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

фиг.1

Изобретение относится к импульсной технике, может быть использовано в автоматических системах управления и обработки аналоговой информации и является усовершенствованием изобретения по авт.св. № 1А51863.

Цель изобретения - повышение точности преобразования,

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

Преобразователь содержит источник 1 входного тока, интегратор 2, выполненный на конденсаторе, первый интегрирующий усилитель - сумматор 3, выполненный на резисторе 4, конденсаторе 5, операционном усилителе 6, второй интегрирующий усилитель-сумматор 7, выполненный на резисторе 8, конденсаторе 9 и операционном усилителе 10, первый компаратор 11, второй компаратор 12,- генератор 13 тактовых импульсов, первый 14 и второй 15 триггеры, мостовой коммутатор, состоящий из четырех ключей 16-19, источник 20 эталонного тока и первый 21 и второй 22 элементы И.

Совокупность элементов из первого 14 и второго 15 триггеров, мостового коммутатора 16-19 и источника 20 эталонного тока представляет собой формирователь нормированных импульсов обратной связи. Первый 21 и второй 22 элементы образуют блок формирования выходных импульсов преобразователя.

На временных диаграммах (фиг. 2 и 3} 2а, За - импульсы тактовой рас- тоты генератора 13 fT; 26, 2е, 2л, 36, Зл - эпюры пилообразного напряжения Uc интегратора 2; 2в, 2ж, 2з, 2р, 2с, Зж, Зз, Зр, Зс - импульсы на прямых выходах первого UT1 и второго U7a триггеров; 2г, 2и, 2т; Зи, Зт - выходные импульсы на первом fBWXi вы ходе преобразователя; 2д, 2к, 2у, Зк, Зу - выходные импульсы на втором f8bl выходе преобразователя; 2м, Зв, Зм - эпюры пилообразного напряжения U на выходе первого интегрирующего усилителя-сумматора 3 (на входах первого компаратора 11 между его инвертирующим и неинвертирующим входами); 2о, Зд, Зо - эпюры пилообразного напряжения выходе второго интегрирующего усилителя-сумматора 7 (на входах второго компаратора 12 между его

5

0

5

0

5

0

5

0

5

инвертирующим и неинвертирующим входами) ; 2н, Зг, Зн - импульсы UKO| на выходе первого компаратора 11; 2п, 3es Зп - импульсы U на выходе второго компаратора 12.

На фиг. 2 временные диаграммы 2а, 26, 2в, 2г, 2д раскрывают процесс преобразования положительного входного тока величиной Iw +1/9 1эгцпя известного преобразователя ток-частота и предлагаемого в момент времени после его включения; временные диаграммы 2е, 2ж, 2з, 2и, 2к - процесс преобразования входного тока 1ВХ +1/9 19Т для предлагаемого преобразователя в момент времени после некоторого заряда конденсаторов 5 и 9; временные диаграммы 2л - 2у - последовательно процесс преобразования тока 1ех +1/9-1эт после полного заряда конденсаторов 5 и 9; временные диаграммы 36 - Зк - последовательно процесс преобразования положительного входного тока IBX +6/7 « 1ЭТ, а диаграммы Зл - Зу - отрицательного входного тока 1ВХ -6/7 1ЭТ.

Ключи 16-19 мостового коммутатора включаются при появлении на соответствующем управляющем входе сигнала Лог. О, а выключаются сигналом Лог. 1. Первый элемент И 21 фиксирует моменты времени, когда оказываются включенными ключи 16 и 18 и формирователь нормированных импульсов обратной связи выдает импульсы эталонного тока отрицательной полярности. Этот режим соответствует положительному входному току (эпюры Зб-Зк). Второй элемент И 22 фиксирует моменты времени, когда оказываются включенными ключи 17 и 19, также ключи 16 и 18 и формирователь нормированных импульсов обратной связи выдает импульсы эталонного тока положительной полярности. Этот режим соответствует отрицательному входному току (эпюры Зл- Зу). Выходные импульсы преобразователя являются частью импульсов тактовой частоты генератора 13

Ключи 16-19 мостового коммутатора управляются с прямых и инверсных выходов двух триггеров 14 и 15, поэтому в общем формирователь импульсов обратной связи может иметь четыре состояния. При совпадении, состояний триггеров 14 и 15 оказываются включенными диагональные ключи 16 и 18 или 17 и 19, в этом случае ток эталонного источника 20 появляется на выходе формирователя и затекает в интегратор 2. При любом несовпадении состояний триггеров 14 и 15 оказываются включенными ключи 16 и 19 или 17 и 18, при этом ток эталонного источника 20 оказывается замкнутым внутри формирователя. Этот режим соответствует нулевому выходному току формирователя, при этом интегратор 2 заряжается только входным током источника 1.

Преобразование входного тока в выг ходную частоту основано на принципе сравнения и уравновешивания зарядов интегратора 2 от входного тока и токовых импульсов обратной связи формирователя, нормированных по амплитуде стабилизатором 20 тока и по длительности триггерами 14 и 15. Последние срабатывают по переднему фронту тактовых импульсов генератора 13, поэтому длительность их состояний всегда кратна целому числу периодов тактовой частоты. Преобразователь образует следящую систему с замкнутой петлей импульсной отрицательной обратной связи, работающей на принципе дельта-сигма модулятора. В замкнутой системе происходят автоколебания с частотой, кратной тактовой генератора 13.

Преобразователь работает следующим образом.

В исходном состоянии напряжение на. выводах конденсаторов 2, 5 и 9 равно нулю. При подаче положительного входного тока на выводах интегратора 2 возникают колебания пилообразного напряжения, например для входного тока I ьх +1/9 15т (фиг. 26 ). Постоянные

времени интегрирующих усилителей-сумматоров 3 и 7, равные С3 Rq С 5 и

Ј7 RaC9

RA RS

С, где л4, л8, v,5,

соответственно номиналы резисторов 4 и 8 и конденсаторов 5 и 9, выбирают

например,

-, ю-тт

из условий , где Тт - период

т тактовой частоты генератора 13. В первый момент времени после включения питания напряжения на конденсаторах 5 и 9 близки к нулю, а выходные напряжения интегрирующих усилителей-сумматоров 3 и 7 равны напряжению на выходах интегратора 2. В этом случае компараторы 11 и 12 и триггеры 14 и 15 работают синхронно. Положительный входной ток уравновешивается чередующимися .один за другим импульсами обратной

0

связи двух полярностей, причем число с рпцательных импульсов превышает чисио положительных импульсов обратной связи. Величина входного тока определяется разностью числа импульсов по двум выходам преобразователя (фиг. 2в, гр д). Среднее значение пилообразного напряжения интегратора зависит от величины и полярности входного тока

и определяется выражением Uc

Cf

Т1мдкс а полный размах ис

ck

образного напряжения равен о I эт Тт

1в

- пило0

5

0

5

где

-ex

входной ток источника 1{ 19Т- эталонный ток источника 20;

0С - номинал конденсатора 2.

Под воздействием напряжения интегратора 2 осуществляется накопление заряда на конденсаторах 5 и 9 интех- рирующих усилителей-сумматоров 3 и 7.

5 Накопленные напряжения на их выводах выполняют роль управляемых источников порогового напряжения для первого 11 .и второго 12 компараторов. Для положительного входного тока наблюдается накопление положительного напряжения на выводах конденсатора 9 (между выходом усилителя 10 и его инвертирующим входом). Это приводит к смещению моментов срабатывания второго компаратора 12 и второго триггера 15 так, что синхронность работы триггеров 14 и 15 нарушается. Появляются моменты времени, когда включены ключи 17 и 18 и выключены ключи 1 б и 19(фиг. 2е-2к), т.е. формирователь импульсов обратной связи приобретает третье состояние паузы или нулевого выходного тока. При полном заряде конденсаторов 5 и 9 выходное напряжение интегрирующего усилителя-сумматора 3 биполярное (эпюра 2м), а интегрирующего усилителя-сумматора 7 униполярное (эпюра 2о). При этом второй компаратор 12, второй триггер 15 стано-

вятся в устойчивое состояние Лог. О, ключ 18 постоянно включен, а ключ 19 выключен (эпюры 2п, 2с). Положительный входной ток уравновешивается только отрицательными импульсами обратной связиэ которые подключаются через цепь обратной связи из первого интегрирующего усилителя-сумматора 3, первого компаратора 11s первого триггера 14 и ключей 16 и 17. Выходные импульсы преобразователя присутствуют только на его первом выходе. Среднее значение входного тока за много периодов тактовой частоты с высокой точностью равно среднему значению нормированных импульсов эталонного тока. Уравновешивание входного тока импульсами обратной связи только одной полярности является следствием работы цепи обратной связи через интегрирующие усилители-сумматоры 3 и 7, работающей в направлении уменьшения размаха пилообразного напряжения интегратора 2. При полном уравновешивании размах напряжения интегратора уменьшается в два раза и достигает величины .Макс 19Т-ТТ

U

Для положительного вход

5

второй триггер 15 и ключи 18 и 19. Наблюдается накопление отрицательного напряжения на выводах конденсатора 5 (между инвертирующим входом и выходом усилителя 6). Первый компаратор 11, , первый триггер 14 становятся в устойчивое состояние Лог. 1, ключ 16 постоянно выключен, а ключ 17 включен. Отрицательный входной ток уравновешивается только положительными импульсами обратной связи. Выходные импульсы преобразователя присутствуют только на его втором выходе.

Частота выходных импульсов преобразователя с выходов элементов 21 и 22, т.е. среднее число импульсов за единицу времени, определяется выражением

Изобретение относится к импульсной технике, может быть использовано в качестве прецизионного преобразователя ток-частота в автоматических системах управления и устройствах обработки аналоговой информации и является усовершенствованием устройства по а.с. N 1451863. Цель - повышение точности преобразования в области малых токов путем уменьшения частоты переключения ключей формирователя нормированных импульсов обратной связи. Устройство содержит источник входного тока, интегратор, первый 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 второй интегрирующий усилитель-сумматор 7, второй компаратор 12 и второй триггер 15. При этом входы второго интегрирующего усилителя-сумматора 7 подключены к выводам интегратора 2, а выходы - к входам второго компаратора 12, выход которого подключен к D-входу второго триггера. Прямой и инверсный выходы второго триггера подключены к входам мостового коммутатора и входам элементов И соответственно, а C-вход второго триггера подключен к выходу генератора тактовых импульсов. В преобразователе входной ток уравновешивается импульсами эталонного тока противоположной полярности и обеспечивает нулевую выходную частоту при нулевом входном токе. Выходное напряжение интегратора всегда симметрично около нуля и не содержит постоянной составляющей. 3 ил.

ного тока первый интегрирующий усили- 20 тель-сумматор 3 следит за средним значением напряжения интегратора и путем накопления напряжения смещения на выходах конденсатора 5 и коррекции моментов срабатывания первого компа- 25 ратора 11 сводит его к нулю (эпюру 2л). Благодаря этому пилообразное напряжение интегратора всегда симметрично около нуля.

Первый 3 и второй 7 интегрирующий усилители-сумматоры имеют передаточные характеристики

W(p) - 1+ - .

где С - номиналы конденсаторов 5 и 9;

R - номиналы резисторов 4 и 8, т.е.

IM«fT/I

эт

тактовая частота генератоих выходные напряжения равны Ui- с + RC 0 -dtJ....

где fT

pa 13.

Получена структурная схема с симметричным расположением узлов и элементов 3, П, 14, 16, 17, 21 и 7, 12 15, 18, 19, 22 с другой стороны, поэтому их разделение на первый и второй элементы является условным. Например, для положительного входного тока возможна ситуация, когда цепь обратной связи замкнута через второй интегрирующий усилитель-сумматор 7, второй компаратор 12, второй триггер и ключи 18 и 19. При этом в устой чивое состояние становятся первый ин- 35 тегрирующий усилитель-сумматор 3, первый компаратор 11, первый триггер 14, ключи 16 и 17, т.е. первая и вторая цепи обратной связи меняются

30

45

л ролями, однако это не приводит к ис- Работа компаратора по сумме напря- 40

жения интегратора и напряжения, пропорционального интегралу от напряжения интегратора, позволяет непрерывно чувствовать среднее значение напряжения интегратора и автоматически сводить к нулю во всем диапазоне входных токов -I эт IBX . В контуре обратной связи осуществляется пропорционально-интегрирующее регулирование. Такое построение обеспечивает более высокую точность уравновешивания зарядов интегратора от входного тока и нормированных импульсов обратной связи.

При подаче отрицательного входного 55 тока цепь обратной связи замыкается через второй .интегрирующий усилитель- .сумматор 7, второй компаратор 12,

50

кажению выходной информации-с выходов

элементов И 21 и 22.

В преобразователе повышение точности преобразования в области малых токов достигается благодаря умень шению частоты переключения ключей формирователя импульсов обратной связи. При нулевом входном токе отсутствует заряд интегратора под его воздей ствием и, следовательно, разряд интегратора импульсом эталонного тока, частота переключения ключей формирователя и выходная частота преобразова теля равны нулю.

Формула из.обретения

Преобразователь ток-частота с импульсной обратной связью по авт.ев,

5

IM«fT/I

эт

тактовая частота генерато -емугде fT

pa 13.

Получена структурная схема с симметричным расположением узлов и элементов 3, П, 14, 16, 17, 21 и 7, 12, 15, 18, 19, 22 с другой стороны, поэтому их разделение на первый и второй элементы является условным. Например, для положительного входного тока возможна ситуация, когда цепь обратной связи замкнута через второй интегрирующий усилитель-сумматор 7, второй компаратор 12, второй триггер и ключи 18 и 19. При этом в устойч чивое состояние становятся первый ин- 5 тегрирующий усилитель-сумматор 3, первый компаратор 11, первый триггер 14, ключи 16 и 17, т.е. первая и вторая цепи обратной связи меняются

0

ролями, однако это не приводит к ис-

кажению выходной информации-с выходов

элементов И 21 и 22.

В преобразователе повышение точности преобразования в области малых токов достигается благодаря уменьшению частоты переключения ключей формирователя импульсов обратной связи. При нулевом входном токе отсутствует заряд интегратора под его воздействием и, следовательно, разряд интегратора импульсом эталонного тока, частота переключения ключей формирователя и выходная частота преобразователя равны нулю.

Формула из.обретения

Преобразователь ток-частота с импульсной обратной связью по авт.ев,

/Г 1ШШ Ш1Ш1Ш1Ш1Ш

и.

S

ь t

iffft п п пп п п п , ,п п „ f

шг

45L+

h п п п п п пп п п п п пп

fSsrxZ,

п п п

п п

45L+

пп

п п п

г п п

IL

п п

t

фце.2

t/T

и тйттштБшшлтшшшшмши:

S№LЈ. --.... .л /. /. t

i /

tf2

t1

P %г

™ LEnuoica. e-sn

,,

риигэЕЯи - ;;

Ч/Т2