Фазовый компаратор

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в прецизионных преобразователях угол-код. Задачей, решаемой полезной моделью, является создание фазового компаратора с расширенным диапазоном длительности формируемых фазовым компаратором выходных импульсов, увеличение его функциональных возможностей и повышения его надежности, за счет устранения зависимости между величинами сопротивления зарядного резистора, емкости накапливающего конденсатора и током выключения оптронного ключа и повышение помехоустойчивости при использовании в составе преобразователей угол-код. Сущность полезной модели заключается в том, что в фазовый компаратор, содержащий операционный усилитель, первый и второй входные резисторы, первые выводы которых являются соответственно первым и вторым входами фазового компаратора, первый диод, второй диод, переключатель тока, зарядный резистор и накапливающий конденсатор, оптронный ключ, выход которого является выходом фазового компаратора, балластный резистор и ограничитель уровня срабатывания, объединенные соответствующими связями, введены третий диод, катод которого соединен с выходом операционного усилителя, а анод через резистор задания тока смещения соединен с шиной положительного напряжения, транзисторный ключ, выполненный на четвертом транзисторе, база которого соединена с анодом третьего диода, эмиттер соединен с шиной нулевого потенциала, а коллектор соединен со вторым выводом зарядного резистора и с анодом четвертого диода, катод которого соединен с первым выводом накапливающего конденсатора.

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в прецизионных преобразователях угол-код, реализующих как прямой, так и дифференциальный метод преобразования угловых перемещений в код, для определения момента перехода возрастающего синусоидального напряжения через нуль и формирования отсчетного фазового импульса.

К компараторам, используемым в преобразователях угол-код, предъявляются противоречивые требования сочетания высокой статической точности с достаточным быстродействием и хорошей помехозащищенностью. Особенностью использования компараторов в таких преобразователях является необходимость работы с относительно медленно изменяющимися синусоидальными сигналами с частотами не более единиц килогерц на фоне более высоких высокочастотных помех и шумов, действующих на входе компаратора.

При использовании стандартных интегральных схем компараторов для обработки таких входных сигналов сложно сформировать четкий фронт выходного сигнала, т.к. из-за ограниченного коэффициента усиления компаратора (обычно в пределах 10³-10⁴ ) возникает достаточно протяженная зона нечувствительности, в которой напряжение на выходе компаратора произвольно колеблется с частотой входных флуктуации. Такой «дребезг» приводит к дополнительной погрешности определения временного интервала между фазовыми импульсами преобразователя.

Известен компаратор [см. лит.], являющийся наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и принятый за прототип. Этот компаратор содержит операционный усилитель, первый и второй входные резисторы, первые выводы которых являются соответственно первым и вторым входами фазового компаратора, а их вторые выводы соединены между собой и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, первый диод, анод которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а катод - с выходом операционного усилителя, второй диод, анод которого соединен с

выходом операционного усилителя, а катод - с инвертирующим входом операционного усилителя, переключатель тока, выполненный на первом транзисторе, база которого соединена с выходом операционного усилителя, и втором транзисторе, база которого соединена с шиной нулевого потенциала, а эмиттер соединен с эмиттером первого транзистора и первым выводом токозадающего элемента, второй вывод которого соединен с шиной отрицательного напряжения, последовательно соединенные между шиной положительного напряжения и шиной нулевого потенциала зарядный резистор и накапливающий конденсатор, оптронный ключ, светодиод которого включен в прямом направлении между коллектором первого транзистора, а его выход является выходом фазового компаратора, балластный резистор, включенный между шиной положительного напряжения и коллектором второго транзистора и ограничитель уровня срабатывания, выполненный на третьем транзисторе, коллектор которого соединен с шиной положительного напряжения, эмиттер - с коллектором первого транзистора, а база соединена с выходом делителя 21 напряжения, включенного между шиной положительного напряжения и шиной нулевого потенциала.

Кроме того, в фазовом компараторе первый и второй диоды выполнены в виде переходов база-эмиттер транзисторов из одной транзисторный матрицы, что позволило уменьшить номенклатуру полупроводниковых элементов и повысить точность при дифференциальном фазовом методе, когда в устройстве используются два фазовых компаратора.

Недостатком компаратора-прототипа является узкий диапазон длительности формируемых импульсов, обусловленный тем, что гарантированный ток выключения оптронного ключа имеет очень маленькую величину (200-250 мкА и менее), что заставляет выбирать величину зарядного резистора достаточно большой. Величина зарядного резистора R в известном устройстве определяется следующим образом:

R>(Uпит.-Uогр.-Uпр.)/|выкл.;

где R - величина зарядного резистора,

Uпит. - напряжение питания устройства,

Uогр. - напряжение ограничения тока на эмиттере третьего транзистора,

Uпр. - прямое падение напряжения на светодиоде оптронного ключа.

Большое значение зарядного резистора ограничивает сверху значение

величины зарядного конденсатора, так как последняя выбирается из условия, что во время заряда конденсатора, равное половине периода напряжения возбуждения преобразователя угол-код, должны уложиться, как минимум, от 3 до 4 постоянных времени заряда RC.

Выбранное значение зарядного конденсатора, в свою очередь, при известном значении тока включения оптронного ключа l₀ (l₀10 мА) и заданных напряжениях питания и ограничения, определяет и ограничивает длительность формируемого импульса t, t=С(Uпит-Uогр-Uпр)/l₀.

В известном устройстве даже при выборе зарядного резистора достаточно большой величины, через оптронный ключ всегда протекает некоторый ток, ухудшающий помехоустойчивость фазового компаратора. При этом, чем меньше напряжение питания устройства, тем меньше возможность изменения длительности выходных импульсов за счет изменения напряжения ограничения.

Задачей, решаемой полезной моделью, является расширение диапазона длительностей формируемых фазовым компаратором выходных импульсов, увеличение его функциональных возможностей и повышения его надежности, за счет устранения зависимости между величинами сопротивления зарядного резистора, емкости накапливающего конденсатора и током выключения оптронного ключа.

Сущность полезной модели заключается в том, что в фазовый компаратор, содержащий операционный усилитель, первый и второй входные резисторы, первые выводы которых являются соответственно первым и вторым входами фазового компаратора, а их вторые выводы соединены между собой и соединены с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, первый диод, анод которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а катод - с выходом операционного усилителя, второй диод, анод которого соединен с выходом операционного усилителя, а катод - с инвертирующим входом операционного усилителя, переключатель тока, выполненный на первом и втором транзисторах, база первого транзистора соединена с выходом операционного усилителя, база второго транзистора соединена с шиной нулевого потенциала, а эмиттер соединен с эмиттером первого транзистора и первым выводом токозадающего элемента, второй

вывод которого соединен с шиной отрицательного напряжения, зарядный резистор, первый вывод которого соединен с шиной положительного напряжения, и накапливающий конденсатор, первый вывод которого соединен с анодом светодиода оптронного ключа, а второй вывод с шиной нулевого потенциала, оптронный ключ, светодиод которого катодом соединен с коллектором первого транзистора, а выход оптронного ключа является выходом фазового компаратора, балластный резистор, включенный между шиной положительного напряжения и коллектором второго транзистора и ограничитель уровня срабатывания, выполненный на третьем транзисторе, коллектор которого соединен с шиной положительного напряжения, эмиттер соединен с коллектором первого транзистора, а база соединена с выходом делителя напряжения, включенного между шиной положительного напряжения и шиной нулевого потенциала, введены третий диод, катод которого соединен с выходом операционного усилителя, а анод через резистор задания тока смещения соединен с шиной положительного напряжения, транзисторный ключ, выполненный на четвертом транзисторе, база которого соединена с анодом третьего диода, эмиттер соединен с шиной нулевого потенциала, а коллектор соединен со вторым выводом зарядного резистора и с анодом четвертого диода, катод которого соединен с первым выводом накапливающего конденсатора.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема фазового компаратора.

На чертеже обозначены:

1 - операционный усилитель,

2 - первый входной резистор,

3 - второй входной резистор,

4 - первый диод,

5 - второй диод,

6 - первый транзистор,

7 - второй транзистор,

8 - первый резистор делителя напряжения,

9 - второй резистор делителя напряжения,

10 - третий транзистор,

11 - зарядный резистор,

12 - накапливающий конденсатор,

13 - оптронный ключ,

14 - токозадающий элемент,

15 - балластный резистор,

16 - резистор задания тока смещения,

17 - третий диод,

18 - четвертый транзистор,

19 - четвертый диод,

20 - переключатель тока,

21 - делитель напряжения,

22 - ограничитель уровня срабатывания,

23 - транзисторный ключ.

В предлагаемом фазовом компараторе первые выводы первого и второго входных резисторов 2 и 3 являются соответственно первым и вторым входами фазового компаратора. Вторые выводы резисторов 2 и 3 соединены между собой и с инвертирующим входом операционного усилителя 1. Неинвертирующий вход операционного усилителя 1 соединен с шиной нулевого потенциала. Анод первого диода 4 и катод второго диода 5 соединены с инвертирующим входом операционного усилителя 1, а катод первого диода 4 и анод второго диода 5 соединены с выходом операционного усилителя 1. Первый и второй диоды 4 и 5 выполнены в виде переходов база-эмиттер транзисторов из одной транзисторной матрицы. Такое выполнение диодов 4 и 5 позволяет дополнительно повысить точность работы компаратора.

Делитель 21 напряжения, включенный между шиной положительного напряжения и шиной нулевого потенциала, выполнен на последовательно соединенных резисторах 8 и 9.

Переключатель 20 тока выполнен на первом и втором транзисторах 6 и 7 (npn), база первого транзистора 6 соединена с выходом операционного усилителя 1 база второго транзистора 7 соединена с шиной нулевого потенциала, а эмиттер соединен с эмиттером первого транзистора 6 и первым выводом токозадающего элемента 14, второй вывод которого соединен с шиной отрицательного напряжения. Токозадающий элемент 14 может быть выполнен в простейшем случае в виде резистора или в виде источника стабильного тока на транзисторах, построенного по известным схемам.

Ограничитель 22 уровня срабатывания выполнен на третьем транзисторе 10, база которого соединена с выходом делителя 21 напряжения, коллектор соединен с шиной положительного напряжения, а эмиттер соединен с коллектором первого транзистора 6.

Первый вывод зарядного резистора 11 соединен с шиной положительного напряжения, а его второй вывод соединен с анодом четвертого диода 19 и с коллектором четвертого транзистора 18. Катод четвертого диода 19 соединен с анодом светодиода оптронного ключа 13 и с первым выводом накапливающего конденсатора 12, второй вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала.

Катод светодиода оптронного ключа 13 соединен с коллектором первого транзистора бис эмиттером третьего транзистора 10. Выход оптронного ключа 13 (ТТЛ выход) является выходом фазового компаратора. Балластный резистор 15 включен между шиной положительного напряжения и коллектором второго транзистора 7.

Первый вывод резистора 16 задания тока смещения соединен с шиной положительного напряжения, а его второй вывод соединен с анодом третьего диода 17 и с базой четвертого транзистора 18, эмиттер которого соединен с шиной нулевого потенциала.

Предлагаемый фазовый компаратор работает следующим образом.

Операционный усилитель 1 с входными резисторами 2 и 3 выполняет функции сумматора амплитудно-модулированных сигналов и усилителя-ограничителя, формируя на своем выходе, в зависимости от фазы входных сигналов ограниченные на уровне срабатывания диодов фазомодулированные сигналы.

С выхода операционного усилителя 1 фазомодулированный сигнал поступает на вход переключателя 20 тока, то есть на базу транзистора 6 и через третий диод 17 на базу транзистора 18 транзисторного ключа 23. Переключаемый ток задается исходя из значения, необходимого для срабатывания оптронного ключа 13 (от 5 до 10 миллиампер).

В случае выполнения токозадающего элемента 14 в виде резистора величина переключаемого тока l₀ определяется значением напряжения на шине отрицательного напряжения (-Uпит.), напряжением база-эмиттер первого и второго транзисторов 6 и 7 в рабочем режиме и сопротивлением резистора

токозадающего элемента 14.

При превышении напряжения на базе транзистора 6 нулевого потенциала транзистор 6 открывается, а транзистор 7 закрывается, в результате чего ток l₀ начинает протекать через светодиод оптронного ключа 13, вызывая его срабатывание и линейно разряжая конденсатор 12, при этом база транзистора 18 транзисторного ключа 23 приобретает положительное смещение, ключ открывается, в результате чего диод 19 закрывается и его анод приобретает потенциал близкий к потенциалу нулевой шины. Ток через светодиод оптронного ключа 13 при этом протекает только от накапливающего конденсатора 12, так как ток, протекающий от источника положительного напряжения через зарядный резистор 11, и открытый ключ 23 замыкается на шину нулевого потенциала. При достижении напряжением на коллекторе первого транзистора 6 значения напряжения ограничения, задаваемого делителем 21 напряжения (резисторами 8 и 9) с учетом падения напряжения на переходе база-эмиттер третьего транзистора 10, ток l₀ через светодиод оптронного ключа 13 прекращается и начинает протекать через третий транзистор 10. Оптронный ключ 13 при этом выключается, и на его выходе формируется импульс, передний фронт которого определяется моментом срабатывания первого транзистора 6, а задний фронт - уровнем ограничения, задаваемым потенциалом эмиттера третьего транзистора 10.

Величину емкости конденсатора 12 выбирают таким образом, чтобы за время, равное выбранной длительности выходного импульса при заданном значении тока l ₀, он разрядился до значения напряжения ограничения на эмиттере третьего транзистора 10, которое задается делителем 21 напряжения (резисторами 8 и 9).

Так как после формирования выходного импульса конденсатор 12 разряжен, повторное срабатывание схемы от помехи исключено. Во время отрицательной полуволны на выходе операционного усилителя 1 транзисторный ключ 23 закрыт, ток в переключателе 20 тока протекает через второй транзистор 7, а накапливающий конденсатор 12 заряжается. Значение сопротивления зарядного резистора 11 выбирают таким, чтобы в течение отрицательной полуволны на выходе операционного усилителя 1 за время, равное от 3 до 4, накапливающий конденсатор 12 зарядился до значения напряжения питания за вычетом падения напряжения на четвертом диоде 19,

где - постоянная времени RC-цепи, состоящей из зарядного резистора 11 и накапливающего конденсатора 12.

Так как ток через зарядный резистор 11 во время положительной полуволны на выходе операционного усилителя 1 замыкается на шину нулевого потенциала и не протекает через светодиод оптронного ключа 13, зарядный резистор 11 может быть выбран исходя из указанного выше условия, и вне зависимости от значения тока выключения оптронного ключа 13.

Таким образом, предлагаемая полезная модель, обеспечивая высокую точность с достаточным быстродействием, позволяет расширить диапазон длительности формируемых импульсов, повысить помехозащищенность фазового компаратора, расширить его функциональные возможности и повысить точность и стабильность фазовых преобразователей угол-код.

Помехозащищенность фазового компаратора обусловлена сравнительно низкой частотой единичного усиления прецизионного операционного усилителя 1, режимом его работы, исключающим работу усилителя без отрицательной обратной связи, инерционностью оптронного ключа 13 и отсутствием какого-либо тока через светодиод оптронного ключа 13 после разряда накапливающего конденсатора 12.

Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что устройство на его основе может быть изготовлено на основании приведенного описания и чертежей и использовано в прецизионных преобразователях угол-код, реализующих как прямой, так и дифференциальный метод преобразования угловых перемещений в код, для определения момента перехода возрастающего синусоидального напряжения через нуль и формирования отсчетного фазового импульса.

Источники информации

Свидетельство на полезную модель №20678, МПК G 01 D 5/00, Опубл. 20.11.2001 (прототип).

1. Фазовый компаратор, содержащий операционный усилитель, первый и второй входные резисторы, первые выводы которых являются соответственно первым и вторым входами фазового компаратора, а их вторые выводы соединены между собой и соединены с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, первый диод, анод которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а катод - с выходом операционного усилителя, второй диод, анод которого соединен с выходом операционного усилителя, а катод - с инвертирующим входом операционного усилителя, переключатель тока, выполненный на первом и втором транзисторах, база первого транзистора соединена с выходом операционного усилителя, база второго транзистора соединена с шиной нулевого потенциала, а эмиттер соединен с эмиттером первого транзистора и первым выводом токозадающего элемента, второй вывод которого соединен с шиной отрицательного напряжения, зарядный резистор, первый вывод которого соединен с шиной положительного напряжения, и накапливающий конденсатор, первый вывод которого соединен с анодом светодиода оптронного ключа, а второй вывод с шиной нулевого потенциала, оптронный ключ, светодиод которого катодом соединен с коллектором первого транзистора, а выход оптронного ключа является выходом фазового компаратора, балластный резистор, включенный между шиной положительного напряжения и коллектором второго транзистора, и ограничитель уровня срабатывания, выполненный на третьем транзисторе, коллектор которого соединен с шиной положительного напряжения, эмиттер соединен с коллектором первого транзистора, а база соединена с выходом делителя напряжения, включенного между шиной положительного напряжения и шиной нулевого потенциала, отличающийся тем, что в него дополнительно введены третий диод, катод которого соединен с выходом операционного усилителя, а анод через резистор задания тока смещения соединен с шиной положительного напряжения, транзисторный ключ, выполненный на четвертом транзисторе, база которого соединена с анодом третьего диода, эмиттер соединен с шиной нулевого потенциала, а коллектор соединен со вторым выводом зарядного резистора и с анодом четвертого диода, катод которого соединен с первым выводом накапливающего конденсатора.

2. Фазовый компаратор по п.1, отличающийся тем, что в нем первый и второй диоды выполнены в виде переходов база-эмиттер транзисторов из одной транзисторной матрицы.