Функциональный преобразователь

 

Союз Соватсиии

Социалистические

Республми

Опубликовано 15.04.82. Бюллетень № 14

Дата опубликования описания 18.04.82 (5! }M. Кл, Q 06 3 7/26

1ееудерстееииый кеиитет

СССР ао лелем изобретений и открытий (53} УДК681.335 (088.8) И. К). Сергеев, В. И. Губарь, IO N Туз, В. М. Л ттитт ;"

Н. М. Павлишин, В. С. Артеменко, В. К. Рощин rr."; В. И. Pycim (72) Авторы изобретения

Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия

Великой Октябрьской социалистической революшти,. (71 ) Заявитель (54) ФУНКПИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматического управления, в частности к функциональным преобразователям, и может быть использовано при построении

5 информапионно-измерительных систем и систем автоматического контроля.

Известны функциональные преобразователи, используемые при построении информационно-измерительных систем, 10 представляющие собой преобразователи кода в напряжение интегрирующего типа и использутощие в процессе преобразования итерационную аддитивную коррекцию погрешностей. Основными блоками в этих схемах являются интегратор, блок выборки-хранения и ключи 11 и 2

Благодаря использованию в этих структурах итерационной аддитивной коррекции погрешности достигается высокая точность преобразования при относительной простоте устройства и сравнительно низких требованиях к элементам и блокам, вход в Нх состав.

Недостатком этих преобразователеи является ограниченность функциональных возможностей, в час "íîñòè невозможность преобразования емкости в напряжение и определения тангенса угла диэлектрических потерь.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является функпиональный преобразователь, содержащий интегратор с подключенными к его входу первым и вторым ключами, блок выборки-хранения, включенный между выходом интегратора и выходом преобразователя, источник эталонного напряжения и блок управления, соединенные с первым и вторым ключами и блоком выборки-хранения, третий ключ, подключенный к источнику эталонного напряжения, первому ключу и блоку управления, четвертый ключ, подключенный к выходу преобразователя, второму ключу и блоку управления., a также два конденсатора. один из которых подключен к первому ключу, а второй — ко второму клкчу.

Функштопальный преобразователь рабо». тает циклично. Каждый цикл состоит из поочередных замыканий ключей в цели обратной связи, прямой цепи и ключа в блоке выборки-хранения. Напряжение на выходе функционального преобразователя пропорционально емкости кондей- . сатора, включенного и прямую цепь (3), - Однако такой функциональный преобразова ель обладает погрешностью, которая обусловлена токами, утечки самого конденсатора, токами утечки ключей, а также токами утечки конденсатора в цепи обратной связи и его нестабильностьюю.

Цель изобретения — увеличение точЙости преобразования функционального преобразователя за счет компенсации погрешности, обусловленной токами утечки конденсаторов и ключей, а также устранения погрешности, вызванной нестабильностью Bc To IHHII II эталонного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в функциональный преобразователь, содержащий последовательно соединенные источник эталонного напряжения, первый и второй ключи, интегратор и блок выборки-хранения, накопительный конденсатор, включенный между общим выводом первого и второго ключей и шиной нулевого потенциала, и блок синхронизации, первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого ключа и блока выборки-хранения, введены преобразователь напряжения в интервал времени, реверсивный счетчик импульсов, генератор, делитель частоты, третий ключ и формирователь временных сдвигов, информационный и управляющий входы которого подключены к третьему и четвертому выходам блока синхронизации, а выход соединен с управляющими входами второго и третьего ключей, включенных между вторым выходом источника эталонного напряжения и I.Торым входом интегратора, вход преобразователя напряжения в интервал времени подключен к выходу блока выборки хранения, выход соединен с первым стробирующим входом реверсивного счетчика импульсов, а управляющий вход связан с пятым выходом блока синхронизации, шестой и седьмой вы-. ходы которого подключены соответственно ко второму стробирующему входу реверсивного счетчика импульсов и управляющему входу генератора, причем

66 4 суммирующий вход реверсивного счет чика импульсов непосредственно, а вычитаюший вход через делитель частоты подключены к выходу генератора, а вь:ход реверсивного счетчика является выходом преобразователя.

На фиг. 1 представлейа структурная схема предложенного устройства; на фиг. 2 - схема блока синхронизации! на фиг. 3 - временные диаграммы его работы.

Источник 1 эталонного напряжения через ключ 2 и ключ 3 соединен с первым входом интегратора 4. Выход интегратора 4 соединен с входом блока 5 выборки-хранения. Блок 6 синхронизации соединен с управляющими входами ключа 2 и блока 5 выборки-хранения. Накопительный конденсатор 7 включен между ключами 2 и 3 и шиной нулевого потенциала.

Преобразователь 8 напряжения в интервал времени соединен с реверсивным счетчиком 9 импульсов, к суммирующему входу которого подключен выход генератора 10. Выход реверсивного счетчика 9 импульсов является выходом функционального преобразователя. Выход генератора 10 соединен с делителем 11 частоты, который подключен к вычитающему входу реверсивного счетчика 9 импульсов. Блок 6 синхронизации соединен с преобразователем 8 напряжения в интервал времени, генератором 10, стробирующим входом реверсивного счетчика 9 импульсов, управляющим и информационным входами формирователя 12 временных сдвигов, который соединен с управляющим входом ключа 3. Выход

О преобразователя 8 напряжения в интервал времени соединен с управляющим входом ключа 13. Ключ 13 включен между источником 1 эталонного напряжения и вторым входом интегратора 4.

Блок 6 синхронизации состоит из

5 задающего генератора 14, к выходу которого подключен счетчик-делитель 15.

Выходы счетчика 15 подключены ко входам дешифратора 16, к выходам которого подключены два 6-входовых

17 и 18 и двухвходошяй 19 элементы ИЛИ. На выходе блока 6 синхронизации подключены логические элементыИ20и21, Блок 6 синхронизации вырабатывает следующие сигналы управления: сигнал управления ключом 2 (предназначен для заряда конденсатора 7 и вырабатывается один раз за такт); два сигнала для

20766 6 х Калиброванная временная задержка

Т и Л Т между размыканием ключа 2 и замыканием ключа 3 осуществляется с помощью формирователя 12 временных сдвигов, который может представлять набор управляемых линий задержек (например, на 1С -цепочках) или набор управляемых ждущих мультивибраторов (возможны и другие реализации формиlQ рователя 12 временных сдвигов) .

В каждом из циклов работы функционального преобразователя блок 6 синхронизации обеспечивает подключение требуемой линии задержки (на время ТО в !

5 первом цикле и на время XT< - во вто ром) .

Выведем уравнение преобразования для первого цикла работы.

Предположим, перед началом преобgg разования напряжение на выходе блока 5 выборки-хранения равно U, а заряд на конденсаторе 7 равен нулю.

Так как напряжение на выходе блока 5 выборки-хранения равно ЦН, то ключ 13

25 будет замкнут на время

Т =К ) где К вЂ” коэффициент преобразования о преобразователя 8 напряжения в интервал времени. При замыкании ключа 13 на время Т напряжение на выходе интегран тора 4 равно

Сз управления формирователем 12 временны сдвигов, причем один сигнал вырабатывается в каждом такте первого цикла работы функционального преобразователя, а второй — в каждом такте второго цжла; сигнал для стробирования реверсивного счетчика 9 (вырабатывае1 ся каждый 6-ой такт); сигнал для управ ления ключом блока 5 выборки-хранения, (вырабатывается каждый такт); сигнал для стробирования преобразователя 8 напряжения в интервал времени (вырабатывается каждый такт); сигнал для управления генератором 10 (в каждом такте первого цикла выход генератора 10 подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика 9, а в каждом такте второго никла— через делитель частоты ll к вычитающему входу реверсивного счетчика 9).

Работа блока 6 синхронизации поясняется временными диаграммами (см. фиг. 3).

С палы С, DC%, ...ЭСа — с налы на выходах дешифратора 16, 1 — выходная частота задающего генератора 14, который вырабатывает импульсы с большой скважностью.

Выход ci — сигнал управления ключом 2, ключом блока 5 выборки-хранения и преобразователем 8 напряжения в интервал времени; выходы о и выходы управления формирователем 12 временных сдвигов; выход - выход сигнала, стробирующего реверсивный счетчик 9; выходы д и 6 — выходы сигналов управления генератора 10.

Функциональный преобразователь работает в два цикла, каждый из которых состоит из нескольких тактов.

В каждом такте первого цикла осуществляется: заряд конденсатора 7 от источника l эталонного напряжения с последующим разрядом на вход интегратора 4, причем время между размыканием ключа 2 и замыканием ключа 3 равно То, интегрирование интегратором 4 отрицательного напряжения источника 1 эталонного напряжения в течение времени gТ, обусловленного напряжением на выходе блока 5 выборки-хранения; выборка выходного напряжения интегратора 4 блоком 5 выборки-хранения с последующим запоминанием в течение следующего такта.

Второй цикл отличается от первого только тем, что время между размыканием ключа 2 и замыканием ключа 3 равно Л Т, где Л 7,0. ок" н

0 " К„аС< где Кп — коэффициент передачи блока 5 выборки-хранения;

Я вЂ” сопротивление интегратора по входу подачи компенсирующего отрицательного напряжения источника 1 эталонного напряжения;

С вЂ” емкость конденсатора интегратора 4 о — напряжение источника 1 эталонного напряжения, При замыкании ключа 2 на время,Т напряжение на конденсаторе 7 равно

Ы„=ь (<-е где ь — постоянная времени цепи за5О ряда конденсатора 7 при замкнутом ключе 2.

При последующем замыкании ключа 3 напряжение на интеграторе 4 станет ра.Вны м

Uè БОК н - сдаст п

920766 при T м ь„получают

40

8 „рЯС ф<>(1-f}= t." где 4=

Аналогично, после окончания второго такта

С КК„Ео ККп50 g-Epg

4 С4 1С4

После окончания h -ro такта получают

Выражение Ц„состоит из двух частей: геометрической прогрессии, сходящейся при выполнении условия ккпЕО

9 1- (1>

30 и убывающего, при этом же.условии, члена. В результате, при выполнении условия "n в установившемся режиме (тт.- то) напряжение на выходе блока 5 выборки-хранения равно

R „= — „С„

После преобразования этого напряжения в интервал времени получают т = О„=яС

Формулу с учетом погрешности утечки конденсатора 7 и ключей 2 и 3 за время Т0 и за время разряде конденсатора 7 на интегратор 4 можчо записать в виде ! где R >> - суммарное сопротивление па50 раллельно включенных сопротивлений утечки R конденсатора 7 и сопротивлений закрытых ключей 2 и 3.

Количество тактов в цикле выбирается и зависимости от параметра сходимости

9 и требуемой пот рещности преобразования f . Обычно число тактов n = 4-6.

Допустим, е 6.

Выход преобразователя 8 напряжения в интервал времени соединен с одним стробирующим входом реверсивного счет чика импульсов 9, а блок 6 синхронизации соединен с другим стробирующим входом реверсивного счетчика импульсов 9. По истечении 6-го такта первого цикла преобразования блок 6 синхронизации стробирует реверсивный счетчик 9 импульсов и одновременно подключает выход генератора 10 к суммирующему входу реверсивного счетчика 9 импупь сов. Следовательно, в течение времени

Т, > реверсивный счетчик 9 импульсов насчитает Ny импульсов от генератора 10 ч =ет где f - частота генератора 10.

Уравнение преобразования для второго цикла можно получить аналогично выратттению для

Во втором цикле работы функционального преобразователя после окончания

6-го такта блок 6 стробирует реверсивный счетчик 9 импульсов и подключает выход генератора 10 ко входу делителя

11 частоты, выход которого соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика 9 импульсов. Частоте на выходе делителя 11 частоты определяется выражением А K 9Î 0 где 0(<

Б этом случае код, записанный в реверсивный счетчик 9 импульсов, определяется выражением

Учитывая выражения Т„ и Т„,;, последнюю формулу можно записать в виде т, т, !!,„=Ее„Е, т-Е- —, К „,С„Е

Если выбрать !е = 1, то последнее выражение будет иметь вид

Таким образом, погрешно.ть от утечки конденсатора 7 и ключей 2 и 3 скомпенсирована, Введение в устройство преобразователя напряжения в интервал времени, 920 766

10 реверсивного счетчика импульсов, генератора, делителя час то ты, . формирователя временных сдвигов и ключа с соответствующими связями выгодно отличают предложенный функциональный преобразователь 5 от известного, поскольку увеличена точность преобразования, уменьшены требования к стабильности некоторых блоков преобразователя. В частности, в уравнение преобразования предлагаемого функцио- to нального преобразователя не входит напряжение источника 1 эталонного напряжения и поэтому требования к его стабильности уменьшены, в отличие от известногоо функционального преобразователя,15 в уравнение преобразования (которого входит напряжение Е источника эталонного напряжения. В предлагаемом устройстве, в отличие от известного, нет эталонного конденсатора в цепи об- 2о ратной связи, поэтому соответственно уменьшается и погрешность преобразования за счет исключения утечки эталонного конденсатора и соответствующих ключей. 25

Коэффициент передачи вновь вводимого блока преобразователя напряжения в интервал времени также не входит в уравнение преобразования, поэтому и требования к нему невысокие. Этот преоб- зо разователь может быть построен по простейшей схеме интегрируюшего типа.

Введение преобразователя напряжения в интервал времени в предложенное устройство позволяет не только уменьшить погрешность преобразования за счет исключения погрешности нестабильности источника эталонного напряжения и утечки эталонного конденсатора и соответствуюших ключей, но и облегчить выполнение4 алгоритма коррекции погрешностей и преобразование емкости в цифровой код.

Предложенный функциональный преобразователь с коррекцией погрешности можно использовать в процессе контроля 45 емкостей запоминающих элементов сегнетоэлектрических матриц типа 307РБ1, где в процессе технологического контроля параметров элемент:зв матриц измерение электрической емкости составляет примерно половину всех электрических измерений. При этом процесс контроля емкостей запоминаюших элементов может быть легко автоматизирован, что приведет к повышению производитель55 ности труда и к уменьшению числа занятых контролем людей.

Выс окая точнос ть ус тройс тва и озволяет в процессе контроля задавать узкое поле допуска. Это очень важно с позиций точнск ти управления технологическим процессом, поскольку позволяет увеличить процент выхода годных изделий.

Формула изобретения

Функциональный преобразователь, содержащий последовательно соединенные источник эталонного напряжения, первый и второй ключи, интегратор и блок выборки-хранения, накопительный конденсатор, включенный между обшим выводом первого и второго ключей и шиной нулевого потенциала, и блок синхронизации, первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляюшим входам первого ключа и блока выборки-хранения, о т л и ч а ю ш и и с я тем что, с целью повьпиения точности преобразования, в него введены преобразователь напряжения в интервал времени, реверсивный счетчик импульсов, генератор, делитель частоты, третий ключ и формирователь временных сдвигов, информационный и управляюший входы которого подключены к третьему и четвертому выходам блока синхронизации, а выход соединен с управляюшими входами второго и третьего ключей, включенных между вторым выходом источника эталонного напряжения и вторым входом интегратора, вход преобразователя напряжения в интервал времени подключен к выходу блока выборки-хранения, выход соединен с первым стробируюшим входом реверсивного счетчика импульсов, а управляюший вход связан с пятым выходом блока синхронизации, шестой и седьмой выходы которого подключены соответственно ко второму стробируюшему входу реверсивного счетчика импульсов н управляюшему входу генератора, причем суммирующий вход реверсивного счетчика импульсов непосредственно, а вычитаюший вход через делитель частоты подключены к выходу генератора, а выход реверсивного счетчика является выходом преобразователя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США % 3646545, кл. 286 — 290, опублик. 1979.

2. Патент CIIlA Л" 3435196, кл. 286 — 290, опублик. 1976.

3. Авторское свидетельство СССР

Л". 679997, кл. G 06G 7/26, 1978 (прототип).

920766

Составитель С. Белан

Редактор Л. Веселовская Техред С.Мигунова Корректор M. немчик

Заказ 2346/58 Тираж 732 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

ITo делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4