Преобразователь аналогового сигнала в частоту с импульсной обратной связью Советский патент 1990 года по МПК H03M1/60 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в измерительных и управляющих системах для преобразования биполярного напряжения или тока в частоту следования импульсов.

Цель изобретения - повьппение точности преобразования.

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

Преобразовате. (фиг.1) содержит источник 1 входного тока, выполненный на первом 2 и втором 3 источниках входного напряжения, резисторах 4-8, первом 9 и втором 10 операционных усилителях и резисторе 11, интегратор 12 на конденсаторе, интегрирующий усилитель-сумматор 13, вьтолненный на операционном усилителе 14, резисторе 15 и .конденсаторе 16, источник 17 порогового напряже00 00

Hi-тя, первый 18 и второй 19 компараторы, генератор 20 тактовых импуль- сЬв, триггер 21, элемент 2И-2ИЛИ 22j триггер 23, формирователь нормирован кых и fflyльcoв обратной связи, выполненный в виде мостового коммутатора из четырех ключей 24-27 и источника 28 эталонного тока, элемент И 29, э пемент ШШ 30.

I На фиг. 2 представлены следующие в|ремеНные диаграммы: а - импульсы трактовой частоты f генератора 20; б,к,т - эпюры пилообразного напряже- Н|ия.на выводах интегратора 12; в,,л, у| - эпюры выходного напряжения интег р ирующего усилителя-сумматора 13; г| - импульсы на выходе второго ком- Наратора 19; д,и,х - значения текуще rjo знака на выходе триггера 21; е,о, Ц - импульсы на выходе элемента 2И- 2|ИЛИ 22; ж,п,ч - импульсы на выходе ijpHrrepa 23; з,р,ш - импульсы эталон його тока на выходе формирователя; Ц,с,щ - выходные импульсы преобразо- ателя на выходе элемента ИЛИ 30,

; Источник 1 входного тока обеспечивает высокое выходное сопротивление г|ри выполнении условия

I Н. Н

i R2 R4

де R1,R2,R3,R4 - номиналы сопротив- з 1ений резисторов 4-7. Значение вьгход його тока источника 1 , затекающего в интегратор 12, описывается выражением

)n«T K«,,R,/R2-R3.r, Где и sU . напряжения входных источников 2 и 3;

К

40

пит

ос аг

коэффициент передачи источника 1 ;

номиналы сопротивлений резисторов 8 и 1 1. На фиг.2 эпюры б-и раскрывают про- есс преобразования входного напряже1

ИЯ,

равного , у и

эпюры к-с - входного напряжения , - у -и, ,, а эпюры т-щ - входного

напряжения , -у

и.. - максимально

W о(КС

нов напряжение.

и

возможное вход- определяемое как где I ,, - значение

- п I . -

28 эталонного тока. Ключи мостового коммутатора включаются при появлении на соответствую|лаксисточника

1,г/Кпцг

0

5

0

5

0

0

5

щем управляющем входе лог. О, а выключаются лог. 1 (например, может быть применена микросхема аналоговых ключей 590 КН 5),

Элемент ИЛИ 30, стробируемый импульсами генератора 20, фиксирует моменты времени, когда оказываются включенными диагональные ключи мостового коммутатора и формирователь нормированных иьшульсов обратной связи выдает импульсы эталонного ток- ка.

Преобразование входного напряжения в выходную частоту основано на принципе сравнения и уравновешивания зарядов интегратора 12 от входного тока источника 1 и уравновешивающих импульсов обратной связи формирователя, нормированных по амплитуде источником 28 эталонного тока и длительности генератором 20 и триггерами 21 и 23. Преобразователь тока в частоту образует следящую систему с замкнутой петлей отрицательной обратной связи, работающей на принципе дельта-сигма модулятора. В замкнутой системе происходят автоколебания с частотой, кратной тактовой частоте генератора 20.

Преобразователь работает следую- щим образом.

Измеряемое напряжение источников 2 и 3 преобразуется в пропорциональ- ньй ток и непрерывно заряжает конденсатор 12. При превышении напряжения и л источника 3 над напряжением U, источника 2 напряжение на выводах конденсатора 12 начинает увеличиваться (фиг.2б). Напряжение на выходе интегрирующего усилителя-сумматора 13 равно сумме напряжения на выводах конденсатора 12 и напряжения на выводах конденсатора 16, поэтому по форме оно повторяет входное напряжение (фиг.2в). При превышении напряжения Ufjijp порога срабатывания второго компаратора 19, определяемого положительным источником 17, второй компаратор выдает единичный импульс (фиг.2г) и триггер 21 устанавливается в состояние лог.О (Фиг.2д), фиксируя текущее значение полярности входного напряжения. Информация второго компаратора 9 будет также передана через элемент 2И-2ИЖ 22 на триггер 23 и в момент времени, когда на выходе появится лог, 1, формирователь нормированных импульсов обратной

связи выдаст эталонный импульс отрицательной полярности, компенсирующий заряд конденсатора 12, накопленный от входного сигнала (фиг.2е,ж,з). На выходе элемента ИЛИ 30 появятся импульсы, являющиеся частью импульсов генератора 20, частота котсьрых будет пропорциональна входному напряжению.

В общем случае мостовой коммутатор может иметь четыре состояния. Первые два случая соответствуют моментам времени, когда триггеры 21 и 23 находятся в одинаковых состояниях и оказываются включенными ключами 24 26 или 25,27. При этом источник 28 эталонного тока оказывается замкну- тым через указанные ключи и формирователь импульсов обратной связи выдает в интегратор 12 нулевой ток. Вторые два случая соответствуют моментам времени, когда триггеры 21 и 23 находятся в противоположных состояниях и оказываются включенными диагональные ключи 24, 27 или 25,- 26 При этом источник 28 эталонного тока через указанные ключи подключается к выводам интегратора 12 и формирователь импульсов обратной связи выдает положительный или отрицательный импульс эталонного тока.

При превышении напряжения U источника 2 над напряжением источника 3 напряжение на выводах конденсатора 12 уменьшается до момента срабатывания первого компаратора 18. При этом единичный импульс на его выходе устанавливает триггер 21 в состояние лог. 1, фиксируя текущее значение отрицательной полярности входного сигнала (фиг.2к,л,м,н), Информация первого компаратора 18 через его инверсный выход будет передана через элемент 2И-2ИЛИ 22 на триггер 23, и формирователь нормированных импульсов обратной связи выдаст эталонный импульс положительной полярности, компенсирующий заряд конденсатора 12, накопленный от отрицательного входного сигнала (фиг.2с,п,р). На выходе элемента ИЛИ 30 появятся выходные частотные импульсы преобразователя (фиг.2с).

Для устойчивого разделения полярности входного сигнала на выходе триггера 21 пороги срабатывания первого 18 и второго 19 компараторов должны быть разнесены на величину на7, определяемого

пряжения источника из условия

пор - - эг - г

где Т - период тактовой частоты генератора 20; С - емкость конденсатора 12.

В устройстве показания на выходе схемы формирования разряда преобразователя будут изменяться только при на- накоплении на конденсаторе 12 напряжения U(, , превышающего U лдр . При преобразовании входного напряжения малого уровня на уровне знакопеременных помех снижается чувствительность изменения показаний знакового разряда и уменьшается частота переключения ключей мостового коммутатора, что улучшает линейность преобразования напряжения в частоту.

Частота выходных импульсов преобразователя с выхода элемента ИЛИ 30 определяется выражением

П«т ПТЧ

вих (,).К,

где - коэффициент передачи преобразователя тока в частоту.

В устройстве между выводами интегратора 12 и входами устройства сравнения включен интегрирующий усилитель-сумматор 13, имеющий передаточную характеристику

1 P-R15-C16

W(p) 1 +

0

5

где C16,RI5 - номиналы конденсатора 16 и резистора 15.

Работа устройства сравнения по сумме напряжения интегратора 12 и напряжения, пропорционального интегралу от напряжения интегратора 12, позволяет непрерывно чувствовать постоянную составляющую напряжения интегратора 12 и автоматически сводить ее к нулю во всем диапазоне входных напряжений (фиг.26,в,к,л,т,у). Напряжение пилообразной формы на выводах интегратора 12 всегда симметрично около нуля, данное свойство уменьшает влияние сопротивления утечки интегратора. Постоянная времени интегрирующего усилителя-сумматора 13 вы- бирается из условия R15-C16 10-Т .

Структура предлагаемого преобразователя напряжения в частоту позволяет получить точность преобразования на уровне +(1-5)- .

0

Ф;ормула, изобретен и я

1. Преобразователь аналогового С1 гнала в частоту с импульсной обратной связью, содержащий источник вход Hdro тока, выход которого соединен с соответствующим первым выводом интег р4тора, выполненного на конденсаторе первый и второй выводы которого соединены с первым и вторым входами ин{тегрирующего усилителя-сумматора и со|ответствую1цими выходами формирова- те|ля нормированных импульсов обратно , выполненного на мостовом ком- м таторе из четырех ключей и источни кё эталонного тока, включенном в пер диагона; ь мостового коммутатора, вт| орая диагональ которого является выходами формирователя нормированных и4пульсов обратной связи, к первому и: которых подключен неинвертирующий В1:од первого компаратора, инвертирующий вход которого соединен с выходом

тегрирующего усилителя-сумматора.

И

а I прямой выход подключен к первому первого триггера, второй вход кёторого объединен с первым входом второго триггера и первыми входам1я первого и второго элементов И, и подключен к выходу генератора тактовых И1|тульсов, второй вход первого эле- м(нта И объединен с первым управляю- lUjjiM входом мостового коммутатора и пфдключен к прямому выходу второго )иггера, инверсный выход которого соединен с вторым управляющим входом мостового коммутатора и подключен к второму входу второго элемента И, третий вход которого объединен с третьим управляющим входом мостового коммутатора и подключен к прямому выходу первого триггера, инверсный выход которого соединен с четвертым управляющим входом мостового коммутатора и третьим входом первого элемента И, неинвертирующий вход второг компаратора соединен с выходом интегрирующего усилителя-сумматора, о т- лич ающийся тем, что, с де- лЬю повышения точности.преобразования, в него введены источник порогового напряжения, элемент ШШ, эле

мент 2И-2ИЛИ, первый вход которого соединен с инверсным выходом первого компаратора, второй вход - с прямым выходом первого триггера, инверсный выход которого подключен к третьему входу элемента 2И-2ИЛИ, четвертый вход которого объединен с третьим входом первого триггера и подключен к выходу второго компаратора, второй вход которого через источник порогового напряжения соединен с общей г ш- ной и первым входом формирователя нормированных импульсов обратной свя- зи, прямой и инверсный выходы элемента 2И-2ИЛИ подключены соответственно к второму и.третьему входам второго триггера, выходы первого и второго элементов И соединены с первым и вторым входами элемента ИЛИ,выход которого является выходной информадион- ной шиной, а прямой ход первого триггера является выходной знаковой шиной ,

2. Преобразователь по п. 1, о т - личающийся тем, что источник входного тока выполнен в виде измерительного преобразователя на- . пряжения в ток на двух операционных усилителях, и шести резисторах, первые выводы первого и второго из которых подключены соответственно к первым выходам первого и второго источников входного напряжения, вторые выводы подключены соответственно к инвертирующим входам первого и второго операционных усилителей и к первым выводам соответственно третьего и четвертого резисторов, вторые выводы которых подключены к выходам первого и второго операционных усилителей соответственно и к первым выводам соответственно пятого и шестого резисторов, второй вывод пятого резистора объединен с первым выводом четверто0

5

0

5

0

5

0

го, а второй вывод шестого резистора подключен к неинвертирующим входам первого и второго операционных усилителей и является выходом измерителх- ного преобразователя, вторые выходы первого и второго источников входного напряжения подключены к общей шине.

П

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в измерительных и управляющих системах для прецизионного преобразования биполярного напряжения или тока в частоту следования импульсов. Цель изобретения - повышение точности преобразования в области сигналов малого уровня. Преобразователь содержит измерительный преобразователь напряжения в ток, в состав которого входят первый и второй источники входного напряжения, резисторы первый и второй операционные усилители и резистор, интегратор на конденсаторе, интегрирующий усилитель-сумматор, включающий операционный усилитель, резистор и конденсатор, источник порогового напряжения, первый и второй компараторы, генератор тактовых импульсов, знаковый триггер, логический элемент 2И-2ИЛИ, управляющий триггер, формирователь нормированных импульсов обратной связи, выполненный в виде мостового коммутатора из четырех ключей и источника эталонного тока, элемент И и элемент ИЛИ. В преобразователе производится интегрированное определение полярности входного сигнала. При этом в области малых сигналов при наличии знакопеременных помех уменьшается частота переключения ключей мостового коммутатора, что приводит к уменьшению нелинейности преобразования. Исключен разрыв цепи, соединяющей выходы источника входного тока с выводами интегратора, что расширяет область применения преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

c«