Преобразователь напряжения в частоту

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕПИЯ В ЧАСТОТУ, содержащий интегратор на операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи и ключом разряда конденсатора, элемент ИЛИ , и два компаратора разнополярных порогов срабатывания, снабженных цепями задания порогов, причем сравнивающие входы компараторов соединены с выходом интегратора, прямой выход компаратора с отрицательным порогом срабатывания соединен с первым входом элемента ИЛИ, инверсный ход компаратора с положительным порогом срабатывания соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу ключа разряда конденсатора, отличающийся тем, что, ,с целью повышения точности преобразования, в него введены две диодно резистивные цепи и два ключа, а компараторы снабжены цепями динамической положительной обратной связи, причем диодно-резистивные цепи соединяют суммиругацую точку интегратора с прямыми выходами компараторов, каждый ключ включен меходу сравнивающим входом соответствующего компаратора с S и цепью задания порога его срабатывания , а управляющие входы ключей сл подключены соответственно к инверсному выходу компаратора с отрицательным порогом срабатывания и к прямому выходу компаратора с поло-. жительным порогом срабатывания.

СОК)3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

3(5!) Е! 03 К 13/20

27 25

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3471844/18-21 (22) 16.07 ° 82 (46) 28.02.84. Бюл. М 8 (72) Е,В. Колмыков, Э.С. Никулин и Л.В. Свердлова (53) 681.142(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 725224, кл ° Н 03 К 13/20, 1979.

2. Патент США Р 3764831, кл. 307-271, 1973. (54)(57) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

В ЧАСТОТУ, содержащий интегратор на операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи и ключом разряда конденсатора, элемент ИЛИ и два компаратора разнополярных порогов срабатывания, снабженных цепями задания порогов, причем сравнивающие входы компараторов соединены с выходом интегратора, прямой выход компаратора с отрицательным порогом срабатывания соединен с первым входом элемента ИЛИ, инверсный вы„„SU„„ I 077048 А ход компаратора с положительным порогом срабатывания соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу ключа разряда конденсатора, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены две диодно-резистивные цепи и два ключа, а компараторы снабжены цепями динамической положительной обратной связи, причем диодно-резистивные цепи соединяют суммирующую точку интегратора с прямыми выходами компараторов, каждый ключ включен между сравнивающим входом соответствующего компаратора и цепью задания порога его срабатывания, а управляющие входы ключей подключены соответственно к инверсному выходу компаратора с отрицательным порогом срабатывания и к прямому выходу компаратора с положительным порогом срабатывания.

1077048

Изобретение относится к элементам автоматики и измерительной техники и предназначено преимущественно для аналого-цифровых интеграторов с контуром сглаживания выходного напряжения °

Для достижения точного сглаживания выходного напряжения аналогоцифрового интегратора пилообразное напряжение на аналоговом выходе преобразователя должно иметь близкий к нулю начальный уровень и стабильную амплитуду (размах) колебаний.

Известен двухполярный преобразователь напряжения в частоту, содержащий интегратор на операционном усилителе, компараторы, входы которых подключены к выходу интегратора, выходные инверторы и диоднореэистивные цепи, соединяющие вход операционного усилителя с выходами инверторов (1).

Недостатки известного устройства обусловлены значительной нелинейностью преобразования и нестабильностью амплитуды и начального уровня пилообразного напряжения на выходе интегратора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является двухполярный преобразователь напряжения в частоту, содержащий интегратор на операционном усилителе с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, цепь разряда конденсатора, два компаратора с инверторами на выходах и цепями задания разнополярных порогов срабатывания, входы которых соединены с выходом интегратора, логический элемент ИЛИ, подключенный входами к выходам инверторов, а выходом через цепь формирования временных интервалов к управляющему входу цепи разряда конденсатора Г2.).

Недостаток данного устройства относительно большая нелинейность характеристики преобразования.

Это обусловлено тем, что разряд интегрирующего конденсатора в нем протекает по экспоненциальному закону и для полного разряда конденсатора (даже при большом начальном значении тока разряда) необходимо удерживать ключ разряда в открытом состоянии в течение большого промежутка времени. Кроме того, в данном преобразователе начальный уровень пилообразного напряжения отличается от нулевого значения, поскольку зависит от величины входного сигнала. Это объясняется тем, что ключ разряда имеет в открытом состоянии конечное сопротивление (определяемое допустимым значением тока через ключ) и при полном разряде конденсатора на выходе интегратора устанавливается

10

25 суммирующую точку интегратора с прямыми выходами компаратОров, каждый ключ включен между сравнивающим входом соответствующего компаратора и цепью задания порога его срабатывания, а управляющие входы ключей

З5 подключены соответственно к инверсному выходу компаратора с отрицательным порогом срабатывания и к прямому выходу компаратора с поло40

65 напряжение, пропорциональное вход- ному напряжению, и отношение сопротивления ключа разряда к входному сопротивлению интегратора.

Цель изобретения — повышение точности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь напряжения в частоту, содержащий интегратор на операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи и ключом разряда конденсатора, элемент ИЛИ и два компаратора, разнополярных порогов срабатывания, снабженных цепями задания порогов, причем сравнивающие входы компараторов соединены с выходом интегратора, прямой выход компаратора с отрицательным порогом срабатывания соединен с первым входом элемента ИЛИ, инверсный выход компаратора с положительным порогом .срабатывания соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к управ ляющему входу ключа разряда конденсатора, введены две диодно-резистивные цепи и два ключа, а компараторы снабжены цепями динамической положительной обратной связи, причем диодно-реэистивные цепи соединяют жительным порогом срабатывания.

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого преобразователя напряжения в частоту; на фиг.2 временные диаграммы его работы.

Преобразователь содержит интегратор 1 на операционном усилителе 2 с входным резистором 3 и конденсатором 4 в цепи отрицательной обратной связи, ключ 5 разряда конденсатора, выполненный на резисторе б и транзисторе 7, два компаратора 8 и 9, образованных операционными усилителями 10 и 11 и подключенные через входные резисторы 12 и 13 к выходу интегратора 1, а также цепями задания порогов срабатывания на резисторах 14 и 15 и источниках 1б и 17 разнополярных напряжений и инверторами 18 и 19 ° Компараторы 8 и 9 имеют прямые выходы 20 и 21, полярность импульсов на которых при сбросе интегратора соответствует полярности выходного напряжения последнего, и инверсные выходы 22 и

23, являющиеся выходами инверторов

18 и 19, подключенных входами к выходам операционных усилителей 10 и

1077048

1l, Выход 20 компаратора 8 и выход напряжения ключ разряда конден23 компаратора 9 подключены к вхо- сатора открывается, диод 25 смещаетдам логического элемента ИЛИ 24, вы- ся в проводящее направление, а ключ ход которого соединен с управляющим 29 закрывается, отключая от суммивходом ключа 5 разряда конденсатора. рующей точки усилителя 10 резистор

В преобразователь введены две 5 14. В результате конденсатор 4 раэдиодно-резистивные цепи, состоящие ряжается, во-первых, через открытый из последовательно соединенных дио- транзистор 7 и токоограничивающий дов 25 и 26 и резисторов 27 и 28 . резистор 6 и, во-вторых, через диод и включенные между суммирующей точ- 25, резистор 27 и выходы усилителей кой интегратора 1 и прямыми выходами 10 2 и 10.

20 и 21 компараторов 8 и 9, и два Первая составляющая тока разряда ключа 29 и 30. Ключ 29 соединяет изменяется по экспоненциальному эав компараторе 8 цепь задания отри- кону, а вторая — по линейному, цательного порога срабатывания (ре- вследствие чего достигается быстрый зистор 14 и источник 16) с суммирую- f5 разряд конденсатора 4 (через открыщей точкой операционного усилителя тый ключ 5) при относительно боль10, а ключ 30 соединяет в компара- шой скорости изменения выходного торе 9 цепь задания положительного напряжения интегратора 1 вблизи порога срабатывания (резистор и нулевого уровня (за счет тока через источник) с суммирующей точкой one- 0 диод 25) . Это позволяет существенно рационного усилителя 11. Управляю- уменьшить время сброса интегратора щие входы ключей 29 и 30 соединены в исходное состояние (Г б) и сделать соответственно с инверсным выходом его пренебрежимо малым йо сравне22 компаратора 8 и с прямым выходом нию с временем интегрирования вход21 компа1атора 9. Компараторы 8 и 5 ного сигнала (1 „), в результате

9 снабжены цепями динамической чего повышается линейность преобра положительной обратной связи, сос- зования напряжения в частоту. тоящими из конденсаторов 31 и 32 При достижении напряжением Ои и резисторов 33 и 34. уровня отпускания 0 компаратор 8 ое релейно переходит в состояние поУстройство работает следующим об- ложительного насыщения, вследствие разом. чего диод 25 и ключ 5 закрывается, В исходном положении, когда вы- ключ 29 открывается, выходное находное напряжение О„ интегратора 1 пряжение интегратора 1 вновь начинаблизко к нулю, операционные усилите- ет линейно изменяться от уровня ли 10 и 11 в компараторах 8 и 9 на- З5 до значения U и процесс периодис8 ходятся соответственно в состоянии чески повторяется. положительного и отрицательного на- Аналогичным образом работает сыщения (01 =О+, U« =U„„) . При этом преобразователь при отрицательной ключи 29 и 30 открыты, благодаря полярности входного сигнала. чему суммирующие точки усилителей 40 В приведенной на фиг.1 схеме диод10 и 11 подключены к цепям задания но-резистивные цепи показаны функпорогов срабатывания (резисторы 14 ционально, чтобы отразить их роль в и 15 и источники 16 и 17 раэнополяр- уменьшении методической погрешности ных напряжений), диоды 25 и 26 сме- преобразования. В принципиальной схе" щены в непроводящем направлении на- 45 ме для уменьшения влияния токов пряжениями О„+ и О„„, а сигнал на утечки через закрытые диоды 25 и 26 выходе логического элемента ИЛИ 24 можно, например, использовать в каимеет единичное (положительное) зна- честве каждого из диодов 25 и 26 чение, при котором ключ 5 разряда два последовательно соединенных диоконденсатора находится в разомкнутом да общая точка которых подключается

50 через дополнительный резистор к шине

В случае положительной полярности нулевого потенциала. входного напряжения И „(О „> О) напряжение О на выходе интегратора 1 В предлагаемом преобразоватеЛе уменьшается по линейному закону со порог отпускания компаратора опрескоростью, определяемой величиной 55 деляющий начальный уровень пилообраз"

I входного напряжения О8„и постоян- ного напряжения, близок к нулевому ной времени t=R С„. Когда напряжение потенциалу, поскольку при закрытом

-О„ достигает порога срабатывания ключе 29 и отсутствии тока через

О =-Е < компаратор 8 релейно

17

С8 16 а„ цепь положительной обратной связи

"14 60 в момент отпускания компаратора (что (благодаря действию цепи динамичес- достигается соответствующим выбором кой положительной связи на конден- постоянной времени переэаряда консаторе 31 и резистор — 33) перехо- денсатора 31) величина порога отпусдит в состояние отрицательного насыщения (О1р Ugg ) под действием 65 смещением нуля операционного усилите1077048

Vg ие2

ВНИИПИ Заказ 772/53 Тираж 862 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная,4 ля 10 и утечкам ключа 29 и практически составляет единицы мВ.

Наличие н предлагаемом преобразователе цепей динамической положительной обратной связи имеет существенное значение. За счет их введения в компараторы 8 и 9 обеспечивается формирование определенной величины скачков напряжений на неинвертирующих входах усилителей 10 и 11 при срабатывании компараторов 8 и 9 и их удержание в сработанном состоянии на время задержек в открывании ключевых транзисторов. Если этого не делать, то эа счет временных задержек в транзисторных ключах 29 и 30 при 15 их открывании может произойти самовозбуждение схемы (явление захвата напряжения U„ на некотором уронне, при котором выполняется равенство токов через резисторы 12 и 14 н процессе разряда конденсатора 4 и открывания транзисторных ключей 29 и 30).

Указанные цели должны быть динамическими, поскольку формируемые 25 ими токи спустя определенное время после срабатывания компараторов должны стать настолько малыми, чтобы при подходе напряжения U> к нулевому уровню они не оказывали заметного влияния на порог отпускания компараторов.

Прямые (20 и 21) и инверсные (22 и 23) выходы компараторов образуют дифференциальный выход преобразователя, так как в зависимости от знака входного напряжения сигнал формируется на выходе либо одного, либо другого компаратора. С ныхода логического элемента 24 снимается частотный сигнал, соответствующий моду- 40 лю входного напряжения.

При выборе сопротивлений резисторов 3, 27, 28 и 6 из условия Т g ((Т частота повторения импульсов на выходе преобразователя пропорциональна входному напряжению О „ ()бх/ и где Ос=0 Π— ширина петли гистереэиса компараторов 8 и 9.

Таким образом, благодаря введению в преобразователь двух диодно-резистивных цепей, двух ключей и цепей динамической положительной обратной связи, а также соответствующих конструктивных связей их с другими узлами преобразователя, уменьшается время сброса интегратора в исходное состояние и отклонение порогов отпускания компараторов от нулевого потенциала, в результате чего повышается линейность преобразования и точность формирования пилообразного напряжения.

В предлагаемом устройстве сброс выходного напряжения интегратора до уровня +10-мВ происходит за время, практически равное постоянной времени цепи разряда конденсатора () °

В устройстве 2 при использовании (н интеграторе и ключе разряда конденсатора) элементов с такими же параметрами, как в предлагаемом преобразователе, для достижения аналогичных значений начального уровня пилообразного напряжения необходимо удерживать ключ н открытом состоянии не менее 6-7 . Из этого следует, что погрешность нелинейности, обусловленная конечным временем разряда конденсатора, у предлагаемого преобразователя в 6-7 раз Меньше, чем у известного. Кроме того, в предлагаемом преобразователе начальный уровень пилообразного напряжения принципиально не зависит от величины входного напряжения, что имеет место в устройстве-прототипе.