Преобразователь напряжения в частоту Советский патент 1984 года по МПК H03K13/20 

Изобретение относится к элемент автоматики и измерительной техники и предназначено преимущественно для аналого-цифровых интеграторов с контуром сглаживания выходного напряжения. Для достижения точного сглажива ния выходного напряжения аналогоцифрового интегратора пилообразное напряжение на аналоговом выходе преобразователя должно иметь близк к нулю начальный уровень и .стабиль ную амплитуду (размах) колебаний. Известен двухполярный преобразователь напряжения в частоту, содержащий интегратор на операционном усилителе, компараторы, входы кото рых подключены к выходу интегратора, выходные инверторы 1и диоднорезистивные цепи, соединяющие вход операционного усилителя с выходами инверторов dl. Недостатки известного устройства обусловлены значительной нелинейностью преобразования и нестабильностью амплитуды и начального уровня пилообразного напряжения на выходе интегратора. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является двухполярный преобразователь напряжения в частоту, содержащий интегра тор на операционном усилителе с кон денсатором в цепи отрицательной обратной связи, цепь разряда конденса тора, два компаратора с инверторами на выходах и цепями задания разнопо лярных порогов срабатывания, входы которых соединены с выходом интегратора, логический элемент ИЛИ, под ключенный входами к выходам инверторов, а выходом через цепь формирования временных интервалов к управляющему входу цепи разряда конденсатора С2 . Недостаток данного устройства относительно большая нелинейность характеристики преобразования. Это обусловлено тем, что разряд интегрирующего конденсатора в нем про текает по экспоненциальному закону и для полного разряда конденсатора (даже при большом начальном значени тока разряда) необходимо удерживать ключ разряда в открытом состоянии в течение большого промежутка времени. Кроме того, в данном преобразователе начальный уровень пилообразного напряжения отличается от нулевого значения, поскольку зависи от величины входного сигнала.. Это объясняется тем, что ключ разряда имеет в открытом состоянии конечное сопротивление (определяемое допусти мым значением тока через ключ) и при полном разряде конденсатора на выходе интегратора устанавливается напряжение, пропорциональное вход- ному напряжению, и отношение сопротивления ключа разряда к входному сопротивлению, интегратора. Цель изобретения - повышение точности преобразования. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь напряжения в частоту, содержащий интегратор на операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи и ключом разряда конденсатора, злемент ИЛИ и два компаратора, разнополярных порогов срабатывания, снабженных цепями задания порогов, причем сравнивающие входы компараторов соединены с выходом интегратора, прямой выход компаратора с отрицательным порогом срабатывания соединен с первым входом элемента ИЛИ, инверсный выход компаратора с положительным порогом срабатывания соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу ключа разряда конденсатора, введены две диодно-резистивные цепи и два ключа, а компараторы снабжены цепями динамической положительной обратной связи, причем диодно-резистивные цепи соединяют суммирующую точку интегратора с прямыми выходами компараторов, каждый ключ включен между сравнивающим входом соответствующего компаратора и цепью задания порога его срабатывания, а управляющие входы ключей подключены соответственно к инверсному выходу компаратора с отрицательным порогом срабатывания и к прямому выходу компаратора с положительньм порогом срабатывания. На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого преобразователя напряжения в чаототу; на фиг.2 временные диаграммы его работы. Преобразователь содержит интегратор 1 на операционном усилителе 2 с входным резистором 3 и конденсатором 4 в цепи отрицательной обратной связи, ключ 5 разряда конденсатора, выполненный на резисторе 6 и транзисторе 7, два компаратора 8 и 9, образованных операционными усилителями 10 и 11 и подключенные через входные резисторы 12 и 13 к выходу интегратора 1, а также цепями задания порогов срабатывания на резисторах 14 и 15 и источниках 16 и 17 разнополярных напряжений и инверторами 18 и 19. Компараторы 8 и 9 имеют прямые выходы 20 и 21, полярность импульсов на которых при сбросе интегратора соответствует полярности выходного напряжения последнего/ и инверсные выходы 22 и 23, являющиеся выходами инверторов 18 и 19, подключенных входами к выходам операционных усилителей 10 и 11. Выход 20 компаратора 8 и выход 23 компаратора 9 подключены к входам логического элемента ИЛИ 24, в ход которого соединен с управляющи входом ключа 5 разряда конденсатор В преобразователь введены две диодно-резистивные цепи, состоящие из последовательно соединенных дио дов 25 я 26 к резисторов 27 и 28 и включенные между суммирующей точ кой интегратора 1 и прямыми выхода 20и 21 компараторов 8 и 9, и два ключа 29 и 30. Ключ 29 соединяет в компараторе В цепь задания отрицательного порога срабатывания (ре зистор 14 и источник 16) с суммиру щей точкой операционного усилителя 10, а ключ 30 соединяет в компараторе 9 цепь задания положительного порога срабатывания (резистор и источник) с суммирующей точкой опе рационного усилителя 11. Управляющие входы ключей 29 и 30 соединены соответственно с инверсным выходом 22 компаратора 8 и с прямым выходо 21компаратора 9. Компараторы 8 и 9 снабжены цепями динамической (Положительной обратной связи, состоящими из конденсаторов 31 и 32 и резисторов 33 и 34, Устройство работает следующим об разом. В исходном положении, когда выходное напряжение и„ интегратора 1 близко к нулю, операционные усилите ли 10 и 11 в компараторах 8 и 9 находятся соответственно в состоянии положительного и отрицательного насыщения ( Цо U+g , и и ) . При этом ключи 29 и 30 открыты, благодаря чему суммирующие точки усилителей 10 и 11 подключены к цепям задания порогов срабатывания (резисторы 14 и 15 и источники 16 и 17 разнополяр ных напряжений), диоды 25 и 26 смещены в непроводящем направлении напряжениямии и, а сигнал на выходе логического элемента ИЛИ 24 имеет единичное (положительное) зна чение, при котором ключ 5 разряда конденсатора находится в разомкнуто состоянии. Б случае положительной полярност входного напряжения lJgx() напр жение UH на выходе интегратора 1 уменьшается по линейному закону со скоростью, определяемой величиной входного напряжения Ug и постоянной времени -KlC. Когда напряжени 4Jn достигает порога срабатывания ,b компаратор 8 релейно (благодаря действию цепи динамической положительной связи на конденсаторе 31 и резистор - 33) переходит в состояние отрицательного насыщения (). Под действием йапряжения ключ разряда конденсатора открывается, диод 25 смещается в проводящее направление, а ключ 29 закрывается, отключая от суммирующей точки усилителя 10 резистор 14. в результате конденсатор 4 разряжается, во-первых, через открытый транзистор 7 и токоограничивающий резистор 6 и, во-вторых, через диод 25, резистор 27 и выходы усилителей 2 и 10. Первая составляющая тока разряда изменяется по экспоненциальному закону, а вторая - по линейному, вследствие чего достигается быстрый разряд конденсатора 4 (через открытый ключ 5) при относительно большой скорости изменения выходного напряжения интегратора 1 вблизи нулевого уровня (за счет тока через диод 25). Это позволяет существенно уменьшить время сброса интегратора в исходное состояние О) и сделать его пренебрежимо малым по сравнению с временем интегрирования входного сигнала (Т), в результате чего повышается линейность преобразования напряжения в частоту. - При достижении напряжением U уровня отпускания Upg компаратор 8 релейно переходит в состояние положительного насыщения, вследствие чего диод 25 и ключ 5 закрывается, ключ 29 открывается, выходное напряжение интегратора 1 вновь начинает линейно изменяться от уровня до значения и процесс периодически повторяется. Аналогичным образом работает преобразователь при отрицательной полярности входного сигнала. В приведенной на фиг.1 схеме диодно-резистивные цепи показаны функционально, чтобы отразить их роль в уменьшении методической погрешности преобразования. В принципиальной схее для уменьшения влияния токов утечки через закрытые диоду 25 и 26 ожно, например, использовать в каестве каждого из диодов 25 и 26 ва последовательно соединенных диоа, общая точка которых подключается через дополнительный резистор к шине нулевого потенциала. В предлагаемом преобразователе орог отпускания компаратора, опрееляющий начальный уровень пилообрЗ ого напряжения, близок к нулевому отенциалу, поскольку при закрытом люче 29 и отсутствии тока через епь положительной обратной связи момент отпускания компаратора (что остигается соответствующим выбором остоянной времени перезаряда коненсатора 31) величина порога отпусания компаратора определяется лийь мещением нуля операционного усилителя 10 и утечкам ключа 29 и практиче ки составляет единицы мВ. Наличие в предлагаемом преобразо вателе цепей динамической положительной обратной связи имеет сущест венное значение. За счет их введени в компараторы 8 и 9 обеспечивается формирование определенной величины скачков напряжений на неинвертирующих входах усилителей io и 11 при срабатывании компараторов 8 и 9 и их удержание в сработанном состоянии на время задержек в открывании ключе вых транзисторов. Если этого не делать, то за счет временных задержек в транзиЬторных ключах 29 и 30 при их открывании может произойти самовозбуждение схемы (явление захвата напряжения U на некотором уров не, при котором выполняется равенство токов через резисторы 12 и 14 в процессе разряда конденсатора 4 и открывания транзисторных ключей 29 и 30) . Указанные цели должны быть динамическими, поскольку формируемые ими токи спустя определенное время после срабатывания компараторов долж ны стать настолько малыми, чтобы при подходе напряжения U( к нулевому уровню они не оказывали заметного влияния на порог отпускания компараторов. Прямые (20 и 21) и инверсные (22 и 23) выходы компараторов образуют дифференциальный выход преобразова1теля, так как в зависимости от знака входного напряжения сигнал формируется на выходе либо одного, либо другого компаратора. С выхода логического элемента 24 снимается частотный сигнал, соответствующий модулю входного напряжения. При выборе сопротивлений резисторов 3, 27, 28 и 6 из условия 1{4g T| частота повторения импульсов на выходе преобразователя пропорциональна входному напряжению Ugy где Uj. 0 or U(. - ширина петли гистерезиса компараторов 8 и 9. Таким образом, благодаря введению в преобразователь двух диодно-резистивных цепей, двух ключей и цепей динамической положительной обратной связи, а также соответствующих конструктивных связей их с другими узлами преобразователя, уменьшается время сброса интегратора в исходное состояние и Отклонение порогов отпускания компараторов от нулевого потенциала, в результате чего повышается линейность преобразования и точность формирования пилообразного напряжения. В предлагаемом устройстве сброс выходного напряжения интегратора до уровня +10-мВ происходит за время, практически равное постоянной времени цепи разряда конденсатора ( ). В устройстве 2 при использовании (в интеграторе и ключе разряда конденсатора) элементов с такими же параметрами, как в предлагаемом преобразователе, для достижения аналогичных значений начального уровня пилообразного напряжения необходимо удерживать ключ в открытом состоянии не менее 6-7 . Из этого следует, что погрешность нелинейности, обусловленная конечным временем разряда конденсатора, у предлагаемого преобразователя в 6-7 раз Меньше, чем у известного. Кроме того, в предлагаемом преобразователе начальный уровень пилообразного напряжения принципиально не зависит от величины входного напряжения, что имеет место в устройстве-пр тотйпе.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕПИЯ В ЧАСТОТУ, содержащий интегратор на операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи и ключом разряда конденсатора, элемент ИЛИ , и два компаратора разнополярных порогов срабатывания, снабженных цепями задания порогов, причем сравнивающие входы компараторов соединены с выходом интегратора, прямой выход компаратора с отрицательным порогом срабатывания соединен с первым входом элемента ИЛИ, инверсный ход компаратора с положительным порогом срабатывания соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу ключа разряда конденсатора, отличающийся тем, что, ,с целью повышения точности преобразования, в него введены две диодно резистивные цепи и два ключа, а компараторы снабжены цепями динамической положительной обратной связи, причем диодно-резистивные цепи соединяют суммиругацую точку интегратора с прямыми выходами компараторов, каждый ключ включен меходу сравнивающим входом соответствующего компаратора с S и цепью задания порога его срабатывания, а управляющие входы ключей сл подключены соответственно к инверсному выходу компаратора с отрицательным порогом срабатывания и к прямому выходу компаратора с поло-. жительным порогом срабатывания.