Функциональный преобразователь Советский патент 1992 года по МПК G06G7/26 

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники, в ча- стности,кфункциональным

преобразователям, и может быть использовано при построении информационно-измерительных систем.

Известны функциональные преобразователи, используемые в информационно-измерительной технике (см., например, авт. свидетельство СССР №№ 661525, G 05 F 1/44, 1979 г., 1191892. G 05 F 1/44, 1985 г.; положительное решение от 5.04.89 по заявке № 4609227/24.

Устройство, описанное в авт. свид. Мг 661525, содержит интегратор, ключи, нелинейный преобразователь кода во временные интервалы, блок управления. Входной величиной в этом устройстве служит код, а выходной - напряжение Это обусловлено тем, что входной код преобразуется в промежуточную величину - временные интервалы, физическая реализация которых связана с созданием прямоугольных импульсов, обладающих неидеальным фронтом и спадом. Снижение погрешности от неидеальностн формируемых импульсов связано с увеличением их длительности. В результате, это устройство обладает низким быстродействием, что является его важным недостатком. Устройство, описанное в авт. свид. № 1191892, содержит операционный усилитель, конденсаторы, коммутаторы и блок управления. Входной величиной данного устройства служит цифровой код, а выходной - переменное напряжение сложной формы, сформированное с помощью кусочно-ступенчатой аппроксимации. Это устройство может быть использовано для масштабного преобразователя напряжения пропорционально коэффициенту, находящемуся в нелинейной зависимости от входной величины, однако оно обладает низким быстродействием, связанным с необходимостью промежуточного преобразования входного кода в интервалы времени, т, е. с формированием прямоугольных импульсов,

СП

XI

XI ГО 00

о

00

неидеальность фронтов и спадов которых ограничивает возможности по уменьшению их длительности, а следовательно, увеличение быстродействия устройства. Это является его недостатком.

Наиболее близким по технической сущности является устройство (полож. реш. от 5,04.89 по заявке № 4609227/24;. Это устройство содержит операционный усилитель, интегрирующий конденсатор, два коммутатора, две матрицы конденсаторов и блок управления. Это устройство может использоваться как функциональный масштабный преобразователь, реализующий функцию потенционирования - обратную логарифмированию, однако оно не учитывает наличие на входе усилителя напряжения смещению. Предположим, что перед началом преобразования напряжение на выходе операционного усилителя было равно Uo, a напряжение на входе операционного усилителя составляет 11См. Тогда после окончания первого цикла напряжение на выходе устройства станет равным

(Ux + UcM)CNiv

п

, CN2 UxCNj CnCn

где Cn емкость конденсатора 2,

Ux - напряжение на входе устройства, С N2

+ U00

После окончания 2-го цикла (Ux +UCM)CNi

U

Сп

(1-tQh

После окончания n-го цикла

(UX + UCM)CN; ft

un

cn

J 1

H,n.

Воспользовавшись формулами для геометрической прогрессии с IQ I 1 , получим

N1

U,.

- Un(Ux+UCM)

I- ,а

N2

Следовательно, повышение точности преобразования связано с уменьшением UCM, принимающего неизвестные значения. Это связано с использованием высокоточных операционных усилителей, однако добиться полного устранения исм невозможно и поэтому мы можем написать, что значения функционала данного устройства

f(Ni. N2, Ux, AT, At, 1см),

где AT - изменение времени,

At - изменение температуры, I - напряжение смещения

принимает не конкретное скалярное значение, а попадает в интервал. Это является недостатком устройства.

Целью настоящего изобретения являет5 ся повышение точности функционального преобразователя.

Функциональный преобразователь (см. чертеж) содержит операционный усилитель 1, неинвертирующий вход которого подклю10 чен к общей шине устройства, интегрирующий конденсатор 2, первая обкладка которого подключена к инвертирующему входу операционного усилителя 1, коммутатор 3, подключенный первым входом к ана15 лотовому входу устройства, матрицу конденсаторов 4, подключенную первыми обкладками своих конденсаторов к выходам коммутатора 3, коммутатор 5, выходы которого подключены к первым обкладкам кон20 денсаторов матрицы б, и блок управления 7, подключенный к цифровому входу устройства, первыми выходами подключен к входам управления коммутатора 3, а вторыми выходами подключен к входам управления ком25 мутатора 5, ключ 8, подключенный к первой обкладке интегрирующего конденсатора 2 и к инвертирующему входу операционного усилителя 1, а также к выходу операционного усилителя 1, ключ 9, подключенный ко

30 второй обкладке интегрирующего конденсатора 2, а также к выходу операционного усилителя 1, вторые входы коммутаторов 3 и 5 подключены к общей шине устройства, входы управления ключей 8 и 9 подключены

35 к третьему выходу блока управпения 7, а блок выборки-хранения 10 подключен к выходу операционного усилителя 1, к аналоговому выходу функционального преобразователя и к коммутатору 5 и к чет40 вертому выходу блока управления.

Примером построения блока управления 7 может служить совокупность включен- ных последовательно генератора 11, счетчика импульсов 12, дешифратора 13 и

45 схем совпадения 14, а также дешифратора 15 с соответствующими связями.

По команде Старт счетчик начинает подсчитывать импульсы генератора 11, Дешифратор 13, дешифрируя состояния счет50 чика 12, формирует импульсы управления Ф1, Ф2, ФЗ, Ф4, поступающие на схемы совпадения 14 и на управляющие входы ключей 9 и 10 и управляющий вход блока выборки-хранения. На схемы совпадения

55 поступает также выходной код дешифратора 15, являющийся результатом нелинейного преобразования входного кода устройства. Импульсы с выхода схем совпадения 14 поступают на коммутаторы 3 и 5, осуществляющие подключение конденсатеров матриц 4 и 6, соответственно к аналоговому входу устройства (матрицу 4) и к выходу блока выборки-хранения 8, являющимся аналоговым выходом прибора, Процесс преобразования предлагаемого устройства состоит из нескольких одинаковых циклов. Цикл начинается с того, что дешифратор вырабатывает сигнал Ф1, поступающий на вход дешифратора 15. По этому сигналу дешифратор выдает код, замыкающий ключи группы Б. Сигнал Ф1 также замыкает ключ 9 и размыкает ключ 10. В результате, операционный усилитель 1 превращается в повторитель напряжения, а разомкнутый ключ 10 препятствует разряду конденсатора 2. Конденсаторы матриц 1 и 6. подключенные одной обкладкой к инвертирующему входу операционного усилителя, а другой к общей шине устройства заряжаются до UCM - напряжения смещения на входе операционного усилителя 1. По сигналу Ф2 конденсаторы матрицы 4, выбранные дешифратором 15 и схемами совпадения 14 подключаются одной пластиной к аналоговому входу прибора, а другой к инвертирующему входу операционного усилителя 1.Т. к. конденсаторы матрицы 4 были заряжены до напряжения 1)См. то по сигналу Ф2 они перезаряжаются до напряжения UX-UCM. В результате перезаряд связан с изменением заряда, равного UXC4, где СА суммарная емкость подключенных конденсаторов матрицы 4, и не зависит от UCM. Зтот заряд передается на интегрирующий конденсатор 2. Аналогично по сигналу ФЗ на интегрирующий конденсатор 2 передается заряд UeuxCe, где Сб суммарная емкость подключенных конденсаторов матрицы 6. По сигналу Ф4 происходит выборка выходного напряжения операционного усилителя 1.

Емкости конденсаторов каждой из матриц 4 и 6 соотносятся между собой, например, как веса разрядов двоичного числа, т, е. они могут быть равными 2°С, 2 С,...2 С, где С - емкость конденсатора соответствующего разряду минимального веса. Таким образом, если на вход устройства поступают коды Ni и N2, которые дешифратором 15 преобразуются соответственно в коды М{ и N2, управляющие непосредственно коммутаторами 3 и 5, то суммарные заряды передаваемые матрицами 4 и 6 конденсатору 2 в этом случае равны

2 ai2M UxCNi. i - 1

.xC f; bi2M lWCN12,

i - 1

где ai и bi - значения двоичных цифр 1-х разрядов кодов Ni и N2 соответственно.

Предположим, перед началом преобразования напряжение на выходе операцион- ного усилителя 1 было равно U0. Тогда после окончания первого цикла напряжение на выходе устройства станет равным

lu-n + .. С N2

U14J°+ Cn

UxCNi

гдеО 1CnС N2

Сп

+ UoQ

, Cn - емкость конденсатора 2.

После окончания n-го цикла

Ux С NI Ј, „j-1м,

Un р 2j Q + UoO .

-n j 1

где j - порядковый номер цикла, ,n.

Воспользовавшись известными формулами для геометрической прогрессии, запишем выражение для определения выходного напряжения устройства после окончания переходного процесса, в установившемся режиме

Ni

U.

N

i-I

30Чтобы оценить выигрыш в точности преобразования рассмотрим пример. Пусть в качестве операционного усилителя взят 544УД2А, имеющий температурный дрейф TKUcM 50 мкВ/°С, в процессе работы тем35 пература изменилась на 30°С, ,1 В. У прототипа мы получили бы относительную погрешность

(ивх+иСм)(-иВых+иСм)Сб, С 2 исм СА

U

uf

Cg

у - .

Ux

В этой погрешности мы не учитываем временной дрейф, который внес бы еще погрешность. Изобретение обеспечило функциональномупреобразователюсущественное увеличение точности преобразования, так как его выходное нзпряже- ние инвариантно к напряжению смещения операционного усилителя, которое в значительной мере зависит от температуры внешней среды.

Формула изобретения Функциональный преобразователь, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине преобразователя, интегрирующий конденсатор, первая обкладка которого подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, первый коммутатор, подключенный первым информационным входом к информационному входу преобразователя, первую группу запомина- ющих конденсаторов, первые обкладки запоминающих конденсаторов которой подключены к выходам первого коммутатора, второй коммутатор, выходы которого подключены к первым обкладкам запомина- ющих конденсаторов второй группы, управ- ляющие аходы первого и второго коммутаторов соединены с соответствующими выходами блока управления, вход которого соединен с управляющим входом преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены первый и второй ключи, блок вы I/j j-борки-хранения, выход которого, являющийся выходом преобразователя, соединен с первым входом второго коммутатора, выход операционного усилителя соединен с информационным входом блока выборки- хранения и с первыми выводами первого и второго ключей, второй вывод первого ключа соединен с второй обкладкой интегрирующего конденсатора, инвертирующий вход операционного усилителя подключен к второму выводу второго ключа и к вторым обкладкам запоминающих конденсаторов первой и второй групп, вторые информационные входы коммутаторов подключены к шине нулевого потенциала, а управляющие входы блока выборки-хранения, первого и второго ключей подключены к соответствующим выходам блока управления.

Функциональный преобразователь относится к измерительной технике и может быть использован при построении систем автоматизированного контроля. Сущность изобретения: функциональный преобразователь содержит операционный усилитель, интегрирующий конденсатор, два коммутатора, две группы запоминающих конденсаторов, блок выборки-хранения, блок управления. 1 ил.