RU2757852C1 - Converter of voltage of analogue sensor to frequency or duty cycle - Google Patents
Converter of voltage of analogue sensor to frequency or duty cycle Download PDFInfo
- Publication number
- RU2757852C1 RU2757852C1 RU2020131135A RU2020131135A RU2757852C1 RU 2757852 C1 RU2757852 C1 RU 2757852C1 RU 2020131135 A RU2020131135 A RU 2020131135A RU 2020131135 A RU2020131135 A RU 2020131135A RU 2757852 C1 RU2757852 C1 RU 2757852C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- inverting
- voltage
- resistor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R17/00—Measuring arrangements involving comparison with a reference value, e.g. bridge
- G01R17/10—AC or DC measuring bridges
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в прецизионных преобразователях физических параметров (МЕМС-датчиках линейного ускорения, давления, угловой скорости, температуры) в частоту или скважность. Прецизионность обеспечивается не только за счет повышенной помехозащищенности частоты или скважности дифференциального усиления и интегрирующего преобразования со сменой направления интегрирования, но и за счет введения компенсирования влияния изменения напряжения питания на напряжение смещения нуля и чувствительность датчика.The invention relates to the field of measuring technology and can be used in precision converters of physical parameters (MEMS-sensors of linear acceleration, pressure, angular velocity, temperature) into frequency or duty cycle. Precision is ensured not only due to the increased noise immunity of the frequency or duty cycle of the differential amplification and integrating conversion with a change in the direction of integration, but also due to the introduction of compensation for the effect of changing the supply voltage on the zero offset voltage and sensor sensitivity.
Известен двухосевой MEMS-акселерометр с аналоговыми выводами (см. ж. «Современная электроника», №6, статья «Акселерометры и гороскопы для портативных устройств», стр. 19, рис. 2, 2006 г.), содержащий последовательно соединенные сенсор, усилитель, демодулятор, выходной усилитель, RC-фильтр, аналоговый выход по напряжению. Устройство представляет собой трехвыводной датчик, первый и второй выводы которого подключены к шине питания и общей шине, а третий вывод является аналоговым выходом датчика по напряжению.Known two-axis MEMS accelerometer with analog outputs (see. "Modern electronics", No. 6, article "Accelerometers and horoscopes for portable devices", p. 19, Fig. 2, 2006), containing a series-connected sensor, amplifier , demodulator, output amplifier, RC filter, analog voltage output. The device is a three-pin sensor, the first and second terminals of which are connected to the power bus and the common bus, and the third pin is the analog voltage output of the sensor.
Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:
- зависимость напряжения смещения нуля и чувствительности от напряжения питания;- dependence of the bias voltage and sensitivity on the supply voltage;
- отсутствие помехозащищенного выхода по частоте или скважности.- no noise-immune output in frequency or duty cycle.
Известен датчик температуры (см. ж. «Современная электроника», №6, статья «Простой цифровой термометр с точностью 0,4°C», стр. 52, 2006 г.), содержащий трехвыводной датчик температуры LM35, выход которого через инвертирующий операционный усилитель подключен к аналогово-цифровому преобразователю. Устройство представляет собой трехвыводной датчик, первый и второй выводы которого подключены к шине питания и общей шине, а третий вывод является аналоговым выходом датчика по напряжению.Known temperature sensor (see. "Modern electronics", No. 6, article "Simple digital thermometer with an accuracy of 0.4 ° C", p. 52, 2006), containing a three-lead temperature sensor LM35, the output of which is through an inverting operating the amplifier is connected to an analog-to-digital converter. The device is a three-pin sensor, the first and second terminals of which are connected to the power bus and the common bus, and the third pin is the analog voltage output of the sensor.
Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:
- зависимость напряжения смещения нуля и чувствительности от напряжения питания;- dependence of the bias voltage and sensitivity on the supply voltage;
- отсутствие помехозащищенного выхода по частоте или скважности.- no noise-immune output in frequency or duty cycle.
Известен преобразователь напряжения аналогового датчика в частоту (см. патент РФ №2395060 «Частотный преобразователь сигнала разбаланса тензомоста с уменьшенной температурной погрешностью», Васильев В.А., Громков Н.В., опубликовано 20.07.2010, Бюл. №20), содержащий мост резистивный, два операционных усилителя (ОУ), первый вход моста через компенсационный резистор подключен к выходу первого ОУ и через конденсатор к инвертирующему входу второго ОУ, подключенному через второй конденсатор к выходу второго ОУ и инвертирующему входу первого ОУ, второй вход моста подключен к общей шине, первый выход моста подключен к инвертирующему входу второго ОУ, второй выход моста подключен к объединенным неинвертирующим входам первого и второго ОУ.Known analog sensor voltage converter in frequency (see RF patent No. 2395060 "Frequency converter of the strain bridge unbalance signal with reduced temperature error", Vasiliev V.A., Gromkov N.V., published on 20.07.2010, bull. No. 20), containing resistive bridge, two operational amplifiers (OA), the first input of the bridge through a compensation resistor is connected to the output of the first op-amp and through a capacitor to the inverting input of the second op-amp, connected through the second capacitor to the output of the second op-amp and the inverting input of the first op-amp, the second input of the bridge is connected to the common bus, the first output of the bridge is connected to the inverting input of the second op-amp, the second output of the bridge is connected to the combined non-inverting inputs of the first and second op-amp.
Недостатками известного преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту являются:The disadvantages of the known analog sensor voltage to frequency converter are:
- сложность из-за введения двух разнополярных стабилизированных источников питания;- complexity due to the introduction of two different polarity stabilized power supplies;
- ограниченная область применения, т.к. переполярность моста постоянного тока недопустима в большинстве типов мостовых кремниевых интегральных тензорезистивных, магниторезистивных датчиков давления, линейного ускорения и т.д.;- limited scope, because DC bridge polarity reversal is unacceptable in most types of bridge silicon integral strain-resistive, magnetoresistive pressure sensors, linear acceleration, etc .;
- ограниченные функциональные возможности, т.к. не может выполнять функцию преобразователя напряжения разбаланса моста в скважность;- limited functionality, because cannot perform the function of a bridge unbalance voltage converter into a duty cycle;
- большие потери (высокое напряжение питания) за счет учетверенной по отношению к сопротивлению моста величины дополнительного сопротивления, компенсирующего температурные изменения моста;- large losses (high supply voltage) due to the quadrupled value of the additional resistance in relation to the resistance of the bridge, which compensates for the temperature changes in the bridge;
- неработоспособность (нулевая частота, т.е. отсутствие преобразования) при полностью сбалансированном мосте;- inoperability (zero frequency, i.e. no conversion) with a fully balanced bridge;
- низкая стабильность в случае длинной кабельной линии из-за влияния ее емкости на характеристики преобразования (данный частотный преобразователь рекомендуется применять в случае короткой кабельной линии, т.е. в непосредственной близости от датчика);- low stability in the case of a long cable line due to the influence of its capacity on the conversion characteristics (this frequency converter is recommended to be used in the case of a short cable line, i.e. in the immediate vicinity of the sensor);
- отсутствие мощного однополярного логического выхода, обеспечивающего независимость от емкости линии связи;- lack of a powerful unipolar logical output, which ensures independence from the capacity of the communication line;
- низкая чувствительность за счет отсутствия дифференциального усилителя напряжения разбаланса моста.- low sensitivity due to the absence of a differential voltage amplifier of the bridge unbalance.
Известен преобразователь напряжения датчика в скважность (Э-И ВИНИТИ, серия «Контрольно-измерительная техника», №2, 1990 г., с. 16), содержащий мост (датчик), первый вход которого подключен к источнику питания, а второй вход его подключен к общей шине, первый выход моста подключен через первый резистор к инвертирующему входу первого ОУ, подключенному через конденсатор к его выходу, подключенному через второй резистор к неинвертирующему входу второго ОУ, неинвертирующий вход первого ОУ и инвертирующий вход второго ОУ объединены и подключены ко второму выходу моста, первый выход моста через последовательно соединенные третий и четвертый резисторы подключен к неинвертирующему входу второго ОУ, выход которого подключен к приемнику скважности и точке объединения управляющего входа ключа и входу логического элемента НЕ, выход которого подключен к управляющему входу второго ключа, входы каналов первого и второго ключей объединены и подключены к точке объединения третьего и четвертого резисторов, выход канала первого ключа подключен к источнику питания, выход канала второго ключа подключен к общей шине.Known sensor voltage converter in duty cycle (E-I VINITI, series "Control and measuring equipment", No. 2, 1990, p. 16), containing a bridge (sensor), the first input of which is connected to a power source, and its second input connected to the common bus, the first output of the bridge is connected through the first resistor to the inverting input of the first op-amp, connected through a capacitor to its output, connected through the second resistor to the non-inverting input of the second op-amp, the non-inverting input of the first op-amp and the inverting input of the second op-amp are combined and connected to the second output bridge, the first output of the bridge through the series-connected third and fourth resistors is connected to the non-inverting input of the second op-amp, the output of which is connected to the duty cycle receiver and the point of combining the control input of the key and the input of the logical element NOT, the output of which is connected to the control input of the second key, the inputs of the channels of the first and the second keys are combined and connected to the combining point of the third and fourth resistor s, the channel output of the first key is connected to the power supply, the channel output of the second key is connected to the common bus.
Достоинством преобразователя аналогового датчика в скважность является независимость параметра скважности от изменения параметров времязадающих первого резистора и конденсатора, а также простота последующего преобразования скважностй в напряжение при помощи простейшей интегрирующей RC-цепи на стороне приемника сигналов.The advantage of the analog sensor-to-duty ratio converter is the independence of the duty cycle parameter from changes in the timing parameters of the first resistor and capacitor, as well as the simplicity of the subsequent conversion of the duty cycle to voltage using the simplest integrating RC circuit on the side of the signal receiver.
Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:
- нестабильность скважности, зависимой от изменения напряжения источника питания;- the instability of the duty cycle, depending on the change in the voltage of the power supply;
- температурная нестабильность скважности из-за зависимости начального сопротивления моста от температуры;- temperature instability of duty cycle due to the dependence of the initial resistance of the bridge on temperature;
- ограниченные функциональные возможности, т.к. не может выполнять функцию преобразователя напряжения разбаланса моста (датчика) в частоту.- limited functionality, because cannot perform the function of a bridge (sensor) unbalance voltage converter into a frequency.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является преобразователь напряжения в частоту (Ползунов Ю.Л., Гальченко В.Д. «Цифровые измерительно-управляющие устройства тензометрических весов и дозаторов», М., Энергоатомиздат, 1986 г., с. 46, рисунок 2.13), содержащий мост (датчик), резистивный делитель напряжения, неинвертирующий усилитель, первый и второй операционные усилители, первый, второй, третий и четвертый резисторы, выходное устройство. Первый вход моста подключен к источнику положительного напряжения питания, а второй вход моста подключен к источнику отрицательного напряжения питания. Первый вывод первого резистора подключен либо к первому входу моста, либо ко второму, а второй вывод соединен с инвертирующим входом первого ОУ и через конденсатор с выходом первого ОУ, который через второй резистор подключен к инвертирующему входу второго ОУ, выход которого соединен с входом выходного устройства, а неинвертирующий вход соединен с общей шиной. Инвертирующий вход второго ОУ соединен через третий резистор с первым выводом первого резистора и через четвертый резистор с выходом неинвертирующего повторителя, вход которого соединен либо с первым выводом резистивного делителя напряжения, либо со вторым выводом. Неинвертирующий усилитель включает третий операционный усилитель, выход которого является выходом неинвертирующего усилителя и через последовательно соединенные резисторы соединен с общей шиной. Неинвертирующий вход третьего ОУ является входом неинвертирующего усилителя, инвертирующий вход соединен с точной объединения резисторов. Выход выходного устройства является выходом преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность. Второй ОУ и второй, третий и четвертый резисторы образуют инвертирующий трехвходовый компаратор тока (сравнивающее устройство). Достоинством преобразователя является независимость, стабильность показаний от влияния изменения напряжений двух разнополярных источников питания моста.The closest in technical essence to the proposed invention is a voltage-to-frequency converter (Polzunov Yu.L., Galchenko V.D. "Digital measuring and control devices for strain gauges and dispensers", M., Energoatomizdat, 1986, p. 46, Figure 2.13), containing a bridge (sensor), a resistive voltage divider, a non-inverting amplifier, the first and second operational amplifiers, the first, second, third and fourth resistors, an output device. The first bridge input is connected to a positive supply voltage and the second bridge input is connected to a negative supply voltage. The first terminal of the first resistor is connected either to the first input of the bridge, or to the second, and the second terminal is connected to the inverting input of the first op-amp and through a capacitor to the output of the first op-amp, which is connected through the second resistor to the inverting input of the second op-amp, the output of which is connected to the input of the output device , and the non-inverting input is connected to the common bus. The inverting input of the second op-amp is connected through the third resistor to the first terminal of the first resistor and through the fourth resistor to the output of the non-inverting follower, the input of which is connected either to the first terminal of the resistive voltage divider or to the second terminal. The non-inverting amplifier includes a third operational amplifier, the output of which is the output of the non-inverting amplifier and is connected to the common bus through series-connected resistors. The non-inverting input of the third op-amp is the input of the non-inverting amplifier, the inverting input is connected to a precise resistor combining. The output of the output device is the output of the analog sensor voltage to frequency or duty cycle. The second op-amp and the second, third and fourth resistors form an inverting three-input current comparator (comparator). The advantage of the converter is independence, stability of readings from the influence of voltage changes of two bipolar power supplies of the bridge.
Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:
- невозможность преобразования в частоту выходного напряжения трехвыводных датчиков из-за использования мостовых схем;- impossibility of converting the output voltage of three-output sensors into frequency due to the use of bridge circuits;
- сложность из-за наличия двух разнополярных синхронно изменяющихся источников питания;- the complexity due to the presence of two bipolar synchronously changing power supplies;
- нестабильность частоты при синхронном (температурном) изменении сопротивлений плеч моста, обусловленная отсутствием соответсгаующих компенсационных цепей, например, при синхронном (температурном) изменении начального сопротивления плеч моста со 100 на 110 Ом (10%) дифференциальное выходное напряжение и выходная частота имеют разброс в 10%, т.к. выходное напряжение моста и частота пропорциональны синхронному неинформативному изменению сопротивлений плеч моста;- frequency instability with a synchronous (temperature) change in the resistance of the bridge arms, due to the absence of corresponding compensation circuits, for example, with a synchronous (temperature) change in the initial resistance of the bridge arms from 100 to 110 Ohm (10%), the differential output voltage and output frequency have a spread of 10 %, because the output voltage of the bridge and the frequency are proportional to the synchronous non-informative change in the resistance of the bridge arms;
- отсутствие возможности определения начальной частоты моста путем закорачивания его выходов или их отключения из-за зависимости показаний от синхронного температурного изменения сопротивлений плеч моста и отсутствия возможности задания начальной частоты;- the inability to determine the initial frequency of the bridge by short-circuiting its outputs or turning them off due to the dependence of the readings on the synchronous temperature change in the resistances of the bridge arms and the inability to set the initial frequency;
инвертирующий трехвходовый компаратор тока (токовое СУ) не позволяет выполнить функции скоростного двухпорогового компаратора напряжения из-за невозможности введения гистерезисных резисторов и использования в качестве компаратора аналогового ОУ;an inverting three-input current comparator (current control system) does not allow performing the functions of a high-speed two-threshold voltage comparator due to the impossibility of introducing hysteresis resistors and using an analog op-amp as a comparator;
- ограниченные функциональные возможности, т.к. не может выполнять функцию преобразователя напряжения разбаланса моста в скважность импульсов.- limited functionality, because cannot perform the function of a bridge unbalance voltage converter into a duty cycle.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является создание преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность.The technical problem to be solved by the invention is the creation of a voltage converter of an analog sensor into a frequency or duty cycle.
Техническими результатами, на достижение которых направлено изобретение, заключаются в расширении функциональных возможностей за счет преобразования напряжения аналогового датчика не только в частоту, но и в скважность, в повышении стабильности частоты или скважности при изменении напряжения питания, в упрощении за счет использования однополярного источника питания.The technical results to be achieved by the invention are to expand the functionality by converting the voltage of an analog sensor not only to frequency, but also to duty cycle, to increase frequency stability or duty cycle when the supply voltage changes, and to simplify by using a unipolar power source.
Данные технические результаты достигаются тем, что в преобразователе напряжения аналогового датчика в частоту или скважность, содержащем источник питания, к которому подключен первый вход датчика, первый вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора и с инвертирующим входом первого операционного усилителя, первый вывод третьего резистора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и через конденсатор с выходом второго операционного усилителя, четвертый резистор, выходное устройство, первый резистивный делитель напряжения, неинвертирующий усилитель, новым является то, что дополнительно введены аналоговый ключ с инверсным управляющим входом, второй резистивный делитель напряжения, пятый и шестой резисторы, неинвертирующий компаратор напряжения, условный ключ, при этом выходное устройство выполнено в виде формирователя амплитуды импульсов, стабилизирующего амплитуду импульсов, а аналоговый датчик имеет два входа и один выход, который соединен со вторым выводом первого резистора, а первый вход соединен через последовательно соединенные четвертый и пятый резисторы с общей шиной, к которой подключен второй вход аналогового датчика, точка объединения четвертого и пятого резисторов соединена с первым входом неинвертирующего усилителя и с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен со вторым выводом второго резистора и вторым выводом третьего резистора, первый вывод которого через шестой резистор соединен с входом аналогового ключа, выход которого соединен с общей шиной, а инверсный управляющий вход соединен с выходом неинвертирующего компаратора напряжения и с первым выводом второго резистивного делителя напряжения, выход которого соединен с входом неинвертирующего компаратора напряжения, а второй вывод соединен с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого резистивного делителя напряжения, первый вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод соединен с подвижным контактом условного ключа, первый не подвижный контакт которого соединен с выходом первого операционного усилителя, а второй неподвижный контакт - со вторым входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом питания неинвертирующего компаратора напряжения, выход которого соединен с входом выходного устройства, выход которого является выходом преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность, при этом неинвертирующий компаратор напряжения выполнен на двух последовательно соединенных КМОП-логических элементах НЕ, вход первого из которых является входом неинвертирующего компаратора напряжения, выход второго из которых является выходом неинвертирующего компаратора напряжения, выводы питания КМОП-логических элементов НЕ являются входами питания неинвертирующего компаратора напряжения.These technical results are achieved by the fact that in a voltage converter of an analog sensor into a frequency or duty cycle, containing a power source to which the first input of the sensor is connected, the first terminal of the first resistor is connected to the first terminal of the second resistor and to the inverting input of the first operational amplifier, the first terminal of the third resistor connected to the inverting input of the second operational amplifier and through a capacitor with the output of the second operational amplifier, the fourth resistor, the output device, the first resistive voltage divider, the non-inverting amplifier, the new is that an analog switch with an inverse control input is additionally introduced, the second resistive voltage divider, the fifth and the sixth resistors, a non-inverting voltage comparator, a conventional switch, while the output device is made in the form of a pulse amplitude shaper that stabilizes the pulse amplitude, and the analog sensor has two inputs and one output, which is connected to the second terminal of the first resistor, and the first input is connected through the series-connected fourth and fifth resistors with a common bus to which the second input of the analog sensor is connected, the combining point of the fourth and fifth resistors is connected to the first input of the non-inverting amplifier and to the non-inverting input of the first operational amplifier, the output of which is connected to the second terminal of the second resistor and the second terminal of the third resistor, the first terminal of which is connected through the sixth resistor to the input of the analog switch, the output of which is connected to the common bus, and the inverse control input is connected to the output of the non-inverting voltage comparator and to the first terminal of the second resistive voltage divider, the output of which is connected to the input of the non-inverting voltage comparator, and the second output is connected to the output of the second operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the output of the first resistive voltage divider, the first output of which is connected to the common bus, and the second the output is connected to a movable contact of the conventional key, the first non-moving contact of which is connected to the output of the first operational amplifier, and the second fixed contact to the second input of the non-inverting amplifier, the output of which is connected to the power input of the non-inverting voltage comparator, the output of which is connected to the input of the output device, the output which is the output of the analog sensor voltage converter to the frequency or duty cycle, while the non-inverting voltage comparator is made on two series-connected CMOS logic gates NOT, the input of the first of which is the input of the non-inverting voltage comparator, the output of the second of which is the output of the non-inverting voltage comparator, the power pins CMOS logic gates are NOT the power inputs of the non-inverting voltage comparator.
Неинвертирующий усилитель содержит третий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого является первым входом неинвертирующего усилителя, а инвертирующий вход является вторым входом неинвертирующего усилителя и соединен через седьмой резистор с общей шиной и через восьмой резистор с выходом третьего операционного усилителя, выход которого является выходом неинвертирующего усилителя.The non-inverting amplifier contains a third operational amplifier, the non-inverting input of which is the first input of the non-inverting amplifier, and the inverting input is the second input of the non-inverting amplifier and is connected through the seventh resistor to the common bus and through the eighth resistor to the output of the third operational amplifier, the output of which is the output of the non-inverting amplifier.
Аналоговый датчик может быть выполнен на потенциометрическом датчике или на МЕМС-датчике ускорения, датчиках давления, угловой скорости и температуры.The analog sensor can be made on a potentiometric sensor or on a MEMS acceleration sensor, pressure, angular velocity and temperature sensors.
Расширение функциональных возможностей обеспечивается возможностью преобразования напряжения разбаланса или в частоту, или скважность аналогового датчика.Expansion of functionality is provided by the ability to convert the unbalance voltage either into frequency or duty cycle of an analog sensor.
Повышение стабильности частоты или скважности при изменении напряжения питания в нормальных условиях и при воздействии температуры, влияющих на напряжение смещения нуля и чувствительность аналогового датчика, достигается путем компенсации изменения напряжения питания синхронным изменением напряжения на постоянных или термозависимых четвертом и пятом резисторах, входе питания неинвертирующего компаратора напряжения и, следовательно, соответствующих порогов его переключения за счет совокупности указанных существенных признаков.Increasing the stability of the frequency or duty cycle when changing the supply voltage under normal conditions and under the influence of temperature, which affect the zero offset voltage and the sensitivity of the analog sensor, is achieved by compensating for the change in supply voltage by a synchronous change in voltage across constant or temperature-dependent fourth and fifth resistors, the power input of the non-inverting voltage comparator and, consequently, the corresponding thresholds for its switching due to the combination of these essential features.
Упрощение за счет единого, даже нестабильного, однополярного источника питания обеспечено путем начального смещения напряжения смещения нуля выхода первого ОУ и входа интегратора (на втором ОУ, третьем резисторе и конденсаторе) с точки объединения четвертого и пятого резисторов, равного половине напряжения на входе питания неинвертирующего компаратора напряжения и совокупностью вышеуказанных признаков.Simplification due to a single, even unstable, unipolar power supply is provided by an initial bias voltage of the zero offset of the output of the first op-amp and the input of the integrator (on the second op-amp, third resistor and capacitor) from the point of combining the fourth and fifth resistors, equal to half the voltage at the power input of the non-inverting comparator stress and a combination of the above signs.
Введение мощных КМОП-логических элементов НЕ для повышения быстродействия неинвертирующего компаратора напряжения, введенных за счет однополярного источника питания, обеспечивает работу преобразователя с повышенной частотой преобразования (повышенное быстродействие), по сравнению с операционными усилителями или даже интегральными дифференциальными компараторами напряжения, а также работу на длинные линии связи, имеющие большие паразитные емкости, без искажения фронтов и амплитуд выходного сигнала.The introduction of powerful CMOS logic elements NOT to increase the speed of the non-inverting voltage comparator, introduced due to a unipolar power supply, ensures the operation of the converter with an increased conversion frequency (increased speed), in comparison with operational amplifiers or even integral differential voltage comparators, as well as operation for long communication lines with large parasitic capacitances, without distortion of the edges and amplitudes of the output signal.
Повышение стабильности за счет высокого быстродействия достигается введением аналогового ключа с низким потреблением мощности, высокой скоростью переключения, низким сопротивлением в открытом состоянии, низким током утечки и в сочетании со скоростными КМОП- логическими элементами НЕ обеспечивает высокие точностные характеристики предлагаемого преобразователя (по сравнению с биполярными и пр. аналоговыми ключами и возможным неинвертирующим компаратором напряжения на дифференциальных компараторах или операционных усилителях).Increased stability due to high speed is achieved by the introduction of an analog switch with low power consumption, high switching speed, low on-resistance, low leakage current and, in combination with high-speed CMOS logic elements, does NOT provide high accuracy characteristics of the proposed converter (compared to bipolar and etc. analog switches and a possible non-inverting voltage comparator on differential comparators or operational amplifiers).
На фиг. 1 представлен пример реализации функциональной схемы преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту (при подключении через условный ключ второго вывода первого резистивного делителя напряжения к выходу первого ОУ) или скважность (при подключении через условный ключ второго вывода первого резистивного делителя напряжения ко второму входу неинвертирующего усилителя напряжения). На фиг. 2 а), б) и в) представлены временные диаграммы работы в режимах преобразования скважности при отсутствии рабочего выходного напряжения аналогового датчика преобразования скважности и при рабочих напряжениях аналогового датчика. На фиг. 3 а) и б) представлены временные диаграммы работы в режиме преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту.FIG. 1 shows an example of an implementation of a functional diagram of a voltage converter of an analog sensor to a frequency (when connected through a conditional key of the second output of the first resistive voltage divider to the output of the first op-amp) or duty cycle (when connected through a conditional key of the second output of the first resistive voltage divider to the second input of a non-inverting voltage amplifier) ... FIG. 2 a), b) and c) show the timing diagrams of operation in the duty ratio conversion modes in the absence of the operating output voltage of the analog sensor for the conversion of the duty cycle and at the operating voltages of the analog sensor. FIG. 3 a) and b) show the timing diagrams of operation in the mode of the analog sensor voltage-to-frequency converter.
Преобразователь напряжения аналогового датчика в частоту или скважность (фиг. 1) содержит источник питания 1, трехвходовый аналоговый датчик 2, первый 3 и второй 4 операционные усилители, первый 5 и второй 6 резистивные делители напряжения, первый 7, второй 8, третий 9, четвертый 10, пятый 11 и шестой 12 резисторы, неинвертирующий усилитель 13, аналоговый ключ 14, неинвертирующий компаратор напряжения 15, конденсатор 16, выходное устройство 17, условный ключ 28.The analog sensor voltage converter to the frequency or duty cycle (Fig. 1) contains a
Первый вход аналогового датчика 2 соединен с источником питания 1 и через последовательно соединенные четвертый 10 и пятый 11 резисторы с общей шиной. Второй вход аналогового датчика 2 подключен к общей шине. Точка объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов соединена с первым входом неинвертирующего усилителя 13 и с неинвертирующим входом первого ОУ 3. Инвертирующий вход первого ОУ 3 соединен с первыми выводами первого 7 и второго 8 резисторов. Второй вывод первого резистора соединен с выходом аналогового датчика 2. Выход первого ОУ 3 соединен со вторым выводом второго резистора и вторым выводом третьего резистора 3, первый вывод которого через шестой резистор 12 соединен с входом аналогового ключа 14. Выход аналогового ключа 14 соединен с общей шиной, а инверсный управляющий вход соединен с выходом неинвертирующего компаратора напряжения 15 либо со вторым выходом неинвертирующего компаратора напряжения и с первым выводом второго резистивного делителя 6 напряжения. Выход второго резистивного делителя 6 напряжения соединен с входом неинвертирующего компаратора напряжения 15, а второй вывод соединен с выходом второго ОУ 4.The first input of the
Неинвертирующий вход второго ОУ 4 соединен с выходом первого резистивного делителя 5 напряжения, первый вывод которого соединен с общей шиной. Второй вывод первого резистивного делителя 5 напряжения соединен с подвижным контактом условного ключа 28, первый неподвижный контакт которого соединен с выходом первого ОУ 3, а второй неподвижный контакт - со вторым входом неинвертирующего усилителя 13. Выход неинвертирующего усилителя 13 соединен с входом 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения 15, выход которого соединен с входом выходного устройства 17, выход которого является выходом преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность.The non-inverting input of the second op-
Неинвертирующий компаратор напряжения 15 выполнен на двух последовательно соединенных КМОП-логических элементах НЕ 19 и 20, выводы питания которых является входом 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения 15, вход первого КМОП-логического элемента НЕ 19 является входом неинвертирующего компаратора напряжения 15, выход второго КМОП-логического элемента НЕ 20 является выходом неинвертирующего компаратора напряжения 15.The non-inverting voltage comparator 15 is made on two series-connected CMOS logic gates NOT 19 and 20, the power pins of which are the
Неинвертирующий усилитель 13 содержит третий ОУ 21, неинвертирующий вход которого является первым входом неинвертирующего усилителя 13, а инвертирующий вход является вторым входом неинвертирующего усилителя 13 и соединен через седьмой резистор 22 с общей шиной и через восьмой резистор 23 с выходом третьего ОУ 21, выход которого является выходом неинвертирующего усилителя 13.The
Первый резистивный делитель 5 напряжения выполнен на резисторах 24 и 25. Второй резистивный делитель 6 напряжения выполнен на резисторах 26 и 27.The first resistive voltage divider 5 is made on
Аналоговый датчик 2 может быть выполнен на потенциометрическом датчике или на МЕМС-датчике ускорения, давления, угловой скорости, температуры или на трехвходовом цифровом потенциометрическом датчике.
Известные МЕМС-датчики с однополярным питанием фирм Analog Devices, Motorola (см. паспорта на датчики ADXL278, МРХ40-РС и др.) являются датчиками, выходное напряжение (напряжение смещения нуля и чувствительность) которых пропорционально напряжению питания. Напряжение смещения нуля у МЕМС-датчиков имеет разброс порядка 10% относительно половины напряжения питания и должно быть скомпенсировано перед проведением измерений, разброс чувствительности при этом будет скомпенсирован.The well-known unipolar-powered MEMS sensors from Analog Devices, Motorola (see data sheets for ADXL278, MPX40-RS, etc.) are sensors whose output voltage (zero bias voltage and sensitivity) is proportional to the supply voltage. The zero bias voltage of MEMS sensors has a spread of about 10% relative to half of the supply voltage and must be compensated before taking measurements, the sensitivity spread will be compensated for.
Выходное устройство 17 выполнено в виде формирователя амплитуды импульсов, стабилизирующего амплитуду импульсов, что обеспечивает дешифрацию сигналов частоты и в особенности скважности фильтром нижних частот (на фиг. 1 не показан) без искажения, связанного с регулируемым напряжением на входе питания неинвертирующего компаратора напряжения 15. В простейшем случае это активный ограничитель напряжения или однотипный КМОП-логический элемент НЕ, запитанный от стабилизированного источника питания (на фиг. 1 не показано).The
Неинвертирующий компаратор напряжения 15 может быть выполнен на КМОП-логических элементах НЕ 1564ЛН2, или ОУ 1487УД2У, или компараторах напряжения 521СА301. В качестве первого 3, второго 4 и третьего 21 операционных усилителей могут применяться операционные усилители типа 1487УД2У. Резисторы (7, 8, 9, 10, 11, 12, 22, 23, 24, 25, 26, 27) могут быть выполнены на прецизионных резисторах С2-29 В. В качестве конденсатора 16 применяют конденсатор К10-43в. Аналоговый ключ 14 выполнен на КМОП аналоговом ключе (1302КН4У).Non-inverting voltage comparator 15 can be performed on CMOS logic gates NOT 1564LN2, or OU 1487UD2U, or voltage comparators 521SA301. As the first 3, the second 4 and the third 21 operational amplifiers, operational amplifiers of the 1487UD2U type can be used. Resistors (7, 8, 9, 10, 11, 12, 22, 23, 24, 25, 26, 27) can be made on precision resistors C2-29 V. Capacitor K10-43v is used as
На фиг. 2 а) представлены временные диаграммы работы в режиме преобразования скважности при отсутствии рабочего выходного напряжения аналогового датчика 2; на фиг. 2 б) и в) представлены временные диаграммы работы в режиме преобразования скважности при рабочих напряжениях аналогового датчика 2, где:FIG. 2 a) shows the timing diagrams of operation in the duty ratio conversion mode in the absence of the operating output voltage of the
Uнкн - напряжение на выходе неинвертирующего компаратора напряжения 15;U ncn - voltage at the output of the non-inverting voltage comparator 15;
Uинт - треугольное напряжение на выходе второго ОУ 4.U int - triangular voltage at the output of the second op-
На фиг. 3 а) и б) представлены временные диаграммы работы преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту (второй вывод первого резистивного делителя напряжения 5 (условным ключом 28) подключен к выходу первого ОУ 3) при изменении напряжения питания с 6 В до 5 В, где:FIG. 3 a) and b) shows the timing diagrams of the operation of the analog sensor voltage converter to the frequency (the second terminal of the first resistive voltage divider 5 (conventional key 28) is connected to the output of the first op-amp 3) when the supply voltage changes from 6 V to 5 V, where:
Моменты переключения направления треугольного напряжения соответствуют моментам достижения верхнего и нижнего порогов неинвертирующего (двухпорогового гистерезисного) компаратора напряжения 15. Верхний и нижний пороги неинвертирующего компаратора напряжения 15 определяются напряжением на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения, гистерезисом за счет второго резистивного делителя 6 напряжения и напряжением в точке объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов. При этом напряжение на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения 15 любого исполнения равно удвоенному напряжению в точке объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов за счет неинвертирующего усилителя 13 с коэффициентом усиления Кус=2.The moments of switching the direction of the triangular voltage correspond to the moments of reaching the upper and lower thresholds of the non-inverting (two-threshold hysteresis) voltage comparator 15. The upper and lower thresholds of the non-inverting voltage comparator 15 are determined by the voltage at the
МЕМС-датчик ускорения ADXL278 (ф. Analog Devices), МЕМС- датчик давления МРХ-40РС (ф. Motorola) имеют начальное (технологический разброс при изготовлении) напряжение смещения нуля Uсм0 с разбросом в 10% относительно половины напряжения питания. Чувствительность этих датчиков и напряжение смещения нуля зависят от изменения напряжения питания. Для исключения ошибки при интегрирующем преобразовании выходного напряжения МЕМС-датчика в частоту или скважность исходное начальное напряжение смещения нуля (из паспорта) выставляется в точке выходного напряжения МЕМС-датчика в частоту или скважность исходное начальное напряжение смещения нуля (из паспорта) выставляется в точке объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов путем их подстройки. Этому значению напряжения смещения нуля соответствует удвоенное напряжение на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения и соответствующие пороги переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15.MEMS acceleration sensor ADXL278 (Analog Devices), MEMS pressure sensor MPX-40RS (Motorola) have an initial (technological spread during manufacture) zero offset voltage U cm0 with a spread of 10% relative to half of the supply voltage. The sensitivity of these sensors and the offset voltage are dependent on the change in supply voltage. To exclude an error during the integrating conversion of the output voltage of the MEMS sensor into the frequency or duty cycle, the initial initial zero offset voltage (from the passport) is set at the point of the output voltage of the MEMS sensor to the frequency or duty cycle, the initial initial zero offset voltage (from the passport) is set at the merging point of the fourth 10 and 5th 11 resistors by adjusting them. This value of the bias voltage corresponds to the doubled voltage at the
Преобразователь напряжения аналогового датчика в частоту или скважность работает следующим образом.The analog sensor voltage converter in frequency or duty cycle works as follows.
В исходном статическом состоянии при подключении второго вывода резистивного делителя 5 напряжения к выходу первого ОУ 3 (фиг. 1) МЕМС-датчик 2 сбалансирован и на выходе первого ОУ 3 нулевое напряжение. Поэтому на выходе преобразователя аналогового датчика в частоту или скважность (выход выходного устройства 17) образуется стабильная начальная частота. Исходное начальное напряжение смещения нуля МЕМС-датчика 2 выставляется в точке объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов путем их подстройки.In the initial static state, when the second output of the resistive voltage divider 5 is connected to the output of the first op-amp 3 (Fig. 1), the
В рабочем режиме появляется измеряемое рабочее напряжение МЕМС-датчика 2, и формируется частота, отличная от начальной, но пропорциональная рабочему напряжению. Второй ОУ 4 работает в линейном режиме, т.к. выполняет функцию интегратора 4, для этого он охвачен отрицательной обратной связью через конденсатор 16. Неинвертирующий компаратор напряжения 15 на КМОП-логических элементах НЕ 19 и 20 преобразует треугольные колебания, вырабатываемые вторым ОУ 4, в прямоугольные. Смена направления треугольных колебаний выполняется с помощью аналогового ключа 14, управляющего вторым ОУ 4. Для анализа работы схемы предположим, что на выходе неинвертирующего компаратора напряжения 15 имеется высокий уровень напряжения, поэтому канал аналогового ключа 14 заперт по управляющему инверсному входу и ток через шестой резистор 12 не течет. Приложенное к входу второго ОУ 4 (см. U4 на фиг. 3 б)) напряжение вызывает протекание тока I1, разряжающего конденсатор 16. Величина этого тока при условии равенства сопротивлений резисторов 24, 25 первого резистивного делителя 5 напряжения (R24=R25) определяется по формуле:In the operating mode, the measured operating voltage of the
где R9 - сопротивление третьего резистора 9.where R9 is the resistance of the third resistor 9.
Ток разряда конденсатора 16 определяется соотношением:The discharge current of the
где: С16 - емкость конденсатора 16;where: C16 is the capacitance of the
ΔU16 - приращение напряжения на конденсаторе 16.ΔU 16 - voltage increment across
Приращение напряжения ΔU16 равно максимальному изменению напряжения на конденсаторе 16, которое определяется разностью напряжений порогов переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15 на КМОП-логических элементах НЕ 19 и 20 с выходом Rail-To-Rail. Эти пороги, в свою очередь, устанавливаются напряжением Uпит на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения и гистерезисом за счет резисторов R26 и R27 второго резистивного делителя 6 напряжения. Пороговые напряжения 
где: Uпит - напряжение на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения 15,where: U pit is the voltage at the
R26 - сопротивление резистора 26;R26 is the resistance of the
R27 - сопротивление резистора 27.R27 is the resistance of the resistor 27.
Разность порогов равна 
По мере разряда конденсатора 16 выходное напряжение интегратора U4 уменьшается до тех пор, пока не достигнет нижнего порога переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15, после чего выходное напряжение неинвертирующего компаратора напряжения 15 станет равным нулю, и, следовательно, по этому сигналу аналоговый ключ 14 переходит в низкое состояние на выходе (канал ключа 14 открыт и связан с общей шиной). Ток I2 через шестой резистор 12 потечет в общую шину. Величина этого тока определяется соотношением:As the
где R12 - сопротивление шестого резистора 12.where R12 is the resistance of the sixth resistor 12.
Если R12=R9/2 то ток 12 в два раза больше тока I1. Это приведет к тому, что теперь конденсатор 16 будет заряжаться током (I1-I2), равным току разряда этого конденсатора в первом такте, но противоположном по направлению. Следовательно, напряжение на выходе второго ОУ 4 станет нарастать с той же скоростью, с какой в первом такте снижалась. При достижении этим напряжением верхнего порога переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15 схема вернется в первоначальное состояние, и цикл повторится. Таким образом, на выходе неинвертирующего компаратора напряжения 15 формируются симметричные прямоугольные колебания с коэффициентом заполнения 0,5. Частота этих колебаний может быть определена на основании предыдущих формул и условий по выражению:If R12 = R9 / 2 then the current 12 is twice the current I 1 . This will lead to the fact that now the
Рассмотрим влияние разброса напряжения питания на стабильность формируемой частоты.Let us consider the influence of the supply voltage spread on the stability of the generated frequency.
При разбалансе МЕМС-датчика 2 напряжение на выходе первого ОУ 3 определяется по формуле:With an imbalance of the
где 
При разбалансе МЕМС-датчика 2 при воздействии температуры напряжение на выходе первого ОУ 3 определяется по формуле:With an imbalance of the
где 
Напряжение на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения 15 при разбалансе МЕМС-датчика 2 без воздействия температуры:The voltage at the
Напряжение на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения при разбалансе МЕМС-датчика при воздействии температуры:The voltage at the
Тогда отношения напряжений 
Отметим, что при дополнительном изменении напряжения U на источнике питания 1 все величины, рассчитанные выше, изменяются пропорционально, поэтому отношение напряжений 
Тогда частота по формуле (1) равна:Then the frequency according to the formula (1) is equal to:
Это подтверждает независимость формируемой частоты от напряжения питания и от температурного изменения начального сопротивления MEMG-датчика, и, в то же время, при информативном разбалансе МЕМС-датчика напряжение на выходе датчика 2 остается связанным с напряжением питания и порогами неинвертирующего компаратора напряжения 15, что позволяет преобразовать только дифференциальное изменение (разбаланс) МЕМС-датчика в соответствующее изменение частоты. При этом скважность выходного сигнала остается постоянной и равной двум во всем диапазоне преобразования напряжения аналогового датчика в частотуThis confirms the independence of the generated frequency from the supply voltage and from the temperature change in the initial resistance of the MEMG sensor, and at the same time, with an informative unbalance of the MEMG sensor, the voltage at the output of
В исходном состоянии для режима преобразования напряжения аналогового датчика в скважность выходного сигнала положение условного переключателя меняется, при этом резистор 24 первого резистивного делителя 5 подключен ко второму входу неинвертирующего усилителя 13. При равных напряжениях на выходе МЕМС-датчика и в точке объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов (сбалансированный датчик) начальная скважность по-прежнему равна 2.In the initial state for the mode of converting the voltage of the analog sensor into the duty cycle of the output signal, the position of the conditional switch changes, while the
Для анализа работы схемы преобразования в скважность в исходном состоянии предположим, что на выходе неинвертирующего компаратора напряжения 15 имеется высокий уровень напряжения, поэтому канал аналогового ключа 13 заперт по управляющему инверсному входу и ток через резистор 12 не течет.Приложенное к входу интегратора (см. U4 на фиг. 3) напряжение вызывает протекание тока I1, разряжающего конденсатор 16. Величина этого тока при условии равенства сопротивлений резисторов 24, 25 (R24=R25) определяется по формуле:To analyze the operation of the conversion circuit to the duty cycle in the initial state, we assume that there is a high voltage level at the output of the non-inverting voltage comparator 15, so the channel of the
где R9 - сопротивление третьего резистора 9.where R9 is the resistance of the third resistor 9.
Ток разряда конденсатора 16 определяется соотношением:The discharge current of the
где: С16 - емкость конденсатора 16;where: C16 is the capacitance of the
ΔU16 - приращение напряжения на конденсаторе 16.ΔU 16 - voltage increment across
Приращение напряжения ΔU16 равно максимальному изменению напряжения на конденсаторе 16, которое определяется разностью напряжений двух порогов переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15 на КМОП-логических элементах НЕ 19 и 20 с выходом Rail-To-Rail. Эти пороги, в свою очередь, устанавливаются напряжением Uпит на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения и гистерезисом за счет резисторов R26 и R27. Пороговые напряжения 
где: Uпит - напряжение на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения, при этомwhere: U pit is the voltage at the
R26 - сопротивление резистора 26;R26 is the resistance of the
R27 - сопротивление резистора 27.R27 is the resistance of the resistor 27.
Разность порогов равна:The difference between the thresholds is:
при этом Uпит=2⋅Uоп, где Uоп - напряжение на втором входе неинвертирующего усилителя 13,wherein the num = 2⋅U U op, where U op - voltage at the noninverting input of the
По мере разряда конденсатора 16 выходное напряжение ОУ 4 U4 уменьшается до тех пор, пока не достигнет нижнего порога переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15, после чего выходное напряжение неинвертирующего компаратора напряжения 15 станет равным нулю, и, следовательно, по этому сигналу аналоговый ключ 14 переходит в низкое состояние на выходе (канал ключа 14 открыт и связан с общей шиной). Ток I2 через резистор 12 потечет в общую шину. Величина этого тока определяется соотношением:As the
где R12 - сопротивление резистора 12.where R12 is the resistance of resistor 12.
Если R12=R9/2 то ток I2 в два раза больше тока I1. Это приведет к тому, что теперь конденсатор 16 будет заряжаться током:If R12 = R9 / 2 then the current I 2 is twice the current I 1 . This will lead to the fact that now the
равным току разряда этого конденсатора в первом такте, но противоположном по направлению. Следовательно, напряжение на выходе второго ОУ 4 станет нарастать с той же скоростью, с какой в первом такте снижалась. При достижении этим напряжением верхнего порога переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15 схема вернется в первоначальное состояние, и цикл повторится. Таким образом, при сбалансированном датчике 2 на выходе неинвертирующего компаратора напряжения 15 формируются симметричные прямоугольные колебания с коэффициентом заполнения 0,5.equal to the discharge current of this capacitor in the first cycle, but opposite in direction. Consequently, the voltage at the output of the second op-
Изменяемая скважность Q колебаний может быть определена при изменении напряжения U4 на основании предыдущих формул и условий из выражения, не зависящего от параметров времязадающей RC-цепи (резистор 9, конденсатор 16):The variable duty cycle Q of oscillations can be determined when the voltage U4 changes on the basis of the previous formulas and conditions from an expression that does not depend on the parameters of the timing RC circuit (resistor 9, capacitor 16):
где t1 - длительность пары выходного сигнала неинвертирующего компаратора напряжения 15;where t 1 is the duration of the pair of the output signal of the non-inverting voltage comparator 15;
t2 - длительность импульса выходного сигнала неинвертирующего компаратора напряжения 15;t 2 - pulse duration of the output signal of the non-inverting voltage comparator 15;
t1+t2 - период выходного сигнала неинвертирующего компаратора напряжения 15.t 1 + t 2 - period of the output signal of the non-inverting voltage comparator 15.
Т.к. амплитуда импульсов на выходе неинвертирующего компаратора напряжения 15 зависит от напряжения питания на входе 18 питания, то ее нормализация (стабильность амплитуды) обеспечивается выходным устройством 17, которое передает сигнал в линию связи или приемник (на фиг. 1 не показаны).Because the amplitude of the pulses at the output of the non-inverting voltage comparator 15 depends on the supply voltage at the
При разбалансе аналогового датчика 2 (напряжение U3 на выходе первого ОУ 3 напряжения меняется) величина t1/(t1+t2) по формуле (2), отражающая параметры скважности, становится переменной, изменяемой линейно и пропорционально разбалансу аналогового датчика 2. Но независимость формируемой скважности от напряжения питания и от синхронного температурного изменения начального напряжения аналогового датчика 2 сохраняется при переносе резистора 24 первого резистивного делителя 5 условным ключом с выхода первого ОУ 3 на второй вход неинвертирующего усилителя 13. При этом скважность остается связанной с напряжением питания на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения и его порогами и компенсирующим напряжением на втором входе неинвертирующего усилителя 13, что позволяет преобразовывать только информативный разбаланс аналогового датчика 2 в соответствующее изменение скважности. Измерение скважности в настоящее время производится цифровыми методами с помощью микропроцессора, либо аналоговым методом с помощью прецизионного аналогового фильтра нижних частот, либо с помощью простейшей интегрирующей RC-цепи.With the imbalance of the analog sensor 2 (the voltage U 3 at the output of the first op-
В заявленном изобретении вновь введенные признаки и связи обеспечивают стабильность выходной частоты или скважности при изменениях напряжения смещения нуля и соответствующей чувствительности аналогового датчика 2, вызванных изменением напряжения источника питания 1.In the claimed invention, the newly introduced features and connections ensure the stability of the output frequency or duty cycle with changes in the bias voltage and the corresponding sensitivity of the
Упрощение и работоспособность за счет единого для преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность однополярного источника питания 1 обеспечено путем начального смещения напряжения смещения нуля выхода первого ОУ 3 и входе второго ОУ 4 с точки объединения четвертого 10 и пятого 11 резисторов, равного половине напряжения на входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения 15 и совокупностью вышеуказанных признаков.Simplification and operability due to a single analog sensor for a voltage converter into the frequency or duty cycle of a
Повышение стабильности при изменении напряжения источника питания 1 и, соответственно, смещения нуля МЕМС-датчика 2 достигается соответствующими пропорциональными напряжениями на выходе первого ОУ 3, входе второго ОУ 4 и входе 18 питания неинвертирующего компаратора напряжения 15 и пропорциональных им верхнего и нижнего порогов переключения неинвертирующего компаратора напряжения 15, а также совокупностью вышеуказанных признаков.An increase in stability with a change in the voltage of the
Повышение стабильности за счет высокого быстродействия достигается введением быстродействующего КМОП аналогового ключа 14 с управляющим входом с низким потреблением мощности, высокой скоростью переключения, низким сопротивлением в открытом состоянии и низким током утечки в сочетании с такими же по характеристикам быстродействующими КМОП-логическим элементами НЕ 19, 20 обеспечивает высокие точностные характеристики предлагаемого преобразователя (по сравнению с биполярными и пр. аналоговыми ключами и неинвертирующим компаратором напряжения на дифференциальных компараторах или операционных усилителях).Increased stability due to high speed is achieved by the introduction of a high-speed
Испытания преобразователя напряжения аналогового датчика в частоту или скважность и моделирование преобразователя напряжения разбаланса аналогового датчика в частоту или скважность в САПР Micro-Cap 9.0, выполненного на операционных усилителях типа AD824, AD8044, КМОП-логических элементах НЕ SN74HC00, компараторе напряжения LM111, аналоговом ключе ADG441, соответствующих резисторах и конденсаторе, подтвердили его работоспособность и заявленные преимущества в диапазоне рабочих температур от -50°C до +50°C.Tests of analog sensor voltage converter to frequency or duty cycle and simulation of analog sensor imbalance voltage converter to frequency or duty cycle in CAD Micro-Cap 9.0, performed on AD824, AD8044 operational amplifiers, CMOS logic elements NOT SN74HC00, LM111 voltage comparator, ADG441 analog key , corresponding resistors and capacitor, have confirmed its performance and the declared advantages in the operating temperature range from -50 ° C to + 50 ° C.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020131135A RU2757852C1 (en) | 2020-09-22 | 2020-09-22 | Converter of voltage of analogue sensor to frequency or duty cycle |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020131135A RU2757852C1 (en) | 2020-09-22 | 2020-09-22 | Converter of voltage of analogue sensor to frequency or duty cycle |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2757852C1 true RU2757852C1 (en) | 2021-10-21 |
Family
ID=78289622
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020131135A RU2757852C1 (en) | 2020-09-22 | 2020-09-22 | Converter of voltage of analogue sensor to frequency or duty cycle |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2757852C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2176380C1 (en) * | 2000-10-30 | 2001-11-27 | Открытое акционерное общество Инженерно-производственная фирма "Сибнефтеавтоматика" | Device to extract and convert legitimate ( information ) component of signal of transducer of flowmeter of vortex type |
| CN100440718C (en) * | 2005-08-09 | 2008-12-03 | 中兴通讯股份有限公司 | Speed regulating fan system with fault-tolerant capacity |
| RU2395060C1 (en) * | 2009-07-20 | 2010-07-20 | Валерий Анатольевич Васильев | Frequency converter for disbalance signal of strain gauge bridge with low temperature error |
| RU2699303C1 (en) * | 2018-11-12 | 2019-09-04 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Bridge circuit imbalance voltage converter to frequency or duty ratio |
-
2020
- 2020-09-22 RU RU2020131135A patent/RU2757852C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2176380C1 (en) * | 2000-10-30 | 2001-11-27 | Открытое акционерное общество Инженерно-производственная фирма "Сибнефтеавтоматика" | Device to extract and convert legitimate ( information ) component of signal of transducer of flowmeter of vortex type |
| CN100440718C (en) * | 2005-08-09 | 2008-12-03 | 中兴通讯股份有限公司 | Speed regulating fan system with fault-tolerant capacity |
| RU2395060C1 (en) * | 2009-07-20 | 2010-07-20 | Валерий Анатольевич Васильев | Frequency converter for disbalance signal of strain gauge bridge with low temperature error |
| RU2699303C1 (en) * | 2018-11-12 | 2019-09-04 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Bridge circuit imbalance voltage converter to frequency or duty ratio |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| George et al. | Analysis of the switched-capacitor dual-slope capacitance-to-digital converter | |
| Sreenath et al. | A resistive sensor readout circuit with intrinsic insensitivity to circuit parameters and its evaluation | |
| US9935598B2 (en) | Differential amplifier design as the preamp of DMM | |
| CN108918980B (en) | Capacitance signal measuring circuit and measuring method | |
| CN104267244B (en) | A kind of integration ratio circuit and the impedance measurement method based on integration ratio circuit | |
| CN215296515U (en) | Pressure detection system | |
| KR20230133904A (en) | current sensing circuit | |
| US4091683A (en) | Single channel electrical comparative measuring system | |
| CN114978054A (en) | Self-stabilizing zero operational amplifier | |
| RU2757852C1 (en) | Converter of voltage of analogue sensor to frequency or duty cycle | |
| US5862170A (en) | Temperature measurement method using temperature coefficient timing for resistive or capacitive sensors | |
| RU2699303C1 (en) | Bridge circuit imbalance voltage converter to frequency or duty ratio | |
| CN113155159B (en) | Bridge detector | |
| Sreenath et al. | A resistance-to-digital converter possessing exceptional insensitivity to circuit parameters | |
| CN108398590B (en) | Digital output voltage peak value detection method | |
| CN213934003U (en) | Current measuring circuit | |
| CN104569610A (en) | Measuring circuit of micro differential capacitor | |
| CN212364401U (en) | Resistance sensor measuring circuit for measuring weak signal | |
| CN210626547U (en) | Measuring device | |
| Al-Hamry et al. | Low-cost portable system for capacitance measurement based on active bridge and relaxation oscillator | |
| CN110672904A (en) | Resistance sensor measuring circuit for measuring weak signal | |
| Gupta et al. | A modified RDC with an auto-adjustable SC source enabled auto-calibration scheme | |
| RU2397500C1 (en) | Resistance-to-voltage converter | |
| Wang et al. | An enhanced method for measuring capacitance based on the direct interface circuit | |
| RU222118U1 (en) | MAGNETOMETER |