ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНЫЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ИНТЕГРИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
TIME-PULSE UNIVERSAL INTEGRATING VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к прецизионной импульсной электронике и может использоваться в электронных системах автоматического управления и регулирования, в телекоммуникационных системах и измерительной технике.
Известны время-импульсные преобразователи напряжения в частоту следования прямоугольных импульсов (преобразователи напряжение-частота), также называемые в электронике управляемыми генераторами импульсов и частотно-импульсными модуляторами. Известны время-импульсные преобразователи напряжения во временной интервал (преобразователи напряжение-время).
Схемотехника преобразователей напряжение-частота и напряжение-время, анализ их функций преобразования, оценка метрологических характеристик и особенности практического использования широко представлены в технической литературе.
Все преобразователи напряжение-частота и напряжение-время, описанные в вышеперечисленных и других технических изданиях, объединяет одинаковый принцип действия - двухтактное интегрирование, использование интегратора на операционном усилителе и компаратора напряжения (однопорогового или регенеративного двухпорогового).
Среди многочисленных известных схемотехнических вариантов преобразователей напряжение-частота следует выделить преобразователь напряжение-частота двухтактного интегрирования с заданным одним тактом посредством одновибратора, содержащего два источника стабильного тока и источник стабильного опорного напряжения, отличающегося высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, что обусловило его промышленное производство в виде отечественной интегральной микросхемы К1108ПП1 и зарубежного аналога - VFC-32 [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах, «Энергоатомиздат», 1988. - 304 с, глава 10, стр. 269. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М. «Додека-ХХ1», 2005. - 528 с, глава 9, п. 9.5.3, стр. 458].
Среди многих известных вариантов реализации преобразователей напряжение-время выделяется преобразователь двухтактного интегрирования с заданным одним тактом посредством счетчика импульсов со схемой управления и генератора тактовых импульсов, который лежит в основе отечественных интегральных интегрирующих аналого-цифровых преобразователей К572ПВ2 и К572ПВ5 и их зарубежных аналогов -ICL7106, ICL7107, ICL7135 [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах, «Энергоатомиздат», 1988. - 304 с, глава 10, п. 10.2, стр. 256. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М. «Додека-ХХI», 2005. - 528 с, глава 9, п. 9.5.1, стр. 446. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М. «Энергоатомиздат», 1990. - 320 с, глава 4, п. 4.1.1, стр. 229].
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному время-импульсному универсальному интегрирующему преобразователю напряжения является преобразователь напряжение-время с заданной амплитудой выходного напряжения интегратора [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах, «Энергоатомиздат», 1988. - 304 с, глава 10, п. 10.2, стр. 263, рис. 10.6,6], состоящий из интегратора и двухпорогового регенеративного компаратора, реализованного на операционном усилителе и двухканальном аналоговом коммутаторе, который управляется этим операционным усилителем, выполняет коммутацию двух одинаковых по величине, но разных по полярности, опорных напряжений и формирует, таким образом, два разнополярных и одинаковых по величине пороговых напряжений, фиксирующих амплитуду выходного напряжения интегратора.
Недостаток ближайшего аналога, как и всех других известных время-импульсных преобразователей напряжения в частоту и во время -ограниченные функциональные возможности. Он может выполнять только один вид преобразования входного напряжения, который реализуется данным электронным изделием: или преобразование напряжения во время, или преобразование напряжения в частоту.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей и областей практического использования время-импульсного преобразователя напряжения, что позволяет разработчикам электронной аппаратуры уменьшить число используемых электронных компонентов и реализовать неординарные схемотехнические решения за счет универсализации время-импульсного преобразователя напряжения двухтактного интегрирования таким образом, чтобы преобразователь мог выполнять преобразование напряжения как в частоту следования импульсов и во временной интервал, так и арифметическую операцию деления с представлением результата этой арифметической операции как в виде частоты выходного импульсного напряжения, так и в виде временного интервала (длительности импульсов и периода выходного импульсного напряжения).
Технический результат - преобразование входного сигнала в частоту следования импульсов или во временной интервал выходного импульсного напряжения, а также выполнение арифметической операции деления входных сигналов с представлением результата в виде частоты или временного интервала выходного импульсного напряжения, без какого-либо изменения электрической схемы и без использования в ней источников стабильного тока и (или) источника стабильного опорного напряжения, с исключением коммутационных процессов непосредственно во входной цепи интегратора.
Поставленная задача решается и технический результат достигается за счет того, что во время-импульсном универсальном интегрирующем преобразователе, состоящем из интегратора, двухпорогового регенеративного компаратора, выполненных на операционных усилителях, и четырехканального аналогового коммутатора, включенных последовательно, где, согласно изобретению, в цепь положительной обратной связи двухпорогового регенеративного компаратора введены последовательно включенные четырехканальный аналоговый коммутатор, выполняющий коммутацию двух входных напряжений, и два повторителя напряжения, каждый из которых может функционировать как инвертирующий, так и неинвертирующий повторитель входного напряжения в зависимости от состояния двухпорогового регенеративного компаратора и управляемого им четырехканального аналогового коммутатора таким образом, чтобы при установлении отрицательного порога срабатывания первым входным напряжением интегрированию подвергалось неинвертированное второе входное напряжение, а при установлении положительного порога срабатывания инвертированным первым входным напряжением интегрировалось инвертированное по полярности второе входное напряжение.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2.
вх.1
вх.2
На фиг. 1 представлена электрическая схема универсального интегрирующего преобразователя, включающая в себя четырехканальный аналоговый коммутатор DA1, операционные усилители DA2 и DA3, включенные по схеме повторителей напряжения, операционные усилители DA4 и DA5, на которых реализованы соответственно двухпороговый неинвертирующий регенеративный компаратор и инвертирующий интегратор напряжения. U и U - входные напряжения универсального интегрирующего преобразователя.
инт
вых
1
4
2
На фиг. 2 представлены временные диаграммы выходного напряжения интегратора U(t), выходного напряжения универсального интегрирующего преобразователя U(t), пороговые напряжения  и  двухпорогового регенеративного компаратора на операционном усилителе DA4, и таблица состояния ключей S - S четырехканального аналогового коммутатора DA1 на первом и втором тактах интегрирования входного напряжения интегратора U.
Устройство содержит: интегратор, двухпороговый регенеративный компаратор, выполненных на операционных усилителях, и четырехканальный аналоговый коммутатор, включенные последовательно, где, согласно изобретению, в цепь положительной обратной связи двухпорогового регенеративного компаратора введены последовательно включенные четырехканальный аналоговый коммутатор, выполняющий коммутацию двух входных напряжений, и два повторителя напряжения.
вх.1
вх.2
1
4
1
3
4
6
1
4
Устройство работает следующим образом: предполагая, что внутреннее сопротивление источников входных сигналов U и U и остаточное сопротивление замкнутых ключей S - S пренебрежимо малы по сравнению с сопротивлениями R, R, R и R. Пренебрежем также током утечки разомкнутых МДП-ключей S - S четырехканального аналогового коммутатора DA1 и сдвигом нуля (разбалансом) операционных усилителей DA2-DA5.
Все эти факторы могут учитываться в процессе реализации универсального интегрирующего преобразователя в виде законченного устройства на основе конкретного технического задания.
1
2
4
5
1
3
2
4
2
1
5
4
1
3
2
4
На операционных усилителях DA3 и DA4 построены повторители напряжения. Если сопротивления R=R=R=R, то при замкнутых МДП-ключах S и S (S, S - разомкнуты) получаем инвертирующие повторители (K=-R/R=-R/R=-1). Когда ключи S и S разомкнуты, а ключи S, S будут замкнуты, как это показано на схеме, повторители становятся неинвертирующими.
Для уменьшения сдвига нуля повторителей напряжения необходимо обеспечить равенства
Обе пары ключей коммутатора DA1 управляются выходными импульсами двухпорогового компаратора на операционном усилителе DA4. Диод VD1 обеспечивает однополярность выходных импульсов.
упр
1
3
2
4
упр
1
3
2
4
вх.1
Пороги срабатывания компаратора зависят от состояния коммутатора DA1. Если на выходе универсального интегрирующего преобразователя действует высокий потенциал положительной полярности (сигнал управления коммутатором А - логическая единица), то S и S - замкнуты, S и S - разомкнуты. Когда на выходе операционного усилителя DA4 напряжение отрицательно, и выходное напряжение универсального интегрирующего преобразователя близко к нулю (А - логический нуль), ключи коммутатора S и S - разомкнуты S и S - замкнуты. Значит, двухпороговый компаратор на операционном усилителе DA4 имеет управляемые входным напряжением U пороги срабатывания:
3
4
вх.2
3
4
вх.2
3
4
Инвертирующий интегратор на операционном усилителе DA5 в зависимости от состояния ключей S и S интегрирует или положительное напряжение U, когда S разомкнут, S замкнут, как показано на схеме универсального интегрирующего преобразователя, или отрицательный входной сигнал - U, если положительный импульс на управляющем входе коммутатора DA1 (выходе универсального интегрирующего преобразователя) обеспечивает его срабатывание (ключ S - замкнут, S - разомкнут).
вых
инт
Пользуясь диаграммами напряжений U(t) и U(t), представленными на фиг. 2, рассмотрим каким образом работает универсальный интегрирующий преобразователь.
1
3
2
4
1
вх.1
2
вх.2
инт
1
1
3
2
4
1
2
вх.2
2
Пусть при включении напряжений питания универсального интегрирующего преобразователя на выходе операционного усилителя DA4 оказалось положительное напряжение  которое обусловит состояния ключей: S и S замыкаются, S и S размыкаются. Тогда U=-U и устанавливается порог срабатывания компаратора  на входе интегратора U=-U, и на его выходе напряжение U будет возрастать до тех пор, пока оно не достигнет порога  при этом на выходе универсального интегрирующего преобразователя напряжение  (логическая «1»). Как только это произойдет (в момент времени t), компаратор «опрокинется», на его выходе установится отрицательное напряжение  низкий потенциал на выходе универсального интегрирующего преобразователя (логический «0») вызовет изменение состояния коммутатора, он переключится в состояние: S и S - разомкнуты S и S - замкнуты. С этого момента времени (t) начинается первый такт - интегрирование напряжения U=+U, выходное напряжение интегратора начнет убывать. Этот процесс будет продолжаться до момента времени t, когда напряжение на выходе интегратора достигнет порога
1
2
1
Интервал времени T=t-t описывается уравнением:
решая которое, получаем длительность первого такта
и
10
1
где τ=RC - постоянная времени интегратора.
2
1
3
2
4
2
вх.2
В момент времени t компаратор срабатывает. Его выходное положительное напряжение (логическая «1») вызывает замыкание ключей S, S и размыкание ключей S, S. Автоматически устанавливаются порог срабатывания  и входное напряжение интегратора U=-U. Начинается второй такт интегрирования (процесс разинтегрирования напряжения  Он заканчивается в момент времени когда будет выполнено условие:
Второй такт работы преобразователя подчиняется уравнению:
из которого находим длительность второго такта
вх.1
вх.2
Видим, что длительности первого и второго тактов всегда равны и пропорциональны частному от деления U на U. То же относится к периоду следования импульсов на выходе универсального интегрирующего преобразователя:
вых
Частота выходного импульсного напряжения U
Из формул (1) и (2) следуют выводы:
вх.2
0
1. Универсальный интегрирующий преобразователь может использоваться как преобразователь напряжение-время, если принять U=U. Тогда
0
где U - заданное внешнее напряжение.
вх.1
0
2. Универсальный интегрирующий преобразователь может функционировать как преобразователь напряжение-частота, установив U=U. Тогда
1
2
1
2
3. Универсальный интегрирующий преобразователь можно использовать как аналоговый делитель с представлением частного от деления в виде интервала времени T, T, Т=Т+Т или частоты ƒ выходного импульсного напряжения.
Эти выводы позволили назвать рассмотренный интегрирующий преобразователь универсальным.
Необходимо отметить,
упр
вх.1
вх.2
во-первых, если в качестве аналогового коммутатора использовать интегральный коммутатор металлокисел-полупроводниковой структуры, то сигнал управления А не будет искажать процессы прохождения входных напряжений универсального интегрирующего преобразователя U и U на входы повторителей напряжения на операционных усилителях DA2 и DA3;
во-вторых, на входе интегратора на операционном усилителе DA5 нет никаких коммутационных элементов, значит, коммутационные переходные процессы не могут иметь возможности влиять на интегрирование выходного напряжения повторителя напряжения на операционном усилителе DA3;
0
в-третьих, в универсальном интегрирующем преобразователе не содержатся ни опорные источники стабильного тока, ни опорные источники стабильного напряжения, что способствует повышению стабильности функций универсального интегрирующего преобразователя, а напряжение U при реализации режимов работы преобразователей напряжение-частота и напряжение-время в состав универсального интегрирующего преобразователя не входит;
в-четвертых, анализ погрешностей преобразования универсального интегрирующего преобразователя показывает, что нестабильность порогов срабатывания компаратора  из-за температурного дрейфа выходного напряжения операционном усилителе DA4 и сдвига нуля выходного напряжения интегратора, и его дрейф по температуре не оказывают влияние на точность преобразования универсального интегрирующего преобразователя во всех режимах функционирования;
1
2
1
4
в-пятых, в качестве выходного параметра универсального интегрирующего преобразователя, функционирующего в режиме работы преобразователя напряжение-время, следует использовать период выходного импульсного напряжения, но не длительности тактов интегрирования Т и T, так как нестабильность остаточного сопротивления включенных ключей коммутатора S - S по температуре пренебрежимо слабо влияет на погрешность универсального интегрирующего преобразователя, работающего в режиме преобразователя напряжение-время, когда выходным параметром является период следования импульсов;
1
4
в-шестых, температурная нестабильность тока утечки разомкнутых ключей S - S коммутатора DA1 в виде интегральной микросхемы металл-оксид-полупроводникового типа пренебрежимо мало влияет на температурную нестабильность универсального интегрирующего преобразователя во всех его режимах функционирования.
Итак, заявленный время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь может осуществлять преобразование входного напряжения в частоту следования выходных импульсов или во временной интервал, или оба эти виды преобразования с одновременным выполнением арифметической операции деления, причем, без какого-либо изменения электрической схемы универсального интегрирующего преобразователя и без использования в ней источника стабильного тока и (или) источника стабильного опорного напряжения, с исключением коммутационных процессов непосредственно во входной цепи интегратора.