CS268125B3

CS268125B3 - Precise voltage to frequency converter with high input resistance with separate outputs for each input voltage polarity

Info

Publication number: CS268125B3
Application number: CS189288A
Authority: CS
Inventors: Kamil Ml Doc Ing Csc Vrba; Jiri Ing Misurec
Original assignee: Vrba Kamil; Misurec Jiri
Priority date: 1988-03-23
Filing date: 1988-03-23
Publication date: 1990-03-14
Also published as: CS189288A1

Abstract

Zapojeni se týká přesného převodníku napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem se samostatnými výstupy pro každou polaritu vstupního napětí. Podstatou řešeni je, že přesný převodník napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem je doplněn druhým komparátorem s druhým zdrojem komparačního napětí, druhým časovaclm obvodem, druhým elektronickým spínačem a druhým zdrojem referenčního proudu. Kapacitor je nabíjen proudem daným odporem rezistoru a vstupním napětím. Je-11 na vstupní svorku přivedeno kladné napětí, je v činnosti první komparátor, který se po dosaženi komparační úrovně, dané prvním zdrojem komparačního napěti, překlopí a tím připraví časovači obvod k činnosti. Vlastni aktivace časovacího obvodu však nastane až po příchodu zvolené hrany signálu o referenčním kmitočtu, který je dodán na hodinové vstupy časovačích obvodů ze zdroje referenčního kmitočtu. Časovači obvod vydá impuls přesně definované délky odvozený od signálu o referenčním kmitoč tu. Po dobu trváni Impulsu je sepnut první elektronický spínač a kapacitor je vybíjen proudem z prvního zdroje referenč ního proudu. Celý proces se neustále opakuje, přičemž kmitočet Impulsů na výstupu prvního časovacího obvodu je přímo úměrný vstupnímu napětí. Podobně zapojeni pracuje, přivedeme-li na vstupní svorku napě tí záporné polarity. V činnosti je však nyní druhá větev tvořená druhým kompará torem s druhým zdrojem komparačního napě tí, druhým časovaclm obvodem, druhým elektronickým spínačem a druhým zdrojem referenčního proudu. Zapojeni má obecné užiti a lze ho aplikovat všude tam, kde je zapotřebí přesný převodník napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem se samostatnými výstupy pro každou polaritu vstupního napětí. Zejména najde použiti v měřici a přístrojové technice jako vstupní převodník v mult1metřech, číslicových korelátorech nebo spektrálních analyzátorech, číslicových integrá torech apod.The connection concerns a precision voltage-to-frequency converter with a large input resistance with separate outputs for each polarity of the input voltage. The essence of the solution is that the precision voltage-to-frequency converter with a large input resistance is supplemented by a second comparator with a second source of comparison voltage, a second timing circuit, a second electronic switch and a second source of reference current. The capacitor is charged with a current given by the resistance of the resistor and the input voltage. If a positive voltage is applied to the input terminal, the first comparator is active, which, after reaching the comparison level given by the first source of comparison voltage, switches over and thus prepares the timing circuit for operation. However, the actual activation of the timing circuit occurs only after the arrival of the selected edge of the reference frequency signal, which is supplied to the clock inputs of the timing circuits from the reference frequency source. The timing circuit will issue a pulse of precisely defined length derived from the reference frequency signal. For the duration of the pulse, the first electronic switch is closed and the capacitor is discharged by the current from the first reference current source. The whole process is constantly repeated, while the frequency of the pulses at the output of the first timing circuit is directly proportional to the input voltage. The circuit works similarly if we apply a negative polarity voltage to the input terminal. However, the second branch is now active, consisting of a second comparator with a second source of comparison voltage, a second timing circuit, a second electronic switch and a second source of reference current. The circuit has general use and can be applied wherever a precise voltage-to-frequency converter with a large input resistance and separate outputs for each polarity of the input voltage is needed. It is particularly used in measuring and instrumentation technology as an input converter in multimeters, digital correlators or spectrum analyzers, digital integrators, etc.

Description

Vynález se týká přesného převodníku naoéti na knitočet s velkým vstupním odporem se samostatnými výstupy pro každou polaritu napěti závislého na základním vynálezu chráněném autorským osvědčením č. 266 884.The invention relates to a precision voltage-to-current converter with a large input resistance and separate outputs for each voltage polarity, based on the basic invention protected by copyright certificate No. 266,884.

Přesný převodník napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem podle základního vynálezu je tvořen operačním zesilovačem, rezistorer, kapacitorem, prvním elektronickým spínačem, prvni m zdrojem referenčního proudu, pr/nin komparátorem, prvním zdrojem komparačního napětí, prvním časovacim obvodem a zdrc;em referenčního kmitočtu. lapojeni pracuje tak, že vstupní napěti kladné polarity přivedené na neinvertujici vstup operačního zesilovače se v důsledku činnosti operačního zesilovače zopakuje na jeho invertujícím vstupu. Kapacitor je nabíjen proudem daným odporem rezistoru a vstupním napětím. Jakmile napětí na výstupu operačního zesilovače dosáhne prvního komparačního napětí, překlopí se první komparátor a tím se připraví první časovači obvod k činnosti. Vlastni aktivace prvního časovaciho obvodu však nastane až po příchodu zvolené hrany signálu o referenčním kmitočtu, který je přiváděn na hodinový vstup tohoto obvodu ze zdroje referenčního kmitočtu. První časovači obvod vydá impuls přesně definované délky odvozené od referenčního kmitočtu. Po dobu trváni impulsu je sepnut první elektronický spínač a kapacitor je vybíjen referenčním proudem z prvního zdroje referenčního proudu. Celý proces se periodicky opakuje. 'The precision voltage-to-frequency converter with a large input resistance according to the basic invention consists of an operational amplifier, a resistor, a capacitor, a first electronic switch, a first reference current source, a comparator, a first comparison voltage source, a first timing circuit and a reference frequency source. The circuit operates in such a way that the input voltage of positive polarity applied to the non-inverting input of the operational amplifier is repeated at its inverting input due to the operation of the operational amplifier. The capacitor is charged with a current given by the resistance of the resistor and the input voltage. As soon as the voltage at the output of the operational amplifier reaches the first comparison voltage, the first comparator is switched over and thus the first timing circuit is prepared for operation. However, the actual activation of the first timing circuit occurs only after the arrival of the selected edge of the reference frequency signal, which is applied to the clock input of this circuit from the reference frequency source. The first timing circuit outputs a pulse of precisely defined length derived from the reference frequency. For the duration of the pulse, the first electronic switch is closed and the capacitor is discharged by the reference current from the first reference current source. The whole process is repeated periodically. '

Zapojení neumožňuje zpracovávat vstupní napětí oboji polarity. Tuto nevýhodu lze odstranit tak, že se stejnosměrně posune celá převodní charakteristika převodníku, nebo že se zkonstruuje samostatný převodník pro opačncj polaritu vstupního napěti. Nevýhodou prvního ze způsobů je okolnost, že nulovému vstupnímu napětí odpovídá určitý střední kmitočet, a ze převodník nemá samostatné výstupy oddělené podle polarity vstupního napětí. Nevýhodou druhého způsobu je pak obvodová složitost a vyšší cenová náročnost.The connection does not allow processing input voltages of both polarities. This disadvantage can be eliminated by shifting the entire converter characteristic in the DC direction, or by constructing a separate converter for the opposite polarity of the input voltage. The disadvantage of the first method is that the zero input voltage corresponds to a certain center frequency, and that the converter does not have separate outputs separated according to the polarity of the input voltage. The disadvantage of the second method is the circuit complexity and higher cost.

Uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje přesný převodník napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem podle autorského osvědčeni č. 266 884 se samostatnými výstupy pro každou polaritu vstupního napěti podle vynálezu, jehož podstatou je, že k výstupu operačního zesilovače je rovněž připojen první vstup druhého komparátoru, přičemž jeho druhý vstup je připojen ke druhému zdroji komparačního napětí. Výstup druhého komparátoru je přiveden na druhý časovači obvod, na jehož hodinový vstup je přiveden signál ze zdroje referenčního kmitočtu. Výstup druhého časovaciho obvodu je spojen s druhou výstupní svorkou a rovněž s řídicím vstupem druhého elektronického spínače, když k invertujic1 mu vstupu operačního zesilovače je připojen první vývod druhého elektronického spínače, jehož druhý vývod je připojen ke druhému zdroji referenčního proudu.The above disadvantages are largely eliminated by a precision voltage-to-frequency converter with a large input resistance according to the author's certificate No. 266 884 with separate outputs for each polarity of the input voltage according to the invention, the essence of which is that the first input of the second comparator is also connected to the output of the operational amplifier, while its second input is connected to the second source of the comparison voltage. The output of the second comparator is fed to the second timing circuit, to the clock input of which a signal from the reference frequency source is fed. The output of the second timing circuit is connected to the second output terminal and also to the control input of the second electronic switch, when the first output of the second electronic switch is connected to the inverting input of the operational amplifier, the second output of which is connected to the second source of the reference current.

Výhoda zapojeni přesného převodníku napěti na kmitočet s velkým vstupním odporem se samostatnými výstupy pro každou polaritu vstupního napěti podle vynálezu spočívá zejména v tom, že relativně jednoduchým způsobem lze získat výstupní signál na oddělených výstupech podle polarity vstupního převáděného napěti. Výhoda je dále v tom, že je zachován velký vstupní odpor převodníku, tak jako je u zapojení podle základního vynálezu.The advantage of connecting a precision voltage-to-frequency converter with a large input resistance with separate outputs for each polarity of the input voltage according to the invention lies mainly in the fact that in a relatively simple way it is possible to obtain an output signal on separate outputs according to the polarity of the input converted voltage. The advantage is further that the large input resistance of the converter is maintained, as in the connection according to the basic invention.

Vynález bude dále bliže popsán podle obrázku, na němž je znázorněno zapojeni příkladného provedeni přesného převodníku napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem se samostatnými výstupy pro každou polaritu vstupního napěti podle vynálezu.The invention will be further described in more detail with reference to the figure, which shows the connection of an exemplary embodiment of a precision voltage-to-frequency converter with a large input resistance and separate outputs for each polarity of the input voltage according to the invention.

Vstupní svorka J je spojena s neinvertuj1c1m vstupem operačního zesilovače a k ínvertujícímu vstupu operačního zesilovače £ je připojen prvni konec rezistoru 2 z dáte první konec kapacitoru £ a první vývod prvního e l ek t roni ck ého spínače £ a rovněž prvni vývod druhého elektronického spínače 13. Druhý konec rezistoru £ je připojen ke společnému vodiči 2· Výstup operačního zesilovače 2 je připojen ke druhému konci ka2 CS 268125 B3 i pacitoru £ a rovněž je spojen s prvním vstupem prvního komparátoru Jas prvním vstupem druhého komparátoru 16. Druhý vstup prvního komparátoru 7 je připojen k prvnímu zdroji g komparačního napětí a druhý vstup druhého komparátoru 16 je připojen ke druhému zdroji 15 komparačního napětí. Výstup prvního komparátoru Z je spojen se vstupem prvního časovaciho obvodu 10 a podobně výstup druhého komparátoru 16 je spojen se vstupem druhého časovaciho obvodu 17. Hodinové vstupy prvního i druhého časovaciho obvodu 10, 17 jsou spojeny se zdrojem 11 referenčního kmitočtu. Výstup prvního časovaciho obvodu 1G je spojen s první výstupní svorkou 12 a rovněž s řídicím vstupem prvního elektronického spínače 5, jehož druhý vývod je připojen k prvnímu zdroji 4 referenčního proudu a obdobně je výstup druhého časovaciho obvodu 17 spojen s druhou výstupní svorkou 18 a rovněž s řídicím vstupem druhého elektronického spínače 13, jehož druhý vývod je připojen ke druhému zdroji 14 referenčního proudu.The input terminal J is connected to the non-inverting input of the operational amplifier and to the inverting input of the operational amplifier £ the first end of the resistor 2 is connected, the first end of the capacitor £ and the first terminal of the first electronic switch £ and also the first terminal of the second electronic switch 13. The second end of the resistor £ is connected to the common conductor 2. The output of the operational amplifier 2 is connected to the second end of the capacitor £ and also is connected to the first input of the first comparator Jas by the first input of the second comparator 16. The second input of the first comparator 7 is connected to the first source g of the comparison voltage and the second input of the second comparator 16 is connected to the second source 15 of the comparison voltage. The output of the first comparator Z is connected to the input of the first timing circuit 10 and similarly the output of the second comparator 16 is connected to the input of the second timing circuit 17. The clock inputs of the first and second timing circuits 10, 17 are connected to the reference frequency source 11. The output of the first timing circuit 1G is connected to the first output terminal 12 and also to the control input of the first electronic switch 5, the second output of which is connected to the first reference current source 4 and similarly the output of the second timing circuit 17 is connected to the second output terminal 18 and also to the control input of the second electronic switch 13, the second output of which is connected to the second reference current source 14.

V činnosti se na vstupní svorku 1 proti společnému vodiči 2 přivede vstupní napětí U. Totéž napětí se zopakuje v důsledku činnosti operačního zesilovače 2 na invertujícím vstupu operačního zesilovače £, a proto kapacitor £ bude nabíjen proudem kde U značí vstupní napětí přivedené na vstupní svorku 1 a R značí odpor rezistoru 3. Při provozu je výstupní napětí operačního zesilovače 2 sledováno prvním a druhým komparátorem 2 » 16. První komparátor 2 ma nastavenu první komparační úroveň prvním zdrojem § komparačního napětí. Druhý komparátor 16 má nastavenu druhou komparační úroveň U_K2 druhým zdrojem 15 komparačního napětí. Přitom první komparační úroveň je vyšší než druhá komparační úroveň, tj. První komparátor 2 pracuje při kladném vstupním napětí a druhý komparátor 16 pracuje při záporném vstupním napětí převodníku.In operation, an input voltage U is applied to the input terminal 1 against the common conductor 2. The same voltage is repeated as a result of the operation of the operational amplifier 2 at the inverting input of the operational amplifier £, and therefore the capacitor £ will be charged with a current where U denotes the input voltage applied to the input terminal 1 and R denotes the resistance of the resistor 3. In operation, the output voltage of the operational amplifier 2 is monitored by the first and second comparators 2 » 16. The first comparator 2 has a first comparison level set by the first source § of the comparison voltage. The second comparator 16 has a second comparison level U _K2 set by the second source 15 of the comparison voltage. In this case, the first comparison level is higher than the second comparison level, i.e. The first comparator 2 operates at a positive input voltage and the second comparator 16 operates at a negative input voltage of the converter.

Přívedeme-li na vstupní svorku J kladné napětí, překlopí se komparátor 2 v tom okamžiku, kdy výstupní napětí operačního zesilovače 2 dosáhne komparační úrovně dané zdrojem 8 prvního komparačního napětí. T1m se připraví ěasovací obvod 10 k činnosti. Vlastni aktivace časovaciho obvodu 10 však nastane až po příchodu zvolené hrany signálu o referenčním kmitočtu, který je dodáván na hodinové vstupy časovačích obvodů 10 a 17 ze zdroje 11 referenčního kmitočtu. Časovači obvod 10,vydá impuls přesně definované délky t odvozený od signálu o referenčním kmitočtu. Po dobu trvání impulsu je sepnut první elektronický spínač 2 a kapacitorem £ teče navíc vybíjecí proud 1_R^ z prvního zdroje 4 referenčního proudu. Četnost nabíjeni a vybíjeni kapacítoru £ je lineárně úměrná hodnotě vstupního napětí. Kmitočet F1 výstupního signálu odebíraného z první výstupní svorky 12 proti zemni svorce je, za předpokladu, že vstupní napětí U 0, proto lineárně závislý na vstupním napětí podle vztahuIf a positive voltage is applied to the input terminal J, the comparator 2 switches over at the moment when the output voltage of the operational amplifier 2 reaches the comparison level given by the source 8 of the first comparison voltage. At T1m, the timing circuit 10 is prepared for operation. However, the actual activation of the timing circuit 10 occurs only after the arrival of the selected edge of the reference frequency signal, which is supplied to the clock inputs of the timing circuits 10 and 17 from the reference frequency source 11. The timing circuit 10 issues a pulse of precisely defined length t derived from the reference frequency signal. For the duration of the pulse, the first electronic switch 2 is closed and, in addition, a discharge current 1 _R ^ from the first reference current source 4 flows through the capacitor £. The frequency of charging and discharging the capacitor £ is linearly proportional to the value of the input voltage. The frequency F1 of the output signal taken from the first output terminal 12 against the ground terminal is, assuming that the input voltage U 0, therefore linearly dependent on the input voltage according to the relationship

F = -------------- u .F = -------------- u .

^R 1r1 ^ťr ^R 1r1 ^ť r

Zde I_ft1 značí proud dodávaný prvním zdrojem $ referenčního proudu, t dobu trváni impulsu na výstupu časovaciho obvodu 1G odvozenou od signálu o referenčním kmitočtu, R odpor rezistoru a U napětí přivedené na vstupní svorku 1 proti společnému vodiči £.Here I _ft1 denotes the current supplied by the first reference current source $, t the pulse duration at the output of the timing circuit 1G derived from the reference frequency signal, R the resistance of the resistor and U the voltage applied to the input terminal 1 against the common conductor £.

Obdobně zapojeni pracuje, přivedeme-li na vstupní svorku 1 napětí záporné polarity. V činnosti je však nyní druhá větev tvořená druhým komparátorem 16 se zdrojem 15 druhého komparačního napětí, druhým časovacím obvodem 17 druhým elektronickým spínačem 13 a druhým zdrojem 14 referenčního proudu. Kmitočet F2 výstupního signálu odebíranéhoThe circuit operates similarly if a negative polarity voltage is applied to the input terminal 1. However, the second branch is now active, consisting of a second comparator 16 with a second comparison voltage source 15, a second timing circuit 17, a second electronic switch 13 and a second reference current source 14. The frequency F2 of the output signal taken from

CS 268125 33 z druhé výstupní svorky 18 proti společnému vodiči £ je, za předpokladu, že vstupni napéti U0, dán vztahem přičemž 1_R2 znáči hodnotu proudu dodávaného druhýn zdrojem 14 referenčního proudu a význam dalších veličin je shodný jako v předchozip.CS 268125 33 from the second output terminal 18 against the common conductor £ is, assuming that the input voltage U0, given by the relationship where 1 _R2 denotes the value of the current supplied by the second reference current source 14 and the meaning of other quantities is the same as in the previous example.

Aby kmitočtový zdvih převodníku napéti na kmitočet byl pro obě polarity vstupního napětí shodný, voli se J_R^ = J_R2 ³ obvykle se také voli U_K2 =In order for the frequency response of the voltage-to-frequency converter to be the same for both polarities of the input voltage, J _R ^ = J _R2 ³ is chosen, usually U _K2 = is also chosen.

Poněkud složitější způsob generování impulsu v časovačích obvodech 10 a 17 je '·' dán tím, že z důvodu vysoké přesnosti převodu je délka impulsu odvozena ze signálu o referenčním kmitočtu, který je dodáván ze zdroje 11 referenčního kmitočtu realizovaného příkladně pomocí krystalem řízeného oscilátoru. Okamžitý kmitočet výstupního signálu z tohoto důvodu není zcela přesně úměrný vstupnímu napětí. V kapacitoru £ je však chyba každého převodu zapamatována a jakmile dojde k nahromaděni chyby nad určitou mez, je převodníkem provedena oprava výstupního kmitočtu. V průběhu delšího časového intervalu je proto převod napětí na kmitočet velmi přesný. __A somewhat more complex method of generating a pulse in the timing circuits 10 and 17 is '·' given that, due to the high accuracy of the conversion, the pulse length is derived from a reference frequency signal, which is supplied from the reference frequency source 11, implemented for example by a crystal-controlled oscillator. The instantaneous frequency of the output signal is therefore not exactly proportional to the input voltage. However, the error of each conversion is stored in the capacitor £ and as soon as the error accumulates above a certain limit, the converter corrects the output frequency. Over a longer time interval, the conversion of voltage to frequency is therefore very accurate. __

Přesný převodník napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem se samostatnými výstupy pro každou polaritu vstupního napětí dle vynálezu má obecné využiti a je ho možno s výhodou aplikovat všude tam, kde je zapotřebí jednoduchý a přesný převodník napětí na kmitočet s velkým vstupnim odporem se samostatnými výstupy pro každou polaritu vstupního napětí. Zejména lze převodník podle vynálezu využit v měřici a přístrojové technice, např. v mu11i metrech, číslicových korelátorech či spektrálních analyzátorech, číslicových integrátorech apod.The precise voltage-to-frequency converter with a large input resistance and separate outputs for each polarity of the input voltage according to the invention has general use and can be advantageously applied wherever a simple and precise voltage-to-frequency converter with a large input resistance and separate outputs for each polarity of the input voltage is needed. In particular, the converter according to the invention can be used in measuring and instrumentation, e.g. in multimeters, digital correlators or spectrum analyzers, digital integrators, etc.

Vzhledem k relativní obvodové jednoduchosti převodníku podle vynálezu, je obvod vhodný pro realizaci v hybridní podobě.Due to the relative circuit simplicity of the converter according to the invention, the circuit is suitable for implementation in a hybrid form.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

Precision voltage to frequency converter with high input resistance according to the author's certificate No. 266 884 with separate outputs for each polarity of the input voltage, characterized in that the first input of the second comparator / 16 / is also connected to the output of the operational amplifier / 2 /, its the second input is connected to the second source / 15 / of comparative voltage, while the output of the second comparator / 16 / is connected to a second timing circuit / 17 /, to the clock input of which the output of the reference frequency (11) is connected, the output of the second timing circuit / 17 / is connected on the one hand to the second output terminal / 18 / and on the other hand to the control input of the second electronic switch / 13 /, where the first terminal of the second electronic switch / 13 / is connected to the inverting input of the operational amplifier / 2 /, the second terminal of which is connected to the second source / 14 / of the reference current.