интегральный частотно-импульсный преобразователь

Формула изобретения

Интегральный частотно-импульсный преобразователь, содержащий интегратор, релейный элемент с гистерезисом, D-триггер, управляемый стабилизатор тока, первый и второй элементы И и генератор, при этом выход интегратора соединен со входом релейного элемента с гистерезисом, подключенного своим выходом к D-входу D-триггера, С-вход которого соединен с выходом генератора и первыми входами первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с выходной шиной отрицательного и положительного сигнала, а второй вход второго элемента И соединен с выходом D-триггера и входом управляемого стабилизатора тока, отличающийся тем, что в него дополнительно введены резистор и конденсатор, первый вывод которого подключен к общей точке сигналов, а второй вывод соединен с выходом управляемого стабилизатора тока и первым выводом резистора, второй вывод которого соединен со входом обратной связи интегратора, при этом инверсный выход D-триггера соединен со вторым входом первого элемента И.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в устройствах преобразования непрерывного сигнала в частоту с высокими требованиями к точности преобразования.

Известен интегральный частотно-импульсный преобразователь, описание которого приведено в [1], содержащий интегратор, первый и второй релейные элементы с гистерезисом, первый и второй управляемые стабилизаторы тока, включенные в цепи отрицательной обратной связи соответственно на первый и второй входы интегратора, третий вход которого соединен с входом интегрального преобразователя, а выход интегратора соединен со входом первого и второго релейных элементов с гистерезисом.

Недостаток известного устройства состоит в том, что при большом диапазоне изменения входного сигнала оно не обеспечивает заданной высокой точности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является интегральный частотно-импульсный преобразователь [2], содержащий интегратор, релейный элемент с гистерезисом, D-триггер, управляемый стабилизатор тока, первый и второй элементы И и генератор, при этом выход интегратора соединен со входом релейного элемента с гистерезисом, подключенного своим выходом к D-входу D-триггера, С-вход которого соединен с выходом генератора и первыми входами первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с выходной шиной отрицательного и положительного сигнала, а второй вход второго элемента И соединен с выходом D-триггера и входом управляемого стабилизатора тока.

Недостаток этого устройства состоит в том, что оно не обладает достаточной точностью, если выходной ток управляемого стабилизатора тока изменяет свое направление с малой длительностью фронта, что всегда имеет место в прецизионных интегральных частотно-импульсных преобразователях.

Задача изобретения - повышение точности.

Эта задача достигается тем, что интегральный частотно-импульсный преобразователь, содержащий интегратор, релейный элемент с гистерезисом, D-триггер, управляемый стабилизатор тока, первый и второй элементы И и генератор, при этом выход интегратора соединен со входом релейного элемента с гистерезисом, подключенного своим выходом к D-входу D-триггера, С-вход которого соединен с выходом генератора и первыми входами первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с выходной шиной отрицательного и положительного сигнала, а второй вход второго элемента И соединен с выходом D-триггера и входом управляемого стабилизатора тока, отличается тем, что в него дополнительно введены резистор и конденсатор, первый вывод которого подключен к общей точке сигналов, а второй вывод соединен с выходом управляемого стабилизатора тока и первым выводом резистора, второй вывод которого соединен со входом обратной связи интегратора, при этом инверсный выход D-триггера соединен со вторым входом первого элемента И.

На фиг.1 приведена блок-схема интегрального частотно-импульсного преобразователя. На этой схеме 1 - шина входного сигнала интегрального преобразователя, 2 - интегратор, 3 - релейный элемент с гистерезисом, 4 - D-триггер, 5 - управляемый стабилизатор тока, 6 - генератор, 7 - первый элемент И, 8 - второй элемент И, 9 - конденсатор, 10 - резистор, 11 - выходная шина отрицательного сигнала, 12 - выходная шина положительного сигнала.

В интегральном частотно-импульсном преобразователе шина входного сигнала 1 соединена со входом интегратора 2, выход которого подключен ко входу релейного элемента с гистерезисом 3, соединенного своим выходом с D-входом D-триггера 4, С-вход которого соединен с выходом генератора 6 и первыми входами первого 7 и второго 8 элементов И. Выход D-триггера 4 соединен с входом управляемого стабилизатора тока 5 и вторым входом второго элемента И 8, инверсный выход D-триггера 4 соединен со вторым входом первого элемента И7. Выход управляемого стабилизатора тока 5 соединен с первым выводом резистора 10 и вторым выводом конденсатора 9, первый вывод которого подключен к общей точке сигналов. Второй вывод резистора 10 соединен с входом обратной связи интегратора 2. Выходы первого 7 и второго 8 элементов И подключены соответственно к выходной шине отрицательного сигнала 11 и выходной шине положительного сигнала 12.

Интегральный преобразователь работает следующим образом. Пусть входной непрерывный сигнал (входной ток) I_ВХ увеличивается от нуля. В этом случае выходной сигнал U интегратора 2 начнет увеличиваться. При U=h срабатывает релейный элемент с гистерезисом 3 и его выходной сигнал U_P=1 (высокий уровень) поступает на D-вход D-триггера 4. Импульсом с генератора 6 D-триггер 4 переводится по входу С в единичное состояние, его выходной сигнал U_T=1 включает управляемый стабилизатор тока 5, который подключает ток обратной связи I _OC отрицательного направления к входу обратной связи интегратора 2 (управляемый стабилизатор тока 5 формирует ток I _OC отрицательного направления при U_T =1 и ток I_OC положительного направления при U_T=0). Ток I_OC противоположен по направлению входному току I _ВХ, вследствие чего выходной сигнал интегратора начнет уменьшаться. Ток I_OC выбирается из условия I_OC>I_BX.MAX, где I_BX.MAX - максимально возможное значение входного тока. Так как I_OC>I _BX, то выходной сигнал U интегратора 2 начнет уменьшаться до значения U=-h. В течение всего этого времени D-триггер 4 находится в единичном состоянии и его выходной сигнал U _T=1 (высокий уровень), поступая на второй вход второго элемента И 8, открывает его для прохождения импульсов генератора 6 с выхода второго элемента И 8, выходные импульсы f ₊ которого поступают на выходную шину положительного сигнала 12. В это же время на инверсном выходе D-триггера 4 сигнал U _ТИ=0. Этот сигнал блокирует прохождение импульсов с генератора 6 на выход первого элемента И7, вследствие чего выходные импульсы на шине отрицательного сигнала 11 отсутствуют. При U=-h переключается релейный элемент с гистерезисом 3 и его выходной сигнал U _P=0 (низкий уровень) переводит D-триггер 4 в нулевое состояние по входу С импульсом с генератора 6, после чего стабилизатор тока 5 начинает формировать ток I_OC положительного направления. Пусть T₁ - время нахождения D-триггера 4 в единичном состоянии, в течение которого стабилизатор тока 5 формирует ток I_OC отрицательного направления. Тогда T₁=n ₁Т₀, где Т₀ - период следования импульсов с генератора 6, n ₁ - число импульсов с генератора 6 за время T ₁.

После переключения D-триггера 4 в нулевое состояние выходной сигнал U интегратора 2 начнет увеличиваться. В течение всего этого времени D-триггер 4 находится в нулевом состоянии (U_T=0, U_ТИ=1) и его выходной сигнал U_ТИ=1, поступая на второй вход первого элемента И 7, открывает его для прохождения импульсов генератора 6 с выхода первого элемента И 7, выходные импульсы f которого поступают на выходную шину отрицательного сигнала 11. В это же время сигнал D-триггера 4 U_T =0. Этот сигнал блокирует прохождение импульсов с генератора 6 на выход второго элемента И 8, вследствие чего выходные импульсы на шине положительного сигнала 12 отсутствуют. Пусть T ₂ - время нахождения D-триггера 4 в нулевом состоянии, в течение которого стабилизатор тока 5 формирует ток I _OC положительного направления. Тогда Т₂ =n₂Т₀, где Т ₀ - период следования импульсов с генератора 6, n ₂ - число импульсов с генератора 6 за время Т ₂.

При U=h срабатывает релейный элемент с гистерезисом 3 и процесс формирования сигналов f₊ будет продолжен аналогично уже описанному. За интервал времени (Т ₁+Т₂) справедливо следующее соотношение

Полагая, что за время (T₁+Т ₂) входной сигнал остается неизменным, из (1) имеем

Равенство (2) можно представить в виде

где

частота, соответствующая входному сигналу I _ВХ (выходной сигнал интегрального преобразователя).

Для получения высокой точности преобразования как это следует из (3) требуется формирование с высокой точностью тока обратной связи I_OC и периодов T₁ и Т₂. Точность стабилизаторов тока и кварцевых генераторов достигает тысячных долей процента. Точность формирования периодов T₁ и Т₂ во многом зависит от погрешности интегратора. Для уменьшения погрешности интегрирования тока обратной связи I _OC за время T₁ и Т ₂ фронт, в течение которого происходит переключение направления тока обратной связи, необходимо уменьшать, так как этот параметр является нестабильным и его изменение существенно сказывается на погрешности преобразования. Современные коммутаторы тока имеют время переключения порядка единиц наносекунд. В то же время операционные усилители, используемые для интеграторов, обладают низким быстродействием, на несколько порядков меньшим, чем коммутаторы тока. Это обстоятельство приводит к тому, что при резком изменении направления тока (входного сигнала) операционный усилитель из-за низкого быстродействия переходит в режим, для которого характерно многократное увеличение входного тока, что значительно снижает погрешность преобразования.

В рассматриваемом интегральном преобразователе ток обратной связи I_OC поступает на вход интегратора через конденсатор 9 и резистор 10. При протекании тока обратной связи I_OC на конденсаторе 9 устанавливается напряжение U_C=I_OC R, где R - сопротивление резистора 10. При резком изменении направления тока напряжение на конденсаторе 9 начинает "плавно" изменяться, что приводит к "плавному " изменению тока обратной связи на входе интегратора от I_OC до минус I_OC. Время этого изменения определяется временем перезаряда конденсатора от значения U _C до значения минус U_C и может быть подобрано с помощью резистора 10 и конденсатора 9. Введение в цепь тока обратной связи цепи из конденсатора 9 и резистора 10 не вносит дополнительной погрешности преобразования, так как дополнительная погрешность в данном случае может быть определена утечкой конденсатора 9, которая ничтожно мала. В рассматриваемой схеме операционный усилитель интегратора 2 вследствие "плавности" изменения входного сигнала обеспечивает адекватную реакцию на резкое изменение направления тока обратной связи, что не приводит к изменению входного тока операционного усилителя и интегратор сохраняет свои точностные характеристики.

Эффект от использования предлагаемого изобретения состоит в повышении точности. Оценим точность предлагаемого изобретения. В известном решении [2] при подключении тока обратной связи к входу интегратора в течение времени t_ОУ, определяющего быстродействие операционного усилителя, значительно увеличивается входной ток операционного усилителя. Пусть t_ОУ=20 мкс, а входной ток операционного усилителя в течение этого времени I_ОУ=20 мкА. За время преобразования Т _П погрешность известного решения i_П можно оценить в виде

Если, например, входной ток I_BX =10 мкА, Т_П=400 мкс, то относительная погрешность преобразования известного решения будет равна

Для рассматриваемого случая относительная погрешность преобразования известного решения составляет 10%. Погрешность преобразования предлагаемого решения _П можно оценить в виде

где i_У - ток утечки конденсатора. Полагая, что i_У=10 нА, из (7) _П=0,1%, что свидетельствует о высоких точностных характеристиках предлагаемого решения.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных автором источниках не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы логические элементы И, триггеры, любых серий, например серии 564, стандартные интеграторы, стабилизаторы тока, кварцевые генераторы.

Литература

1. Патент Российской Федерации N2138826, кл. G01R 19/252, от 29.09.99. Интегральный преобразователь.

2. Патент Российской Федерации N2199758, кл. G01R 19/252, от 27.02.03. Способ частотно-импульсного преобразования непрерывного сигнала и интегральный преобразователь для его реализации.