Интегрирующий преобразователь напряжения в интервал времени Советский патент 1980 года по МПК H03K13/02 

Изобретение относится к импульсной технике может быть использовано в электроизмерительных устройствах. Известны интегрирующие преобразователи напряжения во временной интервал, принцип действия которых заключается в сравнении интеграла от входного напряжения с интегралом от разнополярных импульсов стабильной. амплитуды регулируемой скважности. В установившемся состоянии длительность импульсов обратной связи определяется значением входного напряжения. Особенностью таких преобразователей является наличие переходного процесса, длящегося несколько циклов преобразования (в зависимости от требуемой точности установления) и возникающего при включении преобразовате ля или скачкообразном изменении входного напряжения, что является их существенным недостатком. Кроме того, одним из источнико Ногрешностн таких преобразователей являются ключи, коммутирующие опорное напряжение. Известен интегрирующий преобразователь напряжения в интервал времени, основанный на двухтактном интегрировании. Преобразователь содержит ключи, интегратор, (Нуль-орган, устройство упрйления, причем через первый ключ к первому входу 1штегратора подключается напряжение Uj ; через второй ключ ко второму входу интегратора подключается опорное напряжение UQ , выход интегратора соединен со входом нуль-органа, выход которого соединен со входом устройства управления, выход генератора тактовых импульсов соединен со входом устройства управления, управляющие входы ключей соединены с выходами I устройства управления. При работе преобразователя входное напряжение U) подключается ко входу интегратора на определенное время, а в течение остального времени цикла (.4 информация на . йход преобразователя не поступает, что приводит к появлению динамической погрешности Кроме того, неидеальность ключей в цепях лреобразуемого и опорного напряжений явяяетСя источником дополнительных погрешностей. Целью настоящего изобретения является повышение точности преобразования. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь, содержащий интефатор, выход которого подключен ко входу неинвертирующего усилителя -, нуль-органа, выход которого соединен с одним из входов устройства управления, второй вход которого соединен с генератором, тактовых импульсов, выходы устройства управления соедкнеиы с управляющими входами ключей, выходы последних - соответственно с первым и вторым входами интегратора, введены неинвертирующий усилитель и дополнительный интегратор, выход которого через неинвертирующий усилитель подключен ко входу первого ключа, первый вход дополнительного интегратора соединен с клеммой преобразуемого напряжения, второй - с клеммой опорного напряжения и третьим входом интегратора, первый вход которого подключен к третьему входу дополнительного интегратора а выход неинвертирующего усилителя нуль-органа соединен со входом второго ключа. На фиг. 1 изображена функциональная схема интегрирующего преобразователя напряжения в интервал времени без прецизионных ключей; на фиг. 2 - временная диаграмма, поясняющая ее работу. Интегрирующий преобразователь напряжения в интервал времени без прецизионных ключей содержит дополнительный интегратор 1, неинвертирующий усилитель 2, ключ 3, интегратор 4, неинвертирующий усилитель - нуль-орган 5, ключ 6, устройство управления 7, генератор тактовых импульсов 8, клемму 9 входного преобразуемого напряжения, клемму 10 опорного напряжения. Входом преобразователя является клемма 9, соединенная с первым входом интегратора 1 .второ вход которого соединен через клемму 10 с источником опорного напряжения и с третьим входом интегратора 4, выход которого соединён со входом иеинвертирующего усилителя нуль-органа 5. Выход последнего соединен со входом устройства управления 7 и через ключ 6 - со вторым входом интегратора 4. Выход интегратора 1 подключен ко входу неиивертирующего усилителя 2, выход которого соединен через ключ 3 с третьим входом интегратора 1 и с первым входом интегратора 4; управляющие входы ключей 3 и 6 соединены с выходал устройства управления 7. На фиг. 2 представлена временная диаграмма поясняющая работу преобразователя (А - выходное напряжение интегратора 1; Б - выход: ное напряжёЬие ключа 3; В - выходное напря жение интегратора 4). Работу преобразователя рассмотрим начиная с момента i: (фиг. 2). При этом ключ 3 разомкнут, дополнительный интегратор 1 находится в начальном состоянии (нулевое напряжение на выходе). Рассмотрим случай, когда входное Ох и опорное Ц о напряжения положительны. Для простоты (без ограничения общ1НОСТИ получаемых далее результатов) примем что напряжение U постоянно в течение цикла преобразования. Начиная с момента i. напряжение на выходе иитегоатроа 1. изменяясь по закону пД)-нТс.( г л i « достигает в момент i значения Un.(4V-.x(4-t.VR:c.o(4-.V(i) где , /2 представляет собой половину цикла преобразования, а Тц - время цикла измерения. R.jR, и С - злементы, входящие в схему интегратора 1. В этот же момент времени по сигналу с устройства управления 7 замыкается ключ 3, И выходное напряжение отрицательной полярности неинвёртирующего усилителя 2 поступает на третий вход интегратора 1 и первый вход интегратора 4 через соответствующие резисторы. На интервале от t 2. Д ч напряжение на выходе интегратора 1 изме няется по закону u.(t)u,t,(-4V -R7c(b4V,ul(t-t,), где i, - резистор связи между интеграторами напряжение на выходе ключа 3 на интервале от 1 до t , в течение которого оно остается постоянным и равным (за вычетом падения напряжения нл открытом ключе 3) напряжению насыщения усилителя 2 (см. вторую строку временной диаграммы фиг. 4). К моменту t напряжение на выходе интегратора 1 достигает значения ч„,(ч)-.,счУН,(ч-чУ ; -4c((V,)W в момент t, усилитель 2 выходит из насыения, и начинает действовать отрицательная братная связь через открытый ключ 3 и реистор Ug , охватывающая последовательно ключенные интегратор 1, усилитель 2 и ключ 3. ак известно из теории автоматического регуирования, при охвате интегрирующего звена есткой отрицательной обратной связью оно бращается в апериодическое звено первого орядка.. В данном случае налете усилителя 2,

5 7397316

включенного последовательно с интегратором 1,После момента У; д ключ 3 размыкается по

приводит к тому, что постоянная временикоманде с устройства управления 7, и на инапериодического звена равна /Kj, где К -тегратор 4 поступает лишь опорное напряжение

коэффициент усиления усилителя 2. По окон-Uo ..Поэтому на интервале времени от t .

чании переходного процесса, длящегося весьма sДо 5 напряжение на выходе интегратора 4

короткое время (так как постоянная време-изменяется по закону

2. ала, учитывая, что Kj 1) (VU (fc V- U (t-t C91

в рассматриваемой замкнутой системе устанав- °

ливается напряжение обратной связи (см. вто-В момент t 5 выходное напряжение интеграрую строку временной ,диаграммы, фиг. 2) 10тора 4 переходит через нулевой уровень, в

у - (ftрезультате чего выходное напряжение неин,ос XR ° zвертирующего усилителя - нуль-органа 5

Умножим обе части равенства (3) на однуискачком изменяет свою полярность. Соответту же величину ствующий сигнал поступает на устройство

и (t -t V-U - (t -t Л- уйравления 7, которое в этот момент зам1мка о ет ключ 6. Вследствие этого интегратор 4

-U|,| (А з усилитель 5 оказываются охваченными

Найдем общую площадь сигнала на выхойеотрицательной о братной связью, благодаря чеключа 3, т.е.)U(t4-tj)му до момента tg напряжение на выходе

Начиная с момента t на выходе интегратора 20ннтегратора 4 поддерживается на уровне U //и.

1 устанавливается напряжениегде К - коэффициент усиления усилителя 5,

и V - t /tпричем ,jRg/«.Поскольку Kg 1,

I к2, можно полагать UQ,/к у О, т.е. интегратор 4

Отсюда с учетом большого значения коэффи-находится в начальном нулевом состоянии до

циента Kj можно полагать, что -.(а)0-( момента t , когда начинается новый цикл

В соответствии с (5)., приравнивая выраже- его работы.

ние (2) нулю, найдем .Определим длительность интервала времен и

UPJ. ,Л Т , который и является в данR N ()ном случае информативным. Для этого в ( I i / , ражение (9) подставим t lg и приравня С х 3 ил V 11 ем его нулю. Получим

Подставляя сюда выражение (1) для5 А UQ «д. А

и ( , получимПодставив сюда значение U (д) соответ ft .-t V-- U.,(t -О-,-и (Ь„- 35ствии с выражением (8), имеем

(ьДл- .. --d.l ivg-:Jv4)

„,к; ; -,,В„ОВЬ,Р.Ж„С™„МВМСС„

1 /1. 4- Iv V л f4- -V f( чение в соответствии с выражением (7). При

р.)- R olЧ-tJ: uдt,-,)6) t -t2-T4/2 . Тогда

Складывая правые и левые части равенства ,. , S т ,1 (ю)

(4) и (6), получим искомую общую площадь -«7 о -i 2.

т J .. / J ,,- ,j -- , 1 -1-Ч - --

сигнала на выходе ключа З; -осъЗ надлежащем выборе сопротивления R«

-(,,

af4-4 liJ М-3 )-5 можно получить

.1:K,,-i$;((v itr-T

4V o|ft,-,l после «го функция преобразс

(.( г после чего функция преобразования интегри,Т /1. V V ц Уь -V V II Зт .,., рующего преобразователя принимает окончательV V4 od 4 .i(7)5o „,,й ад,

Сигнал с выхода ключа 3 поступает в тече-лТ Т - . (И)

ние интервала от tj До t, на интегратор 4, RлftA о

который к моменту 1 находится в началь-Если же выбрать R исходя из соотношения

ном состоянии (нулевое напряжение на выходе).,возможно преобразоваВ результате напряжение на выходе интеграто- 55ние напряжения Uj обеих полярностей. Функра 4 к MOMfiHTy I достигает значенияция преобразования при этом будет иметь вид

. si

лТ-t -t ilH.ij (t V и в зависимости от знака DX информативиый интервал ьТ будет уменьшаться или увеличиilfatse относительно своего начального значения равного Тц/- , что следует из (12) при VOТаким образом, стабильность функции прео 1з1йвай1й бпределяется лишь отношением резисторов и стабильностью опорного напряжения. Высокие метрологические характеристики преобразователя полностью потверяодень экспериментально. Таким образом, использование дбшлиитель Ш-6 Hifirerpatopa и нёййвертируюЩёгоГ Шга1 еля выгодно отличает предложенный преобразоШт га от прототипа, так как в цёпях преобразуемого, так и опорного напряжений отсутствуют коммутируюшие элементы. Параметры ключей 3 и 6 не входят в функцию гфеобр зобанШ и не ск1зыШютсй йа точности преобразования, так как оба ключа находятся в прямой цепи преобразования. Кроме того, отсутствуют пропуски информации о преобразуемом напряжении. (интервалы интегрирования примыкают друг к другу). В результате точность предложенного преобразо§а еля Т1рйодинаковой элементной базе существенно повы1- . шается по сравнению с устройством типом, Формула изобретения Интегрирующий преобразователь напряжения в интервал Времени, содержаш ий интегратор, вь1ход которого подключен ко входу неинвертйрующего усилителя - нуль-органа, выход которого соединен с одним из входов устройства управления, второй вход которого соединен с генератором тактовь1Х импульсов, выходы устройства управления соединенот с управляющими входами ключей, выходы последних: - соответственно с первым и вторым входами интегратора, отличающийся тем, что, С целью повышения точности, в ftero введены неинвертирующий усилитель и дополнительный интегратор, выход которого через неинвертирующий усилитель подключен ко входу первого ключа, первый вход дополннтельного интегратора соединен с клеммой преобразуемого напряжения, второй - с клеммой опорного напряЛсения и третьим входом интегратора, первый вход которого подключен к третьему входу дополнительного интегратора, а выход некнвертИруюЩего усилителя - нульоргана соединен со входом второго ключа.

I

и„

Т

О i7