Источник калиброванных напряжений Советский патент 1987 года по МПК G05F1/44 

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

Цель изобретения - повышение точности воспроизведения заданной формы кривой выходного напряжения источника, а также расширение функциональных возможностей источника.

На фиг.1 представлена структурная схема источника калиброванных напряжений; на фиг.2 - пример построения преобразователя кода во временные интервалы; на фиг.3 - пример построения нелинейного элемента; на фиг.4- временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Источник калиброванных напряжений содержит источник 1 опорных напряжений, первый и второй выходы которого соответственно через первый 2 и второй 3 ключи соединены вместе и затем через первый резистор 4 подключены к инвертирующему входу операционного усилителя 5, неинвертирутощий вход которого соединен с общей шиной а выход через последовательно соединенные третий ключ 6, первый повторитель 7 напряжения, второй резистор 8, интегратор 9 и нелинейный элемент 10 подключен к выходной клемме 11, цепь обратной связи, выполненную в виде последовательно соединенного третьего резистора 12 и четвертого ключа 13, включенную между инвертирующим входом операционного усилителя 5 и выходной клеммой 11, N интегрирующих конденсаторов 14, одними из выводов соединенных вместе и подключенных к инвертирующему входу операционного усилителя 5, а другими выводами через первый коммутатор 15- к выходу операционного усилителя 5, N запоминающих конденсаторов 16,одними из выводов соединенных вместе и подключенных к входу первого повторителя напряжения 7, а другими выводами через второй коммутатор 17 - к общей шине, второй повторитель . напряжения 18, входом через пятый ключ 19 подключенный к выходу интегратора 9, а выходом через четвертый резистор 20 - к входу интегратора 9, (N + 1)-й запоминающий конденсатор/ 21, включенный между общей щиной и

0

5

5 ЗО

входом повторителя 18 няпряжения, преобразователь 22 кода по временные интервалы, первым входом соединенный с выходом блока 23 памяти, вторым входом - с выходом генератора 24 опорной частоты, а первым,вторым, третьим, четв ер тьсм и пятым выхо- дами - с, утгравляющими пходами ключей 2, 3, 6, 13 и 19 соответственно, счетчик импульсов 25, входом подключенный к третьему выходу преобразователя 22 кода во временные интервалы, а выходом - к управляющим входам ком- мутаторов 16 и 17 и к первому входу блока 23 памяти, второй вход которого подключен к .клемме 26 для подключения источника управляющих сигналов.

Источник 1 опорных напряжений выполнен двухполярным и содержит опорные элементы 27 и 28, служащие для получения опорных эталонных напряже- |ний соответственно положительной и 1отрицательной полярности.

Преобразователь 22 кода во временные интервалы (фиг.2) содержит счетчики импульсов 29 - 31, дешифраторы 32 и 33,одновибратор 34,триггеры 35- 39, схему ИЖ 40, инвертор 41, схемы И 42 и 43.

Нелинейный элемент 10 (фиг.З) содержит согласованную пару биполярны.х транзисторов 44 и 45, включенных диф- .ференциально, источник 4б тока, операционный усилитель 47, резисторы 48- 35 51 и реализует нелинейную функцию преобразования в виде функции гиперболического тангенса.

0

Блок 23 памяти выполнен в виде оперативного запоминающего устройства, или в виде электрически программируемого или репрограммируемого постоянного запоминающего устройства, в которое предварительно заносится набор кодов установки узловых ординат кусочно-нелинейно аппроксимированной кривой, формируемой на выходе источника, а также коды установки длительности отдельных участков аппроксимации формируемой кривой. В случае использования постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) код управления, подаваемый на клемму 26 от внешнего источника управляющих сигналов, выбирает область памягк ПЗУ. Цикличное считывание информации с выбранным входным кодом управления области памяти ПЗУ происходит кодом счетчика 25 тактов.

Генератор 24 опорной частоты выполнен с кварцевой стабилизацией частоты выходного сигнала.

Источник калиброванных напряжений работает следующим образом.

тервалы времени Т между короткими по длительности импульсами управления ключами 6 и 19 Сфиг.4 д, е) равны между собой Т ,гле N - 5 код установки длительности отдельных участков аппроксимации формируемой кривой, и задают длительность тактов, а также длительность отдельных участков аппроксимации формируемой кривой. Интервалы времени Т , где некоторое постоянное число, задают длительность импульсов выборок выходного напряжения источника ключом 13. Импульсы выбо 0

Счетчик 25 подсчитывает импульсы тактов, формируемые преобразователем 22 кода во временные интервалы, и своим кодом последовательно задает адреса ячеек памяти блока 23 памяти, а также управляет коммутаторами 15 и 17. Длительность тактов определяется длительностью отдельных участков аппроксимации, форйируемой источ-J5 рок (фиг. 4,г) образуют сигнал об- ником кривой (фиг.4,а). Коммутаторы ратной связи с выхода источника.Стро15 и 17 периодически повторяющимися циклами осуществляют последовательное включение в цепь обратной связи операционного усилителя 5 интегрирующих 20 конденсаторов 14, а также подключение к общей шине запоминающих конденсаторов 16 соответственно. Причем в i- ом такте при формировании i-ro участка выходного сигнала источника в цепь 25 отрицательной обратной связи опера- ..ционного усилителя 5 коммутатором 15 включается i-й интегрирующий конденсатор 14, а к общей шине коммутатором

бирование выходного напряжения источника происходит в узлах аппроксимации, сформированной на выходе источника результирующей кривой.

Напряжение, записанное на запоминающих конденсаторах 16, при-подключении их к общей щине последовательно периодическими циклами считывается, при этом формируется ступенчато-изменяющийся сигнал (фиг.4, в) и через повторитель 7 напряжения,

17 подключается 1-й запоминающий кон-30 « больщое входное сопротивле- денсатор 16. Синхронно с подключением ««е, и резистор 8 подается на вход

конденсаторов 14 и 16 коды установки, узловых ординат формируемой кривой,

а также коды установки длительности / ,

(Аиг.4 б) под действием короткого отдельных участков аппроксимации фор-ч ,

мируемой кривой считываются с блока 23 памяти, поступают на первый -вход преобразователя кода 22 во временные .интервалы, на второй вход которого подаются импульсы опорной частоты с 40 генератора 24 опорной частоты, и

интегратора 9. В конце каждого такта интегрирования сигнала (фиг.4,в) выходное напряжение интегратора 9

по длительности импульса управления ключом 19 (фиг.4,е) считывается, переписывается на запоминающий конденсатор 21 и через повторитель 18 напряжения и последовательно включенный с ним резистор 20 вновь подается

преобразуются в интервалы времени (в виде управляющих импульсов) управления ключами 2,3 , 6, 13 и 19. Интерна вход интегратора 9. При постоянстве тактов интегрирования, а также

li

валы времени Т,, управления ключами . 45 при 11 - Sn 1 значение

ч.ъ

емкости конденсатора интегратора 9;

2 и 3, равные Т. Т N, пропорциональным кодом М. установки узловых ординат формируемой кривой, где Тд - период следования импульсов опорной частоты, i - номер участка аппроксимации. При помощи ключей.2 и 3 из эталонного напряжения +Ед положительной и -Е отрицательной полярности, снимаемых с опорных элементов 27 и 28 соответственно, формируется в виде импульсов эталонного напряжения (фиг.4 ж) двухполяр- ный широтно-модулированный опорный импульсный сигнал (ШИМ-сигнал). ИнR - сопротивление резистора 2Х), реакция интегратора 9 на каждый импуль напряжения прямоугольной формы,счи50 танного с конденсаторов 16, имеет вид импульса треугольной формы с амплитудой, пропорциональной считанному напряжению, и длительностью,равной двум тактовым интервалам. За сче

55 суммирования треугольных импульсов на выходе интегратора формируется ре зультирующий кусочно-линейно изменяющийся сигнал (фиг.4, б), образующий сигнал развертки на входе нелинейнотервалы времени Т между короткими по длительности импульсами управления ключами 6 и 19 Сфиг.4 д, е) равны между собой Т ,гле N - код установки длительности отдельных участков аппроксимации формируемой кривой, и задают длительность тактов, а также длительность отдельных участков аппроксимации формируемой кривой. Интервалы времени Т , где некоторое постоянное число, задают длительность импульсов выборок выходного напряжения источника ключом 13. Импульсы выбо

рок (фиг. 4,г) образуют сигнал об- ратной связи с выхода источника.Стробирование выходного напряжения источника происходит в узлах аппроксимации, сформированной на выходе источника результирующей кривой.

Напряжение, записанное на запоминающих конденсаторах 16, при-подключении их к общей щине последовательно периодическими циклами считывается, при этом формируется ступен « больщое входное сопротивле- ««е, и резистор 8 подается на вход

/ ,

интегратора 9. В конце каждого такта интегрирования сигнала (фиг.4,в) выходное напряжение интегратора 9

(Аиг.4 б) под действием короткого ,

по длительности импульса управления ключом 19 (фиг.4,е) считывается, переписывается на запоминающий конденсатор 21 и через повторитель 18 напряжения и последовательно включенный с ним резистор 20 вновь подается

на вход интегратора 9. При постоянстве тактов интегрирования, а также

li

при 11 - Sn 1 значение

R - сопротивление резистора 2Х), реакция интегратора 9 на каждый импульс напряжения прямоугольной формы,считанного с конденсаторов 16, имеет вид импульса треугольной формы с амплитудой, пропорциональной считанному напряжению, и длительностью,равной двум тактовым интервалам. За счет

суммирования треугольных импульсов на выходе интегратора формируется результирующий кусочно-линейно изменяющийся сигнал (фиг.4, б), образующий сигнал развертки на входе нелинейного элемента 10. Выходной сигнал исто чника (фиг.4,а) образуется в результате нелинейного функционального преобразования нелинейным элементом 10 кусочно-линейно изменяющегося сиг- нала развертки (фиг.4,б).

20

25

Импульсы выборок выходного напряжения источника (фиг,4 г), формируемые ключом 13, сравниваются по вольт-jg секундной площади с импульсами опорного ШИМ-сигнала (фиг.4,ж). Сравнение происходит в процессе их интегрирования на одном из интегрирующих конденсаторов 14, включенном в данном такте в цепь обратной связи операционного усилителя 5, при этом полярность опорного напряжения противоположна, полярности формируемого источником напряжения. Образованный на i-ом интегрирзтощем конденсаторе 14, включенном в i-oM такте в цепь обратной связи операционного усилителя 5,разностный сигнал в виде поправки суммируется с накопленным на этом конденсаторе напряжением поправок за предыдущие циклы развертки формируемого источником переменного напряжения и запоминается. Сигнал с поправкой, образованньш на i-ом конденсаторе 14, в следующем цикле с началом соответствующего ему i-ro участка выходного сигнала источника под действием короткого по длительности импульса управления ключом 6 (фиг.4,д) считывается, переписывается на i-й запоминающий конденсатор 16, подключенный в данном такте к общей шине, и служит для отработки в данном i-oM такте более точного значения i-й узловой ординаты,формируемой источником кривой. Отработка отдельных, изменяющихся от такта К такту преобразования дискретных (значений узловых ординат формируемой кривой на каждом участке аппроксимации происходит независимо друг от дру- ; га, а конечное время их отработки за несколько тактов преобразования не влияет на точность их отработки.Процесс установления выходного напряжения источника носит итерационный характер и осзпцествляется за несколько циклов его развертки. В установившемТаким образом происходит кусочно- нелинейная аппроксимация формируемой источником кривой. Цепь формирования выходного сигнала источника охвачена отрицательной импульсной обратной связью по мгновенным значениям выходного напряжения в моменты времени его стробирования в узлах аппроксимации. При этом значения ординат сформированной на выходе источника результирующей кусочно-нелинейной аппрокси- j мированной кривой устанавливаются с высокой точностью равными заданным пропорционально длительности импульсов опорного напряжения, задаются кодами, занесенными в блок памяти, и не зависят от нестабильности параметров блоков и узлов формирующей цепи. Нелинейный элемент, включенный в прямой цепи источника, обеспечивает формирование отрезков нелинейных функций, аппроксимирующих по отдельным участкам между нормированными значениями в узлах аппроксимации формируемый источником сигнал. Погрешность из-за конечной длительности импуль30 сов выборок выходного напряжения источника, которая определяется наперед заданной формой, а также частотой выходного сигнала источника, носит систематический характер и проявляется в нелинейности преобразования кодов установки отдельных узловых ординат формируемой кривой в соответствующие ее значения. Эта погрешность может быть легко учтена при задании значений узловых ординат и скомпенсирована.

Частота выходного сигнала источника определяется числом и длитель- ностью участков аппроксимации мируемой кривой и задается кодами, занесенными в блок памяти. При этом стабильность частоты выходного сиг- нала источника определяется стабильностью опорной частоты.

Преобразователь 22 кода во временные интервалы (фиг.2) работает следующим образом. Импульсы опорной частоты с выхода генератора опорной частотьГ 24 поступают на счетные вхо35

40

50

ся режиме происходит уравновешивание 5 счетчиков 2 - 31 импульсов. На вольт-секундных площадей импульсов вход записи информации счетчика 29

подается код N установки длительности отдельных участков аппроксимации

опорного ШИМ-сигнала и импульсов выборок выходного напряжения источника. Формируемый при этом на интегрируюформируемой кривой, считываемый с бло

щих конденсаторах 14 разностный сигнал поправки етремится к нулю.

0

5

Таким образом происходит кусочно- нелинейная аппроксимация формируемой источником кривой. Цепь формирования выходного сигнала источника охвачена отрицательной импульсной обратной связью по мгновенным значениям выходного напряжения в моменты времени его стробирования в узлах аппроксимации. При этом значения ординат сформированной на выходе источника результирующей кусочно-нелинейной аппрокси- мированной кривой устанавливаются с высокой точностью равными заданным пропорционально длительности импульсов опорного напряжения, задаются кодами, занесенными в блок памяти, и не зависят от нестабильности параметров блоков и узлов формирующей цепи. Нелинейный элемент, включенный в прямой цепи источника, обеспечивает формирование отрезков нелинейных функций, аппроксимирующих по отдельным участкам между нормированными значениями в узлах аппроксимации формируемый источником сигнал. Погрешность из-за конечной длительности импуль0 сов выборок выходного напряжения источника, которая определяется наперед заданной формой, а также частотой выходного сигнала источника, носит систематический характер и проявляется в нелинейности преобразования кодов установки отдельных узловых ординат формируемой кривой в соответствующие ее значения. Эта погрешность может быть легко учтена при задании значений узловых ординат и скомпенсирована.

Частота выходного сигнала источника определяется числом и длитель- ностью участков аппроксимации мируемой кривой и задается кодами, занесенными в блок памяти. При этом стабильность частоты выходного сиг- нала источника определяется стабильностью опорной частоты.

Преобразователь 22 кода во временные интервалы (фиг.2) работает следующим образом. Импульсы опорной частоты с выхода генератора опорной частотьГ 24 поступают на счетные вхо5

0

50

формируемой кривой, считываемый с блока 23 памяти. На вход записи информации счетчика 31 подаются коды N -, установки узловых ординат формируемой кривой, поочередно с читываемые с началом каждого такта с блока 23 памяти. Счетчики 29 и 3t работают в ре- жиме вычитания. Коды N и N в каждом такте записываются в счетчики 29 и 31. Считывание кодов происходит импульсами опорной частоты f В момент перехода кода счетчика 29 в состояние N, где N некоторое постоянное число, задающее длительность импульсов управления ключом 13, срабатывает дешифратор 32 и устанавливает в состояние 1 триггер 35. В момент перехода кода счетчика

02

где N.

- не29 в состояние N I

которое постоянное число, задающее длительность импульсов управления ключом 19, срабатывает дешифратор 33, устанавливающий в состояние 1 триггер 36. В момент перехода кода счетчика 29 в состояние О из сигнала переноса, формируемого на выходе переноса счетчика 29, одновибратором 34 формируется импульс установки в состояние О триггеров 35 и 36 и в состояние 1 триггера 37. Этот импульс определяет начало следующего такта преобразования и по входу управления предустановки счетчика 29 разрешает запись в него кода N,считанного с блока 23. Передний фронт сигнала на прямом выходе триггера 37 производит смену состояния счетчика 25 тактов, формирующего при этом код адреса следующей ячейки памяти блока 23. При установке триггера 37 в состояние 1 на инверсном выходе триггера происходит снятие сигнала установки в состояние О счетчика 30, разрешающего при этом работу счетчика 30. С приходом N,2 импульсов опорной частоты на счетный вход счетчика 30, где N, - постоянное число, задающее длительность импульсов управления ключом 6, причем N Np,, на выходе п-го разряда счетчика 30 формируется сигнад, сбрасывающий в состояние О триггер 37 и устанавливающий тем самым в состояние О счетчик 30. Одновременно сигнал с п-го разряда счетчика 30 разрешает запись в счетчик 31 кода

N

21

считанного в начале i-o такта

1C блока 23 памяти, устанавливает в состояние 1 триггер 38, управляющий

8

--

fO

, м

20

ключом 2,либо триггер 39,управляющий ключом 3, в зависимости от полярности формируемого в данном такте им-, пульса опорного напряжения. При по5 ложительной полярности импульсов опорного напряжения разрядом управления полярностью, считываемым с блока 23 памяти, открывается схема И 42, разрешающая при этом прохождение импульса установки в состояние 1 триггера 38. При отрицательной полярности импульсов опорного напряжения разрядом управления полярностью через

. инвертор 41 открывается схема И 43, разрешающая прохождение импульса установки в состояние 1 триггера 39. При списании импульсами опорной частоты числа , записанного в счетчик 31, в момент перехода кода счетчика 31 в состояние О импульс с выхода переноса счетчика 31 через схему ИЛИ сбрасывает триггеры 38 и 39

в состояние О. При этом длитель25 ность импульсов управления ключами 2 и 3, формируемых триггерами 38 и 39, равна Т, . На выходах триггеров 35 и 36 в конце каждого такта преобразования формируются им30 пульсы длительности Т Т N , Т Т, N, управляющие соответст- венйо ключами 13 и 19, ив начале каждого такта на прямом выходе триггера 37 Нормируются импульсы длительэ ности Т , управляющие ключом 6. Длительность тактов, образованная интервалами времени между передними фронтами импульсов управления ключами 6 и 19, равна Т Т N.

40 нормального функционирования источника должно выполняться соот+ N. ), Если

ношение Т N

NO,).

T,(N,,

NZ. NO,, то импульс управления предустановкой счетчика 29 че- 45 рез схему ИЛИ 40 сбрасывает триггеры 38 и 39 в состояние О.

Формула изобретения

50 Источник калиброванных напряжений, содержащий источник опорного напряжения, выходом через последовательно соединенные первый ключ и первый резистор подключенный к инвер53 тирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход через второй ключ подключен к входу повторителя напряжения, последовательно

91283726

соединенные третий ключ и второй резистор, включенные между выходной клеммой и инвертирующим входом операционного усилителя, N интегрирующих конденсаторов, одними из выводов соединенных вместе и подключенных к инвертирующему входу операцион ного усилителя, а другими выводами через первый коммутатор - к выходу операционного усилителя, N запоминающих конденсаторов, одними из выводов подключенных к входу повторителя напряжения, а другими выводами через второй коммутатор - к общей тине, счетчик импульсов,- выходом подключен- 5 ный к управляющим входам первого и второго коммутаторов и к первому входу блока памяти, второй вход которого подсоединен к клемме для под10

повышения точности и расширения функциональных возможностей, в него введены интегратор, нелинейный элемент, реализующий функцию гиперболического 5 тангенса, второй повторитель напряжения, третий и четвертый резисторы, четвертый и пятый ключи, а также (N + 1)-й запоминающий конденсатор, причем источник опорного напряжения выполнен двухполярным и вторым выхо- лом через четвертый ключ подключен к точке соединения первого резистора с первым ключом, выход первого повторителя напряжения через третий резистор подключен к входу интегратора, выход которого через нелинейный элемент подключен к выходной клемме, выход второго повторителя напряW

жения через четвертый резистор подключения источника управляющих сигна- 20 соединен к входу интегратора, а вылов, а выход - к первому входу пре- ход через пятый ключ - к выходу ин- об азователя кода во. временные интер- тегратора,(N+ 1)-й запоминающий конденсатор включен между общей шиной и входом второго повторителя напряжения, управляющие входы четвертого и пятого ключей подключены к четвертому и пятому выходам преобразоватевыходу генератора опорной частоты, а nepBbw, вторым и третьим выходами - к управляющим входам первого, второго и третьего ключей, о т л и чающийся тем, что, с целью

25

ля кода во временные интервалы.

отгъ

упр.

5

10

повышения точности и расширения функциональных возможностей, в него введены интегратор, нелинейный элемент, реализующий функцию гиперболического тангенса, второй повторитель напряжения, третий и четвертый резисторы, четвертый и пятый ключи, а также (N + 1)-й запоминающий конденсатор, причем источник опорного напряжения выполнен двухполярным и вторым выхо- лом через четвертый ключ подключен к точке соединения первого резистора с первым ключом, выход первого повторителя напряжения через третий резистор подключен к входу интегратора, выход которого через нелинейный элемент подключен к выходной клемме, выход второго повторителя напря

ля кода во временные интервалы.

35

rz.

«5

Фиг. 2

1283726 -t- +E

r

5U

rf9 Y fiXj45

ffff

I

%/x i/

or

-r- TN

.4

W8.3

«I

«

p

кV

olonofliilihnflonnnnBflnifflflniin

УООПДОНУЯНЯПУЙППОПЯНИЛПШШ

I

uon o

I .

Zt

MIiL:±n

irjuuuiii

flonnnnnflflnr

Ш11: и| Ш ии111.

нг. Ц

fl

flnr

Изобретение относится к вторичным источникам питания радиоаппаратуры. Целью изобретения является по- вьппение точности и расширение функциональных возможностей источника калиброванных напряжений. Цель дости1 а- ется путем кусочно-нелинейной апро- ксимации выходного напряжения, которая происходит в результате нелинейного функционального преобразования кусочно-линейного сигнала развертки, формируемого на входе нелинейного элемента 10. Сигнал развертки воспроизводится с предискажениями формы кривой с помощью источника 1 опорного напряжения, ключей 2 и 3, усилителя 5, интегрирующих и запоминающих конденсаторов 14 и 16 с коммутаторами 15 и 17. Корректировка производится по отдельным участкам кривой заданной формы напряжения за счет действия отрицательной импульсной обратной связи с выхода источника по мгновенным значениям выходного напряжения с помощью интегратора 9,нелинейного зле- мента 10, ключа 19, повторителя 18 и запоминающего конденсатора 21. 4 ил. i (Л to 00 со N9 Од .(