SU1552377A1

SU1552377A1 - Преобразователь ток-частота с импульсной обратной св зью

Info

Publication number: SU1552377A1
Application number: SU874254587A
Authority: SU
Inventors: Владимир Семенович Малов; Александр Павлович Смирнов
Original assignee: Предприятие П/Я В-2969
Priority date: 1987-06-02
Filing date: 1987-06-02
Publication date: 1990-03-23

Abstract

Изобретение относитс к импульсной технике и может быть использовано в качестве прецизионного преобразовател ток-частота в автоматических системах управлени и устройствах обработки аналоговой информации. Цель изобретени - упрощение устройства. Устройство содержит источник входного тока, интегрирующий элемент, выполненный на конденсаторе, интегрирующий усилитель-сумматор, первый компаратор, генератор тактовых импульсов, первый триггер, мостовой коммутатор из четырех ключей, источник эталонного тока, первый и второй элементы И. В устройство вновь введены источники порогового напр жени , выполненные каждый на резисторе и диоде, второй компаратор и второй триггер. Выходы интегрирующего усилител -сумматора через первый источник порогового напр жени подключены к входам первого компаратора и через второй источник порогового напр жени - к входам второго компаратора, выход второго компаратора подключен к D-входу второго триггера, пр мой и инверсный выходы которого подключены к управл ющим входам мостового коммутатора и входам элементов И соответственно, а C-вход второго триггера подключен к выходу генератора тактовых импульсов. В предложенном преобразователе выходное напр жение интегратора всегда симметрично около нул и не содержит посто нной составл ющей. При входном токе, равном нулю, частота на выходе преобразовател отсутствует. Предлагаемый преобразователь обеспечивает линейность преобразовани не хуже 0,0001%. 3 ил.

Description

Изобретение относитс к импульсной технике и может быть использовано в автоматических системах управлени в качестве прецизионного аналого-цифрового преобразовател .

Цель изобретени - упрощение, преобразовател .

На фиг.1 представлена функциональна схема преобразовател ; на фиг.2 и 3 - временные диаграммы работы преобразовател .

Преобразователь содержит источник 1 входного тока, интегрирующий элемент 2, выполненный на конденсаторе, интегрирующий усилитель-сумматор 3,

выполненный на резисторе 4, операционном усилителе 5 и конденсаторе 6, первый и второй источники 7 порогового напр жени , первый 10 и второй 11 компараторы, генераторы тактовых импульсов, первый 13 и второй 14 D- триггеры, мостовой коммутатор, состо щий из четырех ключей 15-18, источ-. ник 19 эталонного тока, первый 20 и второй 21 элементы И.

Совокупность элементов из первого 13 и второго 14 D-триггеров, мосто- ирго коммутатора и источника 19 эталонного тока представл ет собой формирователь нормированных импульсов обратной св зи (формирователь импульсов бипол рного тока) . Первый 20 и второй 21 элементы И образуют логическую схему выделени выходных импульсов преобразовател .

На фиг.2 и 3 представлены временные диаграммы работы устройства, где а - импульсы тактовой частоты генераи второго 14 р-триггсров. В целом формирователь ИМПУЛЬСОЧ обратной св зи может иметь четыре состо ни . При совпадении состо ний D-триггеров 13 и 14 оказываютс включенными диагональные ключи 15, 16 или , 18, в этом случае гок эталонного источника 19 по вл етс ча гыхоле формировател и затекает в инте р.этир 2.

При нахождении триггеров в состо нии лог. 1 включаютс ключи 1ft, 18 и формирователь выдает импульсы эталонного тока положительной пот рнссти.

5 эти моменты времени фиксируютс вторым элементом И 21. При нахождении триггеров в состо нии лог. О включаютс ключи 15, 17 и формирователь выдает импульсы эталонного тока от0 рицателыюй пол рности, эти моменты времени фиксируютс первым элементом И 20. При любом несовпадении состо ний D-триггеров 13 и 14 оказываютс включенными ключи 15, 18 или

тора 12 fт; б, и - эпюры пилообразно-25 16, 17, при этом ток эталонного напр жени Uc интегратора 2; в, к - эпюры пилообразного напр жени U у на выходе интегрирующего усилител -сумматора 3; г, л - импульсы UKn на выходе первого компаратора 10 и импульсы иКПЈ на выходе второго.компаратора 11; д, м - им- опульсы UTt на пр мом выходе первого триггера 13;е, н - импульсы UTi на пр мом выходе второго триггера 14; ж, о - импульсы эталонного тока формировател ; з, п - импульсы fgbix.«. на первом выходе преобразовател и импульсы f БЫТ г. иа ВТ°Р°М выходе преобразовател .

На фиг.2 диаграммы б-з раскрывают процесс преобразовани положительного входного тока величиной I Ву 1/8-1-эг диаграммы и-п - входного тока 1&х 5/9 1эт, диаграммы б-з (фиг.З) - входного тока 1Ъ 30

точника 19 оказываетс замкнутым внутри формировател . Этот режим соответствует нулевому выходному току формировател , при этом интегратор 2 зар жаетс только входным током источника 1.

Посто нна времени интегрирующего усилител -сумматора 3, равна С,

Ј R

R, С6 - соответст35

40

венно номиналы резистора ч и конденсатора 6, выбираетс из услови (, 10-Тт, где 1Т - период такто вой частоты генератора 12.

Номиналы напр жений источников 7 пороговых напр жений Unopi( и Unop2. должны выбиратьс из услови

bull с

ипорг

-,где

}Т

- эта7/8-1

эт

Диаграммы и-п (фиг.З) раскрывают процесс преобразовани отрицательного входного тока I g,x 7/8 1эт.

Ключи 15-18 мостового коммутатора включаютс при по влении на соответствующем управл ющем входе сигнала лог. О, а выключаютс сигналом лог. 1 (например, возможно применение микросхем 590КН5). Управл ющими сигналами дл мостового коммутатора служат логические сигналы с пр - мь х и инверсных выходов первого 13

50

45 лонный ток источника 19; С - номинал конденсатора 2.

Пол рности источников порогового напр жени выбираютс из услови приложени суммы их напр жений к входам первого 10 и второго 11 компараторов . Операционный усилитель 5 и компараторы 10 и 11 должны иметь малые входные токи.

Преобразование входного в , выходную частоту основано на принципе сравнени и уравновешивани зар дов интегратора 2 от входного тока и токовых импульсов обратной св зи формировател , нормированных по

55

0

Ј R

R, С6 - соответст5

0

bull с

ипорг

-,где

}Т

- эта

лонный ток источника 19; С - номинал конденсатора 2.

5

амплитуде источников 19 тока и по длительности D-триггерами 13 и 14. Последние срабатывают по переднему фронту тактовых импульсов гене- ратора 12, поэтому длительность их состо ний всегда кратна целому числу периодов тактовой частоты. Преобразователь образует следующую систему с замкнутой петлей импульсной отрицательной обратной св зи, работающей на принципе дельта - сигма модул тора. В замкнутой системе происход т автоколебани с частотой, кратной тактовой частоте генератора 12.

Преобразователь работает следующим образом.

В исходном состо нии напр жение на выводах конденсаторов равно нулю При подаче положительного входного тока интегратор 2 зар жаетс в направлении увеличени на его выводах положительного напр жени . Данное напр жение в первые моменты времени практически без изменени попадает на выход интегрирующего усилител - сумматора 3 и при превышении порога срабатывани первого компаратора 10 определ емого источником 7, вызывае срабатывание компаратора 10 и по переднему фронту тактового импульса D-триггера 13. Формирователь выдает импульс эталонного тока отрицательной пол рности. В системе возникают автоколебани в соответствии с диаграммами б-з (фиг.2). Положительный входной ток уравновешен отрицательными импульсами эталонного тока, В этом случае второй компаратор 11 и второй триггер 14 наход тс в устойчивом состо нии лог. О, так как порог срабатывани второго компаратора 11 разнесен от порога срабатывани первого компаратора 10 на величину напр жени , первышающую размах пилообразного напр жени на выводах интегратора 2.

Интегрирующий усилитель-сумматор 3 имеет передаточную характеристику W(P) 1 + -г---, т.е. его выFK4Kg

ходное напр жение равно Uj- Uc +

+ n Uf- dt. При его отсутствии

R4C6 J

о

дл положительного входного тока

5

523776

среднее напр жение на нывсчлх интегратора 2 уравновешиваетс около напр жени 1 пор , первого источнике 7, а дл отрицательного входного тока - около напр жени I „Ор г ОР° го источника 7. Наличие интегрирующего усилител -сумматора 3 псчвол - ет непрерывно чувствовать среднее 10 значение напр жени интегратора и автоматически сводить его к нулю путем выработки напр жени коррекции , выдел емого на выводах конденсатора 6, U

цин U

корр

. Напр жение коррек корр.

включено последовательно

в контуре выходы интегратора - источник порогового напр жени - входы компаратора. Поскольку посто нна времени Ј выработки U«opp намного

превышает период повторени 1 с , то

i UKOpp Ј-Ј- J Ь с- dt вл етс прако тически посто нным напр жением по

сравнению с переменным напр жением L c и выполн ет функцию дополнительного управл емого источника порогового напр жени , изменением которого можно регулировать среднее значение L c . В контуре обратной св зи осуществл етс пропорционально интегри- рующее регулирование. Такое построение обеспечивает более высокую точность уравновешивани зар дов ИНТРграторов от входного тока и нормированных импульсов обратной св зи.

При подаче отрицательного входного тока цепь обратной св зи замыкаетс через второй источник 7 порогового напр жени , второй компаратор 11, второй триггер 14 и формирователь импульсов обратной св зи. Наблюдаетс накопление отрицательного напр жени и уравновешивание его положительными импульсами эталонного тока формировател (фиг.З, диаграммы и-п). Первый компаратор 10 и первый триггер 13 наход тс в устойчивом состо нии лог. 1. Выходные импульсы преобразовател присутствуют Только на его втором выходе.

Частота выходных импульсов преобразовател с выходов элементов И 20

и 21, т.е. среднее число импульсов за единицу времени, определ етс выражением

f выл 1вх т/ЦтВ предложенном устройстве источники 7 порогового напр жени выполнены в виде делителей напр жени , состо щих из резисторов 8 и стабили- зирующнх элементов 9, обща точка которых подключена к выходу операционного усилител 5. Б этом случае подключени общей точки источников питани усилител 5 и компараторов 10 и 11 к другим элементам преобразовател не требуетс . Потенциалы источника 1 входного тока, интегратора

интегрирующего усилител -сумматора 3, источников 7 и входов ком- парзторор 10 и 11 оказываютс взвешенными по отношению к общей шине источников питани усилител 5, ком- параторон 10, 11, ключей 15-18 и источника 19 эталонного тока, вл ю- щнхс общими на все аналоговые узлы преобразовател , что упрощает реализацию всего устройства. В этом случа источник 19 может быть гальванически зав зан и запитан от источников пи- тани узлов (5, 10, 11).

Предложенный преобразователь обеспечивает двойное уменьшение размаха пилообразного напр жени интегратора . Достигнутый порог чувствитель- ности составл ет менее 10 нА, линейность преобразовани не хуже О;0001%, выходна частота при нулевом входном токе практически равна нулю (данные приведены при примене- нии усилител 5, компараторов 10 и 11 типа 5А4УД2, ключей типа 590КН5, триггеров типа 533ГЫ8, Iэт 20 мА, Гт 20 кГц, С 1 мкФ, R 4 2 МОм, С6 0,047 мкФ).

Повышение точности преобразовани в области малых токов достигнуто благодар уменьшению частоты переключени ключей формировател импульсов обратной св зи. При нулевом входном токе отсутствует зар д интегратора под его воздействием, а следовательно, его разр д импульсом эталонного тока. В формировании импульса эталонного тока участвуют только два ключа формировател , при этом диапазон изменени амплитуды импульса эталонного тока равен I5Т. Разделение двух пол рностей входного тока осуществл етс применением двух компараторов и двух триггеров, работающих с различными порогами срабатывани , В известном устройстве при формировании импульсов эталонного тока одновременно переключаютс все четыре ключа мостового коммутатора, при этом диапазон изменени амплитуды импульса эталонного тока составл ет 2 I эт.

В предложенном устройстве среднее значение напр жени интегратора равномерно во всем диапазоне входных токов I 6у и близко к нулю с точностью до напр жени смещени интегрирующего усилител -сумматора 3.

Claims

Формула изобретени

Преобразователь ток - частота с импульсной обратной св зью, содержащий источник входного тока, выходы которого объединены с соответствующими выводами интегрирующего элемента , выполненного на конденсаторе, с соответствующими выходами формировател импульсов бипол рного эталонного тока, выполненного на мостовом коммутаторе и источнике эталонного тока, включенном в первую диагональ мостового коммутатора, втора диагональ которого вл етс соответствующим выходом формировател импульсов бипол рного тока и подключена к первому и второму входам интегрирующего усилител -сумматора, первый вход которого объединен с неинвертирующим входом первого компаратора, выход которого соединен с D-входом первого D-триггера, С-вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, пр мой выход соединен с первым управл ющим входом мостового коммутатора и первым входом первого элемента И, второй вход которого объединен с первым входом второго элемента И и подключен к выходу генератора тактовых импульсов а второй вход второго элемента И соединен с инверсным выходом первого D-триггера, выходы первого и второго элементов И вл ютс соответственно первой и второй выходными шинами , отличающийс тем, что, с целью упрощени преобразовател , в него введены второй компаратор , второй D-триггер и первый и второй источники порогового напр жени , выполненные каждый соответственно на диоде и резисторе, первый вывод которого подключен к соответствующей шине питани , причем неинвертирующий вход второго компаратора объединен с неинвертирующим входо первого, их инвертирующие входы подключены соответственно к вторым выводам первого и второго резисторов, при этом инвертирующий вход первого компаратора соединен с анодом диода первого источника порогового напр жени , а инвертирующий вход второго компаратора - с катодом диода второго источника порогового напр жени , катод и анод диодов соответственно первого и второго источников пороговых напр жений подключены к

выходу интегрирующего усилител -сумматора , а выход второго компаратора соединен с D-входом второго D- триггера, пр мой выход которого соединен с третьим входом первого элемента И и вторым управл ющим входом мостового коммутат.ора, третий управл ющий вход которого объединен с третьим входом второго элемента И и подключен к инверсному выходу второго D-триггера/ а инверсный выход первого D-триггера соединен с четвертым управл ющим входом мостового коммутатора.

1ДППД1ШШ1ППППППГШПШ1ПШШПППП

ис

л л nnnm nnnn n JT

н

t/гг

Ззт

UUl-JlJnLJTJl-JlJlJlJl-Г /9мг./ Jl Jl JULJLJlJT-jm-JLJLJl Jin n.

.

fltttf

:

fr

шппплпллппллплпшшппплппшиг, t

uc

t

UK

ГЬЕ

u

JJL

u

Ti

ш

JJL

7

ЙЬ

LJ

К

//}«///

ПЛППППП nnnnnnn nnnnnnn nn

t

i

LC1

t t

a