Интегральный преобразователь

 

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для преобразования в частоту сигналов от датчиков тока, имеющих непостоянную нулевую составляющую, изменяющуюся от многих факторов. Преобразователь содержит интегратор, два компаратора, три одновибратора, счетчики, шифратор, логические элементы, коммутатор и генератор импульсов. Работа преобразователя основана на интегрировании входного сигнала и сбросе интегратора при достижении выходным сигналом интегратора заданного уровня. Генератор импульсов, счетчики, шифратор, один из одновибраторов, коммутатор и логические элементы образуют схему компенсации сигнала смещения преобразователя или датчика тока. Изобретение направлено на уменьшение времени переходного процесса при компенсации сигнала смещения преобразователя или датчика тока для использования преобразователя в динамических системах. 1 ил.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для преобразования тока в частоту в устройствах с высокими требованиями к надежности и точности преобразования.

Известен преобразователь напряжения в частоту, см., например, описанный в [1], содержащий последовательно соединенные интегратор, первый компаратор, первый одновибратор, охваченные отрицательной обратной связью на первый вход интегратора, второй вход интегратора соединен со входом интегрального преобразователя, а выход первого одновибратора с первым входом коммутатора.

Недостаток известного устройства состоит в том, что оно не позволяет проводить компенсации нулевого сигнала (сигнала смещения) как самого преобразователя, так и сигнала смещения датчика тока, что во многих случаях не позволяет получить требуемой точности преобразования.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является интегральный преобразователь [2], содержащий интегратор, первый и второй компараторы, первый и второй одновибраторы, коммутатор, реверсивный счетчик, преобразователь код - напряжение.

Недостаток этого устройства состоит в том, что оно имеет большое время переходного процесса, в течение которого достигается требуемая точность компенсации (сигнала смещения) как самого преобразователя, так и сигнала смещения датчика тока.

Задача изобретения - снижение времени переходного процесса, в течение которого достигается требуемая точность компенсации (сигнала смещения) как самого преобразователя, так и сигнала смещения датчика тока.

Эта задача достигается тем, что в интегральный преобразователь содержащий, интегратор, первый и второй компараторы, первый и второй одновибраторы, коммутатор и реверсивный счетчик, суммирующий и вычитающий входы которого соединены с соответствующими выходами коммутатора, вход управления которого подключен к шине управляющего сигнала, а вход интегрального преобразователя соединен с входом интегратора, выход которого подключен к входам первого и второго компараторов, соединенных своими выходами соответственно с входами первого и второго одновибраторов, выходы которых подключены соответственно к инвертирующему и к неинвертирующему входам интегратора, дополнительно введены первый и второй элементы ИЛИ, первый, второй, третий и четвертый элементы И, генератор импульсов, счетчик импульсов, третий одновибратор, шифратор и программируемый счетчик, входы управления которого соединены с соответствующими выходами шифратора, С-вход программируемого счетчика соединен с выходом четвертого элемента И, первый вход которого подключен к неинверсному выходу счетчика импульсов, а второй вход подключен к выходу генератора импульсов и первому входу третьего элемента И, второй вход которого соединен с шиной управляющего сигнала, а третий вход подключен к инверсному выходу счетчика импульсов, С-ходы шифратора соединены с соответствующими выходами реверсивного счетчика, неинверсный выход знакового разряда которого соединен с первым входом первого элемента И, а инверсный выход знакового разряда соединен с первым входом второго элемента И, выход программируемого счетчика соединен с выходом третьего одновибратора, выход которого подключен к вторым входам первого и второго элементов И, соединенных своими выходами соответственно со вторыми входами первого и второго элементов ИЛИ, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго одновибраторов, а выходы первого и второго элементов ИЛИ подключены к соответствующим входам коммутатора и являются выходами интегрального преобразователя.

На чертеже приведена блок-схема интегрального преобразователя, где 1 -интегратор, 2 - первый компаратор, 3 - первый одновибратор, 4 - второй компаратор, 5 - второй одновибратор, 6 - первый элемент ИЛИ, 7 - второй элемент ИЛИ, 8 - первый элемент И, 9 - второй элемент И, 10 - коммутатор, 11 - реверсивный счетчик, 12 - вход интегрального преобразователя, 13 - шина управляющего сигнала, 14 - генератор импульсов, 15 - третий элемент И, 16 - счетчик импульсов, 17 - четвертый элемент И, 18 - программируемый счетчик, 19 - третий одновибратор, 20 - шифратор.

В интегральном преобразователе выход интегратора 1 соединен с входами первого 2 и второго 4 компараторов, выходы которых соединены соответственно с входами первого 3 и второго 5 одновибраторов. Выход первого одновибратора 3 соединен с инвертирующим входом интегратора 1 и первым входом первого элемента ИЛИ 6, второй вход которого подключен к выходу первого элемента И 8. Выход второго одновибратора 5 соединен с неинвертирующим входом интегратора 1 и первым входом второго элемента ИЛИ 7, второй вход которого подключен к выходу второго элемента И 9. Выход генератора импульсов 14 соединен с первым входом третьего элемента И 15 и вторым входом четвертого элемента И 17, первый вход которого соединен с неинверсным выходом счетчика импульсов 16, инверсный выход которого подключен к третьему входу третьего элемента И 15. Шина управляющего сигнала 13 соединена с вторым входом третьего элемента И 15 и входом управления коммутатора 10, выходы которого подключены к соответствующим входам реверсивного счетчика 11, выходные сигналы которого соединены с соответствующими входами шифратора 20. Неинверсный выход знакового разряда реверсивного счетчика 11 подключен к первому входу первого элемента И, инверсный выход знакового разряда подключен к первому входу второго элемента И 9. Выход четвертого элемента И 17 соединен с С-входом программируемого счетчика 18, выход которого соединен с входом третьего одновибратора 19, а входы управления программируемого счетчика 18 соединены с соответствующими выходами шифратора 20. Выход одновибратора 19 подключен к вторым входам первого 8 и второго 9 элементов И. Выходы первого 6 и второго 7 элементов ИЛИ соединены с соответствующими входами коммутатора 10 и являются выходами интегрального преобразователя. Выход третьего элемента И 15 соединен с С-входом счетчика импульсов 16, вход интегрального преобразователя 12 подключен к входу интегратора 1.

Преобразователь работает следующим образом. Ток, поступающий на вход 12, попадает на вход интегратора 1, вызывая рост напряжения на его выходе. По достижении порогового уровня первого 2 (или второго 4) компаратора последний срабатывает и на его выходе появится высокий уровень, который поступит на вход первого 3 (или второго 5) одновибратора. В результате этого одновибратор сформирует импульс строго определенной длительности и амплитуды. Этот импульс поступит на инвертирующий (или неинвертирующий) вход интегратора 1 и уменьшит уровень напряжения на выходе последнего. Одновременно этот импульс поступит на один из выходов интегрального преобразователя, проходя через первый 6 (или второй 7) элемент ИЛИ.

При необходимости проведения компенсации сигнала смещения (изменяющегося от температуры, от включения к включению и т. д.) как самого преобразователя, так и датчика тока необходимо подать на шину управляющего сигнала 13 разрешающий уровень. Этот уровень поступит на управляющий вход коммутатора 10 и разрешит прохождение импульсов с выхода первого 6 и второго 7 элементов ИЛИ на суммирующий или вычитающий входы реверсивного счетчика 11. В исходном состоянии счетчик импульсов 16 обнулен и его выходной сигнал U_н на неинвертирующем выходе имеет низкий уровень (U_н=0), а на инвертирующем выходе высокий уровень (U_и=1). В этом случае сигналы с выхода генератора импульсов 14 не проходят на С-вход программируемого счетчика 18, так как четвертый элемент И 17 блокирует их прохождение. Одновременно сигналы с выхода генератора импульсов 14 через третий элемент И 15 поступают на С-вход счетчика импульсов 16. При переходе последнего разряда счетчика импульсов 16 в единичное состояние (выходные сигналы U_н=1, U_и=0) третий элемент И 15 блокирует прохождение сигналов с выхода генератора импульсов 14 на С-вход счетчика импульсов 16, а четвертый элемент И 17 разрешает прохождение этих сигналов на С-вход программируемого счетчика импульсов 18.

Пусть счетчик импульсов 16 и реверсивный счетчик 11 имеют (n+1) разряд, программируемый счетчик 18 имеет n разрядов, а частота генератора импульсов 14 равна f₀ . Время Т₀ от момента поступления управляющего сигнала на шину 13 до появления сигнала U_н=1 будет равно 2 ⁿ/f₀. В течение этого времени на вход реверсивного счетчика 11 будут поступать импульсы с выхода интегрального преобразователя f₊, соответствующие, например, положительному сигналу смещения. Пусть за время Т₀ на вход реверсивного счетчика 11 поступило N импульсов. Для осуществления полной компенсации сигнала смещения необходимо в течение каждого интервала времени То формировать на выходе интегрального преобразователя N импульсов, соответствующих отрицательному входному сигналу.

Пусть сигнал смещения таков, что частота выходного сигнала интегрального преобразователя равна f_см. За время Т₀ на вход реверсивного счетчика поступит число импульсов N= f _см· Т₀. Если максимальное значение f_см, соответствующее максимально возможному сигналу смещения, равно f_см.max, то за время Т₀ на вход реверсивного счетчика 11 поступит число импульсов N _max= f_см.мах· Т₀. Выберем Т₀ таким, чтобы N_max=2ⁿ -1. В этом случае частоту f₀ генератора импульсов 14 зададим как

Если за время Т₀ на вход реверсивного счетчика 11 поступает N импульсов, то частота f_см будет равна

Рассмотрим более подробно работу интегрального преобразователя. По истечении времени Т₀ на входе шифратора 20 формируется код, соответствующий положительному числу N. Шифратор 20 формирует на своем выходе такой код, чтобы коэффициент деления К_д программируемого счетчика 18 при поступлении на его вход импульсов частотой f₀ обеспечивал на выходе частоту следования импульсов f_см. В соответствии с (1) и (2) коэффициент деления К_д определяется в виде

В момент времени Т₀ на вход программируемого счетчика 18 начинают поступать импульсы частотой f₀ . На выходе программируемого счетчика 18 формируются импульсы частотой f_см, преобразуемые в заданную длительность одновибратором 19. Так как в реверсивный счетчик 11 записано положительное число N, то выходной сигнал на неинвертирующем выходе знакового разряда реверсивного счетчика 11 U₊ =0 (низкий уровень), а на инвертирующем выходе U_-=1 (высокий уровень). В этом случае сигнал U_-=1 разрешает прохождение импульсов с выхода третьего одновибратора 19 через второй элемент И 9 на вход второго элемента ИЛИ 7, с выхода которого формируются импульсы f_- на втором выходе интегрального преобразователя. Таким образом, выходной сигнал интегрального преобразователя, определяемый как алгебраическая сумма импульсов f₊ и f_- за некоторый промежуток времени, будет близок к нулю. Иначе говоря, с момента времени Т₀ интегральным преобразователем осуществляется полная компенсация сигнала смещения.

В случае отрицательного сигнала смещения на вычитающий вход реверсивного счетчика 11 в течение времени Т₀ поступит N импульсов и код этого счетчика соответствует отрицательному числу. В этом случае выходной сигнал на неинверсном выходе знакового разряда реверсивного счетчика 11 U₊ =1 (высокий уровень), а на инверсном выходе U_-=0 (низкий уровень). Сигнал U₊=1 разрешает прохождение импульсов с выхода третьего одновибратора 19 через первый элемент И 8 на вход первого элемента ИЛИ 6, с выхода которого формируются импульсы f₊ интегрального преобразователя. Шифратор 20 преобразует модуль числа N в код, обеспечивая коэффициент деления программируемого счетчика в соответствии с (2). Как и в случае положительного смещения выходной сигнал интегрального преобразователя, определяемый как алгебраическая сумма импульсов f₊ и f_- за некоторый промежуток времени, будет близок к нулю.

По сравнению с известным интегральным преобразователем [2], предлагаемое решение обеспечивает существенно меньшее время переходного процесса. Предположим, что входной сигнал изменяется в пределах ± 10 мА, а сигнал смещения составляет I_см.max=± 0,1 мА. Предположим также, что интегральный преобразователь должен скомпенсировать сигнал смещения до уровня Δ =0,0001 мА. В известном устройстве в процессе проведения компенсации сигнала смещения каждый импульс, поступающий на вход реверсивного счетчика, изменяет входной сигнал на величину Δ . Определим время переходного процесса Т_п в известном устройстве при проведении компенсации сигнала I_см.max . Учитывая, что отношение I_см.max/Δ =1000, число разрядов реверсивного счетчика n=10. Пусть входному сигналу 10 мА соответствует частота выходного сигнала 1000 Гц. В этом случае при входном сигнале Δ =0,0001 мА частота выходного сигнала будет равна О,01 Гц, что соответствует периоду следования импульсов ТΔ =100 с. Время переходного процесса ТΔ в известном устройстве можно определить в виде

Это время Т_п ≅ 650 с. При проведении компенсации каждый импульс на выходе интегрального преобразователя, поступающий на вход реверсивного счетчика, уменьшает сигнал на входе интегратора на величину Δ , что приводит к уменьшению времени достижения выходным сигналом интегратора 1 порога срабатывания компаратора, что и отражает равенство (4).

Выберем в предлагаемом решении Т₀ =ТΔ . Это время и определяет время переходного процесса Т_п =100 с предлагаемого преобразователя, что непосредственно следует из описания. Таким образом, время переходного процесса предлагаемого интегрального преобразователя в несколько раз меньше времени переходного процесса известного устройства. Снижение времени переходного процесса компенсации сигнала смещения имеет существенное значение, например, при использовании интегрального преобразователя в динамических системах, например в системах управления движением космических аппаратов в каналах преобразования сигналов акселерометров, где время компенсации (время отключения исполнительных двигателей) весьма ограничено.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства можно использовать стандартные схемы интегратора, компаратора, одновибратора и логические элементы цифровых микросхем любых серий, например, 564 и т.д.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР N 921080, кл. Н 03 К 13/20, от 24.07.81. Преобразователь напряжения в частоту.

2. Патент Российской Федерации N 2138826, МПК 6 G 01 R 19/252 от 27. 09. 99. Интегральный преобразователь.

Формула изобретения

Интегральный преобразователь, содержащий интегратор, первый и второй компараторы, первый и второй одновибраторы, коммутатор и реверсивный счетчик, суммирующий и вычитающий входы которого соединены с соответствующими выходами коммутатора, вход управления которого подключен к шине управляющего сигнала, а вход интегрального преобразователя соединен с входом интегратора, выход которого подключен к входам первого и второго компараторов, соединенных своими выходами соответственно с входами первого и второго одновибраторов, выходы которых подключены соответственно к инвертирующему и к неинвертирующему входам интегратора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый и второй элементы ИЛИ, первый, второй, третий и четвертый элементы И, генератор импульсов, счетчик импульсов, третий одновибратор, шифратор и программируемый счетчик, входы управления которого соединены с соответствующими выходами шифратора, С-вход программируемого счетчика соединен с выходом четвертого элемента И, первый вход которого подключен к неинверсному выходу счетчика импульсов, а второй вход подключен к выходу генератора импульсов и первому входу третьего элемента И, второй вход которого соединен с шиной управляющего сигнала, а третий вход подключен к инверсному выходу счетчика импульсов, С-вход которого соединен с выходом третьего элемента И, при этом входы шифратора соединены с соответствующими выходами реверсивного счетчика, неинверсный выход знакового разряда которого соединен с первым входом первого элемента И, а инверсный выход знакового разряда соединен с первым входом второго элемента И, выход программируемого счетчика соединен с выходом третьего одновибратора, выход которого подключен к вторым входам первого и второго элементов И, соединенных своими выходами соответственно с вторыми входами первого и второго элемента ИЛИ, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго одновибраторов, а выходы первого и второго элементов ИЛИ подключены к соответствующим входам коммутатора и являются выходами интегрального преобразователя.

РИСУНКИ