ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ
VOLTAGE-TO-PULSE FREQUENCY CONVERTER

Предлагаемый способ относится к области измерительной техники и предназначен для преобразования напряжения в частоту следования импульсов с равномерной расстановкой импульсов в широком динамическом диапазоне.
Известен способ преобразования напряжения в частоту следования импульсов [AD654, LowCostMonolithic, Voltage-to-FrequencyConverterDatasheet, стр. 1-4], заключающийся в том, что непрерывно интегрируют преобразуемое напряжение, а в те моменты времени, когда интеграл от преобразуемого напряжения достигает заданного значения, начинают интегрировать импульс напряжения стабильной площади, знак которого противоположен входному напряжению, причем среднее значение площади импульса больше по абсолютной величине, чем любое входное напряжение из заданного диапазона, а импульс стабильной площади действует в течение заданного времени.
Такой способ имеет большую инструментальную погрешность при формировании импульсов напряжения стабильной площади [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах, стр. 175-177].
Также известен способ преобразования напряжения в частоту следования импульсов [AD7741/42.SingleandMultichannel, SynchronousVoltage-to-FrequencyConvertersDatasheet, стр. 1-9], являющийся прототипом, заключающийся в том, что непрерывно интегрируют преобразуемое напряжение и определяют в моменты синхронизации, повторяющиеся периодически, результаты интегрирования. Как только в некоторый момент синхронизации результат интегрирования преобразуемого напряжения станет меньше определенного уровня, начинают интегрировать импульс стабильной площади, знак которого противоположен знаку преобразуемого напряжения, причем среднее значение площади импульса больше по абсолютной величине, чем любое преобразуемое напряжение из заданного диапазона, импульс стабильной площади действует в течение периода синхронизации, а амплитуда импульса стабильной площади равна образцовому напряжению.
Недостатками способа-прототипа являются повышенная погрешность преобразования в код выходной частоты преобразования напряжения в частоту следования импульсов ввиду неравномерной длительности периодов частоты следования импульсов, а также ограниченный диапазон входных напряжений по сравнению с амплитудой импульсов стабильной площади ввиду "слипания" импульсов стабильной площади, которое происходит, когда входное напряжение превышает половину амплитуды импульсов стабильной площади (импульсы объединяются в течение 2, 3 и более периодов синхронизации).
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является уменьшение абсолютной погрешности дискретности преобразования в код выходной частоты следования импульсов и расширение диапазона входных напряжений.
Поставленная задача достигается тем, что в способе преобразования напряжения в частоту следования импульсов, заключающемся в том, что интегрируют преобразуемое напряжение и определяют в моменты синхронизации повторяющиеся периодически результаты интегрирования, как только в момент синхронизации результат интегрирования преобразуемого напряжение станет меньше заданного уровня, начинают интегрировать импульс стабильной площади, знак которого противоположен знаку преобразуемого напряжения, причем среднее значение площади импульса больше по абсолютной величине, чем любое преобразуемое напряжение из заданного диапазона, импульс стабильной площади действует в течение целого числа N периодов синхронизации, причем N>1 (при N=1, предлагаемый способ будет эквивалентен способу-прототипу).
На фиг. 1 изображена функциональная схема преобразователя, реализующего предлагаемый способ, на фиг. 2 и фиг. 4б изображены эпюры напряжений преобразователя, реализующего предлагаемый способ (напряжение на выходе интегратора, напряжение на выходе переключателя и напряжение на выходе генератора тактовых импульсов), а на фиг. 3 изображены эпюры напряжений преобразователя, реализующего способ-прототип (напряжение на выходе интегратора, напряжение на выходе переключателя и напряжение на выходе генератора тактовых импульсов). Преобразователь (фиг. 1) содержит:
- интегратор (И) 1;
- источник напряжения смещения (ИНС) 2;
- генератор тактовых импульсов (ГТИ) 3;
- компаратор (К) 4;
- формирователь импульсов (ФИ) 5;
- источник опорного напряжения (ИОН) 6;
- переключатель (П) 7.
Первый вход интегратора 1 является входом преобразователя. Выход интегратора 1 соединен с первым входом компаратора 4. Второй вход компаратора 4 соединен с выходом источника напряжения смещения 2. Вход синхронизации компаратора 4 подключен к выходу генератора тактовых импульсов 3. Первый вход формирователя импульсов 5 подключен к выходу компаратора 4, а второй его вход соединен с выходом генератора тактовых импульсов 3. Выход формирователя импульсов 5 соединен со входом управления переключателя 7. Первый вход переключателя 7 соединен с источником опорного напряжения 6, а второй вход связан с общей точкой схемы (землей), а выход подключен ко второму входу интегратора 1.
Интегратор 1 может быть выполнен на основе операционного усилителя, имеющего малые входные токи и напряжение смещения, например, ADA4805-1 (производство AnalogDevices). В качестве компаратора 4 может быть использован JK-триггер, например 74НСТ109 (производство NXPSemiconductors). В роли формирователя импульсов 5 может быть использован счетчик 74НС40103 (производство NXPSemiconductors) совместно с JK-триггером 74НСТ109 (производство NXPSemiconductors). Переключатель 7 может быть выполнен на основе переключателя 74LVC1G3157 (производство NXPSemiconductors). В качестве генератора тактовых импульсов может быть использован кварцевый генератор ГК44-П (производство МОРИОН).
Способ осуществляется следующим образом. Покажем работу способа на преобразователе, приведенном на фиг. 1, и эпюры напряжения в характерных точках преобразователя, приведенных на фиг 2. Примем следующие начальные условия. Выходное напряжение интегратора И1 (выход И1 на фиг. 2) в момент прихода переднего фронта импульса синхронизации (выход ГТИ3) под номером 22 больше выходного напряжения ИНС2 (точка А2, напряжение смещения на выходе ИНС2 равно нулю). Переключатель П7 соединяет второй вход интегратора И1 с «землей». Примем также, что входное напряжение имеет положительный знак. Поэтому выходное напряжение И1 уменьшается в течение периода синхронизации от точки А2 до точки В2. В точке В2 в момент прихода 23 импульса синхронизации напряжение на выходе И1 меньше нуля. Поэтому, под воздействием 23 импульса синхронизации с выхода ГТИ3, компаратор К4 и формирователь импульсов ФИ5 сформируют импульс управления, который установит П7 в положение, когда он подключает первый вход П7 к выходу ИОН6 и выходное напряжение ИОН6 появится на втором входе И1. Это отражено на фиг. 2 (выход П7). Так как выходное напряжение П7 имеет отрицательный знак, а само это напряжение по модулю больше входного напряжения, то выходное напряжение И1 будет увеличиваться в течение действия выходного импульса стабильной площади с выхода П7. Длительность этого импульса задается равной N периодам импульсов синхронизации с выхода ГТИ3, где N>1. На фиг. 2 выходное напряжение И1 в течение действия импульса стабильной площади с выхода П7 перейдет от точки В2 до точки D2, при этом длительность импульса стабильной площади на фиг. 2 выбрана равной 5 периодам синхронизации (N=5) с выхода ГТИ3. На момент окончания 27 периода синхронизации (фиг. 2, выход ГТИ3) выходное напряжение интегратора И1 больше нуля. Далее процесс преобразования повторяется описанным выше способом.
0
На фиг. 2 и фиг. 3 показаны эпюры напряжений работы способов преобразований напряжения в частоту следования импульсов предложенного способа и прототипа при входном напряжении, равном 0.4321Е. Частота импульсов синхронизации на выходе ГТИ3 в предложенном способе увеличена в N раз по сравнению с прототипом. Таким образом, импульсы стабильной площади на выходе П7 в предложенном способе (фиг. 2) и импульсы стабильной площади на выходе П в прототипе (фиг. 3) имеют одну длительность по времени. На фиг. 3 обозначены: выход И - выходное напряжение интегратора, выход П - выходное напряжение переключателя, выход ГТИ - выходное напряжение генератора импульсов синхронизации. На фиг. 3 видно, что периоды выходных импульсов стабильной площади с выхода переключателя П неравномерны. Первый период, отсчитанный от начала второго периода синхронизации до начала четвертого периода синхронизации, равен двум периодам синхронизации, а второй период импульсов стабильной площади с выхода переключателя, отсчитанный от начала четвертого периода синхронизации до начала седьмого периода синхронизации, равен трем периодам синхронизации. То есть абсолютная разность периодов соответствует длительности периода синхронизации и длительности импульса стабильной площади с выхода переключателя. Эта разность является также и абсолютной погрешностью дискретности при преобразовании частоты в код, когда преобразуемая частота меьше образцовой частоты частотомера, по периоду измеряемой частоты (см. стр. 324: Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. К. Вищашк., 1986.) На (фиг. 2) первый выходной период, отсчитанный от начала 23 периода синхронизации до начала 35 периода синхронизации, равен 12 периодам синхронизации, а второй период импульсов стабильной площади с выхода переключателя, отсчитанный от начала 35 периода синхронизации до начала 46 периода синхронизации, равен 11 периодам синхронизации. Видно, что абсолютная погрешность разности выходных периодов составляет один период синхронизации, но при этом длительность импульса стабильной площади с выхода П7 равна N. Таким образом, при одинаковых длительностях импульсов стабильной площади у прототипа и в предлагаемом способе, выходная частота следования импульсов в предлагаемом способе преобразуется в код с абсолютной погрешностью дискретности в N раз меньшей, чем в прототипе.
0
0
На фиг. 4а и фиг. 4б показаны эпюры напряжений работы способов преобразований напряжения в частоту следования импульсов прототипа и предложенного способа, когда входное напряжение больше половины выходного напряжения ИОН6 (Е), то есть при входном напряжении, равном 0.5679Е. Причем способ-прототип преобразования напряжения в частоту следования импульсов показан на фиг. 4а, а предложенный способ приведен на фиг. 4б. Из фиг. 4а видно, что длительность выходного импульса компаратора имеет длительность, равную двум периодам синхронизации, т.е. произошло «слипание». Это можно наблюдать между началом периода синхронизации под номером 6 и началом периода синхронизации под номером 8. При этом период выходных импульсов преобразователя увеличился в полтора раза по сравнению с другими периодами. С другой стороны, на фиг. 4б изображен предлагаемый способ преобразования напряжения в частоту следования импульсов. Из эпюр видно, что ни в одном из представленных периодов преобразования нет «слипания» выходных импульсов. Более того, между соседними выходными импульсами существует от 3 до 4 импульсов синхронизации. Это говорит о том, что «слипания» выходных импульсов не будет и при больших, чем в примере, входных напряжениях. В целом, диапазон выходных напряжений, при котором отсутствует «слипание» выходных импульсов в предлагаемом способе, расширяется до уровня , в то время, как в прототипе этот уровень равен . То есть предлагаемый способ позволяет расширить диапазон входных напряжений, в котором отсутствует эффект «слипания» выходных импульсов в  раз по сравнению с прототипом. В данном примере при N=5 этот диапазон равен , что в  раз больше, чем входной диапазон напряжений прототипа, равный .
Таким образом, выбирая длительность импульса стабильной площади, по длительности равной целому числу N периодов синхронизации, причем N>1, предлагаемый способ преобразования напряжения в частоту следования импульсов позволяет уменьшить неравномерность периодов выходных импульсов во времени в N раз, что уменьшает абсолютную погрешность дискретности при кодировании выходной частоты преобразования напряжения в частоту следования импульсов в N раз и расширить диапазон входных напряжений, в котором отсутствует эффект «слипания» выходных импульсов в  раз.