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

/;

(Л

ьэ

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в интеграторах аналоговых сигналов и в аналого-цифровых преобразователях .

По основному авт.св. № 930663 известен преобразователь напряжения в частоту, содержащий интегратор, вход которого чер-ез первый резистор соединен с входной шиной, первый и второй компараторы, первый вход первого компаратора соединен с выходом интегратора, второй вход - с источником опорного напряжения через второй резистор и с общей шиной чере ключ, управляющий вход которого подключен к выходу первого компаратора выходы компараторов соединены между собой через последовательный резистив1гый делитель,средняя точка которого соединена с входом интегратора через нелинейный симметричный двухполюсник с зоной нечувствительности, первый и второй входы второг компаратора подключены соответственн к входной и общей шинам преобразователя С

Недостаток известного устройства - низкая точность преобразования в области малых значений входного сигнала, что обусловлено наличием , зоны нечувствительности.

Цель изобретения - повышение

точности преобразования. I

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь напряжения в частоту, содержащий интегратор, первый вход которого через первый резистор соединен с входной шино

первый и второй компараторы, первый

вход первого компаратора соединен с выходом интегратора, второй вход с источником опорного напряжения через второй резистор и с общей шиной через ключ, управляющий вход которого подключен к выходу первого компаратора, выходы компараторов соединены между, собой через первьй последовательный резистивный делител средня55 точка которого соединена с первым входом интегратора через нелинейный симметричный двухполюсник с зоной нечувствительности, первый и второй входы второго компаратора подключены соответственно к входной и общей шинам преобразователя, введен второй последовательный резистивный делитель, первый вход кото

рого соединен с выходом второго компаратора, второй вход - с общей шиной устройства, первый выход - с вторым входом интегратора, второй выход - с вторым входом второго компаратора.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы электрических сигналов в преобразователе.

Преобразователь содержит интегратор I, инвертирующий первый вход которого соединен с входной шиной 2 через резистор 3. К выходу интегратора подключен неинвертирующий первы вход компаратора 4, а к входйой шине 2 - инвертируюшлй первый вход компаратора 5. К выходам компараторов 4 и 5 подключен резистивный делитель 6, выполненный на резисторах 7 и 8. Средняя точка делителя 6 соединена с первым входом интегратора через нелинейный симметричный двухполюсник 9 с зоной нечувствительности, в качестве которого .может быть использован симметричный стабилитрон. Неинвертирующий второй вход компаратора 4 соединен с источником 10 положительного опорного напряжения через резистор I 1 f с общей щиной устройства 12 через ключ 13, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора 4.Выходы компараторов 4 и 5 соединены соответственно с выходными шинами 14 и 15. Преобразователь содержит также последовательный резистивный делитель 16, первый вход которого соединен с выходом компаратора 5 второй вход - с общей щиной устройства, первый выход - с неинвертирующим вторым входом интегратор, второй выход - с неинвертирующим вторым входом компаратора 5.

Интегратор выполнен на операционном усилителе, инвертирующий вход которого соединен с выходом через конденсатор и является инвертирующим входом интегратора, а неинвертирующий вход - неинвертирующим входом интегратора. В качестве компаратора 4 и 5 применены операционные усилители. Ключ 13 выполнен любым известным образом так, что он замкнут при положительном и разомкнут при отрицательном напряжениях на входе управления с уровнями, соответствующими выходным логическим 3 уровням компаратора 4. В делителе 6 резисторы 7 и 8 имеют одинаковые номинальные сопротивления , которые во,много раз (например более, чем 50) меньше сопротивления резистора 3. Двухполюсник 9 имеет зону нечувствительности с границами, которые по абсолютной величине меньше в 2-3 раза выходных напряжений компараторов 4 и 5, но больше максимально возможной разности их абсолютных значений. Например, при использовании в качестве компараторов 4 и 5 микросхем операционных усилителей с абсолютными величинами напряжений выходных логических уровней в пределах .12-14,5 В приг номинальных напряжениях питания +15 Ей использовании в делителе 6 резисторов с пятипроцентрсыми допускаемыми отклонениями сопротивлений от номинальных значений может быть использован двуханодный стабилитрон с номинальными напряжениями стабилизации ±6,2 В. Делитель 16 выполнен в виде соед ненных последовательно резисторов 17-Г9, сопротивления которых выбраны такими, что напряжение относител но общей шины 12, получаемое путем деления им выходного напряжения компаратора 5, на втором выходе пре вышает по абсолютной величине каждое из напряжений питания компаратора 5, деленное н.а коэффициент уси ления примененного в качестве компаратора 5 операционного усилителя но составляет пренебрежимо малую часть от верхнего предела изменения входного напряжения преобразователя на шине 2 и равно + (2-31 мВ, а на первом выходе превьш1ает по абсолютной величине напряжение на втором выходе по крайней мере на сумму абсолютных значений максимально возмо ных напряжений смещения нуля интегратора 1 и компаратора 5. Устройство работает следующим образом. I Будем использовать следующие усл ные обозначения: X - напряжение внешнего аналого го сигнала на входной шике У - напряжение на выходе интегратора 1; U; и и - напряжения на выходах компараторов 4 и 5; 224 С - емкость конденсатора отрицательной обратной связи ин, тегратора I; Ug, - напряжение на выходе источника 10; Un - напряжение на выходе делиа л , теля 6; UQ и UQ я л -напряжения на первом . -S-V. TJi-t и втором выходах делителя 16 соответственно; 1 и К - напряжения смещения нуля интегратора 1 и компаратора 5 соответственно; Q и Q - логические сигналы на выходных шинах 14 и 15 соответственно;ij - ток через двухполюсник 9 в сторону интегратора 1. Другие условные обозначения вводятся по ходу описания. На шину 2 от внешнего источника . поступает аналоговый сигнал X напряжения постоянного тока с симметричным относительно нуля напряжения на шине 12 верхним и нижним пределами изменения, например сигнал плюс 10-0- минус 10 В. Если напряжение У находится в пределах линейной части выходной характеристики интсгратора I, что всегда имеет место, то напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах интегратора I отличаются не более чем на небольшую величину 1 напряжения смещения нуля интегратора I. При указанном симметричном питании компараторов 4 и 5 . установившиеся значения U, V, Uд и У напряжений V и U имеют приблизительно одинаковую абсолютную величину Е, близкую к абсолютной величине напряжений питания. На неинвертирующий вход интегратора 1 с делителя 16 поступает напряжение оЧЛ приблизительно равное . V- V-iV ), где К , - коэффициент передачи де лителя 16 по первому выходу; Зап.()(-6) величина, принимающая значение плюс 1 при (Х-1) 0 и значение минус i при (Х-1.п).0. Из вышеизложенного следует, что OK i uj( , поступающий на инвертируюий вход интегратора I с шины 2 чеез резистор 3, равен V-t- Uqii, где R. - сопротивление резистора 3. При указанном выборе сопротивлен резисторов делителя 16 U/jo.-f по абсолютной величине всегда больше, чем 1 , так что знак алгебраической суммы второго и третьего слагаемых в числителе правой части выражения (2) противоположен знаку разности в личины (X-lj), а абсолютная величина упомянутой суммы пренебрежимо ма ла по сравнению с верхним пределом изменения сигнала X. Величина тока 1з зависит от выходных логических состояний компараторов 4 и 5, т.е. от логических сигналов Q и Q . При противоположных знаках установившихся значений налря;:сений и .и и напряжение U..,/, находится в зоне нечувствительности двухполюсника 9, при этом . В этих случаях входной ток интегратора 1, если пренебречь небольшим собственным входным током, определяется выражением (2), в процессе интегрирования которого напряжение У изменяетс со скоростью Уд, определяемой выражениемПри совпадающих знаках установив шихся значений напряжений U и Uj к двухполюснику 9 через выходное со противление делителя 6 приложено напряжение с абсолютной величиной, приблизительно равной Е, Которая зн чительно превышает порог открывания двухполюсника 9, вследствие чего на инвертирующий вход интегратора 1 поступает ток i, направление которогр опдеделяется знаком напряжений iU/i и , а абсолютная величина определяется выражением .UQ. 2 Rh где -порог открывания двухполюсника 9; Ro -сопротивление резисторо 7 и 8. В этих случаях при указанном вы боре значений . RO ток i- по абсолютной величине на два порядка больше максимально возможной.величи ны тока , соответствующей верх2нему пределу изменения напряжения X, при этом наппяжеьше У и.зменяется со скоростью (/. , определяемой приближенным выражением Из вышеизложенного следует, что /Uj/ /и,/. Работа преобразователя в режиме большого (по сравнению с напряжением и д.у) сигнала X поясняется с помощью фиг.2, на которой приведены временные диаграммы электрических сигналов X, Ьл, U , i, Y. Хотя сигнал X является аналоговым сигналом, т.е. может произвольно изменяться во времени, для упрощения диаграмм напряжение X до момента времени t/ . принято равным плюс 10 В, в интервале времени от t до t,- плюс 5В, после момента времени t минус 10 В. При , а Uy) в различ-ные моменты времени может разные знаки. Если, как пока;:ано в начальный момент времени, U О ,то tg 0 и У уменьшается со скоробтью, абсолютная величина которой в соответствии с выражениями (2) и (3) приблизительно прямо пропорциональна напряжению X. Ключ 13 при этом открыт, вследствие чего напряжение на инвертирующем входе компаратора 4 имеет первое значение, близкое к нулю. При достижении в момент времени напряжением У указанного первого значения U принимает отрицательное значение U , вследствие чего ключ 13 закрывается, напряжение на инвертирующем входе компаратора 4 принимает второе значение, близкое к и QP , возникает отрицательный ток 2. 12 и напряжение У быстро увеличивается со скоростью U (на диаграммах фиг.2 для повышения наглядности скорости изменения напряжения У в интервалах времени, когда , значительно уменьшены по сравнению с их действительными значениями. При достижения в момент времени -L, напряжением У упомянутого второго значения U снова принимает положительное значение U , вследствие, чего ключ 13 открывается, а ток Ij становится равным нулю, и напряжение У снова.уменьшается со скоростью, определяемой величиной напряжения X, до момента времени tj , когда оно снова достигает первого упомянутого значения. Дале описанные процессы периодически повторяются, при этом преобразователь формирует на шине 14 последов тельность импульсов выходного логического сигнала Q Период Т следования импульсов р вен сумНе первой и второй частей и t , определяемых приближенны выражениями При уменьшении в момент времени t напряжения X в два раза пропорционально увеличиваются первые час ти периода, тогда как вторые части сохраняются неизменными. При X 0 (после момента времени t g ) Vrt 0, при этом преобразователь работает аналогично описанному вьпие за исключением того, что при Совпадающих (положительных) знаках напряжение-U и , ток ig принимает положительное направление, также противоположное направлению тока i . Частота f следования импульсов обратна периоду Т. . Из зависимостей следует: ). ( Так как i )j зависит , то н личие в выражении (8) последнегс сомножителя свидетельствует о нали определённой нелинейности зависимо ти i от X, которая, однако, может быть снижена до практически приемл мой , например до 0,5%, пу тем выбора надлежащего соотношения между сопротивлениями R и R . Нали ие в выражении(8) постоянных слагаемых -1л и Ufl. свидетельствует о наличии некоторой составляющей погрешности преобразова ния напряжения X в частоту, однако ее приведенная величина к верхнему пределу изменения напряжения X при достаточно большом значении этого предела, небольших свойственных интегральным микросхемам операционных усилителей значениях 1| и Ц и указанном выборе коэффициентов передачи делителя 16 находится в приемлемых пределах для многих, областей применения преобразователя, например при входном сигнале X минус 10-0 ±10 В, применении операционных усилителей типа К553УД2 и величине ± 20 мВ указанная составляющая приведенной погрешности не превышает ± 0,3%, Более высокая точность преобразователя может быть достигнута i путем балансировки интегратора 1 и компаратора 5 с помощью известных устройств балансировки и соответствующего уменьшения величины К.Л Триггерная характеристика переключ ний компаратора 5 , достигаемая за ;чёт подключения его неинвертирующегс входа к второму выходу делителя 16, обеспечивает крутые фронты логического сигнала Q,i знака на шине 15. В тех случаях, когда к преобразователю не предъявляются жесткие требования в отношении длительностей фронтов сигнала О/г , резистор 19 может быть исключен и заменен пере ычкoй. Введение в преобразователь делителя 16 при надлежащем выборе его коэффициента передачи обеспечивает описанное действие при любых знйчениях напряжения X, в том числе находящихся между значениями-1 и IA, т.е. преобразователь не имеет зоны нечувствительности к входному нагфяжению, причем выходное напряжение интегратора всегда остается в пределах приблизительно от нуля до опорного значения напряжения, т.е. в допустимых пределах для входа ком-. паратора 4.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ по авт. св.№ 930663, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введен второй последовательный резистивный делитель, первый вход которого соединен с выходом второго компаратора, второй вход - с общей шиной устройства, первый выход - с вторым входом интегратора, второй выход - с вторый входом второго компаратора,