (6) получаем длительность второго такта интегрирования:

Период двухтактного интегрирования и выходного импульсного напряжения УВИИП

Скважность следования выходных импульсов определяется отношением длительности положительного импульса T₂ к периоду выходного импульсного напряжения Т:

Из формулы (8) следует, что УВИИП выполняет широтно-импульсную модуляцию входного напряжения U_вх.2 при фиксированном входном напряжении U_вх.1 = U₀ или частного от деления U_вх.2/U_вх.1.

Итак, заявленный универсальный время-импульсный интегрирующий преобразователь осуществляет преобразование входного напряжения, во-первых, в частоту и во временной интервал (длительность и период) выходного импульсного напряжения, во-вторых, в скважность следования выходных импульсов, или все эти три вида преобразования с одновременным выполнением арифметической операции деления, без изменения электрической схемы, с использованием статического режима работы инвертирующих повторителей двух входных напряжений и четырьмя вариантами подключения электрической нагрузки к рассмотренному преобразователю.

Изобретение относится к прецизионной импульсной электронике. Технический результат - значительное увеличение рабочего диапазона изменения входных напряжений, в котором достигаются требуемые линейность функций преобразования, низкая погрешность преобразования, снижение времени настройки схемы преобразователя. Для этого предложен время-импульсный интегрирующий преобразователь напряжения с функцией широтно-импульсной модуляции, состоящий из четырех операционных усилителей, на которых реализованы два повторителя напряжения, интегратор и компаратор, четырехканального коммутатора и трех входов, с помощью которых подключаются два входных напряжения и может подключаться или не подключаться электрическая перемычка. Четырехканальный коммутатор подключен к первому входу и выходу инвертирующего повторителя первого входного напряжения и ко второму входу и выходу инвертирующего повторителя второго входного напряжения во входных цепях, соответственно, компаратора и интегратора. 1 ил.

Универсальный время-импульсный интегрирующий преобразователь напряжения с функцией широтно-импульсной модуляции, состоящий из четырех операционных усилителей, на которых реализованы два повторителя напряжения, интегратор и компаратор, четырехканального коммутатора и трех входов, с помощью которых подключаются два входных напряжения и может подключаться или не подключаться электрическая перемычка, отличающийся тем, что четырехканальный коммутатор подключен к первому входу и выходу инвертирующего повторителя первого входного напряжения и ко второму входу и выходу инвертирующего повторителя второго входного напряжения во входных цепях, соответственно, компаратора и интегратора, обеспечивая статические состояния инвертирующих повторителей первого и второго входных напряжений, при этом преобразователь выполнен с возможностью осуществлять преобразование входного напряжения в частоту и во временной интервал, когда перемычка отключена от третьего входа, и выполнять широтно-импульсную модуляцию входного напряжения, когда перемычка подключена к третьему входу, к выходу компаратора через диод подключен биполярный транзистор, коллектор и эмиттер которого подключены соответственно к третьему и четвертому выходам преобразователя, при этом первый выход подключен к точке соединения диода, транзистора и управляющего входа четырехканального коммутатора, а второй выход подключен к точке соединения компаратора и диода.