專利名稱:電壓——頻率變換器的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于電的模擬電壓信號線性地轉(zhuǎn)換成頻率信號的電壓-頻率變換器電路的改進(jìn)。
做為高精度的電壓-頻率變換器的各種類型的電路中，積分定電荷反饋型(也稱電荷平衡型)的電路取得了好的效果。上述積分定電荷反饋復(fù)原型的電壓-頻率變換器的精確度與穩(wěn)定性主要取決于定電荷的精確度與穩(wěn)定性，而定電荷的方式主要有兩種，一種是定寬度恒定電流來定電荷，另一種是稱謂精密電荷分配器的電容定電壓來定電荷。
典型的定寬度、恒流來定電荷的積分定電荷反饋復(fù)原型電壓-頻率變換器的原理圖為Instruments & Control Systems 1981年8月號57頁圖10所示。當(dāng)輸入電壓為正時，產(chǎn)生一個輸入電流流向積分放大器的反相輸入端，使積分放大器的輸出端電平下降，當(dāng)其下降到某一電平時，觸發(fā)精密時間參考電路產(chǎn)生一個寬度τ的脈沖，該脈沖一方面做為電壓-頻率變換器的輸出，另一方面去控制恒流源電路;在無脈沖期間，使反饋的恒流源截止或不流經(jīng)積分放大器的反相輸入端，在有脈沖τ的期間，使反饋的恒流源導(dǎo)通或與積分放大器的反相輸入端接通;該反饋恒流源電流的絕對值大于輸入電流，其方向是背向積分放大器的反相輸入端;因此，在有脈沖τ的期間，使積分放大器輸出的電平上升，在τ的期間完結(jié)時，電路的工作恢復(fù)到原來狀態(tài)，再重復(fù)上述工作過程。由于觸發(fā)精密時間參考電路的電平是恒定的，在一個周期T內(nèi)，對積分電容的充電電荷與放電電荷相等。充電電荷Q充1＝I1T＝ (VIN)/(R) T (1)放電電荷Q放1＝I2τ (2)式(1)與式(2)相等，并用T＝ 1/(f1) 代入簡化，可得f1= 1/(RI2τ) VIN(3)典型的電容定電壓來定電荷的積分定電荷反饋復(fù)原型電壓-頻率變換器如美國專利3842371。其原理基本上與上述電路相同，只是反饋的定電荷不是由反饋恒流源的電流與控制該電流的脈沖寬度來決定，而是由定電荷電容(該專利中稱復(fù)原電容)與參考電池及兩個開關(guān)構(gòu)成的精密電荷分配器來決定;因此其反饋電流變化很大，是一個電容微分放電的尖脈沖電流。若輸入端輸入電壓為VIN，輸入電阻為R，在一個周期T內(nèi)充電電荷與式(1)一樣;若定電荷電容的容量為C，參考電池的電壓為E，每一個周期的放電電荷為Q放2＝C·E (4)式(1)等于式(4)并用T= (l)/(f2) 代入簡化，可得f2＝ 1/(RCE) VIN(5)由式(3)和式(5)看出，要使電壓-頻率變換器得到較高的精度和穩(wěn)定性，即要求式(3)的 (l)/(RI2τ) 和式(5)的 1/(RCE) 精確穩(wěn)定。在實際電路中要得到精確穩(wěn)定的I2與τ較之得到精確穩(wěn)定的C與E要困難的多;然而，由C·E定電荷的電壓-頻率變換器工作時，反饋的電流是微分脈沖形成的，為了能在脈沖形成器輸出的脈沖寬度期間內(nèi)將定電荷電容的全部電荷放完，在開始放電的瞬間反饋電流值就很大，可能大于做為積分器的差分放大器的最大輸出電流，或/和使其輸出電平的變化速率受到差分放大器的最大輸出壓擺率的限制，從而也影響了這種電壓-頻率變換器的精度、穩(wěn)定性和高頻性能。
本發(fā)明的目的是改進(jìn)一種積分定電荷反饋復(fù)原型電壓-頻率變換器電路設(shè)計。它吸取了定寬度、恒流來定電荷的積分定電荷反饋復(fù)原型和電容定電壓來定電荷的積分定電荷反饋復(fù)原型兩種電壓-頻率變換器的優(yōu)點，換句話說，也就是克服或減輕了上述兩種型式電壓-頻率變換器的缺點，從而可以得到精度、穩(wěn)定性和高頻性能都較為優(yōu)良的電壓-頻率變換器。
本發(fā)明的電壓-頻率變換器是一個由差分放大器構(gòu)成的積分器、電平可控脈沖發(fā)生器、開關(guān)控制器和精密電荷分配器構(gòu)成的積分定電荷反饋復(fù)原型電壓-頻率變換器。該精密電荷分配器的電路是由三個開關(guān)、一個定電荷電容、一個參考穩(wěn)壓管、一個充電電阻和一個負(fù)電源組成。
上述三個開關(guān)中的第1個開關(guān)的一端接在上述差分放大器的反相輸入端，其另一端與第2個開關(guān)的一端相接，第2個開關(guān)的另一端接地;另外的第3個開關(guān)與參考穩(wěn)壓管并聯(lián)，該開關(guān)與該穩(wěn)壓管正極相接的點接地，而另一聯(lián)接點通過上述一個充電電阻接至上述的一個負(fù)電源;第1個開關(guān)與第2個開關(guān)聯(lián)接點和上述第3個開關(guān)與與上述穩(wěn)壓管并聯(lián)后與上述充電電阻共同聯(lián)接點之間，跨接一個上述的定電荷電容。
圖1是本發(fā)明的電路圖。輸入端31通過電阻32聯(lián)接到差分放大器35的反相輸入端33，該放大器35的同相輸入端50接地;放大器35的輸出端46與放大器35的反相輸入端33之間聯(lián)接一個積分(或稱反饋)電容34而構(gòu)成的積分放大器。上述放大器35的輸出端46還與電平可控脈沖發(fā)生器36的輸入端相聯(lián)接;該脈沖發(fā)生器36的輸出端37一方面作為本變換器的輸出，另一方面又送到開關(guān)控制器38的輸入端，開關(guān)控制器38控制三個開關(guān)39、40和44。開關(guān)39一端與放大器35的反相輸入端33相接，另一端與開關(guān)40的一端相接于點47，開關(guān)40的另一端接地，開關(guān)44的一端與電阻43相接于48，另一端接地，電阻43的另一端49接一負(fù)電源-V，開關(guān)44的兩端48與45之間還并聯(lián)一參考穩(wěn)壓管42，穩(wěn)壓管42在點48為負(fù)極，在點45為正極，在上述聯(lián)接點47與48之間跨接一定電荷電容41。
圖1電路的工作過程是這樣的，當(dāng)輸入端31輸入一正電壓信號時，放大器35輸出端46積分輸出電壓斜坡下降，該放大器35輸出端46電壓下降速率正比于輸入電壓的大小;當(dāng)放大器35輸出端46的電壓高于電平可控脈沖發(fā)生器36的輸入觸發(fā)電平時，其輸出端37輸出的電平使開關(guān)控制器38的輸出去控制開關(guān)39斷開、開關(guān)40與44接通，從而將電容41的電荷放完;當(dāng)放大器35的輸出端46的電平下降到低于電平可控脈沖發(fā)生器36的輸入觸發(fā)電平時，其輸出端37輸出電平翻轉(zhuǎn)，而使開關(guān)控制器38的輸出去控制開關(guān)39接通，開關(guān)40與44斷開，這時電容41通過導(dǎo)通開關(guān)39和電阻43在負(fù)電源-V與放大器35的反相輸入端33之間充電。該充電電流使放大器35的積分輸出端46的電平上升;這時雖然放大器35的輸出端46電平已上升到高于電平可控脈沖發(fā)生器36的輸入觸發(fā)電平，但其輸出端37仍按一定的寬度輸出一個完整的脈沖，從而保證了電容41能充電到穩(wěn)壓二極管42的擊穿電壓為止;若電平可控脈沖發(fā)生器36輸出的脈沖出完后，放大器35的輸出端46的電平還低于電平可控脈沖發(fā)生器36的輸入觸發(fā)電平，則間隔一段時間后又重復(fù)輸出一個脈沖，直到放大器35的輸出端46的電平高于電平可控脈沖發(fā)生器36的輸入觸發(fā)電平為止。
圖2是圖1所示電壓-頻率變換器在輸入恒定正電壓信號時的主要工作波形。A是放大器35輸出端46的波形，B是電平可控脈沖發(fā)生器36輸出端37的波形(此脈沖波形的極性也可以是相反的)，C是電容41與電阻43、開關(guān)44、穩(wěn)壓管42公共聯(lián)接點48的波形，D是流過開關(guān)39的反饋電流的電流波形。
由圖1的電路和圖2的波形可以表明，本發(fā)明的電壓-頻率變換器電路，是定電荷電容41的電容值與穩(wěn)壓管42的穩(wěn)壓值來定電荷的積分定電荷反饋復(fù)原型電壓-頻率變換器，其反饋電流是電容41通過電阻43在放大器35的反相輸入端33和負(fù)電源-V之間的積分充電電流，該電流的最大值是放大器35反相輸入端33和負(fù)電源-V之間的電位差被電阻43的阻值所除來決定。因此，本發(fā)明是采用了電容定電壓精度與穩(wěn)定性均比較高的定電荷方式，而又防止了過大的反饋電流，從而改進(jìn)了已有的積分定電荷反饋復(fù)原型電壓-頻率變換器的性能，構(gòu)成了精度、穩(wěn)定性和高頻性能均較優(yōu)良的電壓-頻率變換器。
圖1中的電平可控脈沖發(fā)生器36和開關(guān)控制器38可以用各種分離器件、集成電路和電阻、電容元器件構(gòu)成。
圖3是一個用分離元器件構(gòu)成電平可控脈沖發(fā)生器36的實例。由三極管65、71電阻64、67、68、70和電容66、69構(gòu)成的多諧方波振蕩器，在地電平與正電源+V供電情況下工作;由二極管61電阻62和三極管63形成了對上述多諧方波振蕩器的電平控制;端子60是輸入端，應(yīng)聯(lián)接到圖1中的放大器35的輸出點46;端子72是輸出端，應(yīng)聯(lián)接到圖1中的37點。
圖1中的開關(guān)39、40與44，畫出的是機(jī)械觸點開關(guān)，在實際電路中大多數(shù)都是電子開關(guān)，它們可由各種二極管、三極管、場效應(yīng)管及集成電路組成。其中開關(guān)39與40還可用一個轉(zhuǎn)換開關(guān)(即單刀雙擲開關(guān))代替。
圖1中的穩(wěn)壓管42，通常是穩(wěn)壓二極管，也可用其它可以灌入電流的、并其正負(fù)極可以短路的任何穩(wěn)壓器件或其它穩(wěn)壓電路代替。
圖1中的充電電阻43，可用一個恒流源器件或電路來代替。
圖1中點45也可接在其它合適的穩(wěn)定電平上，這時要求電阻43接的電源-V的電平要負(fù)于上述合適的穩(wěn)定電平的絕對值要大于穩(wěn)壓管42的擊穿電壓。此時，電源-V也不一定是負(fù)電源，它可以是零電平，甚至是正電源。
圖1中的開關(guān)40的接地端，也可接到某一需要而又合適的電平處。
圖1中的放大器35的同相輸入端50，也可不接地，而接到某一合適的電平處，從而改變該電壓-頻率變換器的工作零點。
在圖1中，翻轉(zhuǎn)穩(wěn)壓管42的聯(lián)接極性，改電阻43所接負(fù)電源-V為正電源，并將電平可控脈沖發(fā)生器36的輸入低電平觸發(fā)變?yōu)楦唠娖接|發(fā)，就將輸入正電壓信號的電壓-頻率變換器變?yōu)檩斎胴?fù)電壓信號了。
將圖1的電阻22短路，直接將電流信號輸入到放大器35的反相輸入端33，就構(gòu)成了電流-頻率變換器。
本發(fā)明的電壓-頻率變換器電路，與已有的定寬度恒流源來定電荷和電容電壓來定電荷的兩種類型的積分定電荷復(fù)原型電壓-頻率變換器的電路相比，采用了容易得到高精度和高穩(wěn)定性的電容定電壓來定電荷的方式，而又防止了過大的反饋電流，是吸取了上述兩種類型電壓-頻率變換器的優(yōu)點，克服或減輕了它們的缺點，而提高了變換的精度、穩(wěn)定性和高頻的工作性能。
對附圖的說明圖1是本發(fā)明的實施電路。圖2是圖1的主要工作波形圖。圖3是圖1電路中電平可控脈沖發(fā)生器的一個具體實施電路例子。
圖1中的35是差分運(yùn)算放大器，31、33、50是輸入端，46、37是輸出端，32、43是電阻，34、41是電容，39、40、44是開關(guān)，42是穩(wěn)壓二極管，49點接的-V是負(fù)電源，36是電平可控脈沖發(fā)生器，38是開關(guān)控制器。
圖2中的A是圖1中46點的波形，B是圖1中37點的波形，C是圖1中48點的波形，D是圖1中流過開關(guān)39的反饋電流的電流波形。
圖3中的60是輸入端，72是輸出端，62，64，67，68，70是電阻，63，65，71是NPN三極管，66，69是電容。
權(quán)利要求
1.一個由差分放大器構(gòu)成的積分器、電平可控脈沖發(fā)生器、開關(guān)控制器和精密電荷分配器構(gòu)成的積分定電荷反饋復(fù)原型電壓-頻率變換器，本發(fā)明的特征在于所設(shè)計的精密電荷分配器的電路是由三個開關(guān)、一個定電荷電容、一個參考穩(wěn)壓管、一個充電電阻和一個負(fù)電源組成的。
2.按照權(quán)項1所述的精密電荷分配器電路中的三個開關(guān)，其中的第1個開關(guān)的一端接在上述差分放大器的反相輸入端，其另一端與第2個開關(guān)的一端相接，第2個開關(guān)的另一端接地;另外的第3個開關(guān)與參考穩(wěn)壓管并聯(lián)，該開關(guān)與該穩(wěn)壓管正極相接的點接地，而另一聯(lián)接點通過上述一個充電電阻接至上述的一個負(fù)電源;第1個開關(guān)與第2個開關(guān)聯(lián)接點和上述第3個開關(guān)與上述穩(wěn)壓管并聯(lián)后與上述充電電阻共同聯(lián)接點之間，跨接一個上述的定電荷電容。
3.按照權(quán)項1所述電壓-頻率變換器的電平可控脈沖發(fā)生器，是接在積分放大器后面，開關(guān)控制器是接在電平可控脈沖發(fā)生器的后面，當(dāng)積分器輸出電平尚未觸發(fā)電平可控脈沖發(fā)生器輸出脈沖時，開關(guān)控制器使上述第1個開關(guān)斷開，第2個與第3個開關(guān)接通;當(dāng)積分器輸出電平觸發(fā)電平可控脈沖發(fā)生器輸出脈沖時，開關(guān)控制器使第1個開關(guān)接通，第2個與第3個開關(guān)斷開。
4.按照權(quán)項1、2所述精密電荷分配器中的三個開關(guān)，一般是電子開關(guān)，可由各種二極管、三極管、場效應(yīng)管及集成電路構(gòu)成，也可是機(jī)械觸點開關(guān)。
5.按照權(quán)項1、2所述精密電荷分配器電路中的參考穩(wěn)壓管，通常是穩(wěn)壓二極管，也可用其它可以灌入電流的，并其正負(fù)極可以短路的任何穩(wěn)壓器件或其它穩(wěn)壓電路來代替。
6.按照權(quán)項1、2所述精密電荷分配器中的一個充電電阻，也可用恒流源器件或電路來代替。
7.按照權(quán)項2所述的第2個開關(guān)的接地點，也可接其它適當(dāng)?shù)碾娖教?第3個開關(guān)與參考穩(wěn)壓管并聯(lián)的接地端也可接其它適當(dāng)?shù)碾娖教帯?br>專利摘要
電壓——頻率變換器，它具有一個由差分放大器構(gòu)成的積分器，一個電平可控脈沖發(fā)生器，一個開關(guān)控制器和一個精密電荷分配器。該精密電荷分配器是由三個開關(guān)，一個定電荷電容，一個參考穩(wěn)壓管，一個充電電阻及一個負(fù)電源組成的。該定電荷電容放完電后，通過上述充電電阻，在上述差分放大器的反相輸入端和上述負(fù)電源之間積分充電到上述參考穩(wěn)壓管的擊穿電平而完成定電荷的。較之已有的積分定電荷反饋復(fù)原型電壓——頻率變換器的定電荷方式優(yōu)越，提高了變換器的精度，穩(wěn)定性和高頻性能。
文檔編號G01R19/252GK85102705SQ85102705
公開日1986年9月17日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者唐軍 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan