Преобразовательные блоки Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.3.087.92

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ БЛОКИ Л. Г. ЧУБРИКОВ

Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»,

Республика Беларусь

Введение

При измерении различных электрических величин появляется необходимость в преобразовательных блоках, выполняющих операции пропорционального

преобразования напряжения в длительность импульса и наоборот, длительности импульса в напряжение, а также операции умножения-деления.

Цель работы - рассмотреть возможности нескольких вариантов таких

преобразователей, использованных в многофункциональном электроизмерительном приборе, где эти блоки приведены только в виде блок-схем.

1. Простой преобразователь напряжение-время

Roc VD1

Um

U,

ПНВ-1

u2

б)

в)

Рис. 1. Преобразователь напряжение-время: а - электрическая схема; б - временные диаграммы; в - блок-схема

На рис. 1, а приведена электрическая схема простейшего преобразователя напряжения Uвх в пропорциональный ему интервал времени (длительность импульса) ПНВ-1, на рис.

и

t

t

и

1, б - временные диаграммы работы ПНВ-1, на рис. 1, в - его блок-схема. На микросхеме DA1 собран интегратор, а на микросхеме DA2 - триггер Шмитта. Для повышения точности преобразования установлен стабилитрон VD3, ограничивающий максимальную величину линейно-изменяющегося напряжения u1.

Как видно из рис. 1, при u2 = диод VD1 заперт, и в это время напряжение u1 на выходе интегратора будет изменяться по линейному закону

U = — t, (1)

1 RC

где

U

вх

RC

= const .

При напряжении и' = 0 происходит переключение триггера Шмитта и, следовательно, перезарядка конденсатора С. В этот момент максимальная величина напряжения и1, по модулю, будет:

U, t= U

RC и R

FimaJ = ^ tu = -f Ri, (2)

2

где іи - длительность перезаряда емкости С под воздействием ивх; ист - напряжение стабилизации стабилитрона VD3.

При R1 = R2 из (1) и (2)

і = RC . (3)

и и

вх

При этом должно выполняться условие:

О

Цвх < Ц-с 7Т ■ (4)

где Ц-^ - величина отрицательного напряжения насыщения микросхемы DA2.

2. Преобразователь напряжение-время с двумя управляющими входами

На рис. 2, а приведена электрическая схема ПНВ-2, а на рис. 2, в - его блок-схема. Этот преобразователь имеет два управляющих входа Цвх1 и Цвх2. При помощи транзистора VT на инвертирующий вход компаратора на микросхеме DA2 подается напряжение и' = -Цвх2, когда и2 = , и и' = 0, когда и2 = Ц-ас.

У такого ПНВ-2 длительность импульса

і = ^ос , (5)

и и

^вх1

т. е. она может быть изменена через два входа.

я

ОС

VD1

а)

б)

Рис. 2. Преобразователь напряжение-время: а - электрическая схема; б - блок-схема

Временные диаграммы ПНВ-2 такие же, как и ПНВ-1 на рис. 1, б, но только вместо ист максимальную величину напряжения и1 ограничивает ивх2, которое можно изменять.

3. Преобразователь напряжение-время с устройствами изменения полярности входных напряжений

Более удобный в использовании и более точный преобразователь напряжения в длительность импульса - это ПНВ-3, электрическая схема которого приведена на рис. 3, а, временные диаграммы работы - на рис. 3, б, блок-схема - на рис. 3, в. На микросхеме DA1 и транзисторе VT1 собрано устройство изменения полярности ивх1, а на DA3 и VT2 собрано устройство изменения полярности ивх2. При положительной полярности и3 открываются VT1 и КГ2. При этом напряжение щ на выходе DA1 отрицательной полярности и по модулю \щ \ = ивх1. Аналогично, при этом и4 отрицательно и |и4| = ивх2.

Когда и3 = и-ас отрицательно, то VT1 и VT2 заперты. При этом щ и и4 положительны и щ = ивх1, и4 = ивх2. Конденсатор емкостью С интегратора на DA2 перезаряжается через Я напряжением щ до равенства и2 = Цвх2. В момент равенства и2 = Цвх2 происходит изменение состояния компаратора и и3 скачком переходит в состояние и транзисторы VT1 и VT2 открываются. При этом конденсатор С перезаряжается напряжением и1 = -Цвх1 до + и2 = - ивх2 . Длительность импульса при этом

2П

ги = 2иви. яс.

и

вх1

+ 0-ивх1

С

а)

и1

1ивх1

!ивх,

и4

1^вх2

\UbX2

б)

в)

Рис. 3. Преобразователь напряжение-время: а - электрическая схема; б - временные диаграммы; в - блок-схема

I

I

I

I

Так как в ПНВ-3 , то период колебаний Т = = 2. Следовательно, его

можно использовать как преобразователь напряжения в частоту прямоугольных и треугольных импульсов

f=—

Ub,

T 4Ubx2RC

= KU

bx1 '

(7)

где

K =

1

4 RCU

bx2

4. Преобразователь время-напряжение

Для обратного преобразования длительности импульса tи в напряжение и,

пропорциональное tи, можно использовать фильтры нижних скоростей в функции

преобразователя время-напряжение (ПВН).

На рис. 4, а приведена электрическая схема ПВН, а на рис. 4, б - временные диаграммы его работы, на рис. 4, в - блок-схема. Выходное напряжение фильтра нижних скоростей (ФНС)

u = VJ,

вых ф 5

(8)

где Уф - скорость настройки фильтра.

Так как этот ФНС несимметричный, то у него имеется две скорости настройки фильтра

U *

V = вх2

ф1 _ RC *

(9)

U *

V = bx2

ф2_ R6C *

(10)

где Я * = 2 Я6. В этом случае

(11)

Это значит, что емкость С * всегда будет полностью разряжена за время tп паузы между импульсами напряжения ивх1.

Выходное напряжение и* во время tи будет линейно изменяться согласно уравнению (9) и достигнет своего максимального значения при t = tи

U *

* = U bx2 t

3max r* с * u '

При U*x2 = const напряжение u*max будет пропорционально tu.

а)

и1

и2

ивх1 ПВН * и 3

(tи)

и\ вх2

б)

в)

Рис. 4. Преобразователь время-напряжение: а - электрическая схема; б - временные диаграммы; в - блок-схема

5. Измеритель амплитуды на фильтре нижних скоростей

Для измерения выходного напряжения и*тах ПВН используется несимметричный ФНС, у которого одна скорость настройки фильтра Vф должна быть больше максимальной скорости Vф1 ПВН, а вторая скорость Vф' во много раз меньше, т. е.

« К а .

(13)

Тогда ивых = иЗтах .

На рис. 5, а приведена электрическая схема измерителя амплитуды (ИА), на рис. 5, б -временные диаграммы его работы, на рис. 5, в - его блок-схема.

и

t

t

t

*

Яб

С

а)

и1

-ит

+ инас

в)

Рис. 5. Измеритель амплитуды на фильтрах нижних скоростей: а - электрическая схема; б - временные диаграммы; в - блок-схема

Скорости настройки фильтра определяются следующими уравнениями:

и~

Я6С’

(14)

а скорость

VI

фа

= ид

Я5С’

(15)

где

и =

и

д Я3 + Я

нас О

Я4 .

(16)

При этом абсолютная погрешность измерения амплитуды

А ивых = V; т.,

(17)

I

где Т - максимальный период входного напряжения ивх ИА.

Задаваясь допустимой погрешностью А ивых, по уравнениям (17), (15) можно определить значения ид и R5.

6. Преобразовательные блоки в множительно-делительном устройстве

Путем последовательного соединения блоков ПНВ-3, ПВН и ИА можно получить множительно-делительное устройство. На рис. 6 приведена блок-схема такого устройства.

Рис. 6. Множительно-делительное устройство В нем выходное напряжение определяется уравнением

у = Uвх2Цвх2 2RC

^вых Т7 т->*^* • V10/

U вх1 R C

Как видим, при ивх1 = const, выполняется операция умножения, если же ивх2 = const

т т*

или Uвх2 = const - выполняется операция деления.

В заключение следует отметить, что рассмотренные выше преобразовательные блоки использованы в многофункциональном измерительном приборе и в ряде других измерительных устройствах.

Литература

1. Чубриков, Л. Г. Скоростные фильтры сигналов / Л. Г. Чубриков. - Гомель : ГГТУ им. П. О. Сухого, 2000. - 156 с.

Получено 18.10.2006 г.