преобразователь частота - ток (варианты)

Формула изобретения

1. Преобразователь частота - ток, содержащий формирователь тактовых импульсов, образующий короткие импульсы из фронтов импульсов преобразуемой частоты, фильтр нижних частот, источник пускового тока, обеспечивающий ненулевое начальное значение тока на выходе фильтра нижних частот и отключающийся в момент запуска устройства, одновибратор, состоящий из интегрирующего конденсатора, ключа разряда интегрирующего конденсатора, ключа шунтирования входа фильтра, устройства сравнения напряжения на интегрирующем конденсаторе и опорного напряжения, запоминающего устройства, замыкающего ключи в момент равенства напряжений в устройстве сравнения и размыкающего ключи при возвращении в исходное состояние тактовыми импульсами, образованными формирователем коротких импульсов, отличающийся тем, что преобразователь содержит источник тока управляемый током, обеспечивающий выходной ток во внешней нагрузке и отражающий ток управления токоприемного входа, который подключен к выходу фильтра нижних частот, на отдельные выходы, один из которых обеспечивает ток заряда подключенного к нему интегрирующего конденсатора, а второй, подключенный к входу фильтра нижних частот и имеющий коэффициент передачи тока, больший или равный единице, образует контур обратной связи, генерирующий ток управления источника тока управляемого током.

2. Преобразователь частота - ток, содержащий формирователь тактовых импульсов, образующий короткие импульсы из фронтов импульсов преобразуемой частоты, распределитель коротких импульсов, разделяющий частотную последовательность, поступающую с формирователя, на две взаимно чередующиеся импульсные последовательности с удвоенным периодом повторения преобразуемой частоты, сдвинутые на период повторения одна относительно другой, фильтр нижних частот, имеющий два входа, суммирующий и сглаживающий входные токи, источник пускового тока, обеспечивающий ненулевое начальное значение тока на выходе фильтра нижних частот и отключающийся в момент запуска устройства, два идентичных одновибратора, каждый из которых содержит интегрирующий конденсатор, ключ разряда интегрирующего конденсатора и ключ шунтирования соответствующего входа фильтра нижних частот, устройство сравнения напряжения на интегрирующем конденсаторе и опорного напряжения, запоминающее устройство, замыкающее ключи собственного одновибратора в момент равенства напряжений в устройстве сравнения и размыкающее ключи при возвращении в исходное состояние тактовыми импульсами, поступающими с одного из выходов распределителя, отличающийся тем, что преобразователь содержит источник тока управляемый током, обеспечивающий выходной ток во внешней нагрузке и отражающий ток управления токоприемного входа, который подключен к выходу фильтра нижних частот, на отдельные выходы, из которых два, имеющие одинаковые коэффициенты передачи, обеспечивают токи зарядов подключенных к ним интегрирующих конденсаторов соответствующих одновибраторов, а два других, имеющие одинаковые коэффициенты передачи и к которым подключены соответствующие входы фильтра нижних частот, образуют два взаимосвязанных контура обратной связи, генерирующих ток управления источника тока управляемого током.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике, автоматике и может быть использовано, например, в системах автоматического регулирования с частотно-импульсной, широтно-импульсной модуляциями, в телеметрических системах в качестве преобразователя частотных сигналов датчиков неэлектрических величин.

Известен преобразователь частота-ток (ПЧТ), содержащий формирователь последовательности импульсов тока, дозированных по заряду, фильтр нижних частот, выделяющий из сформированной последовательности импульсов выходной ток, и выходной усилитель [2].

Однако данный преобразователь не позволяет получить высокого быстродействия при удовлетворительном уровне пульсаций выходного сигнала из-за необходимости применения низкочастотных фильтров со значительной инерционностью, поскольку скважность импульсов, дозированных по заряду, изменяется в широких пределах при изменении преобразуемой частоты.

Наиболее близким к предложенному преобразователю частота-ток является преобразователь частота-ток, содержащий формирователь тактовых импульсов, фильтр нижних частот, пусковое устройство, обеспечивающее ненулевое начальное значение тока на выходе фильтра нижних частот и отключающееся в момент запуска устройства, одновибратор, состоящий из интегрирующего конденсатора, заряжаемого от источника тока, управляемого током, токоприемный вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, ключа разряда интегрирующего конденсатора, ключа шунтирования входа фильтра, устройства сравнения напряжения на интегрирующем конденсаторе и опорного напряжения, запоминающего устройства, замыкающего ключи в момент равенства напряжений в устройстве сравнения и возвращаемого в исходное состояние тактовыми импульсами [1].

Наиболее близким к предложенному преобразователю частота-ток является преобразователь частота-ток, содержащий формирователь тактовых импульсов, образующий короткие импульсы из фронтов импульсов преобразуемой частоты, распределитель тактовых импульсов, разделяющий частотную последовательность, поступающую с формирователя, на две взаимно чередующиеся импульсные последовательности с удвоенным периодом повторения преобразуемой частоты, сдвинутые на период повторения одна относительно другой, фильтр нижних частот, имеющий два входа, суммирующий и сглаживающий входные токи, источник пускового тока, обеспечивающий ненулевое начальное значение тока на выходе фильтра нижних частот и отключающийся в момент запуска устройства, два идентичных одновибратора, каждый из которых содержит интегрирующий конденсатор, периодически заряжаемый источник тока, управляемый током, с токоприемным входом, общим для обоих управляемых источников тока, включенным на выходе фильтра нижних частот, ключ разряда интегрирующего конденсатора, ключ шунтирования соответствующего входа фильтра нижних частот, узел управления, замыкающий ключи собственного одновибратора при равенстве напряжения на интегрирующем конденсаторе и опорного напряжения, размыкающий ключи импульсами, образованными формирователем коротких импульсов из фронтов импульсов преобразуемой частоты, поступающими с одного из выходов распределителя [1].

Недостатком этих устройств является то, что функции заряда интегрирующего конденсатора и генерирования тока управления ИТУТ исполняются в одном контуре, следствием чего является плавающее включение интегрирующего конденсатора. Потенциалы пластин времязадающего конденсатора зависят от падения напряжения на фильтре нижних частот, включающем развязывающий диод, резистивный элемент фильтра, в том числе входное сопротивление ИТУТ. Для обеспечения требуемой точности преобразования частоты необходимо учитывать зависимость этих напряжений от тока, вследствие чего требуется измерение потенциалов обоих обкладок интегрирующего конденсатора, что ведет к усложнению устройства. Кроме того, наличие цепочки перечисленных элементов, включенных последовательно с интегрирующим конденсатором и питающим ИТУТ, требует сравнительного увеличения напряжения источника питания схемы, реализующей данную конфигурацию. Целью изобретения является упрощение устройства и понижение нижнего предела напряжения питания схемы.

Упрощение преобразователя частота-ток достигается тем, что устройство, включающее формирователь тактовых импульсов, фильтр нижних частот, пусковое устройство, обеспечивающее ненулевое начальное значение тока на выходе фильтра нижних частот и отключающееся в момент запуска устройства, одновибратор, состоящий из интегрирующего конденсатора, ключа разряда интегрирующего конденсатора, ключа шунтирования входа фильтра, устройства сравнения напряжения на интегрирующем конденсаторе и опорного напряжения, запоминающего устройства, замыкающего ключи в момент равенства напряжений в устройстве сравнения и размыкающего ключи при возвращении в исходное состояние тактовыми импульсами, содержит источник тока, управляемый током, обеспечивающий выходной ток во внешней нагрузке и отражающий ток управления токоприемного входа, который подключен к выходу фильтра нижних частот, на отдельные выходы, один из которых обеспечивает ток заряда подключенного интегрирующего конденсатора, а второй, подключенный к входу фильтра нижних частот и имеющий коэффициент передачи тока больше или равный единице, образует контур обратной связи, генерирующий ток управления источника тока управляемого током.

Упрощение преобразователя частота-ток достигается тем, что устройство, содержащее формирователь тактовых импульсов, образующий короткие импульсы из фронтов импульсов преобразуемой частоты, распределитель тактовых импульсов, разделяющий частотную последовательность, поступающую с формирователя, на две взаимно чередующиеся импульсные последовательности с удвоенным периодом повторения преобразуемой частоты, сдвинутые на период повторения одна относительно другой, фильтр нижних частот, имеющий два входа, суммирующий и сглаживающий входные токи, источник пускового тока, обеспечивающий ненулевое начальное значение тока на выходе фильтра нижних частот и отключающийся в момент запуска устройства, два идентичных одновибратора, каждый из которых включает интегрирующий конденсатор, ключ разряда интегрирующего конденсатора, ключ шунтирования соответствующего входа фильтра нижних частот, устройство сравнения напряжения на интегрирующем конденсаторе и опорного напряжения, запоминающее устройство, замыкающее ключи собственного одновибратора в момент равенства напряжений в устройстве сравнения и размыкающее ключи при возвращении в исходное состояние тактовыми импульсами, поступающими с одного из выходов распределителя, содержит источник тока, управляемый током, обеспечивающий выходной ток во внешней нагрузке и отражающий ток управления токоприемного входа, подключенного к выходу фильтра нижних частот, на отдельные выходы, из которых два, имеющие одинаковые коэффициенты передачи, обеспечивают токи зарядов подключенных интегрирующих конденсаторов соответствующих одновибраторов, а два других, имеющих одинаковые коэффициенты передачи и к которым подключены соответствующие входы фильтра нижних частот, образуют два взаимосвязанных контура обратной связи, генерирующие ток управления источника тока, управляемого током.

На фиг.1 представлена функциональная схема преобразователя частота-ток, содержащая формирователь тактовых импульсов 1, устройство сравнения (УС) 2, запоминающее устройство (ЗУ) 3, интегрирующий конденсатор 4, ключ разряда интегрирующего конденсатора 5, ключ шунтирования 6, источник тока, управляемый током (ИТУТ) 7, отражающий ток управления токоприемной цепи на несколько выходов, фильтр нижних частот, образуемый конденсатором 8, разделительным диодом 9, источник пускового тока 10, сопротивление нагрузки 11.

На фиг.2 приведена функциональная схема преобразователя частота-ток, содержащая формирователь коротких импульсов 12, распределитель 13, первый одновибратор, включающий устройство сравнения 14, запоминающее устройство 16, интегрирующий конденсатор 18, ключи 20 и 22, второй одновибратор, включающий устройство сравнения 15, запоминающее устройство 17, интегрирующий конденсатор 19, ключи 21 и 23, ИТУТ 27, отражающий ток управления токоприемной цепи на несколько выходов, фильтр нижних частот, образуемый конденсатором 24 и диодами 25, 26, источник пускового тока 28 и сопротивление нагрузки 29.

В преобразователе фиг.1 сигнал преобразуемой частоты F подается на вход формирователя 1, усиливающего и ограничивающего входной сигнал и создающего короткие тактовые импульсы по фронтам и/или срезам входного сигнала. Сформированная последовательность f тактовых импульсов с периодом повторения Т управляет одновибратором, включающим устройство сравнения 2, запоминающее устройство 3, интегрирующий конденсатор 4, ключ разряда 5 интегрирующего конденсатора. Заряд интегрирующего конденсатора емкостью С осуществляется током i_c с одного из выходов ИТУТ 7, отражающего ток управления i токоприемного входа по этому выходу с коэффициентом передачи k_с. Ток управления ИТУТ генерируется в контуре, являющимся петлей положительной обратной связи ИТУТ. Генерирующий контур включает выход ИТУТ, на который ток управления отражается с коэффициентом передачи k, фильтр нижних частот, токоприемный вход ИТУТ. Условием возбуждения тока является значение коэффициента передачи тока k, равное или большее единицы.

Очередной тактовый импульс формирователя восстанавливает запоминающее устройство, например триггер, который размыкает ключи 5 и 6. Начинается фаза заряда интегрирующего конденсатора 4. В течение фазы заряда напряжение u_C на интегрирующем конденсаторе 4 возрастает и сравнивается УС 2, например, компаратором с опорным напряжением U_O. Длительность фазы заряда интегрирующего конденсатора Т_с , отсчитываемая от начала текущего цикла, определяется из условия равенства напряжения на конденсаторе и опорного напряжения. Устройство сравнения 2 генерирует импульс, заставляющий срабатывать ЗУ 3, которое замыкает ключи 5, 6. Начинается фаза разряда интегрирующего конденсатора. При замыкании ключа 6 ток генерирующего выхода ИТУТ шунтируется и ток i на выходе фильтра поддерживается конденсатором фильтра. В течение фазы разряда ключи 5 и 6 остаются замкнутыми до тех пор, пока на другой вход ЗУ не поступит очередной тактовый импульс с формирователя 1. По окончании текущего тактового импульса запоминающее устройство восстанавливается и начинается фаза заряда следующего цикла. Таким образом, в результате периодического воздействия тактовых импульсов на входе фильтра формируется последовательность дозированных по заряду Q=C·U_O импульсов тока i_a, имеющих скважность s=Т/Т _с. Последовательность сглаживается фильтром нижних частот, состоящим из развязывающего диода 9 и конденсатора 8 емкостью С_ф, резистивного элемента, включающего входное сопротивление ИТУТ. Ток i на выходе фильтра нижних частот является током управления ИТУТ и отводится в нагрузку 11. Короткие импульсы обеспечивают разряд интегрирующего конденсатора в том случае, если напряжение на интегрирующем конденсаторе не достигло порогового значения за время прошедшего цикла и, следовательно, интегрирующий конденсатор не разрядился к началу следующего. Это способствует плавному характеру переходных процессов при больших скачкообразных изменениях преобразуемой частоты и плавному запуску устройства при низких значениях пускового тока. Источник пускового тока 10 обеспечивает начальное возбуждение устройства, поддерживая в цепи фильтра произвольное значение тока I _п, большее нуля, до начала работы и отключая его в момент запуска по какому-либо условию, например в момент появления частотной последовательности на входе преобразователя или при превышении выходным током какого-нибудь заданного значения. В процессе преобразования частотной последовательности f при любом произвольном значении тока i(t) в данный момент времени переходные процессы, происходящие в преобразователе, приводят к тому, что ток i(t) стремится принять установившееся значение и форму. Форма пульсаций тока на выходе фильтра представляет собой непрерывную кусочно-гладкую кривую, состоящую из последовательно чередующихся восходящих и нисходящих участков, характер которых зависит от характеристики фильтра нижних частот. В установившемся режиме постоянная составляющая выходного тока и скважность импульсов на входе фильтра не зависят от свойств фильтра. В результате переходного процесса постоянная составляющая тока на выходе фильтра стремится к значению, прямо пропорциональному частоте, а скважность импульсов, отношение периода цикла к длительности фазы заряда, устанавливается равной коэффициенту передачи k генерирующего выхода ИТУТ. В установившемся режиме величина постоянной составляющей генерируемого тока i(t) равна:

Величина и характер пульсаций тока на выходе фильтра, форма переходного процесса определяются вольтамперной характеристикой резистивного элемента фильтра u_ф=u(i). Например, при резистивном элементе фильтра, представляющем цепочку из m - последовательно включенных р-n-переходов и резистора, вольтамперная характеристика определяется выражением: u _ф=i·R+m· _T·ln(i/I_S ). Изменение тока управления ИТУТ и выходного тока при определенных допущениях определяется зависимостью:

где t - локальное время цикла, отсчитываемое от начала очередного n-го интервала повторения; i ₀ - значение тока в начале текущего цикла; Т _C=Т/k - длительность фазы заряда; Т - период преобразуемой частоты; I_S - обратный ток насыщения р-n перехода; _T - температурный потенциал; (Т)=С_ф·(R+m _TT/Q) - постоянная времени фильтра.

Амплитуда пульсаций i выходного тока, как разность между максимальным и минимальным значениями тока в течение цикла, и коэффициент пульсаций k _п, как отношение амплитуды к постоянной составляющей, зависят от характеристики фильтра и, например, в рассматриваемом случае равны:

Быстродействие и реакция устройства на увеличение или уменьшение преобразуемой частоты одинаковы при значении коэффициента передачи k=2 питающего ИТУТ. Оценку сходимости и устойчивости процесса преобразования при заданных параметрах преобразователя и любых начальных условиях дает анализ зависимости I _n+1=Y(I_n,T), где I _n - значения выходного тока в начале n-го цикла; I _n+1 - значение тока в начале следующего (n+1)-го цикла. Область определения функции разбивается на два интервала: 0<I _n I_cr и I_n I_cr. В интервале 0<I _n<I_cr выходной ток нарастает экспоненциально и непрерывно, поскольку интегрирующий конденсатор не успевает зарядиться до порогового напряжения за время цикла. При I _n I_cr процесс становится нелинейным и разрывным. Например, при вольтамперной характеристике резистивного элемента u_ф=i·R+m· _T·ln(i/I_S ) функция I_n+1=Y(I_n ,T), отображающая при определенных допущениях достаточно точно процесс сходимости, принимает вид:

где

При графическом изображении точка пересечения функции I_n+1=Y(I_n,T) и прямой I_n+1=I_n соответствует установившемуся режиму.

В преобразователе частота-ток фиг.2 сигнал преобразуемой частоты F подается на вход формирователя 12, создающего по фронтам и/или срезам входного сигнала последовательность коротких тактовых импульсов f с периодом повторения Т. Последовательность f поступает на вход распределителя импульсов 13. Распределитель формирует из последовательности импульсов f две взаимно чередующиеся последовательности коротких импульсов f₁ и f₂, каждая из которых имеет период повторения импульсов 2·Т, и импульсы одной последовательности сдвинуты относительно импульсов другой на интервал времени Т. Последовательности f₁ и f₂ тактовых импульсов управляют работой двух идентичных одновибраторов. Одновибратор, управляемый последовательностью f₁, содержит устройство сравнения 14, запоминающее устройство 16, интегрирующий конденсатор 18, ключи 20 и 22. Одновибратор, управляемый последовательностью f₂, содержит устройство сравнения 15, запоминающее устройство 17, интегрирующий конденсатор 19, ключи 21 и 23. Взаимно чередующиеся последовательности f₁ и f ₂, управляя одновибраторами, обеспечивают поочередное интегрирование тока конденсаторами 18 и 19. Процессы зарядов интегрирующих конденсаторов 18 и 19 осуществляются токами i_c с выходов ИТУТ 27, отражающего ток управления i токоприемного входа по этим выходам с коэффициентом передачи k_с . Ток управления ИТУТ генерируется в двух взаимосвязанных контурах, образующих петлю положительной обратной связи ИТУТ. Генерирующие контуры включают выходы ИТУТ, на которые ток управления отражается с коэффициентами передачи k, фильтр нижних частот, суммирующий и сглаживающий токи с выходов ИТУТ, токоприемный вход ИТУТ. Идентичность одновибраторов предполагает равенство емкостей интегрирующих конденсаторов C₁=C₂ =C, равенство коэффициентов передачи ИТУТ по выходам зарядов интегрирующих конденсаторов k_C1=k _C2 и по выходам генерирующих контуров k ₁=k₂.Очередной короткий импульс последовательности f₁ или f₂ запускает текущий цикл преобразования в соответствующем ждущем мультивибраторе. Текущий цикл преобразования в одновибраторе начинается с такта заряда его интегрирующего конденсатора. В момент времени, определяемый из условия равенства напряжения на конденсаторе опорному напряжению u_с=U₀, устройство сравнения генерирует импульс, заставляющий срабатывать запоминающее устройство, которое замыкает ключи, входящие в состав одновибратора, и начинается фаза разряда соответствующего интегрирующего конденсатора. В течение фазы разряда ключи остаются замкнутыми до тех пор, пока очередной короткий импульс, соответствующей преобразуемой последовательности f₁ или f ₂, не восстановит сигнал запоминающего устройства, управляющий ключами. Ключи размыкаются и начинается следующий цикл работы.

В процессе преобразования частотных последовательностей f ₁ и f₂ формируемые последовательности i₁, i₂ импульсов токов на входах фильтра суммируются и сглаживаются в фильтре нижних частот и выходной ток фильтра является током управления ИТУТ преобразователя. Фильтр включает диоды 25, 26, конденсатор 24 емкостью С_ф и входное сопротивление токоприемного входа ИТУТ. В установившемся режиме постоянная составляющая тока на входе ИТУТ, определяющего выходной ток устройства, равна:

где С, U₀ - емкость и величина опорного напряжения интегрирующих конденсаторов, Т - период преобразуемой частоты f.

Минимальный уровень пульсаций выходного тока достигается при значениях коэффициентов передачи тока ИТУТ по генерирующим выходам k 1. В установившемся режиме при k=1 длительность импульсов последовательностей i₁, i ₂ равна Т и импульсы одной последовательности сдвинуты относительно импульсов другой на интервал времени Т. Величины прямоугольных импульсов и тока на входе ИТУТ равны:

Если по какой-либо причине значение тока i больше Q/T·k_c, то в течение текущего цикла время заряда Т_с текущего интегрирующего конденсатора меньше периода Т и от момента окончания такта заряда текущего конденсатора до запуска следующего цикла во втором одновибраторе образуется интервал t=(T-T_c), в котором обратная связь в устройстве разрывается. Ток i поддерживается емкостью фильтра и падает по закону, определяемому вольтамперной характеристикой фильтра, например при линейной характеристике резистивного элемента фильтра по экспоненте i(t)=I_n·e ^-t/T, где I_n - значение тока в начале текущего n-го цикла; t - время в интервале 0<t< t. Если i меньше Q/T, то такт заряда текущего одновибратора не успевает закончиться до начала наступления очередного цикла в следующем одновибраторе. Поэтому в начале очередного цикла образуется интервал совместной работы двух одновибраторов t=T_c-T. Вследствие суммирования токов заряда интегрирующих конденсаторов, что эквивалентно положительной обратной связи с коэффициентом k=2, ток i растет, например, при линейной характеристике резистивного элемента фильтра по экспоненте i(t)=I_n·e ^/t до тех пор, пока не закончится такт заряда в n-ом цикле. Операция запуска обеспечивается источником пускового тока 28, поддерживающим начальное ненулевое значение тока 1 _П в цепи управления ИТУТ в момент запуска устройства, отключаемого после возбуждения преобразователя. Для заданной преобразуемой частоты при любом произвольном значении тока i(t) в данный момент времени переходные процессы, происходящие в преобразователе, приводят к тому, что ток i(t) стремится принять установившееся значение и форму, скважность импульсов токов заряда интегрирующих конденсаторов стремится к значению s=2. Пульсации выходного тока в установившемся режиме незначительны, зависят от степени идентичности одновибраторов преобразователя и проявляются в виде мелкого дрожания выходного тока с периодом Т и коротких всплесков в моменты коммутаций. В периоды переходных процессов в неустановившихся режимах изменение выходного тока имеет ступенчатую форму.

Сходимость и устойчивость процесса преобразования при заданных параметрах преобразователя и любых начальных условиях определяется из анализа зависимости I_n+1=Y(I_n,T), где I_n и I_n+1 - значения выходного тока в конце n-го цикла и в конце следующего (n+1)-го цикла соответственно. Область определения функции разбивается на три интервала. Например, при значении коэффициента передачи k=1 на интервалы: 0<I_n I_cr, I_cr<I _n Q/k_cT и I_n Q/k_cT. В интервале 0<I _n I_cr ток нарастает экспоненциально и непрерывно, поскольку интегрирующие конденсаторы дозаторов не успевают зарядиться до порогового напряжения за время 2·Т. При I_n I_cr процессы во время циклов делятся на фазы заряда и разряда. В интервале I_cr <I_n Q/k_cT процесс сходимости определяется как текущим значением I_n, так и начальными условиями и при определенных допущениях может быть аппроксимирован функцией I_n+1=Y(I_n ). Например, при вольтамперной характеристике резистивного элемента u_ф=i·R+m· _T·ln(i/I_S ) и линейном аппроксимировании в интервале I_cr <I_n Q/k_c·T функция I _n+1=Y(I_n,T), отображающая процесс сходимости, принимает вид:

,

где ; - постоянная времени фильтра. При графическом изображении точка пересечения функции I_n+1=Y(I _n,T) и прямой I_n+1=I _n соответствует установившемуся режиму.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент RU 2274948 С2, 28.04.2004. Преобразователь частота-ток. Коркин В.В.

2. Баранов Л.А. и др. Конденсаторные преобразователи в автоматике и системах управления. М.: «Энергия», 1969 г.

3. Справочник по радиоэлектронным устройствам. Том 1. Под общей редакцией Куликовского А.А. Москва, «Энергия», 1978, стр.425-427.