Преобразователь напряжения в частоту

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к преобразователям напряжения в частоту, и может быть использовано в аналого-цифровых преобразователях. Целью предлагаемого изобретения является повышение стабильности преобразования в широком диапазоне температур. Сущность изобретения заключается в том, что формируется опорное эталонное напряжение, изменяемое с помощью терморезистора, в зависимости от температуры окружающей среды, так, что компенсируется изменение сопротивления цепи обратной связи, обусловленное изменением сопротивления коммутирующего ключа. Преобразователь содержит источник 1 опорного напряжения, термокомпенсирующую цепь на терморезисторе 2 и шунте 3, два инвертора 4 и 5, ключи 6 и 7, интегратор 8, пороговые устройства 9 и 10, D-триггеры 12 и 13, тактовый генератор 11. 2 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к преобразователям напряжения в частоту, и может быть использовано в аналого-цифровых преобразователях.

Известен преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ) следования импульсов, выполненный по принципу периодического интегрирования с импульсной обратной связью.

Недостатком преобразователя является значительная нестабильность коэффициента передачи от температуры.

Из известных преобразователей наиболее близким (прототипом) к предлагаемому изобретению по технической сущности является преобразователь напряжения в частоту следования импульсов, содержащий интегратор, источники опорного напряжения на положительную и отрицательную полярность, задающий генератор, электронный коммутатор (два ключа), пороговое устройство, два D-триггера, две схемы совпадения [1] .

С помощью известного устройства трудно обеспечивать высокую стабильность коэффициента передачи ПНЧ в широком диапазоне температур (-60)-(+ 80)^oC из-за значительного изменения сопротивления отрытого ключа, коммутирующего опорное эталонное напряжение через сопротивление обратной связи.

Целью изобретения является повышение стабильности преобразования, а именно повышение стабильности коэффициента передачи ПНЧ.

Цель достигается тем, что в известный преобразователь напряжения в частоту следования импульсов, содержащий интегратор, тактовый генератор, два D-триггера, пороговое устройство, два ключа, источник опорного напряжения, дополнительно введены второе пороговое устройство, два инвертора, терморезистор с резистивным шунтом.

На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема преобразователя напряжения в частоту; на фиг. 2 - временные диаграммы работы преобразователя.

Преобразователь содержит источник опорного напряжения 1, выход которого через параллельное соединение терморезистора 2 и резистивного шунта 3 подключен к входу первого инвертора 4, выход которого подключен к входу второго инвертора 5, выход первого инвертора 4 соединен с первым входом второго ключа 7, выход которого подключен к третьему входу интегратора 8, выход второго инвертора 5 подключен к первому входу первого ключа 6, выход которого подключен к второму входу интегратора 8, первый вход интегратора является измерительным, т. е. входом преобразователя, выход интегратора 8 подключен к входам первого 9 и второго 10 пороговых устройств, выход первого порогового устройства 8 соединен с D-входом первого D-триггера 12, выход второго порогового устройства 10 соединен с D-входом второго D-триггера 13, счетные входы D-триггеров подключены к выходу тактового генератора 11, выход первого D-триггера 12 соединен со вторым входом второго ключа 7 и является первым выходом преобразователя, выход второго D-триггера 13 соединен со вторым входом первого ключа 6 и является вторым выходом преобразователя.

Преобразователь работает следующим образом.

Пусть входное напряжение U_вх = 0 и начальное напряжение на выходе интегратора 8 U_c = 0. При этом преобразователь будет выдавать частоту, пропорциональную нулевому сигналу операционного усилителя (O. У) интегратора 8. Нулевой сигнал 0. У будет вызывать заряд конденсатора и по достижении порогового значения (+ U_пор, фиг. 2) первое пороговое устройство 9 сработает и выдаст управляющий сигнал на D-вход триггера 12, при поступлении следующего тактового импульса частоты f_т на cчетный вход триггера сработает триггер и открывает на время периода тактовой частоты ключ 7, который подключают к третьему входу интегратора 8, опорное напряжение +U_эт напряжение на емкости интегратора 8 за время действия импульса с выхода триггера 12 изменяется от +U_пор до нуля.

Если U_вх = -U_1, тогда интегратор 8 будет накапливать положительное по знаку напряжение на емкости со скоростью, пропорциональной входному напряжению. По достижении порогового напряжения на выходе триггера 12 сформируется импульс обратной связи, равный периоду тактовой частоты, который открывает ключ 7 и напряжение на емкости интегратора 8 за время действия импульса с выхода триггера 12 изменяется от +U_пор до напряжения, близкого к нулю.

Если U_вх = +U₁, тогда интегратор 8 будет накапливать отрицательное по знаку напряжение на емкости со скоростью, пропорциональной входному напряжению. По достижении порогового напряжения -U_пор сработает первое пороговое устройство 9 и на выходе второго триггера 13 сформируется импульс обратной связи, рваный периоду тактовой частоты, который открывает ключ 6 и напряжение на емкости интегратора 8 за время действия импульса с выхода триггера 13 изменяется от -U_пор до напряжения, близкого к нулю.

Уравнение движения преобразователя напряжения в частоту в первом приближении можно записать так: I_вх = I_ос (1) Если выразить токи через напряжения, то будем иметь I_вх= . (2) Интегратор преобразователя интегрирует импульсы обратной связи, при этом I_ос= I_ср= . (3) Подставляя выражения (2) и (3) в формулу (1), получаем = .

Учитывая, что = f_т; = F_вых, K_пич= имеем K_пич= . (4) Из формулы (4) следует, что стабильность К_пич определяется отношением резисторов, стабильность f_т и U_эт. Для прецизионных преобразователей можно принять тактовую частоту от кварцевого высокостабильного генератора, выполнить резисторы на одной подложке по одной технологии и тем самым достигнуть высокой стабильности отношения R_ос/R_вх, выполнить источник опорного напряжения высокостабильным, но если учесть, что последовательно с R_oc и R_вх стоят ключи, которые обладают конечным сопротивлением перехода, зависящим от температуры окружающей среды, то высокую стабильность коэффициента передачи ПНЧ получить затруднительно. Так, если в качестве ключа использовать прецизионные электронные ключи типа 590КН5, то согласно бКО. 347.000 ТУ7 изменением сопротивления открытого ключа в диапазоне температур (-60)-(+80)^oC лежит в пределах 70-100 Ом.

При R_oc = 10 кОм погрешность коэффициента передачи определится так: δ = = = ≈ 0,3% , где R_кл^t= R_кл^o+K_R˙t, К_R - температурный коэффициент ключей;
t - температура.

Для прецизионных информационно-измерительных систем такая погрешность недопустимо велика. Однако, если учесть, что изменение сопротивления открытого ключа от температуры носит характер, близкий к линейному (см. бКО. 347.000 Т17), то измерив температуру и изменяя пропорционально этому изменению опорное напряжение, можно добиться инвариантности коэффициента передачи к температуре. При этом формула (4) будет иметь вид:
K_пич= · , ,
(5)
U_эт^t= U_эт^o+K_u˙t, где К_u - температурный коэффициент напряжения.

Существо изобретения заключается в том, что для повышения точности (стабильности коэффициента передачи) преобразователя напряжения в частоту, формируется опорное напряжение U_эт= U_эт^o+K_u˙t, изменяемое с помощью терморезистора в зависимости от температуры окружающей среды так, что компенсируется изменение сопротивления цепи обратной связи (R_oc+R_кл^o+K_R˙t).

Для того, чтобы более ясно представить, каким образом происходит изменение U^t_эт на температуре рассмотрим получение + U_эт(-U_эт)= U_эт^t. Согласно чертежу фиг. 1 можно записать:
+U_эт= U^t_эт= U; -U_эт= +U- где R - сопротивление инверторов входное и обратной связи
R_t - параллельное соединение балластного резистора и терморезистора 2 -R_тр.

С учетом последнего выражения для U_эт^t формулу (5) можно записать K_пич= · · . (8)
Как следует из формулы (6), соответствующим выбором терморезистора R_t можно добиться инвариантности коэффициента передачи преобразователя напряжения в частоту от температуры. В качестве терморезистора можно использовать медную катушку. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 738156, кл. Н 03 М 1/60, 1976.

2. Махнанов В. Д. и др. Устройства частотного и время-импульсного преобразования. М. : Энергия, 1970, с. 76.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ, содержащий интегратор, первый вход которого является входной шиной, второй и третий входы подключены соответственно к выходам первого и второго ключей, а выход соединен с входами первого и второго пороговых устройств, выходы которых соединены соответственно с информационными входами первого и второго D-триггеров, счетные входы которых объединены и соединены с выходом тактового генератора, а выходы являются выходными шинами и подключены к управляющим входам соответственно второго и первого ключей, информационные входы которых соединены с шинами опорных напряжений соответственно отрицательной и положительной полярностей, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности преобразования в широком диапазоне температур, в него введены первый и второй инверторы, источник опорного напряжения и термокомпенсирующая цепь, выполненная на параллельном соединении терморезистора и резистивного шунта, первый вывод которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а второй вывод - к входу первого инвертора, выход которого соединен непосредственно с шиной опорного напряжения положительной полярности и через второй инвертор с шиной опорного напряжения отрицательной полярности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3