Преобразователь масштаба времени

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, электротехнике, метрологии для прецизионного измерения временных интервалов. Технический результат заключается в повышении быстродействия при стабильно высокой точности. Преобразователь масштаба времени содержит источник тока заряда (ИТЗ) (15) и источник тока разряда (16), соединенные с входом интегратора (17), снабженного на выходе компаратором (18). ИТЗ (15) снабжен запирающим входом, который соединен с выходом формирователя короткого импульса (19). 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, электротехнике, метрологии и других отраслях промышленности для прецизионного измерения временных интервалов.

Преобразователи масштаба времени известны и служат для увеличения длительности коротких импульсов для последующего измерения их длительности.

Известен преобразователь масштаба времени, который содержит последовательно соединенные формирователь короткого импульса (выполненный в форме триггера с раздельными входами), генератор пилообразного напряжения и преобразователь амплитуда - время [Измерения в электронике: справочник. /В.А. Кузнецов, В. А. Долгов, В.М. Коневских и др., под ред. В.А.Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 512 с., с. 344]. Его схема показана на фиг.1, где 1 - формирователь короткого импульса, 2 - генератор пилообразного напряжения, 3 - преобразователь амплитуда - время. Устройство работает следующим образом. Входной сигнал поступает в виде импульсов "старт" и "стоп" на формирователь короткого импульса, формируя начало и конец короткого импульса, длительность τ_X которого подлежит измерению. Импульсы триггера запускают генератор пилообразного напряжения, и он формирует пилообразный сигнал U_П, амплитуда которого на выходе линейно возрастает и к моменту окончания короткого импульса она пропорциональна его длительности τ_X. Этот пилообразный сигнал U_П поступает на преобразователь амплитуда - время, который формирует прямоугольный растянутый импульс, длительность которого Т=kτ_X в k раз превышает длительность короткого импульса τ_X.

Недостаток описанного преобразователя масштаба времени - низкая точность. Это связано с влиянием параметров его элементов на значение коэффициента преобразования масштаба времени. Так, скорость нарастания пилообразного сигнала определяется элементами пилообразного генератора напряжения. Эта скорость нарастания задает коэффициент преобразования длительности в амплитуду. С другой стороны, коэффициент преобразования преобразователя амплитуда - время определяется элементами этого преобразователя. Поскольку эти элементы различны, то их изменения независимы, и для высокой стабильности общего коэффициента преобразования необходима высокая стабильность каждого из указанных коэффициентов.

Наиболее близким аналогом предлагаемого является преобразователь масштаба времени напряжение•время-->время [Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АПЦ: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с.229-249].

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) осуществляет последовательность преобразований: напряжение•время-->заряд-->время-->код.

Преобразователь напряжение•время-->время является частью АЦП и служит для измерения величины входного напряжения, но также он может использоваться для измерения неизвестной длительности импульса заданной амплитуды.

Этот преобразователь изображен на фиг.2, он содержит последовательно связанные порт приема напряжения заряда 4, коммутатор 5, интегратор 6, компаратор 7 и измеритель длительности 8, а также формирователь короткого импульса 9, ключ 10, схему автокомпенсации 11 и источник напряжения разряда 12, причем этот источник подключен ко второму входу коммутатора 5, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя короткого импульса 9, ключ 10 соединяет выход компаратора 7 с его вторым входом и со вторым входом интегратора, а также с выходом схемы автокомпенсации, вход которой соединен с выходом интегратора 6.

При работе преобразователя чередуются три цикла работы, так называемые: "интегрирование", "разряд интегратора" и "автокомпенсация". Для этого формирователь короткого импульса 9 управляет коммутатором 5, который поочередно подключает к входу интегратора 6 выходные сигналы от порта приема напряжения заряда 4 и от источника напряжения разряда 12. Выходной сигнал интегратора 6 пропорционален интегралу по времени от его входного сигнала. Для этого интегратор содержит интегрирующий конденсатор. В цикле "интегрирование" ключ 10 открыт и блокирует компаратор 7, а входное напряжение через порт приема напряжения заряда 4 и через коммутатор 5 поступает на интегратор 6, заряжая его конденсатор на величину, зависящую от произведения длительности заряда на напряжение заряда. В цикле "разряд интегратора" напряжение с выхода источника напряжения разряда 12 поступает через коммутатор 5 на вход интегратора 6 и разряжает его конденсатор с постоянным током разряда.

Одновременно размыкается ключ 10 и компаратор 7 формирует начало растянутого импульса. Время разряда конденсатора интегратора 6 пропорционально накопленному заряду, а в момент его полного разряда напряжение на выходе интегратора 6 становится равным нулю. В этот момент компаратор 7 формирует конец растянутого импульса. Длительность этого растянутого импульса увеличена в сравнении с длительностью короткого импульса в заданное число раз, равное отношению напряжения заряда и напряжения разряда. Эта длительность измеряется измерителем длительности 8. В цикле "автокомпенсация" схема автокомпенсации измеряет и запоминает напряжение смещения нуля интегратора. Этот цикл начинается после разряда интегрирующего конденсатора интегратора и до начала нового короткого импульса, то есть между циклами "разряд интегратора" и "интегрирование".

Интегратор выполнен на операционном усилителе и содержит интегрирующий конденсатор. Схема автокомпенсации 11 нуля представляет собой конденсатор в специальном включении. Измеритель длительности 8 содержит образцовый генератор 13 и счетчик 14, причем тактовый вход счетчика соединен с выходом образцового генератора, а селекторный вход этого счетчика соединен с выходом компаратора. Формирователь короткого импульса 9 выполнен в виде счетчика, вход которого соединен с выходом образцового генератора, но может быть выполнен и так же, как в предыдущем устройстве. В первом случае длительность короткого импульса постоянна, и устройство используется для определения напряжения заряда, во втором случае устройство может использоваться для определения длительности короткого импульса, и тогда напряжение заряда необходимо делать постоянным.

Достоинством описанного преобразователя по сравнению с вышеописанным является использование одного и того же конденсатора для преобразования напряжение•время-->заряд и для преобразования заряд-->время. В этом случае нестабильность емкости этого конденсатора несущественно влияет на стабильность коэффициента преобразования масштаба времени.

Недостатком этого устройства является малое быстродействие. Это вызвано необходимостью применения не менее двух электронных ключей, входящих в состав коммутатора 5, а также ключа, блокирующего компаратор 7 в цикле "интегрирование". Эти элементы не могут быть выполнены достаточно быстродействующими, поэтому вся схема имеет малое быстродействие либо с увеличением быстродействия теряет точность.

Задача, на решение которой направлено изобретение, является создание преобразователя масштаба времени с более высоким быстродействием при стабильной точности.

Поставленная задача решается тем, что предлагается преобразователь масштаба времени, содержащий источник тока заряда, источник тока разряда, интегратор, компаратор и формирователь короткого импульса, причем источник тока заряда и источник тока разряда соединяются с входом интегратора, источник тока заряда снабжен запирающим входом, который соединяется с выходом формирователя короткого импульса.

По сравнению с прототипом в предлагаемом преобразователе отсутствуют коммутатор и ключ, а источник напряжения разряда и порт приема напряжения заряда заменены на источник тока заряда и источник тока разряда.

Схема устройства показана на фиг.3, где 15 - источник тока заряда, 16 - источник тока разряда, 17 - интегратор, 18 - компаратор, 19 - формирователь короткого импульса. На фиг.4 показаны эпюры напряжений и токов в этом устройстве, где I_З - ток заряда, U_И - напряжение на интеграторе, I_P - ток разряда, (τ_X) - длительность короткого импульса, (M•τ_X) - длительность растянутого импульса.

Устройство работает следующим образом.

Источник тока разряда 16 всегда открыт и формирует ток I_Р. Источник тока заряда 15 может запираться, а когда он открыт, его ток I_З в заданное число раз М+1 превышает ток I_Р от источника тока разряда I_З=I_Р(М+1), где М - желаемый коэффициент растяжки. Диаграммы сигналов приведены на фиг.4.

В исходном состоянии источник тока заряда 15 заперт, источник тока разряда 16 открыт, конденсатор интегратора 17 полностью разряжен от источника тока разряда. При разряженном конденсаторе интегратора 17 ток разряда прекращается. Формирователь короткого импульса 19 формирует из входного сигнала этот короткий импульс, длительность τ_X которого подлежит измерению. Этот импульс открывает источник тока заряда 15, который быстро заряжает конденсатор интегратора 17 до напряжения, пропорционального длительности этого короткого импульса τ_X. Эффективный ток заряда I_ЭЗ равен разности тока I_З от источника тока заряда и тока I_Р от источника тока разряда 16: I_ЭЗ=I_З-I_Р= М•I_Р. По окончании короткого импульса источник тока заряда 15 запирается, источник тока разряда 16 начинает разряжать конденсатор интегратора током I_Р. Таким образом, ток разряда в М раз меньше тока заряда, а поскольку разряжается и заряжается один и тот же конденсатор интегратора 17, то, независимо от его емкости, время разряда в М раз больше времени заряда. Устранение зависимости коэффициента растяжки М от емкости конденсатора позволяет сохранить высокую точность, а поскольку источник тока разряда 16 не отключается, то на быстродействие устройства влияет только быстродействие запирания источника тока заряда 15, которое может быть получено достаточно большим. Отсутствие ключа, блокирующего компаратор в цикле "интегрирование", приводит к тому, что растянутый импульс начинается не в момент окончания короткого импульса, а в момент его начала, что приводит всего лишь к тому, что коэффициент растяжки увеличивается на единицу (к длительности растянутого импульса прибавляется длительность нерастянутого импульса), что легко учесть, зная это. Схема автокомпенсации не требуется, поскольку проблема калибровки легко решается периодическим измерением длительностей некоторых эталонных сигналов. Таким образом, преобразователь масштаба времени имеет большее быстродействие при сохранении высокой точности измерений.

Точность преобразователя дополнительно может быть повышена, если источник тока заряда выполнить в виде последовательно соединенных второго источника тока разряда и токового зеркала. Входы питания источников тока разряда объединены. Схема устройства показана на фиг. 5, где 15 - источник тока заряда, 16 - источник тока разряда, 17 - интегратор, 18 - компаратор, 19 - формирователь короткого импульса, 20 - второй источник тока разряда, 21 - токовое зеркало, U_О - напряжение отрицательного питания, С - конденсатор интегратора, I_З - ток заряда, I_P - ток разряда, I_Р2 - ток разряда от второго источника тока разряда, вход формирователя является входом устройства, а выход компаратора - выходом устройства. Это решение позволяет снизить зависимость коэффициента преобразования от напряжения питания. Изменение питающего напряжения U_O вызовет пропорциональное изменение тока I_P и тока I_P2 от источников тока разряда 16 и 20. Поскольку ток заряда I_З токового зеркала 21 пропорционален току второго источника тока разряда, он также изменится пропорционально этому изменению напряжения питания. Относительные изменения тока заряда I_З и тока разряда I_P будут одинаковыми, и соотношение между ними не изменится. Таким образом, точность преобразователя повысится за счет снижения влияния источника питания.

Дополнительно можно понизить потребляемую мощность устройства, если коэффициент передачи токового зеркала сделать много большим единицы. Поскольку ток от источника тока разряда должен быть существенно больше тока от первого источника тока разряда, при единичном коэффициенте передачи токового зеркала ток второго источника тока разряда должен быть в М раз больше, а если коэффициент передачи существенно больше, то этот ток может быть уменьшен.

На фиг. 1 приведена схема известного преобразователя масштаба времени - аналога заявляемого устройства, где 1 - формирователь короткого импульса, 2 - генератор пилообразного напряжения, 3 - преобразователь амплитуда - время.

На фиг. 2 приведена схема известного преобразователя масштаба времени, принятого за прототип, где 4 - порт приема напряжения заряда, 5 - коммутатор, 6 - интегратор, 7 - компаратор, 8 - измеритель длительности, 9 - формирователь короткого импульса, 10 - ключ, 11 - схема автокомпенсации, 12 - источник напряжения разряда.

На фиг.3 приведена схема заявляемого устройства, где 15 - источник тока заряда, 16 - источник тока разряда, 17 - интегратор, 18 - компаратор, 19 - формирователь короткого импульса.

На фиг. 4 показаны эпюры напряжений и токов заявляемого устройства, где I_З - ток заряда, U_И - напряжение на интеграторе, I_P - ток разряда, (τ_X) - длительность короткого импульса, (M•τ_X) - длительность растянутого импульса.

на фиг.5 приведена схема дополнительно улучшенного устройства, где 15 - источник тока заряда, 16 - источник тока разряда, 17 - интегратор, 18 - компаратор, 19 - формирователь короткого импульса, 20 - второй источник тока разряда, 21 - токовое зеркало, U_О - напряжение отрицательного питания, С - конденсатор интегратора, I_З - ток заряда, I_P - ток разряда, I_Р2 - ток разряда от второго источника тока разряда, вход формирователя является входом устройства, а выход компаратора - выходом устройства.

на фиг.6 приведена схема предпочтительного варианта заявляемого устройства, где 16 - источник тока разряда, 17 - интегратор, 18 - компаратор, 19 - формирователь короткого импульса, 20 - второй источник тока разряда, 21 - токовое зеркало, М1, М2 - инверторы с открытыми коллекторными выходами, М3 - микросхема "компаратор", VT1-VT3 - транзисторы, R1-R5 - резисторы, С1, С2 - конденсаторы, U_П и U_О - напряжения положительного и отрицательного питания.

Предлагаемый преобразователь масштаба времени может быть выполнен следующим образом.

В качестве интегратора может быть использован обычный конденсатор, один вывод которого соединен с шиной 0 В.

Компаратор может быть выполнен, например, на микросхеме К554СА4. Входы компаратора соединены с выводами интегратора, выход компаратора является выходом устройства.

Формирователь короткого импульса может быть выполнен на логическом элементе ТТЛ-серии с открытым коллектором, например на микросхеме КР1531ЛА13 (элементы M1 и М2). Выход этого формирователя соединяется с источником тока заряда через сопротивление R1. Для увеличения выходного тока рекомендуется применить два параллельно включенных элемента (инвертора), входы и выходы которых объединены и являются соответственно входом и выходом формирователя короткого импульса. В этом случае входной сигнал представляет собой ТТЛ-совместимый короткий сигнал низкого уровня или нулевой потенциал на время, которое подлежит измерению.

Источник тока разряда может быть выполнен на основе транзистора n-р-n проводимости VT3 (например, КТ3102Г). Коллектор этого транзистора является выходом источника тока заряда, база соединена с нулевой шиной, а эмиттер соединен через резисторы R5 с источником отрицательного напряжения -U_О.

Второй источник тока разряда может быть выполнен на основе транзистора n-р-n проводимости VT1 (например, КТ3102Г). Коллектор этого транзистора является выходом источника тока заряда, база соединена с нулевой шиной, а эмиттер соединен через резисторы R3 с источником отрицательного напряжения -U_О.

Токовое зеркало источника тока заряда может быть выполнено на основе транзистора VT2 (р-n-р проводимости, например, КТ3107Г). Коллектор транзистора VT2 является его выходом и выходом источника тока заряда, а база и эмиттер соединены через резисторы R2 и R4 соответственно с источником положительного напряжения +U_П (+9 B), параллельно сопротивлению R2 включен конденсатор С2. Запирающим входом источника тока заряда является вывод резистора R1 (50 Ом), второй вывод которого соединен с эмиттером транзистора VT2. База транзистора VT2 соединена с выходом второго источника тока разряда.

Предпочтительный вариант принципиальной схемы узла приведен на фиг.6, где 16 - источник тока разряда, 17 - интегратор, 18 - компаратор, 19 - формирователь короткого импульса, 20 - второй источник тока разряда, 21 - токовое зеркало, М1, М2 - инверторы с открытыми коллекторными выходами, М3 - микросхема "компаратор", VT1-VT3 - транзисторы, R1-R5 - резисторы, С1, С2 - конденсаторы, U_П и U_О - напряжения положительного и отрицательного питания.

Конденсатор С2 в исходном состоянии разряжен до напряжения около -0,7 В отрицательным током I_P от источника тока разряда на транзисторе VT3 (направление тока показано стрелкой). Источник тока на транзисторе VT1 задает ток I_P2, который пропорционален току I_P, причем коэффициент пропорциональности равен отношению величин сопротивлений R5 (100 кОм) и R3 (10 кОм): Токовое зеркало на основе транзистора VT2 и резисторов R2 и R4 в исходном состоянии закрыто, поскольку ток, протекающий через резисторы R4 и R1, смещает потенциал эмиттера транзистора VT2 ниже потенциала его базы. В открытом состоянии это токовое зеркало "усиливает ток", то есть формирует ток I_З, который пропорционален току I_P2, с коэффициентом, равным отношению сопротивлений резисторов R2 (2,5 кОм) и R3 (50 Ом): .

С приходом импульса низкого уровня на элементы M1 и М2 (логические инверторы с открытым коллектором, сдвоенное включение увеличивает ток) выходные транзисторные каскады этого элемента запираются, ток через резистор R1 перестает течь, потенциал на эмиттере транзистора VT2 резко возрастает, источник положительного тока заряда на транзисторах VT1 и VT2 открывается.

Поскольку этот источник формирует ток заряда I_З, многократно превышающий ток источника отрицательного тока разряда на VT3, конденсатор С2 быстро заряжается, причем величина заряда пропорциональна длительности импульса. По окончании импульса источник положительного тока заряда отключается (транзистор VT2 запирается), происходит разряд конденсатора С2 через транзистор VT3. Время разряда пропорционально накопленному заряду, то есть пропорционально длительности входного импульса, которая у выходного импульса увеличена в 500 раз (задается соотношением резисторов R4 и R5). Момент окончания импульса отмечается компаратором М3.

Ток заряда пропорционален току разряда, что видно из объединения двух последних соотношений: Здесь М+1 - коэффициент, определенный выше.

Величина напряжения U на заряженном конденсаторе С2 пропорциональна току заряда и длительности короткого импульса τ_X и обратно пропорциональна емкости этого конденсатора: Время Т разряда конденсатора С2 пропорционально величине U и емкости этого конденсатора и обратно пропорционально току разряда:
Как видно из этого соотношения, коэффициент преобразования не зависит в конечном счете ни от величины емкости конденсатора С2, ни от значений тока I_З и I_Р. Это дает существенное повышение стабильности указанного коэффициента, что в итоге повышает точность измерений.

Формула изобретения

1. Преобразователь масштаба времени, включающий формирователь короткого импульса и интегратор, снабженный на выходе компаратором, отличающийся тем, что он содержит источник тока заряда и источник тока разряда, каждый из которых соединен с входом интегратора, причем упомянутый источник тока заряда снабжен запирающим входом, который соединен с выходом формирователя короткого импульса.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что интегратор выполнен в форме конденсатора.

3. Преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что источник тока заряда выполнен в форме последовательно соединенных второго источника тока разряда и токового зеркала, причем входы питания обоих источников тока разряда объединены.

4. Преобразователь по п. 3, отличающийся тем, что значение коэффициента передачи токового зеркала больше единицы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6