CS266884B1

CS266884B1 - Precise voltage to frequency converter with high input resistance

Info

Publication number: CS266884B1
Application number: CS881005A
Authority: CS
Inventors: Kamil Ml Doc Ing Csc Vrba; Jiri Ing Misurec
Original assignee: Vrba Kamil; Misurec Jiri
Priority date: 1988-02-18
Filing date: 1988-02-18
Publication date: 1990-01-12
Also published as: CS100588A1

Abstract

Zapojení se týká přesného převodníku napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem. Podstatou řešení je, že vstupní napětí přivedené na vstupní svorku je přivedeno přímo na neinvertující vstup operačního zesilovače. Totéž napětí se zopakuje v důsledku činnosti operačního zesilovače na jeho invertujícím vstupu. Kapacitor je proto nabíjen proudem úměrným vstupnímu napětí. Jakmile napětí na výstupu operačního zesilovače dosáhne komparačního napětí UK dodávaného zdrojem komparačního napětí, překlopí se komparátor a tím se připraví časovači obvod k činnosti. Vlastní aktivace časovacího obvodu však nastane až po příchodu zvolené hrany signálu o referenčním kmitočtu, který je přiváděn na hodinový vstup tohoto obvodu. Časovači obvod vydá impuls přesně definované délky odvozené od referenčního kmitočtu. Po dobu trvání impulsu je sepnut elektronický spínač a kapacitor je vybíjen referenčním proudem ze zdroje referenčního proudu. Celý proces se neustále opakuje, přičemž kmitočet impulsů na výstupu časovacího obvodu je přímo úměrný vstupnímu napětí. Zapojení má obecné použití v měřicí a přístrojové technice, např. v číslicových voltmetrech a ampérmetrech střední a vyšší třídy přesnosti. Lze ho také s výhodou použít v číslicových spektrálních analyzátorech či korelátorech pracujících na principu mezipřevodu vstupního signálu na kmitočet.The connection concerns a precise voltage-to-frequency converter with a large input resistance. The essence of the solution is that the input voltage applied to the input terminal is applied directly to the non-inverting input of the operational amplifier. The same voltage is repeated as a result of the operation of the operational amplifier at its inverting input. The capacitor is therefore charged with a current proportional to the input voltage. As soon as the voltage at the output of the operational amplifier reaches the comparison voltage UK supplied by the comparison voltage source, the comparator switches over and thus prepares the timing circuit for operation. However, the actual activation of the timing circuit occurs only after the arrival of the selected edge of the reference frequency signal, which is applied to the clock input of this circuit. The timing circuit issues a pulse of a precisely defined length derived from the reference frequency. For the duration of the pulse, an electronic switch is closed and the capacitor is discharged by the reference current from the reference current source. The whole process is constantly repeated, with the frequency of pulses at the output of the timing circuit being directly proportional to the input voltage. The circuit is generally used in measuring and instrumentation technology, e.g. in digital voltmeters and ammeters of medium and higher accuracy classes. It can also be used with advantage in digital spectrum analyzers or correlators operating on the principle of intermediate conversion of the input signal to frequency.

Description

Vynález se týká přesného převodníku napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem.The invention relates to a precision voltage-to-frequency converter with a large input resistance.

Je známo několik zapojení převodníků napětí na kmitočet. Nejjednodušší převodníky napětí na kmitočet pracují na principu integrování vsltipnílu> iiapčlí v infep.i áloui, piičemž vystup ní napětí integrátoru se sleduje komparátorein, který po dosažení komparační úrovně způsobí vynulování integrátoru. Protože četnost nabíjení a nulování integrátoru závisí na velikosti _ vstupního napětí, je kmitočet výstupního signá lu z komparátoru přímo úměrný vstupnímu napětí.Several connections of voltage to frequency converters are known. The simplest voltage-to-frequency converters work on the principle of integrating the input voltage in the infep.i áloui, while the output voltage of the integrator is monitored by the comparator, which after reaching the comparison level causes the integrator to reset. Because the frequency of charging and resetting the integrator depends on the magnitude of the input voltage, the frequency of the output signal from the comparator is directly proportional to the input voltage.

Hlavní nevýhodou tohoto uspořádání je ko‘nečná doba vybíjení integračního kapacitoru integrátoru pomocí paralelně připojeného elektronického spínače. Protože při okamžitém vybití by v integračním kapacitoru vznikaly nevratné změny, provádí se vybíjení přes rezistor připojený do série s elektronickým spínačem. Odpor sepnutého elektronického spínače je však nenulový a navíc se jeho odpor mění v závislosti na protékajícím proudu. Proto vybíjení integračního kapacitoru není zcela přesně definováno jen odporem rezistoru připojeným do série s elektronickým spínačem, ale i proměnným odporem sepnutého spínače. Tento nedostatek vyčleňuje použití tohoto typu převodníku jen pro nenáročné aplikace.The main disadvantage of this arrangement is the final discharge time of the integrator integration capacitor by means of an electronic switch connected in parallel. Because immediate discharging would cause irreversible changes in the integration capacitor, discharging is performed via a resistor connected in series with the electronic switch. However, the resistance of the closed electronic switch is non-zero and, in addition, its resistance varies depending on the current flowing. Therefore, the discharge of the integration capacitor is not precisely defined only by the resistance of the resistor connected in series with the electronic switch, but also by the variable resistance of the closed switch. This shortcoming excludes the use of this type of converter only for light applications.

Jiný typ převodníku napětí na kmitočet využívá převodu vstupního napětí na proud, kterým se pak řídí přímo kmitočet multivibrátoru.Another type of voltage-to-frequency converter uses the conversion of the input voltage to current, which then directly controls the frequency of the multivibrator.

Nevýhodou tohoto uspořádání je menší přesnost, protože linearita převodu napětí na kmitočet přímo závisí na tom, do jaké míry se podaří lineárně řídit kmitočet multivibrátoru vnuceným řídicím proudem.The disadvantage of this arrangement is less accuracy, because the linearity of the voltage-to-frequency conversion directly depends on the extent to which the frequency of the multivibrator can be linearly controlled by the forced control current.

Dobrých výsledků se při nízké cenové náročnosti převodníku v současnosti dosahuje u zpětnovazebních převodníků, u kterých se integruje vstupní napětí integrátorem s operačním zesilovačem a komparátorem se srovnává výstupní napětí integrátoru s komparační úrovní. Po dosažení komparační úrovně dojde k vybíjení integračního kapacitoru referenčním proudem po definovanou dobu. Doba vybíjení je dána časovou konstantou monostabiiního klopného obvodu, nebo u přesnějších převodníků je odvozena z periody kmitů oscilátoru řízeného krystalem. Celý děj se periodicky opakuje, přičemž kmitočet výstupních kmitů je přímo úměrný vstupnímu napětí.Good results are currently achieved with low cost of the converter for feedback converters, in which the input voltage is integrated by the integrator with the operational amplifier and the comparator compares the output voltage of the integrator with the comparison level. After reaching the comparison level, the integration capacitor is discharged by the reference current for a defined time. The discharge time is given by the time constant of the monostabin flip-flop, or in more precise transducers it is derived from the oscillation period of the crystal-controlled oscillator. The whole process is repeated periodically, while the frequency of the output oscillations is directly proportional to the input voltage.

Nevýhodou všech uvedených zapojení je poměrně malý vstupní odpor invertujícího integrátoru, daný v podstatě odporem rezistoru zapojeným na vstupu inegrátoru. Tato okolnost může být v řadě aplikací nevýhodná. Je samozřejmě možné před převodník zařadit obvod s velkým vstupním odporem, ovšem tímto způsobem se zvyšuje obvodová složitost a cenová náročnost celého převodníku.The disadvantage of all these connections is the relatively small input resistance of the inverting integrator, given essentially by the resistance of the resistor connected to the input of the integrator. This circumstance can be disadvantageous in many applications. Of course, it is possible to include a circuit with a large input resistance in front of the converter, but in this way the circuit complexity and cost of the whole converter increase.

Známé je zapojení převodníku napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem, u kterého vstupní napětí se zavádí na neinvertující vstup operačního zesilovače, V jeho zpětné vazbě je zapojen CR článek. Kapacitor tohoto článku se nabíjí proudem úměrným vstupnímu napětí. Po dosažení určitého napětí na výstupu zesilovače se překlopí komparátor, který iniciuje monoslabilní klopný obvod. Po dobu překlopení monostabiiního klopného obvodu je kapacilor vybíjen referenčním proudem. Kmiloěel impulsů na výstupu monostabiiního klopného obvodu je přímo úměrný vstupnímu napětí.It is known to connect a voltage-to-frequency converter with a large input resistance, in which the input voltage is applied to the non-inverting input of an operational amplifier. A CR cell is connected in its feedback. The capacitor of this cell is charged with a current proportional to the input voltage. When a certain voltage is reached at the output of the amplifier, the comparator is flipped, which initiates a monosyllabic flip-flop. As long as the monostable flip-flop is flipped, the capacitor is discharged by the reference current. The vibration of the pulses at the output of the monostabin flip-flop is directly proportional to the input voltage.

Nevýhodou zapojení je, že přesnost převodu závisí na citlivosti komparátoru a na stabilitě časové konstanty monostabiiního klopného obvodu.The disadvantage of the connection is that the accuracy of the conversion depends on the sensitivity of the comparator and on the stability of the time constant of the monostable flip-flop.

Uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje zapojení přesného převodníku napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem podle vynálezu, jehož podstatou je, že vstupní svorka je připojena na neinvertující vstup operačního zesilovače a k invertujícímu vstupu operačního zesilovače je připojen první vývod rezistoru, dále první vývod kapacitoru a první vývod elektronického spínače. Druhý vývod rezistoru je připojen ke společnému vodiči. Výstup operačního zesilovače je připojen ke druhému vývodu kapacitoru a rovněž k prvnímu vstupu komparátoru, přičemž druhý vstup komparátoru je spojen se zdrojem komparačního napětí a výstup komparátoru je propojen se vstupem časovacího obvodu, na jehož hodinový vstup je přiveden signál ze zdroje referenčního kmitočtu. Výstup časovacího obvodu je spojen s výstupní svorkou a současně s řídicím vstupem elektronického spínače. Druhý vývod elektronického spínače je spojen se zdrojem referenční )o proudu.The above-mentioned disadvantages are largely eliminated by the connection of a precision voltage to frequency converter with a large input resistance according to the invention, the essence of which is that the input terminal is connected to a non-inverting input of an operational amplifier and a first resistor terminal electronic switch terminal. The second terminal of the resistor is connected to a common conductor. The output of the operational amplifier is connected to the second terminal of the capacitor and also to the first input of the comparator, the second input of the comparator being connected to a source of comparative voltage and the output of the comparator connected to the input of a timing circuit. The output of the timing circuit is connected to the output terminal and at the same time to the control input of the electronic switch. The second terminal of the electronic switch is connected to a current reference source.

Výhody zapojení přesného převodníku napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem podle vynálezu spočívají zejména v tom, že je dosažen velký vstupní odpor převodníku napětí na kmitočet a tudíž není nutno uvažovat vnitřní odpor budicího zdroje. Další podstatnou výhodou je, že na přesnost převodu nemá vliv citlivost komparátoru a doba vybíjení kapacitoru je velice přesně definována, protože je odvozena od signálu o referenčním kmitočtu.The advantages of connecting a precision voltage-to-frequency converter with a large input resistance according to the invention are in particular that a large input resistance of the voltage-to-frequency converter is achieved and therefore it is not necessary to consider the internal resistance of the excitation source. Another significant advantage is that the accuracy of the conversion is not affected by the sensitivity of the comparator and the discharge time of the capacitor is very precisely defined, because it is derived from the signal of the reference frequency.

Vynález bude dále blíže popsán podle přiloženého obrázku, na němž je znázorněno zapojení příkladného provedení přesného převodníku napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem podle vynálezu.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawing, which shows the connection of an exemplary embodiment of a high-voltage precision voltage-to-frequency converter according to the invention.

Vstupní svorka 1 je spojena s neinvertujícím vstupem operačního zesilovače 2 a k invertujícímu vstupu operačního zesilovače 2 je připojen první vývod rezistoru 3, dále první vývod kapacitoru 6 a první vývod elektronického spínače 5. Druhý vývod rezistoru 3 je připojen ke společnému vodiči 9. Výstup operačního zesilovače 2 je připojen ke druhému vývodu kapacitoru 6 a rovněž k prvnímu vstupu komparátoru 7, přičemž druhý vstup komparátoru 7 je spojen se zdrojem 8 komparačního napětí. Výstup komparátoru 7 je propojen se vstupem časovacího obvodu 10, na jehož hodinový vstup je přiveden signál ze zdroje 11 referenčního kmitočtu. Výstup časovacího obvodu 10 je spojen s výstupní svorkou 12 a současně s řídicím vstupem elektronického spínače 5. Druhý vývodInput terminal 1 is connected to non-inverting input of operational amplifier 2 and to inverting input of operational amplifier 2 is connected first terminal of resistor 3, first terminal of capacitor 6 and first terminal of electronic switch 5. Second terminal of resistor 3 is connected to common conductor 9. Output of operational amplifier 2 is connected to the second terminal of the capacitor 6 and also to the first input of the comparator 7, the second input of the comparator 7 being connected to a source 8 of comparative voltage. The output of the comparator 7 is connected to the input of a timing circuit 10, to the clock input of which a signal from a source 11 of a reference frequency is fed. The output of the timing circuit 10 is connected to the output terminal 12 and at the same time to the control input of the electronic switch 5. The second terminal

CS 266 884 Bl elektronického spínače 5 je spojen se zdrojem 4 referenčního proudu.CS 266 884 B1 of the electronic switch 5 is connected to a reference current source 4.

V činnosti se na vstupní svorku 1 proti společnému vodiči 9 přivede vstupní napětí U. Toléž napěli se v důsledku činnosti operačního zesilovače 2 zopakuje na invei (lijícím vstupu operačního zesilovače 2, a proto kapacitor 6 bude nabíjen proudem kde U značí vstupní napětí přivedené na vstupní svorku 1 proti společnému vodiči 9 a R značí odpor rezistoru 3. Jakmile napětí na výstupu operačního zesilovače 2 dosáhne komparačního napětí U_Kdodávaného zdrojem 8 komparačního napětí, překlopí se komparátor 7. Tím se připraví časovači obvod 10 k činnosti. Vlastní aktivace časovacího obvodu 10 však nastane až po příchodu zvolené hrany signálu o referenčním kmitočtu, který je dodáván na hodinový vstup tohoto obvodu ze zdroje 11 referenčního kmitočtu. Časovači obvod 10 vydá impuls přesně definované délky t_r odvozený od signálu o referenčním kmitočtu. Po dobu trvání impulsu je sepnut elektronický spínač 5 a kapacitorem 6 teče navíc vybíjecí proud I_r ze zdroje 4 referenčního proudu. Proces nabíjení a vybíjení kapacitoru 6 se periodicky opakuje, přičemž kmitočet impulsů na výstupu časovacího obvodu 10 je dán vztahemIn operation, the input voltage U is applied to the input terminal 1 against the common conductor 9. The same voltage is repeated on the input of the operational amplifier 2 due to the operation of the operational amplifier 2, and therefore the capacitor 6 will be charged with a current where U denotes the input voltage applied to the input. the terminal 1 against the common conductor 9 and R indicates the resistance of the resistor 3. As soon as the voltage at the output of the operational amplifier 2 reaches the comparison voltage U _K supplied by the comparison voltage source 8, the comparator 7 flips. however, it occurs only after the arrival of the selected edge of the reference frequency signal, which is supplied to the clock input of this circuit from the reference frequency source 11. The timing circuit 10 emits a pulse of precisely defined length t _r derived from the reference frequency signal. additionally, a discharge current I _r flows from the reference current source 4 through the switch 5 and the capacitor 6. The charging process discharging of the capacitor 6 is repeated periodically, the frequency of pulses at the output of the timing circuit 10 being given by

kde U značí vstupní napětí přivedené na vstup4 ní svorku 1 proti společnému vodiči 9, R odpor rezistoru 3, I_r proud ze zdroje 4 referenčního proudu, t_r dobu trvání impulsu na výstupu časovacího obvodu 10 odvozenou od signálu o referenčním kmitočtu. Na výstupní svorce 12 můžeme proto odebírat pravoúhlé impulsy s kmitočtem f přímo úměrným vstupnímu napětí U.where U denotes the input voltage applied to the input terminal 1 against the common conductor 9, R denotes the resistance of the resistor 3, I _{r the} current from the reference current source 4, t _{r the} duration of the pulse at the output of the timing circuit 10 derived from the reference frequency signal. At the output terminal 12 we can therefore take rectangular pulses with frequency f directly proportional to the input voltage U.

Poněkud složitější způsob generování impulsu v časovacím obvodě 10 je dán tím, že z důvodu vysoké přesnosti převodu je délka impulsu odvozena ze signálu o referenčním kmitočtu, který je dodáván ze zdroje 11 referenčního kmitočtu realizovaného příkladně pomocí krystalem řízeného oscilátoru. Okamžitý kmitočet výstupního signálu není z tohoto důvodu zcela přesně úměrný vstupnímu napětí. V kapacitoru 6 je však chyba každého převodu zapamatována a jakmile dojde k nahromadění chyby nad určitou mez, je převodníkem provedena oprava výstupního kmitočtu. V průběhu dalšího časového intervalu je proto převod napětí na kmitočet velmi přesný.A somewhat more complicated method of generating a pulse in the timing circuit 10 is due to the fact that due to the high accuracy of the conversion, the pulse length is derived from a reference frequency signal supplied from a reference frequency source 11 implemented by, for example, a crystal controlled oscillator. For this reason, the instantaneous frequency of the output signal is not exactly proportional to the input voltage. However, in the capacitor 6, the error of each conversion is memorized, and as soon as the error accumulates above a certain limit, the converter performs the correction of the output frequency. Therefore, the conversion of voltage to frequency is very accurate during the next time interval.

Přesný převodník napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem podle vynálezu má obecné využití a je ho možno s výhodou aplikovat všude tam, kde je zapotřebí přesný převodník napětí na kmitočet s velkým vstupním odporem. Zejména lze tento převodník podle vynálezu využít v měřicí a přístrojové technice, např. v číslicových voltmetrech a ampérmetrech, v číslicových korelátorech či v zařízeních pro harmonickou analýzu signálu pracující na principu modifikované Fourierovy analýzy s mezipřevodem vstupního signálu na kmitočet.The high voltage resistance precision voltage converter of the present invention has a general application and can be advantageously applied wherever a high voltage resistance frequency precision voltage converter is required. In particular, this converter according to the invention can be used in measuring and instrumentation technology, for example in digital voltmeters and ammeters, in digital correlators or in devices for harmonic signal analysis operating on the principle of modified Fourier analysis with intermediate conversion of input signal to frequency.

Vzhledem k tomu, že obvodové řešení převodníku podle vynálezu je velmi jednoduché, je obvod vhodný pro realizaci v integrované nebo hybridní podobě.Due to the fact that the circuit solution of the converter according to the invention is very simple, the circuit is suitable for implementation in integrated or hybrid form.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

Precision voltage to frequency converter with high input resistance, characterized in that the input terminal (I) is connected to the non-inverting input of the operational amplifier (2) and the first terminal of the resistor (3) is connected to the inverting input of the operational amplifier (2) capacitor (6) and a first terminal of the electronic switch (5), the second terminal of the resistor (3) being connected to a common conductor (9), while the output of the operational amplifier (2) is connected to the second terminal of the capacitor (6) and at the same time to the first input comparator (7), the second input of which is connected to a source (8) of comparative voltage, the output of the comparator (7) being connected to the input of a timing circuit (10), to the clock input of which the output of the reference frequency source (11) is connected. of the timing circuit (10) is connected on the one hand to the output terminal (12) and at the same time to the control input of the electronic switch (5), the second terminal of the electronic switch (5) being connected to the reference current source (4).