Цифроаналоговый преобразователь с делением опорного напряжения

 

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для преобразования кода в напряжение. Цифроаналоговый преобразователь с делением опорного напряжения содержит источники переменного опорного напряжения, n разрядных ячеек, n ключевых элементов. Каждая разрядная ячейка имеет трансформатор с двумя первичными и вторичной обмотками, диоды и шунтирующий диод. Технический результат - повышение выходной мощности преобразователя. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для цифроаналогового преобразования, а более точно касается цифроаналогового преобразователя с делением опорного напряжения.

Данное изобретение может быть использовано в устройствах преобразования кода в напряжение, цифроаналоговых преобразователях, усилителях мощности, в выходных схемах источников бесперебойного питания, в робототехнике, в схемах автоматического управления электромеханизмами.

Известен цифроаналоговый преобразователь с делением опорного напряжения (В. А. Прянишников. "Электроника: Курс лекций" Спб: Корона принт, 1998, стр. 295, рис. 27.3), содержащий источник опорного напряжения, n разрядных ячеек с делителями опорного напряжения, соединенных последовательно, в каждой из которых делитель выполнен в виде калибровочного резистора. Цифроаналоговый преобразователь содержит n ключевых элементов, клеммы для подключения цифрового кода, каждая из которых соединена с соответствующим ключевым элементом. Напряжение от источника опорного напряжения наводит ток в каждой из n разрядных ячеек. При замкнутом ключевом элементе для n-й ячейки калибровочное сопротивление не влияет на выходное напряжение. При разомкнутом ключевом элементе для n-й ячейки ток создает падение напряжения на калибровочном сопротивлении. Калибровочные сопротивления делят напряжение опорного источника напряжения до значения, соответствующего входному коду. Данный цифроаналоговый преобразователь имеет очень низкий коэффициент полезного действия и малую выходную мощность. Это происходит из-за значительного падения напряжения на калибровочных сопротивлениях и, следовательно, энергия, передаваемая от источника опорного напряжения, рассеивается на калибровочных сопротивлениях, а не на сопротивлении нагрузки. Данный цифроаналоговый преобразователь невозможно применять в схемах с высокой выходной мощностью из-за его низкого коэффициента полезного действия.

В основу изобретения положена задача создания цифроаналогового преобразователя с делением опорного напряжения, позволяющего за счет нового схематического решения достичь возможности преобразования цифрового кода в выходное напряжение с минимальными потерями энергии от источника опорного напряжения, что, в свою очередь, позволяет повысить выходную мощность и коэффициент полезного действия цифроаналогового преобразователя с делением опорного напряжения.

Поставленная задача решается тем, что цифроаналоговый преобразователь с делением опорного напряжения, содержащий первый источник опорного напряжения, n разрядных ячеек, каждая из которых имеет делитель опорного напряжения, n ключевых элементов, клеммы для подключения цифрового кода, каждая из которых соединена с соответствующим ключевым элементом, согласно изобретению, содержит второй источник переменного опорного напряжения, делитель опорного напряжения каждой из n разрядных ячеек выполнен в виде трансформатора напряжения с последовательно соединенными первой и второй первичными обмотками и вторичной обмоткой, при этом начало вторичной обмотки трансформатора первой разрядной ячейки соединено с нагрузкой, конец вторичной обмотки трансформатора n-й разрядной ячейки соединен с шиной заземления и нагрузкой, вторичные обмотки трансформаторов всех n разрядных ячеек соединены последовательно, каждая разрядная ячейка содержит первый диод, анод которого соединен с первым источником переменного опорного напряжения, катод которого соединен с началом первой первичной обмотки соответствующего трансформатора, второй диод, анод которого соединен со вторым источником переменного опорного напряжения, а катод его соединен с концом второй первичной обмотки соответствующего трансформатора, шунтирующий диод, анод которого соединен с общей точкой последовательно соединенных первой и второй первичных обмоток соответствующего трансформатора и через соответствующий ключевой элемент с шиной заземления, катод которого соединен с шиной питания.

Данное изобретение позволяет достичь возможности передачи энергии от источника опорного напряжения в нагрузку с минимальными потерями энергии, что повышает КПД всего устройства и увеличивает его выходную мощность. Также данное изобретение позволяет использовать всего один ключевой элемент в каждой разрядной ячейке и отличается простотой реализации, использует стандартные, широко используемые в промышленности элементы, широко взаимозаменяемые по типажу в зависимости от требуемой выходной мощности и других его характеристик.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами выполнения и чертежами, на которых фиг. 1 изображает принципиальную схему цифроаналогового преобразователя с делением опорного напряжения, согласно изобретению; фиг. 2 изображает принципиальную схему цифроаналогового преобразователя с делением опорного напряжения с шунтирующим диодом и выпрямительным мостом в цепи вторичной обмотки каждого трансформатора, согласно изобретению.

Цифроаналоговый преобразователь с делением опорного напряжения содержит первый источник 1 (фиг. 1) переменного опорного напряжения и второй источник 2 переменного опорного напряжения, соединенные с шиной 3 заземления. Также цифроаналоговый преобразователь содержит n разрядных ячеек 4₍₁₎,4₍₂₎...4_(n), каждая из которых имеет делитель опорного напряжения, выполненный в виде трансформатора 5 напряжения с последовательно соединенными первой первичной обмоткой 6 и второй первичной обмоткой 7 и вторичной обмоткой 8. Точками на фигурах обозначено начало обмоток 6, 7, 8 трансформатора 5. По направлению стрелок А показано протекание токов в данной схеме. Начало вторичной обмотки 8 трансформатора 5 ячейки 4₍₁₎ соединено с одним концом сопротивления 9 нагрузки, а конец вторичной обмотки 8 трансформатора 5 ячейки 4_(n) соединен с другим концом сопротивления 9 нагрузки и шиной 3 заземления. Вторичные обмотки 8 трансформаторов 5 всех разрядных ячеек 4₍₁₎...4_(n) соединены последовательно. Каждая разрядная ячейка 4₍₁₎,4₍₂₎...4_(n) содержит также первый диод 10, анод которого соединен с первым источником 1 переменного опорного напряжения, катод которого соединен с началом соответствующей первой первичной обмотки 6, также каждая ячейка 4₍₁₎...4_(n) содержит соответственно второй диод 11, анод которого соединен со вторым источником 2 переменного опорного напряжения, а катод его соединен с концом соответствующей второй первичной обмотки 7. В каждой ячейке 4₍₁₎...4_(n) имеется шунтирующий диод 12, анод которого соединен с общей точкой 13 последовательно соединенных первой и второй первичных обмоток 6 и 7 и через соответствующий ключевой элемент 14₍₁₎. . .14_(n) с шиной 3 заземления, катод которого соединен с шиной 15 питания. Первый и второй источники 1, 2 переменного опорного напряжения выполнены по общеизвестной схеме ("Силовые полупроводниковые приборы" под ред. В. В. Токарева, Воронеж, 1995 г., изд-во ТОО МП "Элист", стр. 16) или источники 1, 2 переменного опорного напряжения выполнены по общеизвестной схеме (В.А. Прянишников. "Электроника: Курс лекций", СПб: Корона принт, 1998, стр. 373, рис. 33.9) в виде полевых транзисторов и вырабатывают идентичное переменное напряжение, сдвинутое на 180 градусов по фазе относительно друг друга. Ключевые элементы 14₍₁₎. ..14_(n) могут быть выполнены на любом полупроводниковом приборе, мощность которого зависит от передаваемой данной разрядной ячейкой 4₍₁₎. . .4_(n) энергии. Также цифро-аналоговый преобразователь имеет клеммы 16₍₁₎. ..16_(n) для подключения цифрового кода, каждая из которых соединена с соответствующим ключевым элементом 14₍₁₎...14_(n).

На фиг. 2 изображен еще один пример цифроаналогового преобразователя с делением опорного напряжения, аналогичный цифроаналоговому преобразователю, изображенному на фиг. 1. Отличие заключается лишь в том, что каждая из ячеек 4₍₁₎. . .4_(n) содержит выпрямительный мост 17 (фиг. 2), первый вход 18 которого соединен с концом вторичной обмотки 8 соответствующего трансформатора 5, а второй вход 19 соединен с началом вторичной обмотки 8 соответствующего трансформатора 5. Первый выход 20 выпрямительного моста 17 ячейки 4₍₁₎, 4₍₂₎. . . 4_(n-1) соединен последовательно со вторым выходом 21 последующего выпрямительного моста 17 соответствующей ячейки 4₍₂₎, 4₍₃₎...4_(n). Второй выход 21 выпрямительного моста 17 первой ячейки 4₍₁₎ соединен с одним концом нагрузки 9. Первый выход 20 выпрямительного моста 17 ячейки 4_(n) соединен с шиной 3 заземления и со вторым концом нагрузки 9. Анод шунтирующего диода 12 каждой ячейки 4₍₁₎, 4₍₂₎. . .4_(n) соединен с первым выходом 20 соответствующего выпрямительного моста 17, а его катод соединен со вторым выходом 21 соответствующего выпрямительного моста 17. Выпрямительный мост 17 выполнен по общеизвестной схеме и в данном случае содержит четыре диода, соединенные по мостовой схеме. В общем случае выпрямительный мост 17 может быть выполнен по любой общеизвестной схеме ("Электроника: Курс лекций", В.А.Прянишников, Спб, изд-во Корона принт. 1998 г., стр. 323, рис. 30.2).

Работает данный цифроаналоговый преобразователь с делением опорного напряжения следующим образом.

Каждая разрядная ячейка 4₍₁₎. . .4_(n) (фиг. 1) преобразует переменное напряжение, подаваемое от источников 1, 2 напряжения, в переменное напряжение с амплитудой, равной весовому коэффициенту данной разрядной ячейки 4₍₁₎...4_(n).

Причем напряжение на выходе каждой разрядной ячейки 4₍₁₎...4_(n) может коммутироваться соответствующим ключевым элементом 14₍₁₎...14_(n). Так как выходы разрядных ячеек 4₍₁₎. . .4_(n) соединены последовательно, суммарное выходное напряжение устройства определяется по формуле U = U₀(b₁2^n-1+b₂2^n-2+...+b_n2⁰), (1) при b= 1 соответствующая разрядная ячейка 4₍₁₎...4_(n) включена, при b=0 соответствующая разрядная ячейка 4₍₁₎...4_(n) выключена.

В формуле (1) обозначено: U_о - опорное переменное напряжение источника 1 переменного опорного напряжения, U - суммарное напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя, n - количество разрядных ячеек, b - разрядный коэффициент.

Далее рассмотрим работу разрядных ячеек 4₍₁₎...4_(n) на примере ячейки 4₍₁₎. Если ключевой элемент 14₍₁₎ соответствующей разрядной ячейки 4₍₁₎ замкнут, шунтирующий диод 12 данной разрядной ячейки 4₍₁₎ заперт. Первый такт. Напряжение на выходе первого источника 1 переменного опорного напряжения равно напряжению на шине 15 питания. Напряжение на выходе второго источника 2 переменного опорного напряжения меньше нуля. К аноду первого диода 10 подводится положительное напряжение, он открывается, и через него, первый источник 1 переменного опорного напряжения, первую первичную обмотку 6, ключевой элемент 14₍₁₎ протекает ток, который наводит во вторичной обмотке 8 электродвижущую силу. К аноду второго диода 11 подводится отрицательное напряжение, он закрывается и через него, второй источник 2 переменного опорного напряжения, вторую первичную обмотку 7 и ключевой элемент 14₍₁₎ не протекает ток. Второй такт. Напряжение на выходе первого источника 1 переменного опорного напряжения меньше нуля, напряжение на выходе второго источника 2 опорного переменного напряжения равно напряжению на шине 15 питания. К аноду второго диода 11 подводится положительное напряжение, он открывается и через него, второй источник 2 переменного опорного напряжения, вторую первичную обмотку 7 и ключевой элемент 14₍₁₎ протекает ток, который наводит во вторичной обмотке 8 электродвижущую силу. К аноду первого диода 10 подводится отрицательное напряжение, он закрывается и через него, первый источник 1 опорного переменного напряжения, первую первичную обмотку 6 и ключевой элемент 14₍₁₎ не протекает ток. Таким образом, разрядная ячейка 4₍₁₎ находится во включенном состоянии.

Когда ключевой элемент 14₍₁₎ разомкнут, то шунтирующий диод 12 открыт. Первый такт. Напряжение на выходе первого источника 1 переменного опорного напряжения равно напряжению на шине 15 питания. Напряжение на выходе второго источника 2 переменного опорного напряжения меньше нуля. К аноду второго диода 11 приложено отрицательное напряжение, он закрывается и через него, второй источник 2 и вторую первичную обмотку 7 не течет ток.

К цепи - первый диод 10, первая первичная обмотка 6, шунтирующий диод 12 - приложена нулевая разница потенциалов и ток по ней не течет. Таким образом, во вторичной обмотке 8 не создается электродвижущая сила.

Второй такт. Напряжение на выходе первого источника 1 опорного переменного напряжения меньше нуля. Напряжение на выходе второго источника 2 опорного переменного напряжения равно напряжению на шине 15 питания. К аноду первого диода 10 приложено отрицательное напряжение, он закрывается и через него, первый источник 1 и первую первичную обмотку 6 не течет ток. К цепи - второй диод 11, вторая первичная обмотка 7, шунтирующий диод 12 - приложена нулевая разница потенциалов и ток по ней не течет. Таким образом, во вторичной обмотке 8 не создается электродвижущая сила. Таким образом, разрядная ячейка 4₍₁₎ находится в отключенном состоянии.

Теперь рассмотрим режим, когда какие-либо разрядные ячейки 4₍₁₎...4_(n) включены, то есть в их вторичных обмотках 8 наводятся электродвижущие силы. Тогда, по отношению к данной разрядной ячейке 4₍₁₎...4_(n), к ее вторичной обмотке 8 будет приложено синфазное напряжение.

Первый такт. Внешнее положительное напряжение создает положительный ток во вторичной обмотке 8, который наводит электродвижущую силу в первичных обмотках 6 и 7. Напряжение на выходе первого источника опорного переменного напряжения равно напряжению на шине 15 питания. Напряжение на выходе второго источника 2 меньше нуля. К аноду второго диода 11 приложено отрицательное напряжение, он закрывается и через него, второй источник 2 опорного переменного напряжения, вторую первичную обмотку 7 не течет ток. В первой первичной обмотке 6 наводится положительная электродвижущая сила, которая открывает первый диод 10 и шунтирующий диод 12. Сопротивление цепи - первый диод 10, шунтирующий диод 12, первый источник 1 опорного переменного напряжения, первая первичная обмотка 6 - стремится к нулю. Соответственно, сопротивление вторичной обмотки 8 тоже стремится к нулю, не препятствуя протеканию тока по ней. Второй такт. Внешнее отрицательное напряжение создает отрицательный ток во вторичной обмотке 8, который наводит электродвижущую силу в первичных обмотках 6 и 7. Напряжение на выходе первого источника 1 переменного опорного напряжения меньше нуля. Напряжение на выходе второго источника 2 переменного напряжения равно напряжению на шине 15 питания. К аноду первого диода 10 приложено отрицательное напряжение, он закрывается и через него, первый источник 1 переменного напряжения, первую первичную обмотку 6 не течет ток. Во второй первичной обмотке 7 наводится положительная электродвижущая сила, которая открывает второй диод 11 и шунтирующий диод 12. Сопротивление цепи - второй диод 11, шунтирующий диод 12, второй источник 2 переменного напряжения, первичная обмотка 7 - стремится к нулю. Соответственно, сопротивление вторичной обмотки 8 тоже стремится к нулю, не препятствуя протеканию тока по ней. Таким образом, разрядная ячейка 4₍₁₎ имеет малое выходное сопротивление в отключенном состоянии.

Таким образом, любая другая ячейка 4₍₁₎...4_(n) в выключенном состоянии не препятствует протеканию токов по ней и, следовательно, не влияет на работу всего цифроаналогового преобразователя.

Работа цифроаналогового преобразователя с делением опорного напряжения, изображенного на фиг. 2, аналогична работе цифроаналогового преобразователя, изображенного на фиг. 1. Отличие заключается лишь в том, что выходное напряжение каждой разрядной ячейки 4₍₁₎....4_(n) выпрямляется выпрямительным мостом 15 и, следовательно, на выходе всего цифроаналогового преобразователя создается постоянное напряжение, величину которого можно вычислить по формуле (2): U = U_0,max(b₁2^n-1+b₂2^n-2+...+b_n2⁰), (2)
где U_0.max - амплитуда переменного напряжения источника 1 опорного напряжения,
b₁...b_n равно 0 или 1 и является разрядным коэффициентом,
n - количество разрядных ячеек,
U - суммарное напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя.

Любая разрядная ячейка 4₍₁₎. ..4_(n), изображенная на фиг. 2, работает аналогично разрядной ячейке 4₍₁₎...4_(n), изображенной на фиг. 1, с разницей в том, что, когда, например, для ячейки 4₍₁₎ ключевой элемент 14₍₁₎ (фиг. 2) замкнут на шину 3 заземления, то электродвижущая сила со вторичной обмотки 8 подается на выпрямительный мост 17, а с выхода его выходит выпрямленное напряжение. При этом на катоде шунтирующего диода 12 присутствует положительное напряжение и он заперт. Если разомкнуть ключевой элемент 14₍₁₎, то ток во вторичной обмотке 8 отсутствует и выходное напряжение на выходе выпрямительного моста 17 равно нулю. Теперь, если подключить последовательно ко вторичной обмотке 8 внешнее отрицательное напряжение, то шунтирующий диод 12 откроется, тем самым обеспечивая низкое выходное сопротивление данной разрядной ячейки 4₍₁₎.

Таким образом, данное изобретение позволяет достичь возможности преобразования цифрового кода в выходное напряжение с минимальными потерями энергии от источника опорного напряжения, что, в свою очередь, позволяет повысить выходную мощность и коэффициент полезного действия цифроаналогового преобразователя с делением опорного напряжения.

Формула изобретения

Цифроаналоговый преобразователь с делением опорного напряжения, содержащий первый источник опорного напряжения, n разрядных ячеек, каждая из которых имеет делитель опорного напряжения, n ключевых элементов, клеммы для подключения цифрового кода, каждая из которых соединена с соответствующим ключевым элементом, отличающийся тем, что он содержит второй источник переменного опорного напряжения, делитель опорного напряжения каждой из n разрядных ячеек выполнен в виде трансформатора напряжения с последовательно соединенными первой и второй первичными обмотками и вторичной обмоткой, при этом начало вторичной обмотки трансформатора первой разрядной ячейки соединено с нагрузкой, конец вторичной обмотки трансформатора n-й разрядной ячейки - с шиной заземления и нагрузкой, вторичные обмотки трансформаторов всех n разрядных ячеек соединены последовательно, каждая разрядная ячейка содержит первый диод, анод которого соединен с первым источником переменного опорного напряжения, а катод - с началом первой первичной обмотки соответствующего трансформатора, второй диод, анод которого соединен с вторым источником переменного опорного напряжения, а катод с концом второй первичной обмотки соответствующего трансформатора, шунтирующий диод, анод которого соединен с общей точкой последовательно соединенных первой и второй первичных обмоток соответствующего трансформатора и через
соответствующий ключевой элемент с шиной заземления, а катод - с шиной питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2