Преобразователь ток-частота с импульсной обратной связью Советский патент 1990 года по МПК H03M1/60 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в автоматических системах управления в качестве прецизионного аналого-цифрового преобразователя.

Цель изобретения - упрощение, преобразователя.

На фиг.1 представлена функциональная схема преобразователя; на фиг.2 и 3 - временные диаграммы работы преобразователя .

Преобразователь содержит источник 1 входного тока, интегрирующий элемент 2, выполненный на конденсаторе, интегрирующий усилитель-сумматор 3,

выполненный на резисторе 4, операционном усилителе 5 и конденсаторе 6, первый и второй источники 7 порогового напряжения, первый 10 и второй 11 компараторы, генераторы тактовых импульсов, первый 13 и второй 14 D- триггеры, мостовой коммутатор, состоящий из четырех ключей 15-18, источ-. ник 19 эталонного тока, первый 20 и второй 21 элементы И.

Совокупность элементов из первого 13 и второго 14 D-триггеров, мосто- ирго коммутатора и источника 19 эталонного тока представляет собой формирователь нормированных импульсов обратной связи (формирователь импульсов биполярного тока) . Первый 20 и второй 21 элементы И образуют логическую схему выделения выходных импульсов преобразователя.

На фиг.2 и 3 представлены временные диаграммы работы устройства, где а - импульсы тактовой частоты генераи второго 14 р-триггсров. В целом формирователь ИМПУЛЬСОЧ обратной связи может иметь четыре состояния. При совпадении состояний D-триггеров 13 и 14 оказываются включенными диагональные ключи 15, 16 или , 18, в этом случае гок эталонного источника 19 появляется ча гыхоле формирователя и затекает в инте р.этир 2.

При нахождении триггеров в состоянии лог. 1 включаются ключи 1ft, 18 и формирователь выдает импульсы эталонного тока положительной потярнссти.

5 эти моменты времени фиксируются вторым элементом И 21. При нахождении триггеров в состоянии лог. О включаются ключи 15, 17 и формирователь выдает импульсы эталонного тока от0 рицателыюй полярности, эти моменты времени фиксируются первым элементом И 20. При любом несовпадении состояний D-триггеров 13 и 14 оказываются включенными ключи 15, 18 или

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в качестве прецизионного преобразователя ток-частота в автоматических системах управления и устройствах обработки аналоговой информации. Цель изобретения - упрощение устройства. Устройство содержит источник входного тока, интегрирующий элемент, выполненный на конденсаторе, интегрирующий усилитель-сумматор, первый компаратор, генератор тактовых импульсов, первый триггер, мостовой коммутатор из четырех ключей, источник эталонного тока, первый и второй элементы И. В устройство вновь введены источники порогового напряжения, выполненные каждый на резисторе и диоде, второй компаратор и второй триггер. Выходы интегрирующего усилителя-сумматора через первый источник порогового напряжения подключены к входам первого компаратора и через второй источник порогового напряжения - к входам второго компаратора, выход второго компаратора подключен к D-входу второго триггера, прямой и инверсный выходы которого подключены к управляющим входам мостового коммутатора и входам элементов И соответственно, а C-вход второго триггера подключен к выходу генератора тактовых импульсов. В предложенном преобразователе выходное напряжение интегратора всегда симметрично около нуля и не содержит постоянной составляющей. При входном токе, равном нулю, частота на выходе преобразователя отсутствует. Предлагаемый преобразователь обеспечивает линейность преобразования не хуже 0,0001%. 3 ил.

тора 12 fт; б, и - эпюры пилообразно-25 16, 17, при этом ток эталонного напряжения Uc интегратора 2; в, к - эпюры пилообразного напряжения U у на выходе интегрирующего усилителя-сумматора 3; г, л - импульсы UKn на выходе первого компаратора 10 и импульсы иКПЈ на выходе второго.компаратора 11; д, м - им- опульсы UTt на прямом выходе первого триггера 13;е, н - импульсы UTi на прямом выходе второго триггера 14; ж, о - импульсы эталонного тока формирователя; з, п - импульсы fgbix.«. на первом выходе преобразователя и импульсы f БЫТ г. иа ВТ°Р°М выходе преобразователя.

На фиг.2 диаграммы б-з раскрывают процесс преобразования положительного входного тока величиной I Ву 1/8-1-эг диаграммы и-п - входного тока 1&х 5/9 1эт, диаграммы б-з (фиг.З) - входного тока 1Ъ 30

точника 19 оказывается замкнутым внутри формирователя. Этот режим соответствует нулевому выходному току формирователя, при этом интегратор 2 заряжается только входным током источника 1.

Постоянная времени интегрирующего усилителя-сумматора 3, равная С,

Ј R

R, С6 - соответст35

40

венно номиналы резистора ч и конденсатора 6, выбирается из условия (, 10-Тт, где 1Т - период такто вой частоты генератора 12.

Номиналы напряжений источников 7 пороговых напряжений Unopi( и Unop2. должны выбираться из условия

bull с

ипорг

-,где

}Т

- эта7/8-1

эт

Диаграммы и-п (фиг.З) раскрывают процесс преобразования отрицательного входного тока I g,x 7/8 1эт.

Ключи 15-18 мостового коммутатора включаются при появлении на соответствующем управляющем входе сигнала лог. О, а выключаются сигналом лог. 1 (например, возможно применение микросхем 590КН5). Управляющими сигналами для мостового коммутатора служат логические сигналы с пря- мь х и инверсных выходов первого 13

50

45 лонный ток источника 19; С - номинал конденсатора 2.

Полярности источников порогового напряжения выбираются из условия приложения суммы их напряжений к входам первого 10 и второго 11 компараторов. Операционный усилитель 5 и компараторы 10 и 11 должны иметь малые входные токи.

Преобразование входного в , выходную частоту основано на принципе сравнения и уравновешивания зарядов интегратора 2 от входного тока и токовых импульсов обратной связи формирователя, нормированных по

55

0

точника 19 оказывается замкнутым внутри формирователя. Этот режим соответствует нулевому выходному току формирователя, при этом интегратор 2 заряжается только входным током источника 1.

Постоянная времени интегрирующего усилителя-сумматора 3, равная С,

Ј R

R, С6 - соответст5

0

венно номиналы резистора ч и конденсатора 6, выбирается из условия (, 10-Тт, где 1Т - период такто вой частоты генератора 12.

Номиналы напряжений источников 7 пороговых напряжений Unopi( и Unop2. должны выбираться из условия

bull с

ипорг

-,где

}Т

- эта

лонный ток источника 19; С - номинал конденсатора 2.

Полярности источников порогового напряжения выбираются из условия приложения суммы их напряжений к входам первого 10 и второго 11 компараторов. Операционный усилитель 5 и компараторы 10 и 11 должны иметь малые входные токи.

Преобразование входного в , выходную частоту основано на принципе сравнения и уравновешивания зарядов интегратора 2 от входного тока и токовых импульсов обратной связи формирователя, нормированных по

5

амплитуде источников 19 тока и по длительности D-триггерами 13 и 14. Последние срабатывают по переднему фронту тактовых импульсов гене- ратора 12, поэтому длительность их состояний всегда кратна целому числу периодов тактовой частоты. Преобразователь образует следующую систему с замкнутой петлей импульсной отрицательной обратной связи, работающей на принципе дельта - сигма модулятора. В замкнутой системе происходят автоколебания с частотой, кратной тактовой частоте генератора 12.

Преобразователь работает следующим образом.

В исходном состоянии напряжение на выводах конденсаторов равно нулю При подаче положительного входного тока интегратор 2 заряжается в направлении увеличения на его выводах положительного напряжения. Данное напряжение в первые моменты времени практически без изменения попадает на выход интегрирующего усилителя- сумматора 3 и при превышении порога срабатывания первого компаратора 10 определяемого источником 7, вызывае срабатывание компаратора 10 и по переднему фронту тактового импульса D-триггера 13. Формирователь выдает импульс эталонного тока отрицательной полярности. В системе возникают автоколебания в соответствии с диаграммами б-з (фиг.2). Положительный входной ток уравновешен отрицательными импульсами эталонного тока, В этом случае второй компаратор 11 и второй триггер 14 находятся в устойчивом состоянии лог. О, так как порог срабатывания второго компаратора 11 разнесен от порога срабатывания первого компаратора 10 на величину напряжения, первышающую размах пилообразного напряжения на выводах интегратора 2.

Интегрирующий усилитель-сумматор 3 имеет передаточную характеристику W(P) 1 + -г---, т.е. его выFK4Kg

ходное напряжение равно Uj- Uc +

+ n Uf- dt. При его отсутствии

R4C6 J

о

для положительного входного тока

5

523776

среднее напряжение на нывсчлх интегратора 2 уравновешивается около напряжения 1 пор , первого источнике 7, а для отрицательного входного тока - около напряжения I „Ор г ОР° го источника 7. Наличие интегрирующего усилителя-сумматора 3 псчволя- ет непрерывно чувствовать среднее 10 значение напряжения интегратора и автоматически сводить его к нулю путем выработки напряжения коррекции, выделяемого на выводах конденсатора 6, U

цин U

корр

. Напряжение коррек корр.

включено последовательно

в контуре выходы интегратора - источник порогового напряжения - входы компаратора. Поскольку постоянная времени Ј выработки U«opp намного

превышает период повторения 1 с , то

i UKOpp Ј-Ј- J Ь с- dt является пракотически постоянным напряжением по

сравнению с переменным напряжением L c и выполняет функцию дополнительного управляемого источника порогового напряжения, изменением которого можно регулировать среднее значение L c . В контуре обратной связи осуществляется пропорционально интегри- рующее регулирование. Такое построение обеспечивает более высокую точность уравновешивания зарядов ИНТРграторов от входного тока и нормированных импульсов обратной связи.

При подаче отрицательного входного тока цепь обратной связи замыкается через второй источник 7 порогового напряжения, второй компаратор 11, второй триггер 14 и формирователь импульсов обратной связи. Наблюдается накопление отрицательного напряжения и уравновешивание его положительными импульсами эталонного тока формирователя (фиг.З, диаграммы и-п). Первый компаратор 10 и первый триггер 13 находятся в устойчивом состоянии лог. 1. Выходные импульсы преобразователя присутствуют Только на его втором выходе.

Частота выходных импульсов преобразователя с выходов элементов И 20

и 21, т.е. среднее число импульсов за единицу времени, определяется выражением

f выл 1вх т/ЦтВ предложенном устройстве источники 7 порогового напряжения выполнены в виде делителей напряжения, состоящих из резисторов 8 и стабили- зирующнх элементов 9, общая точка которых подключена к выходу операционного усилителя 5. Б этом случае подключения общей точки источников питания усилителя 5 и компараторов 10 и 11 к другим элементам преобразователя не требуется. Потенциалы источника 1 входного тока, интегратора

интегрирующего усилителя-сумматора 3, источников 7 и входов ком- парзторор 10 и 11 оказываются взвешенными по отношению к общей шине источников питания усилителя 5, ком- параторон 10, 11, ключей 15-18 и источника 19 эталонного тока, являю- щнхся общими на все аналоговые узлы преобразователя, что упрощает реализацию всего устройства. В этом случа источник 19 может быть гальванически завязан и запитан от источников пи- тания узлов (5, 10, 11).

Предложенный преобразователь обеспечивает двойное уменьшение размаха пилообразного напряжения интегратора. Достигнутый порог чувствитель- ности составляет менее 10 нА, линейность преобразования не хуже О;0001%, выходная частота при нулевом входном токе практически равна нулю (данные приведены при примене- нии усилителя 5, компараторов 10 и 11 типа 5А4УД2, ключей типа 590КН5, триггеров типа 533ГЫ8, Iэт 20 мА, Гт 20 кГц, С 1 мкФ, R 4 2 МОм, С6 0,047 мкФ).

Повышение точности преобразования в области малых токов достигнуто благодаря уменьшению частоты переключения ключей формирователя импульсов обратной связи. При нулевом входном токе отсутствует заряд интегратора под его воздействием, а следовательно, его разряд импульсом эталонного тока. В формировании импульса эталонного тока участвуют только два ключа формирователя, при этом диапазон изменения амплитуды импульса эталонного тока равен I5Т. Разделение двух полярностей входного тока осуществляется применением двух компараторов и двух триггеров, работающих с различными порогами срабатывания, В известном устройстве при формировании импульсов эталонного тока одновременно переключаются все четыре ключа мостового коммутатора, при этом диапазон изменения амплитуды импульса эталонного тока составляет 2 I эт.

В предложенном устройстве среднее значение напряжения интегратора равномерно во всем диапазоне входных токов I 6у и близко к нулю с точностью до напряжения смещения интегрирующего усилителя-сумматора 3.

Формула изобретения

Преобразователь ток - частота с импульсной обратной связью, содержащий источник входного тока, выходы которого объединены с соответствующими выводами интегрирующего элемента, выполненного на конденсаторе, с соответствующими выходами формирователя импульсов биполярного эталонного тока, выполненного на мостовом коммутаторе и источнике эталонного тока, включенном в первую диагональ мостового коммутатора, вторая диагональ которого является соответствующим выходом формирователя импульсов биполярного тока и подключена к первому и второму входам интегрирующего усилителя-сумматора, первый вход которого объединен с неинвертирующим входом первого компаратора, выход которого соединен с D-входом первого D-триггера, С-вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, прямой выход соединен с первым управляющим входом мостового коммутатора и первым входом первого элемента И, второй вход которого объединен с первым входом второго элемента И и подключен к выходу генератора тактовых импульсов а второй вход второго элемента И соединен с инверсным выходом первого D-триггера, выходы первого и второго элементов И являются соответственно первой и второй выходными шинами, отличающийся тем, что, с целью упрощения преобразователя, в него введены второй компаратор, второй D-триггер и первый и второй источники порогового напряжения, выполненные каждый соответственно на диоде и резисторе, первый вывод которого подключен к соответствующей шине питания, причем неинвертирующий вход второго компаратора объединен с неинвертирующим входо первого, их инвертирующие входы подключены соответственно к вторым выводам первого и второго резисторов, при этом инвертирующий вход первого компаратора соединен с анодом диода первого источника порогового напряжения, а инвертирующий вход второго компаратора - с катодом диода второго источника порогового напряжения, катод и анод диодов соответственно первого и второго источников пороговых напряжений подключены к

выходу интегрирующего усилителя-сумматора, а выход второго компаратора соединен с D-входом второго D- триггера, прямой выход которого соединен с третьим входом первого элемента И и вторым управляющим входом мостового коммутат.ора, третий управляющий вход которого объединен с третьим входом второго элемента И и подключен к инверсному выходу второго D-триггера/ а инверсный выход первого D-триггера соединен с четвертым управляющим входом мостового коммутатора.

1ДППД1ШШ1ППППППГШПШ1ПШШПППП

ис

л л nnnm nnnn n JT

н

t/гг

Ззт

UUl-JlJnLJTJl-JlJlJlJl-Г /9мг./ Jl Jl JULJLJlJT-jm-JLJLJl Jin n.

.

fltttf

:

fr

шппплпллппллплпшшппплппшиг, t

uc

t

UK

ГЬЕ

u

JJL

u

Ti

ш

JJL

7

ЙЬ

LJ

К

//}«///

ПЛППППП nnnnnnn nnnnnnn nn

t

i

LC1

t t

a