Калибратор напряжения Советский патент 1985 года по МПК G05F1/44 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к калибраторам переменного напряжения, и может быть использовано при построении информационно-измерительных систем и систем автоматического контроля и управления.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей калибратора напряжения.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого калибратора напряжения; на фиг. 2 - преобразователь кода во временной интервал; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Калибратор напряжения coдepжиt источник 1 опорного напряжения, выходом через последовательно соединенные первый ключ 2 и первый резистор 3 подключенный к инвертирующему входу операционного усилителя 4, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход - через второй ключ 5 и повторитель 6 напряжения подключен к выходной клемме 7 устройства, цепь обратной связи, выполненную в виде последовательно соединенных второго резистора 8 и третьего ключа 9, включенную между инвертирующим входом операционного усилителя 4 и .выходной клеммой 7, интегрирующие конденсаторы 10, одним из выводов соединенные вместе и подключенные к инвертирующему входу операционного усилителя 4, а другими выводами через первый коммутатор 11 подключенные к выходу операционного усилителя 4, запоминающие конденсаторы 12, одним из выводов соединенные вместе и подключенные к входу повторителя 6 напряжения, а другими выводами через второй коммутатор 13 подключенные к общей щине, а также преобразователь 14 кода во временной интервал, первым входом подключенный к выходу генератора 15 опорной частоты, вторым входом - к выходу блока 16 памяти, а первым, вторым и третьим выходами - к управляющим входам ключей 2,5 и 9 соответственно, счетчик 17 импульсов, вход которого соединен с вторым выходом преобразователя 14, а выход - с входом дешифратора 18, выходами подключенного, к управляющим входам коммутаторов 11 и 13, и с -первым входом блока 16 памяти, второй вход которого подсоединен к клемме 19 для подключения источника управляющего сигнала.

Преобразователь 14 кода во временной интервал (фиг. 2) содержит счетчик 20 импульсов, схемы 21 и 22 сравнения кодов, дещифратор 23, триггеры 24 и 25, а также элемент И 26.

Калибратор напряжения работает циклично. В каждом цикле происходит формирование отдельных ступенек выходного кусочно-ступенчатого аппроксимированного сигнала калибратора {фиг. За). Длительность циклов, определяемая длительностью

отдельных участков аппроксимации формируемого сигнала, задается импульсами цикла (фиг. Зг), которые формируются преобразователем 14 кода во временной интервал.

Импульсы цикла с второго выхода преобразователя 14 подаются на управляющий вход ключа 5, а также на счетный вход счетчика 17 импульсов и по заднему фронту изменяют его состояние. Счетчик 17 подсчитывает циклы и выходным кодом осуществляет последовательную адресацию ячеек памяти блока 16, а также через дешифратор 18 управляет коммутаторами 11 и 13, с помощью которых происходит поочередное подключение интегрирующих 10 и запоминающих 12 конденсаторов к выходу операционного усилителя 4 и к общей щине соответственно.

В блок 16 памяти, представляющий собой оперативное, постоянное либо перепрограммируемое постоянное запоминающее

0 устройство, предварительно занесен набор кодов, .задающих значения ординат и длительностей отдельных ступенек кусочноступенчатого аппроксимированного сигнала, формируемого на выходе калибратора. Запись информации в ячейки памяти блока 16 производится по его входу записи (при использовании постоянных запоминающих устройств этот вход отсутствует, а информация о форме сигнала, т.е. «защита хранится в нем постоянно), подключенному к

клемме 19, от внешнего источника управляющего сигнала например, программным путем. При подключении запоминающих конденсаторов 12 к общей щине напряжение, запомненное на них, последовательно считывается и через повторитель 6 напряжения, имеющий высокое входное сопротивление, поступает на выходную клемму 7 калибратора, где периодически повторяющимися циклами происходит развертка формируемого на выходе калибратора переменного

0 напряжения (фиг. За). При задании адреса ячеек памяти блока 16 коды установки ординат и длительностей отдельных ступенек, определяющие мгновенные значения формируемого на выходе калибратора переменного напряжения, последовательно считьша ются, поступают на первый вход преобразователя 14 кода во временной интервал, на второй вход которого подаются тактовые импульсы опорной частоты, и преобразуются в пропорциональные этим кодам интерQ валы времени. Интервалы времени Т ToN (фиг. 36), формируемые на первом выходе преобразователя 14 в виде импульсов управления ключом 2, пропорциональны кодам Ni установки значений ординат кусочно-ступенчатой аппроксимированной кривой, где

5 TO - период следования импульсов опорной частоты; i - номер аппроксимирующей ступеньки, и задают длительность импульсов выборок опорного эталонного напряжения

источника 1, формируемых при помо1ци ключа 2. Интервалы времени Tf ToN между короткими по длительности импульсами цикла (фиг. Зг), формируемые на втором выходе преобразователя 14, задают длительность отдельных ступенек аппроксимированной кривой, где Ni - код установки длительности ступенек. На третьем выходе преобразователя 14 синхронно с Те формируются импульсы управления ключом 9 постоянной длительности Т То No, где No - некоторое постоянное число, которые задают длительность импульсов выборок выходного напряжения калибратора, образующих сигнал обратной связи (фиг. Зв) с выхода калибратора. Импульсы выборок опорного эталонного напряжения, имеющие заданную вольт-секундную площадь, а также импульсы выборок выходного напряжения калибратора через резисторы 3 и 8 соответственно подаются на инвертирующий вход операционного усилителя 4, в цепь обратной связи которого включен один из интегрирующих конденсаторов 10. Причем при формировании i-й ступеньки выходного сигналакалибратора, когда происходит считывание напряжения с i-ro запоминающего конденсатора 12, в цепь обратной связи усилителя 4 с помощью коммутатора 11 включается i-й интегрирующий конденсатор 10, а интервалы времени управления ключами 2 и 5 соответственно равны Ti и Т. Сигналы выборок опорного и выходного напряжений калибратора интегрируются на i-м конденсаторе 10, причем изменение напряжения на конденсаторе 10 под действием этих сигналов, имеющих разную полярность, противоположны по знаку. В результате на i-м интегрирующем конденсаторе 10 происходит сравнение вольт-секундных площадей импульсов выборок опорного и выходного напряжений калибратора, формируется корректирующая поправка, пропорциональная разности вольт-секундных площадей этих выборок, и вводится в результат интегрирования разностного сигнала, образованного выборками опорного и выходного напряжений при формировании i-й его аппроксимирующей ступеньки за предыдущие периоды развертки выходного сигнала калибратора. Скорректированное по значению напряжение, образованное на i-м интегрирующем конденсаторе 10, по окончании i-й ступеньки выходного сигнала с приводом на управляющий вход ключа 5 короткого ло длительности импульса цикла (фиг. Зг) переписывается на i-й конденсатор 12 и запоминается, после чего состояние счетчика 17 импульсов изменяется, i-й конденсатор 12 отключается от общей щины и происходит формирование следующей ступеньки выходного сигнала. Скорректированное по значению напряжение запоминается на i-м конденсаторе 12 на время, равное длительности одного периода развертки Т формируемого на выходе калибратора сигнала, и в следующем периоде с началом формирования соответствующий этому напряжению i-й ступеньки

5 считывается и через повторитель 6 напряжения подается на выходную клемму 7, где и происходит отработка сформированной в предыдущем периоде корректирующей поправки, а на i-M участке выходного сигнала калибратора при этом устанавливается более точное по значению напряжение.

Таким образом, формирование корректирующей поправки и ее отработка происходят при формировании одной и той же ступеньки выходного сигнала калибратора.

5 Причем формирование поправки происходит в одном периоде развертки выходного сигнала, а ее отработка - в следующем. При этом конечное время, с которым происходит установление выходного напряжения калибратора, (в отличие от известных

0 устройств) не влияет на точность обработки отдельных мгновенных значений формируемого на выходе калибратора переменного напряжения на каждом участке его аппроксимации.

5п

Процесс установления выходного напряжения калибратора носит итерационный характер и осуществляется за несколько периодов развертки формируемого переменного напряжения. Через m периодов мгновенные 0 значения выходного напряжения калибратора становятся равными

ТГ г- j-itn

J- -|T-S Qi +UniQT,(1)

I-i M

где EO -значение опорного эталонного на5пряжения источника 1;

i - номер участка аппроксимации формируемого сигнала (i 1, 2, 3,...,

п);

UHI - начальное напряжение на i-м конденсаторе 10 перед началом первого периода развертки формируемого сигнала;

j -номер периода развертки (j 1,2, 3,...,гп);

5Qi

R, Rj - сопротивления резисторов 3 и 8

соответственно;

Ci - емкость i-ro конденсатора 10. Выражение (1) представляет собой сумд му m членов геометрической прогрессии, сходящейся при условии IQil, при этом же условии член UniQi убывает. В установивщемся режиме при достаточно больщом m происходит уравновещивание вольтсекундных площадей и.мпульсов выборок 5 опорного и выходного напряжений калибратора, сигнал поправки при этом стремитмя к нулю, а мгновенные значения формируемого на выходе калибратора переменного напряжения на каждом участке его аппроксимации устанавливаются равными

F si Iz Ел

1-0 грп м п..

Т в

No HI

т.е. определяются отношением двух заданных кодом временных интервалов и не зависят от нестабильности коэффициента передачи цепи, образованной блоками 4, 5, 6, 10, 11, 12 и 13 охваченной обратной связью по мгновенным значениям сформированного на выходе калибратора переменного напряжения в моменты взятия выборок из этого напряжения.

При поочередном интегрировании импульсов выборок опорного и выходного напряжений калибратора, что приводит к увеличению минимальной длительности отдельных участков аппроксимации формируемого сигнала, возможно Г1рименение одного неточного хронирующего резистора (вместо двух точных 3 и 8), а мгновенные значения формируемого на выходе калибратора переменного напряжения равны

т I р Ti р Ni Ut Ьо 1 - Ьо щ,

т.е. определяются только отношением двух временных интервалов, умноженным на значение опорного эталонного напряжения.

Преобразователь 14 кода во временной интервал (фиг. 2) работает следующим образом.

Тактовые импульсы опорной частоты с выхода генератора 15 опорной частоты поступают на счетный вход счетчика 20 импульсов а также на один из входов элемента И 26. С началом каждого цикла преобразования код счетчика 20 сбрасывается и в него записывается единица, а триггеры 24 и 25 устанавливаются в единичное состояние. Код счетчика 20, подсчитывающего в течение каждого цикла тактовые импульсы генератора 15, изменяется и поступает на первые группы входов схем 21 и 22 сравнения кодов. На вторые группы входов которых подаются соответственно код Ы установки

ординаты и код установки длительности формируемой в данном цикле ступеньки выходного сигнала калибратора, считанные с блока 16 памяти. При превыщении кодом счетчика 20 N, т.е. с приводом

N{ тактовых импульсов на счетный вход счетчика 20, срабатывает схема 22 сравнения кодов и устанавливает в нулевое состояние триггер 25. Сравнение кодов схемой 22 происходит по принципу «больще. При превыщении кодом счетчика 20 Nj, где NO -

некоторое постоянное число, срабатывает дещифратор 23 и устанавливает в нулевое состояние триггер 24. При этом на выходах триггеров 25 и 24 формируются интервалы времени соответственно Tj- ToNj и Т То NO, служащие для управления ключами 9 и 2. С приводом на счетный вход счетчика 20 N - 1 тактовых импульсов код числа, записанного в счетчике 20, становится равным N{. При этом срабатывает схема 21 сравнения кодов, устанавливающая равенство кодов, и разрещает прохождение через элемент И 26 Nt -го тактового импульса с генератора 15, который поступает на входы установки в состояние «1 триггеров 24 и 25, а также на вход предустановки счетчика 20 импульсов и устанавливает их в исходное

состояние. При этом код счетчика 20 сбрасывается, в него записывается единица, а на выходе схемы 21 сравнения кодов формируется короткий по длительности (То) импульс конца цикла, который поступает на управляющий вход ключа 5, а также на

счетный вход счетчика 17 и своим задним фронтом задает длительность формируемой в данном цикле ступеньки выходного сигнала калибратора. Далее начинается следующий цикл преобразования.

Т - кЗ

От 15 So

IH

.КАЛИБРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий источник опорного напряжения, выходом через последовательно соединенные первый ключ и первый резистор подключенный к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей щиной, а выход через второй ключ и последовательно соединенный с ним повторитель напряжения подключен к выходной клемме, последовательно соединенные третий ключ и второй резистор, включенные между выходной клеммой и инвертирующим входом операционного усилителя, интегрирующий конденсатор, одним из выводов подключенный к инвертирующему входу операционного усилителя, запоминающий конденсатор, одним из выводов подключенный к входу повторителя напряжения, счетчик импульсов, а также преобразователь кода во временной интервал, один из входов которого соединен с выходом генератора опорной частоты, а первый, второй и третий выходы подключены к управляющим входам первого, второго и третьего ключей, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей калибратора напряжения, в него введены два коммутатора, блок памяти, дешифратор, а также N дополнительных интегрирующих конденсаторов, одним из выводов соединенных вместе и подключенных к инвертирующему входу операционного усилителя, и N дополнительных запоминающих конденсаторов, одним из выводов подключенных к входу повторителя напряжения, причем другие выводы каждого из интегрирую(Л щих конденсаторов через первый коммутатор подключены к выходу операционного усилителя, другие выводы каждого из запоминающих конденсаторов через второй коммутатор подключены к общей шине, управляющие входы обоих коммутаторов через дешифратор подключены к выходу счетчика импульсов, соединенного с первым входом со блока памяти, второй вход которого подсоединен к клемме для подключения источника управляющего сигнала, а выход подключен сх Х) к другому входу преобразователя кода во временной интервал, вторым выходом соедиto ненного с входом счетчика импульсов.

L.

Orn16 Nynp

.J7

Фиг. 2

ЧоЧо

Чч.

Ч

-

/

кГ

к

to

к

ь

vj

JC

к

-«L

fV3