ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ В ИНТЕРВАЛЫ ВРЕМЕНИ
VOLTAGE-TO-TIME INTERVAL CONVERTER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в телеметрических системах с времяимпульсной модуляцией (ВИМ).
Известен многоканальный преобразователь аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени (см. патент РФ №2289200 приоритет от 01.11.2004 «Преобразователь аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени», авторы С.В. Батарев, И.И. Кортюков и др., МПК Н03К 3/84, H04B 7/17, опублик. 20.12.2006 Бюл. №34), содержащий последовательно соединенные генератор тактовой частоты с кварцевой стабилизацией и распределитель тактовых импульсов, коммутатор аналоговых сигналов, входы которого подключены к источникам сигналов, аналого-цифровой преобразователь, триггер, логический элемент И, двоичный счетчик, формирователь времяимпульсной последовательности, включающий формирователи опорных и измерительных импульсов и сумматор, усилитель мощности. Коммутатор аналоговых сигналов преобразователя под воздействием тактового генератора производит последовательное подключение выходов источников сигналов к блоку, осуществляющему перевод напряжения электрического сигнала очередного датчика в длительность временного интервала, пропорциональный этому напряжению.
Преобразователь формирует передний защитный интервал между первым опорным импульсом и измерительным импульсом, длительность которого не должна быть меньше заданной приемо-измерительной аппаратурой. Преобразователь формирует протяженный задний защитный интервал между последним измерительным импульсом предыдущей серии преобразования и опорным импульсом следующей серии преобразования, длительность которого должна быть больше заданной приемо-измерительной аппаратурой.
Недостатками данного преобразователя являются:
- отсутствие сжатия информации по времени, а именно большая длительность временных посылок, в которой каждому из тридцати двух измерительных импульсов предшествует опорный импульс;
- использование принципа временного разделения каналов с преобразованием аналоговых сигналов в виде амплитудно-кодово-временных импульсных последовательностей (АИМ-КИМ-ВИМ-последовательностей), при этом КИМ-последовательность избыточна и требует наличия: прецизионного аналого-цифрового преобразователя (АЦП); высокой стабильности источника опорного напряжения; преобразователя КИМ-последовательности в ВИМ-последовательность;
- отсутствие защиты АЦП преобразователя от высокочастотной помехи в момент преобразования напряжения в код из-за отсутствия интегратора в цепи аналогового коммутатора и источника сигнала;
- низкая удароустойчивость из-за наличия кварцевого резонатора в составе генератора тактовой частоты.
0
1
2
Наиболее близким по технической сущности предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является преобразователь напряжения в интервал времени (патент РФ №2263321 приоритет от 29.06.2004 «Преобразователь напряжения в интервал времени», авторы Гутников А.И., Можайченко В.Г., МПК G01R 19/255, опубл. 27.10.2005 Бюл. №30), содержащий n источников преобразуемого напряжения, генератор коротких запускающих импульсов, генератор линейного напряжения, подключенный выходом к первому входу дифференциального компаратора напряжения и имеющий времязадающий конденсатор, подключенный параллельно аналоговому ключу с управляющим входом, а также триггер и выходную шину, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой элементы И-НЕ, ограничительные резисторы, аналоговый мультиплексор, двоичный счетчик, дешифратор c m-выходами, резистор, аналоговый ключ с управляющим инверсным входом и дифференциальный компаратор напряжения, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, RC-фильтр, элементы НЕ, формирователи импульсов по длительности, формирователь коротких импульсов, клемму установки нуля, клеммы управления коэффициентом усиления, клемму отрицательного напряжения смещения, клемму напряжения ограничения. Два источника преобразуемого сигнала выполнены с детектором каждый, входы установки нуля которых соединены с выходами, соответственно, первого и второго элементов И-НЕ. Выход каждого источника преобразуемого напряжения соединен через соответствующий ограничительный резистор с соответствующим информационным входом аналогового мультиплексора, входы 2, 2, 2 управления которого подключены к одноименным входам дешифратора и одноименным выходам двоичного счетчика, R-вход которого подключен к выходу третьего элемента И-НЕ. Выход аналогового мультиплексора подключен через параллельно соединенные резистор и второй аналоговый ключ к общей шине и непосредственно к входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. Первый и второй входы управления коэффициентом усиления усилителя соединены с выходами, соответственно, четвертого и пятого элементов И-НЕ, первые входы которых, соединены, соответственно, с первым Y2 и вторым Y3 выходами дешифратора, а вторые входы - с соответствующими клеммами управления коэффициентом усиления. Выход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен через RC-фильтр с первым входом второго и вторым входом первого дифференциальных компараторов напряжения, выход последнего соединен с первым входом шестого элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с СЕ-входом двоичного счетчика, С-входом триггера и выходом формирователя коротких импульсов, а выход - с первыми входами седьмого элемента И-НЕ и восьмого элемента И-НЕ. Выход восьмого элемента И-НЕ является выходной шиной устройства, а второй вход соединен с выходом генератора коротких запускающих импульсов, первым входом третьего элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И-НЕ, клеммой установки нуля и вторым входом седьмого элемента И-НЕ. Выход седьмого элемента И-НЕ соединен с R-входом триггера, выходы Y3 и Y4 дешифратора через, соответственно, первый и второй формирователь импульсов по длительности подключены к вторым входам, соответственно, первого и второго элемента И-НЕ. Выход Y7 дешифратора соединен с С-входом двоичного счетчика и через первый элемент НЕ с D-входом триггера, S-вход которого соединен с выходом второго элемента НЕ, вход которого соединен со вторым входом восьмого элемента И-НЕ. Прямой выход триггера соединен с входом формирователя коротких импульсов, инверсный выход триггера соединен с управляющим входом первого аналогового ключа, выход которого соединен с клеммой отрицательного напряжения смещения, второй вход второго дифференциального компаратора напряжения подключен к клемме напряжения ограничения.
С помощью стабильного после настройки одновибратора и стабильного после настройки начального смещения пилообразного напряжения преобразователь формирует передний защитный интервал между очередным опорным импульсом и первым измерительным импульсом в серии, длительность которого не должна быть меньше заданной приемо-измерительной аппаратурой.
С помощью генератора коротких, следующих с большим периодом после настройки, импульсов преобразователь формирует протяженный задний защитный интервал между последним измерительным импульсом предыдущей серии преобразования и опорным импульсом следующей серии преобразования, длительность которого должна быть больше заданной приемо-измерительной аппаратурой.
Недостатками устройства являются:
- сложность преобразователя (увеличенные габариты, пониженная надежность за счет наличия сложных (настраиваемых) устройств, таких как генератор периодических коротких запускающих импульсов (следующих с протяженным периодом следования), стабильного источника тока, прецизионного время задающего конденсатора, стабильного одновибратора; сложность формирования стабильного переднего и заднего защитного интервалов;
- пониженная точность за счет наличия сложных (настраиваемых с определенной точностью, ухудшающейся в процессе старения) устройств, таких как генератор периодических коротких запускающих импульсов (следующих с протяженным периодом следования), стабильного источника тока, прецизионного время задающего конденсатора, стабильного одновибратора, стабильного смещения пилообразного напряжения;
- пониженная помехозащищенность за счет коммутационных помех на выходе аналогового мультиплексора и принципа действия, в котором сравнение сигнала (промодулированного помехой) с «пилой» производится в одной точке «пилы» при ее нарастании до мгновенного уровня сигнала с наложенной помехой.
Технические результаты, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в упрощении, уменьшении габаритов, повышении технологичности и надежности, повышении точности преобразования и помехозащищенности.
0
1
2
Данные технические результаты достигаются тем, что в преобразователе напряжения в интервалы времени, содержащем последовательную RC-цепь, n-источников преобразуемого напряжения, по крайней мере, два из которых выполнены с детекторами, аналоговый мультиплексор, выход которого соединен с первым выводом резистора, а входы управления 2, 2, 2 соединены соответственно с одноименными входами управления дешифратора c m-выходами, триггер, двоичный счетчик, формирователь коротких импульсов, выходную клемму, клеммы для установки нуля и напряжения смещения, новым является то, что дополнительно введены первый, второй, третий и четвертый элементы И, первый, второй и третий элементы ИЛИ-НЕ, элемент задержки, неинвертирующий триггер Шмитта и клемма запуска, которая соединена с S-входом триггера, R-вход которого подключен к клемме для установки нуля, а инверсный выход соединен с R-входом двоичного счетчика, С-вход которого соединен с выходом неинвертирующего триггера Шмитта, первым входом первого элемента И и через последовательную RC-цепь с входом неинвертирующего триггера Шмитта и выходом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к клемме напряжения смещения, а инвертирующий вход к средней точке последовательной RC-цепи и второму выводу резистора, каждый информационный вход аналогового мультиплексора соединен с выходом соответствующего источника преобразуемого напряжения, входы установки нуля источников преобразуемого напряжения с детекторами соединены соответственно с выходами первого и второго элементов ИЛИ-НЕ, первые входы которых соединены с соответствующими выходами дешифратора, а вторые входы объединены и соединены с инверсным выходом триггера, прямой выход которого соединен со вторым входом первого элемента И, выход которого через формирователь коротких импульсов соединен с выходной клеммой, а третий вход через элемент задержки соединен с первыми входами второго, третьего и четвертого элементов И и с выходом третьего элемента ИЛИ-НЕ, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходом двоичного счетчика, третий, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно со вторыми входами второго, третьего и четвертого элементов И, выходы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами управления дешифратора.
За счет уменьшения количества электрорадиоэлементов и точек паек, и замены сложных (настраиваемых) устройств, таких как генератор периодических коротких запускающих импульсов, стабильного источника тока, прецизионного время задающего конденсатора, стабильного одновибратора, двух аналоговых ключей, двух дифференциальных компараторов напряжений и ряда логических элементов, автогенераторным аналоговым суммирующим двухпороговым интегратором, выполненном на операционном усилителе (ОУ), неинвертирующем триггере Шмитта и последовательной RC-цепи, упрощается преобразователь напряжений в интервалы времени, уменьшаются его габариты, повышается технологичность и надежность.
Кроме того, функция преобразования напряжения в интервалы времени автогенераторного аналогового суммирующего двухпорогового интегратора стабильна во времени, не имеет зависимости от величины время задающего конденсатора, абсолютной величины пороговых уровней неинвертирующего триггера Шмитта и напряжения питания ОУ.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>t</mi><mmultiscripts><mo>+</mo><mprescripts /><mn>2</mn><none /></mmultiscripts><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Повышенная точность достигается независимостью выходного временного параметра
: от абсолютной величины порогов неинвертирующего триггера Шмитта (важна симметрия порогов относительно половины напряжения питания неинвертирующего триггера Шмитта); от напряжения питания операционного усилителя и неинвертирующего триггера Шмитта; от величины конденсатора последовательной RC-цепи.
Обязательным условием является сохранение отношения величины сопротивления резистора к величине сопротивления резистора последовательной RC-цепи равного двум (или некоторой другой стабильной величине) и симметрия порогов неинвертирующего триггера Шмитта.
Симметрия порогов неинвертирующего триггера Шмитта относительно половины напряжения его питания обеспечивается автоматически, нижний порог равен одной третьей, а верхний равен двум третьим от напряжения питания неинвертирующего триггера Шмитта.
2
1
Повышенная помехозащищенность достигается исключением, подавлением помех на сигналах аналогового мультиплексора и источников преобразуемого напряжения автогенераторным (двунаправленным) аналоговым суммирующим двухпороговым интегратором на операционном усилителе, неинвертирующем триггере Шмитта и последовательной RC-цепи. При интегрировании в течение времени t+t в двух направлениях сигнал усредняется, освобождается от помех в отличие от наиболее близкого аналога, где сравнение сигнала с «пилой» производится в одной точке «пилы» при ее нарастании до мгновенного уровня сигнала с наложенной помехой.
На фиг.1 представлена схема заявленного преобразователя напряжения в интервалы времени, при n=8, m=8.
пит
пит
На фиг.2 приведена временная диаграмма работы преобразователя напряжения в интервалы времени для минимального (0 вольт) и максимального (U) входных сигналов с источников преобразуемых напряжений равных нулю вольт и равных величине напряжения питания U неинвертирующего триггера Шмитта, при этом:
U26 - напряжение триггера Шмитта, U27 - напряжение на выходе ОУ.
Передний временной защитный интервал формируется автоматически без дополнительных устройств, т.к. длительность импульсов на фиг.2 при максимальном напряжении сигнала еще достаточна велика. Из анализа диаграмм (см. фиг.2) следует, что изменяется либо длительность импульсов, либо пауза между импульсами, при этом сумма прилежащих импульса и паузы (период) практически не изменяется.
На фиг.3 приведена временная диаграмма работы преобразователя напряжения в интервалы времени для входных сигналов ступенчатого спадающего напряжения (относительно половины напряжения питания неинвертирующего триггера Шмитта, равной напряжению на клемме напряжения смещения), при этом:
U18 - сигнал на выходе аналогового мультиплексора с источников преобразуемого напряжения;
U13 - сигнал на выходе первого элемента И;
U21 - сигнал на выходе формирователя коротких импульсов;
U25 - сигнал на выходе третьего элемента ИЛИ-НЕ;
0
0
U19 (2) - сигнал на выходе разряда 2 двоичного счетчика;
1
1
U19 (2) - сигнал на выходе разряда 2 двоичного счетчика;
2
2
U19 (2) - сигнал на выходе разряда 2 двоичного счетчика;
3
3
U19 (2) - сигнал на выходе разряда 2 двоичного счетчика;
4
4
U19 (2) - сигнал на выходе разряда 2 двоичного счетчика;
U11 (Q) - «разрешающее» напряжение на выходе триггера после подачи сигнала на клемму запуска.
На фиг.4 приведена временная диаграмма работы преобразователя напряжения в интервалы времени для входных сигналов типа ступенчатого нарастающего напряжения (относительно половины напряжения питания неинвертирующего триггера Шмитта, равной напряжению на клемме напряжения смещения), при этом:
U18 - сигнал на выходе аналогового мультиплексора с источников преобразуемых напряжений;
U13 - сигнал на выходе первого элемента И;
U21 - сигнал на выходе формирователя коротких импульсов по фронту и спаду сигнала первого элемента И;
U25 - сигнал на выходе элемента ИЛИ-НЕ, выполняющего функцию дешифратора;
U20 (Х0) - сигнал на выходе Х0 дешифратора;
U20 (X1) - сигнал на выходе X1 дешифратора;
U20 (Х2) - сигнал на выходе Х2 дешифратора;
U20 (Х3) - сигнал на выходе Х3 дешифратора;
U20 (Х4) - сигнал на выходе Х4 дешифратора;
U20 (Х5) - сигнал на выходе Х5 дешифратора;
U20 (Х6) - сигнал на выходе Х6 дешифратора;
U20 (Х7) - сигнал на выходе Х7 дешифратора;
U11 (Q) - «разрешающее» напряжение на выходе триггера после подачи сигнала на клемму запуска.
2
3
0
Из анализа диаграмм следует, что задний временной защитный интервал t-t (см. фиг.3) формируется автоматически благодаря непрерывной работе двоичного счетчика (см. U19 (2) на фиг.3) с дешифратором на третьем элементе ИЛИ-НЕ (см. U25 на фиг.3, фиг.4).
Преобразователь напряжения в интервалы времени (фиг.1) содержит последовательную RC-цепь 1, клемму 2 напряжения смещения (Есм), источники преобразуемого напряжения 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, триггер 11, выходную клемму 12, первый 13, второй 14, третий 15 и четвертый 16 элементы И, резистор 17, аналоговый мультиплексор 18, двоичный счетчик 19, дешифратор 20, формирователь 21 коротких импульсов, клемму 22 установки нуля (УСТ 0), первый 23, второй 24 и третий 25 элементы ИЛИ-НЕ, неинвертирующий триггер Шмитта 26, ОУ 27, клемму 28 запуска, элемент задержки 29.
Источники 4, 5 преобразуемого напряжения выполнены с детекторами. В качестве детекторов могут использоваться пиковые детекторы, также могут быть любые виды детекторов с входом R установки нуля и на других источниках преобразуемого напряжения при необходимости, с числом не более числа выходов дешифратора 20.
<mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover>
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
0
1
2
0
1
2
3
4
0
1
2
Входы
установки нуля источников 4, 5 преобразуемого напряжения соединены соответственно с выходами первого 23 и второго 24 элементов ИЛИ-НЕ. Каждый информационный вход Х0, X1, Х3, Х4, Х5, Х6, Х7 аналогового мультиплексора 18 соединен с выходом соответствующего источника преобразуемого напряжения 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. Входы управления 2, 2, 2 аналогового мультиплексора 18 соединены соответственно с входами 2, 2, 2 дешифратора 20 и выходами второго 14, третьего 15 и четвертого 16 элементов И. Клемма 28 запуска соединена с S-входом триггера 11, R-вход которого подключен к клемме 22 для установки нуля, а инверсный выход
соединен с R-входом двоичного счетчика 19 и объединенными вторыми входами первого 23 и второго 24 элементов ИЛИ-НЕ. Первые входы первого 23 и второго 24 элементов ИЛИ-НЕ соединены соответственно с соответствующими выходами дешифратора 20. С-вход двоичного счетчика 19 соединен с выходом неинвертирующего триггера Шмитта 26, первым входом первого элемента И 13 и через последовательную RC-цепь 1 с входом неинвертирующего триггера Шмитта 26 и выходом ОУ27. Неинвертирующий вход ОУ27 подключен к клемме 2 напряжения смещения, а инвертирующий вход - к средней точке последовательной RC-цепи 1 и второму выводу резистора 17, первый вывод которого соединен с выходом аналогового мультиплексора 18. Второй вход первого элемента И 13 подключен к прямому выходу Q триггера 11. Третий вход первого элемента И 13 соединен через элемент задержки 29 с выходом третьего элемента ИЛИ-НЕ 25 и первыми входами второго 14, третьего 15 и четвертого 16 элементов И. Первый и второй входы третьего элемента ИЛИ-НЕ 25 соединены соответственно с первым и вторым выходом двоичного счетчика 19 (старшим разрядом 2, 2 двоичного счетчика 19). Третий, четвертый и пятый (младшие разряды 2, 2, 2) выходы двоичного счетчика 19 соединены соответственно со вторыми входами второго 14, третьего 15 и четвертого 16 элементов И. Выход первого элемента И 13 подключен через формирователь 21 коротких импульсов (по фронту и спаду импульса с выхода первого элемента И 13) к выходной клемме 12.
Последовательная RC-цепь 1 выполнена на последовательно соединенных резисторе 30 и конденсаторе 31.
ОУ 27, триггер Шмитта 26 и последовательная RC-цепь 1 образуют автогенераторный аналоговый суммирующий двухпороговый интегратор.
В преобразователе напряжений в интервалы времени использованы микромощные элементы серий 1564, 564.
Формирователь 21 коротких импульсов может быть выполнен на элементе 564АГ1, ОУ 27 на микросхеме 544УД14Р3.
Неинвертирующий триггер Шмитта 26 может быть выполнен на микросхеме 564ТЛ1 или дифференциальном компараторе напряжения 521СА3 с резистором на неинвертирующем входе и другим резистором в цепи положительной обратной связи, на инвертирующий вход которого подано напряжение смещения с клеммы 2.
Пиковые детекторы источников 4 и 5 преобразуемого напряжения могут быть выполнены на операционных усилителях 544УД14Р3 и аналоговых ключах 564КТ3 (см. «Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов» Е.А. Коломбет, М., Радио и связь, 1991 г. ст 234, рис.8.9б).
ОУ 27, неинвертирующий триггер Шмитта 26 и последовательная RC-цепь 1 образуют автогенераторный аналоговый суммирующий двухпороговый интегратор (далее интегратор).
Цепи питания неинвертирующего триггера Шмитта 26 и источников преобразуемого напряжения 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 (датчиков) объединены (на фиг.1 не показано).
На фиг.2 приведена временная диаграмма работы «автогенераторной части» преобразователя напряжений в интервалы времени, выполненной на неинвертирующем триггере Шмитта 26, на ОУ 27, последовательной RC-цепи 1 и резисторе 17, подключенном к выходу аналогового мультиплексора 18, напряжение на котором U18 примем равным 0 вольт для минимального сигнала и напряжению питания неинвертирующего триггера Шмитта 26 пять вольт для максимального сигнала. Из анализа диаграмм (см. фиг.2) следует, что при изменении напряжений U18 от нуля на 5 вольт изменяется либо длительность импульсов, либо пауза между импульсами, при этом сумма прилежащих импульса и паузы (период) практически не изменяется.
2
4
Элемент задержки 29 обеспечивает задержку около 0,2 мкс, необходимую и достаточную для работы формирователя 21 коротких импульсов в моменты t, t формирования последнего импульса в серии на диаграмме U13 (см. фиг.3, фиг.4).
Преобразователь напряжения в интервалы времени работает следующим образом.
В преобразователе напряжения в интервалы времени использован принцип временного разделения каналов с двухступенчатым преобразованием аналоговых сигналов в виде АИМ-ВИМ-последовательностей.
1
2
Аналоговый мультиплексор 18 под воздействием автогенераторного аналогового суммирующего двухпорогового интегратора производит последовательное подключение восьми входов каналов Х0-Х7 аналогового мультиплексора 18 к автогенераторному аналоговому суммирующему двухпороговому интегратору, осуществляющему перевод напряжения каждого источника преобразуемого напряжения 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 в длительность временного интервала t-t (см. фиг.2), пропорционального этому напряжению в течение каждого из восьми циклов. Затем за двадцать четыре цикла осуществляется удержание элементом ИЛИ-НЕ 25 и вторым, третьим и четвертым элементами И 14, 15, 16 автогенераторного аналогового суммирующего двухпорогового интегратора на известном напряжении входа Х0 аналогового мультиплексора 18, при этом ВИМ последовательность генерируется, но на выходной клемме 12 отсутствует, т.к. элемент ИЛИ-НЕ 25 не дает «разрешения» элементу И 13. В последующем все автоматически повторяется.
1
2
Работа преобразователя напряжения в интервалы времени при разрешающем сигнале U11 (Q) с триггера 11 основана на последовательной, поочередной коммутации и последующем преобразовании операционным усилителем 27, триггером Шмитта 26, последовательной RC-цепью 1 (составляющих автогенераторный аналоговый суммирующий двухпороговый интегратор) в последовательные временные интервалы сигналов с восьми источников преобразуемого напряжения 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. Включение автогенераторного аналогового суммирующего двухпорогового интегратора в измерительный тракт (интегрирующего в течение времени t и t (см. фиг.2) напряжение источников 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) позволяет исключить из результатов измерения помехи при коммутационных переходных процессах аналогового мультиплексора 18 и высокочастотную помеху в источниках преобразуемого напряжения 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10.
3
4
0
1
2
В преобразователе напряжения в интервалы времени выделяется постоянно генерирующая часть на автогенераторном аналоговом суммирующем двухпороговом интеграторе и двоичном счетчике 19, но проход импульсов преобразования на выходную клемму 12 разрешается только в виде серий импульсов по командам элемента ИЛИ-НЕ 25 и элементов И 14, 15, 16. По команде с элемента ИЛИ-НЕ 25 при соответствующем очередном нулевом состоянии разрядов 2, 2 двоичного счетчика 19 элементом ИЛИ-НЕ 25открываются элементы И 14, 15,16 и на управляющие входы 2, 2, 2 дешифратора 20 и аналогового мультиплексора 18 проходит серия из восьми импульсов и пауз, выработанных ОУ 27 и триггером Шмитта 26, что составляет восемь циклов, в течение которых аналоговый мультиплексор 18 поочередно выдает на свой выход для очередного преобразования различные напряжения с источников 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, которые поступают на вход ОУ 27.
<mrow><mover accent="true"><mi>R</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>R</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
3
4
X0
На фиг.4 и фиг.3 выходы источников преобразуемого напряжения изображены в виде восьмиступенчатого нарастающего или спадающего напряжения. Каждой ступеньке напряжения соответствует свой пропорциональный временной параметр (импульс и пауза). При этом со сдвигом на цикл по команде дешифратора 20 с его выхода Х2 (через элемент ИЛИ-НЕ 23), а затем с выхода Х3 (через элемент ИЛИ-НЕ 24) производится сброс по
-входу, ранее опрошенного по входу X1, а затем по входу Х2 аналогового мультиплексора 18 источников 4, 5 преобразуемых напряжений (с пиковым детектором, количество которых может быть увеличено до восьми). После того, как пиковые детекторы были опрошены поочередно в предыдущих двух циклах со сдвигом на цикл для каждого (см. выходы Х2, Х3 дешифратора 20 на фиг.1), производится поочередно сброс по
-входам пиковых детекторов источников 4 и 5 преобразуемого напряжения, что показано соответствующими цепями элементов ИЛИ-НЕ 23 и 24, подключенными к соответствующим выходам дешифратора 20. Затем элемент ИЛИ-НЕ 25 запирается, т.к. на выходе старших 2, 2 разрядов двоичного счетчика 19 не нулевой код, при этом дешифратор 20 и аналоговый мультиплексор 18 установлены нулями с выходов элементов И 14, 15, 16 в исходный Х0 канал, заданный ранее уровень напряжения которого поступает на вход ОУ 27 и триггер Шмитта 26 и преобразуется в известные интервалы времени для известного уровня напряжения U канала Х0, которые не проходят на выход элемента И 13, запертого сигналом с элемента ИЛИ-НЕ 25.
3
4
Следующее открытое состояние элемента ИЛИ-НЕ 25 наступит при достижении нулевого кода на разрядах 2, 2 двоичного счетчика 19, т.е. через двадцать четыре цикла преобразования исходного напряжения Х0 во временные интервалы (цикл состоит из прилежащих друг другу импульсу и паузе). Удержание элементом ИЛИ-НЕ 25 в состоянии Х0 (с известным напряжением первого источника сигнала 3) аналогового мультиплексора 18 и дешифратора 20 двадцать четыре цикла после завершения восьми измерительных циклов преобразования напряжения источников 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 позволяет стабилизировать суммарный временной интервал между измерениями, что необходимо для регистратора информации (на фиг.1 не показан), т.к. образует задний временной защитный интервал (см. аналоги).
1
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>R</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>R</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
В исходном статическом состоянии до момента t (см. фиг.3, фиг.4) триггер 11 сброшен в состояние нуля по Q выходу и состояние единицы по
выходу одиночным импульсом по клемме 22 установки нуля. Нулем заперт элемент И 13 и автогенераторный аналоговый суммирующий двухпороговый интегратор не может провести свои импульсы через элемент И 13. Единицей с
выхода триггера 11 удерживается в нуле двоичный счетчик 19 по R-входу и пиковые детекторы источников 4 и 5 преобразуемого напряжения по
-входам (через элементы ИЛИ-НЕ 23 и 24). Аналоговый мультиплексор 18 и дешифратор 20 открыты по первым каналам Х0, при этом ОУ 27, триггер Шмитта 26 и последовательная RC-цепь 1 генерируют (см. фиг.2). По приходу одиночного импульса по клемме 28 запуска триггер 11 устанавливается в состояние единицы на Q выходе и нуля на
выходе, при этом освобождается по R-входу двоичный счетчик 19 и по
-входу (через элементы ИЛИ-НЕ 23 и 24) пиковые детекторы источников 4, 5 преобразуемого напряжения и дается разрешение на элемент И 13.
2
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mo>/</mo></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>4</mn><mo>/</mo></msubsup></mrow>
Поскольку до этого двоичный счетчик 19 был в состоянии нуля по всем выходам, то элемент ИЛИ-НЕ 25 дал разрешение на проход восьми импульсов и пауз интегратора на формирователь 21 коротких импульсов. В момент t (см. фиг.3) состояние нулей на выходах U19 (2) и U19 (2) двоичного счетчика 19 заканчивается, элемент ИЛИ-НЕ 25 запирается вплоть до прихода следующего нулевого состояния выходов U19 (2) и U19 (2) двоичного счетчика 19 (см. момент t-t фиг.3). Различным уровням ступенек напряжения на выходе аналогового мультиплексора 18, каждая из которых принадлежит соответствующему источнику преобразуемого напряжения 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, соответствует своя ширина импульсов и пауз на выходе U13 с интегратора. При росте напряжения U18 импульсы укорачиваются, паузы удлиняются. При уменьшении напряжения U18 ниже уровня Uсм импульсы удлиняются, паузы укорачиваются. Длина импульса на выходе U27 элемента ИЛИ-НЕ 25 соответствует длине «нулей» со счетчика 19 с разрядов (2), (2), что соответствует импульсу t-t (см. фиг.3, фиг.4). Длительность импульса может изменяться, т.к. элементу ИЛИ-НЕ 25 соответствует простейший «дешифратор», подключенный к двоичному счетчику 19, при этом преобразование идет в два раза чаще (см.
и t-t на фиг.3).
<mrow><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mo>−</mo><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
Каждый цикл (импульс и пауза) автогенераторного аналогового суммирующего двухпорогового интегратора (ОУ 27 с неинвертирующим триггером Шмитта 26) может быть описан следующими формулами. Предполагая, что пороги верхний и нижний триггера Шмитта 26 равны
относительно половины напряжения его питания (фиг.2). Абсолютное значение порогов не важно (см. фиг.2), важна их симметрия относительно половины напряжения питания.
вх
пит
эт
пит
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>и</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mo>−</mo><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
Резисторы 17 (R17) и 30 (R30) последовательной RC-цепи 1 установлены в суммирующей точке линейного интегратора на ОУ 27. Интегрирование напряжения U очередного источника преобразуемого напряжения 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и условного «эталонного» напряжения с выхода триггера Шмитта 26
двух полярностей относительно половины напряжения питания U триггера Шмитта 26 (по сути U напряжение логической единицы U, равное напряжению питания триггера Шмитта 26, поделенному на два) ведется с изменением направления по достижению очередного порогового напряжения
триггера Шмитта 26 (см. фиг.2):
Тогда
Отсюда
пит
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>и</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Если выходное напряжение источников преобразуемого напряжения 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 (датчиков) зависит от U (при общем питании датчиков и триггера Шмитта 26) временной параметр
остается стабильным.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
Повышенная точность достигается независимостью выходного временного параметра
: от абсолютной величины порогов триггера Шмитта 26 (важна симметрия порогов относительно половины напряжения питания триггера Шмитта 26); напряжения питания ОУ 27 и триггера Шмитта 26; величины конденсатора 31. Обязательным условием является сохранение отношения величин сопротивления резистора 17 (R17) к резистору 30 (R30), равного двум (или некоторой другой стабильной величине), и симметрия порогов триггера Шмитта 26. Симметрия порогов триггера Шмитта 26 относительно половины напряжения его питания обеспечивается автоматически, нижний порог равен одной третьей, а верхний равен двум третьим от напряжения питания триггера Шмитта 564ТЛ1. При выполнении триггера Шмитта 26 на дифференциальном компараторе 521СА3, 1401СА1 и др. симметрия порогов обеспечивается также автоматически при любых резисторах на неинвертирующем входе и цепи положительной обратной связи компаратора.
2
1
Повышенная помехозащищенность достигается исключением, подавлением помех на сигналах аналогового мультиплексора 18 и источников преобразуемого напряжения 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 автогенераторным (двунаправленным) аналоговым суммирующим двухпороговым интегратором на ОУ 27, триггере Шмитта 26 и последовательной RC-цепи 1. При интегрировании в течение времени t+t (см. фиг.2) в двух направлениях сигнал усредняется, освобождается от помех в отличие от ближайшего аналога, где сравнение сигнала с «пилой» производится в одной точке «пилы» при ее нарастании до мгновенного уровня сигнала с наложенной помехой.
пит
При отсутствии общего питания у триггера Шмитта 26 с источниками преобразуемого напряжения 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 (датчиками) важна стабильность напряжения питания U триггера Шмитта 26, которое обеспечивает уровень логической единицы, близкой к напряжению питания, и уровень логического нуля, близкого к нулю вольт.