Преобразователь ток-частота с импульсной обратной связью

 

Изобретение относится к импульсной технике, может быть использовано в качестве прецизионного преобразователя ток-частота в автоматических системах управления и устройствах обработки аналоговой информации и является усовершенствованием устройства по а.с. N 1451863. Цель - повышение точности преобразования в области малых токов путем уменьшения частоты переключения ключей формирователя нормированных импульсов обратной связи. 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 усилителя-сумматора 7 подключены к выводам интегратора 2, а выходы - к входам второго компаратора 12, выход которого подключен к D-входу второго триггера. Прямой 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 уравновешивается импульсами эталонного тока противоположной полярности и обеспечивает нулевую выходную частоту при нулевом входном токе. Выходное напряжение интегратора всегда симметрично около нуля и не содержит постоянной составляющей. 3 ил.

СОЕЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) ) i:с1)5 Н 03 М 1/60 :1Ьф "

ГОСУДАРСТВБННЬ)Й НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61) 1451863 (2!) 4267961/24-24 .(22) 24,06,87 (46) 23.04.90. Бюл. N 15 (72) В.С. 11алов (53) 681.325(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1451863, кл. Н 03 К 1/60, 1986. ! (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОК вЂ” ЧАСТОТА С

ИШУЛЬСНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ (57) Изобретение относится к импульсной технике, может быть использовано в качестве прецизионного преобразователя ток — частота в ав=оматических системах управления и устройствах обработки аналоговой информации и является усовершенствованием устройства по авт.св. 1." 1451863, Цель- — повышение точности преобразования в области малых токов путем уменьшения частоты .переключения ключей формирователя нормированных импульсов обратной связи.

Устройство содержит источник входного тока, интегратор, первый интегрирую- щий усилитель-сумматор. первый компаратар, генератор так говых импульсов, первый триггер, мостовой коммутатор из четырех ключей, источник эталонного тока, первый и второй элементы Н.

В устройство вновь введены второ i интегрирующий усилитель-сумматор 7, второй кампаратор 12 и второй триггер 15.

При этом входы второго интегриру:ащего усилителя-сумматора 7 подключены к выводам интегратора 2, а выходы — к входам второго компаратора» 12, выход которого падключен к D-вхсду второго

-,риггера. Прямой и инв»эрсный выходы второго триггера подключены к входам мостагога коммутатор" и -вхддам элементов И соответственно, а С-вход вто- рого триггера подключен к выходу гене- @ ратора тактовых импульсов. В преобразователе входной ток уравнсвешивается импульсами эталонного тока противоположной полярности и обеспечивает нулевую выходную частоту при нулевом входном токе. Выходное напряжение интегратора всегда симметрично около нуля и не содержит постоянной составляющей. 3 ил.

1559407

Изобретение относится к импульсной технике, может быть использовано в автоматических системах управления и обработки аналоговой информации и яв5 ляется усовершенствованием изобретения по авт.св. N - 1451863.

Цель изобретения — повышение точности преобразования.

На фиг, 1 представлена функцнональ-10 ная схема преобразователя; на фиг. 2 и 3 — временные диаграммы его работы.

Преобразователь содержит источ-. ник 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, мос- 25 товой коммутатор, состоящий 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 представляет собой формирователь нормированньгх импульсов обратной связи. Первый 21 и второй 22 элементы образуют блок формирования выходных импульсов преобразователя.

На временных диаграммах (фиг. 2 и 31 2а, 3a — импульсы тактовой частоты генератора 13 f ; 2б, 2е, 2л, .Зб, Зл — эпюры пилообразного напряжения U интегратора 2; 2в, 2ж, 2з, 2р, 2с, Зж, Зз, Зр, Зс — импульсы на прямых выходах первого UT» и второго

U,,триггеров; 2г, 2и, 2т; Зи, Зт— выходные импульсы на первом живых, выходе преобразователя„ 2д, 2к, 2у, Зк, Зу — выходные импульсы на втором f<„,<< выходе преобразователя; 2м, Зв, Зм " эпюры пилообразного напряжения 11,на выходе первого интегрирующего усилителя-сумматора 3 (на входах первого компаратора 11 между его инвертирующим и неинвертирующим входами); 2о, Зд, Зо - эпюры пилообразного напря55 жения 0 на выходе второго интегрирующего усилителя-сумматора 7 (на входах второго компаратора 12 между его инвертирующим и неинвертирующим входами); 2н, Зг, Зн — импульсы U ä на выходе первого компаратора 11; 2п, Зе, Зп — импульсы U на выходе второго

КПд компаратора 12.

На фиг.. 2 временные диаграммы 2а, 2б, 2в, 2r, 2д раскрывают процесс преобразования положительного входного тока величиной I „ = +1/9 Х для известного преобразователя ток-частота и предлагаемого в момент времени после его включения; временные диаграммы 2е, 2ж, 2з, 2и„ 2к - процесс преобразования входного тока Х „= +1/9 I для предлагаемого преобразователя в момент времени после некоторого заряда конденсаторов 5 и 9; временные диаграммы 2л — 2у — последовательно процесс преобразования тока I „

= +1/9 ° T. после полного заряда конденсаторов 5 и 9; временные диаграммы Зб — Зк — последовательно процесс преобразования положительного входного тока Iex= +6/7 I- а диаграммы

Зл — 3y — отрицательного входного то вх = -6/7 Хр .

Ключи 16-19 мостового коммутатора включаются при появлении на соответствующем управляющем входе сигнала

"Лог. "0", а выключаются сигналом

"Лог. "1", Первый элемент И 21 фикси-. рует моменты времени, когда оказываются включенными ключи 16 и 18 и формирователь нормированных импульсов обратной связи выдает импульсы эталонного тока отрицательной полярности.

Этот режим соответствует положительно" му входному току {эпюры Зб-Зк) . Второй элемент И 22 фиксирует моменты времени, когда оказываются включенными ключи 17 и 19, также ключи 16 и 18 и формирователь нормированных импульсов обратной связи выдает импульсы б эталонного тока положительной полярности. Этот режим соответствует отрицательному входному току (эпюры Зл3y). Выходные импульсы преобразователя являются частью импульсов тактовой частоты генератора 13.

Ключи 16-19 мостового коммутатора управляются с прямых и инверсных выходов двух триггеров 14 и 15 поэтому в общем формирователь импульсов обратной связи может иметь четыре состоя" ния. При совпадении. состояний тригге-. ров 14 и l5 оказываются включенными диагональные ключи 16.и 18 или 17 и

19, в этом случае ток эталонного ис5 15 точника 20 появляется на, выходе формирователя и затекает в интегратор 2 °

При любом несовпадении состояний триг геров 14 и 15 оказываются включенными ключи 16 и 19 или 17 и 18, при этом ток эталонного источника 20 оказывается замкнутым внутри формирователя.

Этот режим соответствует нулевому выходному току формирователя, при этом интегратор 2 заряжается только входным током источника l.

Преобразование входного тока в вы-. ходную частоту основано на принципе сравнения и уравновешивания зарядов интегратора 2 от входного тока и токовых импульсов обратной связи формирователя, 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 состояний всегда кратна целому числу периодов тактовой частоты. Преобразователь образует следящую систему с замкнутой петлей импульсной отрицательной обратной связи, работающей на принципе дельта-сигма модулятора. В замкнутой системе происходят автоколебания с частотой, кратной тактовой генератора 13.

Преобразователь работает следую1 щим образом.

В исходном состоянии напряжение на выводах конденсаторов 2, 5 и 9 равно нулю. При подаче положительного входного тока на выводах интегратора 2 возникают колебания пилообразного напряжения, например для входного тока

= +1/9 I,, (фиг. 2б ) . .Постоянные времени интегрирующих усилителеи-сумматоров 3 и 7, равные = R< ° С и

/\

P = КзС1,, где R<, R<, С, С> соответственно номиналы резисторов 4 и 8 и конденсаторов 5 и 9, выбираются, например, иэ условий с )>10 Тт и я 10 Т, где Т вЂ” период тактовой частоты генератора 13. В первый момент времени после включения питания напряжения на конденсаторах 5 и 9 близки к нулю, а выходные напряжения интегрирующих усилителей-сумматоров 3 и 7 равны напряжению на выходах интегратора 2. В этом случае компараторы 11 и 12 и триггеры 14 и 15 работают синхронно. Положительный входной ток уравновешивается чередующимися .один за другим импульсами обратной

59407, 6 связи двух полярностеи, причем число с .рицательных импульсов превышает число положительных импульсов обратной связи. Величина входного тока определяется разностью числа импульсов по двум выходам преобразователя (фиг. 2в, г, д}. Среднее значение пилообразного напряжения интегратора зависит от величины и полярности входного тока и определяется выражением U, ср т. макс

x —, а полный размах U — пилообразного напряжения равен

10

Тэт Тт

1 где I „ - входной ток источника 1;

I» эталонный ток источника 20;

20 С вЂ” номинал конденсатора 2, Под воздействием напряжения интегратора 2 осуществляется накопление заряда на конденсаторах S и 9 интегрирующих усилителей-сумматоров 3 и 7.

Накопленные напряжения на их выводах выполняют роль управляемых источников порогового напряжения для первого 11 .и второго 12 компараторов. Для положительного входного тока наблюда-

I ется накопление положительного напряжения на выводах конденсатора 9 (между выходом усилителя 10 и его инвертирующим входом). Это приводит к смещению моментов срабатывания второго компаратора 12 и второго триггера 15 так, что синхронность работы триггеров 14 и 15 нарушается. Появляются моменты времени, когда включены ключи 17 и 18 и выключены ключи 16 и

19(фиг. 2е-2к), т.е. формирователь импульсов обратной связи приобретает третье состояние паузы или нулевого выходного тока. При полном заряде конденсаторов 5 и 9 выходное напряжение

5 интегрирующего усилителя-сумматора 3 биполярное (эпюра 2м), а интегрирующего усилителя-сумматора 7 униполярное (эпюра 2о). При этом второй компаратор 12, второй триггер 15 стано0 вятся в устойчивое состояние "Лог.

"0", ключ 18 постоянно включен, а ключ 19 выключен (эпюры 2п, 2с). Положительный входной ток уравновешивается только отрицательными импульсами обратной связи, которые подключаются

5S через цепь обратной связи из первого интегрирующего усилителя-сумматора 3, первого компаратора 1.1, первого,триггера 14 и ключей 16 и 17. Выходные им155940? пульсы преобразователя присутствуют только на его первом выходе. Среднее значение входного тока за много периодов тактовой частоты с высокой точностью равно среднему значейию нормированных импульсов эталонного тока.

Уравновешивание входного тока импульсами обратной связи только одной полярности является следствием работы цепи обратной связи через интегрирующие усилители-сумматоры 3 и 7, работающей в направлении уменьшения размаха пилообразного напряжения интегратора 2. При полном уравновешивании размах напряжения интегратора уменьшается в два раза и достигает величины макс I, T,U = †††. Для псложительного входС ного тока первый интегрирующий усили- 20 тель-сумматор 3 следит за. средним значением напряжения интегратора и путем накопления напряжения смещения на выходах конденсатора 5 и коррекции моментов срабатывания первого компаратора 11 сводит его к нулю (эпюру

2л), Благодаря этому пилообразное напряжение интегратора всегда симметрично около нуля.

Первый 3 и второй 7 интегрирующий 30 усилители -сумматоры имеют передаточные характеристики

W(p) = 1+

1 рСй где С вЂ” номиналы конденсаторов 5 и 9;

R " "номиналы резисторов 4 и 8, т.е. их выходные напряжения равны ь У. с БС

Работа компаратора по сумме капря- 40 жения интегратора и напряжения, пропорционального интегралу от напряжения интегратора, позволяет непрерывно чувствовать среднее значение напряжения интегратора и автоматически 45 сводить к кулю во всем диапазоне входных токов -Х (I „(+Х.. В контуре обратной связй осуществляется пропорционально-интегрирующее регулирование. Такое построение обеспечивает 50 более высокую точность уравновешивания зарядов интегратора от входного тока и нормированных импульсов обратной связи.

При подаче отрицательного входного 55 тока цепь обратной связи замыкается через второй .интегрирующий усилитель.сумматор 7, второй компаратор 12, в второй триггер 15 и ключи 18 и.19.

Наблюдается накопление отрицательного напряжения на выводах конденсатора 5 (между.инвертирующим входом и выходом усилителя 6). Первый компаратор 11, первый триггер 14 становятся в устойчивое состояние "Лог. "!" ключ 16 постоянно выключен, а ключ 17 включен.

Отрицательный входной ток уравновешивается только положительными им" пульсами обратной связи. Выходные импульсы преобразователя присутствуют только на его втором выходе.

Частота выходных импульсов преобразователя с выходов элементов 21 и

22, т,.е ° среднее число импульсов за единицу времени, определяется выраж ением зьiх" Твк T/1 ý s где f — тактовая частота генератора 13.

Получена структурная схема с симметричным расположением узлов и элементов 3, 11 14, 16, 17, 21 и 7, 12, 15, 18, 19, 22 с другой стороны, поэтому их разделение на первый и второй элементы является условным. Например, для положительного входного тока возможна ситуация, когда цепь обратной связи замкнута через второй интегрирующий усилитель-сумматор 7, второй компаратор 12, второй триггер и ключи 18 и 19. При этом в устой чивое состояние становятся первый интегрирующий усилитель-сумматор 3, первый компаратор 11, первый триггер 14, ключи !6 и 17, т.е. первая и вторая цепи обратной связи меняются ролями, однако это не приводит к искажению выходной информации с выходов элементов И 21 и 22.

В преобразователе повышение точности преобразования в области маФ лых токов достигается благодаря уменьшению частоты переключения ключей формирователя импульсов обратной связи. При нулевом входном токе отсутст" вует заряд интегратора под его воздействием и, следовательно, разряд интегратора импульсом эталонного тока, частота переключения ключей формирователя и выходная частота преобразователя равны нулю.

Формула изобретения

Преобразователь ток-частота с импульсной обратной связью по авт.св.

1559407

Р 1451863, о т л и ч а кт шийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены второй интегрирующий усилитель-сумматор, второй компаратор и второй D-триггер, при этом первый и второй входы второго интегрирующего усилителя-сумматора подключены к соответствующим выводам конденсатора, а выход — к неинтегрирующему входу второго компаратора, D-вход второго D-триггера подключен к выходу второго компаратора, Свход - к выходу генератора тактовых импульсов, прямой выход — к первому дополнительному управляющему входу мостового коммутатора и третьему входу первого элемента И, а инверсный выход — к второму дополнительному управляющему входу мостового коммутатора и третьему входу второго элемента

И, инвертирующий вход второго компаратора обьединен с вторым входом вто10 рого интегрирующего усилителя-сумматора, а инверсный выход первого Dтриггера соединен с третьим дополнительным управляющим входом мостового коммутатора.

1559407

М7

Д и 12 1ОПОШШДЮДЯ \ППОДОЮПОД1 (-, /

ыалшшлп оллаш л

ФиГ. д

Ъ

Составитель В. Иахнанов

Техред А,Кравчук Корректор Н.Король

Редактор И. Шулла

Заказ 841 Тираж 663 Подписное

ВКИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Цатент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101