Преобразователь напряжения в частоту

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИН 20(я) Н 03 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1. Авторское свидетельство ССС Р 725224, кл. Н 03 К 13/20, 1979.2. Патент США Р 3764831, кл. 307-271, 1973.(54)(57) 1 РЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ, содержащий интегратор на операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи и ключом разряда конденсатора, элемент ИЛИ и два компаратора разнополярных порогов срабатывания, снабженных цепями задания порогов, причем сравнивающие входы компараторов соединены с выходом интегратора, прямой выход компаратора с отрицательным порогом срабатывания соединен с первым входом элемента ИЛИ, инверсный выг 7 г 5,ЯО 077048 ход компаратора с положительным порогом срабатывания соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу ключа разряда конденсатора, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены две диодно-резистивные цепи и два ключа, а компараторы снабжены цепями динамической положительной обратной связи, причем диодно-резистивные цепи соединяют суммирующую точку интегратора с прямыми выходами компараторов, каждый ключ включен между сравнивающим входом соответствующего компаратора и цепью задания порога его срабаты- Е вания, а управляющие входы ключей подключены соответственно к инверсному выходу компаратора с отрицательным порогом срабатывания и к прямому выходу компаратора с положительным порогом срабатывания. рИзобретение относится к элементам автоматики и измерительной техники и предназначено преимущественно для аналого-цифровых интеграторов с контуром сглаживания выходного напряженияДля достижения точного сглаживания выходного напряжения аналогоцифрового интегратора пилообразное напряжение на аналоговом выходе преобразователя должно иметь близкий к нулю начальный уровень и стабильную амплитуду (размах) колебаний.Известен двухполярный преобразователь напряжения в частоту, содержащийинтегратор на операционном усилителе, компараторы, входы которых подключены к выходу интегратора, выходные инверторы и диоднореэистивные цепи, соединяющие вход операционного усилителя с выходами инверторов Г 1)Недостатки известного устройства обусловлены значительной нелинейностью преобразования и нестабильностью амплитуды и начального уровня пилообразного напряжения на выходе интегратора.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является двухполярный преобразователь напряжения в частоту, содержащий интегратор на операционном усилителе с кон" денсатором в цепи отрицательной обратной связи, цепь разряда конденсатора, два компаратора с инверторами на выходах и цепями задания разнополярных порогов срабатывания, входы которых соединены с выходом интегратора, логический элемент ИЛИ, подключенный входами к выходам инверторов, а выходом через цепь форми рования временных интервалов к управляющему входу цепи разряда конденсатора Г 2.). Недостаток данного устройства относительно большая нелинейность характеристики преобразования.Это обусловлено тем, что разряд интегрирующего конденсатора в нем протекает по экспоненциальному закону и для полного разряда конденсатора (даже при большом начальном значении тока разряда) необходимо удерживать ключ разряда в открытом состоянии в течение большого промежутка времени, Кроме того, в данном преобразователе начальный уровень пилообразного напряжения отличается от нулевого значения, поскольку зависит от величины входного сигнала, Это объясняется тем, что ключ разряда имеет в открытом состоянии конечное сопротивление (определяемое допустимым значением тока через ключ) и при полном разряде конденсатора на выходе интегратора устанавливается51015 2025 напряжение, пропорциональное вход- ному напряжению, и отношение сопротивления ключа разряда к входному сопротивлению интегратора,Цель изобретения - повышение точности преобразования.Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь напряжения в частоту, содержащий интегратор на операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связии ключом разряда конденсатора, элемент ИЛИ и два компаратора, разно- полярных порогов срабатывания, снабженных цепями задания порогов, причем сравнивающие входы компараторов соединены с выходом интегратора, прямой выход компаратора с отрицательным порогом срабатывания соединен с первым входом элемента ИЛИ, инверсный выход компаратора с положительным порогом .срабатывания соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу ключа разряда конденсатора, введены две диодно-резистивные цепи и два ключа, а компараторы снабжены цепями динамической положительной обратной связи, причем диодно-реэистивные цепи соединяют жительным порогом срабатывания,На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого преобразователя напряжения в частоту; на фиг,2 временные диаграммы его работы,Преобразователь содержит интегратор 1 на операционном усилителе 2 с входным резистором 3 и конденсатором 4 в цепи отрицательной обратной связи, ключ 5 разряда конденсатора, выполненный на резисторе б и транзисторе 7, два компаратора 8 и 9, образованных операционными усилителями 10 и 11 и подключенные через входные резисторы 12 и 13 к выходу интегратора 1, а также цепями задания порогов срабатывания на резисторах 14 и 15 и источниках 16 и 17 разнополярных напряжений и инверторами 18 и 19Компараторы 8 и 9 имеют прямые выходы 20 и 21, полярность импульсов на которых присбросе интегратора соответствует полярности выходного напряжения последнего, и инверсные выходы 22 и 23, являющиеся выходами инверторов 18 и 19, подключенных входами к выходам операционных усилителей 10 и 4045 50 55 60 65 суммирующую точку интегратора спрямыми выходами компаратОров, каждыйключ включен между сравнивающимвходом соответствующего компаратораи цепью задания порога его срабатывания, а управляющие входы ключей 35 подключены соответственно к инверсному выходу компаратора с отрицательным порогом срабатывания и кпрямому выходу компаратора с поло11. Выход 20 компаратора 8 и выход напряженияключ разряда конден компаратора 9 подключены к вхо- сатора открывается, диод 25 смещаетдам логического элемента ИЛИ 24, вы- ся в проводящее направление, а ключ ход которого соединен с управляющим 29 закрывается, отключая от суммивходом ключа 5 разряда конденсатора. рующей точки усилителя 10 резисторВ преобразователь введены две 5 14. В результате конденсатор 4 раэдиодно-резистивные цепи, состоящие ряжается, во-первых, через открытый из последовательно соединенных дио- транзистор 7 и токоограничивающий дов 25 и 26 и резисторов 27 и 28 резистор 6 и, во-вторых, через диод и включенные между суммирующей точ, резистор 27 и выходы усилителей кой интегратора 1 и прямыми выходами 1 О 2 и 10.20 и 21 компараторов 8 и 9, и два Первая составляющая тока разряда ключа 29 и 30. Ключ 29 соединяет изменяется по экспоненциальному эав компараторе 8 цепь задания отри- кону, а вторая - по линейному, цательного порога срабатывания (ре- вследствие чего достигается быстрый зистор 14 и источник 16) с суммирую разряд конденсатора 4 (через открыщей точкой операционного усилителя тый ключ 5) при относительно боль, а ключ 30 соединяет в компара- шой скорости изменения выходного торе 9 цепь задания положительного напряжения интегратора 1 вблизи порога срабатывания (резистор и нулевого уровня (за счет тока через источник) с суммирующей точкой опе диод 25) . Это позволяет существенно рационного усилителя 11. Управляю- уменьшить время сброса интегратора щие входы ключей 29 и 30 соединены в исходное состояние (Г б) и сделать соответственно с инверсным выходомего пренебрежимо малым йо сГавне компаратора 8 и с прямым выходом нию с временем интегрирования вход компаратора 9. Компараторы 8 и ного сигнала (Т), в результате 9 снабжены цепями динамической чего повышается линейность преобраположительной обратной связи, сос- зования напряжения в частоту. тоящими из конденсаторов 31 и 32 При достижении напряжением Он и резисторов 33 и 34. уровня отпускания О компаратор 8еерелейно переходит в состояние поУстройство работает следующим об- ложительного насыщения, вследствие разом. чего диод 25 и ключ 5 закрывается,В исходном положении, когда вы- ключ 29 открывается, выходное находное напряжение О интегратора 1 пряжение интегратора 1 вновь начинаблизко к нулю, операционные усилите- ет линейно изменяться от уровня ли 10 и 11 в компараторах 8 и 9 на- З 5 до значения О и процесс периодисе ходятся соответственно в состоянии чески повторяется. положительного и отрицательного на- Аналогичным Образом работает сыщения ( 01 =О 1+о, О 11 - -О) . При этом преобразователь при отрицательной ключи 29 и 30 открыты, благодаря полярности входного сигнала. чему суммирующие точки усилителей 40 В приведенной на Фиг.1 схеме диод и 11 подключены к цепям задания но-резистивные цепи показаны Функ- порогов срабатывания (резисторы 14 ционально, чтобы отразить их роль в и 15 и источники 16 и 17 раэнополяр- уменьшении методической погрешности ных напряжений), диоды 25 и 26 сме- преобразования. В принципиальной схе" щены в непроводящем направлении на ме для уменьшения влияния токов пряжениями О+ и О, а сигнал на утечки через закрытые диоды 25 и 26 выходе логического элемента ИЛИ 24 можно, например, использовать в каимеет единичное (положительное) зна- честве каждого из диодов 25 и 26 чение, при котором ключ 5 разряда два последовательно соединенных диоконденсатора находится в разомкнутом да общая точка которых подключается50через дополнительный резистор к шинеВ случае положительной полярности нулевого потенциала. ВхОДнОГО напРЯжениЯ Ищ ( ОЕ) О) напРЯжение Он на выходе интегратора 1 В предлагаемом преобразоватеЛе уменьшается по линейному закону со порог отпускания компаратора опрескоростью, определяемой величиной 55деляющий начальный уровень пилообрйЪ"входного напряжения Оеи постоян- ного напряжения, близок к нулевому ной времени 1 Ж С. Когда напряжение потенциалу, поскольку при закрытом О достигает поРога срабатывания ключе 29 и отсутствии тока через О =-Е ,7 компаратор 8 релейно17Се Ь а.цепь положительной обратной связи"14 60 в момент отпускания компаратора (что (благодаря действию цепи динамичес- достигается соответствующим выбором кой положительной связи на конден- постоянной времени переэаряда консаторе 31 и резистор - 33) перехо- денсатора 31) веЛичина порога отпус" дит в состояние отрицательного насыщения ( О: О 1 О ) . под действием 65 смещением нуля Операционного усилите1077048 Заказ 772/53 Тираж 862 Подписно Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная ля 10 и утечкам ключа 29 и практически составляет единицы мВ.Наличие в предлагаемом преобразователе цепей динамической положительной обратной связи имеет существенное значение. За счет их введения в компараторы 8 и 9 обеспечивается формирование определенной величины скачков напряжений на неинвертирующих входах усилителей 10 и 11 при срабатывании компараторов 8 и 9 и 10 их удержание в сработанном состояниина время задержек в открывании ключевых транзисторов. Если этого не делать, то эа счет временных задержек в транзисторных ключах 29 и 30 при 15 их открывании может произойти само- возбуждение схемы (явление захвата напряжения О на некотором уровне, при котором выполняется равенство токов через резисторы 12 и 14 в процессе разряда конденсатора 4 и открывания транзисторных ключей 29 и 30).Указанные цели должны быть динамическими, поскольку формируемые 25 ими токи спустя определенное время после срабатывания компараторов должны стать настолько малыми, чтобы при подходе напряжения О к нулевому уровню они не оказывали заметного влияния на порог отпускания компараторов.Прямые (20 и 21) и инверсные (22 и 23) выходы компараторов образуют дифференциальный выход преобразователя, так как в зависимости от знака входного напряжения сигнал формируется на выходе либо одного, либо другого компаратора. С выхода логического элемента 24 снимается частотный сигнал, соответствующий моду лю входного напряжения.При выборе сопротивлений резисторов 3, 27, 28 и 6 из условия Т 6 Т частота повторения импульсов на выходе преобразователя пропорциональна входному напряжению О=ОЕхэ идгде Ос=О О - ширина петли гистереэиса компараторов 8 и 9.Таким образом, благодаря введению в преобразователь двух диодно-резистивных цепей, двух ключей и цепей динамической положительной обратной связи, а также соответствующих конструктивных связей их с другими узлами преобразователя, уменьшается время сброса интегратора в исходное состояние и отклонение порогов отпускания компараторов от нулевого потенциала, в результате чего повышается линейность преобразования и точность формирования пилообразного напряжения. В предлагаемом устройстве сброс выходного напряжения интегратора до уровня +10 мВ происходит за время, практически равное постоянной времени цепи разряда конденсатора ( )В устройстве 2 при использовании (в интеграторе и ключе разряда конденсатора) элементов с такими же параметрами, как в предлагаемом преобразователе, для достижения аналогичных значений начального уровня пилообразного напряжения необходимо удерживать ключ в открытом состоянии не менее 6-7 . Из этого следует, что погрешность нелинейности, обусловленная конечным временем разряда конденсатора, у предлагаемого преобразователя в 6-7 раз Меньше, чем у известного. Кроме того, в предлагаемом преобразователе начальный уровень пилообразного напряжения принципиально не зависит от величины входного напряжения, что имеет место в устройстве-прототипе.