Преобразователь аналогового сигнала в частоту с импульсной обратной связью

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в измерительных и управляющих системах для прецизионного преобразования биполярного напряжения или тока в частоту следования импульсов. Цель изобретения - повышение точности преобразования в области сигналов малого уровня. Преобразователь содержит измерительный преобразователь напряжения в ток, в состав которого входят первый и второй источники входного напряжения, резисторы первый и второй операционные усилители и резистор, интегратор на конденсаторе, интегрирующий усилитель-сумматор, включающий операционный усилитель, резистор и конденсатор, источник порогового напряжения, первый и второй компараторы, генератор тактовых импульсов, знаковый триггер, логический элемент 2И-2ИЛИ, управляющий триггер, формирователь нормированных импульсов обратной связи, выполненный в виде мостового коммутатора из четырех ключей и источника эталонного тока, элемент И и элемент ИЛИ. В преобразователе производится интегрированное определение полярности входного сигнала. При этом в области малых сигналов при наличии знакопеременных помех уменьшается частота переключения ключей мостового коммутатора, что приводит к уменьшению нелинейности преобразования. Исключен разрыв цепи, соединяющей выходы источника входного тока с выводами интегратора, что расширяет область применения преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (1)5 Н 03 M 1/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BT0PCHQMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4372699/24-24 (22) 01.02.88 (46) 23.08.90. Бюл ° № 31 (72) В.С. Малов (53) 681.325(088.8) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (56). Балакай В.Г. и др. Интегральные схемы АЦП и ЦАП, 19?8, с. 71-74, рис. 1.23.

Авторское свидетельство СССР № 1510087, кл. Н 03 М 1/60, 1987. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АНАЛОГОВОГО

СИГНАЛА В ЧАСТОТУ С ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в измерительных и управляющих системах для прецизионного преобразования биполярного напряжения или тока в частоту следования импульсов. Цель изобретения — повышение точности преобразования в области сигналов малого уровня, Преобразователь содержит измерительный преобразователь напряжения в ток, в состав которого входят первый и второй источники входного напряжения, резисторы, Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в измерительных и управляющих системах для преобразования биполярного напряжения или тока в частоту следования импульсов.

Цель изобретения — повышение точности преобразования, На фиг. I представлена функциональная схема преобразователя; на фиг,2 — временные диаграммы его работы.

„„SU„, 1587633 . А1

2 первь и и второй операционные усилители и резистор, víòåãðàòoð на конденсаторе, интегрирующий усилительсумматор, включающий операционный усилитель, резистор и конденсатор, источник порогового напряжения, первый и второй компараторы, генератор тактовых импульсов, знаковый триггер, логический элемент .2И-2ИЛИ, управляющий триггер, формирователь нормированных импульсов обратной связи, выполненный в виде мостового коммутатора из четырех ключей и источника эталонного тока, элемент И и элемент

ИЛИ. В преобразователе. производится интегрированное определение полярности входного сигнала ° При этом в области малых сигналов при наличии знакопеременных помех уменьшается частота переключения ключей мостового коммутатора, что приводит к уменьшению нелинейности преобразования. Исключен разрыв цепи, соединяющей выходы источника входного тока с выводами интегратора, что расширяет область при-. менения преобразователя. 1 s.ï. ф-лы, 2 ил.

Преобраэовате.. (фиг.l) содержит источник 1 входного тока, выполненный на первом 2 и втором 3 источниках входного напряжения, резисторах 4-8, первом 9 и втором 10 операционных усилителях и резисторе ll, интегратор 12 на конденсаторе, интегрирующий усилитель-сумматор 13, выполненный на операционном усилителе 14, резисторе 15 и,конденсаторе

16, источник 17 порогового напряжес 3 1587633 4 ння, первый 18 и второй 19 компараторы, генератор 20 тактовых импульсов, триггер 21, элемент 2И-2ИЛИ 22, триггер 23, формирователь нормирован5 ных импульсов обратной связи, выполненный в виде мостового коммутатора из четырех ключей 24-27 и источника 28 эталонного тока, элемент И 29, эпемент ИЛИ 30. 10

На фиг. 2 представлены следующие временные диаграммы: а — импульсы

> актовой частоты fT генератора 20; б,к,т — эпюры пилообразного напряжения.на вынодах интегратора 12; в„л, эпюры выходного напряжения интег-! рирующего усилителя-сумматора 13,", г — импульсы на выходе второго комцаратора 19; д,и,х — значения текуще-! т1о знака на выходе триггера 21; е,о, ь — импульсы на выходе элемента 2И2ИЛИ 22; ж,п,ч — импульсы на выходе триггера 23; з,р,ш — импульсы эталонного тока на выходе формирователя; и,с,щ — выходные импульсы преобразо- 25 нателя на выходе элемента или 30.

Источник 1 входного тока обеспечиает высокое ныходное сопротивление ри вьгполнении условия

R1 R3

Ъй .„".У

R2 R4

>."де Rl,R2,R3,R4 — номиналы сопротивлений резисторов 4-7. Значение выход— його тока источника 1 затекающего в интегратор 12, описывается выражением где Б U — напряжения входных источ1 9 ников 2 и 3;

К вЂ” коэффициент перецачи исРйт точника . R R — номиналы сопротивлений

0c 3 резисторов 8 и 11.

На фиг.2 эпюры б-и раскрывают про45 цесс преобразования входного напряже1 ния, равного U -U,=- — U „„„, эпюры к-с — входного напряжения Б -U,=

1 — — ° U a эпюры т-щ — входного 50

7 макс

6 напряжения Uä-U,- =— — U «, где

U — максимально возможное входмс<кс ное напряжение, определяемое как за К я, где Т вЂ” значение

55 на с зт П нт источника 28 эталонного тока.

Ключи мостового коммутатора включаются при появлении на соответствующем управляющем входе лог, "0", а выключаются лог. r>1 t> (например, может быть применена микросхема аналоговых ключей 590 КН 5), Элемент ИЛИ 30, стробируемый им— пульсами генератора 20, фиксирует моменты времени, когда оказываются включенными диагональные ключи мостового коммутатора и формирователь нормированных импульсов обратной связи выдает импульсы эталонного токка.

Преобразование входного напряжения н выходную частоту основано на принципе сравнения и уравновешивания зарядов интегратора 12 от входного тока источника 1 и уравновешивающих импульсов обратной связи формирователя, нормированных по амплитуде источником 28 эталонного тока и,цлительности генератором 20 и триггерами 21 и 23, Преобразователь тока н частоту образует следящую систему с замкнутой петлей отрицательной обратной связи, работающей на принципе,цельта-сигма модулятора. В замкнутой системе происходят антоколебания с частотой, кратной тактовой частоте генератора 20.

Преобразователь работает следующим образом.

Измеряемое напряжение источников

2 и 3 преобразуется в пропорциональный ток и непрерывно заряжает конденсатор 12. При превышении напряжения

U источника 3 над напряжением U источника 2 напряжение на выводах конденсатора 12 начинает увеличиваться (фиг.2б ). Напряжение на выходе интегрирующего усилителя-сумматора 13 равно сумме напряжения на выводах конденсатора 12 и напряжения на выводах конденсатора 16, поэтому по форме оно повторяет входное напряжение (фиг,2в) . При превышении напряжения Uz порога срабатывания второго комцаратора 19, определяемого положительным источником 17, второй компаратор выдает единичный импульс (фиг .2r) и триггер 21 устанавливается н сос: îÿíèå лог,"0" (фиг.2д), фиксируя текущее значение полярности входного напряжения. Информация второго компаратора 19 будет также передана через элемент 2И-2ИЛИ 22 на триггер 23 и в момент времени, когда на выходе появится лог, "1", формирователь нормированных импульсов обратной

5 15876 связи Выдаст эталонный имлульc Отри цательной полярности, компенсирующий заряд конденсатора 12, накопленный от входного сигнала (фиг.2е,ж,з), 5

Ha bt o e eMeHT HJIH 30 появятся импульсы, являющиеся частью импульсов генератора 20, частота которых будет пропорциональна входному напряжению. 10

В общем случае мостовой коммутатор может иметь четыре состояния.

Первые два случая соответствуют моментам времени, когда триггеры 21 и

23 находятся в одинаковых состояниях и оказываются включенными ключами 24, 26 или 25,27. При этом источник 28 эталонного тока оказывается замкну тым через указанные ключи и формирователь импульсов обратной связи 20 выдает в интегратор 12 нулевой ток.

Вторые два случая соответствуют моментам времени, когда триггеры 21 и

23 находятся в противоположных состояниях и оказываются включенными 25 диагональные ключи 24, 27 или 25; 26, При этом источник 28 эталонного тока через укаэанные ключи подключается к выводам интегратора 12 и формирователь импульсов обратной связи выдает 30 положительный или отрицательный импульс эталонного тока.

При превышении напряжения U, источника 2 над напряжением источника 3 напряжение на выводах конденса35 тора 12 уменьшается до момента срабатывания первого компаратора 18. При этом единичный импульс на его выходе устанавливает триггер 21 в состояние лог. l, фиксируя текущее значение

1! отрицательной полярности входного сигнала (фиг. 2к,л,м,н), Информация первого компаргтора 18 через его инверсный выход будет передана через элемент 2И-2ИЛИ 22 на триггер 23, и формирователь нормированных импульсов обратной связи выдаст эталонный импульс положительной полярности, компенсирующий заряд конденсатора 12, накопленный от отрицательного входного сигнала (фиг.2с,п,р). На выходе элементаИЛИ 30 появятся выходные частотные импульсы преобразователя (фиг ° 2с).

Для устойчивого разделения поляр55 ности входного сигнала на выходе триггера 21 пороги срабатывания первого 18 и второго 19 компараторов должны быть разнесены на величину на33 6 пряжения источника 1 7, определяемого из условия

11 „, з „.,./C, где Т вЂ” период тактовой частоты гет нератора 20; е

С вЂ” емкость конденсатора 12.

P. устройстве показания на выходе схемы формирования разряда преобразователя будут изменяться только при нанакоплении на конденсаторе 12 напряжения U, превышающего U <><. При преобразовании входного напряжения малого уровня на уровне знакопеременных помех снижается чувствительность изменения показаний знакового разряда и уменьшается частота переключения ключей мостового коммутатора, что улучшает линейность преобразования напряжения в частоту.

Частота выходных импульсов преобразователя с выхода элемента ИЛИ 30 определяется выражением

8ых (01 1) 1 унт 1 панч где К „ — коэффициент передачи преобразователя тока в частоту.

В устройстве между выводами интегратора 12 и входами устройства сравнения включен интегрирующий усилитель-сумматор 13, имеющий передаточную характеристику

1 р.Р15 Сlб где С!6,RI5 — номиналы конденсатора

16 и резистора 15.

Работа устройства сравнения по сумме напряжения интегратора 12 и напряжения, пропорционального интегралу от напряжения интегратора 12, позволяет непрерывно чувствовать постоянную составляющую напряжения интегратора 12 и автоматически сводить ее к нулю во всем диапазоне входных напряжений (фиг.2б,в,к,л,т,у). Напряжение пилообразной формы на выводах интегратора 12 всегда симметрично около нуля, данное свойство уменьшает влияние сопротивления утечки интегратора. Постоянная времени интегрирующего усилителя-сумматора 13 выбирается из условия R15.С16 )>1О Т

Структура предлагаемого преобразователя напряжения в частоту позволяет получить точность преобразования на уровне +(1-5).10 < Х.

1587633

Формула, изобретения

1. Преобразователь аналогового сйгнала в частоту с импульсной обрат5 ной связью, содержащий источник входного тока, выход которого соединен с соответствующим первым выводом интегратора, выполненного на конденсаторе, первый и второй выводы которого сое- 10 дннены с первым и вторым входами иь1тегрирующего усилителя-сумматора и соответствующими выходами формирователя нормированных импульсов обратной связи, выполненного на мостовом коммутаторе из четырех ключей и источнике эталонного тока, включенном в первую диагональ мостового коммутатора, ! вторая диагональ которого является вь1ходами формирователя нормированных импульсов обратной связи, к первому из которых подключен неинвертирующий в од первого компаратора, инвертируюй вход которого соединен с выходом интегрирующего усилителя-сумматора, 25 а прямой выход подключен к первому входу первого триггера, второй вход которого объединен с первым входом второго триггера и первыми входами п рвого и второго элементов И, и под- 30 к ючен к выходу генератора тактовых импульсов, второй .вход первого элемента И объединен с первым управляю-! щам входом мостового коммутатора и ! пОдключен к прямому выходу второго триггера, инверсный выход которого сОединен с вторым управляющим входом мОстового коммутатора и подключен к второму входу второго элемента И„ третий вход которого объединен с тре- 40 тьим управляющим входом мостового коммутатора и подключен к прямому вмходу первого триггера. инверсный выход которого соединен с четвертым управляющим входом мостового комму- 45 татора и третьим входом первого элемента И, неинвертирующий вход второго компаратора соединен с выходом интегрирующего усилителя-сумматора, о тл и ч а ю шийся тем что с це50 лью повышения точности.преобразования, в него введены источник порогового напряжения, элемент ИЛИ, элемент 2И-2ИЛИ, первый вход которого соединен с инверсным выходом первого компаратора, второй вход — с прямым выходом первого триггера, инверсный выход которого подключен к третьему входу элемента 2И-2ИЛИ, четвертый вход котсрого объединен с третьим входом первого триггера и подключен к выходу второго компаратора, второй вход которого через источник порогового напряжения соединен с общей г.иной и первым входом формирователя нормированных импульсов обратной связи, прямой и инверсный выходы элемента 2И-2ИЛИ подключены соответственно к второму и третьему входам второго триггера, выходы первого и второго элементов И соединены с первым и вторым входами элемента ИЛИ,выход которого является выходной информационной шиной, а прямой ход первого триггера является выходной знаковой шиной.

2. Преобразователь по п, 1, о т— л и ч а ю шийся тем, что источник входного тока выполнен в виде измерительного преобразователя напряжения в ток на двух операционных усилителях и шести резисторах, первые вь.воды первого и. второго из которых подключены соответственно к первым выходам первого и второго источников входного напряжения, вторые выводы подключены соответственно к инвертирующим входам первого и второго операционных усилителей и к первым выводам соответственно третьего и четвертого резисторов, вторые выводы которых подключены к выходам первого и второго операционных усилителей соответственно и к первым выводам соответственно пятого и шестого резисторов, второй вывод пятого резистора объединен с первым выводом четвертого а второй вывод шестого резистора подключен к неинвертирующим входам первого и второго операционных усилителей и является выходом измерител1ного преобразователя, вторые выходы первого и второго источников вход— ного напряжения подключены к общей шине.

1 )8: о. ) 3

1587633 г д

Составитель В. Махнанов

Редактор С. Пекарь Техред Л.Сердюкова Корректор Т. Малец

3аказ 2427 Тираж 666 Подписное

ВИИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101