Функциональный преобразователь Советский патент 1992 года по МПК G06G7/26 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к функциональным преобразователям, и может быть использовано при построении информационно-измерительных систем.

Известны функциональные преобразователи, используемые в информационно-измерительной технике 1, 2.

Наиболее близким по технической сущности является функциональный преобразователь (1), функцией преобразования которого является преобразование напряжения в код. Оно содержит интегратор, источник образцового напряжения, коммутатор, ключ, конденсатор, источник тока, компаратор, триггер, генератор и цифровой измеритель временных интервалов. Важным достоинством этого устройства является довольно высокая точность при отно- сительной его простоте и невысоких требованиях по точности к блокам, входящим в его состав. Однако точность такого устройства ограничена принципиально наличием составляющей погрешности, вызванной абсорбцией конденсатора интегратора. Наличие этой погрешности обусловлено наличием постоянной составляющей напряжения на конденсаторе интеграторе, зависящей от входного напряжения. Это является существенным недостатком данного устройства. Кроме того, данное устройство обладает сравнительно невысоким быстродействием, поскольку выходной ход устройства при фиксированной эталонной частоте генератора квантующих импульсов прямо пропорционален времени преобразования. Это также является существенным недостатком устройства.

Целью настоящего изобретения является повышение быстродействия, а также точности преобразования за счет снижения

XI 00

ел о о

00

погрешности от абсорбции конденсатора интегратора.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - пример построения блока анализа и формиро- вания временных интервалов; на фиг, 3,4 - примеры построения блока формирования опорных напряжений, на фиг. 5, 6 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Функциональный преобразователь содержит интегратор 1, подключенный первым входом ко входу устройства, ключ 2, подключенный к выходу интегратора 1, компаратор 3, подключенный первым входом к ключу 2, конденсатор 4, включенный между первым входом компаратора 3 и точкой постоянного потенциала, например общей шиной устройства, источник образцового напряжения 5, коммутатор 6, подключен- ный к источнику 5, генератор 7 эталонной частоты, источник тока 8, Цифровой измеритель временных интервалов 9, подключенный к генератору 7 и к выходу устройства, блок формирования временных интервалов 10, подключенный к выходу компаратора 3, ко входу цифрового измерителя временных интервалов 9 и ко входу управления коммутатора 6, блок формирования опорных напряжений 11, подключенный к выходу интегратора 1 и ко второму входу компаратора 3, коммутатор 12, подключенный к первому входу компаратора 3, к источнику тока 8 и к выходу блока анализа и формирования временных интервалов 10, цифроаналого- вый преобразователь 13, подключенный ко второму входу интегратора 1 и к коммутатору 6, дешифратор 14, включенный между выходом блока анализа и формирования временных интервалов 10 и цифровым вхо- дом цифроаналогового преобразователя 13, и блок синхронизации 15, подключенный к генератору 7, к ключу 2, к цифровому изме- ритеяю временных интервалов 9, к блоку формирования временных интервалов ТО, а также к блоку формирования опорного напряжения 11 Примером построения блока формирования временных интервалов 10 может служить устройство, состоящее из трех включенных последовательно тригге- ров 18, 19 и 20 с соответствующими связями. Примерами построения блока формирования опорного напряжения 11 могут служить устройства, приведенные на фиг. 3, содержащее ключи 21,22,23. конден- саторы 24, 25 и операционный усилитель 26 с соответствующими связями, на фиг. 4 содержащее ключи 34, 35, конденсаторы 36 и 37, операционный усилитель 33 и резисторы 32 с соответствующими связями.

Устройство работает циклически Для начала рассмотрим работу устройства, считая, что уровень Uoi на втором входе компаратора 3 фиксирован и равен нулю (полагаем, что выход устройства 11 временно отключен от компаратора 3, а на второй вход компаратор 3 пбдан нулевой потенциал). Тогда временная диаграмма на выходе интегратора 1 для двух различных напряжений показана на фиг. 5, а; временная диаграмма на первом входе компаратора 3 - на фиг. 5, б; на управляющем входе ключа 2 - фиг. 5, в; на выходе компаратора 3 - фиг. 5, д для варианта 1 (фиг. 5, а) и на фиг. 5, и для варианта 2; выходные напряжения блока 10 для варианта 1: триггера 18 - фиг. 5, е, триггера 19 - фиг 5, ж, триггера 20 - фиг. 5, а.

Работает устройство следующим образом. С выхода блока 17 на ключ 2 поступает управляющий импульс, позволяющий запомнить выходное напряжение интегратора 1 в этот момент на конденсаторе 4, одновременно в единичное состояние устанавливается триггер 18, что соответствует началу временного интервала Т|, поступающего на управляющие входы коммутаторов 6. 12, блоки 9, 14 и вход синхронной установки триггера 19. Импульс длительностью Т( управляет коммутатором б так, что во время его действия на вход блока 13 поступает напряжение + Е, на вход интегратора 1-ток

-к- (1 + гт -о). а в° время его отсутствия REN N 2

поступает на вход блока 13 напряжение -Е, где N - основание систем счисления1 тот же импульс подключает к конденсатору 4 источник тока 1 блока 8 через коммутатор 12, который начинает разряжать этот конденсатор. В момент достижения уровня сравнения Uoi (в данном случае считаем его равным нулю) на выходе компаратора 3 появляется нулевой уровень, который поступает на вход синхронного сброса триггера 18, и синхронной установки триггера 19. С приходом ближайшего тактового импульса заканчивается временной интервал Т|, завершается разряд конденсатора 4 и начинается временной интервал Ti1

T,-C (U -U I) (U.-U.). (1)

где Ui - напряжение на выходе интегратора в момент запоминания;

Ut - остаточное напряжение на конденсаторе 4 после разряда током -1,

Ci значение емкости конденсатора 4,

Кит - коэффициент преобразования напряжения во временной интервал.

Импульс длительностью Т,1 управляет дешифратором 14 так, что на вход интегратора 1 во время его действия поступает ток - - (1 +- Н-) Этот же импульс ПОДRE

N

N

1

ключает к конденсатору 4 источник ,

который начинает заряжать этот конденсатор. В момент достижения уровня сравнения компаратор 3 изменяет свое состояние на единичное При поступлении ближайшего тактового импульса заканчивается временной интервал Т| завершается заряд конденсатора 4 и начинается временной интервал TI

T|,,C1(MV±ULlN KmN(u,l+u,H),

II(2)

где Ui -остаточное напряжение на конденсаторе 4 после разряда током - . Импульс длительностью TI управляет дешифратором 14 так, что на вход интегратора 1 во время его действия поступает ток Этот же импульс подключает к конденсатору 4 источник тока - -- В момент достижения

N2

уровня сравнения на выходе компаратора 3 появляется нулевой уровень При поступлении ближайшего тактового импульса заканчивается временной интервал Тг

,,, c(u,)(U,.U|,,,)

и.(3)

где Ui - остаточное напряжение на конденсаторе 4 после разряда током - - .

ti N После завершения импульса Т| и до начала

интервала TI-H, на вход интегратора 1 посту- naeTTOK-|;(1-l+--L).

Запишем уравнение баланса зарядов на конденсаторе интегратора 1 в течение цикла Т:

Ux Т Е Т| RX С Re С

+TI+ ) +

N

N

И | V 1 у, .ETi (1+N N2 +RECX

ЕТ. 1 . 1 . RE С U N м 2 +

О, (4)

(1.,+

где Rx - резистор, через который к интегратору 1 подключается напряжение Ux,

С - номинал конденсатора интегратора 1.

Из (4) получаем, считая N - Ю

0,91 Т-2 Обозначим

V ю

-г

+

+ 100j

Ц ERX

т I т Ч

т, т,- IL+IL. ю юо

(5)

(6)

Тх

0,91 T-2Ti

(7)

0

5

0

5

0

5

0

5

0

тогда из (5) получаем

Тх

UxRET

2 ERX

ВЫХОДНОЙ КОД NX

0,91 Т -Т,

NX - I X «о - п

fo+T,

5

JFo 10

- т,

II

fo

(8)

(9)

NX N(10)

100 или

Nl Ml Ml

2 10 100 где N 0,455-Tfo,

Ni TI fo,

N. - Т f0

f0.

Математические операции сложения, вычитания и деления, необходимые для вычисления (10), легко реализуются при применении микропроцессора.

Из выражения (10) следует, что дискретность выходного кода увеличилась (в данном случае в 100 раз) Это означает, что для достижения заданной дискретности кода в предложенном устройстве требуется меньшее время (в данном случае в 100 раз), те значительно повышается быстродействие функционального преобразователя. При использовании в качестве уровня сравнения фиксированного потенциала выходное напряжение интегратора 1 имеет постоянную составляющую, которая изменяется в зависимости от знака и уровня входного сигнала фиг 5а. Так как при наличии на конденсаторе постоянной составляющей возникает эффект абсорбции (когда после кратковременного закорачивания выводов конденсатора на нем восстанавливается остаточное напряжение) который снижает точность преобразования Поэтому для точных измерений необходимо принимать меры по уменьшению этого эффекта. Значительное уменьшение зтого эффекта путем уменьшения постоянной составляющей на конденсаторе интегратора в предлагаемом устройстве осуществляется1 путем введения изменяемого уровня компарирования

Рассмотрим работу устройства, изображенного на фиг, 1 От описанного алгоритма работа в данном случае отличается лишь тем, что уровень компарирования Uoi формируется таким образом, чтобы постоянная

составляющая на конденсаторе интегратора была равна либо близка к нулю.

Возможные варианты исполнения блока 11 приведены на фиг, 3 и 4. Так, работа устройства, изображенного на фиг. 3, осуществляется следующим образом. В момент достижения на выходе интегратора 1 пикового значения А (рис. 5, а) замыкается ключ 21 и производится заряд конденсатора 24, после чего ключ размыкается, Заряд передается на конденсатор 24 после замыкания ключа 22, после чего ключ 22 размыкается. Аналогично поступают при достижении значения В. Если значение конденсатора 25 выбрано в два раза больше, чем конденсатора 24, на выходе операционного усилителя 26 будет полусумма напряжений, соответствующих моментам А и В, Изменение заряда конденсатора 30 и, соответственно, выходного напряжения Uoi происходит до тех пор, пока точки А и В будут соответствовать напряжению одного уровня и разного знака. Ключ 23 предназначен для быстрой установки интегратора, состоящего из операционного усилителя 26 и конденсатора 25, в случае необходимости в нулевое состояние. Таким образом постоянная составляющая напряжения на конденсаторе интегратора 1 устанавливается примерно равно нулю, в результате чего погрешность, обусловленная абсорбцией конденсатора интегратора, существенно уменьшается (практически ликвидируется).

Введение в состав устройства блока анализа и формирования временных интервалов, блока формирования опорного напряжения, второго коммутатора, цифро- аналогового преобразователя, дешифратора и блока формирования временных интервалов с соответствующими связями выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, поскольку это обеспечило ему повышение быстродействия, а также точности за счет снижения погрешности от абсорбции конденсатора интегратора. Повышение быстродействия и точности позволяет увеличить поток информации от объекта исследования, если предлагаемое устройство используется в автоматизированной системе, в результате чего повышается производительность и эффективность системы.

Формула изобретения Функциональный преобразователь, содержащий интегратор, подключенный первым входом к входу преобразователя, а

выходом через ключ подключенный к первому входу компаратора, запоминающий конденсатор, включенный между первым входом компаратора и общей шиной преобразователя, источник эталонного напряжения, выходы которого соединены с информационными входами первого коммутатора, цифровой измеритель временных интервалов, тактовый вход которого подключен к выходу генератора эталонной частоты, а выход является выходом преобразователя, источник тока, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности преобразования за счет снижения погрешности от абсорбции конденсатора интегратора, в него введены блок формирования временных интервалов, второй коммутатор, дешифратор, блок синхронизации, цифроаналоговый преобразователь, блок формирования опорных напряжений, выход компаратора через

блок формирования временных интервалов

соединен с информационны. входом циф. рового измерителя временных интервалов,

выход блока формирования временных интервалов соединен с управляющим входом второго коммутатора и через дешифратор с управляющим входом первого коммутатора и с цифровым входом первого цифроанало- гового преобразователя, аналоговый вход

которого соединен с выходом первого коммутатора, а выход - с вто рым входом интегратора, выходы источника тока через второй коммутатор соединены с первым входом компаратора, соответствующие выходы

блока синхронизации соединены с управляющим входом ключа, с входом сброса формирователя временных интервалов и входом начала отсчета цифрового измерите-- ля временных интервалов, выход генерато ра эталонной частоты соединен с тактовыми входами формирователя временных интервалов и цифрового измерителя временных интервалов, управляющий вход блока формирования опорных напряжений соединен

с соответствующим выходом блока синхронизации, информационный вход соединен с выходом интегратора, а выход соединен с вторым входом компаратора.

со о о ю со г№й

° 6

К вых.

8/1,3

8

i8

W х

1785008

К8хВл.12,М9Б

--i I K8x. Г бл.9

г

W з

ншм

с

71 /

гв

.

Функциональный преобразователь относится к области информационно-измерительной техники и может быть использован при построении информационно-измерительных систем. Сущность изобретения функциональный преобразователь содержит интегратор, ключ, компаратор, конденсатор, источник эталонного напряжения, два коммутатора, генератор эталонной частоты, источник тока, цифровой измеритель временных интервалов, блок формирования временных интервалов, цифроаналоговый преобразователь, дешифратор, блок синхронизации, блок формирования опорных напряжений. 6 ил

К$ых fa. 7

fit/г. 2

11

i KfaK

32 СП

Kfaf5

фиг.З

Ч

X&L3

S; «j xjj Ј: ъ -

Si

I

s

. -чц.

-J oo

СЛ

о

о

oo