Преобразователь код-напряжение с широтноимпульсной модуляцией Советский патент 1980 года по МПК H03K13/02 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для точного преобразова ния кода в постоянное напряжение, а также в качестве быстродействующего масштабного преобразователя постоянного напряжения в прецизионных вольт метрах, калибраторах напряжения и ан лого-цифровых вычислительных устройствах. Преобразователи кода в напряжение на основе широтно-импульсной модуляции позволяют сравнительно просто реализовать высокую точность и поэтому нашли широкое применение в измерительной технике. Однако, их возможность и область применения ограничены низким быстродействием, обусловленным необходимостью усреднения непрерывной последовательности широтно-модулированных импульсов за много периодов повторения, необходимое количество которых растет при увеличении точности. Известен преобразователь кода в постоянное напряжение с промежуто ным преобразованием кода в длительность широтно-модулированных импуль сов, содержащий регистр, генератор импульсов, счетчик схему совпадени кодов, триггер и фильтр нижней частоты. Увеличение быстродействия такого преобразователя получают путем увеличения частоты и уменьшения амплитуды широтно-модулированных импульсов за счет многоканальности, реализуемой введением в схему декодирующей резистивной сетки и- группы переключателей с формирователями на п каналов, а также нескольких сдвигов.ых регистров или счетчиков с дешифраторами 11 . Недостатком такого преобразователя является высокая сложность, которая практически, пропорциональна количеству каналов (фаз), т.е. степени увеличения быстродействия. Известен преобразователь код-напряжение с широтно-импульсной модулягией, содержащий приемный регистр генератор импульсов, соединенный со счетчиком, элемент совпадения, ВСфильтр, сигнальный вход которого через ключи подключен соответственно к общей шине и источнику опорного напряжения, и триггер, вход которого соединен, соответственно с выходом счетчика и элемента совпадения, подключенного соответствующими эходами к выходам приемного регистра и счетчика . На обычно заземленные конденсаторы RC-фильтра в известном преобразователе подаётся близкое по величине среднему значению дополнительное напряжение, формируемое быстродействующим цифроаналоговым преобразовате лем. Благодаря эуому при скачкообразном изменении преобразуемого ко« да, конденсаторы фильтра перезаряжаются на сравнительно малую величину, равную разности напряжения дополнительного цифроаналогового преобразователя и среднего значения выходного напряжения фильтра. Это увеличивает быстродействие преобразователя тем больше, чем выгие точность и стаби.ьность цифроаналогового преобразовате быстродействие которого должно быть при этом выше быстродействия преобра зоватепя 2,. Однако .цифроаналоговый преобразователь с такими высокими метрологическими характеристиками (высокая точность, стабильность, разрешающая способность и быстродействие) представляет собой сложное устройство,ко личество разрядов которого равно или больше количества разрядов собстве 1н преобразователя код-напряжение. Более того, быстродействие такого преобразователя ограничено даже при использовании точного цифроанало-i гового преобразователя, поскольку пр уменьшении напряжения на конденсаторах фильтра уменьшается крутизна экспоненты и следовательно увеличива ется время переходного процесса. Так например, время установления напряжения на конденсаторе с точностью 1,0% равно 71 , .а с точностью 0,0001%- - 141 , , Отсюда следует, что повышение точности цифроаналогового преобразователя на три порядка (0,1% - 0,0001%) увеличивает быстродействие всего в два раза. Другим фактором, ограничивающим быстродействие известного преобра:зователя, является наличие пульсаций напряжения на .конденсаторах фильтра величина которых значительно увеличивается по мере удаления конденсат тора от выхода фильтра. Большой уро вень переменной составляющей на кон денсаторах вообще исключает возможность использования точного цифроаналогового преобразователя для повышения быстродействия„ Кроме того,эффективность известно го преобразователя увеличивается при уменьшении постоянной времени фильтраТ .Однако это увеличивает пуль сации и уменьшает (при уменьшении R точность из-за влияния конечного сопротивления переключателя в замкнутом состоянии. Цель изобретения - повыи1ение быстродействия преобразователя коднапряжения . Поставленная цель достигатеся тем, что в преобразователь код-напряжение содержащий приемный регистр, генератор импульсов, выход которого соединен со входом счетчика, элемент совпадения, RC-фильтр, сигнальный вход которого через первый и второй ключи подключен соответственно кобщей шине и источнику опорного напряжения, и первый триггер,входы которого со- единены соответственно с выходами счетчика и элемента совпадения, к соответствующим входам которого- под1:лючены выходы разрядов приемного регистра и счетчика, введены блок формирования модуля и знака приращений кода, цифровой компаратор, два элемента И, биполярный источник тока, дополнительные ключи и второй триггер, первый, вход которого соединен с установочными входами счетчика и приемного регистра и с шиной пуска, при этом входы цифрового компаратора со.единены соответственно с кодовыми выходамисчетчика и блока формирования приращений кода, а выход - со вторым входом второго триггера и установочным входом блока формирования приращений кода, кодовые входы которого соединены с кoдoвы vIи входами и и выходами приемного регистра соответственно, а знаковый выход - с входом биполярного источника тока, подключенного выходом к конденсаторам RCрильтра через дополнительные ключи, управляющие входы которых соединены с выходом второго триггера и первым входом каждого элемента И, вторые входы которых подключены к соответствующим выходам первого триггера, а их выходы - к управляющим входам первого и второго ключей соответственно. Структурная электрическая схема преобразователя поясняется чертежом. Преобразователь код-напряжение содержит приемный регистр 1, на который поступает преобразуемый код, элемент совпадения 2, счетчик 3, соединенный с генератором импульсов 4, .первый и второй триггеры 5 и 6, блок формирования приращений кода 7, цифровой компаратор 8, два логических элемента И 9 и 10, биполярный источник тока 11, ключи 12, многозвенный RC-фильтр 13, периодически подключаемый противофазно управляемыми ключа-: ми 14 и 15 к источнику опорного напряжения 16 и общей шине 17 преобразователя .соответственно и конденсаторы 18. Блок формирования приращений кода 7 определяет модуль и знак текущего приращения преобразуемого кода tД N - N i.v. - N , а биполярн(лй источник тока 11 обеспечивает форсированный линейный заряд (при увеличении кода) или разряд (при уменьшении кода). в течение времени ti, , пропорциональ ного величине (модулю) текутцего приращения преобразуемого кода uWi. Преобразователь работает следующим образом.. Цифровой код числа HI , хранимого в приемном регистре 1, сравнивается в элементе совпадения кодов 2 с изменяющимся от О до , кодом счетчика 3, на вход которого непрерывно поступают импульсы от генератора импульсов 4. При каждом переходе счетчика 3 через нулевое состояние на его выходе появляется сигнал, устанавливаюидай триггер 5 в определен-ное, например, единичное состояние. В моменты совпадения кодов чисе регистра 1 и счетчика 3 элемент совпадения 2 вырабатывает сигналы, возвращающие триггер 5 в исходное нулевое состояние. Благодаря этому на выходах триггера 5 формируется непре рывная последовательность широтно-мо дулированных противофазных импульсов длительность которых пропорциональна величине преобразуемого кода N; , а период повторения Тд определяется емкостью счетчика 3. В статическом режиме, когда разнос входного N|,+ и выходного Nl кодов приемного регистра 1 равна нулю (uNt 0),триггер б непрерывно удерживаетными сигналами ПУСК, периодически по .ступающими на его вход с тактовой чостотой работы преобразователя и совпадающими по времени с поступающи ми на его другой вход сигналами цифрового компаратора 8, длительность которых меньше длительности сигналов ПУСК. При этом выходным напряжением триггера 6 ключи 12 разомкнуты, элементы И 9 и 10 открыты и противофазные широтно-модулированные импульсы с выходов триггера 5 поступают на ключи 14 и 15, подключающие RC-филь-т 13 к источнику спорного напряжения 16 на время импульса 1., и к общей шине - на время между импульсами t.-T-tj , В результате этого на вход RC-фильтра 13 поступает непрерывная последовательность широтно-модудированных импульсов -фиксированной ам-iплитуды Е, среднее значение которой UcpУьь1К.С|з выделяемое НС-фильтром 13, пропорционално величине преобразуе ого кода Nl. g .динамическом режиме, когда разность входного и выходного кодов при емного регистра 1 не равна нулю ( ), триггер б сигналом ПУСК устанавливается в единичное состояни .а в исходное нулевое состояние он возвращается через время t iN сигналом цифрового компаратора 8 в момент совпадения: кодов чисел блока формирования приращений кода 7 и счетчика 4. Одновременно сигналом цифрового компаратора 8 производится стирание кодадН;, хранящегося в блоке формирования приращений кода 7,В результате этого при изменениях величины преобразуемого кода на выходе триггера б формируется импульс, длительность которого пропорциональна величине приращения кода N . При непрерывном изменении преобразуемого кода на выходе триггера б формируется непрерывная последовательность широтномодулированных импульсов, длительност которых пропорциональнг; величинам изменения преобразуемого кода iNj, , а частота повторения совпадает с частотой повторения Г-f запускающих импульсов . На время действия импульса триггера элементы И 9 и 10 закрываются , отключая RC-фильтР от источника опорного напряжения 16 и общей шины 17, а ключи 12 замь::са-.отся,, этом биполярный источник тока 11, полярность которого устанавливается сигналом поступающим со знакового выхо.ца блока формирования приращений кода 7, заряжает (разряжает) конденсаторы 18 фильтра 13 на величину u,Ucp.,i3 г пропорциональную величине изменения кода, поскольку i.-, пропорционально AN-, . В момент окончания импульса триггера 6 ключи 12 размыкаются, прекращая заряд (разряд) кондесатороз 18 фильтра 13, элементы И 9 и 10 разблокируются и широтно-модулировамные импульсы триггера 5, длительность которых пропорциональна новому значению преобразуемого кода, после нормирования по амплитуде поступают на RC-фильтр, среднее значение напрял ения которого к этому времени уже совпадает со средним значением напряжения этих импульсов . Таким образом, предлагаемый преобразователь код-напряжение с-широтно-импульсной модуляцией позволяет существенно увеличить скорость преобразования при изменении кода за счет форсированного заряда (разряда) -конденсаторов RC-фильтра постоянным током в течение времени Uop.i/dT, / пропорционального приращению преобразуемого кода Л Nt,, обуславливающему приращение среднего значения напряжения uUcp.;, на конденсаторах фильтра. При этом степень повышения быстродействия определяется величиной тока заряда Л-j конденсаторов фильтра. Формула изобретения Преобразователь код-напряжение с широтно-импульсной модуляцией, содержащий приемный регистр, генератор импульсов . выход которого соединен со входом счетчика, элемент совпаде