SU1559407A2 - Преобразователь ток-частота с импульсной обратной св зью - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к импульсной технике, может быть использовано в качестве прецизионного преобразовател  ток-частота в автоматических системах управлени  и устройствах обработки аналоговой информации и  вл етс  усовершенствованием устройства по а.с. N 1451863. Цель - повышение точности преобразовани  в области малых токов путем уменьшени  частоты переключени  ключей формировател  нормированных импульсов обратной св зи. Устройство содержит источник входного тока, интегратор, первый 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 второй интегрирующий усилитель-сумматор 7, второй компаратор 12 и второй триггер 15. При этом входы второго интегрирующего усилител -сумматора 7 подключены к выводам интегратора 2, а выходы - к входам второго компаратора 12, выход которого подключен к D-входу второго триггера. Пр мой и инверсный выходы второго триггера подключены к входам мостового коммутатора и входам элементов И соответственно, а C-вход второго триггера подключен к выходу генератора тактовых импульсов. В преобразователе входной ток уравновешиваетс  импульсами эталонного тока противоположной пол рности и обеспечивает нулевую выходную частоту при нулевом входном токе. Выходное напр жение интегратора всегда симметрично около нул  и не содержит посто нной составл ющей. 3 ил.

Description

фиг.1

Изобретение относитс  к импульсной технике, может быть использовано в автоматических системах управлени  и обработки аналоговой информации и  вл етс  усовершенствованием изобретени  по авт.св. № 1А51863.

Цель изобретени  - повышение точности преобразовани ,

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

Преобразователь содержит источник 1 входного тока, интегратор 2, выполненный на конденсаторе, первый интегрирующий усилитель - сумматор 3, выполненный на резисторе 4, конденсаторе 5, операционном усилителе 6, второй интегрирующий усилитель-сумматор 7, выполненный на резисторе 8, конденсаторе 9 и операционном усилителе 10, первый компаратор 11, второй компаратор 12,- генератор 13 тактовых импульсов, первый 14 и второй 15 триггеры, мостовой коммутатор, состо щий из четырех ключей 16-19, источник 20 эталонного тока и первый 21 и второй 22 элементы И.

Совокупность элементов из первого 14 и второго 15 триггеров, мостового коммутатора 16-19 и источника 20 эталонного тока представл ет собой формирователь нормированных импульсов обратной св зи. Первый 21 и второй 22 элементы образуют блок формировани  выходных импульсов преобразовател .

На временных диаграммах (фиг. 2 и 3} 2а, За - импульсы тактовой рас- тоты генератора 13 fT; 26, 2е, 2л, 36, Зл - эпюры пилообразного напр жени  Uc интегратора 2; 2в, 2ж, 2з, 2р, 2с, Зж, Зз, Зр, Зс - импульсы на пр мых выходах первого UT1 и второго U7a триггеров; 2г, 2и, 2т; Зи, Зт - выходные импульсы на первом fBWXi вы ходе преобразовател ; 2д, 2к, 2у, Зк, Зу - выходные импульсы на втором f8bl выходе преобразовател ; 2м, Зв, Зм - эпюры пилообразного напр жени  U на выходе первого интегрирующего усилител -сумматора 3 (на входах первого компаратора 11 между его инвертирующим и неинвертирующим входами); 2о, Зд, Зо - эпюры пилообразного напр жени  выходе второго интегрирующего усилител -сумматора 7 (на входах второго компаратора 12 между его

5

0

5

0

5

0

5

0

5

инвертирующим и неинвертирующим входами ) ; 2н, Зг, Зн - импульсы UKO| на выходе первого компаратора 11; 2п, 3es Зп - импульсы U на выходе второго компаратора 12.

На фиг. 2 временные диаграммы 2а, 26, 2в, 2г, 2д раскрывают процесс преобразовани  положительного входного тока величиной Iw +1/9 1эгцп  известного преобразовател  ток-частота и предлагаемого в момент времени после его включени ; временные диаграммы 2е, 2ж, 2з, 2и, 2к - процесс преобразовани  входного тока 1ВХ +1/9 19Т дл  предлагаемого преобразовател  в момент времени после некоторого зар да конденсаторов 5 и 9; временные диаграммы 2л - 2у - последовательно процесс преобразовани  тока 1ех +1/9-1эт после полного зар да конденсаторов 5 и 9; временные диаграммы 36 - Зк - последовательно процесс преобразовани  положительного входного тока IBX +6/7 « 1ЭТ, а диаграммы Зл - Зу - отрицательного входного тока 1ВХ -6/7 1ЭТ.

Ключи 16-19 мостового коммутатора включаютс  при по влении на соответствующем управл ющем входе сигнала Лог. О, а выключаютс  сигналом Лог. 1. Первый элемент И 21 фиксирует моменты времени, когда оказываютс  включенными ключи 16 и 18 и формирователь нормированных импульсов обратной св зи выдает импульсы эталонного тока отрицательной пол рности. Этот режим соответствует положительному входному току (эпюры Зб-Зк). Второй элемент И 22 фиксирует моменты времени, когда оказываютс  включенными ключи 17 и 19, также ключи 16 и 18 и формирователь нормированных импульсов обратной св зи выдает импульсы эталонного тока положительной пол рности . Этот режим соответствует отрицательному входному току (эпюры Зл- Зу). Выходные импульсы преобразовател   вл ютс  частью импульсов тактовой частоты генератора 13

Ключи 16-19 мостового коммутатора управл ютс  с пр мых и инверсных выходов двух триггеров 14 и 15, поэтому в общем формирователь импульсов обратной св зи может иметь четыре состо ни . При совпадении, состо ний триггеров 14 и 15 оказываютс  включенными диагональные ключи 16 и 18 или 17 и 19, в этом случае ток эталонного источника 20 по вл етс  на выходе формировател  и затекает в интегратор 2. При любом несовпадении состо ний триггеров 14 и 15 оказываютс  включенными ключи 16 и 19 или 17 и 18, при этом ток эталонного источника 20 оказываетс  замкнутым внутри формировател . Этот режим соответствует нулевому выходному току формировател , при этом интегратор 2 зар жаетс  только входным током источника 1.

Преобразование входного тока в выг ходную частоту основано на принципе сравнени  и уравновешивани  зар дов интегратора 2 от входного тока и токовых импульсов обратной св зи формировател , нормированных по амплитуде стабилизатором 20 тока и по длительности триггерами 14 и 15. Последние срабатывают по переднему фронту тактовых импульсов генератора 13, поэтому длительность их состо ний всегда кратна целому числу периодов тактовой частоты. Преобразователь образует след щую 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 генератора 13.

Преобразователь работает следующим образом.

В исходном состо нии напр жение на. выводах конденсаторов 2, 5 и 9 равно нулю. При подаче положительного входного тока на выводах интегратора 2 возникают колебани  пилообразного напр жени , например дл  входного тока I ьх +1/9 15т (фиг. 26 ). Посто нные

времени интегрирующих усилителей-сумматоров 3 и 7, равные С3 Rq С 5 и

Ј7 RaC9

RA RS

С, где л4, л8, v,5,

соответственно номиналы резисторов 4 и 8 и конденсаторов 5 и 9, выбирают

например,

-, ю-тт

из условий , где Тт - период

т тактовой частоты генератора 13. В первый момент времени после включени  питани  напр жени  на конденсаторах 5 и 9 близки к нулю, а выходные напр жени  интегрирующих усилителей-сумматоров 3 и 7 равны напр жению на выходах интегратора 2. В этом случае компараторы 11 и 12 и триггеры 14 и 15 работают синхронно. Положительный входной ток уравновешиваетс  чередующимис  .один за другим импульсами обратной

0

св зи двух пол рностей, причем число с рпцательных импульсов превышает чисио положительных импульсов обратной св зи. Величина входного тока определ етс  разностью числа импульсов по двум выходам преобразовател  (фиг. 2в, гр д). Среднее значение пилообразного напр жени  интегратора зависит от величины и пол рности входного тока

и определ етс  выражением Uc

Cf

Т1мдкс а полный размах ис

ck

образного напр жени  равен о I эт Тт

1в

- пило0

5

0

5

где

-ex

входной ток источника 1{ 19Т- эталонный ток источника 20;

0С - номинал конденсатора 2.

Под воздействием напр жени  интегратора 2 осуществл етс  накопление зар да на конденсаторах 5 и 9 интех- рирующих усилителей-сумматоров 3 и 7.

5 Накопленные напр жени  на их выводах выполн ют роль управл емых источников порогового напр жени  дл  первого 11 .и второго 12 компараторов. Дл  положительного входного тока наблюдаетс  накопление положительного напр жени  на выводах конденсатора 9 (между выходом усилител  10 и его инвертирующим входом). Это приводит к смещению моментов срабатывани  второго компаратора 12 и второго триггера 15 так, что синхронность работы триггеров 14 и 15 нарушаетс . По вл ютс  моменты времени, когда включены ключи 17 и 18 и выключены ключи 1 б и 19(фиг. 2е-2к), т.е. формирователь импульсов обратной св зи приобретает третье состо ние паузы или нулевого выходного тока. При полном зар де конденсаторов 5 и 9 выходное напр жение интегрирующего усилител -сумматора 3 бипол рное (эпюра 2м), а интегрирующего усилител -сумматора 7 унипол рное (эпюра 2о). При этом второй компаратор 12, второй триггер 15 стано-

в тс  в устойчивое состо ние Лог. О, ключ 18 посто нно включен, а ключ 19 выключен (эпюры 2п, 2с). Положительный входной ток уравновешиваетс  только отрицательными импульсами обратной св зиэ которые подключаютс  через цепь обратной св зи из первого интегрирующего усилител -сумматора 3, первого компаратора 11s первого триггера 14 и ключей 16 и 17. Выходные импульсы преобразовател  присутствуют только на его первом выходе. Среднее значение входного тока за много периодов тактовой частоты с высокой точностью равно среднему значению нормированных импульсов эталонного тока. Уравновешивание входного тока импульсами обратной св зи только одной пол рности  вл етс  следствием работы цепи обратной св зи через интегрирующие усилители-сумматоры 3 и 7, работающей в направлении уменьшени  размаха пилообразного напр жени  интегратора 2. При полном уравновешивании размах напр жени  интегратора уменьшаетс  в два раза и достигает величины .Макс 19Т-ТТ

U

Дл  положительного вход

5

второй триггер 15 и ключи 18 и 19. Наблюдаетс  накопление отрицательного напр жени  на выводах конденсатора 5 (между инвертирующим входом и выходом усилител  6). Первый компаратор 11, , первый триггер 14 станов тс  в устойчивое состо ние Лог. 1, ключ 16 посто нно выключен, а ключ 17 включен. Отрицательный входной ток уравновешиваетс  только положительными импульсами обратной св зи. Выходные импульсы преобразовател  присутствуют только на его втором выходе.

Частота выходных импульсов преобразовател  с выходов элементов 21 и 22, т.е. среднее число импульсов за единицу времени, определ етс  выражением

ного тока первый интегрирующий усили- 20 тель-сумматор 3 следит за средним значением напр жени  интегратора и путем накоплени  напр жени  смещени  на выходах конденсатора 5 и коррекции моментов срабатывани  первого компа- 25 ратора 11 сводит его к нулю (эпюру 2л). Благодар  этому пилообразное напр жение интегратора всегда симметрично около нул .

Первый 3 и второй 7 интегрирующий усилители-сумматоры имеют передаточные характеристики

W(p) - 1+ - .

где С - номиналы конденсаторов 5 и 9;

R - номиналы резисторов 4 и 8, т.е.

IM«fT/I

эт

тактова  частота генератоих выходные напр жени  равны Ui- с + RC 0 -dtJ ....

где fT

pa 13.

Получена структурна  схема с симметричным расположением узлов и элементов 3, П, 14, 16, 17, 21 и 7, 12 15, 18, 19, 22 с другой стороны, поэтому их разделение на первый и второй элементы  вл етс  условным. Например , дл  положительного входного тока возможна ситуаци , когда цепь обратной св зи замкнута через второй интегрирующий усилитель-сумматор 7, второй компаратор 12, второй триггер и ключи 18 и 19. При этом в устой чивое состо ние станов тс  первый ин- 35 тегрирующий усилитель-сумматор 3, первый компаратор 11, первый триггер 14, ключи 16 и 17, т.е. перва  и втора  цепи обратной св зи мен ютс 

30

45

л рол ми, однако это не приводит к ис- Работа компаратора по сумме напр - 40

жени  интегратора и напр жени , пропорционального интегралу от напр жени  интегратора, позвол ет непрерывно чувствовать среднее значение напр жени  интегратора и автоматически сводить к нулю во всем диапазоне входных токов -I эт IBX . В контуре обратной св зи осуществл етс  пропорционально-интегрирующее регулирование . Такое построение обеспечивает более высокую точность уравновешивани  зар дов интегратора от входного тока и нормированных импульсов обратной св зи.

При подаче отрицательного входного 55 тока цепь обратной св зи замыкаетс  через второй .интегрирующий усилитель- .сумматор 7, второй компаратор 12,

50

кажению выходной информации-с выходов

элементов И 21 и 22.

В преобразователе повышение точности преобразовани  в области малых токов достигаетс  благодар  умень шению частоты переключени  ключей формировател  импульсов обратной св зи . При нулевом входном токе отсутствует зар д интегратора под его воздей ствием и, следовательно, разр д интегратора импульсом эталонного тока, частота переключени  ключей формировател  и выходна  частота преобразова тел  равны нулю.

Claims (1)

1.П П П П П П П П П П П П П П t

п п п

п п

45L+

пп

п п п

г п п

IL

п п

t

фце.2

t/T

и тйттштБшшлтшшшшмши:

S№LЈ. --.... .л /. /. t

i /

tf2

t1

P %г

™ LEnuoica. e-sn

,,

риигэЕЯи - ;;

Ч/Т2