Источник калиброванных напряжений

 

Изобретение относится к вторичным источникам питания радиоаппаратуры . Целью изобретения является уменьшение времени установления заданной формы выходного напряжения источника во всем диапазоне его мгновенных значений . Цель достигается тем, что устройство обеспечивает кусочно-нелинейную аппроксимацию формируемого напряжения . Кроме того, из цепи стабилизации исключен нелинейный элемент с нестабильной амплитудной передаточной характеристикой, что обеспечивает постоянство коэффициента петлевого усиления и независимость его от уровня стабилизации по мгновенным значениям формируемого напряжения, т.е. на всех участках его аппроксимации сразу. 4 ил. (Л 00 4 СП со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

51 4 6 05 Г 1/44.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М А ВТОРСМОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4067905/24-07 (22) 19,05.86 (46) 15.10.87. Бюл. Р 38 (71) Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) Ю.С. Шумков (53) 621.3 16:722.1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 612218, кл. С 05 F 1/44, 1978.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1283726, кл. С 05 F 1/44, 1986. (54) ИСТОЧНИК КАЛИБРОВАННЫХ НАПРЯЖЕ-

НИЙ (57) Изобретение относится к вторичным источникам питания радиоаппарату„.80„, 1345179 А1 ры. Целью изобретения является уменьшение времени установления заданной формы выходного напряжения источника во всем диапазоне его мгновенных значений. Цель достигается тем, что устройство обеспечивает кусочно-нелинейную аппроксимацию формируемого напряжения, Кроме того, из цепи стабилизации исключен нелинейный элемент с нестабипьной амплитудной передаточной характеристикой, что обеспечивает постоянство коэффициента петлевого усиления и независимость его от уровня стабилизации по мгновенным значениям формируемого напряжения, т.е. на всех участках его аппроксима" Я ции сразу. 4 ил.

1 13451

Изобретение относится к электротехнике, в частности к калибраторам переменного напряжения, и может быть использовано при построении информационно-измерительных систем и систем 5 автоматического контроля и управления.

Целью изобретения является уменьшение времени установления заданной фор10 мы выходного напряжения источника во всем диапазоне его мгновенных значений.

На фиг. 1 представлена структурная схема источника калиброванных напряжений; на фиг. 2 — пример построе15 .ния преобразователя кода во временные интервалы; на фиг, 3 — то же, нелинейного элемента, реализующего функцию преобразования в виде гиперболического тангенса; на фиг. 4 — времен- 20 ные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Источник калиброванных напряжений содержит источник 1 опорных напряжений, первый и второй выходы кото25 рого соответственно через первый 2и второй 3 ключи соединены вместе и через первый резистор 4 подключены к инвертирующему входу операционного усилителя 5, неинвертирующий вход ко- 30 торого подключен к общей шине, а выход через последовательно соединенные третий ключ 6, первый повторитель 7 напряжения, второй резистор

8 и первый интегратор 9 подключен к первому входу сумматора 10, выходом подключенного к выходной клемме 11, второй повторитель 12 напряжения, входом через четвертый ключ 13 под-, ключенный к выходу интегратора 9, а 40 выходом через третий резистор 14 — к входу интегратора 9, N интегрирующих конденсаторов 15, одними из выводов соединенных вместе и подключенных к инвертирующему входу опера- 4Б ционного усилителя 5, а другими выводами через первый коммутатор 16 к выходу операционного усилителя 5, N запоминающих конденсаторов 17, одними из выводов соединенных вместе и подключенных к входу первого повторителя 7 напряжения, а другими выводами через второй коммутатор 18 — к общей шине,(И+1)-й запоминающий конденсатор 19, включенный между входом второго повторителя 12 напряжения и общей шиной, цепь обратной связи, выполненную в виде последовательно соединенных четвертого резистора 20

79 2 и пятого ключа 21, включенную между инвертирующим входом операционного усилителя 5 и выходной клеммой 11, шестой 22 и седьмой 23 ключи, первыми выводами подключенные к выходам источника 1 опорных напряжений, а другими выводами соединенные вместе и через пятый резистор 24 подключенные к входу второго интегратора

25 третий повторитель 26 напряжения,вход которого через восьмой ключ

27 подключен к выходу интегратора

25, а выход через шестой резистор

28 — к входу интегратора 25, (N+2) -й запоминающий конденсатор 29, включенный между входом третьего повторителя

26 напряжения и общей шиной, нелинейный элемент 30, включенный между выходом второго интегратора 25 и вторым входом сумматора 10, преобразователь 31 кода во временные интервалы, первым входом поцключенный к выхоцу блока 32 памяти, вторым входом— к выходу генератора 33 опорной частоты, а первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым и восьмым выходами — к управляющим входам ключей 2,3,6,13,,21,22, 23 и 27 соот1 ветственно, счетчик 34 импульсов, входом подключенный к третьему выходу преобразователя 31 кода во временные интервалы, а выходом — к управляющим входам коммутаторов 16, 18 и к первому входу блока 32 памяти, второй вход которого подключен к клемме 35 для подключения источника управляющих сигналов, Источник 1 опорных напряжений выполнен двухполярным:и содержит опорные элементы 36 и 37, служащие для получения опорных эталонных напряжений соответственно положительной и отрицательной полярности, Преобразователь 3 1 кода во временные интервалы (фиг, 2) содержит счетчики 38-40 импульсов, дешифраторы

41 и 42, одновибратор 43, триггеры

44-49, схемы И 50-54, схему ИЛИ 55, инвертор 56.

Нелинейный элемент 30 (фиг, 3) содержит согласованную пару биполярных транзисторов 57 н 58, включенную дифференциально, источник 59 тока, операционный усилитель 60, резисторы

61-64 и реализует нелинейную функцию преобразования в виде гиперболического тангенса.

Блок 32 памяти выполнен в виде оперативного запоминающего устройства

179 4 ление, последовательно включенный с с ним резистор 28 подается на вход интегратора 25. В результате интегратор 25 охвачен задержанной на такт импульсной обратной связью, а на его выходе формируется треугольный сигнал, постоянная составляющая которого равна нулю, амплитуда пропорциональна

E а длительность полупериода равна Т .

Выходной сигнал интегратора образует сигнал развертки на входе нелинейного элемента 30. В результате нелинейного функционального преобразования из треугольного сигнала формируется нелинейно-изменяющийся сигнал (фиг. 4 Е), воспроизводящий в первом приближении формируемое источником переменное напряжение (фиг.4 а).

При постоянстве Т„ установление выходного сигнала интегратора, а следовательно, и сигнала (фиг, 4 о) происходит практически за один его полупериод. Форма сигнала (фиг. 4 6), формируемого нелинейным элементом 30, путем суммирования с кусочно-линейным сигналом (фиг. 4 e) корректируется. При этом реализуется кусочнонелинейная аппроксимация формируемого

I источником переменного напряжения (фиг. 4 pc). Нелинейный элемент воспроизводит нелинейную составляющую аппроксимированного сигнала. Вместе с тем кусочно-линейный сигнал служит для стабилизации по отдельным участкам аппроксимации мгновенных значеНий формируемого источником напряжения.

Формирование кусочно-линейного сигнала коррекции происходит следующим образом.

Кодом-счетчика 34 импульсов с блока 32 памяти считываются коды N установки узловых ординат формируемого источником напряжения (фиг.4 ), а также коды Nyp установки длительности отдельных участков аппроксимации формируемого напряжения. Эти коды преобразуются блоком 31 в интервалы времени Т i=ToNii управления ключами 2,3, где i- номер участка кусочно-нелиней-— ной аппроксимацииформируемого напряжения, и интервалы времени Т = Т К между короткими по длительности импульсами управления ключами 6 (фиг,4е) и 13 (фиг. 4 ) соответственно ° Импульсы управления ключом 6 формируются в начале каждого, участка аппроксимации, импульсы управления ключом

13 — в конце ° При помощи ключей 2, 3 из эталонных напряжений +Е и -Е, з 1345 либо в виде электрически программируемого, либо репрограммируемого постоянного запоминающего устройства, в которые предварительно заносится набор кодов установки узловых ординат формируемого сигнала, а также длительностей отдельных участков проксимации. В случае использования постоянных запоминающих устройств (ПЗУ)

1G код управления, подаваемый на клемму

35 от внешнего источника управляющих сигналов, выбирает область памяти

ПЗУ, в которой записана форма сигнала. Цикличное считывание информации с

15 выбранной области памяти ПЗУ происходит кодом счетчика 34 тактов.

Генератор 33 опорной частоты выполнен с кварцевой стабилизацией частоты выходного сигнала.

Источник калиброванных напряжений

20 работает следующим образом.

Счетчик 34 подсчитывает импульсы тактов, формируемые преобразователем

3 1 кода во временные интервалы, и..вы- 2

25 ходным кодом последовательно опрашивает адреса ячеек памяти блока 32 па-.. мяти, Коды управления, записанные в блоке 32, последовательно считываются, поступают на первый вход преобразователя 31 кода во временные интервалы, на второй вход которого поступают импульсы опорной частоты с генератора 33 опррной частоты 33, и преобразуются в интервалы времени (в виде управляющих импульсов) управления З ключами 2,3,6, 13,21,22,23 и 27..

Импульсы управления ключами 22,23 длительности Т „ = Т p N задают полупериод формируемого источником переменного напряжения (фиг. 4с ), где Т вЂ” 40. период следования импульсов опорной частоты, N „ — код установки длительности полупериода формируемого напряжения. При помощи ключей 22, 23 из эталонных напряжений +Е положнтель- 45 о ной и -Е отрицательной полярносо тей, снимаемых с выходов источника 1 опорных напряжений, формируется двуполярный сигнал в виде меандра с длительностью полупериода, равной Т . 50

Этот сигнал через резистор 24 поступает на интегратор 25. В конце каждого интервала T выходное напряжение интегратора 25 под действием короткого по длительности импульса управ- 55 ления ключом 27 считывается, переписывается на запоминающий конденсатор 29 и через повторитель напряжения,имеющий большое входное сопротив1345179 снимаемых с выходов источника 1 опорн ых напряжений, формируется в виде импульсов эталонного напряжения длительности Т, Т N (фиг. 4 )

5 двухполярный широтно-модулированный опорный импульсный сигнал (опорный

ШИИ сигнал), задающий значения формируемого источником переменного напряжения (фиг. 4 м) в узлах аппроксимации. В конце каждого участка аппроксимации преобразователь 31 формирует импульсы управления ключом 21 длиTeaaHocTH T, = T N, rye N > которое постоянное число. При помощи ключа 21 берутся выборки сформированного на выходе источника переменного напряжения (фиг, 4 a) в узлах его аппроксимации, соответствующих точкам излома корректирующей кусочнолинейно кривой (фиг. 4 .ь).

Импульсы выборок (фиг. 4 Э ), формируемые ключом 21., выходного сигнала источника (фиг, 4 а) сравниваются но вольт-секундной площади с импульсами опорного ШИМ сигнала (фиг. 4 y), Сравнение происходит в процессе их интеГрирования на одном иэ интегрирующих конденсаторов 15, включенном в цепь обратной связи операционного 30 усилителя 5. При этом полярность опор. ного напряжения противоположна полярности импульсов выборок выходного напряжения источника. При формировании

1-го участка аппроксимации выходного сигнала источника в цепь обратной связи операционного усилителя 5 коммутатором .1 6 включается i-й интегрирующий конденсатор 15, а к входу повторителя 7 напряжения коммутатором 18 40 подключается i-й запоминающий конденсатор 17. Управление коммутаторами 17,18 осуществляется кодом счетчика 34 импульсов. Образованный на х-м конденсаторе 15 разностный сигнал в виде поправки суммируется с напряжением поправок, накопленным на интегрирующем конденсаторе за предыдущие циклы коррекции формируемого источником напряжения на з.-м участке его аппроксимации, и запоминается. Сигнал с поправкой в следующем цикле развертки формируемого источником напряжения (фиг. 4 ) с началом формирования i-го его участка под действи-, ем. короткого по длительности импульса управления ключом 6 (фиг. 4:е) считывается с i-го конденсатора 15, переписывается на подключенный к общей шине 1-й запоминающий конденсатор

17 и служит для формировайия в этом цикле откорректированного по значению

i-ro линейного участка сигнала коррекции (фиг. 4 у), Напряжение, запомненное на конденсаторах 17, при подключении их к общей шине последовательно периодически повторяющимся циклами считывается. При этом формируется кусочно-ступенчатый сигнал (фиг. 4 z), который через повторитель 7 напряжения, резистор 8 подается на вход интегратора 9, охваченного задержанной на такт интегрирования, равный длительности одной ступени, импульсной обратной связью. В конце каждого такта сформированный на выходе интегратора сигнал под действием короткого по длительности импульса управления ключом 13 (фиг.4 ) считывается, переписывается на запоминающий конденсатор 19 и через повторитель 12 напряжения, последовательно включенный с ним резистор 14 подается на вход интегратора 9. При постоянстве тактов интегрирования, 7x0 а также при 1 — --- (1, где С значение емкости интегратора 9; R— сопротивление резистора 14, интегратором из кусочно-ступенчатого сигнала (фиг. 4 ъ ) формируется кусочнолинейный сигнал. Кусочно-линейный сигнал инвертируется (фиг. 4 B) и суммируется с сигналом, формируемым нелинейным элементом 30 (фиг, 4 Б ), и обеспечивает тем самым коррекцию формы результирующего сигнала (фиг, 4 а), формируемого на выходе источника, а также установку его значений в узлах аппроксимации равными заданным.

Процесс .коррекции формируемого на выходе источника переменного напряжения носит инерционный характер и осуществляется независимо по каждому участку аппроксимации ° В установившемся режиме происходит уравновешивание вольт-секундных площадей импульсо з выборок (фиг. 4 д) выходного напряжения источника и импульсов (фиг, 4 y) опорного ШИМ сигнала, разностный сиг—

Нал поправок стремится к нулю, Таким образом, цепь стабилизации формируемого на выходе источника переменного напряжения |зыполнена линей-. ной, нелинейный элемент с нестабильной амплитудой передаточной характе1345179 ристикой из нее исключен. Это обеспечивает возможность оптимальной настройки по быстродействию системы стабилизации формируемого напряжения (ко1 эффициент петлевого усиления постоянен, не зависит от уровня стабилизации по мгновенным значениям формируемого напряжения и близок к единице) во всем диапазоне его мгновенных зна10 чений. Время отработки заданных узловых значений формируемого напряжения при этом минимально и составляет

3-4 периода при погрешности отработки порядка 0,01-0,02Х

Преобразователь 31 кода на времен15 ные интервалы (фиг. 2) работает следующим образом.

Импульсы опорной частоты с выхода генератора 33 опорной частоты поступают на счетные входы счетчиков 38

40 импульсов. На вход записи информации счетчика 38 подается код N xo yc тановки длительности отдельных участков аппроксимации формируемой кривой, 25 считываемый с блока 32 памяти, На вход записи информации счетчика 40 подаются коды N . установки и узлоZi вых ординат формируемой кривой, Счетчики 38,40 работают в режиме вычитания. Коды N „, и Nz,. в начале каждого участка аппроксимации записываются в счетчики 38,40. Запись кода

М „ в счетчик 40 происходит с задержкой на время формирования импульса управления ключом 6. Считывание ко- 35 дов происходит импульсами опорной частоты f, = 1/Т,, В момент перехода кода счетчика 38 в состояние N

2о где N zo — некоторое постоянное число, задающее длительность импульсов управ-40 ления ключом 21, срабатывает дешифратор 41 и устанавливает в состояние

"1".триггер 44. В момент перехода кода счетчика 38 в состояние N, где

N — некоторое постоянное число, за- 45 дающее длительность импульсов управления ключом 13, срабатывает дешифратор 42, устанавливающий в состояние

"1" триггер 45. В момент перехода ко да счетчика 38 в состояние "0", из 50 сигнала переноса, формируемого счетчиком, одновибратором 43 формируется импульс установки в состояние "0" триггеров 44, 45 и в состояние "1" триггера 46. Этот импульс определяет начало следующего участка аппроксимации и по входу управления предустановкой счетчика 38 разрешает запись в него кода N „, считанного с блока 32.

Передний фронт сигнала на прямом выхоце триггера 46 производит смену состо.

1. ния счетчика 34, формирующего код адреса следующей яч йки памяти блока 32. При установке триггера 46 в состояние " 1" на инверсном выходе триггера происходит снятие сигнала установки в состояние "Он счетчика

39, разрешающего при этом его работу.

С приходом N, = 2 " импульсов опорной частоты на счетный вход счетчика 39, где N, — постоянное число, задающее длительность импульсов управления ключом 6, причем NÄ = N

2 на выходе п-го разряда счетчика

39 формируется сигнал, сбрасывающий в состояние "0" триггер 46 и устанавливающий тем самым в состояние "0" счетчик 39. Одновременно сигнал с

n-ro разряда счетчика 39 разрешает запись в счетчик 40 кода М ;, считанного в начале i-ro участка с блока

32 памяти, и устанавливает в состояние "1" триггер 47, управляющий ключом 2, либо триггер 48, управляющий ключом 3, в зависимости от полярности формируемого в данный момент импульса опорного-напряжения. При положительной полярности импульсов опорного напряжения разрядом управления полярностью, считываемым с блока 32 памяти, открывается схемы И 51, разрешающая при этом прохождение импульса установки в состояние "1" триггера 47, При отрицательной полярности импульсов опорного напряжения разрядом управления полярностью через инвертор 56 открывается схема

И 52, разрешающая прохождение импульса установки в состояние "1" триггера 48. При описании импульсами опорной частоты числа N ., записанного

1 в счетчик 40, в момент перехода кода счетчика 40 в состояние "0" импульс с выхода переноса счетчика через схему ИЛИ 55 сбрасывает триггеры 47,48 в состояние "0", При этом длительность импульсов управления ключами

2 и 3 равна Т = То N ;. На выходах триггеров 44, 45 в конце каждого такта преобразования формируются импульсы длительности Т = Т И,, Т „ = о

Т И, управляющие соответственно о ключами 21,13, и в начале каждого такта на прямом выходе триггера 46 формируются импульсы длительности Т, =

= ToN, управляющие ключом 6. Длительность участков аппроксимации интервалами времени между передними фронта1345179

10 ми импульсов управления ключами 6 и

13 равна Т„= Т,Ихь °

Разрядом управления длительностью полупериода, который включает в себя определенное число участков аппроксимации, считываемым с блока памяти 32, открывается схема И 50. При этом из импульсов управления ключом 13 (фиг. 4 «) выбирается тот, который

i соответствует экстремальному значению формируемого напряжения (фиг. 4 а ).

Этот импульс управляет ключом 29 и через схемы И 53, 54 в зависимости от разрешающего сигнала на других их входах устанавливает в состояние "1" либо "0" триггер 49, формирующий при этом импульсы управления ключами 22, 23. При положительной полярности формируемого напряжения замыкается ключ

23, при отрицательной †. ключ 22.

Для нормального функционирования источника должно выполняться соотношение Т N „, ) Т (Nz„+ N ) . Если

N хо (N2 + N, To импульс управле ния предустановкой счетчика 38 через схему ИЛИ 55 сбрасывает триггеры 47, 48 в состояние "0".

На фиг. 3 представлен пример построения нелинейного элемента 30, передаточная характеристика которого

;имеет вид функции гиперболического тангенса.

Нелинейный элемент построен на согласованной паре биполярных транзисторов 57 и 58, включенных дифференциально. Передаточная характерис.тика нелинейного элемента описываетвьраже"ием Uz = I

:и выходное напряжения нелинейного элемента; IE — ток источника 59 тока, включенного в цепь эмиттеров транзисторов 57,58; R — сопротивление резисторов 61-64; UT — температурный потенциал, U = К.Т/1 ; К вЂ” постоянная Больцмана (К = 1,38 -10 ); Т абсолютная температура в грацусах

Кельвина; е, — заряд электрона (ео

1 6 10 Кл).

Предложенный источник обеспечивает кусочно-нелинейную аппроксимацию формируемого переменного напряжения, калиброванного при этом с высокой точностью в узлах аппроксимации.

Ф о р м у л а и з о б р,е т е н: и я

Источник калиброванных напряжений, содержащий источник опорных напряжений, первый и второй выходы которого соответственно через первый и второй ключи объединены и через первый резистор подключены к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подсоединен к общей шине, а выход через последовательно соединенные третий ключ, первый повторитель напряжения и вто10 рой резистор подключен к входу интегратора, второй повторитель напряжения, входом через четвертый ключ подключенный к выходу интегратора, а выходом через третий резистор — к вхо15 ду интегратора, N интегрирующих конденсаторов, одними из выводов соединенных вместе и подключенных к инвертирующему входу операционного усилителя, а другими выводами через первый коммутатор — к выходу операционного усилителя, N запоминающих конденсаторов, одними из выводов подключенных к входу первого повторителя напряжения, а другими выводами через

25 второй коммутатор — к общей шине (N+1)-й запоминающий конденсатор, включенный между входом второго повторителя напряжения и общей шиной, последовательно соединенные четвертый резистор и пятый ключ, включенные между инвертирующим входом операционного усилителя и выходной клеммой, нелинейный элемент, а также счетчик импульсов, вход которого

35 соединен с управляющим входом третьего ключа,а выход — с управляющими входами первого и второго коммутаторов и с первым входом блока памяти, второй вход которого соединен с клем40 мой для подключения источника управляющих сигналов, а выход — с первым входом преобразователя кода во временные интервалы, вторым входом подключенного к выходу генератора опор45 ной частоты, а первым, вторым, третьим, четвертым и пятым выходами — к управляющим входам первого, второго, третьего, четвертого и пятого ключей, отличающийся тем, 50 что, с целью уменьшения времени установления заданной формы выходного напряжения источника во всем диапазоне его мгновенных значений, в него введены сумматор, три дополнительных

55 ключа, (N+2)-й запоминающий конденсатор, пятый и шестой резисторы, а также второй интегратор и третий повторитель напряжения, причем первый н второй дополнительные ключи первыми

1345179

12 выводами подключены к выходам источника опорного напряжения, другими выводами соединены вместе и через пятый резистор подключены к входу второго интегратора, выходом через третий дополнительный ключ подключенного к входу третьего повторителя напряжения, выход третьего повторителя напряжения через шестой резистор под10 ключен к входу второго интегратора, (0+2)-й запоминающий конденсатор включен между входом второго повторителя напряжения и общей шиной, нелинейный элемент включен между выходом второго интегратора и. первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого интегратора, а выход — к выходной клемме, управляющие входы первого, второго и третьего дополнительных ключей подключены к дополнительно введенным шестому, седьмому и восьмому выходам преобразователя кода во вре- менные интервалы.

1345179 кЮ

1345179

Составитель С. Чернышева

Техред М. Дидык Корректор С. Черни

Редактор М. Келемеш

Заказ 4921 Подписное

/47 Тираж 863

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11 3035, Москва, Ж-35, Раушская наб;, д,- 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4