Преобразователь код - ток

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. Устройство содержит источник положительного опорного напряжения 1, источник отрицательного опорного напряжения 1', питающий источник постоянного положительного напряжения 2, питающий источник постоянного отрицательного напряжения 2', N однотипных разрядных генераторов стабилизированных токов положительной полярности 3 и N однотипных разрядных генераторов стабилизированных токов отрицательной полярности 3', подключенные к общей нагрузке 4, 2 N двухпозиционных аналоговых ключей 5 и 5', 2 N входных задающих подстроечных резисторов 6, 6', 2 N элементов логического умножения И - НЕ 7, 7', R - S-триггер 8. Благодаря такой конструкции обеспечивается повышение точности преобразования в широком диапазоне разрядных токов, расширение динамического диапазона и функциональных возможностей устройства, а также повышение экономичности. Преобразователь код - ток может быть использован в измерительной технике в качестве программируемого источника стабилизированного тока. 1 ил.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в качестве программируемого источника стабилизированного тока.

Известны преобразователи код-ток, в которых проводится первоначальное преобразование цифрового кода в напряжение с помощью преобразователя код-напряжение с последующим преобразованием напряжения в ток преобразователем напряжение-ток, собранного на операционных усилителях [1] . В подобных преобразователях для получения больших выходных токов в качестве задающего выбирается резистор с малым сопротивлением, что приводит к значительному снижению стабильности в малых выходных токах.

Известен также преобразователь код-ток [2] , в котором заданный ток создается путем суммирования разрядных токов, образуемых при подключении к стабилизатору напряжения разрядных токозадающих "двоично-взвешенных" резисторов.

Недостатком данного устройства являются большие погрешности преобразования, связанные с наличием остаточных напряжений на открытых транзисторных ключах, с помощью которых подключаются задающие резисторы. Другим недостатком является ограниченный диапазон преобразования код-ток, обусловленный несовместимостью требований к параметрам транзисторов регулирующего элемента стабилизатора напряжения в диапазонах больших и малых токов.

Наиболее близким к заявленному объекту по технической сущности является преобразователь код-ток. В известном преобразователе, заданный ток создается путем суммирования разрядных токов, созданных разрядными генераторами стабилизированного тока (РГСТ), выходы которых через развязывающие диоды подключены к общей нагрузке, а входы через управляемые кодом двухпозиционные беcконтактные аналоговые ключи соединены с источником положительного опорного напряжения и с источником отрицательного напряжения смещения. Величина тока в каждом РГСТ задается при помощи задающих резисторов, сопротивления которых "взвешены" по двоичному или двоично-десятичному закону.

Недостатком данного устройства является недостаточно высокая точность преобразования, связанная с остаточным падением напряжения на открытых аналоговых ключах и разбросом параметров регулируемых транзисторов (неточность особо увеличивается в случае включения составных транзисторов для разрядов с большими токами). Другим недостатком является наличие в схеме развязывающих диодов и для их надежного запирания в случае выключения соответствующего РГСТ - источника смещения отрицательного напряжения, которые снижают экономичность устройства из-за лишних потерь мощности на диодах. Кроме того, из-за падения напряжения на диодах на 1-1,5 В сужается динамический диапазон выходного напряжения устройства на N(1-1,5) В, где N - количество включенных РГСТ. Исключение развязывающих диодов из схемы не приводит к взаимному влиянию друг на друга РГСТ, так как изменение потенциала на нагрузке (в связи с включением или выключением очередного РГСТ приводит через обратную связь к регулировке напряжения эмиттера транзисторов, таким образом поддерживаются заданные токи на выходах РГСТ (т. е. изменение потенциала на нагрузке не приводит к изменению заданных токов РГСТ.

Кроме того, вышеперечисленные устройства позволяют преобразовывать код в ток только одной (положительной) полярности. Однако во многих измерительных системах для проведения различных физических исследований необходимо в процессе проведения эксперимента менять направление тока в нагрузке (например, нагрузки, в которых создаются магнитные поля и др. ) импульсно или непрерывно, проходя через нуль с одной полярности на другую.

Целью изобретения является повышение точности преобразования, расширение динамического диапазона в большом диапазоне выходных токов, расширение функциональных возможностей преобразователя, а также повышение его экономичности. При этом не ухудшается степень стабильности тока в нагрузке по сравнению с прототипом.

Цель достигается тем, что преобразователь код-ток содержит преобразователь код-ток положительной полярности, в который входят источник положительного опорного напряжения, питающий источник постоянного положительного напряжения, разрядные генераторы стабилизированных токов положительной полярности, двухпозиционные аналоговые ключи, выходы которых подключены к первым входам разрядных генераторов стабилизированных токов положительной полярности, вторые входы которых соединены с питающим источником постоянного положительного напряжения, а выходы подключены к общей нагрузке, входные подстроечные задающие резисторы, одни концы которых соединены с источником положительного опорного напряжения, другие - с шиной "Земля", а средние точки соединены с первыми входами двухпозиционных аналоговых ключей, вторые входы которых соединены с шиной "Земля", двухвходовые элементы логического умножения И-НЕ, выходы которых соединены с управляющими входами двухпозиционных аналоговых ключей, а одни из входов - с шиной входного преобразующего кода. Кроме того, преобразователь код-ток содержит преобразователь код-ток отрицательной полярности, выполненный аналогично преобразователю код-ток положительной полярности, и триггер, выходы которого соединены со вторыми входами элементов логического умножения И-НЕ, относящимися соответственно к преобразователям положительной и отрицательной полярности, а входы подключены к шине входного кода.

В результате проведенного поиска не обнаружено технических решений, содержащих отличительные признаки изобретения, следовательно, техническое решение удовлетворяет критерию "существенные отличия".

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя.

Устройство содержит источник положительного опорного напряжения 1, источник отрицательного опорного напряжения 1', питающий источник постоянного положительного напряжения 2, питающий источник постоянного отрицательного напряжения 2', N однотипных разрядных генераторов стабилизированного тока (РГСТ) 3 положительной полярности и N однотипных РГСТ 3' отрицательной полярности, подключенных к общей нагрузке 4. 2N двухпозиционных аналоговых ключей (желательно с изолированным затвором) 5, 5'. 2N входных задающих подстроечных резисторов 6 и 6'. 2N двухвходовых элементов логического умножения И-НЕ 7, 7', R-S- триггер 8. РГСТ 3, 3' состоят из операционного усилителя 9, 9', транзисторного регулирующего элемента 10, 10', вычитателя-усилителя 11, 11' и эталонного сопротивления обратной связи 12, 12'. Значения сопротивления 12, 12' выбираются по закону R ≈ 1/I, где I - ток, заданный на выходах соответственных РГСТ 3, 3'. Преобразуемый в ток двоичный или двоично-десятичный код подается через шину входного кода параллельно на один из входов 13, 13' двухвходовых элементов логического умножения И-НЕ 7, 7', вторые входы которых соединены с выходами R-S-триггера 8, а выходы подключены к управляющим входам двухпозиционных аналоговых ключей 5, 5'. Токи в РГСТ 3, 3' задаются при помощи входных задающих подстроечных резисторов 6, 6' по закону | I | ≈ 2ⁿ (n = 0, 1, 2, . . . , N) в случае преобразования двоичного или двоично-десятичного кода. В случае преобразования любого другого цифрового кода в ток закон задания тока может быть другой в зависимости от вида преобразуемого кода.

Источники положительного и отрицательного опорного напряжения 1, 1' подключены к одному из входов двухпозиционных аналоговых ключей 5, 5' через среднюю точку входного задающего подстроечного резистора 6, 6', второй конец которого соединен с шиной "Земля", вторые входы аналоговых ключей 5, 5' соединены также с шиной "Земля".

Устройство работает следующим образом. При подаче на S вход R-S-триггера 8 импульса "положительный" на его неинвертирующем выходе появляется логическая единица, которая дает возможность логическому элементу умножения И-НЕ 7 соединить управляющие входы двухпозиционных аналоговых ключей 5 с шинами входного кода, а сигнал логический нуль на инвертирующем выходе R-S-триггера 8 закрывает элементы логического умножения И-НЕ 7, отключает управляющие входы двухпозиционных аналоговых ключей 5 от шины входного кода, а первые входы РГСТ 3 соединяет с шиной "Земля".

Таким образом, к нагрузке подсоединяется только часть преобразователя, создающего через нагрузку ток положительной полярности. В таком режиме работы, если на входе 13 элемента (7i) (i = 1, 2, . . . , N) логическая единица, неинвертирующий вход операционного усилителя (9i) i-го РГСТ 3 подключается через входной задающий подстроечный резистор (6i) к выходу источника положительного опорного напряжения 1. В результате на выходе операционного усилителя 9i появляется положительное напряжение, которое открывает регулирующий транзистор 10i и по цепи источник положительного постоянного питающего напряжения 2 - регулирующий транзистор 10i - эталонный резистор обратной связи 12i - нагрузка 4 - шина "Земля" начинает течь ток, который возрастает до тех пор, пока сигнал на выходе вычитателя-усилителя 11i, усиливающего падение напряжения на эталонном резисторе обратной связи 12i не сравнится (с точностью до очень малого сигнала рассогласования) с напряжением на неинвертирующем входе операционного усилителя 9i. После этого через нагрузку течет разрядный постоянный ток положительной полярности, не зависящий от величины сопротивления нагрузки 4. Если на вход 13i подается логический "нуль", то неинвертирующий вход операционного усилителя 9i подключается к земле, в результате чего на выходе операционного усилителя 9i устанавливается нулевое напряжение, которое надежно закрывает регулирующий транзистор 10i и отключает соответствующий РГСТ 3i от нагрузки 4. Входным задающим подстроечным резистором 6i независимо от падения напряжения на открытом ключе 5i и параметров регулирующих транзисторов 10i, а также от точности значения величин эталонных резисторов обратной связи 12i устанавливается с большой точностью заданный ток на выходе соответствующего РГСТ 3. Каждый из РГСТ 3, находящихся во включенном состоянии, создает через нагрузку 4 разрядный ток положительной полярности высокой стабильности и точности, не зависящий от состояния остальных РГСТ 3. В случае поступления на R-вход R-S-триггера 8 импульса "отрицательный" на его неинвертирующем выходе устанавливается логический нуль, который отключает управляющие входы двухпозиционных аналоговых ключей 5 от шины входного кода и входы всех РГСТ 3 соединяет с шиной "Земля", тем самым отключается от нагрузки 4 часть преобразователя, создающая ток положительной полярности, а сигнал логической единицы на инвертирующем выходе R-S-триггера 8 разрешает соединение управляющих входов двухпозиционных аналоговых ключей 5' с шиной входного кода, т. е. соединяется с нагрузкой часть схемы, создающая ток отрицательной полярности. Таким образом, при подаче на входы 13'i логической единицы, неинвертирующий вход операционного усилителя (9'i) i-го РГСТ 3' подключается через входной задающий подстроечный резистор 6'i к выходу источника отрицательного опорного напряжения 1. В результате на выходе операционного усилителя 9'i появляется отрицательное напряжение, которое открывает регулирующий транзистор 10'i и по цепи шина "Земля" - нагрузка 4 - эталонное сопротивление обратной связи 12'i - регулирующий транзистор 10'i - источник питания постоянного отрицательного напряжения 2' течет ток отрицательной полярности, который по абсолютной величине возрастает до тех пор, пока сигнал на выходе вычитателя-усилителя 11'i, усиливающего падения напряжения на эталонном резисторе обратной связи 12'i, не сравнится (с точностью до очень малого сигнала рассогласования) с напряжением на неинвертирующем входе операционного усилителя 9'i. После этого через нагрузку 4 течет разрядный постоянный ток отрицательной полярности, не зависящий от величины сопротивления нагрузки 4. Если же на входе 13'i подается логический нуль, то на неинвертирующем входе операционного усилителя 9'i устанавливается нулевое напряжение, которое надежно закрывает регулирующий транзистор 10'i и отключает соответствующий РГСТ 3'i от нагрузки 4. Входным задающим подстроечным резистором 6'i независимо от падения напряжения на открытом ключе 5'i и параметров регулирующих транзисторов 10'i, а также от точности значений величины эталонных резисторов обратной связи 12'i устанавливается с большой точностью заданный разрядный ток отрицательной полярности на выходе соответствующего РГСТ 3'. Каждый из РГСТ 3'i, находящийся во включенном состоянии, создает через нагрузку 4 разрядный ток отрицательной полярности высокой стабильности и точности, не зависящий от состояния остальных РГСТ 3' и величин нагрузки.

Таким образом, описанные конструкции и принцип работы позволяют подключением необходимого количества РГСТ 3, 3' создать преобразователь код-ток положительной и отрицательной полярности с большим динамическим диапазоном преобразования, который обеспечивает высокую точность и стабильность выходных токов во всем диапазоне независимо от полярности выходного тока и величины нагрузки. Импульсы "положительно", "отрицательно" поступают с шины входного преобразуемого кода. В описанном устройстве появляется возможность при помощи входных задающих подстроечных резисторов независимо от точности и согласованности параметров двухпозиционных аналоговых ключей и регулирующих транзисторов с большой точностью нужным законом задавать токи в РГСТ, а также преобразовывать в ток положительной и отрицательной полярности не только двоичные или двоично-десятичные коды, а любой цифровой код, что расширяет функциональные возможности устройства.

Кроме того, описанный преобразователь код-ток более экономичен по сравнению с прототипом в связи с отсутствием в схеме 2N развязывающих диодов и для их надежного запирания в случае отключения от нагрузки соответствующего РГСТ двух дополнительных источников смещения отрицательной и положительной полярности. (56) Электроника N 6, 1979, с. 67.

Авторское свидетельство СССР N 972657, кл. H 03 M 1/66, 1980.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОД - ТОК, содержащий первый источник питающего напряжения, выход которого соединен с первыми входами с первого по n-й, где n - разрядность входного кода, разрядных генераторов стабилизированных токов, вторые входы которых соединены с выходами соответствующих двухпозиционных аналоговых ключей, элемент нагрузки, первый вывод которого является шиной нулевого потенциала, первый и второй источники опорного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, расширения динамического диапазона за счет возможности формирования биполярного выходного напряжения и повышения экономичности, в преобразователь введены второй источник питающего напряжения n-разрядных генераторов стабилизированных токов, n двухпозиционных аналоговых ключей, триггер, 2n элементов И - НЕ и 2n регулирующих элементов, каждый из которых выполнен на потенциометре, первые выводы которых являются шиной нулевого потенциала, вторые выводы с первого по n-й объединены и подключены к выходу первого источника опорного напряжения, а третьи выводы соединены с первыми информационными входами соответствующих двухпозиционных аналоговых ключей, вторые информационные входы которых и первые информационные входы с n + 1 по 2n-й двухпозиционных аналоговых ключей являются шиной нулевого потенциала, управляющие входы с первого по 2n-й двухпозиционных аналоговых ключей соединены с выходами соответствующих элементов И - НЕ, первые входы которых являются входной шиной, вторые входы с первого по n-й элемент И - НЕ объединены и подключены к прямому выходу триггера, инверсный выход которого соединен с вторыми входами с (n + 1)-го по 2n-й элементов И - НЕ, а входы установки в "0" и "1" являются шиной знака, при этом вторые выводы с (n + 1)-го по 2n-й потенциометров подключены к выходу второго источника опорного напряжения, а третьи выводы соединены с вторыми информационными входами соответствующих двухпозиционных аналоговых ключей, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих разрядных генераторов стабилизированных токов, вторые входы которых подключены к выходу второго источника питающего напряжения, а выходы объединены с выходами с первого по n-й разрядных генераторов стабилизированных токов и соединены с вторым выводом элемента нагрузки.

РИСУНКИ

Рисунок 1