HUT64653A - Method and apparatus for converting time into voltage - Google Patents

Description

Az ott bemutatott idő/feszültség átalakító egy lehetséges megvalósítása egy MOS tranzisztort tartalmaz, amelynek a gate elektródájára az impulzusszélesség modulált jelet vezetik. A MOS tranzisztor source elektródájára egy olyan feszültséget kapcsolnak, amely egy maximális értékről állandó meredekséggel nulla Voltra lecsökken. Egy, a drain elektródára kapcsolt kondenzátort ezáltal egy furészfeszültséggel töltenek. A mindenkori feszültség a kondenzátoron vehető le.

Az említett bejelentésből ismert feszültség/idő átalakító olyan impulzusokat szolgáltat, amelynek az időtartama különböző hosszúságú, amelynek a feszültség lefutása azonban az adott impulzus időtartama alatt lényegében állandó. Kiderült azonban, hogy a nevezett idő/feszültség átalakítóval nyert ilyen impulzusok bizonyos alkalmazásokhoz még nem elég pontosan alakíthatók át feszültség értékekbe.

A jelen találmány feladata, hogy az impulzusok időtartamának megfelelő idő értékeknek a feszültség értékekké való pontosabb átalakítását tegye lehetővé.

A találmány ezt a feladatot az 1. igénypont szerinti eljárással, illetve egy, a találmány szerinti eljárás végrehajtására alkalmas, az első készülék igénypont szerinti készülék révén oldottuk meg.

A találmány szerint egy bemenő impulzus feszültség lefutását egy furészjel alakú segédfeszültség lefutásához, amelyet a továbbiakban röviden furészfeszültségnek nevezünk, olymértékben hozzáillesztjük, hogy az impulzusfeszültség lefutás és a furészfeszültség lefutás közötti távolság előre megadott értékek között legyen.

A találmány további előnye egyrészről, hogy az alkalmazott tranzisztorok elektromos igénybevétele kisebb, másrészről kis adatfeszültségek esetén rövidebb lekapcsolási idő következtében a furészfeszültség fűrészének a végét időben közelebb tudjuk tolni egy vezérelendő sor végéhez. Ebből nagyobb pontosság adódik.

A találmány példaképpen! kiviteli alakjait a rajzokon ábrázoltuk, és a következőkben részletesebben leíijuk. Az

1. ábra egy ismert erősítőt mutat egy feszültség/idő és egy idő/feszültség átalakítóval, a

2a. ... c. ábrák, és a 3. ábra egy, az 1. ábra szerinti erősítő feszültség lefutásait mutatja be, a

4. ábra a találmány szerinti készülék egy első példaképpen! kiviteli alakját mutatja, az 5a. ... c. ábrák, és a 6. ábra a 4. ábra szerinti példaképpeni kiviteli alak feszültség lefutásait mutatja, a

7. ábra egy, a találmány szerinti készülék egy második példaképpeni kiviteli alakját mutatja.

Mielőtt a példaképpeni kiviteli alakok leírásába közelebbről belemennénk, rá kell mutatnunk arra, hogy az ábrákon külön bemutatott blokkok csak a találmány jobb megértését szolgálják. Szokás szerint egy vagy több blokkot egységekké fognak össze. Ezek integrált vagy hibrid technikával, vagy programvezérelt mikroszámítógép formájában, illetve egy a vezérlésére alkalmas program részeként realizálhatók.

Továbbá utalnunk kell arra, hogy az egyes fokozatok által tartalmazott elemeket egyenként is kivitelezhetjük.

Az 1. ábra egy ismert 10 erősítőt mutat, amely egy 11 feszültség/idő átalakítót (U/t átalakítót) és egy 12 idő/feszültség átalakítót (t/U átalaítót) tartalmaz. All feszültség/idő átalakító egy Ue bemenőjelből egy Ui impulzusszélesség modulált jelet képez, amely a 12 idő/feszültség átalakító első bemenetére kerül. Ez utóbbit egy második bemenetén keresztül egy 13 furészfeszültség generátorral kötjük össze, amelyről az UR furészfeszültséget kapja. Az Ui jel és az UR furészfeszültség alapján a 12 idő/feszültség átalakító egy Ua kimenőjelet képez, amely a kimenetén rendelkezésre áll.

A 12 idő/feszültség átalakító példaképpen egy 12' MOS tranzisztorból áll, amelynek a source kivezetéséhez vezetjük az UR furészfeszültséget, és amelynek a drain kivezetése egy 12 kondenzátor első kivezetéséhez vezet. A 12' tranzisztor gate elektródájára vezetjük az Ui jelet, és a 12 kondenzátor második kivezetése földpotenciálon van. A 12' tranzisztor és a 12 kondenzátor közös kivezetéséről vehetjük le az Ua kimenőjelet.

Az 1. ábra szerinti 10 erősítő berendezés működési módját a fenntnevezett korábbi bejelentésben leírták, és erre a továbbiakban csak annyiban térünk ki, amennyiben az a jelen találmány megértéséhez szükséges.

All feszültség/idő átalakító impulzusokat állít elő, amint azokat idealizált módon a 2. ábrán, amely a 2a, b, c ábrákból áll, szaggatott vonallal ábrázoltuk. Ezeknek az impulzusoknak - a 11 átalakítótól hozzávezetett különböző Ue bemenő feszültségek függvényében - különböző ti, t2, illetve t3 hosszuk van, és a feszültség értékük a teljes impulzus időtartam alatt lényegében állandó.

A 2. ábrán vastag vonallal ábrázoltuk a valódi impulzus lefutásokat, amint azokat a 12 idő/feszültség átalakító a 11 feszültség/idő átalakítótól megkapja. Ezek a lefutások az idealizálttól annyiban térnek el, hogy az éleik lekerekítettek, amelyet például a parazita kapacitások okoznak. A 2. ábrán berajzolt küszöbérték jelentésére a későbbiekben még visszatérünk.

A 3. ábrán az Ui görbéket ábrázoltuk, amelyek a 2. ábra valódi impulzusai jobboldali éleinek felelnek meg. A 3. ábrába továbbá berajzoltunk egy b görbét, amely lényegében az UR furészfeszültség időbeli lefutásának felel meg, amely ebben az ismert készülékben • ·· ·♦·< ·· « * • ··· • · • ·· ·· ··« például csak egy ti idő eltelte után mutat egy fűrész formájú lefutást, amely különösen arra szolgál, hogy a 12b kondenzátort először teljesen feltöltjük, és ezt követően a rajta levő Ua feszültséget elsősorban az UR furészfeszültség határozza meg.

A 12 idő/feszültség átalakító az Ua kimenő feszültséget azon az értéken adja ki, amely az Ui görbe és a b görbe metszési időpontjában érvényes.

Ezen a ponton rá kell mutatnunk, hogy az idő/feszültség átalakítónak félvezető építőelemekkel történő realizációjakor a megfelelő küszöbfeszültségeket figyelembe kell venni, amelyeket ekkor az UR fürészfeszültség mellett a b görbébe befoglalunk.

A t' időpontban, amikor a 2a. ábra első idealizált impulzusa befejeződik, a b görbe U1 értékű. A lekerekedés miatt azonban az első valódi impulzus görbéje a b görbét csak a TI = ti’ + dl időpontban metszi, egy vl értéknél.

A t2 időpontban, amelyben a 2b. ábra második idealizált impulzusa végződik, a b görbe U2 értékű. A második impulzus lekerekedése miatt a második valódi impulzus feszültség értéke a b görbét azonban csak egy T2 = t2' + d2 időpontban metszi egy v2 feszültség értéknél, és ezzel analóg módon a 3c. ábra harmadik lekerekedett impulzusának az éle a b görbét csak egy T3 = t3' + d3 időpontban metszi egy v3 feszültségértéknél, az U3 feszültségérték helyett.

A vl - Ul, v2 - U2 és v3 - U3 különbségek nem egyforma nagyságúak, ami azonos formájú él-lefutások esetében a különböző nagyságú dl, d2 és d3 időkülönbségek következménye.

Azaz, az 1-3. ábrák szerinti idő/feszültség átalakító esetében nemlinearitások lépnek fel.

A jelen találmányt a 4-7. ábrák segítségével két kiviteli példán mutatjuk be. Az ábrákon olyan elemeket és feszültségeket ábrázoltunk, amelyek azonos funkciójuak illetve hatásúak, mint az 1-3. ábrákon, és azonos jelöléssel láttuk el őket. A továbbiakban rájuk csak annyiban térünk ki, amennyiben az a jelen találmány megértéséhez lényeges.

A 4. ábra a találmány szerinti készülék egy első példaképpeni kiviteli alakját mutatja be. Egy 12a idő/feszültség átalakításra szolgáló készülék egy 14 impulzusformálóval rendelkezik, amely egy 15 komparátor fokozatot tartalmaz. A 15 komparátor fokozat bemenetére kerül az Ui jel, és kimenetét egy 16 kapcsoló készülék egy vezérlő bemenetével kötöttük össze. Ennek a 16 kapcsoló készüléknek egy első kapcsoló kimenetét egy első 17 ellenállás egy első kivezetésére kötöttük, amelynek a második kivezetését a 13 furészfeszültség generátor kimenetével kötjük össze.

A 16 kapcsoló készülék egy második kapcsoló kimenetét egyrészről egy 18 második ellenállás első kivezetésével, valamint a 12 idő/feszültség átalakító első bemenetével kötöttük össze. A 18 második ellenállás második kivezetését földpotenciálra kötjük.

A 12 idő/feszültség átalakítóhoz az UR fűrészfeszültséget egy 22 csökkentő tagon keresztül vezetjük hozzá, amely az UR furészfeszültséget additíven, például egy feszültség kivonásával, és/vagy multiplikatíven, például egy alkalmas csillapító tagon keresztül (az erősítési tényező kisebb mint 1), lecsökkenti, és ezt a lecsökkenteti feszültséget továbbadja a 12 idő/feszültség átalakító második bemenetére.

A 4. ábra szerinti találmány szerinti készülék működését a 2a, b, c ábrákból álló 2., és az 5a, b, c, ábrákból álló 5. ábra segítségével magyarázzuk el.

Az Ui jelet, amely a 2. ábra szerinti valós impulzusokból áll, a 15 komparátor fokozathoz vezetjük, amely az előre megadott Us küszöbérték túllépésekor a 16 kapcsoló készüléket működteti úgy, hogy a 17 első ellenállás és a 18 második ellenállás között helyreállítja az összeköttetést. A nevezett Us küszöbérték alatt aló kapcsoló készülék ismét kinyit. A 16 kapcsoló készülék megfelelő vezérlő jele az időbeli lefutását tekintve lényegében megfelel a 2. ábra idealizált impulzusainak. Az Us küszöbérték helyzetét a valódi Ui impulzus lekerekedésének a függvényében előnyösen olymódon határozzuk meg, hogy az az idő, ameddig a 16 kapcsoló készülék zárva van, megfeleljen az Ui ideális impulzus (2. ábra) időtartamának.

A 16 kapcsoló készülék zárt kontaktusa esetén a két 17, 18 ellenállás egy feszültségosztót alkot. A 12 idő/feszültség átalakító által leadott Ui jelek valódi impulzusait, azaz a lekerekedett élű impulzusokat az 5. ábrán vastag vonallal ábrázoltuk. Fontos, hogy az impulzusok feszültség lefutása az adott impulzus időtartam alatt nem állandó, hanem az UR furészfeszültség befolyásolja.

Ha egy, a 3. ábra b görbéje szerinti furészfeszültség lefutásból indulunk ki, azaz a furészfeszültség formájú csökkenő lefutás csak a ti' időpont után kezdődik, akkor az első ti időtartamú Ui impulzus (2a. ábra) a 12 idő/feszültség átalakító első bemenetére való elvezetésekor a lefutását olymértékben megtartja, mint ahogy az Ui feszültség lefutása (5a. ábra) a teljes időtartama alatt lényegében állandó.

A második, t2 időtartamú Ui impulzus (2b. ábra) ezzel szemben a nevezett bemeneten egy megváltozott Ui' feszültség lefutású, olymódon, hogy az eredetileg állandó feszültség lefutása a ti időtartam eltelte után lineárisan lecsökken. Hasonló lefutású a harmadik impulzus is.

A 12 idő/feszültség átalakító első bemenetén levő, fennt nevezett impulzusokat a 6. ábrára is felvittük, amelyre járulékosan a b görbét is berajzoltuk.

• ♦ Ρ··· *♦·· ·· · • · · · ··· * • « « · « · · ·««

Az Ui' görbék és a b görbe távolságát a 22 csillapító taggal előre meghatározzuk.

Fontos, hogy az Ui' feszültségek lefutása egy Ui impulzus beadásakor, azaz ebben a kiviteli példában zárt 16 kapcsoló készüléknél, a b görbe felett feküdjön.

Az impulzusok átformált lefutásából az adódik, hogy az első impulzus a b görbét egy TI’ — tl*4-dl’ időpontban egy vl' feszültségértéknél metszi, a második impulzus a b görbét egy T2' = t2' + d2' időpontban egy v2' feszültségértéknél metszi, és a harmadik impulzus a b görbét egy T3' = t3' + d3* időpontban egy v3' feszültségértéknél metszi.

Ha az impulzusok jobboldali éleinek a hasonló lekerekedéseiből indulunk ki, akkor a dl', d2', d3' időkülönbségek az Ui görbéknek és a b görbe burkolóinak lényegében párhuzamos lefutásai miatt azonos nagyságúak. Ez egy azonos formájú fűrészfeszültség lefutás esetén azt eredményezi, hogy a vl' - Ul, v2' - U2, és v3' - U3 feszültségkülönbségek állandóak. Ezáltal az idő/feszültség átalakítás pontatlanságait elkerüljük.

A találmány szerinti 12a készüléknek az idő/feszültség átalakításra a 10 erősítő részekénti felhasználásakor, ezáltal lényegében lineáris erősítés válik lehetővé.

Amennyiben a 11 feszültség/idő átalakító jelét invertálni szükséges, mielőtt a 12 idő/feszültség átalakítóra vezetjük, akkor a 7. ábra szerinti kiviteli példát alkalmazhatjuk.

A 12b invertáló idő/feszültség átalakító készülék a 14 impulzus átalakító fokozat helyett egy 19 invertert tartalmaz, amint azt példaképpen a 7. ábrán ábrázoltuk.

Ez a 19 inverter egy első 20 MOS tranzisztort és egy második 21 MOS tranzisztort tartalmaz. Az első 20 tranzisztor source kivezetését a gate kivezetésével valamint a 13 furészfeszültség generátorral kötjük össze. Az első 20 tranzisztor drain kivezetését a második 21 tranzisztor source kivezetésével kötjük össze. A második 21 tranzisztor gate kivezetésére kerül az Ui impulzusszélesség modulált jel, és a második 21 tranzisztor drain kivezetését földpotenciálra kötjük. A két 20, 21 tranzisztor közös kivezetéséről egy Ui* jelet vehetünk le, amely az Ui jelnek az UR furészfeszültség lefutásával súlyozott inverz jelét képezi.

Ezen a helyen rá kell mutatnunk arra, hogy a MOS tranzisztorok szimmetrikus felépítése miatt az egyes source és drain kivezetés megnevezések felcserélhetőek.

A találmány egy másik, nem ábrázolt változatánál a kimenőfeszültség nem az UR furészfeszültség furészformájú lefutásától függ, hanem egy kondenzátoron levő feszültségtől, amelyet egy forrással kapcsoltunk össze, amely egy előre megadott értékű áramot tölt bele, és/vagy egy előre megadott értékű feszültséget kapcsol rá.

Ebben az esetben az impulzusok a feszültségét Ui' illetve Ui* jelekhez ennek megfelelően hozzá kell illeszteni.

A nevezett példaképpen! kiviteli alakok változatai a következő változatok lega ább egyikét tartalmazhatják:

·9·· ν« • « • ··♦ ·· · • · · • · · • »·· ···· ·

- a 22 csillapító tag helyett, vagy ehhez járulékosan a 13 furészfeszültség generátor és a 14 impulzusformáló, illetve a 19 inverter között egy olyan eszközt alkalmazhatunk, amely az UR furészfeszültséget additiven, például egy feszültség hozzáadásával, és/vagy multiplikatíven, például egy erősítéssel megnöveli, és ezt a megnövelt feszültséget vezeti a 14 impulzusformálóra, illetve a 19 inverterre;

-a 14 impulzusformáló, illetve a 19 inverter által leadott impulzusok lefutása olyan lehet, hogy az impulzusfeszültségek nem egy segédfeszültséggel, az UR furészfeszültséggel, vagy egy építőelemen levő feszültségnek megfelelő feszültséggel párhuzamos lefutásuak, hanem hogy a távolságuk előre megadott határok között változik. Ez az impulzusok feszültség értékeinek egy additív és/vagy multiplikatív összekapcsolásának felel meg a segédfeszültség időbeli függvényének a függvényértékeivel, és példaképpen olyan járulékos építőelemek segítségével érhető el, mint például diódák vagy más félvezető elemek, amelyek egyenként, vagy kombinációképpen párhuzamosan és/vagy sorosan kapcsolhatunk az adott építőelemekkel. Ezáltal példaképpen egy rendszerben, amelyhez az idő/feszültség átalakító tartozik, valahol jelenlevő nemlinearitásokat csökkenteni vagy elkerülni lehet.

Ezzel egy találmány szerinti rendszert, amely egy eljárásból és egy, előnyösen a találmány szerinti eljárás végrehajtására alkalmas készülékből áll, mutattunk be, amely olyan feszültségértékeket határoz meg, amely impulzusok időtartamának felelnek meg.

Annak érdekében, hogy az átalakításkor a nemlinearitásokat elkerüljük, az impulzusok feszültségeit, amelyeknek az időtartama az idő/feszültség átalakításra szolgál, egy a kimenőfeszültség képzésére szolgáló segédfeszültség lefutásához illesztjük. Ez a segédfeszültség egy furészfeszültség generátor által leadott furészfeszültség, vagy egy más, a találmány szerinti készülék építőelemein levő feszültség lehet.

A találmány révén az idő/feszültség átalakításkor fellépő nemlinearitásokat lecsökkenthetjük, vagy elkerülhetjük.

Egy teljes rendszer részeként való felhasználásnál, például egy erősítő berendezésnél, ezáltal a megfelelő nemlinearitásokat legalább lecsökkenthetjük vagy kompenzálhatjuk.

A találmány szerinti rendszert előnyösen alkalmazhatjuk egy olyan erősítő készülék részeként, amelyet vékonyréteg technikával kiviteleztünk, és amely egy folyadékkristályos kijelző vezérlésére szolgál.

Claims (8)

1. Eljárás egy előre megadható feszültséglefutású impulzus időtartamának megfelelő időértéknek egy feszültségértékké történő átalakítására egy segédfeszültség segítségével, amelynek az értékei egy időbeli függvénynek felelnek meg, azzal jellemezve, hogy az impulzus feszültséglefutását az időbeli függvénynek megfelelően határozzuk meg.

2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az impulzus feszültség lefutása lényegében a segédfeszültség időbeli függvényét követi.

3. Az 1. vagy 2. igénypontok egyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az időbeli függvény legalább időnként, egy időben lineárisan növekvő vagy csökkenő függvény.

4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az impulzus feszültséglefutásának az értékei az időbeli függvény függvényértékeinek egy additív és/vagy multiplikatív kapcsolatának felelnek meg.

5. Berendezés egy előre megadható feszültséglefutású impulzus időtartamának megfelelő időértéknek egy segédfeszültség (UR) segítségével feszültségértékké (Ua) történő átalakítására, amely segédfeszültségnek az értéke egy időbeli függvénynek felel meg, azzal jellemezve, hogy olyan eszközökkel (22, 14; 19) rendelkezik, amelyek az impulzus feszültséglefutását az időbeli függvény függvényében határozzák meg.

6. Az 5. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy az eszközöket (14, 19) olymódon képezzük ki, hogy az impulzus feszültséglefutása az időbeli függvényt lényegében követi.

7. Az 5. vagy 6. igénypontok szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy az időbeli függvény legalább időnként, egy időben lineárisan növekvő vagy csökkenő függvény.

8. Az 5-7. igénypontok bármelyike szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy olyan eszközökkel (22, 14; 19) rendelkezik, amelyek az impulzus feszültséglefutásának az értékeit az időbeli függvény függvényértékeivel egy additív és/vagy multiplikatív kapcsolattal köti össze.