Преобразователь напряжения в интервал времени Советский патент 1991 года по МПК H03M1/52 

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и можег быть использовало в составе информационно-измерительных систем автоматического контроля, в частности цифровых вольтметрах для измерения удельного электрического сопротивления полупроводниковых материалов двухзон- довым методом, четырехзондовым методом и методом сопротивления растекания

Цель изобретения. - повышение разрешающей способности и обеспечение возможности преобразования напряжения обеих полярностей,,

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

Преобразователь напряжения в интервал времени содержит первый 1 и второй 2 ключи, масштабный усилитель 3, операционный усилитель 4, токоог- рапичиваюшии элемент 5, выполненный на резисторе, третий 6 и четвертый 7 ключи, накопительной эпемент, выполненный в виде конденсатора 8, пятый -9 и шестой 10 ключи, компаратор 11, логический олок 12, блок 13 управления, седьмой ключ 14, делитель 15 напряжения, восьмой 16, девятый 17 и десятый 18 ключи, дополнительный масштабный усилитель 19, дополнительный токоограничиваюпрти элемент 20, выполненный в виде резистора, потенциометр 21 и одиннадцатый ключ 22.

Логический бпок 12 выполнен на первом 23, втором 24, третьем 25 и четOS

ю

А

.

1

КЗ

вертом 26 элементах И, первом 27 и втором 28 триггерах и одновибраторе 29.

На фиг„ 2 и 3 обозначены; А А, , F - сигналы на первомf втором и третьем выходах генератора: тактовых импульсов (блока 13 управления)5 % - из- менение напряжения на нижней обкладке конденсатора 8 относительно верхней; JQ В - сигнал на выходе компаратора 11| С - сигнал на выходе первого триггера 27 и на управляющих входах четвертого и одиннадцатого ключей 14 и 22| D - сигнал на выходе второго триггера 28 $ и на управляющем входе девятого ключа М Е - сигнал на выходе четвертого элемента И 26 и на управляющем входе десятого ключа 18j G - сигнал на выходе третьего элемента И 25 к на управ- 20 ляющем входе второго ключа 2; Н - сравнение потенциалов на входах компаратора 11 с учетом собственных шумов последнего.

Преобразователь работает следующим 25 образом.

В первый полупериод работы преобразователя в течение фиксированного интервала времени Т интегрируется сумма преобразуемого напряжения Ux и з напряжения на первом выходе делителя 15 напряжения U0- K. По окончании интервала времени Т состояние ключей и 7,9 изменяется,, вызывая переворот конденсатора 8 в цепи отрица3

35

тельной обратной связи операционного усилителя 4 о Данное включение сохраняется в течение второго полупериода преобразования также длительностью Т

В начале второго полупериода преоб- Q разования в течение информативного интервала времени Ту посредством одиннадцатого ключа 22 принудительно изменяется порог срабатывания компаратора 11 (напряжение Un и происходит интег- д5

рирование опорного сигнала Up на конденсаторе 8, причем напряжение на последнем убывает. В момент достижения напряжением на конденсаторе 8 порогового напряжения U компаратора 11 пос- Q ледний формирует положительный импульс, обеспечивающий отключение опорного сигнала UQ и подключение уменьшенного опорного сигнала U0 Kg $ второго выхода делителя 15 напряже- ния. В этот момент формируется передний фронт дополнительного информативного интервала времени Т и устанавливается собственный порог срабатывания компаратора 11. Фронт окончания интервала времени т формируется компаратором 11 в момент снижения напряжения на конденсаторе 8 до собственного порога срабатывания, В оставшееся время до начала следующего цикла преобразования, входы масштабных усилителей 3 и 19 подключаются к общей шине и поэтому на конденсаторе 8 може интегрироваться только напряжения смещения 1, включающее напряжение смещения масштабных усилителей 3 и 19 и операционного усилителя 4.

Поскольку инверсия включения конденсатора в цепи отрицательной обратной связи осуществляется через полупериод преобразования, влияние напряжения смещения 1 (в силу постоянства) практически исключается из результата преобразования.

Обеспечение максимальной разрешающей способности преобразователя предполагает выполнение условии, описываемых системой уравнений:

Уа1К± т + УО

RC RC х°

UoKi

RC °

U + Mi n R С

тхо о;

с Г7 и°Кг

i|s0 uf sci;;

U0K1 иХмякс

0; (1)

(2)

(3) (4)

де UQ - напряжение опорного сигнала

(положительное); Uj( - максимальное положительное напряжение преобразуемого

сигнала;

4 и К Ј - коэффициенты передачи делителя 15 напряжения для первого и второго выходов; Т - длительность полупериода

преобразования;

Туо- информационный интервал времени при U x 0;

TXQ- дополнительный информативный интервал времени при Ux 0;

R - сопротивление резисторов 5 и 20 (сопротивления могут быть неравными); С - емкость конденсатора 8; U n - напряжение порога срабатывания компаратора 11 в течение интервала времени Тх;

s. 51621177

спектральная плотность приuf f веденных к входу собственных шумов компаратора 11; частота единичного усиления компаратора 11; частота импульсов синхронизации на третьем выходе блока 13 управления.

Уравнение (1) справедливо для случая, когда напряжение преобразуемого сигнала 1)х 0.

Уравнение (2) характеризует операцию интегрирования уменьшенного делителем 15 напряжения опорного сигнала UQ за время ТХо.

Уравнение (3) определяет скорость изменения напряжения на конденсаторе 8 во время интегрирования уменьшенного делителем 15 напряжения опорного сигнала UQ за время Т. Максимальная разрешающая способность достигается при скорости, равной отношению напряжения собственных шумов компаратора 11 (фиг. 3) к периоду импульсов синхронизации (1/ff) на третьем выходе блока 13 управления.

Уравнение (4) определяет динамический диапазон преобразуемого сигнала U.

Параметры UQ, К(, U , R С для

Т до минимально возможного с практической точки зрения. В этом случае разрешающая способность преобразователя для обеих полярностей сигнала Ux должна быть не менее, чем

N

х макс

хо

fF/K

2

(Ю)

10

.-t

Т

ПРИ lWc 1,5В; Т 240 с; ,0 9- UT с; тЈ0 Кг 1/16,

15

20

25

30

fp 10 Гц и при использовании в качестве компаратора 11 операционного усилителя КР544Д1А с ДЈ Ю6 Гц и

л|но З Ю В/Гц по соотношениям (5)- -(8) легко определить Uo 3,33 В; U RC 6,8ЧСГ3с; К,0,453. В этом случае, используя соотношение (10), можно определить NXM01)e

144000. Это почти в шестнадцать раз превышает значение разрешающей способности преобразователя-прототипа.

Таким образом, предлагаемый преобразователь обладает более высокой разрешающей способностью и обеспечивает возможность преобразования входных сигналов обеих полярностей.

Формула изобретения

данного преобразователя являются искомыми.

Решение системы уравнений имеет следующий вид:

ц У145°1.

Лm. 17 т I

LXO

+ К„Т

а1 хо

Un -Тхо(5)

(6)

35

40

Rr UЈ CLMJ$Ј;L J I™., .

KL - (тхо+кгтх 0) fF 501Г U)

К.

.. Т

iiu

В случае 0 результат преобразования должен вычисляться по формуле

1

к„

+ т ±.

т ил

причем дополнительный информативный интервал времени Tj TXo практически не зависит от

ни Т( связан с U прямо пропорциональной зависимостью. Исходя из этого, для повышения разрешающей способности преобразователя необходимо уменьшить

1„ Преобразователь напряжения в интервал времени по авт.св. № 1282331, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и обеспечения возможности преобразования напряжений обеих полярностей, в него введены потенциометр, восьмой, девятый, десятый и одиннадцатый ключи, дополнительный токоогра- ничивающий элемент, выполненный иа резисторе, дополнительный масштабный усилитель и делитель напряжения, входы которого являются соответственно шиной опорного сигнала и общей шиной, а выходы через восьмой и девятый ключи соответственно соединены с входом дополнительного масштабного усилителя, вход которого через десятый ключ подключен к общей шине, выход через резистор - .к инвертирующему входу операционного усилителя, первый и второй выводы балансировки нуля компаратора соединены с первым и вторым выво- Ux. Интеграл време- 55 Дами потенциометра соответственно,

подвижный контакт которого через одиннадцатый ключ подключен к шине питания компаратора, управляющие входы восьмого, девятого, десятого и один(8) 45

UoK

Т, (9)

50

Т до минимально возможного с практической точки зрения. В этом случае разрешающая способность преобразователя для обеих полярностей сигнала Ux должна быть не менее, чем

хо

fF/K

2

(Ю)

.-t

Т

ПРИ lWc 1,5В; Т 240 с; ,0 9- UT с; тЈ0 Кг 1/16,

5

0

5

0

fp 10 Гц и при использовании в качестве компаратора 11 операционного усилителя КР544Д1А с ДЈ Ю6 Гц и

л|но З Ю В/Гц по соотношениям (5)- -(8) легко определить Uo 3,33 В; U RC 6,8ЧСГ3с; К,0,453. В этом случае, используя соотношение (10), можно определить NXM01)e

144000. Это почти в шестнадцать раз превышает значение разрешающей способности преобразователя-прототипа.

Таким образом, предлагаемый преобразователь обладает более высокой разрешающей способностью и обеспечивает возможность преобразования входных сигналов обеих полярностей.

Формула изобретения

35

55

40

55

еме- 55

(8) 45

55

50

надцатого ключей подключены соответственно к первому выходу блока управления, первому и второму дополнительным и первому выходам логического блока, дополнительный вход которого соединен с дополнительным выходом блока управления.

2, Преобразователь по п, отличающийся тем, что в нем логический блок выполнен на первом, втором, третьем и четвертом элементах И, первом и втором триггерах и одновибраторе, причем первый вход первого элемента И является первым входом логического блока, второй вход первого и первый вход второго элементов И объединены и являются дополнительным входом логического блока, вы- ход первого элемента И подключен к ,

0

5

входу сброса первого и второго триггеров, вход синхронизации первого триггера является третьим входом логического блока, а выход через одно- вибратор соединен с вторым входом второго элемента И, выход которого соединен с входом установки в единичное состояние второго триггера, выходы первого и второго триггеров соединены соответственно с первыми входами третьего и четвертого элементов И, вторые входы которых объединены и являются вторым входом логического блока, выходы второго триггера и четвертого элемента И являются соответственно первым и вторым дополнительными выхода- |МИ логического блока , а выходы третьего элемента И и первого триггера являются соответственно первым и вторым выходами логического блока.

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано в составе информационно-измерительных систем автоматического контроля, в частности в. цифровых вольтметрах для измерения удельного электрического сопротивления полупроводниковых материалов двухзон- довын методом, иетырехзондовым методом и методом сопротивления растека- шя. Цель изобретения - увеличение разреыающеп способности и обеспечение возможности лреоьразовання напряжений обеих полярностей - достигается за счет введения дополнительных элементов и изменения схемы погического блока, 1 з.п. ср-лы, 3 ил.