RU2149449C1

RU2149449C1 - Времяимпульсный квадратичный преобразователь

Info

Publication number: RU2149449C1
Application number: RU98121277A
Authority: RU
Inventors: Н.М. Сафьянников; Д.Л. Муравник
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
Priority date: 1998-11-26
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 2000-05-20

Abstract

Изобретение относится к аналоговым вычислительным устройствам и может быть использовано для возведения значения сигнала в степень. Техническим результатом является повышение точности. Преобразователь содержит источник широтно-модулированного сигнала, источник опорного напряжения, счетчик, ключи, резисторы, конденсаторы, операционные усилители, устройства выборки-хранения и элементы И. 3 ил., 1 табл.

Description

Предлагаемое изобретение относится к аналоговым вычислительным устройствам для возведения в степень и может применяться при построении измерительных приборов и аналого-цифровых вычислительных устройств.

Существует времяимпульсный квадратичный преобразователь [1]. Он содержит операционный усилитель с усредняющей обратной связью, причем к суммирующей точке операционного усилителя подключены две параллельные цепи, соединенные с источником опорного напряжения, в одну из которых включен резистор, а другая выполнена в виде последовательно включенных первого резистора, двух ключей и второго резистора, управляющий вход одного ключа непосредственно, а другого через фазоинвертор подключены к источнику прямоугольных импульсов, а общая точка соединения ключей через конденсатор связана с земляной шиной. Недостатком этого устройства является низкое быстродействие, обусловленное наличием конденсатора и инерционного звена усреднения.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является времяимпульсный квадратичный преобразователь [2] , который и выбран в качестве прототипа. Прототип имеет более высокое быстродействие по сравнению с устройством [1] , вследствие того, что в нем отсутствуют инерционные усредняющие звенья.

В состав прототипа входит источник широтно-модулированного сигнала (ШИМ-сигнала), источник опорного напряжения (ИОН), счетчик, четыре ключа, три резистора и по два соответственно конденсатора, операционных усилителя, устройства выборки-хранения (УВХ) и элемента "И", причем выход источника ШИМ-сигнала объединен со счетным входом счетчика и с первыми входами первого и второго элементов "И", выходы которых соединены с управляющими входами соответственно второго и четвертого ключей, информационные входы которых подсоединены соответственно к выходу ИОН и к информационному входу первого ключа, выходы четвертого и третьего ключей объединены, выход второго ключа соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей соединены с общей точкой, а их выходы объединены с информационными входами соответственно первого и второго УВХ, а также со вторыми выводами соответственно первого и и второго конденсаторов, первые выводы которых подключены к инвертирующим входам соответственно первого и второго операционных усилителей, управляющий вход первого УВХ объединен со вторым входом второго элемента "И", а управляющий вход первого ключа объединен с управляющим входом второго УВХ, выход которого является выходом преобразователя, причем выходы первого и второго УВХ подключены ко вторым выводам соответственно третьего и второго резисторов, первые выводы которых соединены с информационными входами соответственно первого и третьего ключей, прямой выход счетчика соединен со вторым входом первого элемента "И" и с управляющим входом второго УВХ, а инверсный выход счетчика соединен со вторым входом второго элемента "И" и с управляющим входом третьего ключа.

Прототип осуществляет преобразование относительной длительности импульса входного ШИМ-сигнала τ_и/T в пропорциональное ее квадрату напряжение. Здесь τ_и - длительность импульса, а Т - период ШИМ-сигнала.

Недостатком прототипа является невысокая точность, так как в результате преобразования входит погрешность, обусловленная разностями фактических значений сопротивлений первого и третьего, а также второго и третьего резисторов.

Задачей предлагаемого изобретения является создание времяимпульсного квадратичного преобразователя с единственным трактом интегрирования, благодаря чему погрешность, вызванная неидентичностью резисторов, исключается из результата преобразования.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности работы преобразователя.

Поставленная задача решатся путем создания устройства, содержащего источник ШИМ-сигнала, источник опорного напряжения, счетчик, четыре ключа и по два соответственно резистора, конденсатора, операционных усилителя, устройства выборки-хранения и элемента "И", причем выход источника ШИМ-сигнала объединен со счетным входом счетчика и с первыми входами первого и второго элементов "И", выходы которых соединены с управляющими входами соответственно второго и четвертого ключей, информационные входы которых подсоединены соответственно к выходу ИОН и к информационному входу первого ключа, выходы четвертого и третьего ключей объединены, выход второго ключа соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей соединены с общей точкой, а их выходы объединены с информационными входами соответственно первого и второго УВХ, а также со вторыми выводами соответственно первого и второго конденсаторов, первые выводы которых подключены к инвертирующим входам соответственно первого и второго операционных усилителей, управляющий вход первого УВХ объединен со вторым входом второго элемента "И", а управляющий вход первого ключа объединен с управляющим входом второго УВХ, выход которого является выходом преобразователя. Из заявляемого устройства исключен третий резистор и введен дешифратор, причем первый и второй прямые выходы счетчика соединены соответственно с первым и вторым входами дешифратора, нулевой, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с объединенными вторым входом первого элемента "И" и управляющим входом третьего ключа, управляющим входом первого ключа, вторым входом второго элемента "И" и входом сброса счетчика, выходы первого и второго УВХ соединены с информационными входами соответственно первого и третьего ключей, выходы первого и второго ключей объединены, а первый и второй выводы второго резистора подключены соответственно к выходу четвертого ключа и к первому выводу второго конденсатора.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема предлагаемого изобретения, а на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Преобразователь содержит источник ШИМ-сигнала 1, ИОН 2, счетчик 3, первый 4, второй 5, третий 6 и четвертый 7 ключи, первый 8 и второй 9 резисторы, первый 10 и второй 11 конденсаторы, первый 12 и второй 13 операционные усилители, первое 14 и второе 15 УВХ, первый 16 и второй 17 элементы "И", а также дешифратор 18, причем выход источника ШИМ-сигнала 1 объединен со счетным входом счетчика 3 и с первыми входами первого 16 и второго 17 элементов "И", выходы которых соединены с управляющими входами соответственно второго 5 и четвертого 7 ключей, информационные входы которых подсоединены соответственно к выходу ИОН 2 и к информационному входу первого ключа 4, выходы четвертого 7 и третьего 6 ключей объединены, выход второго ключа 5 соединен с первым выводом первого резистора 8, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 12, неинвертирующие входы первого 12 и второго 13 операционных усилителей соединены с общей точкой, их выходы объединены с информационными входами соответственно первого 14 и второго 15 устройств выборки-хранения, а также со вторыми выводами соответственно первого 10 и второго 11 конденсаторов, первые выводы которых подключены к инвертирующим входам соответственно первого 12 и второго 13 операционных усилителей, управляющий вход первого УВХ 14 объединен со вторым входом второго элемента "И" 17, управляющий вход первого ключа 4 объединен с управляющим входом второго УВХ 15, выход которого является выходом преобразователя, причем первый и второй прямые выходы счетчика 3 соединены соответственно с первым и вторым входами дешифратора 18, нулевой, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с объединенными вторым входом первого элемента "И" 16 и управляющим входом третьего ключа 6, управляющим входом первого ключа 4, вторым входом второго элемента "И" 17 и входом сброса счетчика 13, выходы первого 14 и второго 15 УВХ соединены с информационными входами соответственно первого 4 и третьего 6 ключей, выходы первого 4 и второго 5 ключей объединены, а первый и второй выводы второго резистора 9 подключены соответственно к выходу четвертого ключа 7 и к первому выводу второго конденсатора 11.

На выходе источника ШИМ-сигнала 1 действует периодический импульсный сигнал с периодом Т. Время между моментами начала соседних импульсов назовем тактом. Такт, который начинается в момент времени t₀, будем считать первым. Времяимпульсный квадратичный преобразователь осуществляет преобразование относительной длительности импульса входного ШИМ-сигнала в пропорциональное ее квадрату напряжение с распределением во времени процессов накопления входного сигнала и сигналов по обратной связи, а также выборки напряжения интеграторов устройствами выборки-хранения. Значения логических сигналов на выходах счетчика 3 и дешифратора 18, состояния первого 4, второго 5, третьего 6 и четвертого 7 ключей, а также первого 14 и второго 15 УВХ для различных интервалов времени приведены в табл. 1. В таблице применены следующие сокращения: 0 - логический ноль, 1 - логическая единица, З - замкнут, Р - разомкнут, В - выборка, Х - хранение.

Преобразователь работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени t₀ счетчик 3 содержит значение "0". На выходе первого 12 и второго 13 операционных усилителей действуют некоторые исходные напряжения U_оу ¹ и U_оу ². Первый 4 и четвертый 7 ключи разомкнуты, а оба УВХ, 14 и 15, находятся в режиме хранения, управляемые нулевыми сигналами соответственно со второго и первого выходов дешифратора 18. На их выходах также действуют некоторые исходные напряжения U_увх ¹ и U_увх ² соответственно.

В первом такте в течение импульса ШИМ-сигнала (строка 1 табл. 1) напряжение U_оп от ИОН 2 через второй ключ 5, замкнутый управляющим сигналом с выхода первого элемента "И" 16, проходит на вход первого интегратора, образованного первым резистором 8, первым конденсатором 9 и первым операционным усилителем 12. Первый интегратор накапливает это напряжение и формирует выходной сигнал U₁ ¹. Напряжение U_увх ² через третий ключ 6, замкнутый единичным сигналом с нулевого выхода дешифратора 18, поступает на вход второго интегратора, образованного вторым резистором 9, вторым конденсатором 11 и вторым операционным усилителем 13. Второй интегратор накапливает это напряжение и формирует выходной сигнал U₁ ².

В момент окончания импульса ШИМ-сигнала t'₀ (строка 2 табл. 1) первый элемент "И" 16 вырабатывает нулевой управляющий сигнал, размыкающий второй ключ 5. Напряжение U_оп перестает проходить на вход первого интегратора, который переходит в режим хранения. На его выходе действует напряжение U₁ ¹. Второй интегратор продолжает формировать выходной сигнал U₁ ².

Во втором такте (строка 3 табл. 1) с приходом импульса ШИМ-сигнала счетчик 3 переходит в состояние "1", первый ключ 4 замыкается единичным сигналом с первого выхода дешифратора 18, в результате чего напряжение U_увх ¹ с выхода первого УВХ 14 поступает на вход первого интегратора и формирует на его выходе некоторое напряжение U₂ ¹. Третий ключ 6 разомкнут нулевым сигналом с нулевого выхода дешифратора 18, вследствие чего второй интегратор находится в режиме хранения, и на его выходе действует напряжение U₂ ², равное U₁ ². Второе УВХ 15, управляемое единичным сигналом с первого выхода дешифратора 18, переходит в режим выборки. На его выходе также устанавливается напряжение U₂ ².

В третьем такте с приходом импульса ШИМ-сигнала (строка 4 табл. 1) счетчик 3 переходит в состояние "2", первый ключ 4 размыкается нулевым сигналом с первого выхода дешифратора 18, вследствие чего первый интегратор находится в режиме хранения, и на его выходе действует напряжение U₃ ¹, равное U₂ ¹. Первое УВХ 14, управляемое единичным сигналом со второго выхода дешифратора 18, переходит в режим выборки. На его выходе также устанавливается напряжение U₃ ¹. В течение импульса ШИМ-сигнала четвертый ключ 7 замкнут единичным сигналом с выхода второго элемента "И" 17, что позволяет напряжению U₂ ¹ с выхода первого УВХ 14 проходить на вход второго интегратора и формировать на его выходе напряжение U₃ ².

В момент окончания импульса ШИМ-сигнала t'₂ (строка 5 табл. 1) четвертый ключ 7 размыкается, управляемый нулевым сигналом с выхода второго элемента "И" 17. Второй интегратор переходит в режим хранения, так как напряжение U₂ ¹ с выхода первого УВХ 14 перестает поступать на его вход.

В момент времени t₃ счетчик под управлением очередного импульса ШИМ-сигнала переходит в состояние "3". Далее в незначительном по длительности интервале времени t₃; t₃ + t_зад (строка 6 табл. 1) за время задержки t_зад происходит сброс счетчика 3 в нулевое состояние под управлением единичного сигнала с третьего выхода дешифратора 18. В этом интервале состояние всех остальных элементов схемы соответствует третьему такту.

В четвертом такте в течение импульса ШИМ-сигнала (строка 7 табл. 1) напряжение U_оп от ИОН 2 через второй ключ 5, замкнутый управляющим сигналом с выхода первого элемента "И" 16, проходит на вход первого интегратора, который накапливает это напряжение и формирует выходной сигнал U₄ ¹. Напряжение U₃ ² через третий ключ 6, замкнутый единичным сигналом с нулевого выхода дешифратора 18, поступает на вход второго интегратора, который накапливает это напряжение и формирует выходной сигнал U₄ ².

В момент окончания импульса ШИМ-сигнала t'₃ (строка 8 табл. 1) первый элемент "И" 16 вырабатывает нулевой управляющий сигнал, размыкающий второй ключ 5. Напряжение U_оп перестает проходить на вход первого интегратора, который переходит в режим хранения. На его выходе действует напряжение U₄ ¹. Второй интегратор продолжает формировать выходной сигнал U₄ ².

В пятом такте (строка 9 табл. 1) с приходом импульса ШИМ-сигнала счетчик 3 переходит в состояние "1", первый ключ 4 замыкается единичным сигналом с первого выхода дешифратора 18, в результате чего напряжение U₄ ¹ с выхода первого УВХ 14 поступает на вход первого интегратора и формирует на его выходе некоторое напряжение U₅ ¹. Третий ключ 6 разомкнут нулевым сигналом с нулевого выхода дешифратора 18, вследствие чего второй интегратор находится в режиме хранения, и на его выходе действует напряжение U₅ ², равное U₄ ². Второе УВХ 15, управляемое единичным сигналом с первого выхода дешифратора 18, переходит в режим выборки. На его выходе также устанавливается напряжение U₅ ².

В дальнейшем процесс будет повторяться.

Принцип работы устройства состоит в организации волнового информационного процесса на двухклеточной последовательной интегрирующей дискретно-событийной среде при преобразовании времяимпульсного сигнала в напряжение по квадратичной зависимости, при этом в устройстве за счет увеличения пространства по управлению уменьшается пространство по аналоговым данным, и в результате достигается повышение точности, а также технологичности и надежности.

В преобразователе (фиг. 1) можно выделить две одинаковые по составу и функционированию группы элементов: 4, 5, 8, 10, 12, 14 и соответственно 6, 7, 9, 11, 13, 15. Каждую из этих функциональных групп можно рассматривать как интегрирующую ячейку или клетку среды для обработки информации. На информационных входах первой и второй ячеек находятся соответственно второй 5 и четвертый 7 ключи. Выходами ячеек являются соответствующие УВХ, первый 14 и второй 15. Ячейки соединены последовательно и образуют двухклеточную среду, при этом выход первой ячейки соединен со входом второй ячейки, а выход второй ячейки является выходом устройства.

Смена ячейками состояний происходит с помощью ключей 4, 5, 6 и 7 в пространстве по управлению времяимпульсным сигналом (смена фазы) при реализации локальных правил поведения, определяемым счетчиком 3, дешифратором 18 и элементами "И" 16, 17, в результате чего образуется дискретно-событийная среда. Фазовый цикл отдельной ячейки меняется во времени, и возникает аналогия волны в клеточной среде. При этом полный цикл смены значений фазовой переменной можно рассматривать как период одиночной волны, длительность которого мы обозначим Т_ов. Этот период в предложенном преобразователе составляет три такта ШИМ-сигнала: Т_ов=3Т.

Длительность импульса на выходе источника ШИМ-сигнала 1 в первом такте n-го периода Т_ов мы обозначим τ_n, а во вторых и третьих тактах периода Т_ов длительность импульса не имеет значения, так как не влияет на работу ячейки. Напряжение на выходе ступени в конце n-го периода Т_ов обозначим U_n.

Согласно приведенному описанию напряжение на выходе ячейки в конце каждого периода Т_ов устанавливается равным напряжению на выходе интегратора в конце второго такта этого периода. На выходе интегратора в конце второго такта n-го периода Т_ов (а следовательно, и на выходе ячейки в конце этого периода) будем иметь:

где τ = RC - постоянная времени интегратора, определяемая значениями сопротивления R резистора и емкости C конденсатора, входящих в состав интегрирующей дискретно-событийной ячейки;
U_вх _n - напряжение на входе ячейки в первом такте текущего, n-го периода T_ов;
U_n-1 - напряжение на выходе ячейки в конце предыдущего, (n-1)-го периода Т_ов;
Так как U_n-1 и U_вх _n являются константами для периода n, выражение (1) может быть преобразовано:

Для установившегося режима, когда τ_n= τ_n-1, где τ_n-1 - длительность импульса периода Т_ов, предшествующем рассматриваемому, U_n-1 = U_n. Тогда выражение (2) примет следующий вид:

откуда

Как следует из выражения (1), напряжение на выходе ячейки в конце произвольного, n-го периода Т_ов зависит только от двух величин, изменяющихся в процессе работы: длительности импульса ШИМ-сигнала в первом такте этого периода τ_n напряжения на выходе устройства в конце предыдущего периода U_n-1. Таким образом, при изменении длительности импульса ШИМ-сигнала в первом такте (n+1)-го периода Т_ов на величину Δτ, процесс перейдет в установившийся режим в конце этого периода Т_ов, т.е. через три такта:

Как уже отмечалось, в описываемом устройстве две ячейки функционируют последовательно, то есть для второй ячейки входным сигналом является выходной сигнал первой ячейки U¹. При этом входным сигналом для первой ячейки является напряжение U_on с выхода ИОН 2, а выходной сигнал второй ячейки U² является выходным сигналом преобразователя. Предполагая, что в установившемся режиме значение τ_n сохраняется неизменным по крайне мере на протяжении двух периода Т_ов, на основании (3) можем записать:

откуда

где U_n ¹ - напряжение на выходе первой ячейки преобразователя в конце n-го периода Т_ов;
U_n ² - напряжение на выходе второй ячейки преобразователя в конце n-го периода Т_ов.

Таким образом, выражение (6) показывает, что заявляемый преобразователь осуществляет преобразование относительной длительности импульса входного ШИМ-сигнала в пропорциональное ее квадрату напряжение.

Информационный процесс в первой ячейке, начавшись в первом такте, завершится через два такта (на третьем такте), и тогда же вторая ячейка начнет отрабатывать ШИМ-сигнал, т. е. между периодами Т_ов первой и второй ячеек имеется фазовый сдвиг в два такта. Вторая ячейка также через два такта выполнит преобразование результата, сформированного первой ячейкой, совместно с входным ШИМ-сигналом. Таким образом, установившееся значение, соответствующее параметрам входного сигнала, появится на выходе устройства в пятом такте после начала преобразования.

На фиг. 2а показано увеличение длительности импульса входного ШИМ-сигнала после первого периода Т_ов, а именно в четвертом такте, в интервале времени (t₃; t'₃). Это вызывает увеличение выходного напряжения U(15) устройства в восьмом такте, в интервале времени (t₇; t₈). Время прохождения информационной волны через преобразователь в этом случае минимально и составляет пять тактов, что обусловлено совпадением по времени момента изменения входной информации с фазой интегрирования входного сигнала первой ячейки преобразователя.

В случае несовпадения этих событий может иметь место задержка распространения информационной волны. Наихудший по этому параметру случай представлен на фиг. 2б, где изменение длительности импульса входного ШИМ-сигнала происходит во втором такте (t₁; t'₁). Импульс увеличенной длительности будет обработан первой ячейкой устройства только в четвертом такте (t₃; t'₃), и, следовательно, окончательный результат появится на выходе устройства в восьмом такте (t₇; t₈). Но так как обновленный входной сигнал одновременно воздействует и на вторую ячейку устройства, то в третьем такте (t₂; t'₂) он будет воспринят ею совместно со сформированным ранее первой ячейкой промежуточным сигналом. Таким образом, первое приближение нового результата будет получено на выходе устройства уже в пятом такте (t₄; t₅).

Из выражений (3) и (6) видно, что коэффициенты передачи как ячеек преобразователя, так и устройства в целом в принципе не зависят от значения постоянных времени интеграторов τ, определяемых величинами сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов. В то же время у прототипа во входных цепях каждого интегратора присутствуют по два резистора, сопротивления которых в общем случае не равны. Тем самым показано, что присущая прототипу погрешность, вызываемая неидентичностью резисторов во входных цепях интеграторов, в заявляемом устройстве отсутствует, а значит, повышена точность преобразования относительной длительности импульса ШИМ-сигнала в выходное напряжение.

Кроме отмеченного повышения точности, устройство обладает лучшей технологичностью. Согласно вышесказанному в структуру времяимпульсного квадратичного преобразователя введен один цифровой элемент - дешифратор. Из нее также исключен один аналоговый элемент, к которому предъявляются жесткие требования по точности, а именно резистор. В настоящее время цифровые компоненты значительно доступнее и практичнее прецизионных аналоговых, так как они относительно дешевле, более технологичны в интегральном исполнении и имеют существенно лучшие массогабаритные показатели по сравнению с дискретными прецизионными и сверхпрецизионными элементами. Тем самым достигается повышение технологичности времяимпульсного квадратичного преобразователя по сравнению с прототипом, повышается надежность устройства, снижается его стоимость.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А. С. 286358 СССР, МКИ³ G 06 G 7/20. Времяимпульсный квадратичный преобразователь / В.Б.Смолов, Е.П.Угрюмов - Б.И., 1970, N 34.

2. А. С. 1406610 СССР, МКИ⁴ G 06 G 7/20. Времяимпульсный квадратичный преобразователь /А. Н. Евстигнеев, А.П.Потоцкий, И.В.Герасимов, Н.М.Сафьянников - Б.И., 1988, N 24. (прототип).

Claims

Времяимпульсный квадратичный преобразователь, содержащий источник широтно-модулированного сигнала, источник опорного напряжения, счетчик, четыре ключа и по два соответственно резистора, конденсатора, операционных усилителя, устройства выборки-хранения и элемента И, причем выход источника широтно-модулированного сигнала объединен со счетным входом счетчика и с первыми входами первого и второго элементов И, выходы которых соединены с управляющими входами соответственно второго и четвертого ключей, информационные входы которых подсоединены соответственно к выходу источника опорного напряжения и к информационному входу первого ключа, выходы четвертого и третьего ключей объединены, выход второго ключа соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, а неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей соединены с общей точкой, их выходы объединены с информационными входами соответственно первого и второго устройств выборки-хранения, а также со вторыми выводами соответственно первого и второго конденсаторов, первые выводы которых подключены к инвертирующим входам соответственно первого и второго операционных усилителей, управляющий вход первого устройства выборки-хранения объединен со вторым входом второго элемента И, управляющий вход первого ключа объединен с управляющим входом второго устройства выборки-хранения, выход которого является выходом преобразователя, отличающийся тем, что в него введен дешифратор, причем первый и второй прямые выходы счетчика соединены соответственно с первым и вторым входами дешифратора, нулевой, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с объединенными вторым входом первого элемента И и управляющим входом третьего ключа, управляющим входом первого ключа, вторым входом второго элемента И и входом сброса счетчика, выходы первого и второго устройств выборки-хранения соединены с информационными входами соответственно первого и третьего ключей, выходы первого и второго ключей объединены, а первый и второй выводы второго резистора подключены соответственно к выходу четвертого ключа и к первому выводу второго конденсатора.