Измерительный преобразователь напряжения в частоту Советский патент 1986 года по МПК H03M1/50 

f

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах в качестве В1усокоточного измерительного преобразователя напряжения в частоту.

Целью изобретения является упрощение устройства и повышение надежности его работы путем введения простой схемввй реализации цепи разряда интегратора, обеспечивающей требуемую точность преобразования. При этом вследствие применения сглаживающего фильтра устраняются сбои работы устройства из-за воздействия различных помех.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие работу устрой с тва.

Устройство содержит источник 1 стабильного напряжения, интегратор 2, подключенный к входной шине 3 устройства и выполненный; например, на усилителе 4 с входным резисто ром R и конденсатором 5 в цепи обрат|Ной связи, триггер Шмитта 6, счетный триггер 7, конденсаторы 8 и 9, ключи 10 и 11 и сглаживающий фильтр 12. Выход интегратора соединен с входом триггера Шмитта 6, к выходу которого подключён счетный вход триггера 7.- Конденсаторы 8 и- 9 соединены последовательно один с другим и включены между выходом источника 1 опорного напряжения и суммирующей точкой интегратора. Параллельно конденсаторам 8 и 9 включены ключи 10 и 1, управляющие входы которых подключены к разноименным выходам счетного триггера 7. К выходу триггера Ымитта 6 подключен вход сглаживающего фильтра 12, выход которого соединен с установочными входами триггера 7. Выходное напряжение устройства, представляющее собой симметричные прямоугольные импульсы типа Меандр, образуется на

.выходах триггеров 7, один из которых подключен к выходной шине 13 устрой ства.

На фиг. 2 использованы следующие обозначения: - входное напряжение; Upyj - выходное напряжение; 1} т выходное напряжение интеграто- ра 2; - выходное напряжение фильтра 12; Ij - входной ток; 1 - ток заряда конденсаторов 8 и 9.

672

Устройство работает следующим образом.

Входное напряжение U| интегрируется интегратором 2, и Р.ГО вьЬсодное напряжение вследствие этого нарастает. Когда оно достигает первого (более высокогр) уровня срабатывания триггера Шмитта 6, последний переключается в единичное состояние и возникающий при этом на его инверсном выходе. Q отрицательный перепад переключает счетный триггер 7 в про- тивоположйое, например нулевое, положение. Это приводит к размыканию клю- ча 10 и замыканию ключа 11, разряжающего конденсатор 9, и конденсатор 8 заряжается от источника стабильного напряжения и, через ключ 11 .

Поскольку напряжения Ugj и UQ яв- ляются разнополярными, ток заряда Ь конденсатора проходит через входную цепь интегратора в направлении, противоположном направлению входного тока Ig , создаваемого напряжением Ugjj , вызывая разряд конденсатора 5 интегратора, что приводит к уменьшению его выходного напряжения. Когда оно достигает второго (более низкого) уровня срабатывания Оср триг- гера Шмитта 6 ( ) , послед НИИ возвращается в исходное (нулевое) состояние, переключения счетного триггера 7 при этом не происходит. После того, как убывающий ток заря:- да конденсатора 8 достигает значения входного тока Ig , выходное напряжение интегратора вновь начинает нарастать, и когда оно достигает значения Ucp, триггер Шмитта 6 снова переключается в единичное состояние. Это приводит к переключению триггера 7 во второе устойчивое (единичное) состояние, что вызывает Замыкание ключа 10 и размыкание клю- ча 11. Через замкнувшийся ключ 10 происходит разряд конденсатора 8 и заряд, конденсатора 9 от источни- ка УОМ. ТОК заряда 1, проходя через входную цепь интегратора, вызы- вает уменьшение его выходного напря- жения; когда оно достигает значения Uj.p триггер Шмитта 6 вновь переключается в нулевое состояние, не вызывая переключения счетного тригге- ра 7.

По мере заряда конденсатора 9 ток заряда Ij уменьшается, и когда он становится равным входному току

Ij, выходное напряжение интегратора начинает снова нарастать. Когда оно достигает значения Vfp , триггер Шмитта 6 вновь переключается в единичное состояние, вызывая переключение счетного триггера 7. В далЬ иейшем цикл работы устройства повторяется .

Применение в качестве порогового устройства триггера Шмитта, имеющего гистереэисную характеристику, вместо обычного компаратора позволяет устранить ложные срабатывания счетного триггера 7, происходящие вследствие возникновения высокочастотных затухающих колебаний небольшой амплитуды на выходе интегратора 2 в момент переключения ключей 10 и 11. Посколь ку амплитуда колебаний значительно меньше зоны нечувствительности - UCP триггера 111митта, дополнительных переключений триггеров 6 и 7 они не вызывают.,

При нормальной работе устройства процесс заряда конденсаторов 8 и 9, происходящий через малое сопротивление замкнутого ключа 10 или 11, завершается быстро, так что большую часть времени триггер Шмитта 6, как видно из фиг. 2, находится в нулевом положении. Вследствие этого на выходе сглаживающего фильтра 12, подключенного к инверсному выходу триггера Шмитта, устанавливается высокое напряжение , соответствующее логической 1 (фиг. 2). Это напряжение подается на установочные входы R- и S-триггера 7,не оказывая влияния на работу последнего. Если однако, например, в результате воздействия помех очередное переключение триггера 7 не происходит, состояние ключей после перехода триггера Шмитта 6 в единичное состояние не изменяется, заряд соответствующего конденсатора также не происходит и выходное напряжение интегратора продолжает нарастать и после достижения значения Ucp . В результате на выходе интегратора устанавливается максимально возможное положительное напряжение и генерация в схеме прекращается.

Устранение такого нерабочего режима осуществляется с помощью сглаживающего фильтра 12. Поскольку в случае возникновения нерабочего режима на выходе интегратора дей218467

ствует максимально возможное положительное напряжение, на инверсном выходе триггера Шмитта в этом режиме действует постоянное напряжение

5 низкого уровня, соответствующее логическому О. На выходе фильтра 12 также устанавливается напряжение Uq,, соответствующее логическому О. Поскольку это напряжение

10 подается на установочные входы R- и S-триггера 7, на обоих выходах триггера устанавливаются единичные потенциалы, вызывающие одновременное замыкание обоих ключей 10 и 11. ЧеfS рез замкнутые ключи во входную цепь интегратора от источника 1 опорного напряжения поступает большой ток, значительно превосходящий входной, что приводит к быстрому уменьшению

20 выходного напряжения интегратора. Когда последнее становится меньше значения ,, , триггер Шмитта переключается в нулевое положение, на его инверсном выходе, а значит, и

25 на входе фильтра 12 устанавливается высокий потенциал, соответствующий логической 1, и после окончания- переходных процессов в фильтре 12 на выходе фильтра, а следовательно,

30 и на входах R- и S-триггера 7 также устанавливается напряжение , соответствующее логической 1. В результате триггер 7 переходит в одно из двух устойчивых положений, например в единичное, соответствующий ключ, (в данном случае ключ 11) размыкается и соответствующий конденсатор (в данном случае конденсатор 9) заряжается . После окончания заряда

g выходное напряжение интегратора под действием входного тока нарастает и достигает уровня U(.p, , вызывая переключение триггера Шмитта в единичное положение. При этом происходит переключение триггера 7 по счетному входу и нормальная работа схемы возобновляется.

Для определения частоты выходного напряжения устройства учтем, что I

5Q количество электричества Q , получаемое конденсатором 5 интегратора в течение полупериода Т/2 выходного напряжения и , равно количеству электричества Q, теряемому конденJJ сатором 5 в результате заряда конденсаторов 8 или 9, имеющих емкость CQ, от нулевого напряжения, до которого конденсатор разрядился в предьщу35

45

щий полупериод через замкнутый ключ, до напряжения ,.

Заряды Q и QJ равны соответствен- ио

Q -|--f; ,u

R 2 где Т - период выходного напряжения.

Приравнивая Q и Q, находим частоту напряжения UBJ,,

f T 2R fu;:Следовательно, частота f прямо пропорциональна напряжению Ug , обратно пропорциональна значениям R, GO и UQ и не зависит от. нестабильных параметров ключей.

В рассмотренной схеме напряжение Ug имеет отрицательную полярность, а напряжение Uo - положительную. К концу каждого подупериода напряжение на выходе интегратора достигает, как видно из фиг. 2, наибольшего значения, равного , и .происходит переключение триггера Шмитта в единичное положение. В случае, если полярность Ugjj положительна, полярность UQJ должна быть отрицательной, при этом напряжение на выходе интегратора к концу каждого полупериода достигает наименьшего значения, равного .Utp , и происходит переключение триггера Шмитта в нулевое положение. Следовательно, в этом случае большую часть полупериода триггер Шмитта находится в единичном положении, на его прямом выходе Q действует высокий потенциал и вход фильтра 12 вместе со счетным входом триггера 7 должны подключаться не к ин- версному (Q), а к прямому (Q) выходу триггера Шмитта 6.

Схема отличается высокой точностью и простотой, все ее узлы выполняются на основе серийно выпускаемых микросхем. Например, в качестве триггера 6 можао применить микросхему К155ТЛ1; в качестве триггера 7 - микросхему К155ТВ1о Фильтр 12 представляет собой простейший однозвенньй пассивный С-фильтр. Блок импульсной обратной связи состоит из двух ключей и двух конденсаторов; в качеств.е ключей могут быть использованы, например, два из четырех клю вй микросхемы К590КН1 , имеющих «встроенные схемы управления.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь

напряжения в частоту, содержащий

источник стабильного напряжения и интегратор, вход которого подключен .к входной шине устройства, отличающийся тем, что, с целью

упрощения устройства и повышения надежности, в него уведены триггер Шмитта, счетный триггер, два конденсатора, два ключа и сглаживающий фильтр, включенный между выходом

триггера Шмитта и установочными входами счетного триггера, конденсаторы соединены последовательно и включены между источником стабильного напряжения и суммирующей точкой

интегратора, выход которого соединен с В5СОДОМ триггера Шмитта, каждый из ключей подключен параллельно соответствующему конденсатору, а управляющие входы ключей соединены

с соответствующими выходами счетного триггера, один из выходов которого подключен к выходной шине устройства.

Фиг I

Изобретение может быть использовано в информационно-измерительных системах. Цель изобретения упрощение устройства и повышение надежности его работы. Устройство содержит интегратор 2, подключенный к входной шине 3 и содержащий усилитель 4 с входным резистором R и конденсатором 5 в цепи обратной связи. В устройство введен триггер Шмит- та 6, счетный триггер 7, конденсаторы 8 и 9, ключи 10 и 11, сглаживающий -фильтр 12 и источник стабиль - ного напряжения 1. Введение простой схемной реализации цепи разряда интегратора обеспечивает требуемую точность преобразования. Использование сглаживающего фильтра позволяет устранить сбои работы устройства, возникаю1цие вследствие различных помех. 2 ил. f/Afx Фиг. 1