CS265583B1 - Jednoduchý převodník napětí na kmitočet s výstupy oddělenými podle polarity vstupního napětí - Google Patents

Abstract

Zapojení se týká jednoduchého převodníku napětí na kmitočet s výstupy oddělenými podle polarity vstupního napětí. Podstatou řešení je, že vstupní napětí se integruje v integrátoru s operačním zesilovačem. Je-li na vstupní svorku přivedeno záporné napětí, je v činnosti první komparátor, který při dosažení komparační úrovně aktivuje první monostabilní klopný obvod. Po dobu trvání impulsu na výstupu monostahilního klopného obvodu je pomocí prvního převodníku napětových úrovni sepnut první elektronický spínač tvořený diodami a integrační kapacitor se vybijí konstantním proudem z prvního zdroje referenčního proudu. Celý proces se neustále opakuje, přičemž kmitočet impulsů na výstupu prvního monostahilního klopného obvodu je přímo úměrný vstupnímu napětí. Podobně zapojení pracuje, přivedeme-li na vstupní svorku napětí kladné polarity. V činnosti je však nyní druhá větev tvořená druhým komparátorem, druhým monostabilním klopným obvodem, druhým převodníkem napětových úrovní, druhým elektronickým spínačem s diodami a druhým zdrojem referenčního proudu. Zapojení má obecné užití a lze ho aplikovat všude tam, kde je zapotřebí jednoduchý převod napětí na kmitočet se samostatnými výstupy pro kladné a záporné vstupní napětí. Zejména najde použití v měřicí a přístrojové technice jako vstupní převodník v multimetrech, číslicových korelátorech či spektrálních analyzátorech, číslicových integrátorech apod.

Description

Vynález se týká jednoduchého převodníku' napětí na kmitočet s výstupy oddělenými podle polarity vstupního napětí.

Je znáno několik druhů zapojení, které umožňuji převést vstupní napětí na kmitočet a současně rozlišují, zda vstupní napětí je kladné nebo záporné polarity. Nejčastěji se použijí dva komplementární převodníky, z nichž každý je určen pouze pro jednu polaritu vstupního napětí. Vlastní převodníky napětí na kmitočet pracují obvykle s řízením kmitočtu multivibrátoru pomocí proudu úměrného vstupnímu napětí, nebo pro přesnější účely se užívají zpětnovazební převodníky obsahující integrátor, komparátor a časovači obvod, který určuje dobu vybíjení integračního kapacitoru definovaným proudem.

Nevýhodou je značná obvodová náročnost, protože každá větev obsahuje kompletní obvodové uspořádání převodníku napětí na kmitočet.

.Jinou možností, jak zpracovat vstupní napětí převodníku obou polarit, je přičíst ke vstupnímu napětí konstantní napětí větší než nejvyšší převáděné napětí a tak posunout převod ní charakteristiku. Nulovému vstupnímu napětí pak odpovídá určitý střední kmitočet. Podle polarity vstupního napětí se kmitočet výstupního signálu vůči střednímu kmitočtu sníží nebo zvýší. Rozdělování výstupního signálu podle polarity pak provádí napětový nebo kmitočto vý komparátor, který přepíná demultiplexer zařazený za výstupem převodníku.

Nevýhodou,je, že nulovému vstupnímu napětí odpovídá střední kmitočet, který je nutno obvykle před dalším zpracováním v dalších obvodech odečíst.

Nej jednodušší známé uspořádání převodníku napětí na kmitočet se dvěma samostatnými výstupy pro kladné a záporné vstupní napětí využívá integrace vstupního napětí v integrátoru. Výstupní napětí integrátoru se sleduje a podle toho zda je vstupní napětí převodníku kladné nebo záporné se do sčítacího bodu integrátoru připojí přes rezistor po definovanou dobu zdroj kladného či záporného referenčního napětí, čímž dojde k vybíjení nebo naopak k nabíjení integračního kapacitoru definovaným proudem. Celý proces se neustále opakuje a jeho četnost je přímo úměrná vstupnímu napětí.

Nevýhodou je, že elektronické spínače používané pro připojování zdrojů referenčního napětí vykazují v sepnutém stavu nenulový odpor, který se navíc mění v závislosti na protéká jícím proudu a okolní teplotě. Z důvodů vyšší rychlosti spínání se užívají diodové spínače, u kterých je zapotřebí ještě vykompenzovat tzv. prahové napětí. Teplotní závislost prahového napětí diod se obvykle beze zbytku vykompenzovat nedá. Stejně tak se při použití tranzistorových spínačů nedá zcela vykompenzovat teplotní závislost sepnutého spínače.

Uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje zapojení jednoduchého převodníku napětí na kmitočet s výstupy oddělenými podle polarity vstupního napětí dle vynálezu, jehož podstatou je, že k invertujícímu vstupu operačního zesilovače je přes rezistor připojena vstupní svorka, dále tamtéž je připojena katoda první diody prvního elektronického spínače a anoda první diody druhého elektronického spínače a taktéž první vývod integračního kapacitoru, který je svým druhým vývodem spojen s výstupem operačního zesilovače. Neinvertující vstup operačního zesilovače je spojen se zemní svorkou a výstup operačního zesilovače je spojen s prvním vstupem prvního komparátoru a rovněž s prvním vstupem druhého komparátoru. Přitom druhý vstup prvního komparátoru je spojen se zdrojem prvního komparačního napětí a druhý vstup druhého komparátoru je spojen se zdrojem druhého komparačního napětí. Výstup prvního komparátoru je propojen se vstupem prvního monostabilního klopného obvodu a obdobně výstup druhého komparátoru je propojen se vstupem druhého monostabilního klopného obvodu. Výstup prvního monostabilního klopného obvodu je spojen s první výstupní svorkou a rovněž se vstupem prvního převodníku napětových úrovní, jehož výstup je propojen s katodou druhé diody prvního elektronického spínače. Anody obou diod prvního elektronického spínače jsou spojeny s prvním zdrojem referenčního proudu. Obdobně výstup druhého monostabilního klopného obvodu je spojen s druhou výstupní svorkou a rovněž se vstupem druhého převodníku napětových úrovní jehož výstup je propojen s anodou druhé diody druhého elektronického spínače. Katody obou diod druhého elektronického spínače jsou spojeny s druhým zdrojem referenčního proudu.

Výhody zapojení jednoduchého převodníku napětí na kmitočet s výstupy oddělenými podle polarity vstupního napětí dle vynálezu spočívají zejména v tom, že se neuplatňují nežádoucí vlastnosti elektronických spínačů v sepnutém stavu jako je konečný odpor sepnutého spínače a jeho teplotní závislost, protože z hlediska spínání proudu příliš na těchto reálných vlastnostech spínače nezáleží. Další výhodou je, že elektronické spínače jsou realizovány velmi jednoduše pomocí diod, přičemž není zapotřebí kompenzovat jejich prahové napětí ani teplotní závislost prahového napětí. Tyto výhodné vlastnosti jsou dále umocněny tím, že je použit jeden integrátor pro obě polarity vstupního napětí, takže integrace pro kladné i záporné vstupní napětí probíhá za obdobných podmínek a obvod integrátoru není třeba doplňovat žádnými pomocnými obvody. Zapojení převodníku je cenově nenáročné.

Vynález je dále blíže popsán podle přiloženého výkresu, na němž je znázorněno schéma zapojeni příkladného provedení, jednoduchého převodníku napětí na kmitočet s výstupy oddělenými podle polarity vstupního' napětí.

K invertujícímu vstupu operačního zesilovače 2 je přes rezistor R připojena vstupní svorka 2, dále tamtéž je připojena katoda první diody D^ prvního elektronického spínače 2 a anoda první diody D^ druhého elektronického spínače 2· Mezi invertující vstup operačního zesilovače 2 a jeho výstup je zapojen integrační kapacitor C, když neinvertující vstup operačního zesilovače 6 je spojen se zemní svorkou 17. Výstup operačního zesilovače ji je spojen s prvním vstupem komparátoru ]_ a rovněž s prvním vstupem druhého komparátoru 2· Druhý vstup prvního komparátoru 2 j^e připojen na zdroj 2 prvního komparačního napětí a druhý vstup druhého komparátoru 2 j® připojen na zdroj 10 druhého komparačního napětí. Výstup prvního komparátoru 7 je propojen se vstupem prvního monostabilniho klopného obvodu 11 a výstup druhého komparátoru 2 j® propojen se vstupem druhého monostabilniho klopného obvodu 12. Výstup prvního monostabilniho klopného obvodu 11 je spojen s první výstupní svorkou 15 a rovněž se vstupem prvního převodníku 14 napětových úrovní, jehož výstup je propojen s katodou druhé diody D₂ prvního elektronického spínače 4. Anody obou diod a D₂ prvního elektronického spínače 4 jsou spojeny s prvním zdrojem 2 referenčního proudu. Podobně je výstup druhého monostabilního klopného obvodu 12 spojen s druhou výstupní svorkou 16 a rovněž se vstupem druhého převodníku 13 napětových úrovní, jehož výstup je propojen s anodou druhé diody D^ druhého elektronického spínače 2· Katody obou diod D^ a D^ druhého elektronického spínače 2 jsou spojeny s druhým zdrojem 2 referenčního proudu.

V činnosti je jednoduchý převodník napětí na kmitočet s výstupy oddělenými podle polarity vstupního napětí osazen diferenčním operačním zesilovačem 2· Vstupní napětí, které se má převést na kmitočet, se přivádí proti zemní svorce 17 na vstupní svorku 2· Vstupní napětí se integruje v integrátoru tvořeném operačním zesilovačem 6, rezistorem R a integračním kapacitorem C. Při provozu je výstupní napětí operačního zesilovače 2 sledováno prvním a druhým komparátorem J_ a 2· První komparátor 7_ má nastavenu první komparační úroveň zdrojem 2 prvního komparačního napětí. Druhý komparátor 2 má nastavenu druhou komparační úroveň U^₂ zdrojem 10 druhého komparačního napětí. Přitom první komparační úroveň je vyšší než druhá komparační úroveň, t j. ^dk2' ^Prvri^- komparátor 2 pracuje při záporném vstupním napětí převodníku a druhý komparátor 2 pracuje při kladném vstupním napětí převodníku.

Přivedeme-li na vstupní svorku 2 záporné napětí, překlopí se komparátor 2 ^v tom okamžiku, kdy výstupní napětí operačního zesilovače 2 dosáhne komparační úrovně dané zdrojem prvního komparačního napětí. Tím se překlopí první monostabilní klopný obvod 11 na dobu danou jeho časovou konstantou. Výstupní signál prvního monostabilniho klopného obvodu 11 je upraven prvním převodníkem 14 napětových úrovní tak, aby elektronický spínač 2 ^s diodami D^, D₂ pracoval ve spínacím režimu, obvykle dostačují pro spolehlivé přepínání diod úrovně cca + 1,5 V. Výstupním signálem prvního převodníku 14 napětových úrovní se uzavře druhá dioda D₂ prvního elektronického spínače 4 a k invertujícímu vstupu operačního zesilovače se připojí přes sepnutou první diodu prvního elektronického spínače první zdroj 2_ referenčního proudu. Tímto způsobem dojde k vybíjení integračního kapacitoru C referenčním proudem I j. Po překlopení prvního monostabilního klopného obvodu 11 do klidového stavu se od invertujícího vstupu operačního zesilovače 6_ odpojí první zdroj 2^ referenčního proudu. Četnost nabíjení a vybíjení integračního kapacitoru C je lineárně úměrná hodnotě vstupního napětí. Kmitočet výstupního signálu odebíraného z první výstupní svorky 15 proti zemní svorce 17 je, za předpokladu, že vstupní napětí U<0, proto lineárně závislý na vstupním napětí podle vztahu

U.

Zde I_Ri značí proud dodávaný prvním zdrojem 2^ referenčního proudu ' ^TR1 dobu trvání impulsu vytvořeného prvním monostabilním obvodem 11, R odpor rezistoru R a U napětí přivedené na vstupní svorku £.

Obdobně zapojení pracuje, přivedeme-li na vstupní svorku £ napětí kladné polarity.

V činnosti je však nyní druhá větev, tvořená druhým komparátorem £, druhým monostabilním klopným obvodem £_2, druhým převodníkem 13 napětových úrovní, druhým elektronickým spínačem £ s diodami D^, a druhým zdrojem £ referenčního proudu. Kmitočet výstupního signálu odebíraného z druhé výstupní svorky 16 proti zemní svorce 17 je, za předpokladu, že vstupní napětí U>0, dán vztahem τ T ^XR2 ^XR2

U, přičemž I_R2 značí hodnotu proudu dodávaného zdrojem £ referenčníhp proudu, T_R2 dobu trvání impulsu druhého monostabilního klopného obvodu 12 a význam dalších veličin je shodný jako v předchozím.

Aby kmitočtový zdvih převodníku napětí na kmitočet byl pro obě polarity vstupního napětí shodný, volí se I_Rl = I_R2 a T_Rl = T_R2- Obvykle se také volí U_R2 = -U_R1. Jako diod je vhodné do elektronických spínačů £ a £ používat Schottkyho diod, protože se vyznačují velmi krátkou dobou zotavení v závěrném směru.

Menší nevýhodou je, že přesnost převodu závisí na citlivosti komparátoru T_ a £, které určují okamžik aktivace monostabilních klopných obvodů 11 a 12 a na stabilitě časových konstant monostabilních klopných obvodů 11 a 12, které určují dobu vybíjení resp. nabíjení integračního kapacitoru C ze zdrojů referenčního proudu 2 resp. £. Při vhodném výběru obvodových prvků lze však tuto nevýhodu potlačit při relativně nízké ceně celého převodníku.

Jednoduchý převodník napětí na kmitočet s výstupy oddělenými podle polarity vstupního napětí dle vynálezu má obecné využití a je ho možno s výhodou aplikovat všude tam, kde je zapotřebí jednoduchý převod napětí na kmitočet s rozlišenými výstupy podle polarity vstupního napětí. Zejména lze jednoduchý převodník podle vynálezu využít v měřicí a přístrojové technice, např. v multimetrech, číslicových korelátorech či spektrálních analyzátorech, číslicových integrátorech apod.

Claims (1)

1. Jednoduchý převodník napětí na kmitočet s výstupy oddělenými podle polarity vstupního napětí, vyznačující se tím, že k invertujícímu vstupu operačního zesilovače (6) je jednak přes rezistor (R) připojena vstupní svorka (1), dále je k němu připojena jednak katoda první diody (D^) prvního elektronického spínače (4), jednak anoda první diody (D^) druhého elektronického spínače (5) a jednak první vývod integračního kapacitoru (C), který je svým druhým vývodem spojen s výstupem operačního zesilovače (6), když neinvertující vstup operačního zesilovače (6) je spojen se zemní svorkou (17) a výstup operačního zesilovače (6) je spojen s prvním vstupem prvního komparátoru (7) a rovněž s prvním vstupem druhého komparátoru (8), přičemž druhý vstup prvního komparátoru (7) je spojen se zdrojem (9) prvního komparačního napětí a druhý vstup druhého komparátoru (8) je spojen se zdrojem (10) druhého komparačního napětí, když výstup prvního komparátoru (7) je propojen se vstupem prvního monostabilního klopného obvodu (11) a výstup druhého komparátoru (8) je propojen se vstupem druhého monostabilního klopného obvodu (12), přičemž výstup prvního monostabilního klopného obvodu (11) je spojen s první výstupní svorkou (15) a rovněž se vstupem prvního převodníku (14) napětových úrovní, jehož výstup je propojen s katodou druhé diody (D₂) prvního elektronického spínače (4), přičemž anody obou diod (D^, D₂) prvního elektronického spínače (4) jsou spojeny s prvním zdrojem (2) referenčního proudu a obdobně výstup druhého monostabilního klopného obvodu (12) je spojen s druhou výstupní svorkou (16) a rovněž se vstupem druhého převodníku (13) napětových úrovní, jehož výstup je propojen s anodou druhé diody (D^) druhého elektronického spínače (5), přičemž katody obou diod (D₃, D^) druhého elektronického spínače (5) jsou spojeny s druhým zdrojem (3) referenčního proudu.