Функциональный преобразователь

(22) Заявлено 28.05,80 (21) 2982024/18-24с присоединением заявки РЙ(5 )М. Кл,06 3 7/26 Веудерстееииый кемитет СССР до делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летияВеликой Октябрьской социалистической революции,(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 построении5 информационно-измерительных систем и систем автоматического контроля.Известны функциональные преобразователи, используемые при построении информационно-измерительных систем,10 представляюдне собой преобразователи кода в напряжение интегрирующего типа и использутошие в процессе преобразования итерационную аддитивную коррекцию погрешностей. Основными блоками вэтих схемах являются интегратор, блок выборки-хранения и ключи 11 и 2Благодаря использованию в этих структурах итерационной аддитивной коррекции погрешности достигается высокая точность преобразования при относительной простоте устройства и сравнительно низких требованиях к элементам и блокам, входв их состав.Недостатком этих преобразователеи является ограниченность функщтональных возможностей, в частности невозможность преобразования емкости в напряжение и определения тангенса угла диэлектрических потерь.Наиболее близким к предложенному по технической сущности является функциональный преобразователь, содержаший 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., а также два конденсатора. один из которых подключен к первому ключу, а второй - ко второму клкчу, Функш 1 опальный 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 кондейса тора, 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 источника эталонногонапряжения,Поставленная цель достигается тем,что в функциональный преобразователь,содержащий последовательно соединенные источник эталонного напряжения,первый и второй ключи, интегратор иблок выборки-хранения, накопительныйконденсатор, включенный между общимвыводом первого и второго ключей ишиной нулевого потенциала, и блок синхронизации, первый и второй выходы которого подключены соответственно куправляющим входам первого ключа иблока выборки-хранения, введены преобразователь напряжения в интервалвремени, реверсивный счетчик импульсов, генератор, делитель частоты, третий ключ и формирователь временныхсдвигов, информационный и управляющийвходы которого подключены к третьемуи четвертому выходам блока синхронизации, а выход соединен с управляющими входами второго и третьего ключей,включенных между вторым выходомисточника эталонного напряжения и вторым входом интегратора, вхоц преобразователя напряжения в интервал времени подключен к выходу блока выборкихранения, выход соединен с первымстробирующим входом реверсивногосчетчика импульсов, а управляющийвход связан с пятым выходом блокасинхронизации, шестой и седьмой выходы которого подключены соответственно ко второму стробирующему входуреверсивного счетчика импульсов и управляющему входу генератора, причем 66 4суммирующий вход реверсивного счетчика импульсов непосредственно, авычитаюший вход через делитель частоты подключены к выходу генератора,а выход реверсивного счетчика являетсявыходом преобразователя.На фиг. 1 представлейа структурнаясхема предложенного устройства; нафиг, 2 - схема блока синхронизации;на фиг, 3 - временные диаграммы егоработььИсточник 1 эталонного напряжениячерез ключ 2 и ключ 3 соединен с первым входом интегратора 4. Выход интегратора 4 соединен с входом блока 5выборки-хранения. Блок 6 синхронизациисоединен с управляющими входами ключа 2 и блока 5 выборки-хранения. Накопительныйконденсатор 7 включенмежду ключами 2 и 3 и шиной нулевогопотенциала.Преобразователь 8 напряжения винтервал времени соединен с реверсивным счетчиком 9 импульсов, к суммирующему входу которого подключен выход генератора 10. Выход реверсивногосчетчика 9 импульсов является выходомфункционального преобразователя. Выходгенератора 10 соединен с делителем 11частоты, который подключен к вычитающему входу реверсивного счетчика 9импульсов. Блок 6 синхронизации соединен с преобразователем 8 напряжения винтервал времени, генератором 10, стробирующим входом реверсивного счетчика 9 импульсов, управляющим и информационным входами формирователя 12 временных сдвигов, который соединен суправляющим входом ключа 3. ВыходОпреобразователя 8 напряжения в интервал времени соединен с управляющимвходом ключа 13. Ключ 13 включенмежду источником 1 эталонного напряжения и вторым входом интегратора 4,Блок 6 синхронизации состоит из5задающего генератора 14, к выходукоторого подключен счетчик-делитель 15.Выходы счетчика 15 подключены ковходам дешифратора 16, к выходамкоторого подключены два 6-входовых17 и 18 и двухвходовый 19 элементы ИЛИ, На выходе блока 6 синхронизации подключены логические элементыИ 20 и 21,Блок 6 синхронизации вырабатываетследующие сигналы управления: сигналуправления ключом 2 (предназначен длязаряда конденсатора 7 и вырабатываетсяодин раз за такт); два сигнала для20766 6х Калиброванная временная задержкаТ и Л Томежду размыканием ключа 2и замыканием ключа 3 осуществляетсяс помощью формирователя 12 временныхсдвигов, который может представлятьнабор управляемых линий задержек (например, на 1 С -цепочках) или наборуправляемых ждущих мультивибраторов(возможны и другие реализашщ форми 1 о рователя 12 временных сдвигов),В каждом из циклов работы функционального преобразователя блок 6 синхронизации обеспечивает подключение требуемой линии задержки (на время ТО в5 первом цикле и на время Х 7 - во втором),Выведем уравнение преобразованиядля первого цикла работы.Предположим, перед началом преоб 20 разования напряжение на выходе блока 5выборки-хранения равно Он, а зарядна конденсаторе 7 равен нулю,Так как напряжение на выходе блока 5выборки-хранения равно Ц,1, то ключ 1345 будет замкнут на времяГ: Кгде К - коэффициент преобразования фпреобразователя 8 напряжения в интервалвремени, При замыкании ключа 13 навремя Т напряжение на выходе интегрантора 4 равно 5Оуправления формирователем 12 временнысдвигов, причем один сигнал вырабатывается в каждом такте первого циклаработы функционального преобразователя, а второй - в каждом такте второго цжла; сигнал для стробированияреверсивного счетчика 9 (вырабатываегся каждый 6-ой такт); сигнал для управления ключом блока 5 выборки-хранения, (вырабатывается каждый такт); сигналдля стробирования преобразователя 8напряжения в интервал времени (вырабатывается каждый такт); сигналдля управления генератором 10 (вкаждом такте первого цикла выходгенератора 10 подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика 9, а в каждом такте второго никла -через делитель частоты 11 к вычитающему входу реверсивного счетчика 9),Работа блока 6 синхронизации поясняется временными диаграммами(см. фиг, 3).Сигналы 3 С 4, ОС 1,2 С Й), - сигналы на выходах дешифратора 16,О - выходная частота задающего генератора 14, который вырабатывает импульсы с большой скважностью,Выход о - сигнал управления ключом 2, ключом блока 5 выборки-кранения и преобразователем 8 напряженияв интервал времени;выходы о и 5выходы управления формирователем 12временных сдвигов; выход Ъ - выходсигнала, стробирующего реверсивныйсчетчик 9; выходы д и 6 - выходысигналов управления генератора 10.функциональный преобразователь работает в два цикла, каждый из которыхсостоит из нескольких тактов.В каждом такте первого цикла осуществляется; заряд конденсатора 7 отисточника 1 эталонного напряжения споследующим разрядом на вход интегратора 4, причем время между размыканием ключа 2 и замыканием ключа 3равно То , интегрирование интегратором 4отрицательного напряжения источника 1эталонного напряжения в течение времени Т, обусловленного напряжениемна выходе блока 5 выборки-хранения;выборка выходного напряжения интегратора 4 блоком 5 выборки-хранения споследующим запоминанием в течениеследующего такта.Второй цикл отличается от первоготолько тем, что время между размыканием ключа 2 и замыканием ключа 3равно Л Т, где Л 7,0. КЦнО" кцсдгде Кп - коэффициент передачи блока 5выборки-хранения;Я - сопротивление интегратора повходу подачи компенсирующего отрицательного напряжения источника 1 эталон О НОГО напряженияС - емкость конденсатора интегратора 4 ьо - напряжение источника 1 эталонного напряжения,При замыкании ключа 2 на время Тнапряжение на конденсаторе 7 равно1ц =е (-е где ь - постоянная времени цепи за ряда конденсатора 7 при замкнутомключе 2.При последующем замыкании ключа 3напряжение на интеграторе 4 станетравным55920766 Выход преобразователя 8 напряженияв интервал времени соединен с однимстробирующим входом реверсивного счетчика импульсов 9, а блок 6 синхрони зации соединен с другим стробирующимвходом реверсивного счетчика импульсов 9, По истечении 6-го такта первогоцикла преобразования блок 6 синхронизации стробирует реверсивный счетчик 9 1 Оимпульсов и одновременно подключаетвыход генератора 10 к суммирующемувходу реверсивного счетчика 9 импульссов. Следовательно, в течение времениТ,реверсивный счетчик 9 импульсов 15насчитает К импульсов от генератора 10:Гот,1где- частота генератора 10.Уравнение преобразования для второгоцикла можно получить аналогично выра жению для при 7 мьполучают(, 7г,т, 1 25 Во втором цикле работы функционального преобразователя после окончания6-го такта блок 6 стробирует реверсивный счетчик 9 импульсов и подключаетвыход генератора 10 ко входу делителя 50 11 частоты, выход которого соединен свычитающим входом реверсивного счетчика 9 импульсов. Частота на выходеделителя 11 частоты определяется выражением тс Я 6, где О (Е ( 1, 35 Б этом случае код, записанный вреверсивный счетчик 9 импульсов, определяется выражением вух час , сходя П О" с4 апряжения форму ки конден время Т сатора 7 сать в в е вы где Р т - суммарное сопротивление па 50раллельно включенных сопротивленийутечки т конденсатора 7 и сопротивлений закрытых ключей 2 и 3.Количество тактов в цикле выбираетсяи зависимости от параметра сходимости9 и требуемой пот рещности преобразования. Обычно число тактов и = 4-6,Допус тим, 16,е М= Таким образ ки конденсатора пенсирована,Введение в теля напряженияПри замыкании ключа блока 6 выборки-хранении, напряжение на ее выходе равно 7 ККпЕоО= - ,К+о -4 4 Аналогично, после окончания второготакта С КК Ео ККпо "-о Кп ф 1О1 После окончания 1 -го такта получают С, и ККп, ц:,к, (- ". - о н дЪВыражение ц состоит из д тей: геометрической прогресси щейся при выполнении условия и убывающего, при этом же условии, члена, В результате, при выполнении условия 0 и в установившемся режиме (п=со) напряжение на выходе блока 5 выборки-хранения равноЯПосле преобразования этого н в интервал времени получают лу с учетом погрешности утечсатора 7 и ключей 2 и 3 заи за время разряда конденна интегратор 4 можчо запи- иде Учитывая выражения Т,и Т,;,последнюю формулу можно записатьвиде сли выбрать1 = 1, то посражение будет иметь вид ом, погрешность от утеч 7 и ключей 2 и 3 скомстройство преобразовав интервал времени, 920766 10реверсивного счетчика импульсов, генератора, делителя частоты, .формирователявременных сдвигов и ключа с соответствующими связями выгодно отличают предложенный функциональный преобразовательот известного, поскольку увеличена точность преобразования, уменьшены требования к стабильности некоторых блоковпреобразователя, В частности, в уравнениепреобразования предлагаемого функцио- онального преобразователя не входит напряжение источника 1 эталонного напряжения и поэтому требования к его стабильности уменьшены, в отличие от известного функционального преобразователя,15в уравнение преобразования котороговходит напряжение Е источника эталонного напряжения. В предлагаемомустройстве, в отличие от известного,нет эталонного конденсатора в цепи обратной связи, поэтому соответственноуменьшается и погрешность преобразования за счет исключения утечки эталонного конденсатора и соответствующихключей. 25Коэффициент передачи вновь вводимого блока преобразователя напряженияв интервал времени также не входит вуравнение преобразования, поэтому и требования к нему невысокие. Этот преоб- зОразователь может быть построен по простейшей схеме интегрирующего типа.Введение преобразователя напряженияв интервал времени в предложенное устройство позволяет не только уменьшитьпогрешность преобразования за счетисключения погрешности нестабильностиисточника эталонного напряжения и утечки эталонного конденсатора и соответствующих ключей, но и облегчить выполнениемалгоритма коррекции погрешностей и преобразование емкости в цифровой код,Предложенный функциональный преобразователь с коррекцией погрешности можно использовать в процессе контроляемкостей запоминающих элементов сегнетоэлектрических матриц типа 307 РБ 1,где в процессе технологического контроляпараметров элементов матриц измерениеэлектрической емкости составляет примерно половину всех электрических измерений. При этом процесс контроляемкостей запоминающих элементов может быть легко автоматизирован, чтоприведет к повышению производитель 55ности труда и к уменьшению числа занятых контролем людей.Высокая точность устройства позволяет в процессе контроля задавать узкое поле допуска. Это очень важнп с позиций точности управления технологическим процессом, поскольку позволяет увеличить процент выхода годных изделий.формула и з о б р е т е н и яфункциональный преобразователь, содержащий последовательно соединенныеисточник эталонного напряжения, первыйи второй ключи, интегратор и блок выборки-хранения, накопительный конденсатор, включенный между общим выводомпервого и второго ключей и шиной нулевого потенциала, и блок синхронизации, первый и второй выходы которогоподключены соответственно к управляющим входам первого ключа и блокавыборки-хранения, о т л и ч а ю щ и йс я тем что, с целью повышения точности преобразования, в него введеныпреобразователь напряжения в интервалвремени, реверсивный счетчик импульсов, генератор, делитель частоты, третий ключ и формирователь временныхсдвигов, информационный и управляющийвходы которого подключены к третьемуи четвертому выходам блока синхронизации, а выход соединен с управляющимивходами 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 первымстробируюшим входом реверсивного счетчика импульсов, а управляющий входсвязан с пятым выходом блока синхронизации, шестой и седьмой выходы которого подключены соответственно ковторому стробируюшему входу реверсивного счетчика импульсов н управляющемувходу генератора, причем суммирующийвход реверсивного счетчика импульсовнепосредственно, а вычитаюший входчерез делитель частоты подключены квыходу генератора, а выход реверсивного счетчика является выходом преобразователя,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Патент США % 3646545,кл, 286 - 290, опублик, 1979,2. Патент США Л". 3435196,кл, 286 - 290, опублик. 1976.3. Авторское свидетельство ГССРЛо 679997, кл. 5 065 7/26, 1978, Веселовск з 2346/58 Тираж 732 ВНИИПИ Государственного к по делам изобретений и 113035, Москва, Ж, Ра