Функциональный преобразователь Советский патент 1982 года по МПК G06G7/26 

(54) ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к области информа1шонно--измерителъной техники и автоматического управления, в частности к функциональным преобразователям, и может быть использовано при построении информационно-измерительных систем и систем автоматического контроля. Известны функциональные преобразователи, используемые при построении информационно-измерительных систем, представляющие собой преобразователи кода в напряжение интегрируюжего типа и использующие в процессе преобразова5шя итерационную аддитивную коррекцию погрешностей. Основными блоками в этих схемах являются интегратор, блок выборки-хранения и ключи 11 и 12 . Благодаря использованию в этих струк турах итерационной аддитивной коррекции погрешности достигается высокая точност преобразования при относительной просто те устройства и сравнительно низких тре бованиях к элементам и блокам, вход в их состав. Недостатком этих преобразователей является ограниченность функщюнальных возможностей, в частности невозмойшость преобразовання емкости в напряжение и определения тангенса угла диэлектрических потерь. Наиболее близким к предложенному по технической сущности является функциональный преобразователь, содернсащий интегратор с подключенными к его входу первым и вторым ключами, блок выбор- Ю5-хранения, включенный между выходом интегратора и выходом преобразователя, источник эталонного напряжения и блок управления, соединенные с первым и вторым ключами и блоком выборки-хранения, третий ключ, подключенный к 1 сточнику эталонного напряжения, первому ключу н блоку , четвертый ключ, подключенный к выходу преобразователя, второму ключу II блоку управления, а также два конденсатора, один из которых подключен к первокту ключу, а второй - ко второму ключу. 3 сТ ункш1О{гальный преобразователь работает ЦИКП1ГЧНО. Каждый никл состоит из поочередшлх замыканий ключей в цепи (эбратпой связи, прямой цепи и ключа в блоке выборки-хранения. Напряжение Ш выходе функционального преобраэогузтеля пропоршюналъно емкости конден сатора, включенного в прямую цепь ГЗ - Однако такой функциональный преобразова ель обладает погрешностью, которая обусловлена токами, утечки самог конденсатора, токами утечки ключей, а также токами утечки конденсатора в цепи обратной связи и его нестабильностью. Цель изобретения - увеличение точности преобразования функционального преобразователя за счет компенсации погрешности, обусловленной токами утечки конденсаторов и ключей, а также устранения погрешности, вызванной нестабильностью источника эталонного напряжения. Поставленная цель достигается тем, что в функциональный преобразователь, содержащий последовательно соединен- ные источник эталонного напряжения, первый и второй ключи, интегратор и блок выборки-хранения, накопительный ковденсатор, включенный между общим выводом первого и второго ключей и шг-шой нулевого потен шала, и блок син хронизации, первый и второй вьгходы к торого подключены соотве1х;твенно к управляющим входам первого ключа и блока выборки-хранения, введены преобразователь напряжения в интервал времени, реверсивный счетчик импульсов, генератор, делитель частоты, тре тий ключ и формирователь временных: сдвигов, информационный и управляющи входы которого подключены к третьему и четвертому выходам блока синхрони зации, а выход соединен с управляющи ми входами второго и третьего ключей включенных между вторым выходом источника эталонного напряжения и вто рым входом интегратора, вход преобразователя напряжения в интервал врем тг подключен к выходу блока выборки хранения, выход соединен с первым етробирующим входом реверсивного счетчика импульсов, а управляющий вход связан с пятым выходом блока си11хронизаШ1И, шестой и седьмой вы Ж)ды которого подключенът соответстве но ко второму с троб1фующему входу реверсивного счетчика импульсов и управл5аощему входу генератора, причем суммируюшнй вход реверсивного счетЧ нка импульсов непосредственно, а вычитающий вход через делитель частоты подключены к выходу генератора, а выход реверсивного счетчика является выходом преобразователя. На фиг. 1 представлена структурная схема предложенного устройства; на фиг, 2 - схема блока синхронизации; на фиг. 3 - временные диаграммы его рабо7Ъ1. Источник 1 эталонного гшпряжения через ключ 2 и ключ 3 соединен с первым входом интегратора 4. Выход интегратора 4 соединен с входом блока Б выборки-хранения. Блок 6 синхронизации соединен с управляющими входами ключа 2 и блока 5 выборки хране шя. Накопительный ковденсатор 7 между ключами 2 и 3 и шиной 1 улевого потен1Шала. Преобразователь 8 напряжения в интервал времени соединен с реверсивным счетчиком 9 импульсов, к суммирующему входу которого подключен выход генератора 10. Выход реверсивного счетчика 9 импульсов является выходом функционального преобразователя. Выход генератора 1О соединен с делителем 11 частоты, который подключен к вычитаю щему входу реверсивного счетчика 9 импульсов. Блок 6 синхронизации, соединен с преобразователем 8 напряжения в интервал времени, генератором 10, етробирующим входом реверсивного счетчика 9 импульсов, управляющим и информационным входами формирователя 12 временных сдвигов, который соединен с управляющим входом ключа 3, Выход преобразователя 8 напряжения в интервал времени соединен с управляющим входом ключа 13. Ключ 13 включен между источником 1 эталонного напряжения и вторым входом интегратора 4. Блок 6 синхронизации состоит из задающего генератора 14, к выходу которого подключен счэтчик-делитель 15. Выходы счетчгаса 15 подключены ко входам даш;ифратора 16, к выходам которого подалючены два 6-входовых 17 и 18 и двухвходовый 19 эпемен ты ИЛИ, На выходе блока 6 синхронизации подключены лопгаеские элементы И 2О и 21. Блок 6 синхронизации вьфабатьгоает следующие сигналы управлентю: сигнал управления ключом 2 (предназначен для заряда конденсатора 7 и вырабатывается один раз за такт); две сигнала для

управления формирователем 12 временн сдвигов, причем один сигнал вырабатывается в каждом такте первого цикла работы функЕшонального преобразова теля, а второй - в каждом такте второго цикла; сигнал для стробирования реверсивного счетчика 9 (вырабатьгоает ся каждый 6-ой такт) ; сигнал для упраления ключом блока 5 выборки-хранени (вырабатывается каждый такт) ; сигнал для стробирования преобразователя 8 напряжения в интервал времени (вырабатывается каждый такт) ; сигнал для управления генератором 10 (в каждом такте первого цикла выход генератора 10 плдкпйэчен к суммирующему входу реверсивного счегчика 9, а в каждом такте второго шжла через делитель частоты 11 к вычитающему входу реверсивного счетчика 9).

Работа блока 6 синхронизации поясняется временными диаграммами (см. фиг. 3).

Сигналы DC1 , DD1 , ...БС11 - сигналы на выходах дешифратора 16, Q - выходная частота задающего генератора 14, который вырабатьгоает импульсы с большой скважностью.

Выход о - сигнал управления ключом 2, ключом блока 5 выборки-хранения и преобразователем 8 напряжения в интервал времени; выходы 5 и Б выходы управления формирователем 12 временных .сдвигов ; §ыход 1 - выход сигнала, стробирующего реверсивный счетчик 9; выходы Э и 6 - выходы сигналов управления генератора 10.

Функциональный преобразователь работает в два цикла, каждый из которых состоит из нескольких тактов.

В каждом такте первого цикла осуществляется : заряд конденсатора 7 от источника 1 эталонного напряжения с последующим разрядом на вход интегратора 4, причем время между размыканием ключа 2 и замьпсанием ключа 3 равно TQ ; интегрирование интегратором отрицательного напряжения источника 1 эталонного напряжения в течение времени дТ, обусловленного напряжением на выходе блока 5 выборки-хранения; выборка выходного напряжения интегратора 4 блоком 5 выборки-хранения с последующим запоминанием в течение следующего такта.

Второй цикл отличается от первого только тем, что время между размыканием ключа 2 и замыканием ключа 3 равно XTj, где X 7/0.

Калиброванная временная задержка TQ и ХТ0 между размыканием ключа 2 и замыканием ключа 3 осуществляется с помощью формирователя 12 временных сдвигов, который может представлять набор управляемых линий задержек (например, на RC. -цепочках) или набор управляемых ждущих мультивибраторов (возмомшы и другие реализации формирователя 12 временных сдвигов).

0

В каждом из циклов работы функционального преобразователя блок 6 cifflxpoнизации обеспечивает подключение требуемой линии задержки (на время Т- в первом цикле и на время ХТ - во вто5ром) .

Выведем уравнение преобразования для первого цикла работы.

Предположим, перед началом преобразования напряжение на выходе блока 5

0 выборки-хранения равно Оц , а заряд на ко1зденсаторе 7 равен нулю.

Так как напряжение на выходе блока 5 выборки-хранения равно U ц , то ключ 13 будет замкнут на время

5

где К - коэффициент преобразования преобразователя 8 напряжения в интервал времени. При замыкании ключа 13 на время Тц напряжение на выходе интегра0тора 4 равно

) RC,

KH

где Кп - коэффициент передачи блока 5 выборки-хранения ;

i - сопротивление интегратора по входу подачи компенсирующего отрицательного напряжения источника 1 эталонного напряжения;

0

С/ - емкость конденсатора интегратора 4;

Fg - напряжение источника 1 эталонного напряжения.

При замыкании ключа 2 на время .Т

5 напряжение на конденсаторе 7 равно

V-b,(,

где t;/ - постоянная времени цепи заряда конденсатора 7 при замкнутом ключе 2.

При последующем замыкании ключа 3 напряжение на интеграторе 4 станет равным

/ -Tl.C

.

. 21+р н-е L

и

RC. oV /Сд

где C-j - емкость конденсатора 7. При злмыкании ключа блока 5 выборки-хранения, напряжение на ее выходе равно при получают V. Р Ur o57 n Аналогично, после окончания второго такта КЦБ . рс После окончания h -го такта получаю С п Г -iH г 4-T Выражение Uy, состоит из двух ча тей: геометрической прогрессии, сход щейся при выполнении условия RC, и убывающего, при этом же условии, члена. В результате, при выполнен ш условия Uf, в установившемся режиме () напряжение на выходе блока 5 выборки-хранения равно п После преобразования этого напряжен в интервал времени получают T,-KU.RC,. Формулу с учетом погрешности уте ки конденсатора 7 и ключей 2 и 3 за время TQ и за время разряда конде сатора 7 на интегратор 4 можчо зап сать в виде ТОе RST суммарное сопротивление п раллельно включенных сопротивлений утечки RN( конденсатора 7:И сопротив лений закрыгъ1Х ключей 2 и 3. Количество тактов в цикле выбира в зависимости от параметра сходимос S и требуемой погрешности преобраз вания f , Обычно число тактов л 4 Допустим, п « 6. 66 Выход преобразователя 8 напря.жсиия в интервал времени соедЯйен с одним стробирующим входом реверс:ивного счетчика импульсов 9, а блок 6 синхронизации, соединен с другим стробирующим входом реверсивного счетчика импульсов 9. По истечении 6-го такта первого цикла преобразования блок 6 синхронизации стробирует реверсивный счетчик 9 импульсов и одновременно подключает выход генератора 10 к суммкруюшему входу реверсивного счетчика 9 импульсов. Следовательно, в течение времени Ту,, реверсивный счетчик 9 импульсов насчитает Nj импульсов от генератора 10 где Jfjj - частота генератора 1О. Уравнение преобразования для второго цикла можно получить аналогично выражению для Во втором цикле работы функдиоргаль- ного преобразователя после окончания 6-го такта блок 6 стробирует реверсивный счетчик 9 импульсов и подключает выход генератора 10 ко входу делителя 11 частоты, выход которого соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика 9 импульсов. Частота на выходе делителя 11 частоты определяется выгде О , ражением в этом случае код, записаннъгй в реверсивный счетчик 9 импульсов, определяется выражением V Nffo nt- fo niУчитывая выражения Т и Т,-,,- , последнюю формулу можно записать в виде .1 в U 01 тгг Если выбрать - 1 , то последнее выражение будет иметь вид ,o(-)fAC7 , где (1-E) oonst. Таким образом, погрешность от утечки конденсатора 7 и ключей 2 и 3 скомпенсирована. Введение в устройство преобразователя напряжения в интервал времри, реверсивного счетчргка импульсов, генератора, делителя частоты, .формирователя временных сдвигов и ключа с соответствующими связями выгодно отличают пред ложенный функшюналъный преобразовател от известного, поскольку увеличеяа точность преобразования, уменьшены требования к стабильности некоторых блоков преобразователя. В частности, в уравнен преобразования предлагаемого функцио- надьного преобразователя не входит напряжение источника 1 эталонного напряжения и поэтому требования к его стабильности уменьшены, в отличие от известного функционального преобразовател в уравнение преобразованияi которого входит напряжение Eg источника эталонного напряжения. В предлагаемом устройстве, в отличие от известного, нет эталонного конденсатора в цепи об- ратной связи, поэтому соответственно уменьшается и погрешность преобразования за счет исключения утечки эталон ного конденсатора и соответствуюш.их ключей.. Коэффициент передачи вновь вводимого блока преобразователя напряжения в интервал времени также не входит в уравнение преобразования, поэтому и тре бования к нему невысокие. Этот преоб- разователь может быть построен по прос тейшей схеме интегрирующего типа. Введение преобразователя напряжения в интервал времени в предложенное устройство позволяет не только уменьшить погрешность преобразования за счет исключения погрешности нестабильности источника эталонного напряжения и утеч ки эталонного конденсатора и соответствующих ключей, но и облегчить выполнени алгоритма коррекции погрешностей и пре разование емкости в цифровой код. Предложенный функциональный преобразователь с коррекцией погрешности мо но использовать в процессе контроля емкостей запоминающих элементов сег- нетоэлектрических матриц типа ЗО7РБ1 где в процессе технологического контро параметров элементов матриц измерение электрической емкости составляет примерно половину всех электрических измерений. При этом процесс контроля емкостей запоминающих элементов может быть легко автоматизирован, что приведет к повьпиению производительности труда и к уменьшению числа занятых контролем людей. Высокая точность устройства позволяет в процессе контроля задавать узкое поле допуска. Это очень с позиций точнсюти управления технологическим процессом, поскольку позволяет уволи шrь йроцент выхода годных изделий. Формула изобретения Функциональный преобразователь, содержащий последовательно соединенные источник эталонного напряжения, первый и второй ключи, интегратор и блок выборки-хранения, накопительный котшенсатор, включенный между общим выводом первого и второго ключей и шиной нулевого потенциала, и блок синхронизации, первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого ключа и блока выборки-хранения, отличающийс я тем( что, с целью повьпиения точности преобразования, в него введены преобразователь напряжения в интервал времени, реверсивный счетчик импульсов, генератор, делитель частоты, третий ключ и формирователь временных сдв1П ов, информационный и управляющий входы которого подключены к третьему и четвертому выходам блока синхронизации, а выход добдинен с управляющими входами второго и третьего ключей, включенных между вторым выходом источника эталонного напряжения и вторым входом интегратора, вход преобразователя напряжения в интервал времени подключен к выходу блока вы- борки-хранения, выход соединен с первым стробирующим входом реверсивного счетчика импульсов, а управляющий вход связан с пятым выходом блока синхронизации, шестой и седьмой выходы которого подключены соответственно ко второму стробирующему входу реверсивного счетчика импульсов и управляющему входу генератора, причем сук(мируюцщй вход реверсивного счетчика импульсов непосредственно, а вычитающий вход через делитель частоты подключены к выходу генератора, а выход реверсивного счетчика является выходом преобразователя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3646545, кп. 286 - 29О, опублик. 1979. 2.Патент США 3435196, кл. 286 - 29О, опублик. 1976. 3.Авторское свидетельство СССР № 679997, кл. S06G 7/26, 1978 (прототип).

)2 f2

fuz.2

10 DS

f

21 D7

M

f

/

JPS