Преобразователь напряжения в интервал времени
Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах магнитной записи информации и передачи ее в линиях связи с частотно-импульсным представлением данных. Цель изобретения - обеспечение преобразования мгновенных значений входного напряжения при высоком быстродействии. С этой целью в преобразователе напряжения в интервал времени, содержащем цепь разряда накопительного элемента, включающую ключи, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом накопительного элемента, связанного через резистор с источником опорного напряжения, неинвертирующий вход соединен с общей шиной, а выход через ключ связан с вторым выводом накопительного элемента, и цепь заряда накопительного элемента с общей шиной, блок управления, а также вход с шиной преобразуемого сигнала и выход с шиной преобразованного сигнала, цепь заряда накопительного элемента выполнена в виде двух ключей на тиристорах, один из которых катодом соединен с общей шиной, анодом - с первым выводом накопительного элемента, другой ключ анодом подключен к полюсовому выходу источника стабилизированного напряжения, катодом - к другому выводу накопительного элемента, а его шина катодного управления подключена к выводу схемы поджига блока управления в виде усилителя мощности, входом соединенной с выходом схемы запуска блока управления, в котором неинвертирующий вход компаратора соединен с шиной преобразуемого сигнала, инвертирующий вход - с выходом операционного усилителя цепи разряда накопительного элемента и с первым входом схемы запуска, вторым входом связанной через резистор с генератором запуска блока управления, а через другой резистор - с минусовым выходом источника стабилизированного напряжения, выход компаратора подключен к третьему входу схемы запуска и к тактовому входу счетного триггера, выход которого является выходом преобразователя с шиной преобразованного сигнала. Схема запуска выполнена в виде сборки из трех раздельных цепей, состоящих из резистора, ключа на диоде и конденсатора, общая точка соединения которых является выходом схемы, при этом первым входом служит вывод резистора, вторым - анод диода ключа, третьим - вывод конденсатора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах с частотно-импульсным представлением информации и преобразователях типа аналог-цифра.
Известно устройство для преобразования напряжения в интервал времени [1], содержащее входную, выходную и общую шины, четыре компаратора, один из которых включен по схеме с двуполярным выходом, остальные - с однополярным, RS-триггер, интегрирующую RC-цепочку и источник установочного напряжения, при этом интегрирующая RС-цепочка, связанная с двуполярным компаратором, образуют управляемый RS-триггером интегратор с накопительным элементом - конденсатором. Устройство работает следующим образом. Когда выходное напряжение компаратора управляемого интегратора отрицательно, конденсатор интегрирующей RС-цепочки разряжается. Этому соответствует нулевое выходное напряжение RS-триггера (меньшее напряжения смещения, подаваемого на другой вход компаратора). Когда при разряде конденсатора напряжение на нем сравняется с входным преобразуемым, компаратор, выход которого служит выходом преобразователя, включается и его выходное напряжение становится положительным, что соответствует формированию фронта выходного импульса. Когда при продолжающемся разряде конденсатора напряжение на нем сравняется с нулем, компаратор, другой вход которого подключен к общей шине, а выход - к S-входу RS-триггера, включается, что приводит к переключению RS-триггера в единичное состояние и к превышению его выходного напряжения смещения на другом входе компаратора управляемого интегратора. Последний переключается, и его выходное напряжение становится положительным, что переключает процесс разряда конденсатора на процесс заряда. При этом компаратор, один из входов которого подключен к общей шине, а выход - к S-входу RS-триггера, выключается (его выходное напряжение становится равным нулю). При дальнейшем заряде конденсатора напряжение на нем сравнивается с входным преобразуемым, что выключает компаратор, другой вход которого подключен ко входной шине, а выход - к выходной шине преобразователя. В результате напряжение на выходной шине становится равным нулю. Это соответствует формированию среза выходного импульса преобразователя. Описанное устройство-аналог имеет следующие недостатки: 1) сравнительно низкое быстродействие, обусловленное использованием линейных процессов для заряда и разряда накопительного элемента интегратора (конденсатора); 2) повышенное влияние наводок и шумов на точность преобразования, вызванное малыми углами встречи напряжения на конденсаторе с установочным напряжением и нулевым уровнем из-за необходимого выполнения при интегрировании (для получения приемлемой точности) условий Uвых(-) << Uc(t) << Uвых(+), где Uвых(-) - выходное отрицательное напряжение компаратора управляемого интегратора; Uвых(+) - его выходное положительное напряжение; 3) невысокую точность преобразования, обусловленную также применением в процессе формирования временного интервала четырех операций сравнения: двух - с установочным уровнем и двух - с нулевым (при малых углах встречи); 4) малую допустимую скорость изменения входного сигнала, так как она должна быть меньшей скорости изменения напряжения на конденсаторе, в то время как последняя скорость невелика из-за не- обходимого выполнения условий Uвых (-) << Uc(t) << Uвых(+), т.е. малого диапазона изменения напряжения Uc(t). Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [2], содержащее цепь заряда накопительного элемента, цепь его разряда, схемы установки и удержания нулевых начальных условий, блок управления. Цепь заряда накопительного элемента содержит вход с шиной преобразуемого сигнала, резистор, первый операционный усилитель, первый ключ и накопительный элемент. Цепь разряда содержит источник опорного напряжения, второй резистор, второй операционный усилитель, второй ключ и накопительный элемент. Схема установки нулевых начальных условий состоит из цепи разряда и нуль-органа в виде первого операционного усилителя с разомкнутыми ключами - первым и третьим. Схема удержания нулевых начальных условий состоит из второго операционного усилителя с замкнутыми ключами - первым и четвертым, накопительного элемента, первого операционного усилителя с замкнутым третьим ключом и разомкнутым первым ключом. Блок управления включает генератор тактовых импульсов, RS-триггер, схему И. В работе этого устройства выделяются два чередующихся такта: первый - такт заряда накопительного элемента, второй - такт его разряда, установки и удержания нулевых начальных условий. Тактирование осуществляется генератором тактовых импульсов. В начале первого такта открывается первый ключ, закрывается второй и RS-триггер устанавливается в состояние "1", напряжение на его выходной шине падает до нуля, что вызывает размыкание третьего и четвертого ключей. Размыкание третьего ключа при замкнутом первом приводит к заряду накопительного элемента - процессу интегрирования входного (преобразуемого) напряжения Ux Uc зар(t) = -



2) ограниченный диапазон преобразуемого напряжения (только положительные значения), что вытекает из особенностей работы нуль-органа. 3) сравнительно невысокое быстродействие, определяемое линейностью обоих процессов: заряда и разряда, а также тем, что длительность разряда должна быть не менее преобразованного интервала времени;
4) совпадение частоты преобразования с частотой выходного сигнала, а не превышение ее;
5) невозможность получения высокой плотности записи, поскольку выходные импульсы преобразователя разделены временными промежутками. Целью изобретения является обеспечение возможности преобразования мгновенных значений входного (преобразуемого) напряжения при высоком быстродействии. Для достижения указанной цели в преобразователе напряжения в интервал времени, содержащем вход с шиной преобразуемого сигнала, цепь разряда накопительного элемента и цепь заряда накопительного элемента с общей шиной, блок управления и выход с шиной преобразованного сигнала, цепь разряда состоит из источника опорного напряжения, резистора, ключа на биполярном транзисторе, операционного усилителя, соединенного инвертирующим входом через резистор c иcточником опорного напряжения и непоcредcтвенно - c одним из выводов накопительного элемента, к другому выводу которого подключен через ключ выход операционного усилителя, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной; цепь заряда накопительного элемента состоит из двух ключей на тиристорах, один из которых катодом соединен с общей шиной, анодом - с выводом накопительного элемента, подключенным к инвертирующему входу операционного усилителя цепи разряда, другой ключ с катодным управлением анодом подключен к "+" источника стабилизированного напряжения, катодом - к другому выводу накопительного элемента, а его шина катодного управления подключена к управляющему входу ключа цепи разряда и к выходу схемы поджига блока управления, вход которой подключен к выходу схемы запуска в блоке управления; в блоке управления неинвертирующий вход компаратора соединен с входом преобразователя с шиной преобразуемого сигнала, инвертирующий вход связан с выходом операционного усилителя цепи разряда и с одним из входов схемы запуска, другим входом через резистор связанной с генератором запуска, а через другой резистор - с "-" источника стабилизированного напряжения, выход компаратора подключен к третьему входу схемы запуска и к тактовому входу счетного триггера, выход которого является выходом преобразователя с шиной преобразованного сигнала. Положительный эффект достигается за счет сокращения времени заряда накопительного элемента путем изменения линейного закона заряда на скачкообразный (импульсный). На выходе преобразователя в результате получаются знакочередующиеся П-импульсы, у которых фронт каждого последующего является срезом предыдущего и которые содержат информацию в виде своей длительности о мгновенном значении преобразуемого входного напряжения на момент их окончания. Эти длительности являются суммой двух временных интервалов: малого интервала (времени заряда накопительного элемента) и много большего интервала, отражающего результат пре- образования мгновенного значения входного напряжения в его временной интервал, за счет чего практически момент окончания одного преобразования совпадает с началом следующего, что позволяет, во-первых, повысить временную плотность вырабатываемых интервалов; во-вторых, удвоить частоту преобразования по отношению к частоте следования выходных П-импульсов, каждый период следования которых, таким образом, содержит информацию о двух мгновенных значениях преобразуемого напряжения. За счет деления частоты преобразования в два раза с помощью счетного триггера осуществлено эффективное подавление второй гармоники несущей частоты. Известно, что частота преобразования в соответствии с теоремой отсчетов Котельникова-Шеннона должна быть выше или равна удвоенной частоте верхней спектральной составляющей преобразуемого сигнала. Отсюда следует, что частота следования выходных П-импульсов может быть выше частоты верхней спектральной составляющей или равна ей. Поскольку величина вырабатываемого временного интервала практически совпадает с длительностью цикла преобразования, поскольку вырабатываемые временные интервалы являются максимально возможными, а ширина полосы частот выходных П-импульсов становится минимальной. Отсюда полученные П-импульсы являются оптимальными для использования в системах магнитной записи информации и передачи ее в линиях связи с частотно-импульсным представлением сигналов. На фиг. 1 изображена блок-схема преобразователя напряжения в интервал времени; на фиг.2 - временные диаграммы работы преобразователя напряжения в интервал времени; на фиг.3 - принципиальная схема преобразователя. Преобразователь напряжения в интервал времени (фиг.1) содержит вход с шиной преобразуемого сигнала Ux, цепь разряда 1 накопительного элемента 2 и цепь его заряда 3 с общей шиной, блок 4 управления, соединенный со счетным триггером 5, выход которого является выходом преобразователя с шиной преобразованного сигнала Тх. Цепь разряда 1 (фиг.1,3) состоит из источника опорного напряжения Uo, соединенного через резистор 6 с инвертирующим входом операционного усилителя 7, подключенного к одному из выводов накопительного элемента 2, неинвертирующий вход операционного усилителя 7 связан с общей шиной, а выход - с другим выводом накопительного элемента через ключ 8. Ключ 8 выполнен на биполярном p-n-p-транзисторе, у которого вывод 1 - коллектор, вывод 2 - эмиттер, вывод 3 - база, соединенная через резистор r с "-" - источника стабилизированного напряжения. Цепь заряда 3 состоит из двух ключей 9, 10 на тиристорах, выполненных составными на биполярных транзистоpах разной проводимости с малым временем рассасывания. Один из ключей 9 катодом (вывод 1) соединен с общей шиной, анодом (вывод 2) с выводом накопительного элемента 2, подключенным к инвертирующему входу операционного усилителя 7. Другой ключ 10 с катодным управлением анодом (вывод 2) подключен к "+" источника стабилизированного напряжения (+Uст), катодом (вывод 1) - к другому выводу накопительного элемента 2, а его шина (вывод 3) катодного управления подключена к управляющему входу (вывод 3) ключа 8 цепи разряда 1 и к выходу схемы 11 поджига блока 4 управления, вход которого подключен к выходу схемы 12 запуска в блоке 4 управления. Блок 4 управления состоит из схемы 11 поджига, схемы 12 запуска, компаратора 13, делителя напряжения на резисторах 14, 16 и генератора 15 запуска (фиг.1,3). Схема 11 поджига состоит из усилителя мощности в виде эмиттерного повторителя, нагруженного на резистор r ключа 8 и выходом (эмиттером) подключенного к шине (вывод 3) катодного управления ключа 10 и управляющему входу (вывод 3) ключа 8, управляющим входом (базой) - к выходной шине схемы 12 запуска, коллектором - к "+" источника стабилизированного напряжения (фиг.1,3). Схема 12 запуска (функциональная схема ИЛИ) состоит из трех раздельных входных цепей, соединенных выходами в общую точку с выходной шиной. Первой входной цепью, подключенной ко входу 1 схемы, является резистор Rзап; второй входной цепью, соединяющей вход 2 с выходной шиной - ключ на полупроводниковом импульсном диоде с малой емкостью, подключенном анодом ко входу 2 схемы, катодом - к выходной шине схемы; в качестве третьей входной дифференцирующей цепи, соединяющей вход 3 с выходной шиной схемы, используется конденсатор малой емкости. В блоке 4 управления неинвертирующий вход компаратора 13 соединен со входом преобразователя, инвертирующий вход связан с выходом операционного усилителя 7 цепи разряда и с одним (вывод 1) из входов схемы 12 запуска, другим входом (вывод 2) через резистор 14 связанной с генератором 15 запуска, а через резистор 16 - с "-" источника стабилизированного напряжения, выход компаратора 13 подключен к третьему входу схемы 12 запуска и к тактовому входу счетного триггера 5, выход которого является выходом преобразователя с шиной преобразованного сигнала Тх. В преобразователе напряжения в интервал времени накопительный элемент может быть выполнен в виде конденсатора типа КМ ОЖО.460.161ТУ, ключ схемы разряда - на биполярном транзисторе типа КТ 363А(В) ШТО, ШТО.336.014ТУ; ключи в схеме заряда - составные тиристоры на биполярных транзисторах типа КТ 363А(В) ЩТО.336.014ТУ КТ 316А(В) СБО.336.030 ТУ; операционный усилитель - микросхема 544УД2; компаратор - микросхема типа К554СА3; схема запуска включает в себя резистор, импульсный диод КД 520А и конденсатор типа К10-17 ОЖО.460.167ТУ, схема поджига выполнена в виде усилителя мощности на эмиттерном повторителе на биполярном транзисторе типа 2Т316А СБО.336.О30ТУ; генератор запуска выполнен на мультивибраторе, в качестве которого использована половина микросхемы типа 564ТМ2 с делителем напряжения на резисторах, а счетный триггер выполнен в виде второй половины указанной микросхемы. Преобразователь работает следующим образом. При подключении преобразователя к источнику питания в момент t1 на инвертирующий вход операционного усилителя (ОУ) 7 (фиг.1) через резистор 6 подается опорное напряжение +Uо (фиг.1), открывающее ключ 9, вследствие чего на инвертирующем входе ОУ 7 устанавливается положительное напряжение Uоткр., практически























Uвых.ОУ(t-t2)= U(t)вых -





Ux(t3) - Uвых.ОУ (t3-t2) = 0, (2) компаратор включается и на его выходе появляется положительный перепад (фиг.1,2). Таким образом, время Tx' = t3-t2 линейного разряда конденсатора 2 до напряжения Ux(t3) можно на основании выражений (1), (2) выразить в виде
T



Выработанный при включении компаратора 13 (фиг.1) перепад переключит счетный триггер 5 и поступит на вход (3) схемы 12 запуска, являющийся дифференцирующим. В схеме 12 запуска положительный перепад напряжения, выработанный компаратором 13 и поступивший на вход (3) схемы 12 и тактовый вход счетного триггера 5, продифференцируется и в виде положительного остроконечного импульса малой длительности после усиления по мощности схемой 11 поджига поджигает ключ 10 на тиристоре, и далее описанные процессы повторяются, за исключением отпирания запертого ключа 9 на динисторе. На этом первый цикл преобразования в интервал времени Tx' мгновенного значения напряжения Ux (на момент t3 - момент совпадения пилы, вырабатываемой интегратором, с напряжением Uх) заканчивается (фиг.2). Рассмотрим процесс отпирания ключа более подробно. После поджига тиристора ключа 10 на его катоде (1) напряжение скачком возрастает от преобразованного (текущего) значения Ux до фиксированного уровня U* = +Uст - Uоткр. Этот перепад




Ux < U* - Uот.и.т . (5)
Отсюда условие (4) очевидно, необходимо для обеспечения непрерывности процесса преобразования путем автозапуска устройства каждый раз при выполнении условия (2), что, в свою очередь, необходимо для повышения временной плотности вырабатываемых интервалов Тх, а условие (5) - для определения максимального значения преобразуемого напряжения
Ux max

Далее отметим, что, когда напряжение на выходе ОУ 7 в момент t4(фиг.2) превысит Uх (в силу описанных процессов), напряжение на выходе компаратора 13 вновь станет равно нулю, как в интервале t2 < t < t3(фиг.2). Итак, в момент t4 напряжение на выходе ОУ 7 вновь станет максимальным и равным Uвых(+), после чего начнется второй цикл преобразования Ux(t5) ->> Tx'' (фиг.2). Как следует из фиг.2, с момента совпадения входного сигнала компаратора 13 с нулем в момент t3 (t5,...) до момента t4 (t6,...), когда напряжение на выходе ОУ 7 становится равным Uвых(+), проходит время










-Uст + (2,4



(4,8

первого - с коллектором (n2) второго, коллектор (p1) первого - с базой (p2) второго. У полученного таким образом составного тиристора эмиттер (p1) первого транзистора является анодом, эмиттер (n2) второго - катодом, база (p2) второго, коллектор (p1) первого - управляющим электродом (УЭ) катодного управления. Подбирая транзисторы с соответствующими параметрами, можно получать тиристоры с необходимыми свойствами, в частности, по времени включения tвкл, выключения tвыкл, по импульсному отпирающему напряжению Uот.и.Т, в том числе на УЭ тринистора Uу.от.и.Т, по максимально допустимому постоянному прямому напряжению в закрытом состоянии Uпр.закр maxT (напряжению отпирания), по максимально допустимому импульсному току в открытом состоянии Tоткр.и max и т.д. За счет достигнутого положительного эффекта в результате преобразования выходные знакочередующиеся импульсы стали иметь максимально возможную плотность во времени: фронт каждого последующего импульса стал служить одновременно срезом предыдущего. Частота Fвых сигнала на выходной шине Тх за счет деления частоты выходных импульсов компаратора 13 триггером 5 в два раза ниже частоты преобразования Fх, равной частоте выходных импульсов компаратора 13, что приводит к сужению полосы частот, вырабатываемых преобразователем сигналов (знакочередующихся П-импульсов) и, что очень важно для снижения уровня комбинационных помех, к эффективному подавлению второй гармоники несущей. Частоту преобразования Fх = 1/









Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3