SU1115222A2 - Преобразователь напр жени в частоту - Google Patents

Abstract

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ по авт. св.№ 930663, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности преобразовани , в него введен второй последовательный резистивный делитель, первый вход которого соединен с выходом второго компаратора, второй вход - с общей шиной устройства, первый выход - с вторым входом интегратора , второй выход - с вторый входом второго компаратора,

Description

/;

(Л

ьэ

Изобретение относитс  к импульсной технике и может быть использовано в интеграторах аналоговых сигналов и в аналого-цифровых преобразовател х .

По основному авт.св. № 930663 известен преобразователь напр жени  в частоту, содержащий интегратор, вход которого чер-ез первый резистор соединен с входной шиной, первый и второй компараторы, первый вход первого компаратора соединен с выходом интегратора, второй вход - с источником опорного напр жени  через второй резистор и с общей шиной чере ключ, управл ющий вход которого подключен к выходу первого компаратора выходы компараторов соединены между собой через последовательный резистив1гый делитель,средн   точка которого соединена с входом интегратора через нелинейный симметричный двухполюсник с зоной нечувствительности , первый и второй входы второг компаратора подключены соответственн к входной и общей шинам преобразовател  С

Недостаток известного устройства - низка  точность преобразовани  в области малых значений входного сигнала, что обусловлено наличием , зоны нечувствительности.

Цель изобретени  - повышение

точности преобразовани . I

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в преобразователь напр жени  в частоту, содержащий интегратор , первый вход которого через первый резистор соединен с входной шино

первый и второй компараторы, первый

вход первого компаратора соединен с выходом интегратора, второй вход с источником опорного напр жени  через второй резистор и с общей шиной через ключ, управл ющий вход которого подключен к выходу первого компаратора, выходы компараторов соединены между, собой через первьй последовательный резистивный делител средн 55 точка которого соединена с первым входом интегратора через нелинейный симметричный двухполюсник с зоной нечувствительности, первый и второй входы второго компаратора подключены соответственно к входной и общей шинам преобразовател , введен второй последовательный резистивный делитель, первый вход кото

рого соединен с выходом второго компаратора , второй вход - с общей шиной устройства, первый выход - с вторым входом интегратора, второй выход - с вторым входом второго компаратора .

На фиг. 1 представлена функциональна  схема предлагаемого преобразовател ; на фиг. 2 - временные диаграммы электрических сигналов в преобразователе .

Преобразователь содержит интегратор I, инвертирующий первый вход которого соединен с входной шиной 2 через резистор 3. К выходу интегратора подключен неинвертирующий первы вход компаратора 4, а к входйой шине 2 - инвертируюшлй первый вход компаратора 5. К выходам компараторов 4 и 5 подключен резистивный делитель 6, выполненный на резисторах 7 и 8. Средн   точка делител  6 соединена с первым входом интегратора через нелинейный симметричный двухполюсник 9 с зоной нечувствительности , в качестве которого .может быть использован симметричный стабилитрон . Неинвертирующий второй вход компаратора 4 соединен с источником 10 положительного опорного напр жени  через резистор I 1 f с общей щиной устройства 12 через ключ 13, управл ющий вход которого подключен к выходу компаратора 4.Выходы компараторов 4 и 5 соединены соответственно с выходными шинами 14 и 15. Преобразователь содержит также последовательный резистивный делитель 16, первый вход которого соединен с выходом компаратора 5 второй вход - с общей щиной устройства , первый выход - с неинвертирующим вторым входом интегратор, второй выход - с неинвертирующим вторым входом компаратора 5.

Интегратор выполнен на операционном усилителе, инвертирующий вход которого соединен с выходом через конденсатор и  вл етс  инвертирующим входом интегратора, а неинвертирующий вход - неинвертирующим входом интегратора. В качестве компаратора 4 и 5 применены операционные усилители. Ключ 13 выполнен любым известным образом так, что он замкнут при положительном и разомкнут при отрицательном напр жени х на входе управлени  с уровн ми, соответствующими выходным логическим 3 уровн м компаратора 4. В делителе 6 резисторы 7 и 8 имеют одинаковые номинальные сопротивлени  , которые во,много раз (например более, чем 50) меньше сопротивлени  резистора 3. Двухполюсник 9 имеет зону нечувствительности с границами, которые по абсолютной величине меньше в 2-3 раза выходных напр жений компараторов 4 и 5, но больше максимально возможной разности их абсолютных значений. Например, при использовании в качестве компараторов 4 и 5 микросхем операционных усилителей с абсолютными величинами напр жений выходных логических уровней в пределах .12-14,5 В приг номинальных напр жени х питани  +15 Ей использовании в делителе 6 резисторов с п типроцентрсыми допускаемыми отклонени ми сопротивлений от номинальных значений может быть использован двуханодный стабилитрон с номинальными напр жени ми стабилизации ±6,2 В. Делитель 16 выполнен в виде соед ненных последовательно резисторов 17-Г9, сопротивлени  которых выбраны такими, что напр жение относител но общей шины 12, получаемое путем делени  им выходного напр жени  компаратора 5, на втором выходе пре вышает по абсолютной величине каждое из напр жений питани  компаратора 5, деленное н.а коэффициент уси лени  примененного в качестве компаратора 5 операционного усилител  но составл ет пренебрежимо малую часть от верхнего предела изменени  входного напр жени  преобразовател  на шине 2 и равно + (2-31 мВ, а на первом выходе превьш1ает по абсолютной величине напр жение на втором выходе по крайней мере на сумму абсолютных значений максимально возмо ных напр жений смещени  нул  интегратора 1 и компаратора 5. Устройство работает следующим образом. I Будем использовать следующие усл ные обозначени : X - напр жение внешнего аналого го сигнала на входной шике У - напр жение на выходе интегратора 1; U; и и - напр жени  на выходах компараторов 4 и 5; 224 С - емкость конденсатора отрицательной обратной св зи ин , тегратора I; Ug, - напр жение на выходе источника 10; Un - напр жение на выходе делиа л , тел  6; UQ и UQ   л -напр жени  на первом . -S-V. TJi-t и втором выходах делител  16 соответственно; 1 и К - напр жени  смещени  нул  интегратора 1 и компаратора 5 соответственно; Q и Q - логические сигналы на выходных шинах 14 и 15 соответственно; ij - ток через двухполюсник 9 в сторону интегратора 1. Другие условные обозначени  ввод тс  по ходу описани . На шину 2 от внешнего источника . поступает аналоговый сигнал X напр жени  посто нного тока с симметричным относительно нул  напр жени  на шине 12 верхним и нижним пределами изменени , например сигнал плюс 10-0- минус 10 В. Если напр жение У находитс  в пределах линейной части выходной характеристики интсгратора I, что всегда имеет место, то напр жени  на инвертирующем и неинвертирующем входах интегратора I отличаютс  не более чем на небольшую величину 1 напр жени  смещени  нул  интегратора I. При указанном симметричном питании компараторов 4 и 5 . установившиес  значени  U, V, Uд и У напр жений V и U имеют приблизительно одинаковую абсолютную величину Е, близкую к абсолютной величине напр жений питани . На неинвертирующий вход интегратора 1 с делител  16 поступает напр жение оЧЛ приблизительно равное . V- V-iV ), где К , - коэффициент передачи де лител  16 по первому выходу; Зап.()(-6) величина, принимающа  значение плюс 1 при (Х-1) 0 и значение минус i при (Х-1.п).0. Из вышеизложенного следует, что OK i uj( , поступающий на инвертируюий вход интегратора I с шины 2 чеез резистор 3, равен V-t- Uqii, где R. - сопротивление резистора 3. При указанном выборе сопротивлен резисторов делител  16 U/jo.-f по абсолютной величине всегда больше, чем 1 , так что знак алгебраической суммы второго и третьего слагаемых в числителе правой части выражени  (2) противоположен знаку разности в личины (X-lj), а абсолютна  величина упом нутой суммы пренебрежимо ма ла по сравнению с верхним пределом изменени  сигнала X. Величина тока 1з зависит от выходных логических состо ний компараторов 4 и 5, т.е. от логических сигналов Q и Q . При противоположных знаках установившихс  значений налр ;:сений и .и и напр жение U..,/, находитс  в зоне нечувствительности двухполюсника 9, при этом . В этих случа х входной ток интегратора 1, если пренебречь небольшим собственным входным током, определ етс  выражением (2), в процессе интегрировани  которого напр жение У измен етс со скоростью Уд, определ емой выражением При совпадающих знаках установив шихс  значений напр жений U и Uj к двухполюснику 9 через выходное со противление делител  6 приложено напр жение с абсолютной величиной, приблизительно равной Е, Котора  зн чительно превышает порог открывани  двухполюсника 9, вследствие чего на инвертирующий вход интегратора 1 поступает ток i, направление которогр опдедел етс  знаком напр жений iU/i и , а абсолютна  величина определ етс  выражением .UQ. 2 Rh где -порог открывани  двухполюсника 9; Ro -сопротивление резисторо 7 и 8. В этих случа х при указанном вы боре значений . RO ток i- по абсолютной величине на два пор дка больше максимально возможной.величи ны тока , соответствующей верх2 нему пределу изменени  напр жени  X, при этом напп жеьше У и.змен етс  со скоростью (/. , определ емой приближенным выражением Из вышеизложенного следует, что /Uj/ /и,/. Работа преобразовател  в режиме большого (по сравнению с напр жением и д.у) сигнала X по сн етс  с помощью фиг.2, на которой приведены временные диаграммы электрических сигналов X, Ьл, U , i, Y. Хот  сигнал X  вл етс  аналоговым сигналом, т.е. может произвольно измен тьс  во времени, дл  упрощени  диаграмм напр жение X до момента времени t/ . прин то равным плюс 10 В, в интервале времени от t до t,- плюс 5В, после момента времени t минус 10 В. При , а Uy) в различ- ные моменты времени может разные знаки. Если, как пока;:ано в начальный момент времени, U О ,то tg 0 и У уменьшаетс  со скоробтью, абсолютна  величина которой в соответствии с выражени ми (2) и (3) приблизительно пр мо пропорциональна напр жению X. Ключ 13 при этом открыт, вследствие чего напр жение на инвертирующем входе компаратора 4 имеет первое значение, близкое к нулю. При достижении в момент времени напр жением У указанного первого значени  U принимает отрицательное значение U , вследствие чего ключ 13 закрываетс , напр жение на инвертирующем входе компаратора 4 принимает второе значение, близкое к и QP , возникает отрицательный ток 2. 12 и напр жение У быстро увеличиваетс  со скоростью U (на диаграммах фиг.2 дл  повышени  нагл дности скорости изменени  напр жени  У в интервалах времени, когда , значительно уменьшены по сравнению с их действительными значени ми. При достижени  в момент времени -L, напр жением У упом нутого второго значени  U снова принимает положительное значение U , вследствие, чего ключ 13 открываетс , а ток Ij становитс  равным нулю, и напр жение У снова.уменьшаетс  со скоростью, определ емой величиной напр жени  X, до момента времени tj , когда оно снова достигает первого упом нутого значени . Дале описанные процессы периодически повтор ютс , при этом преобразователь формирует на шине 14 последов тельность импульсов выходного логического сигнала Q Период Т следовани  импульсов р вен сумНе первой и второй частей и t , определ емых приближенны выражени ми При уменьшении в момент времени t напр жени  X в два раза пропорционально увеличиваютс  первые час ти периода, тогда как вторые части сохран ютс  неизменными. При X 0 (после момента времени t g ) Vrt 0, при этом преобразователь работает аналогично описанному вьпие за исключением того, что при Совпадающих (положительных ) знаках напр жение-U и , ток ig принимает положительное направление, также противоположное направлению тока i . Частота f следовани  импульсов обратна периоду Т. . Из зависимостей следует: ). ( Так как i )j зависит , то н личие в выражении (8) последнегс сомножител  свидетельствует о нали определённой нелинейности зависимо ти i от X, котора , однако, может быть снижена до практически приемл мой , например до 0,5%, пу тем выбора надлежащего соотношени  между сопротивлени ми R и R . Нали ие в выражении(8) посто нных слагаемых -1л и Ufl. свидетельствует о наличии некоторой составл ющей погрешности преобразова ни  напр жени  X в частоту, однако ее приведенна  величина к верхнему пределу изменени  напр жени  X при достаточно большом значении этого предела, небольших свойственных интегральным микросхемам операционных усилителей значени х 1| и Ц и указанном выборе коэффициентов передачи делител  16 находитс  в приемлемых пределах дл  многих, областей применени  преобразовател , например при входном сигнале X минус 10-0 ±10 В, применении операционных усилителей типа К553УД2 и величине ± 20 мВ указанна  составл юща  приведенной погрешности не превышает ± 0,3%, Более высока  точность преобразовател  может быть достигнута i путем балансировки интегратора 1 и компаратора 5 с помощью известных устройств балансировки и соответствующего уменьшени  величины К.Л Триггерна  характеристика переключ ний компаратора 5 , достигаема  за ;чёт подключени  его неинвертирующегс входа к второму выходу делител  16, обеспечивает крутые фронты логического сигнала Q,i знака на шине 15. В тех случа х, когда к преобразователю не предъ вл ютс  жесткие требовани  в отношении длительностей фронтов сигнала О/г , резистор 19 может быть исключен и заменен пере ычкoй . Введение в преобразователь делител  16 при надлежащем выборе его коэффициента передачи обеспечивает описанное действие при любых знйчени х напр жени  X, в том числе наход щихс  между значени ми-1 и IA, т.е. преобразователь не имеет зоны нечувствительности к входному нагф жению , причем выходное напр жение интегратора всегда остаетс  в пределах приблизительно от нул  до опорного значени  напр жени , т.е. в допустимых пределах дл  входа ком-. паратора 4.

Claims (1)

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ по авт. св. № 930663, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования , в него введен второй после· довательный резистивный делитель, первый вход которого соединен с выходом второго компаратора, второй вход - с общей шиной устройства, первый выход - с вторым входом интегратора, второй выход - с вторый входом второго компаратора,· ί1 5222