Масштабный преобразователь напряжения и его варианты

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ())) 922780

Сею э Севетснмк

Сецмапмстмчеснма

Респфбпмн (6! ) Донелннтельное к авт. санд-ву (51)NL. Кл. ()) 0BQ 7/12 (22) Заявлено 09.09.80 {21) 2979438/18-24 с присоединением заявки,ре

9теудеретеавыФ квинтет

СССР

II4 делам изобретений н етерцткк (23) Приоритет

Опубликовано 23.04. 82. бюллетень М 15

\ (53) УДК681. .;335 (088.8).

Дата опубликования описания 23.04.82

J

А. Е. Волынский, С. А. Рачин, и А. А. Смир+в (72) Авторы. изобретения (54) МАСШТАБНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ (ЕГО ВАРИАНТЫ) 1

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано

s аналоговых ввтчислительньтх устройствах, преобразователях, аналоговых сигналов и электротехнических установках различного назначения.

Известны масштабные преобразова жли напряжения,. в которых стабйльность н.ли- : нейность преобразования обеспечиваются отсутствующими характеристиками отношения длительностей временных интервалов и1ттегрировантпт входного н выходного Напряйейий )1g, Недостаток данных устройств связан с тем, что при работе в области времен требуется увеличить постоянную времени . интегрирования, что приводит к увеличению погрешности преобразователя иэ-за, неидеальности усилителей, входяшнх в состав блока интегрирования, а следова- тельно, при заданных точностных характеристиках сужают его рабочий диапазон.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержашее распре..-2 литель тактовых импульсов, последовательно включенные входпо| коммутатор, два блока интегрирования и блок запонти нания,. в котором первый и второй. входы коммутатора соответственно подключены ко входу устройства и выходу блока запоминания,-выход блока запоминания является выходом усфойства, à ynpawtsn щив входы коммутатора и блока запоминания, а также. управляющие входы вто рого блока интегрирования подключены к соответствующим выходам распредели теля тактовых -импульсов (23, В,случае идеального блока эадомина ния можно показать; что при увеличении числа циклов выходное напряжение устройства быстро сходится к установившеI муся значению.

i ° )1(Ь ) х "к т

1ст ! з

Однако в случае реального t)iirwn запоминания на выходе 1гжч.с)н)го уг.т323780 . 4 ройства возникают пульсации с частотой . ного, коммутатора, а выход - ко второму повторения циклов и амплитудой, опреде- sxoAy. входного коммутатора, управляюляемой, в основном, зарядом эапомина- щий вход блока интегрирования подклю ющего конденсатора блока входным то- чен к четвертому входу распределитедя ком операционного усилителя, а также» тактовых импульсов. влиянием импеданса подключенйых к . Поставленная цель достигается так . данному конденсатору элементов. При= . же. теМ, что в масштабНый преобраэова сутствие на выходе устройства данных,, тель напряжения,. содержащий распредепульсаций снижает точ.ость масштабно- литедь тактовых импульсов, последоваго преобразователя напряжения 1Q тельно соединенные входной коммутатор, Цедью изобретения является повышение блок интегрирования, масштабный резисточности масштабного преобразователя тор, ключ, операционный усилитель и напряжения, блок запоминания, в цепь обратной связи

Поставленна цель достигается тем„, операционного усилителя включены парал что в масштабный преобразователь на- ц» лельно соединенные переключатель и ин» пряжения,содер>кащийраспределнтедь,такТо тегрирующий конденсатор, первый вход вых импульсов, последовательно включен- входного коммутатора является .входом ные входной коммутатор и два блока ин- преобразователя, второй вход,подкщочен тегрирования, первый вход входного ком- к выходу, преобразователя, управляющие . мутатора является входом масштабного о входы входного коммутатора, ключа, пепреобразователя, второй вход входного реключателя и блока запоминания сооткоммутатора подключен к выходу преоб- ветственно подключены к первому, втораэоватедя, управляющие входы входного рому, третьему и четвертому выходам коммутатора и второго блока интегриро-, распределителя импульсов, введен анавания сЬответственно подключены к пер- g»(логовый сумматор, первый вход, которо- . вому и второму входам распределлителя . го.подключен к выходу блока запомина-тактовых импульсов, введен аналоговый, .ния, второй вход - к первому входу вход сумматор, первый вход которого подклю- . ного коммутатора, а выход - Ko второму чен к выходу второго блока интегриро- входу входного коммутатора, третий вход вания; второй вход - к первому входу »О которого подключен к шине нулевого по входного коммутатора, а вЫход - ко вто тенциала, управляющий вход блока интегрому входу входного коммутатора, уп- рирования подключен к пятому выходу равляющий вход первого блока интегри- распределителя тактовых импульсои. ., рования подключен к третьему входу . В последнем варианте масштабного распределителя тактовых импульсов. преобразователя напряжения может быть

Поставленная цель может быть дос- повышено быстродействие. тигнута тем, что в масштабный преобра-, Кроме того, первый блок интегрирова зователь напряжения, содержащий рас;-, ния содержит последовательно соединенные., пределитель тактовых импульсов, вход- преобразователь напряжения в ток, кдюч, ной коммутатор блок интегрирования, интегратор и. блок запоминания, .выход последовательно соединенные ключ и ин . которого является выходом первого но ком .. 40 блотегратор, первый вход входного комму" ка интегрирования, вход преобразователя татора является входом преобразователя; напряжения в.ток является входом. первторой вход входного коммутатора под»- вого блока интегрирования, управляющие ключен к выходу преобразователя, уп- входы ключа, интегратора и блока запомиравляющие входы входного коммутатора, найм являются управляющими входами. ключа и интегратора соотве тственно под- первого блока интегрирования и подключе-:, ключены к первому, второму и -третьему . кы соответственно к пятому, шестому и входам распределителя тактовых Импуль- .седьмому входам распределителя такто1 сов, введены аналоговый сумматор и " вых - импульсов, преобразователь напгяжения в TQK вход . На фиг. 1-4 приведены структурные . которого подключен к выходу входного схемы различных вариантов масштабного коммутатора, а выход - к информацион- преобразователя, соответственно; на фиг. ному вхоМу ключа, вь|ход интегратора 8 - диаграммы, поясняющие работу перподключен к информационному sxony, 6no- вого варианта масштабного,преобразова- .

»». ка интегрирования, выход которого пол . толя напряженияе на фвг. - р фвг 6 - в змеиные ключен к первому входу аналогового диаграммы, поясняющие работу третьего сумматора, второй вход аналогового сум- варианта. масштабного преобразователя матора подключен к первому входу вход»- напряжения.

Периодическое повторение описанного цикла п раз обеспечивает накопление в

5 . 92 2 780

Масштабный преобраэова )аль напри- 2 подключает вход данного блока интеко женив содержит распределитель 1 так- риррвания ко входу преобразователя. В товьк импульсов, входной коммутатор 2, результате данной операции входное напервый tt второй блоки 3 и 4 интегри- пряжение устройства в течение интерварованпя, аналоговый сумматор 5р пре- ла длительности Т интегрируется бло1

Образователь 6 напряжения в. ток, ключ ком 3 интегрирования (изменение выход7:, интегратор 8, блох 9 запоминания, ного сигнала блока 3 интегрирования в операционный усилитель 10, переключа- этой части цикла показано на диаграмм зель 11, интегрирую(пий конденсатор 12. кривой 15), а по окончании данного ttttмасштабный резистор 13, t0 нарвала вход блока 3 интегрирования отПервый вариант масштабного преобра- ключается от входа преобразователя и

I зоватвля напряжения (фиг. 1 и 5) Da- подключается на время-Т к выходу анв ботает следую(цим образом. логового су мматора 5. В течение данной

Выходное напряжение сумматора 5 в част» цикла выходное напряжение анапроизвольный момент времени определи- ty not osoro суммат"Ра 5 0 щЮ инте Риется выражением: руется блоком 3 интегрирования,.а реЕьХВ)к К 0 рК цьФФК О +К Гц "Г+- с . Зул ж HHTBlpNpoBBHea anre6pawecm

")i)(Л )(С Ч суммируется с результатом интегрировафуу < J Q) ®1 В) ния входного напряжения (изменению вы 20 ход»ого сигнала аналогового сумматора

5 в этой части цикла соответствует кри l

О И) - выходнае напряжевая 16). По окончании данного интервание блока 4 интег ла на входной коммутатор 2 подается

-Ои ° команда отиночення входа блока 3 интегирования в произ рирования от выхода аналогового сумма-: тора 5, а на выходе блока интегрировавремени;

<5)1 ВЫЕМ . ns напр низ и»я при этом фиксируется напряжение блока 4 интегрирования и аналогового hU„(<)=-jU T U .„(О)Т .(Ъ) г сумматора 5 в мо )(. q Ьь))(36 мент окончания ире» В осыпавшейся части цикла выходное напряжение блока 3 интегрирования, опдыдукего -го цикла; ределяемое выражением (4), остается Й постоянным (кривая 17). Йанное напря— погрешность выход ного сигнала блока жение интегрируется блоком 4 lhnerptt4 интегрирован»яр рования в учение временного интервала, Обусловленная пе еу о "ная пере длительн >сть которого Т задается распрезарядом накопитель- делителем 1; на выходе блока 4 форминого элемента дан- - руется напряжение первой поправки (ириного блока в течебло"а в "-" е о вая 1ц), величина которой фиксируется

ЫИЕ ЦИКЛав ПРИЧЕМ В (О,Tg),где Т длительность цй ата - U )<)=U B1+ 4U„U3 3 в (01 О;

К„,К - коэффициент переда- где 0<50) - начальное выходное напряже

45 чи аналогового сум- ние блока 4 . Интегрирования а ца матора 5 по соот- . выходе гиалогового сумматбра 5 при ветствую(цим входамв етом, согласно,(3), Формируется со причем К)<0, Kg<0, ответствующйй сигнал (процесс формиро1К )(<1К) I и tel(d. вания ноказаи кривой 19).

Инерционный процесс установления вы» ходного напряжения преобразователя Осу ществляется за и цикловв В начале пер . р() Х " ) цуЯ вого цикла распределитель 1 производит сброс блока з внтогрированвв {ссотвото . об,. fU Т т0 (0)T l. (Б) К 1 ав)( ствую)цее изменение выходного сигнала блока 3 интегрирования Обезначейо на диаграмме 14 (фиг. 5) и по окончании сброса с помошью вход»ОГО коммутатора

7 92 блоке 4 интегрирования требуемое значение поправки о (=о (- )+ au„t>i=. „=о о1+, 4

+ — ã. C (3г (()

4р as 1: 1 I а .на выходе аналогового сумматора 5 формирование напряжения

8 но - ительно момента подключения на Вре мя, достаточное для окончания переходных процессов в преобразователе 6. Ус2780 танонившееся значение выходного тока преобразователя 6, пропорциональное текущему значению входного сигнала блока

3 интегрирования, интегрируется далее интегратором 8, причем длительностЬ ин.егрирования обеспечивается замыканием ключа 7 в течение соответствующего временного интервала. Достоинство данного варианта преобразователя заключаром 8 сигнала в вийе тока позволяет устранить влияние сопротивления эамкнуется в том, что интегрирование интегратотого ключа 7 на постоянную времени интегрирования и, следовательно, устранить погрешность линейности, обусловленную зависимость постоянной времени интегрии рования блока 3 интегрирования от уровня интегрируемого им сигнала; последнее обеспечивает повышение точности выполняемых блоком 3 интегрирования операций, а следовательно, и точности иреИ образователя в цепом.

Третий вариант масштабного преобра. зователя напряжения (фиг, 3 и 6) работает следующим образом.

a o Hc-oM Ho o вари Н; ется устранение погрешности основного устройства, обусловленной сдвигом нуля у и входным током 3 операционного усилителя блока 3 интегрирования. Коррекция данной погрешности в каждом цикле обеспечивается следующей последова тельностью операций.

В начале цикла распределип.ль 1 производит сброс блока 3 интегрирования и на выходе блока устанавливается на4о пряжение 3 (фиг, 6, диаграмма 20); далее аналогично первому варианту пре« образователя, блоком 3 интегрирования интегрируется входное и выходное напряжения преобразователя (соответствующие

4 кривые на фиг. 6 обозначены 21 и 22), а результат интегрирования алгебраически суммируется с ошибкой, обусловленной влиянием величин 6 и 3 . К концу дан« ной части цикла на выходе блока 3 при«) () Нетрудно заметить, что если параметры преобразования выбраны с учетом требования сходимости итерационного процесса 1, то выходное напряК ТТ ГIU 0 жение аналогового сумматора 5 в установившемся режиме и при (1)=О описывается выражением (1), т.е. при отсутствии перезаряда накопительного элемента второго блока 4 интегрирования со- . ответствует выходному напряжению идеализированного преобразователя, Однако при сопоставлении реальных устройств (f(t) 4 0) становится очевидным, что коэффициент влияния погрешности (), обусловленный переэарядом запоминайщего конденсатора, выходкой сигнал преобразователя равен 1, в то время как сле ò иэ (2) р соответствующий показатель погрешности, обусловленный переэарядом накопительного элемента второго блока интегрирования данного преобразователя, равен К, где ) К 1((< 1. Последнее выгодно отличает данный масштабный преобразователь от известного, поскольку поз-. воляет в — „раэ уменьшить амплитуду

1 5 . пульсации йа его выходе.

Второй вариант масштабного преббраэователя напряжения (фиг. 2) работает следующ м образом.

Подключение сигнала ко входу бпока

3 интегрирования коммутатором 2 произ. водится заблаговременно, причем начало интервала интегрирования сдвинуто оъсутствует напряжение

Можно показать, что решение рекуррентного уравнения (7) -имеет вид

К 1ТТ - U T

0>ytn = bb, ч ..

ГС 4 т% т„ т1 ь О„„t l= v„t<1 «3 где g.U f1 ) определяется выражением (3) для идеализированного преобразователя (при 9 =0 и 3 =О);

С - емкость интегрирующего конденса-" тора блока 3 интегрирования.

Uú,1Х 1

Данная величина в течение интериала длительности Т интегрируется блоком 4

922780 . 10 ..

В течение последующей части цикла интегрирования: выходное напряжение выходное напряжение блока 3. Интегриро- операционного усилителя 10 изМеняется вания остается неизменным (на диаграм- в соответствии с кривой 27 (фиг, 6) и ме участок 23) и подается на вход бло к концу интервала интегрирования дости» ка 4 инте рирования, где интегрируетея s гает величины, ие зависящей от.сдвига в течение временного интервала фиксиро- нуля и входного тока операционного yctrванной дпительности Т; укаэанная длитель- лителя блока 3 интегрирования . ность процесса интегрирования реализуется с помощью замкнутого на данное "gyes",1= U>t)31)-

spMs ключа 7, а условно пложижлы to Щ 0 щ на р ние . р рования е Ьц„И 40 (1 0 Фт ац t5)

Т отиетстирю иим состоинием иереиимиитеы +O (<< 1, Р q нот&3. ля 11. В результате на выходе операционного усилителя 10, образующего вмес- В завеРшающей части цикла Pacttðetteте с масштабным резистором 13 и интег-1 tttr tetreM 1,выдав тся команда на возврарир ющим конденсатором 12 инжгрирую- щенке пеРеключателЯ 11 в ttcxonttoe соо- .. щее звено, формируется линейно-измеПяю. тояние, выходное напряжение операционщее напряжение (на диаграмме выход ного Усилители 10 вновь изменЯет свою ное напряжение операционного усилителя полЯРность на пРотивоположнУю (на диаг 10 обозначено кривой 24), которое к ро Рамме- обозначено ризой 28) концу данной части цикла достига т ве g p)-„0 q 0 (1)а9 0)- ц () ) личины у "ц =. д " -ур 1 (14

О и на вход считывания результата интегри.

М1 "М" tt.o "gg 1 i ("О) рования блока 4 интегрирования поступает сигнал переписи данного напряжения ,-д ц„(01 - исходное напряжение на вы- . в блок 9 запоминания (изменение выходходе операционного усилителя 10, ного напряжения блока запоминания поа постоянная времени интегрирования оп- казано кривой 29) ределяе ся Р сопротивлением масштабно- r. > ) го рееиотори 13 и 0о -»Kocns> иитетрн ти K .Iн тМ „ест(1), (Ю) рующего конденсатора 12. Далее распре где Р - коэффициент передачи делитель 1 производит сброс блока 3 интегрирования и выдает команду на из „ р блока 9 запоминанюц менение состояния переключателя 11 на, О - начальное выходное напряжение блока 4 противоположное исходному. При этом интегрирования. на выходе операционного усилителя 10

На выходе аналогового сумматора 5 формируе тся напряжение противоположной при этом, как и в первом варианте преполярности (на диаграмме показано криобразователя, формируется напряжение вой 25), Р вное . (на диаграмме 30), о и К=-и С i. («)

V,„Ë=,,,, = „„ 01- —..

"С р

В последующей части цикла pacttpeneлитель 1 с помощью входного коммутато-, < ю < g i () ра 2 подключает вход блока 3 интеграто-45 :острое не зависит от л я,ра к шине нулевого отенци и

9227

Иэ .(19) следует, что обеспечив уо ловие сходимости итерационного процес,ьк„1 т, оа «1,воаучаем, что вво«о«во« ва С о

В пряжение данного варианта масштабного преобразователя быстро сходится к вели чине (1) и не зависит от реальных значений сдвига нуля и в-..одного тока опера ционного усилителя блока 3; последнее является очевидным достоинством данного варианта устройства, поскольку позволяет повысить его точность, а также при заданной точности использовать в составе б ока 3 широкополосные усилители со 1Ф

: сравнительно худшими характеристиками сдвига нуля и входного тока.

В данном варианте. масштабного trpeобразователя напряжения помимо, точности может быть обеспечено и повышение та быстродействия, Повышение точности здесь обеспечивается промежуточным преобразованием входного сигнала блока 3 интегрирования в выходной ток преобразователя 6 и ин- 2s тегрированием данного тока интегратором

8 в течение временного интервала, задаваемого ключом 7, а повышение быстродействия обеспечивается одновременным выполнением операций интегрирования бло-ре ками 3 и 4 интегрирования (в исходном варианте этим разнесенным во времени операциям, соответствуют кривые 26 и 24 (фиг. 6). Укаэанное совмещение операций оказывается возможным благодаря тому, что по окончании интегрирований блоком 3 интегрирования выходного на-. пряжения устройство (Ha AHaFpaMMe обозначено участком кривой 22) выходное: напряжение интегратора 8 фиксируется о

-блоком 9 запоминания, который в последующей части цикла выполняет функции буферного блока запоминания, обеспечивающего выдачу постоянного напряжения на вход блока 4 интегрирования.

:Таким образом, предлагаемый масштаб ный преобразователи напряжения и его варианты позволяют.как и известный. масштабировать входное напряженке с масштабным коэффициентом, определяемым отношением длительности временных ин-. . терйалов; oarraao,как следует rrs изложенного, в предлагаемых устройствах по сравнению с известным устраняется влияние,ряда нестабильных факторов на пог» решность устройства, что выгодно отличает предлагаемое устройство от извесьного,так как позволяет повысить точ ность масштабного преобразования.

8О 12

Экономический эффект использования изобретения обусловлен его техническими особенностями.

Формула изобре тения

1. Масштабный преобразователь напряжения, содержащий распределитель тактовых импульсов, последовательно включенные входной коммутатор и два блока интегрирования, первый вход входно го коммутатора является входом масштабного преобразователя, второй вход входного коммутатора подключен к выхо» ду преобррэователя, управляющие входы входного коммутатора и второго блока интегрирования соответственно подключе ны к первому и второму входам распределителя тактовых импульсов, о т л ич а ro шийся тем, что, с целью повышения-точности, в него введен аналоговый сумматор, первый вход которого подключен к выходу второго блока интвг»рирования, второй вход - к первому вхо ду ахового коммутатора, а выход - ко второму входу входного коммутатора, управляющий вкоп первого блока интег» рирования подключен к третьему выходу распределителя тактовых импульсов..

2. Масштабный преобразователь напряжения, содержащий распределитель тактовых импульсов, входной коммутатор, блок интегрирования, последовательно соединенные ключ и интегратор, первый вход входного коммутатора является входом преобразователя, второй вход входного коммутатора подключен к выхо ду преобразователя, управляющие входы входного коммутатора, ключа и интегратора соответственно подключены к первому, второму и тре1ьему выходам распределителя тактовых импульсов, о тл и ч а ю ш. и и с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены,аналоговый сумматор и преобразователь на» пряжения в ток, вход которого ïo âëþчен к выходу входного коммутатора, а выход - к информационному входу ключа, выход интегратрра подключен к информационному входу блока интегрирования, выход которого пойключен к первому входу аналогового сумматора, второй вход аналогового сумматора подключен к .первому входу входно1 о коммутатора, а вы1

xol1» К0 второму входу входного комму» татора, управлявший sxorr блока интегрирования подключен к четвертому входу распределителя тактовых импульсов.

13 922

Э. Масштабный преобразователь напряжения, содержащий распределитель тактовых импульсов, последовательно соединенные входной коммутатор, блок интегрирования, масштабный резистор, ключ, операционный усилитель и блок за -; поминания, в цепь обратной связи онерационного усилителя включены паралдельно соединенные переключатель и интегрирующий конденсатор, первый вход вход ного коммутатора является входом преобразователя, второй вход подключен к выходу преобразователя, управляющие входы входного коммутатора, ключа, пе-, реключателя и блока запоминания соответственно подключены к первому. второму, третьему и четвертому выходам распределителя импульсов, о.т л и ч аю щ и и с.я тем, что, с целью повышения точности, в него введен аналоговый 2о сумматор, первый вход которого подключен к выходу блока запоминания, второй выход — к первому входу входного коммутатора, а выход — ко второму входу вход ного коммутатора, третий вход которого 25, подключен к шине нулевого потенциала, 780

1 4 управляющий moA блока интегрирования подключен к пятому выходу распределителя тактовых импульсов.

4. Преобразователь по п.З, о т л ич а ю щ,и и с я тем, что, с целью иовы. щения быстродействия, первый блок ин тегрирования содержит последовательно соединенные преобразователь напряжения в ток, ключ„интегратор и блок запоминания, выход которого является выходом первого блок4 интегрирования, вход преобразователя напряжения в ток является входом первого блока интегрирования, управляющие входы ключа, интегратора и,блока запоминания являются управляющими входами первого блока интегрирования и подключены соответственно к пя тому, шестому и седьмому входам распределителя тактовых импульсов.

Источники информации, принятые во внимание при акспертизе ,1. Патент США М 3646545, кл. 340-347, опублик.. 1972.

2. Авторское свкдетельство СССР

% 619927, кл. 8 066 7/161, 1977

{ прототип). 922780

Составитель Т. Сапунова

Гчаактар tL Лукач Текрей С.Мкгузааа KoppssTpp C Шекывр

Заказ 2884/66, Ткракк 732 Лааекакае

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по.pqnaae юобретений и открытай 11ЗОЦ8, Москва, Ж-Збе Раушсиаи иаб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент, г. Ужгород, уа. Проектная, 4 Н ае,патЕйта Зам. lФ