МАСШТАБНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ

Предлагаемая полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для масштабного преобразования электрических сигналов.
Известен масштабный преобразователь напряжения на основе широтно-импульсной модуляции, состоящий из аналогового ключа и RC-фильтра, описанный в [Смолов В.Б., Угрюмов Е.П., Артамонов А.Б. и др. Времяимпульсные вычислительные устройства. / Под ред. В.Б.Смолова, Е.П.Угрюмова. - М.: Радио и связь, 1983., с.11-12]. Это устройство является масштабным преобразователем, коэффициент преобразования которого определяется отношением интервала времени, в течение которого ключ замкнут и входное напряжение подается на вход фильтра низкой частоты, к периоду повторения этого процесса, который называется широтно-импульсной модуляцией.
Однако указанное устройство обладает низким быстродействием, которое обусловлено длительным переходным процессом в фильтре низкой частоты.
Кроме того, известен масштабный преобразователь напряжения на основе широтно-импульсной модуляции [Рачин С.А. Анализ погрешностей итерационного широтно-импульсного преобразователя. - Тр.ВНИИЭП.Метрология, Качество и надежность электрических измерительных систем. - Л., 1976, вып.31, с.66-80], являющийся прототипом предлагаемого изобретения. Он содержит двухпозиционный переключатель, интегратор и устройство выборки и хранения (УВХ), причем первый вход двухпозиционного переключателя соединен со входом преобразователя, второй вход - с выходом преобразователя, а выход двухпозиционного переключателя соединен со входом интегратора, выход которого соединен со входом УВХ, выход которого является выходом преобразователя.
Однако в указанном устройстве при формировании коэффициента преобразования большего 1, увеличивается время преобразования, то есть снижается быстродействие.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия масштабного преобразователя при коэффициенте преобразования большем 1.
Поставленная задача достигается тем, что в масштабный преобразователь напряжения, содержащий двухпозиционный переключатель, интегратор и устройство выборки и хранения, причем первый вход двухпозиционного переключателя соединен со входом преобразователя, второй его вход соединен с выходом преобразователя, а выход двухпозиционного переключателя присоединен ко входу интегратора, выход которого соединен со входом устройства выборки и хранения, введены устройство управления и усилитель с программируемым коэффициентом усиления, причем устройство управления имеет информационный вход, а первый управляющий выход устройства управления соединен с управляющим входом двухпозиционного переключателя, второй управляющий выход - с управляющим входом устройства выборки и хранения, а третий - с управляющим входом усилителя с программируемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с выходом устройства выборки и хранения, а выход которого является выходом преобразователя.
На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого масштабного преобразователя, где приняты следующие обозначения:
двухпозиционный переключатель 1 (П);
интегратор 2 (И);
устройство выборки и хранения 3 (УВХ);
усилитель с программируемым коэффициентом усиления 4 (УПКУ);
устройство управления 5 (УУ);
Первый вход двухпозиционного переключателя 1 является входом преобразователя. Выход двухпозиционного переключателя 1 соединен со входом интегратора 2, выход которого соединен со входом УВХ 3, выход которого соединен со входом УПКУ 4. Выход УПКУ 4 соединен со вторым входом двухпозиционного переключателя 1 и является выходом преобразователя. Первый управляющий выход УУ 5 соединен с управляющим входом двухпозиционного переключателя 1, второй управляющий выход УУ 5 соединен с управляющим входом УВХ 3 и третий управляющий выход УУ 5 соединен с управляющим входом УПКУ 4, кроме того УУ 5 имеет информационный вход.
В качестве двухпозиционного переключателя 1 могут быть использованы два ключа в одном корпусе, например, ADG721BRM. Интегратор может быть построен на основе операционного усилителя, например, AD711, на входе которого подключается резистор, а в цепь обратной связи включается конденсатор. Устройство выборки и хранения может быть выполнено в одном корпусе, например, AD781. Усилитель с программируемым коэффициентом усиления может быть выполнен на основе операционного усилителя, например, МАХ4238, в сочетании с программируемым делителем напряжения, по типу МАХ5481. В качестве устройства управления может быть использован микроконтроллер типа Atmega48-24AI.
1
2
1
2
1
2
Преобразователь работает следующим образом. На информационный вход УУ 5 подается цифровой код, определяющий коэффициент преобразования и соответствующий ему коэффициент усиления (К) УПКУ 4. Далее УУ 5 формирует интервалы длительностью t и t, где t - время замыкания первого входа двухпозиционного переключателя, при котором вход преобразователя соединен со входом интегратора 2, t - время замыкания второго входа двухпозиционного переключателя, при котором вход интегратора 2 соединен с выходом преобразователя. С помощью этих интервалов задается коэффициент преобразования Kпр=t/t, при котором Uвых=KпрUвх (Uвых - выходное напряжение, Uвх - входное напряжение). А коэффициент усиления УПКУ 4 формируется следующим образом: при усилении большем 1 (Кпр>1)
1
2
t=τ, t=τ/K, К=Кпр,
2
1
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
2
1
2
где τ=RC - постоянная интегрирования, то есть коэффициент преобразования формируется путем уменьшения t обратно пропорционально К при фиксированном t. А при усилении меньшем 1 (Кпр<1) t<τ, t=τ (К выбирается равным 1), то есть коэффициент преобразования формируется путем уменьшения t при фиксированном t. Далее УУ 5 замыкает первый вход двухпозиционного переключателя 1 на время t, соединяя вход преобразователя и вход интегратора 2. В конце интервала времени t УУ 5 производит запоминание напряжения в УВХ 3, а затем замыкает второй вход двухпозиционного переключателя 1 на время t, соединяя выход УПКУ 4, который является выходом преобразователя, со входом интегратора 2. При условии t=τ/K (Кпр>1) время преобразования не превышает 2 такта, где длительность одного такта равняется постоянной интегрирования τ. Например при Кпр=10, которому соответствует коэффициент усиления УПКУ 4 К=10, имеем: t=τ, t=0,1τ и время преобразования составляет t+t=τ+0,1τ=1,1τ. В то время как в прототипе при том же коэффициенте преобразования t=10t=10τ, так как t=τ и время преобразования составляет t+t=10τ+τ=11τ.
Таким образом, предложенный масштабный преобразователь обладает более высоким быстродействием при коэффициенте преобразования большем 1. Это свойство преобразователя было подтверждено результатами моделирования.