Преобразователь ток-частота

) Н 03 К 13/ ИТЕТ СССР И ОТКРЫТИЙ ОСУДАРСТВЕННЫИО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕ ф(ИЦо ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ П:НИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ го ис 1 соедиа, вы- ключен з(56 ) 1. Авторское свидетельство ССР 330537, кл. Н 03 К 13/20, 1970,2. Авторское свидетельство СССРР 712951, кл. Н 03 К 13/02, 1975;(54)(57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОК -ЧАСТОТА, содержащий интегратор,первый вход которого подключен кисточнику измеряемого тока, генератор тока, выход которого через первый ключ соединен с первым входоминтегратора, через второй ключ . - собщей шиной преобразователя и черезусилитель. переменного тока - с первым входом первого синхронного дететора, выход которого соединен с вторым входом интегратора, выход которго,соедииен с первым входом блокауправления, первый выход которогоподключен к управляющему входу второго ключа, второй выход - к управляющему входу первого ключа, второму входу первого синхронногодетектора и выходной шине преобразователя, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точ- .ности, в него введены третий ключ,образцовый источник тока, интегрирующее звено, второй синхронныйдетектор, интегрирующе-инвертирующее звено, управляемый источниктока и генератор импульсов, причемвход третьего ключа соединен с выходом генератора тока, выход третьего ключа - с входами образцовогоисточника тока и интегрирующегозвена, выходы которых подключены кобщей шине преобразователя, выходусилителя переменного тока подключен к первому входу второго синхронного детектора, выход которого через интегрирующе-инвертирующее звен соеди не н с входом у пр авля емо точника тока, выход которого нен с выходом генератора ток ход генератора импульсов под к второму входу блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу третьего ключа и к второму входу второго синхронного детектора.2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что блок управления содержит четыре инвертора, девять элементов И-НЕ, делитель частоты и три Р -триггера, причем выход интегратора соединен с входом первого инвертора и является первым входом блока управления, выход первого инвертора подключен к первым входам первого, второго и третьего элементов И-НЕ, вход делителя частоты подключен к входу второго инвертора, первому входу четвертого элемента И-НЕ и С -входу первого Р -триггера и является вторым входом блока управления, выход делителя частоты соединен с 9 -входом второго Э -триггера и с входом третьего инвертора,. выход которого подключен к второму входу второго элемента И-НЕ, выход которого соединен с 5-входом третьего 3 -триггера, выход третьего элемента И-НЕ соединен с первым входом пятого элемента И-НЕ, выход которого соединен с -входам третьего -триггера, -вход которого соединен с выходом второго инвертора, а прямой выход третьего -триггера соединен с вторым входом, четвертого элемента И-НЕ и с первыми входами шестого и.седьмого элементов И-НЕ, выход седьмого элемента И-НЕ соединен с вторым входом пятого элемента И-НЕ, выход первого элемента И-НЕ подключен к первому входу восьмого элемента И-НЕ, выход которого соединен с Р-входом первого Э-триггера, прямой1102032 2шиной преобразователя и через усилитель переменного тока - с первым входом первого синхронного детектора, выход которого соединен с вторым входом интегратора, выход которого соединен с первым входом блока управления, первый выход которого подключен к управляющему входу второго ключа, второй выход - к управляющему входу первого ключа, второму входу, первого синхронного детектора и выходной шине преобразователя, введены третий ключ, образцовый источник тока, интегрирующее звено, второй синхронный детектор, интегрирующеинвертирующее звено, управляемый источник тока и генератор импульсов, причем вход третьего ключа соединен с выходом генератора тока, выход третьего ключа - с входами образцового источника тока и интегрирующегО звена, выходы которых подключены к общей шине преобразователя, выход, усилителя переменного тока подключен к первому входу второго синхронного детектора, выход которого через интегрирующе-инвертирующее звено соединен с входом управляемого источника тока, выход которого соединен с выходом генератора тока, выход генератора тока импульсов подключен к второму входу блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу третьего ключа и к второму входу второго синхронного детектора. 1Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в электронной технике, электротехнике и других областях науки итехники. 5Известен преобразователь ток -частота, основанный на компенсацииизмеряембго тока образцовым зарядом 1,Недостатком известного преобразоваОтеля является низкая точность преобразованияя.Наиболее близким к изобретению потехнической сущности и достигаемомурезультату является преобразовательток - частота, содержащий интегратор,на вход которого подключается выход источника тока, два ключа, соединенные с генератором тока, выходпервого ключа подключен ко входу интегратора, выход второго - к общейшине, последовательно соединенныеусилитель переменного тока и синхронный детектор, выход которогосоединен с неинвертирующим входоминтегратора, а второй вход синхронного детектора подан на выход устройства, выход усилителя переменного тока соединен с выходом генератора тока 23.Недостаток известного устройства - низкая точность, обусловленнаятем, что остаются нескомпенсированны.ми составляющие погрешности, вызванные,нестабильностью длительностиимпульсов, управляющих ключами, а 35также зарядов, наводимых управляющими импульсами.Цель изобретения - повышение точности преобразования тока в частоту,Поставленная цель достигается 4 Отем, что в преобразователь ток -частота, содержащий интегратор, первый вход которого подключен к источнику измеряемого тока, генератортока, выход которого через первый 45ключ соединен с первым входом интег.ратора, через второй ключ - с общей выход которого соединен с вторымвходом восьмого элемента И-НЕ, стретьи входом второго элемента И-НЕ,с вторым входом третьего элементаИ-НЕ и с входом четвертого инвертора, инверсный выход первого В-триггера соединен с вторыми входами шестого и седьмого элементов И-НЕ и спервым входом девятого элементаИ-НЕ, второй вход которого соединенс инверсным выходом третьего 3 -триггера, второй вход первого элементаИ-НЕ соединен с инверсным выходомвторого 2 -триггера, прямой выходкоторого соединен с третьи входомтретьего. элемента И-НЕ, С -вход второго 3-триггера соединен с выходомчетвертого элемента И-НЕ, а 3 -входего подключен к общей шине преобразователя, выходы четвертого инвертора и девятого элемента И-НЕ явЛяютсяпервым и вторым выходами блока управления, третьи выходом которого является выход шестого элемента И-НЕ. Блок управления содержит четыре инвертора, девять элементов И-НЕ, делитель частоты и три Р -триггера, причем выход интегратора соединен с входами первого инвертора и является первым входом блока управления, выход первого инвертора подключен к первым входам первого, второго и третьего элементов И-НЕ, вход делителя частоты подключен, к входу второго инвертора, первому входу четвертого элемента И-НЕ иС-входу первого Э -триггера и является вторым входом блока управления, выход делителя частоты соединен с 5 -входом второго Э -триггера и с входом третьего инвертора,выход которого подкпючен к второму 5входу второго элемента И-НЕ, выходфО которого соединен с 5 -входомтретьего Э -триггера, выход третьего элемента И-НЕ соединен с первым входом пятого элемента И-НЕ,выход которого соединен с Э -входомтретьего 2 -триггера, С -вход которого соединен с выходом второгоинвертора, а прямой выход третьего2 -триггера соединен с вторым входом четвертого элемента И-НЕ и спервыми входами шестого и седьмогоэлементов И-НЕ, выход седьмого элемента И-НЕ соединен с вторым входомпятого элемента И-НЕ, выход первого 20элемента И-НЕ подключен к первомувходу восьмого элемента И-НЕ, выходкоторого соединен с 2 -входом первого Э -триггера, прямой выход которого, соединен с вторым входом восьмого элемента И-НЕ, с.третьим входомвторого элемента И-НЕ, с вторым входом третьего элемента И-НЕ и с входом четвертого инвертора, инверсный выход первого Э-триггера соединен с вторыми входами шестого иседьмого элементов И-НЕ и с первымвходом девятого элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с инверс.ным выходом третьего 2 -триггера,второй вход первого элемента И-НЕсоединен с инверсным выходом второго Э -триггера, прямой выход которого соединен с третьим входомтретьего элемента И-НЕ, С- вход второго 2 -триггера соединен с выходом 40четвертого элемента И-НЕ, а 2 -входего подключен к общей шийе преобразователя, выходы четвертого инвертора,и девятого элемента И-.НЕ являются первым и вторым выходами 45блока управления, третьим выходомкоторого является выход шестого элемента И-НЕ.На фиг.1 приведена ст,.уктурнаясхема преобразователя ток - частота;на фиг.2 - структурная схема блокауправления на фиг.3 - временные диаграммы,Преобразователь ток - частота содержит интегратор 1, первый ключ 2,второй ключ 3, генератор 4 тока,усилитель 5 переменного тока, первыйсинхронный детектор 6, третийключ 7, образцовый источник 8 тока,интегрирующее звено 9, второй синхронный детектор 10, интегрирующеинвертирующее звено 11, управляемыйисточник 12 тока, генератор 13 импульсов, блок 14 управления.Блок 14 управления (фиг. 2 ) содержит первый интегратор 15, элемен ты И-НЕ: первый 16, второй 17 и третий 18; делитель 19 частоты, второй инвертор 20, четвертый элемент И-НЕ 21, первый Э -триггер 22, второй Э -триггер 23, третий инвертор 24, третий Э -триггер 25, элементы И-НЕ: пятый 26, шестой 27, седьмой 28 и восьмой 29; четвертый инвертор 30 и девятый элемент И-НЕ 31.На временных диаграммах (фиг.3) показаны: 32 - входной ток 333 - напряжение на выходе интегра,тора 1 О ; 34 - ток первого ключа 2; 35 - импульсы на выходе делителя частоты 19; 36 - образцовый ток источника 8; 37 - ток третьего ключа 7; 38 - ток второго ключа 3; 39 - напряжение на выходе усилителя 5 переменного тока; 40 ток Э на выходе второго синхронногс детектора 10; 41 - ток 3 на выходе управляемого источника тока 12.Преобразователь ток - частота содержит интегратор 1, на первый вход которого подается измеряемый ток, два ключа 2 и 3, соединенные с генератором 4 тока, выход первого ключа . подключен к инвертирующему входу интегратора 1, выход второго ключа 3 - к общей шине, последовательно соединенные усилитель 5 переменного тока и синхронный детектор 6, выход которого соединен с неинвертирующим входом интегратора 1, а второй вход подан на выход устройства, вход усилителя 5 переменного тока соединен с выходом генератора 4 тока. Кроме того, преобразователь ток - частота содержит третий ключ 7, соединенный с генератором 4 тока, гараллельно соединенные образцовый источник 8 тока и интегрирующее звено 9, последовательно соединенные второй синхронный. детектор 10, интегрирующе-инвертирующее звено 11, управляеьий источник 12 тока; а также генератор 13 импульсов, соединенный с блоком 14 управления, причем . выход третьего ключа 7 соединен с образцовым источником тока 8 и интегрирующим звеном 9, вторые выводы которых поданы на общую шину, вход второго синхрбнного детектора 10 соединен с выходом усилителя 5 переменного тока, выход управляемого источника тока 12 соединен с выходом генератора 4 тока, вход блока 14 управления соединен с выходом интегратора 1, второй выход блока 14 управления соединен с управляющим входом первого ключа 2 и с вторым входом. первого синхронного детектора 6, первый выход блока 14 управления соединен с управляющим, входом второго ключа 3, третий выход блока 14 управления соединен с управляющим входом третьего ключа 7 и вторым40 входом второго синхронного детектора 10.Блок 14 управления содержит четыре инвертора, девять элементовИ-НЕ, делитель частоты и три Р -триг.гера, причем вход первого инвертора 15 соединен с выходом интегратора 1, а выход инвертора 15 подключен к первым входам первого 16,второго 17 и третьего 18 элементовИ-НЕ, выход генератора 13 импульсов подключен к входам делителя 19частоты, второго йнвертора 20,к первому входу четвертого элемен-та И-НЕ 21. С -вход первого Р -триггера 22 и выход делителя 19 частотысоединены с 5 -входом второгоР-триггера 23 и с входом третьегоинвертора 24, выход которого подключен к второму входу второго элемента И-НЕ 17, выход которого соединенс 5 -входом третьего Р -триггера 25,выход третьего элемента И-НЕ 18соединен с первым входом пятого элемента И-НЕ 26, выход которого соединен с Р -входом третьего Р -триггера 25, С в вх которого соединенс выходом второго инвертора 20, апрямой выходР -триггера 25 соединенс вторым входом четвертого элементаИ-НЕ 21 и с первыми входами шестого 27 и седьмого 28 элементов И-НЕ,выход седьмого элемента И-НЕ 28соединен с вторым входом пятого элемента И-НЕ 29, выход которого соединен с Р -входом.первого Р -триггера 22, прямой выход которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ 29с третьим входом второго элементаИ-НЕ 17 и с вторым входом третьегоэлемента И-НЕ 18, а также с входомчетвертого инвертора 30, инверсныйвыхоД первого Р -триггера 22 соединен с вторыми входами шестого 27и седьмого 28 элементов И-НЕ и спервым входом девятого элемента, И-НЕ 31, второй вход первого элемента И - НЕ 16 соединен с инверсным выходом второго Р -триггера 23, прямойвыход которого соединен с третьимвходом третьего элемента И-НЕ 18,С-вход второго Р -триггера 23 соеди -нен с выходом четвертого элементаИ-НЕ 21, а Р -вход этого триггераподключен к общей шине Устройства,выход шестого элемента И-НЕ 27 подключен к управляющему входу Реть-его ключа 7, выход четвертого инвертора 30 соединен с управляющимвходом второго ключа 3, а выходдевятого элемента И-НЕ 31 соединен с управляющим входом первогоключа 2, второй вход которого соеди - 60нен с инверсным выходом третьегоЭ-триггера.У строй ст во р а 6 от ает следующимбразом.На вход и нте гр атора 1 подает ся преобразуеьий ток 32 (фиг. 3). Этотток заряжает конденсатор интегратора 1. Потенциал 33 (фиг.3) навыходе интегратора 1 изменяется.По достижении заданного пороговогонапряжения блок 14 управления формирует управляющие, импульсы дляключа 3 на закрытие его и для ключа 2 - на открытие его. Генератор 4 тока коммутируется на времядействия импульса на входе интегратора 1, При этом происходит разрядконденсатора интегратора 1 порцией тока34 (фиг. 3) стабильной величины. Поокончании импульса тока 34 ключ 2закрывается, ключ 3 открываетсяи коммутирует генератор 4 тока наобщую шину. Погрешность генератора образцовых зарядов, вызваннуюразличием сопротивлений ключей 2и 3 и напряжений, приложенным к ним,компенсируется при помощи блоков 5и б. Усилитель 5 переменного токаусиливает импульс, возникающий вобщей точке блоков 2 - 4, а синхронный детектор б детектирует его исглаживает. Полученный потенциал подается на синфазный вход усилителяинтегратора 1. Так как преобразователь охвачен импульсной обратнойсвязью, это напряжение передается навход преобразователя ток - частота,уменьшая но много раз импульс, авместе с ним и погрешность преобразователя ток - частота,Для уменьшения погрешности преобразователя ток - частота, вызванной нестабильностью длительности импульсов, открывающих ключи 2 и 3, атакже нестабильностью зарядов; наводимых импульсами управления ключами2 и 3, в предлагаемое устройство вве.дены блоки 7-14.Делителем 19 частотыблока 14 н устройстве генерируются импульсы 35 (фиг.З) образцовойчастотыиток 36 (фиг.З) образцовым источникомтока 8, Блок 14 управления вырабатываетуправляющие импульсы со стабильно рйс едней частотой 37 для ключа 7 и импульснуюпоследовательность 38 (фиг.З) дляключа 3. Если величина образцовогозаряда изменяется (например уменьшается), то их сумма за единицувремени будет меньше, чем ток 36(фиг.3) образцового источника 8 тока. Поэтому начнет расти напряжение на интегрирующем звене 9, а вобщей точке блоков 2 - 4 и 7 появляетсяимпульс положительной полярности,который усиливается блоком 5 и сем 1 Слектируется синхронным детекторопоэтому на выходе его появляетсятолько импульс 40 (фиг.З) во времякоммутации тока ключом 7. Послеусиления, инвертирования и сглаживания инвертирующе-интегрирующимзвеном 11 напряжение поступает на .управпрввляемый источник 12 тока, кот"рый в простейшем случае выполнен на сопротивлении, ток 41 (фиг, 3) этого источника 12 добавляется к то ку генератора 4, поэтому образцовый заряд увеличивается. Аналогично происходит комйенсация погрешностии при увеличении образцового заряда.формирование импульсов для управления ключами 2, 3 и 7 производится блоком 14 управления, который состоит из суб-блоков 15 - 31 (фиг.2), Импульсы для управления ключами формируются Р -триггером 22, длительность импульса задается генератором 13 и одинакова для ключей 2 и 7. Э -триггер 25 открывает один из элементов И-НЕ, если нужно открыть ключ 2, то девятый31, если ключ 7, то шестой 27. Переключение Э -триггера 25 начинается до импульса, подаваемого на ключ 7, возвращение его в исходное состояние производится после окончания этого импульса, поэтому влияние на длительность.импульса 1 0 -триггер 25 не оказывает, Если импульс 35 образцовой частоты совпадает с импульсом выходной час-тоты, то производится коммутация входного тока ключом 2, а факт этого совпадения запоминается 3 -триггером 23. Импульс образцовой частоты 35 переносится на следующий такт (37;третий импульс ), после чего 9-триггер 23 сбрасывается. Величина компенсированной погрешности может быть определена,какобр обргде й , а- величина нестабильности импульсов,.подаваемых на ключи 2 и 7 соответственно; цп, Й - заряды, наводимыепри переключении в ключах 2 и 7;и оьр - заряды, наводимыепри переключении ключа 3.Из этой формулы следует, чтоуменьшение погрешности в предлагаемом преобразователе зависит от степени симметрии схем (й 7 - а , Яп- -й ) ,и может быть весьма значйптельно. Длительность импульса определяется 3 -триггером 22, инвертор 30 и элементы И-НЕ 27 и 31 могутбыть выполнены на одном корпусенапример К 155 ЛА 4 ) и иметь близкиепараметры, ключи 2 и 7 тоже могут 15 быть выполнены на двойном полевомтранзисторе. Поэтому первая и втораясоставляющие погрешности могут бытьуменьшены в сотни раз, а третья -почти полностью, Мультипликативнаясоставляющая погрешности снижается вданном устройстве в десятки раз,что позволяет повысить в это же число раз точность измерений, обнаруживать и измерять физические эффекты, которые при использованиидругих преобразователей нельзя обнаружить, и более точно измерятьуже известные величины. Предлагаемый преобразователь ток -частота может найти широкое применение во многих областях науки итехники: в ядерной физике, реакторной технике (измерение реактивности,периода, мощности и т.д.), полупроводниковой технике и т.д. Вовсех этих областях можно существенно повысить точность измерений, чточасто дает экономический эффект (сокращение времени измерений, повыше ние мощности и время работы энергетических установок и т.д.)1102032 Ю 2 1Составитель В.Пешковтор Н.Яцола Техред М.Кузьма .Корректор Г,Решетник Эака ППП фПатент", г.ужгород, ул.Проектная,4 фил 782/43 Тираж 862 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, РПодписнкомитета СССРи открытийушская наб., д. 4/5