Преобразователь ток-частота Советский патент 1984 года по МПК H03K13/02 

выход которого соединен с вторым входом восьмого элемента И-НЕ, с третьи входом второго элемента И-НЕ, с вторым входом третьего элемента И-НЕ и с входом четвертого инвертора, инверсный выход первого D-триггера соединен с вторыми входами шестого и седьмого элементов И-НЕ и с первым входом девятого элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с инверсным выходом третьего D-триггера, второй вход первого элемента

И-НЕ соединен с инверсным выходом второго В -триггера, прямой выход которого соединен с третьи входом третьего элемента И-НЕ, С-вход второго D-триггера соединен с выходом четвертого элемента И-НЕ, аD-вход его подключен к общей шине, преобразователя, выхода четвертого инвертора и девятого элемента И-НЕ являются первым и вторым выходами блока управления , третьи выходом которого является выход шестого элемента И-НЕ.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОК ЧАСТОТА, содержащий интегратор, первый вход которого подключен к источнику измеряемого тока, генератор тока, выход которого через первый ключ соединен с первым входом интегратора, через второй ключ.- с общей шиной преобразователя и через усилитель.переменного тока - с первым входом первого синхронного детектора, выход которого соединен с вторым входом интегратора, выход которого соединен с первым входом блока управления, первый выход которого подключен к управляющему входу второго ключа, второй выход - к управляющему входу первого ключа, вто- i рому входу первого синхронного детектора и выходной шине преобразователя , о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точ- . ности, в него введены третий ключ, образцовый источник тока, интегрирующее звено второй синхронный детектор, интегрирующе-инвертирующее звено, управляемой источник тока и генератор импульсов, причем вход третьего ключа соединен- с выходом генератора тока, выход третьего ключа - с входами образцового источника тока и интегрирующего звена, выходы которых подключены к общей шине преобразователя, выход усилителя переменного тока подключен к первому входу второго синхронного детектора, выход которрго через интегрирующе-инвертирующее звено BCFi Aio3|i l 13li соединен с входом управляемого vicточника тока, выход которого соединен с выходом генератора тока, выход генератора импульсов подключен к второму входу блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу третьего ключа и к второму входу второго синхронного детектора-.. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что блок управления содержит четыре инвертора, девять элементов И-НЕ, делитель частоты и три D-триггера, причем выход интегратора соединен с входом первого инвертора и является первым входом блока управления, выход первого инвертора подключен (Л к первым входам первого, второго и третьего элементов И-НЕ, вход делис теля ;частрты подключен к входу второго инвертора, первому входу четвертого элемента И-НЕ и С-входу пер|вого D -триггера и является вторым .входом блока управления, выход делителя частоты соединен с S -входом второго D-триггера и с входом третьего инвертора, выход которого подключен к второму входу второго элемента И-НЕ, выход которого соединен с 5-входом третьего D -тригтера, выход третьего элемента И-НЕ 00 N5 соединен с первым входом пятого /элемента И-НЕ, выход которого соеди.ней с -входом третьего -триггера, -вход jtoToporo соединен с выходом второго инвертора, а прямой выход третьего -триггера соединен с вторым входом .четвертого элемента И-НЕ и с первыми входами шестого и седьмого элементов И-НЕ, выход седьмого элемента И-НЕ соединен с вторым входом пятого элемента И-НЕ, выход первого элемента И-НЕ подключен к первому входу восьмого элемента И-НЕ, выход которого соединен с D-входом первого D-триггера, прямой

. . 1 Изобретение относится к измерите ной технике и может быть использова но вэлектронной технике, электротехнике и других областях науки и . техники., Известен преобразователь ток частота, основанный на компенсации :измеряем6го тока образцовым зарядом 1. Недостатком известного npeoOpaso теля является низкая точность преоб разований. Наиболее близким к изобретению п технической сущности и достигаемому результату является преобразователь ток - частота, содержащий интеграто на вход которого подключается выход источника тока, два ключа, соед ненные с генератором тока, выход первого ключа подключен ко входу ин тегратора, выход второго - к общей шине, последовательно соединенные усилитель переменного тока и синхронный детектор, выход которого соединен с неинвертирующим входом интегратора, а второй вход синхронного детектора подан на выход устройства, выход усилителя переменного тока соединен с выходом генерато ра тока 2. Недостаток известного устройства - низкая точность, обусловленная тем, что остаются нескомпенсированны ми составляющие погрешности, вызванные .нестабильностью длительности импульсов, управляющих ключами, а также зарядов, -наводимых управляющими импульсами. Цель изобретения - повышение точности преобразования тока в частоту Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь ток частота, содержащий интегратор, первый вход которого подключен к источнику измеряемого тока, генератор тока, выход которого через первый ключ соединен с первым входом интегратора, через второй ключ - с общей шиной преобразователя и через усилитель переменного тока - с первым входом первого синхронного детектора, выход которого соединен с вторым входом интегратора, выход которого соединен с первым входом блока управления, первый выход которого подключен к управляющему входу второго ключа, второй выход. - к управляющему входу первого ключа, BTOpoiviy входу / первого синхронного детектора и выходной шине преобразователя, введены третий ключ, образцовый источник тока, интегрирующее звено, второй синхронный детектор, интегрирующеинвертирующее звено, управляемый источник тока и генератор импульсов, причем вход третье:го ключа соединен с выходом генератора тока, выход третьего ключа - с входами образцового источника тока и интегрирующего звена, выходы которых подключены к общей шине преобразователя, выход . усилителя переменного тока подключен к первому входу второго синхронного детектора, выход которого через интегрирующе-инвертирУющее звено соединен с входом управляемого источника тока, выход которого соединён с выходом генератора тока, выход генератора тока инотульсов подключен к второму входу бЛока управления , третий выход которого подключен к управляющему входу третьего ключа и к второму входу второго синхронного детектора. Блок управления содержит четыре инвертора, .девять элементов И-НЕ, делитель частоты и три D -триггера, причем ВЕлход интегратора соединен с входами первого инвертора и является первым входом блока управления, выход первого инвертора подключен к первым входам- первого, второго и третьего элементов И-НЕ, вход делителя частоты подключен , к Bxojty второго инвертора, первому :Входу четвертого элемента И-НЕ и

С-входу первогоD-триггера и является вторым входом (элока управления, выход делителя частоты соединен с S-входом второго D-тригге:ра и с входом третьего инвертора, выход которого, подключен к второму

входу второго элемента И-НЕ, выход

которого соединен с 5-входом третьего D -триггера, выход третьего элемента И-НЕ соединен с первым входом пятого элемента И-НЕ, выход которого соединен сD-входом третьего D -триггера, С -вход которого соединен с выходом второго инвертора, а прямой выход третьего D -триггера соединен с вторым входом четвертого элемента И-НЕ и с первыми входами шестого и седьмого элементов И-НЕ, выход седьмого элемента И-НЕ соединен с вторым входом пятого элемента И-НЕ, выход первого элемента И-НЕ подключен к дервому входу восьмого элемента И-НЕ, выход которого соединен с D -входом первого Б -триггера, прямой выход которого соединен с вторым входом восьмого элемента И-НЕ, с. третьим входо второго элемента И-НЕ, с вторым, входом третьего элемента И-НЕ и с вхсЗдом четвертого инвертора, инверсный выход первого D-триггера соединен с вторыми входами шестого и седьмого элементов И-НЕ и с первым ВХОД9М девятого элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с инверсным выходом третьего D -триггера, второй вход первого элемента Й-НЕ соединен с инверсным выходом второго D-триггера, прямой выход которого соединен с третьим входом третьего элемента И-НЕ, С- вход второго D -триггера соединен с выходом четвертого элемента И-НЕ, а D-вход его подключен к общей шине преобразователя, выходы чет-вертого инвертора, и девятого элемента И-НЕ являются первым и вторым выходами блока управления, третьим выходом которого является выход шестого элемента И-НЕ.

На фиг.1 приведена ст1 уктурная схема преобразователя ток - 4acTOTa на фиг.2 - структурная схема блока управления: на фиг.З - временные диграмма .

Преобразователь ток - частота содержит интегратор 1, первый ключ 2, второй ключ 3, генератор 4 тока, усилитель 5 переменного тока, первы синхронный детектор б, третий ключ 7, образцовый источник 8 тока, интегрирующее звено 9, второй синхронный детектор 10, интегрирующеинвертирующее звено 11, управляемый источник 12 тока, генератор 13 импульсов, блок 14 управления.

Блок 14 управления (фиг. 2) содержит первый интегратор 15, элементы И-НЕ: первый 16, второй 17 и третий 18f делитель 19 частоты, второй инвертор 20, четвертый элемент И-НЕ 21, первый D -триггер 22, второй D -триггер 23, третий инвертор 24, третий D -триггер 25, элементы И-НЕ: пятый 26, шестой 27, седьмой 28 и восьмой 29; четвертый инвертор 30 и девятый .элемент И-НЕ 31.

На временных диаграммах (фиг.З) .показаны: 32 - входной ток Dg ; .33 - напряжение на выходе интегратора 1 ; 34 - ток первого ключа 2j 35 - импульсы на выходе делителя частоты 19; 36 - образцовый ток источника 8; 37 - ток третье.го ключа 7; 38 - ток второго ключа 3; 39 - напряжение на выходе усилителя 5 переменного тока; 40 ток J на выходе второго синхронного детектора 10; 41 - ток Д на выходе управляемого источника тока 12.

Преобразователь ток - частота содержит интегратор 1, на первый вход которого подается измеряемый ток, два ключа 2 и 3, соединенные с генератором 4 тока, выход первого ключа подключен к инвертирующему входу интегратора 1, выход второго ключа 3к общей шине, последовательно соединенные усилитель 5 переменного тока и синхронный детектор 6, выход которого соединен с неинвертирующим входом интегратора 1, а второй вход подан на выход устройства, вход усилителя 5 переменного тока соединен с выходом генератора 4 тока. Кроме того, преобразователь ток частота содержит третий ключ 7, соединенный с генератором 4 тока, параллельно соединенные образцовый источник 8 тока и интегрирующее звено 9, последовательно соединённые второй синхронный.детектор 10, интегрирующе-инвертирующее звено 11, управляекый источник 12 тока, а также генератор 13 импульсов, соединенный с блоком 14 управления, причем . выход третьего ключа 7 соединен с образцовым источником тока 8 и интегрирующим звеном 9, вторые выводы которых поданы на общую шину, вход второго синхронного детектора 1 соединен с выходом усилителя 5 переменного тока, выход управляемого источника тока 12 соединен с выходом генератора 4 тока, вход блока 1.4 управления соединен с выходом интегратора 1, второй выход блока 14 управления соединен с управляющим входом первого ключа 2 и с вторым входом первого синхронного детектора 6,. первый выход блока 14 управления соединен с управляющим входом второго ключа 3, третий выход блока 14 управления соединен с управляющим входом третьего ключа 7 и вторым входом второго синхронного детектора 10. Блок 14 управления содержит четыре инвертора, девять элементов И-НЕ, делитель частоты и три В -тр гера, причем вход первого инвертора 15 соединен с выходом интегратора 1, а-выход инвертора 15 подкл чен к первым входам первого 16, второго 17 и третьего 18 элементов И-НЕ, выходгенератора 13 импульсов подключен к входам делителя 19 частоты, второго инвертора 20, к первому входу четвертого элемента И-НЕ 21. с -вход первого D -три гера 22 и выход делителя 19 частот соединены с 5 -входом второго D-триггера 23 и с входом третьего инвертора 24, выход которого подкл чен к второму входу второго элемен та И-НЕ 17, выход которого соедине с 5-входом третьего D -триггера 2 выход третьего элемента И-НЕ 18 соединен с первым входом пятого эл мента. И-НЕ 26, выход которого соединен с D -входом третьего D -триг гера 25, С -вход которого соединен с выходом второго инвертора 20, а прямой выход) -триггера 25 соедин с вторым входом четвертого элемент И-НЕ 21 и с первыми входами шестого 27 и седьмого 28 элементов И-НЕ выход седьмого элемента И-НЕ 28 соединен с вторым входом пятого эл мента И-НЕ 29, выход которого соед нен с Б -входом.первого D -триггера 22, прямой выход которого соеди нен с вторым входом элемента И-НЕ с третьим входом второго элемента И-НЕ 17 и с вторым входом третьего элемента И-НЕ 18, а также с входом четвертого инвертора 30, инверсный выход первого D -триггера 22 соединен с вторыми входами шестого 27 и седьмого 28 элементов И-НЕ и с первым входом девятого элемента И-НЕ31, второй вход первого элемента И-НЕ 16 соединен с инверсным выходом второго Ъ -триггера 23, прямо выход которого соединен с третьим входом третьего элемента И-НЕ 18, С-вход второго D -триггера 23 соеди нен с выходом четвертого элемента и-НЕ 21, а П -вход 3Tcfro триггера подключен к общей шине устройства, выход шестого элемента И-НЕ 27 подключен к управляющему входу третьего ключа 7, выход четвертого ийвертора 30 соединен с управляющим входом второго ключа 3, а выход девятого элемента И-НЕ 31 соединен с управляющим входом первого ключа 2, втррой вход которого соеди нен с инверсным выходом третьего D-триггера. Устройство работает следующим образом. На вход интегратора 1 подается преобразу.емый ток 32 (фиг.З), Этот ток заряжает конденсатор интегратора 1. Потенциал 33 (фиг.З) на выходе интегратора 1 изменяется. По достижении заданного порогового напряжения блок 14 управления фор|мирует управляющие .импульсы для ключа 3 на закрытие его и для ключа 2 - на открытие его. Генератор 4 тока коммутируется на время действия импульса на входе интегратора 1. При этом происходит разряд конденсатора интегратора 1 порцией тока 34 (фиг.З) стабильной величины. По окончании импульса тока 34 ключ 2 закрывается, ключ 3 открывается и коммутирует генератор 4 тока на общую щину. Погрешность генератора образцовых зарядов, вызванную различием сопротивлений ключей 2 и 3 и напряжений, прилохсенным к ним, компенсируется при помощи блоков 5 и 6. Усилитель 5 переменного тока усиливает импульс, возникающий в общей точке блоков 2 - 4, а синхронный детектор 6 детектирует его и сглаживает. Полученный потенциал подается на синфазный вход усилителя интегратора 1. Так как преобразователь охвачен импульсной обратной связью, это напряжение передается на вход преобразователя ток - частота, уменьшая во много раз импульс, а вместе с ним и погрешность преобразователя ток - частота. Для уменьшения погрешности преобразователя ток - частота, вызванной нестабильностью длительности импульсов, открывающих ключи 2 и 3, а , также нестабильностью зарядов) наводимых импульсами управления ключами 2 и 3, в предлагаемое устройство введены блоки 7-14 .Делителем 19 частоты блока 14 в устройстве генерируются импульсы 35 (фиг.З) образцов.ой частоты и ток 36 (фиг.З) образцовым источником тока 8 . Блок 14 управления вырабатывает управляющие импульсы со стабильной сред ней частотой 37 для ключа 7 и импульсную последовательность 38 (фиг.З) для ключа 3. Если величина образцового заряда изменяется (например уменьшается) , то их сумма за единицу времени будет меньше, чем ток 36 (фиг.З) образцового источника 8 тока. Поэтому начнет расти напряжение на интегрирующем звене 9, а в общей точке блоков 2 - 4 и 7 появляется импульс положительной полярности, который усиливается блоком 5 и селектируется синхронным детектором 1C поэтому на выходе его появляется только импульс 40 (фиг.З) во время коммутации тока ключом 7. После усиления, инвертирования и сглаживания инвертирующе-интегрирующим звеном 11 напряжение поступает на . управляемый источник 12 тока, кот рый в простейшем случае выполнен на сопротивлении, ток 41 (фиг. 3) этого источника 12 добавляется к т ку генератора 4, поэтому образцовы заряд увеличивается.Аналогично про исходит компенсация погрешности и при увеличении образцового заряда. формирование импульсов для управления ключами 2, 3 и 7 производится блоком 14 управления, кото рый состоит из суб-блоков 15 - 31 (фиг,2). Импульсы для управления ключами формируются D -триггером 2 длительность импульса задается генератором 13 и одинакова для ключей 2 и 7.D -триггер 25 открывает один из элементов И-НЕ, если нужно OTKpt iTb ключ 2, то девятый i 31, если ключ 7, то шестой 27. Переключение D -триггера 25 начина ется до импульса, подаваемого на ключ 7, возвращение его в исходное состояние производится после окончания этого импульса, поэтому влияние на длительность. ищ1упъса Т D -триггер 25 не оказывает. Если импульс 35 образцовой частоты совпадает с импульсом выходной час тоты, то производится коммутация входного тока ключом 2, а факт это го совпадения запоминается D -три гером 23. Импульс образцовой част.о 35 переносится на следующий такт (37,третий импульс), после чего D-триггер 23 сбрасывается. Величин компенсированной погрешности может быть определена,как ,uV4 И - а дс; Тк - /г п л -обр обр ... где йС - величина нестабиль -1 2 ности импульсов,.подаваемых на клю чи 2 и 7 соответственно; п I п заряды, наводимые при переключении в ключах 2 и 7; лобр заряды, наводи1 ые при переключении ключа 3. Из этой формулы следует, что уменьшение погрешности в предлагаемом преобразователе зависит от степени симметрии схем( , ,и может быть весьма значительно. Длительность импульса определяется Б -триггером 22, инвертор 30 и элементы И-НЕ 27 и 31 могут быть выполнены на одном корпусе (например К155ЛА4 ) и иметь близкие параметры, ключи 2 и 7 тоже могут быть выполнены на двойном полевом транзисторе. Поэтому первая и вторая составляющие погрешности могут быть уменьшены в сотни раз, а третья почти полностью. Мультипликативная составляющая погрешности снижается в данном устройстве в десятки раз, что позволяет повысить в это же число раз точность измерений, обнаруживать и измерять физические эффекты, которые при использовании других преобразователей нельзя обнаружить, и более точно измерять уже известные величины. Предлагаемый преобразователь ток частота может найти широкое приме- нение во многих областях науки и техники: в ядерной физике, реакторной технике (измерение реактивности, периода, мощности и т.д.), полупроводниковой технике и т.д. Во всех этих областях можно существенно повысить точность измерений, что часто дает экономический эффект (сокращение времени измерений, повышение мощности и время работы энергетических установок и т.д.).

От wm. 1 Мот Г.Н. 13

Фиг.1

Кй.З

А.7

/0.2

JJ

37

t

t:

M

Фиг.З