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

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для преобразования напряжения в частоту импульсов.
Известен преобразователь напряжения в частоту импульсов (ПНЧ), работающий асинхронно, то есть выходные импульсы частоты не связаны с частотой какого-либо генератора частоты [AD654, Low Cost Monolithic, Voltage-to-Frequency Converter Datasheet, стр. 1-4]. Он содержит интегратор, имеющий два входа, на его первый вход подается преобразуемое напряжение, а второй вход присоединен к выходу ждущего генератора импульсов, площадь которых известна. Вход управления ждущего генератора соединен с выходом компаратора, который является выходом преобразователя. Первый вход компаратора соединен с выходом интегратора, а второй его вход связан с источником напряжения смещения. Работа ПНЧ осуществляется следующим образом. Как только выходное напряжение интегратора достигает уровня напряжения смещения, компаратор срабатывает и запускает ждущий генератор импульсов известной площади. Площадь импульсов выбирается так, что она больше площади входного напряжения, подсчитанной за время действия импульса. При этом выходное напряжение интегратора отходит от напряжения смещения и далее продолжается интегрирование входного напряжения вплоть до того момента, когда выходное напряжение интегратора снова станет равным напряжению смещения. Далее процесс работы повторяется, как было описано выше.
Недостатком такого ПНЧ является высокий уровень инструментальных погрешностей при формировании импульсов заданной площади. Так как в схеме ПНЧ отсутствует образцовый генератор импульсов, то длительность импульсов задается путем заряда конденсатора образцовым током до заданного уровня напряжения [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах, стр. 175-177], а амплитуда импульсов определяется источником опорного напряжения. Формирование интервала времени подобным образом требует наличия точного источника тока, образцового конденсатора, образцового источника напряжения и компаратора с малыми аддитивными погрешностями и временем задержки. Таким образом, рассматриваемый ПНЧ не обладает достаточной точностью.
Также известен преобразователь напряжения в частоту импульсов, который является прототипом предлагаемого изобретения [AD7741/42. Single and Multichannel, Synchronous Voltage-to-Frequency Converters Datasheet, стр. 1-9].
Этот преобразователь содержит:
- Интегратор (И);
- Источник напряжения смещения (ИНС);
- Генератор тактовых импульсов (ГТИ);
- Компаратор (К);
- Источник опорного напряжения (ИОН);
- Переключатель (П).
Преобразователь содержит интегратор, имеющий два входа. Первый вход интегратора является входом ПНЧ, на него подается преобразуемое напряжение. Второй вход интегратора связан с выходом переключателя, первый вход которого соединен с источником опорного напряжения, второй вход присоединен к «земле» схемы, а управляющий вход переключателя связан с выходом компаратора, который является выходом ПНЧ. Первый вход компаратора соединен с выходом интегратора, второй вход связан с источником напряжения смещения, а вход синхронизации присоединен в выходу генератора тактовых импульсов. Работа ПНЧ осуществляется следующим образом. Примем, что все элементы преобразователя находятся в следующих исходных состояниях: выходное напряжение интегратора (И) больше, чем напряжение смещения на выходе источника напряжения смещения (ИНС); выходное напряжение компаратора (К), которое подается на управляющий вход переключателя (П), такое, что второй вход И через выход П связан с «землей»; входное напряжение ПНЧ больше нуля. Входное напряжение подается на первый вход И, который является инвертирующим, где затем суммируется с напряжением на втором входе И. Это суммарное напряжение непрерывно интегрируется и, поскольку входное напряжение интегратора больше нуля, а интегратор является инвертирующим, то выходное напряжение И начинает уменьшаться и в некоторый момент времени достигнет уровня напряжения смещения с выхода источника напряжения смещения (ИНС). После чего, К по переднему фронту первого пришедшего импульса с выхода генератора тактовых импульсов (ГТИ) на вход синхронизации К изменит напряжение на своем выходе, которое подается на управляющий вход П, таким образом, что П подключит ко второму входу И напряжение с выхода источника опорного напряжения (ИОН). Причем полярность напряжения на выходе ИОН имеет знак, противоположный входному напряжению ПНЧ, а уровень напряжения достаточный, чтобы изменить знак суммарного напряжения на входе И и чтобы напряжение на выходе И начало увеличиваться при любых значениях входного напряжения ПНЧ из допустимого диапазона. Поэтому до момента прихода следующего тактового импульса с выхода ГТИ на вход К напряжение на первом входе К будет больше, чем напряжение смещения на его втором входе, поэтому напряжение на выходе К вернется в исходное состояние по приходу следующего тактового импульса, а П соединит второй вход И1 с «землей». Таким образом, все элементы ПНЧ приняли исходное состояние и далее работа ПНЧ будет происходить аналогичным образом.
В этом ПНЧ длительность импульсов равна периоду импульсов с выхода ГТИ3, который может быть взят и кварцевым образцовым. Амплитуда импульсов задается с помощью образцового ИОН, то есть задается точно.
Недостатками прототипа являются неравномерная расстановка импульсов во времени на выходе ПНЧ и «слипание» выходных импульсов ПНЧ (импульсы, объединяющиеся в течение 2, 3 и более тактов без разрывов) при превышении входного напряжения половины значения уровня образцового напряжения.
Задачей (технический результат) предлагаемого изобретения является уменьшение неравномерности расстановки выходных импульсов ПНЧ во времени и расширение диапазона входных напряжений, в котором отсутствует эффект «слипания» выходных импульсов.
Поставленная задача (технический результат) достигается тем, что в преобразователь напряжения в частоту импульсов, содержащий интегратор, первый вход которого является входом преобразователя, а второй вход соединен с выходом переключателя, первый вход которого соединен с источником образцового напряжения, а второй вход связан с общей точкой, выход интегратора соединен с первым входом компаратора, второй вход которого связан с источником напряжения смещения, а его вход синхронизации присоединен к выходу генератора тактовых импульсов, введен формирователь импульсов, первый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, второй вход связан с выходом компаратора, а выход соединен с входом управления переключателя.
На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого преобразователя, на фиг. 2 изображены эпюры напряжения прототипа, на фиг. 3 изображены эпюры напряжения предлагаемого преобразователя, а на фиг. 4 показано слипание импульсов в прототипе и отсутствие слипания импульсов в предлагаемом преобразователе.
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 источником напряжения смещения 2, а вход синхронизации компаратора 4 подключен к выходу генератора тактовых импульсов 3. Первый вход формирователя импульсов 5 подключен к выходу компаратора 4, а второй вход соединен с выходом генератора тактовых импульсов 3. Выход формирователя импульсов 5 соединен со входом управления переключателя 7. Первый вход переключателя 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 Analog Devices). В качестве компаратора 4 может быть использован JK-триггер, например 74HCT109 (производство NXP Semiconductors). В роли формирователя импульсов 5 может быть использован счетчик 74НС40103 (производство NXP Semiconductors) совместно с JK-триггером 74НСТ109 (производство NXP Semiconductors). Переключатель 7 может быть выполнен на основе переключателя 74LVC1G3157 (производство NXP Semiconductors). В качестве генератора тактовых импульсов может быть использован кварцевый генератор ГК44-П (производство МОРИОН).
Работа ПНЧ осуществляется следующим образом. Примем, что все элементы преобразователя находятся в следующих исходных состояниях: выходное напряжение интегратора 1 (И1) больше, чем напряжение смещения на выходе источника напряжения смещения 2 (ИНС2); выходное напряжение компаратора 4 (К4), которое подается на управляющий вход переключателя 7 (П7), такое, что второй вход И1 через выход П7 связан с «землей»; входное напряжение ПНЧ больше нуля. Входное напряжение подается на первый вход И1, который является инвертирующим, где затем суммируется с напряжением на втором входе И1. Это суммарное напряжение непрерывно интегрируется и, поскольку входное напряжение интегратора больше нуля, а интегратор является инвертирующим, то выходное напряжение И1 начинает уменьшаться и в некоторый момент времени достигнет уровня напряжения смещения с выхода источника напряжения смещения 2 (ИНС2). После чего К4 по переднему фронту первого пришедшего импульса с выхода генератора тактовых импульсов 3 (ГТИ3) на вход синхронизации К4 изменит напряжение на своем выходе, которое подается на вход формирователя импульсов ФИ5. В течение следующих N тактовых импульсов с ГТИ3, которые также приходят на вход синхронизации ФИ5, формирователь удержит такой уровень напряжения на своем выходе, что через вход управления П7 ко второму входу И1 будет подключено напряжение с выхода ИОН6 в течение N тактов. Коэффициент 7V является характеристикой предлагаемого преобразователя и может принимать целочисленные значения больше нуля, а частота на выходе ГТИ3 в предлагаемом преобразователе увеличена в N раз. Причем полярность напряжения на выходе ИОН6 имеет знак, противоположный входному напряжению ПНЧ, а уровень напряжения достаточный, чтобы изменить знак суммарного напряжения на входе И1 и чтобы напряжение на выходе И1 начало увеличиваться при любых значениях входного напряжения ПНЧ из допустимого диапазона. Поэтому до момента прихода N+1 тактового импульса с выхода ГТИ3 на вход К4 и ФИ5 напряжение на первом входе К4 будет больше, чем напряжение смещения на его втором входе, поэтому напряжение на выходе К4 и ФИ5 вернется в исходное состояние по приходу следующего тактового импульса, а П7 соединит второй вход И1 с «землей». Таким образом, все элементы ПНЧ приняли исходное состояние и далее работа ПНЧ будет происходить аналогичным образом.
вх
0
0
Уменьшение неравномерности расстановки выходных импульсов ПНЧ во времени решается следующим образом. Рассмотрим в сравнении работу прототипа и предлагаемого преобразователя для одинаковых уровней входных сигналов. Пусть, например, напряжение на входе обоих преобразователей U=0.4321Е, где Е - опорное напряжение на выходах их источников ИОН, а напряжение смещения на выходах их источников ИНС равно нулю. Эпюры напряжений прототипа и предлагаемого преобразователя показаны на фиг. 2 и фиг. 3 соответственно. Графики «Выход И, В» показывают выходные напряжения интеграторов прототипа и предлагаемого преобразователя. Графики «Выход К, лог.» показывают логические уровни выходных напряжений компараторов прототипа и предлагаемого преобразователя. График «Вход П, лог.» показывает логический уровень входного напряжения на управляющем входе переключателя прототипа (логическая единица соответствует подключению «земли» ко второму входу И1, а логический ноль - подключению источника опорного напряжения). График «Вход П7 / Выход ФИ5, лог.» показывает логический уровень входного напряжения на управляющем входе переключателя предлагаемого преобразователя, который также соответствует выходу ФИ5 (логическая единица соответствует подключению «земли» ко второму входу И1, а логический ноль - подключению источника опорного напряжения). Графики «Выход ГТИ, лог.» показывают логические уровни выходных напряжений генераторов тактовых импульсов прототипа и предлагаемого преобразователя (предлагаемый преобразователь имеет увеличенную тактовую частоту).
Возьмем коэффициент предлагаемого преобразователя N=5. Это означает, что период тактовых импульсов предлагаемого преобразователя в 5 раз меньше, чем период тактовых импульсов прототипа, но длительность импульсов обратной связи на управляющем входе переключателя для обоих преобразователей остается одинаковой, так как ФИ5 в предлагаемом преобразователе удерживает управляющее воздействие в течение N тактов. Допустим, что в некоторый момент времени напряжение на выходах интеграторов И1 обоих, прототипа и предлагаемого преобразователя, больше нуля, выходы компараторов К4 находятся в высоком логическом уровне, а переключатели П6 прототипа и П7 предлагаемого преобразователя соединяют второй вход И1 с «землей». Примем, что компараторы обоих, прототипа и предлагаемого преобразователя, работают по переднему фронту тактового сигнала, пришедшего на их входы синхронизации. Постоянные времени заряда и разряда конденсаторов в И1 примем равными друг другу.
В момент прихода первого тактового импульса с выхода ГТИ3 (фиг. 2) напряжение на выходе И будет ниже нуля (точка А1, такт 2), поэтому К переключит свой выход в состояние низкого логического уровня. П соединит со вторым входом И выход источника ИОН, полярность напряжения на выходе которого противоположна полярности входного напряжения. Начнется цикл заряда, и напряжение на выходе И начнет возрастать и до момента прихода следующего тактового импульса снова станет больше нуля. На следующем такте (точка В1, такт 3) выход К вернется в состояние высокого логического уровня, так как напряжение на выходе И превышает напряжение смещения, и П соединит второй вход И с «землей». Цикл заряда закончился и начался цикл разряда, после чего напряжение на выходе И снова начнет уменьшаться и на 4 такте (точка С1) вновь окажется ниже нуля и закончится цикл разряда, а напряжение на выходе И вновь будет увеличиваться. Между 4 и 5 тактами пойдет новый цикл заряда, а с 5 такта - цикл разряда. Но в этот раз за один такт напряжение на выходе И не успело упасть ниже нуля и поэтому на 6 такте (точка Е1) выход К не изменится и цикл разряда будет продлен. Он окончится только на 7 такте в точке F1. Таким образом, полный цикл состоит из цикла заряда и разряда и средний период полных циклов работы преобразователя определяет его выходную частоту. В данном примере наблюдалось 2 полных цикла работы прототипа и 2 импульса обратной связи на управляющем входе переключателя. Однако, как видно фиг. 3, интервал между импульсами обратной связи меняется от 1 до 2 тактов и, соответственно, период выходных импульсов преобразователя меняется от 2 до 3 тактов, что является неравномерностью расстановки выходных импульсов ПНЧ во времени и в данном примере составляет до 50%.
В предлагаемом преобразователе (фиг. 4) на первом такте напряжение на выходе И1 все еще превышает напряжение смещения (точка А2, такт 22), но на следующем такте оно станет ниже нуля (точка В2, такт 23) и выход К4 переключится в низкий логический уровень. ФИ5 продлит этот импульс обратной связи в течение 5 следующих тактовых импульсов, и П7 соединит со вторым входом И1 выход ИОН6. Таким образом, цикл заряда будет длиться 5 тактов, но будет равен по длительности циклу заряда прототипа, так как предлагаемый преобразователь имеет частоту на выходе ГТИ3, увеличенную в 5 раз. Поэтому на 24 такте (точка С2), несмотря на то что напряжение на выходе И1 превышает напряжение смещения и выход К4 вернется в состояние высокого логического уровня, цикл заряда не закончится и состояние П7 не изменится. На 28 такте (точка D2) выход ФИ5 вернется в состояние высокого логического уровня и П7 соединит второй вход И1 в «землей». Начнется цикл разряда, который будет продолжаться до 35 такта (точка Е2), где выходы К4 и ФИ5 снова примут значение низкого логического уровня, а П7 соединит второй вход И1 с выходом ИОН6, и начнется цикл заряда. Он продлится до 40 такта (точка F2), после чего до 46 такта (точка G2) будет идти цикл разряда. Таким образом, в предлагаемом преобразователе наблюдалось 2 полных цикла работы и также 2 импульса обратной связи на управляющем входе переключателя. Однако в данном примере, как видно на фиг. 4, период выходных импульсов преобразователя меняется от 11 до 12 тактов, что является неравномерностью расстановки выходных импульсов ПНЧ во времени и в данном примере составляет до 9%.
Таким образом, при коэффициенте N=5 неравномерность расстановки выходных импульсов предлагаемого преобразователя уменьшается в 5 раз. То есть неравномерность уменьшается в N раз, а в действительности коэффициент N будет принимать значения нескольких сотен.
Значит, достигнуто уменьшение неравномерности расстановки выходных импульсов ПНЧ во времени.
вх
0
0
Расширение диапазона входных напряжений, в котором отсутствует эффект «слипания» выходных импульсов, достигается следующим образом. Диапазон входных значений прототипа, в котором отсутствует эффект «слипания» выходных импульсов, составляет половину уровня опорного напряжения на выходе ИОН. Пусть, например, напряжение на входе обоих преобразователей U=0.5679E, где Е - опорное напряжение на выходах их источников ИОН, а напряжение смещения на выходах их источников ИНС равно нулю. На фиг. 5 изображены эпюры напряжений прототипа и предлагаемого преобразователя при одинаковых входных напряжениях. Графики «Выход И(прототип), В» и «Выход И1 (изобретение), В» показывают выходные напряжения интеграторов прототипа и предлагаемого преобразователя соответственно. График «Вход П (прототип), лог.» показывает логический уровень входного напряжения на управляющем входе переключателя прототипа (логическая единица соответствует подключению «земли» ко второму входу И, а логический ноль - подключению источника опорного напряжения). График «Вход П7 / Выход ФИ5 (изобретение), лог.» показывает логический уровень входного напряжения на управляющем входе переключателя предлагаемого преобразователя, который также соответствует выходу ФИ5 (логическая единица соответствует подключению «земли» ко второму входу И1, а логический ноль - подключению источника опорного напряжения). Графики «Выход ГТИ (прототип), лог.» и «Выход ГТИ3 (изобретение), В» показывают логические уровни выходных напряжений генераторов тактовых импульсов прототипа и предлагаемого преобразователя соответственно (предлагаемый преобразователь имеет увеличенную тактовую частоту).
Возьмем коэффициент предлагаемого преобразователя N=5. Это означает, что период тактовых импульсов предлагаемого преобразователя в 5 раз меньше, чем период тактовых импульсов прототипа, но длительность импульсов обратной связи на управляющем входе переключателя для обоих преобразователей остается одинаковой, так как ФИ5 в предлагаемом преобразователе удерживает управляющее воздействие в течение N тактов. Примем, что компараторы обоих прототипа и предлагаемого преобразователя работают по переднему фронту тактового сигнала, пришедшего на их входы синхронизации. Постоянные времени заряда и разряда конденсаторов в интеграторах примем равными друг другу.
Возьмем одинаковые интервалы времени работы прототипа и предлагаемого преобразователя, равные 10 периодам тактовой частоты с выхода ГТИ прототипа или 50 периодам тактовой частоты с выхода ГТИ3 предлагаемого преобразователя. В некоторый момент времени, как показано на верхнем графике на фиг. 4, напряжение на выходе И прототипа немного больше нуля (5 такт прототипа, точка A3). Далее идет 1 такт разряда, и на 6 такте прототипа в точке В3 напряжение на выходе И оказывается существенно ниже нуля - настолько, что ко времени прихода следующего 7 такта прототипа, напряжение на выходе И все еще будет меньше напряжения смещения (точка С3). Поэтому цикл заряда продлится еще на 1 импульс. Это означает, что выходные импульсы «слиплись» друг с другом. Такое «слипание» приводит к снижению выходной частоты при увеличении входного напряжения сверх предела входного диапазона, что противоречит нормальному режиму работы преобразователя, когда частота выходных импульсов прямо пропорциональна уровню входного напряжения преобразователя. Рассмотрим работу предлагаемого преобразователя при таких же условиях. В некоторый момент времени на очередном такте напряжение на выходе И1 немного больше нуля (точка А4, такт 26 предлагаемого преобразователя), поэтому после одного такта разряда оно станет меньше нуля (точка В4, такт 27 предлагаемого преобразователя) и начнется цикл заряда. В точке С4 (такт 28 предлагаемого преобразователя) напряжение на выходе И1 не успеет увеличиться до уровня выше напряжения смещения, но в данном примере коэффициент N=5 и длительность цикла заряда равна 5 тактам, что является нормальным режимом работы. Вместо «слипания» соседних импульсов, как в прототипе, в предлагаемом преобразователе расстояние между импульсами сократится на один такт. При этом при дальнейшем увеличении входного напряжения сверх половины уровня опорного напряжения минимальное расстояние между импульсами может уменьшаться до 1 тактового периода, после чего начнется «слипание» импульсов. Максимальный входной диапазон предлагаемого преобразователя составляет , где N - это коэффициент. В данном примере при N=5 максимальное входное напряжение преобразователя составит , а при N=100 оно составит .
Значит, достигнуто расширение диапазона входных напряжений ПНЧ, в котором отсутствует «слипание» выходных импульсов.
0
0
0
Таким образом, предлагаемый преобразователь позволяет уменьшить неравномерность расстановки выходных импульсов во времени и расширить диапазон входных напряжений, в котором отсутствует эффект «слипания» выходных импульсов в синхронизированном преобразователе напряжения в частоту импульсов. Так, например, при N=5, в предлагаемом преобразователе неравномерность импульсов уменьшается в 5 раз, по сравнению с прототипом - с 50% до 9% в приведенном примере. А диапазон входных напряжений, в котором отсутствует эффект «слипания» выходных импульсов, при N=5 увеличивается с 0.5Е в прототипе до 0.83Е в предлагаемом преобразователе. При этом реальные значения N могут быть несколько сотен, что означает уменьшение неравномерности расстановки выходных импульсов во времени на несколько порядков и расширение диапазона входных напряжений, в котором отсутствует эффект «слипания» выходных импульсов вплоть до величины, близкой к опорному напряжению Е.