ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Это юобретение относится к электрическим преобразователям, а более точно - к преобразователям напряжения в частоту или во время.
Преобразователь напряжения в частоту способен принимать медленно изменяющееся входное напряжение постоянного тока, и конвертировать его в импульсные сигналы, имеющие частоту f, прямо или обратно пропорциональную величине входного напряжения.
Преобразователь напряжения во время, поскольку он использует аппаратуру, подобную во многом аппаратуре преобразователя напряжения в частоту, проюводит выходной сигнал, который является обратной величиной частоты, т.е. 1/f, где f- частота, а 1/f- время.
Эти схемы обычно используют конденсаторы как часть схемы преобразователя или как часть цепи обратной связи в схеме управления преобразователем. Такие схемы обычно подходят для многих применений, в особенности там, где не требуется высокая стабильность преобразования, которая может нарушаться дрейфом конденсатора.
В схемах преобразователей другого типа значение числового регистра на выходе декодируется (преобразуется в напряжение) и подсоединяется к одному из входов компаратора, на другой вход которого подается напряжение, которое должно быть преобразовано. Если нет совпадения между входными напряжениями, которые сравниваются, число в цифровом регистре изменяется в определенную сторону до тех пор, пока напряжение на выходе декодера, и.
VL.J«JL «niMiuiillI 1ШН1Ш1
к 5/00, H03K 17/00 Преобразователь напряжения
следовательно, на входе компаратора не совпадет с входным напряжением, в этот момент регистр представляет численное значение входного напряжения.
В устройствах другого типа суммирующий интегратор, управляемый входным напряжением, используется для управления импульсным генератором. Выход импульсного генератора по цепи отрицательной обратной связи поступает на суммирующий интегратор. Использование замкнутой цепи обратной связи представляет некоторые преимущества по сравнению с линейными устройствами. В этом случае приложение входного напряжения непосредственно к интегратору требует, чтобы цикл интегратора был с какимто коэффициентом пропорционален амплитуде входного напряжения. Установка цикла интегратора достигается использованием импульсов, имеющих постоянную предопределенную площадь, каждый раз, когда напряжение интегратора, приложенное к нему, достигает предопределенной величины. Таким образом, при импульсах, имеющих фиксированную предопределенную энергию, частота импульсов определяется величиной входного напряжения в процессе выполнения преобразования.
Хотя существуют и другие устройства для преобразований общего класса, описанные здесь устройства охватьшают тот класс, к которому относится настоящее изобретение.
Прототипом предлагаемой полезной модели является преобразователь, описанный в патенте США № 3327229.
Описанное в нем устройство использует генератор импульсов, управляемый напряжением, для эффективного преобразования входного напряжения в электрическую величину, имеющую частоту, которая зависит от входного напряжения. Вход генератора, управляемого напряжением.
подсоединен к выходу усилителя, такого, например, как операционный усилитель, включенный по схеме интегратора, на входную схему которого подается входное напряжение. Чтобы обрабатывать напряжения противоположной полярности, такое устройство может иметь предопределенную выходную частоту для нулевого значения входного напряжения, так что приложение к входу усилителя положительно изменяющегося напряжения дает в результате уменьшение (или увеличение) выходной частоты, а приложение к входу усилителя отрицательно изменяющегося напряжения дает в результате увеличение (или уменьщение) выходной частоты генератора относительно предопределенной или центральной частоты, получаемой при нулевом напряжении на входе.
Линейность работы преобразователя достигается применением цепи обратной связи, включающей синхронгоирующую схему, на которую воздействуют выходы генератора, управляемого напряжением, и синхронизирующего генератора фиксированной частоты. Кроме того, в цепь обратной связи включено переключающее устройство для попеременного подключения опорного напряжения к входной схеме операционного усилителя в подходящем временном отнощении для создания нужного среднего постоянного напряжения обратной связи.
В качестве переключающего устройства используются переключающие транзисторы SW1 и SW2 (использованы обозначения транзисторов, терминалов и схем, принятые в патенте-прототипе). Переключающие транзисторы SW1 и SW2 являются транзисторами п-р-п, их эмиттеры соединены и подключены к терминалу Е1, который является выходным терминалом переключающего устройства, а lix коллекторы
подключены, соответственно, к выходам усилителей А21 и А22, представляющих схемы положительного и отрицательного опорных напряжений. На один из входов операционного усилителя подается напряжение смещения для обеспечения точного соответствия нулевого напряжения на входе определенной частоте импульсов генератора, управляемого напряжением.
К преимуществам устройства, описанного в патенте-прототипе, относятся создание электрического преобразователя для линейного преобразования напряжения в частоту или напряжения во время, обладающего простотой и точностью, мало чувствительного к изменению электрических характеристик его компонентов
Недостатком устройства, описанного в патенте-прототипе, является применение в переключающем устройстве в качестве переключающих элементов п-р-п транзисторов, включенных по схеме эмиттерных повторителей. Напряжения на переходах база-эмиттер этих транзисторов обладают существенной те шературной нестабильностью, что приводит к нестабильности преобразования и з конечном итоге понижает класс преобразователя или требует специальных мер температурной стабилизации, т.е. они имеют большой дрейф температурного перехода, который может быть скомпенсирован, однако, при этом усложняются и удорожаются схема и её наладка.
В предлагаемой полезной модели в качестве переключающего устройства используется логический элемент КМОП на базе  МОПтранзисторов. Коммутирующие свойства логический элемента КМОП таковы, что открытый ключ характеризуется омическими свойствами, малым
остаточным напряжением и, соответственно, имеет малый температурный дрейф по сравнению с полупроводниковыми переходами. Фронты импульсов могут быть реализованы столь короткими, что сами фронты, а тем более их температурные изменения, практически,, не оказывают влияния на стабильность устройства по сравнению с другими элементами схемы. Таким образом, целью предлагаемой полезной модели является создание улучшенного преобразователя напряжения в частоту.
Технической задачей, которая решается применением предложенной полезной модели, является повышение стабильности преобразования за счет использования температурно-независимого элемента в цепи обратной связи.
Сущность предложенной полезной модели заключается в том, что предлагается преобразователь входного напряжения в электрическую величину, отличающуюся от входного напряжения, но являющуюся его представлением, содержащий интегратор, включающий операционный усилитель с прямым и инверсным входами и выходом, входную схему, содержащую первый, второй и третий резисторы, конденсатор обратной связи, управляемый напряжением генератор для создания электрических импульсов изменяющейся частоты, имеющий вход и выход, генератор фиксированной частоты, имеющий выход, источник опорного напряжения (Uon), имеющий положительный и отрицательный полюсы,
схему синхронизации для формирования импульсов постоянной длительности, имеющую первый и второй входы и выход, переключающее устройство для формирования импульсов постоянной амплитуды, имеющее вход управления и выход, схему смещения, содержащую четвертый и пятый резисторы. Первые выводы первого и второго резисторов входной схемы
операционного усилителя соединены между собой в общей точке и эта общая точка соединена с инверсным входом операционного усилителя. Второй вывод первого резистора является входом преобразователя, а второй вывод второго резистора соединен с выходом переключающего устройства. Первые выводы четвертого и пятого резисторов схемы смещения операционного усилителя соединены между собой в общей точке и эта общая точка соединена через третий резистор входной схемы с прямым входом операционного усилителя. Вторые выводы четвертого и пятого резисторов схемы смещения соединены с положительным и отрицательным полюсами источника опорного напряжения, соответственно. Второй вьюод третьего резистора входной схемы соединен со вторым входом операционного усилителя. Выход операционного усилителя соединен с входом управляемого напряжением генератора, а также через конденсатор обратной связи - с инверсным входом операционного усилителя. Выход управляемого напряжением генератора соединен с вьгсодом преобразователя входного напряжения и с первым входом схемы синхронизации. Второй вход схемы синхронизации соединен с выходом генератора фиксированной частоты. Выход схемы синхронизации соединен с входом управления переключающего устройства.
(Далее следуют отличительные признаки предложенной полезной
Переключающее устройство для подсоединения источника опорного напряжения к входной схеме усилителя выполнено в виде логического элемента КМОП, содержащего р-канальный и п-канальный МОП-транзисторы, образующие инвертор. Исток и подложка р-канального МОП-транзистора объединены и подключены к положительному полюсу источника опорного
модели.)
напряжения. Исток и подложка п-канального МОП-транзистора объединены и подключены к отрицательному полюсу источника опорного напряжения. Затворы указанных транзисторов объединены и являются входом управления переключающего устройства. Стоки указаннък транзисторов объединены и являются выходом переключающего устройства.
Предлагаемая полезная моделъ поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1 показана блок-схема преобразователя напряжения.
Па фиг. 2 показано переключающее устройство для подсоединения источника опорного напряжения к входной схеме усилителя.
1.интегратор на базе операционного усилителя,
2.инверсный вход операционного усилителя,
3.прямой вход операционного усилителя,
4.конденсатор обратной связи операционного усилителя,
5.выход операционного усилителя,
6.входная схема интегратора,
7.первый резистор входной схемы интегратора,
8.второй резистор входной схемы интегратора,
9.схема смещения,
10.четвертый резис р схемы смещения,
11.пятый резистор схемы смещения,
12.третий резистор входной схемы интегратора,
13.управляемый напряжением генератор для создания электрических импульсов изменяющейся частоты, имеющий вход и выход (являющийся выходом преобразователя).
tO OOife
Перечень обозначений
14.генератор фиксированной частоты, имеющий выход,
15.источник опорного напряжения, имеющий положительный и отрицательный полюсы,
16.схема синхронизации для формирования импульсов постоянной ширины,
17.первый вход схемы синхронизации,
18.второй вход схемы синхронизации,
19.выход схемы синхронизации,
20.переключающее устройство для формирования импульсов постоянной амплитуды,
21.вход управления переключающего устройства,
22.выход переключающего устройства,
23.р-канальный МОП-транзистор,
24.п-канальный МОП-транзистор.
На фиг. 1 показана блок-схема преобразователя напряжения. Вход преобразователя соединен с входной схемой 6 интегратора 1. Первые выводы первого 7 и второго 8 прецизионных сопротивлений входной схемы 6 соединены между собой и с инверсным входом 2 операционного усилителя. Кроме того, с помощью конденсатора 4 обратной связи с инверсным входом 2 соединен выход 5 операционного усилителя. К прямому входу 3 операционного усилителя через третий резистор 12 подсоединена схема смещения 9. В интеграторе может бьггь использован, например, ОУ 140УД17. Выход 5 операционного усилителя соединен с входом управляемого напряжением генератора 13 для преобразования входного напряжения в выходные импульсы, имеющие частоту, зависящую от величины входного
напряжения. В качестве такого генератора можно использовать любой подходящего диапазона частот генератор, например, ПНЧ AD654 фирмы ANALOG DEVICES INC. (Каталог фирмы, стр. 14-7, USA, 1996). Выход управляемого напряжением генератора 13 соединен с первым входом 17 схемы синхронизации 16 для формирования импульсов постоянной ширины. Второй вход 18 схемы синхронизации 16 соединен с выходом генератора 14 фиксированной частоты, собранного по стандартной схеме. Выход W схемы синхронизации 16 соединен со входом управления 21 переключающего устройства 20, которое подсоединено к источнику опорного напряжения 15. В качестве переключающего устройства 20 используется логический элемент КМОП, например, отечественный логический элемент КР1564. Выход 22 переключающего устройства 20 соединен со вторым выводом прецизионного
резистора 8 входной схемы 6. Положительный полюс источника 15 (+Uon)
опорного напряжения соединен с объединенными подложкой и истоком МОП - транзистора 23 (фиг. 2) и вторым выводом резистора 10 схемы смещения 9.
Отрицательный полюс источника 15 (-Uon) опорного напряжения в
предлагаемом устройстве всегда соединен с нулевой точкой (шиной) общего источника питания преобразователя (общий источник питания на схеме не показан). С нулевой точкой (шиной) соединены объединенные подложка и исток МОП - транзистора 24 и второй вывод резистора 11 схемы смещения 9. Первые выводы сопротивлений 10 и 11 схемы смещения 9 соединены в общей точке, которая через резистор 12 соединена с входом 3 интегратора (операционного усилителя) 1. Вход 21 (фиг. 2) переключающего устройства 20 соединен с объединенными затворами МОП - транзисторов 23 и 24. Выход 22
.опсо
переключающего устройства 20 соединен с объединенными стоками МОП транзисторов 23 и 24.
Собственно преобразование напряжения в частоту выполняется управляемым напряжением генератором 13, в качестве которого применяется стандартный ПНЧ (преобразователь напряжения в частоту), обладающий посредственными характеристиками по точности, линейности, стабильности (временной и температурной) и повторяемости характеристик от экземпляра к экземпляру. Предложенная полезная модель позволяет (аналогично прототипу) схемотехнически улучшить точность и линейность преобразования.
Входной сигнал, который нужно преобразовать, поступает на второй вывод резистора 7 входной схемы 6 и через резистор 7 на один из входов (вход 2) интегратора 1, что вызывает изменение напряжения на его выходе 5 и,
соответственно, изменение частоты F на выходе преобразователя частоты
(ПНЧ) 13, который является выходом устройства в целом. Кроме того, импульсный сигнал изменяющейся частоты с выхода ПНЧ 13 поступает в стабилизирующую цепь отрицательной обратной связи, а именно на вход 17 синхронизирующей схемы 16, на выходе которой 19 импульсы переменной частоты имеют нормированную длительность Т за счет тактирования схемы 16 по входу 18 кварцевым синхронизирующим генератором 14. Нормированные по длительности импульсы поступают на вход 21 переключающего устройства 20. На выходе 22 переключающего устройства 20 формируются импульсы,
стабильные по амплитуде, которая  Uon- Эти импульсы переменной частоты.
Работа полезной модели
равной (или пропорциональной) частоте F, стабильные по длительности и
амплитуде, поступают на вход 2 интегратора 1 через резистор 8.
Таким образом, в полезной модели осуществляется отрицательная обратная связь, которая реализуется при соблюдении следующих условий:
ПНЧ 13 имеет монотонную характеристику;
при изменении входного напряжения входе ПНЧ 13 в положительную сторону его частота растет.
Равновесное состояние наступает, когда сумма токов на входе интегратора 1 равна нулю. Для упрощения рассмотрим вариант работы, при котором сопротивление резистора 11 равно нулю (работа с нулевым смещением)
Для каждого конкретного значения входного напряжения схема приходит в равновесное состояние при
UBX/ R7 + (Uon F T)/R8  0 1
где UBX входное напряжение, Uon опорное напряжение, F частота импульсов на выходе преобразователя. Т- нормированная длительность импульсов, R7 и R8 - сопротивления резисторов 7 и 8, соответственно. Из уравнения 1 видно, что
F  - ()/()  - UBx(R8/R7 Uon Т)
Из 2 видно, что
1.преобразование линейно,
3. диапазон входных напряжений лежит в отрицательной области от - UBX до О, причем при UBX О, F  0.
Для общего случая, на входе интегратора 1 присутствует напряжение смещения UCM.
UcM( 1)/(R11+R12),
где Rl 1 и R12 - сопротивления резисторов 11 и 12, соответственно. В этом варианте уравнение баланса 1 преобразуется в вид; (UBx-UcM)/R7 + (Uon- UCM)F T/R8+ (-UcM ) (1- F T)
Или окончательно F  UcM(l+R7/R8)( T))
Из сравнения уравнений 2 и 5 видно, что диапазон рабочих входных напряжений можно сдвинуть так, что при этом входному напряжению UBX  О будет соответствовать частота F  0.
Как видно из уравнения 2 стабильность преобразования зависит от
стабильности соотнощения сопротивлений резисторов R7/R8;
стабильности Uon;
стабильности Т.
Кроме того, стабильность произведения UonT, а, следовательно, и стабильность преобразования зависит от переключающего устройства 20, которое является ключевым элементом при формировании импульсов в цепи отрицательной обратной связи. Поскольку логический элемент КМОП имеет омический характер сопротивления (в открытом виде) и короткие фронты переключения, и соответственно, много меньший температурный дрейф по
,
сравнению с п/проводниковыми переходами, то стабильность преобразователя повышается по сравнению с прототипом не менее, чем в 10 раз, что проверено при изготовлении большой партии аппаратуры.
Таким образом, полезная модель решает поставленную техническую задачу: за счет применения в качестве переключающего устройства логического элемента КМОП для подсоединения источника опорного напряжения к входной схеме интегратора в схеме стабилизации, что позволяет повысить надежность преобразования напряжения в частоту или во время.
Практическая применимость предложенной модели подтверждается использованием предлагаемой схемы в модулях МДПЗ-02Ф (модуль датчиков прямой зарядки), МТП-02Ф (модуль термопарных датчиков), и МНС (модуль нормализованных сигналов) в системах контроля на АЭС.
13