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

113

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 .

Целью изобретения является уменьше- ние времени установления заданной формы выходного напряжения источника во всем диапазоне его мгновенных значений.

На фиг. 1 представлена структурная схема источника калиброванных нап ряжений; на фиг, 2 - пример построе- .ния преобразователя кода во временные интервалы; на фиг. 3 - то же, нелинейного элемента, реализующего функцию преобразования в виде гиперболического тангенса; на фиг. 4 - времен- ные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Источник калиброванных напряжений содержит источник 1 опорных напря

жений, первый и второй выходы кото- . рого соответственно через первый 2 и второй 3 ключи соединены вместе и через первый резистор 4 подключены к инвертирующему входу операционного усилителя 5 неинвертирующий вход которого подключен к общей шине, а выход через последовательно соединен- . ные третий ключ 6, первый повторитель 7 напряжения, второй резистор 8 и первый интегратор 9 подключен к первому входу сумматора 10, выходом Подключенного к выходной клемме 11, второй повторитель 12 напряжения, входом через четвертый ключ 13 под- . ключенный к выходу интегратора 9, а выходом через третий резистор 14 - к входу интегратора 9, N интегрирующих конденсаторов 15, одними из выводов соединенных вместе и подключенных к инвертирующему входу операционного усилителя 5, а другими выводами через первый коммутатор 16 - ;к выходу операционного усилителя 5, N запоминающих конденсаторов 17, одними из выводов соединенных вместе и подключенных к входу первого повторителя 7 напряжения, а другими выводами через второй коммутатор 18 - к общей шине,(К+1)-й запоминающий конденсатор 19, включенный между входом второго повторителя 12 напряжения и общей шиной, цепь обратной связи, выполненную в виде последовательно соединенных четвертого резистора 20

0

5

0

5

0

5

0

5

79 2

и пятого ключа 21, включенную между инвертирующим входом операционного усилителя 5 и выходной клеммой 11, шестой 22 и седьмой 23 ключи,, первыми выводами подключенные к выходам источника 1 опорных напряжений, а другими выводами соединенные вместе и через пятый резистор 24 подключенные к входу второго интегратора 25 третий повторитель 26 напряжения, вход которого через восьмой ключ

27подключен к выходу интегратора 25, а выход через шестой резистор

28- к входу интегратора 25, (N+2)-й запоминающий конденсатор 29, включенный между входом третьего повторителя 26 напряжения и общей шиной, нелинейный элемент 30, включенный между выходом второго интегратора 25 и вторым входом сумматора 10, преобразователь 31 кода во временные интервалы, первым входом подключенный к выходу блока 32 памяти, вторым входом - к выходу генератора 33 опорной частоты, а первым, вторым, третьим, четвертым, пятыМ|шестым, седьмым и вось- мьЕУ выходами - к управляющим входам

ключей 2,3,6,13.521,22, 23 и 27 соот- I

ветственно, счетчик 34 импульсов, входом подключенный к третьему выходу преобразователя 31 кода во временные интервалы, а выходом - к управляющим входам коммутаторов 16, 18 и к первому входу блока 32 памяти, второй вход которого подключен к клемме 35 для подключения источника управляющих сигналов.

Источник 1 опорных напряжений выполнен двухполярным и содержит опорные элементы 36 и 3-7, служащие для получения опорных эталонных напряжений соответственно положительной и отрицательной полярности.

Преобразователь 31 кода во временные интервалы (фиг. ,2) содержит счетчики 38-40 импульсов, дешифраторы 41 и 42, одновибратор 43, триггеры 44-49, схемы И 50-54, схему ИЛИ 55, инвертор 56.

Нелинейный элемент 30 (фиг. 3) содержит согласованную пару биполярных транзисторов 57 и 58, включенную дифференциально, источник 59 тока, операционный усилитель 60, резисторы 61-64 и реализует нелинейную функцию преобразования в виде гиперболического тангенса.

Блок 32 памяти выполнен в виде оперативного запоминающего устройства

31345

либо в виде электрически программируемого, либо репрограммируемого постоянного запоминающего устройства, в которые предварительно заносится набор кодов установки узловых ординат формируемого сигнала, а также длительностей отдельных участков прок- симации. В случае использования постоянных запоминающих устройств (ПЗУ)

10

код управления, подаваемый на клемму 35 от внешнего источника управляющих сигналов, выбирает область памяти ПЗУ, в которой записана форма сигнала. Цикличное считьгаание информации выбранной области памяти ПЗУ происходит кодом счетчика 34 тактов.

Генератор 33 опорной частоты выполнен с кварцевой стабилизацией частоты выходного сигнала.

Источник калиброванных напряжений работает следующим образом.

Счетчик 34 подсчитывает импульсы тактов, формируемые преобразователем 31 кода во временные интервалы, и.,вы- ходным кодом последовательно опрашивает адреса ячеек памяти блока 32 памяти. Коды управления, записанные в блоке 32, последовательно считываются, поступают на первый вход преобразователя 31 кода во временные интервалы, на второй вход которого поступают импульсы опорной частоты с генератора 33 опорной частоты 33, и преобразуются в интервалы времени (в ви- е управляющих импульсов) управления ключами 2,3,6,13,21,22,23 и 27...

Импульсы управления ключами 22,23 длительности Т I N задают полупериод формируемого источником переменного напряжения (фиг. 4oi), где Т - период следования импульсов опорной частоты, N - код установки длительности полупериода формируемого напряжения. При помощи ключей 22, 23 из эталонных напряжений +EJ, положитель- ной и -Е отрицательной полярностей, снимаемых с выходов источника 1 опорных напряжений, формируется дву- полярный сигнал в йиде меандра с дли

тельностью полупериода, равной Ту.

Этот сигнал через резистор 24 поступает на интегратор 25. В конце каждого интервала Т выходное напряжение интегратора 25 под действием короткого по длительности импульса управ- ления ключом 27 считывается, переписывается на запоминающий конденсатор 29 и через повторитель напряжения, имеющий большое входное сопротив

5

0

5

5

0

0

5

1794

ление, последовательно включенный с с ним резистор 28 подается .на вход интегратора 25. В результате интегратор 25 охвачен задержанной на такт импульсной обратной связью, а на его выходе формируется треугольный сигнал, постоянная составляющая которого равна нулю, амплитуда пропорциональна Е,а длительность полупериода равна Т . Выходной сигнал интегратора образует сигнал развертки на входе нелинейного элемента 30. В результате нелинейного функционального преобразования из треугольного сигнала формируется нелинейно-изменяющийся сигнал (фиг. 46), воспроизводящий в первом приближении формируемое источником переменное напряжение (фиг.4 а). При постоянстве Т установление выходного сигнала интегратора, а следовательно, и сигнала (фиг. 4 5) происходит практически за один его полупериод. Форма сигнала (фиг. 4 5), формируемого нелинейным элементом 30, путем суммирования с кусочно-линейным сигналом (фиг. 4 б) корректируется. При этом реализуется кусочно- нелинейная аппротссимация формируемого I , источником переменного напряжения

(фиг. 4 а). Нелинейный элемент вос- производит нелинейную составляющую аппроксимированного сигнала. Вместе с тем кусочно-линейный сигнал служит для стабилизации по отдельным участкам аппроксимации мгновенных значений формируемого источником напряжения.

Формирование кусочно-линейного сигнала коррекции происходит следую- щим образом.

Кодом-счетчика 34 импульсов с

блока 32 памяти считываются коды установки узловых ординат формируемого источником напряжения (фиг.4 ), а также коды Ny установки длительности отдельных участков аппроксимации формируемого напряжения.Эти коды преобразуются блоком 31 в интервалы времени Tti ToNii управления ключами 2,3, где i- номер участка кусочно-нелиней- - ной аппроксимации формируемого напряжения, и интервалы времени между короткими по длительности импульсами управления ключами 6 (фиг.4е) и 13 (фиг, 4 х) соответственно. Импульсы управления ключом 6 формируются в начале каждого.участка аппроксимации, импульсы управления ключом 13 - в конце. При помощи ключей 2, 3 из эталонных напряжений +Е и -Е,

снимаемых с выходов источника 1 опорных напряжений, формируется в виде импульсов эталонного напряжения длительности Tj

т N . о 21

(фис. 4 )

двухполярный широтно-модулированный опорный импульсный сигнал (опорный ШИМ сигнал), задающий значения формируемого источником переменного напряжения (фиг. 4 w) в узлах аппроксимации. В конце каждого участка аппросимации преобразователь 3.1 формирует импульсы управления ключом 21 длительности Т TpN., где 20 которое постоянное число. При помощи ключа 21 берутся выборки сформированного на выходе источника переменного напряжения (фиг. 4 а) в узлах его аппроксимации, соответствующих точкам излома корректирующей кусочно линейно кривой (фиг. 4-&).

Импульсы выборок (фиг. 48) формируемые ключом 21., выходного сигнала источника (фиг. 4 ч) сравниваются йовольт-секундно й площади с импульсами опорного ШИМ сигнала Хфиг. 4), Сравнение происходит в процессе их интегрирования на одном из интегрирующих, конденсаторов 15, включенном В цепь обратной связи операционного усилителя 5. При этом полярность опорного напряжения противоположна полярности импульсов выборок выходного напряжения источника. При формировании i-ro участка аппроксимации выходного сигнала источника в цепь обратной связи операционного усилителя 5 коммутатором .16 включается i-й интегрирующий конденсатор 15, а к входу повторителя 7 напряжения коммутатором 18 подключается i-й запоминающий конденсатор 17. Управление коммутаторами 17,18 осуществляется кодом счет- чика 34 импульсов. Образованный на i-M конденсаторе 15 разностный сигнал в виде поправки суммируется с напряжением поправок, накопленным на интегрирующем конденсаторе за предыдущие циклы коррекции формируемого источником напряжения на i-м участке его

аппроксимации, и запоминается. Сигнал с поправкой в следующем цикле развертки формируемого источником напряжения (фиг. 4 а) с Началом формирования i-ro его участка под действием, короткого по длительности импуль-, са управления ключом 6 (фиг. 4 е) считывается с i-ro конденсатора 15, переписывается на подключенный к об0

5

0

5

0 5 40 45 щей шине 1-й запоминающий конденсатор 17 и служит для формирования в этом цикле откорректированного по значению i-ro линейного участка сигнала коррекции (фиг. 4 Б). Напряжение, запомненное на конденсаторах 17, при подключении их к общей шине последовательно периодически повторяющимся циклами считывается. При этом формируется кусочно-ступенчатый сигнал (фиг. 4 г), который через повторитель 7 напряжения, резистор 8 подается на вход Интегратора 9, охваченного задержанной на такт интегрирования, равный длительности одной ступени, импульсной обратной связью. В конце каждого такта сформированный на выходе интегратора сигнал под действием короткого по длительности импульса управления ключом 13 (фиг.4ж) считывается, переписывается на запоминающий конденсатор 19 и через повторитель 12 напряжения, последовательно включенный с ним резистор 14 подается на вход интегратора 9. При постоянстве тактов интегрирования.

а также при

1 Тхв . RC

Л, где С 5

0

5

значение емкости интегратора 9; R - сопротивление резистора 14, интегратором из кусочно-ступенчатого сигнала (фиг. 4 г) формируется кусочно- линейный сигнал. Кусочно-линейный сигнал инвертируется (фиг..4 б) и суммируется с сигналом, формируемым нелинейным элементом 30 (фиг. 4 Б), и обеспечивает тем самым коррекцию формы результирующего сигнала (фиг. 4 q), формируемого на выходе источника, а также установку его значений в узлах аппроксимации равньми заданным.

Процесс.коррекции формируемого на выходе источника переменного напряжения носит инерционный характер и осуществляется независимо по каждому участку аппроксимации, В установившемся режиме происходит уравновешивание вольт-секундных площадей импульсов выборок (фиг. 4 е) выходного напряжения источника и импульсов (фиг. 4 ) опорного ПММ сигнала, разностный сиг- р,ал поправок стремится к нулю.

Таким образом, цепь стабилизации форми.руемого на выходе источника переменного напряжения выполнена линейной, нелинейньй элемент с нестабильной амплитудой передаточной характе

7,1

ристикой из нее исключен. Это обеспечивает возможность оптимальной настройки по быстродействию системы стабилизации формируемого напряжения (коэффициент петлевого усиления постоя- ней, не зависит от уровня стабилизации по мгновенным значениям формируемого напряжения и близок к единице) во всем диапазоне его мгновенных значений. Время отработки заданных узловых значений формируемого напряжения при этом минимально и составляет 3-4 периода при погрешности отрабс Т- ки порядка 0,01-0,02%.

Преобразователь 31 кода на временные интервалы (фиг. 2) работает следующим образом.

Импульсы опорной частоты с выхода генератора 33 опорной частоты поступают на счетные входы счетчиков 38 - 40 импульсов. На вход записи информации счетчика 38 подается код N установки длительности отдельных участков аппроксимации формируемой кривой, считываемый с блока 32 памяти. На вход записи информации счетчика 40 подаются коды N. установки и узловых ординат формируемой кривой. Счетчики 38,40 работают в режиме вычитания. Коды и в начале каж- дого участка аппроксимации записываются в счетчики 38,40. Запись кода Nj, в счетчик 40 происходит с задержкой на время формирования импульса управления ключом 6. Считывание ко- дов происходит импульсами опорной частоты fp l/Tp. В момент перехода кода счетчика 38 в состояние N , где N 20 некоторое постоянное число задающее длительность импульсов управ ления ключом 21, срабатывает дешифратор 41 и устанавливает в состояние 1.триггер 44. В момент перехода кода счетчика 38 в состояние N, где N - некоторое постоянное число, за- дающее длительность импульсов управления ключом 13, срабатывает дешифратор 42, устанавливающий в состояние 1 триггер 45. В момент перехода кол да счетчика 38 в состояние О, из сигнала переноса, формируемого счетчиком, одновибратором 43 формируется импульс уст ановки в состояние О триггеров 44, 45 и в состояние 1 триггера 46. Этот импульс определяет начало следующего участка аппроксимации и по входу управления предустановкой счетчика 38 разрешает запись в него кода Nj, считанного с блока 32.

0

5

0

5

5

50 5 0 5

1798

Передний фронт сигнала на прямом выходе триггера 46 производит смену состо- ния счетчика 34, формирующего код адреса следующей памяти блока 32. При установке триггера 46 в состояние 1 на инверсном выходе триггера происходит снятие сигнала установки в состояние О счетчика 39, разрешающего при этом- его работу, С приходом N, 2 импульсов опорной частоты на счетный вход счетчика 39, где постоянное число, задающее длительность импульсов управления ключом 6, причем М на выходе п-го разряда счетчика 39 формируется сигнал, сбрасывающий в состояние О триггер 46 и устанавливающий тем самым в состояние О счетчик 39. Одновременно сигнал с п-го разряда счетчика 39 разрешает запись в счетчик 40 кода N,-, считанного в начале i-го участка с блока 32 памяти, и устанавливает в состояние 1 триггер 47, управляющий ключом 2, либо триггер 48, управляющий ключом 3, в зависимости от полярности формируемого в данный момент импульса опорного напряжения. При положительной полярности импульсов опорного напряжения разрядом управления полярностью, считываемым с блока 32 памяти, открывается схемы И 51, разрешающая при этом прохождение импульса установки в состояние 1 триггера 47. При отрицательной полярности импульсо в опорного напряжения разрядом управления полярностью через инвертор 56 открывается схема И 52, разрешающая прохождение импульса установки в состояние 1 триггера 48, При описании импульсами опорной частоты числа , записанного в счетчик 40, в момент перехода кода счетчика 40 в состояние О импульс с выхода переноса счетчика через схему ИЛИ 55 сбрасывает триггеры 47,48 в состояние О. При этом длительность импульсов управления ключами 2 и 3 равна Т Т N,- . .На выходах триггеров 44, 45 в конце каждого такта преобразования формируются импульсы длительности Т ,, Т , управляющие соответстве нно ключами 21,13, и в начале каждого такта на прямом выходе триггера 46 формируются импульсы длительности Т TpN., управляющие ключом 6. Длительность участков аппроксимации интервалами времени между передними фронтаи импульсов управления ключами 6 и 3 равна Т; .

Разрядом управления длительностью олупериода, который включает в себя пределенное число участков аппроксиации, считываемым с блока памяти 32, ткрывается схема И 50. При этом из мпульсов управления ключом 13 фиг. 4 ) выбирается тот, который оответствует экстремальному значен ию ормируемого напряжения (фиг. 4 а). тот импульс управляет ключом 29 и ерез схемы И 53, 54 в зависимости т разрешающего сигнала на других их ходах устанавливает в состояние 1 ибо О триггер 49, формирующий при том импульсы управления ключами 22, 3. При положительной полярности форируемого напряжения замыкается ключ 23, при отрицательной -г ключ 22,

Для нормального функционирования источника должно выполняться соотношение .,, 7, T(N,, + N,). Если

1345179

НИИ

10

15

20

O N.

21 --1

ТО импульс управле- 25

N.. N.,. + N Ло 21 1

ния предустановкой счетчика 38 через схему ИЛИ 55 сбрасывает триггеры 47, 48 в состояние О.

На фиг. 3 представлен пример построения нелинейного элемента 30, передаточная характеристика которого имеет вид функции гиперболического тангенса.

Нелинейный элемент построен на согласованной паре биполярных транзисторов 57 и 58, включенных дифференциально. Передаточная характеристика нелинейного элемента описывается выражением U I gR th (Uy/2U.r)j где U, .Uj - соответственно входное и выходное напряжения нелинейного элемента; Ig - ток источника 59 тока, включенного в цепь эмиттеров транзисторов 57,58; R - сопротивление резисторов 61-64; UT - температурный потенциал, U-r K-T/l ; К - постоянная Больцмана (К 1,38-10-2); т - абсолютная температура в градусах

соо клю зис вхо вер к о ват пер рой рат ния клю ход ду ден нен тир вый ног ден чен нап вто (К+ вкл тор пос тый ные рац мой сче сое го вхо ров вто мой ляю вхо мен клю

45 ной тьи упр тре чей

30

35

40

Кельвина; е - заряд электрона

Се

0.

1,6 10-9 Кл).

Предложенный источник обеспечивает кусочно-нелинейную аппроксимацию формируемого переменного напряжения, калиброванного при этом с высокой точностью в узлах аппроксимации.

Ф о

р м у л а и 3 о б ре т е н: И я Источник калиброванных напряжений, содержащий источник опорных напряже-

10

5

0

5

, первый и второй выходы которого соответственно через первый и второй ключи объединены и через первый резистор подключены к инвертирующему входу операционногЪ усилителя, неинвертирующий вход которого подсоединен к общей шине, а выход через последовательно соединенные третий ключ, первый повторитель напряжения и второй резистор подключен к входу интегратора, второй повторитель напряжения, входом через четвертый ключ подключенный к выходу интегратора, а выходом через третий резистор - к входу интегратора, N интегрирующих конденсаторов, одними из выводов соединенных вместе и подключенных к инвертирующему входу операционного усили- , а другими выводами через первый коммутатор - к .выходу операционного усилителя, N запоминающих конденсаторов, одними из выводов подключенных к, входу первого повторителя напряжения, а другими выводами через второй коммутатор - к общей щине (К+1)-й запоминающий конденсатор, включенный между входом второго повторителя напряжения и общей шиной, последовательно соединенные .четвертый резистор и пятьш ключ, включенные между инвертирующим входом операционного усипителя и выходной клеммой, нелинейный элемент, а также счетчик импульсов, вход которого соединен с управляющим входом третьего ключа,а выход - с управляющими входами первого и второго коммутаторов и с первым входом блока памяти, второй вход которого соединен с клеммой для подключения источника управляющих сигналов, а выход - с первым входом преобразователя кода во временные интервалы, вторым входом подключенного к выходу генератора опор45 ной частоты, а первым, вторым, третьим, четвертьм и пятым выходами - к управляющим входам первого, второго, третьего, четвертого и пятого клю- чей, отличающийся тем,

50 что, с целью уменьшения времени установления заданной формы выходного напряжения источника во всем диапазоне его мгновенных значений, в него введены сумматор, три дополнительных

55 ключа, (Ы+2)-й запоминающий конденсатор, пятый и шестой резисторы, а также второй интегратор и третий повторитель напряжения, причем первый и второй дополнительньш ключи первыми

0

5

0

111345

выводами подключены к выходам источника опорного напряжения, другими выводами соединены вместе и через пятый резистор подключены к входу второго интегратора, выходом через - 5 третий дополнительный ключ подключенного к входу третьего повторителя напряжения, выход третьего повторителя напряжения через шестой резистор подключен к входу второго интегратора, (Н+2)-й запоминающий конденсатор включен между входом второго повто7912

рителя напряжения и общей шиной, нелинейный элемент включен между выходом второго интегратора и. первым входом .сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого интегратора, а выход - к. выходной клемме, управляющие входы первого, второго и третьего дополнительных ключей подключены к дополнительно введенным шестому, седьмому и восьмому вьпсодам преобразователя кода во вре- манные интервалы.

Изобретение относится к вторичным источникам питания радиоаппаратуры. Целью изобретения является уменьшение времени установления заданной формы выходного напряжения источника во всем диапазоне его мгновенных значений. Цель достигается тем, что устройство обеспечивает кусочно-нелинейную аппроксимацию формируемого напряжения. Кроме того, из цепи стабилизации исключен нелинейный элемент с нестабильной амплитудной передаточной характеристикой, что обеспечивает постоянство коэффициента петлевого усиления и независимость его от уровня стабилизации по мгновенным значениям формируемого напряжения, т.е. на всех участках его аппроксимации сразу. 4 ил. (Л 00 4 СП со

22

35

срие.1

отзг

/Vynpфиг. г

-f-t- с

fr U

ню

--

,S3

фие.

ninii

IIIIIIIIIHIIIIIIIIIIL

Ж

liiiiii

IIII11IIII11 MM III MIL

mi.

(pueA

Редактор M, Келемеш

Составитель С. Чернышева

Техред М.Дидык Корректоре. Черни

Заказ 4921/47Тираж 863 .Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.- 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4