Прецизионный преобразователь напряжения в частоту Российский патент 2024 года по МПК H03M1/60 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в системах обработки сигналов и преобразования аналоговой информации в цифровую.

Известны схемы преобразователей напряжения в частоту (ПНЧ) на основе интеграторов. Так схема ПНЧ 1316ПП1У, представленная на Фиг. 1, содержит интегратор 1 на основе чоппер стабилизированного операционного усилителя 2 с заземленным неинвертирующим входом, конденсатора интегрирования 3 и входного резистора 4, два резистора возврата 5 и 6, подключенные к источникам положительного 7 и отрицательного 8 опорного напряжения, два ключа возврата 9 и 10, два компаратора 11 и 12. Отрицательное опорное напряжение REFB формируется из положительного опорного напряжения REFT с помощью инвертирующего усилителя 13. Блок логики 14 по сигналам компараторов формирует выходные сигналы FT (15) и FB (16) и сигналы управления ключами возврата 17, а также тактовый сигнал чоппера 18. Такая структура обусловливает важное преимущество ПНЧ - его биполярную передаточную характеристику. Чоппер стабилизация усилителя позволяет в первом приближении решить проблему смещения нуля. Другим важным преимуществом ПНЧ является высокая точность преобразования.

Вместе с тем ПНЧ обладает рядом недостатков. Ряд ошибок второго порядка ограничивают возможность дальнейшего повышения точности преобразования. К ним относятся:

При большом входном напряжении (высокой частоте на выходе) чоппер стабилизация модулирует выходную частоту, так что говорить о высокой точности можно только в смысле усреднения по большому числу периодов чоппера.

Другим источником ошибок является не точное равенство абсолютных величин положительного и отрицательного опорного напряжения. Отрицательное напряжение формируется из положительного инвертирующим усилителем. Его смещение нуля и рассогласование резисторов обратной связи вызывают перекос опорных напряжений. Как следствие ПНЧ имеет отличающиеся коэффициенты преобразования для положительного и отрицательного входного напряжения, которые специфицируются независимо друг от друга. Рассогласование резисторов возврата вносят дополнительный вклад в этот перекос. Иными словами, биполярная передаточная характеристика, будучи высоко линейной в пределах одной полярности имеет излом в нуле.

Еще одним источником ошибок является асимметрия выбросов заряда ключами чоппера, порождающая динамическую ошибку смещения нуля.

ПНЧ 1316ПП1У работает следующим образом. Входное напряжение поступает на вход интегратора 1. При постоянном входном напряжении на выходе интегратора формируется линейно изменяющееся напряжение: возрастающее при отрицательном входном напряжении и убывающее при положительном. При достижении выходным напряжением интегратора уровня положительного или отрицательного опорного напряжения соответствующий компаратор 11 или 12 переключается и запускает формирование в блоке логики 14 одного из двух импульсов возврата точной длительности, который, управляя соответствующим ключом возврата 9 или 10, подает в точку суммирования ток от соответствующего источника опорного напряжения. Таким образом выходное напряжение интегратора возвращается в зону между положительным и отрицательным опорным напряжением и интегрирование продолжается. Частота процесса интегрирование - возврат пропорциональна входному напряжению. Длительность импульсов на выходе компараторов также зависит от входного напряжения, блок логики 14 формирует импульсы постоянной длительности и синхронизированные с тактовым сигналом: на выходе FT (15) при положительном входном напряжении и на выходе FB (16) - при отрицательном.

Частота выходных импульсов определяется формулой:

, где

- F_out - выходная частота

- V_in - входное напряжение

- V_reƒ - опорное напряжение

- R_rev - сопротивление резистора возврата

- R_in - сопротивление входного резистора

- T_rev - длительность импульса возврата

Важно, что выходная частота определяется отношением напряжений и сопротивлений, а также длительностью импульса возврата. Выходная частота не зависит от емкости конденсатора интегрирования и смещения нуля компаратора.

Современные схемотехнические решения позволяют формировать точные опорные напряжения, точные отношения резисторов и точные интервалы времени.

На Фиг. 2 приведена временная диаграмма работы ПНЧ. В начале диаграммы в области 0 входное напряжение Vin=0B, выход интегратора находится в исходном состоянии и не изменяется, импульсы на выходах FT, FB отсутствуют. В области 1 входное напряжение Vin=+0.2B, на выходе интегратора убывающее напряжение. При достижении порога компаратора формируются импульсы возврата интегратора в зону между пороговыми уровнями и импульсы на выходе FT. В области 2 входное напряжение Vin=-2.0B, на выходе интегратора возрастающее с большей крутизной напряжение. Теперь импульсы с большей частотой формируются на выходе FB. В области 3 входное напряжение Vin=+3.2B, на выходе интегратора убывающее с еще большей крутизной напряжение. Импульсы с еще большей частотой на выходе FT.

Наиболее близким к заявляемому является ПНЧ по патенту РФ №2755017. На его схеме на Фиг. 3 операционный усилитель 2 имеет входы статической 19 и динамической 20 калибровки смещения нуля, а также дополнительно содержатся блоки для калибровки основных источников ошибок: переключатель 21, ключ обнуления интегратора 22, ЦАП1 (23) статической калибровки смещения и ЦАП2 (24) динамической калибровки смещения нуля усилителя 2, ЦАП3 (25) калибровки смещения нуля источника отрицательного опорного напряжения.

ПНЧ по патенту РФ №2755017 работает аналогично ранее описанному ПНЧ 1316ПП1. После проведения калибровки по патенту РФ №2755017 такой ПНЧ имеет значительно лучшую линейность в биполярном входном диапазоне и меньшее и стабильное значение нулевой частоты при закороченном на землю входе. Кроме того существенно уменьшается модуляция выходной частоты частотой чоппера при большом входном напряжении.

Недостатком обоих известных ПНЧ является большая задержка появления информации на выходе ПНЧ при малом входном напряжении. Так при работе ПНЧ в зоне 1 на Фиг. 2 при входном напряжении 0.2 В и коэффициенте преобразования 50 кГц/В расстояние между смежными частотными импульсами на выходе составляет 100 мкс. Однако при входном напряжении 10 мкВ расстояние между смежными частотными импульсами составит 2 сек. Это значит, что аппаратура, использующая такой ПНЧ в течение 2 сек не будет иметь информации о напряжении на входе ПНЧ. Во многих случаях такая задержка неприемлема.

ПНЧ по патенту РФ №2755017 после калибровки имеет значение нулевой частоты при закороченном на землю входе до 0.1 Гц и допускает работу при входном напряжении единицы мкВ. При таких условиях задержка обновления информации на частотных выходах еще больше увеличивается.

Целью настоящего изобретения является уменьшение задержки выходной информации при малом входном напряжении.

Поставленная цель достигается тем, что в основном ПНЧ, содержащем интегратор, состоящий из чоппер - стабилизированного усилителя с заземленным неинвертирующим входом, выход которого является выходом интегратора, конденсатора, включенного между инвертирующим входом и выходом усилителя, входного резистора, включенного между инвертирующим входом усилителя и входом ПНЧ, два резистора возврата интегратора, подключенные первыми выводами к источникам положительного и отрицательного опорных напряжений, а вторыми выводами - через два ключа возврата интегратора к инвертирующему входу усилителя, два компаратора, сравнивающие выходное напряжение интегратора с положительным и отрицательным опорным напряжением, блок логики, подключенный к выходам компараторов и формирующий сигналы положительного и отрицательного частотных выходов ПНЧ, сигналы управления ключами возврата и тактовый сигнал чоппер - стабилизации, к выходу интегратора подключен дополнительный ПНЧ аналогичной структуры.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

На Фиг. 1 - блок схема ПНЧ 1316ПП1У

На Фиг. 2 - временные диаграммы работы ПНЧ 1316ПП1У

На Фиг. 3 - блок схема ПНЧ по патенту РФ №2755017

На Фиг. 4 - блок схема заявляемого ПНЧ

Заявляемый ПНЧ по п. 1 Формулы работает следующим образом (Фиг. 4). Основной ПНЧ производит преобразование напряжения в частоту так же, как известные ПНЧ. При малом входном напряжении основного ПНЧ как только интервал между смежными выходными импульсами достигает предельной для конкретной аппаратуры величины, по изменению периода частотных импульсов на выходе дополнительного ПНЧ (26) определяют скорость и направление изменения напряжения на выходе интегратора. Зная коэффициент преобразования основного ПНЧ, определяют напряжение на его входе.

Так при входном напряжении 10 мкВ, коэффициенте преобразования 50 кГц/В в обоих ПНЧ и предполагая, что интеграторы обоих ПНЧ обнулены, первый импульс на выходке основного ПНЧ появится через 2 с после начала интегрирования, а на выходе дополнительного ПНЧ - через 8.9 мс. Дальнейшие импульсы будут поступать со все увеличивающейся частотой по мере увеличения напряжения интегратора основного ПНЧ.

Дальнейшее сокращение задержки выходной информации может быть достигнуто за счет увеличения коэффициента преобразования дополнительного ПНЧ путем уменьшения его постоянной интегрирования.

В случае многоканального ПНЧ появляется возможность переключения одного дополнительного канала ПНЧ к выходу интегратора одного из основных каналов с помощью управляемых ключей.

Таким образом, заявляемый ПНЧ обладает новизной, может быть реализован и позволяет существенно повысить разрешение и скорость преобразования при малом входном сигнале.

Литература

1. ПНЧ 1316ПП1У спецификация

https://ic.milandr.ru/upload/iblock/5e5/5e54e76dd92dbb5d706d114ac696b52e.pdf

2. Патент РФ №2755017

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в системах преобразования аналоговой информации в цифровую. Технический результат - уменьшение задержки выходной информации при малом входном напряжении. Он достигается тем, что преобразователь напряжения в частоту содержит интегратор, состоящий из чоппер-стабилизированного усилителя с заземленным неинвертирующим входом, конденсатор, включенный между инвертирующим входом и выходом усилителя, входной резистор, включенный между инвертирующим входом усилителя и входом ПНЧ, два резистора возврата интегратора, подключенные первыми выводами к источникам положительного и отрицательного опорных напряжений, а вторыми выводами - через два ключа возврата интегратора к инвертирующему входу усилителя, два компаратора, сравнивающие выходное напряжение интегратора с положительным и отрицательным опорным напряжением, блок логики, подключенный к выходам компараторов и формирующий сигналы положительного и отрицательного частотных выходов ПНЧ, сигналы управления ключами возврата и тактовый сигнал чоппер-стабилизации. Причем к выходу интегратора подключен дополнительный ПНЧ аналогичной структуры. 4 ил.

Преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ), содержащий интегратор, состоящий из чоппер-стабилизированного усилителя с заземленным неинвертирующим входом, выход которого является выходом интегратора, конденсатора, включенного между инвертирующим входом и выходом усилителя, входного резистора, включенного между инвертирующим входом усилителя и входом ПНЧ, два резистора возврата интегратора, подключенные первыми выводами к источникам положительного и отрицательного опорных напряжений, а вторыми выводами - через два ключа возврата интегратора к инвертирующему входу усилителя, два компаратора, сравнивающие выходное напряжение интегратора с положительным и отрицательным опорным напряжением, блок логики, подключенный к выходам компараторов и формирующий сигналы положительного и отрицательного частотных выходов ПНЧ, сигналы управления ключами возврата, тактовый сигнал чоппер-стабилизации, отличающийся тем, что к выходу интегратора подключен дополнительный ПНЧ аналогичной структуры.