RU2032269C1 - Voltage-to-time space converter - Google Patents

Abstract

FIELD: pulse technique. SUBSTANCE: converter incorporates storage element having switches, operational amplifier whose inverting input is connected to first lead of storage element coupled through resistor to reference-voltage source, noninverting input is connected to common bus, and output is coupled through switch with second lead of storage element, and charge circuit of the latter is connected to common bus, control unit and input, to convertable signal bus, and output, to converted signal bus; storage element charge circuit is assembly of two switches built around thyristors one of which is connected through its cathode to common bus and through anode, to first lead of storage element; other switch is connected through its anode to plus output of regulated voltage source and through cvathode, to other lead of storage element, and its cathode-control bus is connected to firing circuit lead of control unit in the form of power amplifier whose input is connected to trigger circuit output of control unit in which noninverting comparator input is connected to convertable signal bus and inverting input, to operational amplifier output of storage element discharge circuit and to first input of trigger circuit coupled through second input and resistor with control unit trigger generator and through other resistor, with minus output of regulated voltage source; comparator output is connected to third input of trigger circuit and to clock input of complementing flip-flop whose output functions as output of converter with converted signal bus. Trigger circuit is assembly of three isolated circuits each set up of resistors, diode switch, and capacitor, their common interconnection point being circuit output; their first input is resistor lead, second input is diode switch anode, third input is capacitor lead. EFFECT: provision for conversion of instant values of input voltage at high speed. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах с частотно-импульсным представлением информации и преобразователях типа аналог-цифра. The invention relates to a pulse technique and can be used in systems with a frequency-pulse representation of information and analog-to-digital converters.

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. A device is known for converting voltage to a time interval [1], which contains an input, output, and common bus, four comparators, one of which is connected according to the scheme with a bipolar output, the rest with a unipolar, RS-trigger, integrating an RC-circuit and an installation voltage source In this case, the integrating RC-chain connected with the bipolar comparator forms an integrator controlled by the RS-trigger with a storage element - a capacitor.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

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). When the output voltage of the comparator of the controlled integrator is negative, the capacitor of the integrating RC circuit is discharged. This corresponds to the zero output voltage of the RS-trigger (less than the bias voltage supplied to the other input of the comparator).

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. When during the discharge of the capacitor the voltage on it is equal to the input convertible, the comparator, the output of which serves as the output of the converter, turns on and its output voltage becomes positive, which corresponds to the formation of the front of the output pulse.

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. When the voltage on it is equal to zero during the ongoing discharge of the capacitor, the comparator, the other input of which is connected to the common bus, and the output to the S-input of the RS-trigger, turns on, which leads to the RS-trigger switching to a single state and to exceeding its output bias voltage at the other input of the comparator controlled integrator. The latter switches, and its output voltage becomes positive, which switches the capacitor discharge process to the charge process.

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). In this case, the comparator, one of the inputs of which is connected to the common bus, and the output to the S-input of the RS-trigger, turns off (its output voltage becomes equal to zero).

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. With a further charge of the capacitor, the voltage across it is compared with the input convertible, which turns off the comparator, the other input of which is connected to the input bus, and the output to the output bus of the converter. As a result, the voltage on the output bus becomes zero. This corresponds to the formation of a slice of the output pulse of the Converter.

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
U_вых ^(-) << U_c(t) << U_вых ⁽⁺⁾, где U_вых ^(-) - выходное отрицательное напряжение компаратора управляемого интегратора;
U_вых ⁽⁺⁾ - 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 U_вых ^(-) << U_c(t) << U_вых ⁽⁺⁾, т.е. малого диапазона изменения напряжения U_c(t).The described analog device has the following disadvantages:
1) a relatively low speed due to the use of linear processes for the charge and discharge of the storage element of the integrator (capacitor);
2) the increased influence of interference and noise on the accuracy of the conversion caused by the small angles of the voltage across the capacitor with the installation voltage and zero level due to the necessary conditions for integration (to obtain acceptable accuracy) conditions
U _o ^(-) << U _c (t) << U _o ⁽⁺⁾ , where U _o ^(-) is the negative output voltage of the comparator of the controlled integrator;
U _o ⁽⁺⁾ - its output positive voltage;
3) low conversion accuracy, also due to the use of four comparison operations during the formation of the time interval: two - with the installation level and two - with zero (at small meeting angles);
4) the low permissible rate of change of the input signal, since it must be less than the rate of change of voltage across the capacitor, while the latter speed is small due to the necessary fulfillment of the conditions U _o ^(-) << U _c (t) << U _o ⁽⁺⁾ , i.e. a small voltage variation range U _c (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. The closest in technical essence to the proposed is the device [2], containing the charge circuit of the storage element, the circuit of its discharge, the installation and holding of zero initial conditions, the control unit.

Цепь заряда накопительного элемента содержит вход с шиной преобразуемого сигнала, резистор, первый операционный усилитель, первый ключ и накопительный элемент. The charge circuit of the storage element contains an input with a bus of the converted signal, a resistor, a first operational amplifier, a first key, and a storage element.

Цепь разряда содержит источник опорного напряжения, второй резистор, второй операционный усилитель, второй ключ и накопительный элемент. The discharge circuit contains a reference voltage source, a second resistor, a second operational amplifier, a second switch, and a storage element.

Схема установки нулевых начальных условий состоит из цепи разряда и нуль-органа в виде первого операционного усилителя с разомкнутыми ключами - первым и третьим. The setup scheme for zero initial conditions consists of a discharge circuit and a zero-organ in the form of a first operational amplifier with open keys - the first and third.

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. The initial zero-containment scheme consists of a second operational amplifier with closed keys - the first and fourth, a storage element, a first operational amplifier with a closed third key and an open first key.

Блок управления включает генератор тактовых импульсов, RS-триггер, схему И. The control unit includes a clock, RS-trigger, circuit I.

В работе этого устройства выделяются два чередующихся такта: первый - такт заряда накопительного элемента, второй - такт его разряда, установки и удержания нулевых начальных условий. In the operation of this device, two alternating cycles are distinguished: the first is the cycle of the charge of the storage element, the second is the cycle of its discharge, setting and maintaining zero initial conditions.

Тактирование осуществляется генератором тактовых импульсов. Clocking is performed by a clock generator.

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. At the beginning of the first clock, the first switch is opened, the second is closed and the RS-trigger is set to “1”, the voltage on its output bus drops to zero, which causes the third and fourth keys to open.

Размыкание третьего ключа при замкнутом первом приводит к заряду накопительного элемента - процессу интегрирования входного (преобразуемого) напряжения U_x
U_{c зар}(t) = -

U_xdt, (1) где R₁ - сопротивление первого резистора; С - емкость накопительного элемента; Т - длительность первого такта генератора тактовых импульсов.Opening the third key when the first one is closed leads to the charge of the storage element - the process of integrating the input (convertible) voltage U _x
U _{c zar} (t) = -

U _x dt, (1) where R ₁ is the resistance of the first resistor; C is the capacity of the storage element; T is the duration of the first cycle of the clock generator.

По окончании первого такта первый ключ размыкается. В начале второго такта замыкается второй ключ, и накопительный элемент начинает разряжаться под воздействием опорного напряжения U_o с постоянной скоростью (-U_o/R₂C):
U_{c разр}(t)= U_{c зар}(T) -

U_odt = U_{c зар}(T) -

t, (2) где U_{с зар}(Т) - напряжение на накопительном элементе в конце первого такта; R₂ - сопротивление второго резистора; Т_х - время полного разряда.At the end of the first measure, the first key opens. At the beginning of the second cycle, the second key closes, and the storage element begins to discharge under the influence of the reference voltage U _o with a constant speed (-U _o / R ₂ C):
U _{c bit} (t) = U _{c zar} (T) -

U _o dt = U _{c zar} (T) -

t, (2) where U _{with zar} (T) is the voltage at the storage element at the end of the first cycle; R ₂ is the resistance of the second resistor; T _x - full discharge time.

При этом длительность второго такта выбирается, исходя из обеспечения полного разряда накопительного элемента для всех значений U_сзар(Т).In this case, the duration of the second cycle is selected based on the provision of a full discharge of the storage element for all values of U _szar (T).

В известном устройстве [2] накопительный элемент при включении его в схему разряда подключается отрицательной обкладкой к инвертирующему входу второго операционного усилителя, положительной - к его выходу, через второй ключ к инвертирующему входу первого операционного усилителя непосредственно. In the known device [2], the storage element, when it is included in the discharge circuit, is connected negatively to the inverting input of the second operational amplifier, positive to its output, and through the second key to the inverting input of the first operational amplifier.

Поэтому в начале процесса разряда напряжение на выходе первого операционного усилителя скачком падает до предельного отрицательного (U_вых ^(-)), а на выходе второго - от предельного положительного (U_вых ⁽⁺⁾) - до напряжения U_{c зар} (Т) и далее линейно падает в соответствии с выражением (2) до нуля.Therefore, at the beginning of the discharge process, the voltage at the output of the first operational amplifier abruptly drops to the limit negative (U _o ^(-) ), and at the output of the second, from the limit positive (U _o ⁽⁺⁾ ) to the voltage U _{c charge} (T) and further linearly falls in accordance with expression (2) to zero.

Время этого полного разряда Т_x является результатом преобразования входного напряжения в интервал времени "U_x ->> T_x".The time of this full discharge T _x is the result of converting the input voltage into the time interval "U _x - >> T _x ".

Когда напряжение U_{c разр} (t), уменьшаясь, сравняется с нулем (при t = Т_х), напряжение на выходе первого операционного усилителя скачком возрастает от предельного отрицательного U_вых ^(-) до предельного положительного U_вых ⁽⁺⁾, т. е. данный операционный усилитель выполняет функцию нуль-органа преобразователя при разряде накопительного элемента (во втором такте).When the voltage U _{c bit} (t), decreasing, is equal to zero (at t = T _x ), the voltage at the output of the first operational amplifier jumps from the maximum negative U _o ^(-) to the maximum positive U _o ⁽⁺⁾ , i.e. This operational amplifier performs the function of the null-body of the converter during the discharge of the storage element (in the second clock cycle).

Это скачкообразное повышение напряжения, будучи приложенным к R-входу RS-триггера, установит его в состояние "0", поэтому выходное напряжение триггера из нулевого "0" скачком превратится в единичное "1". This step-wise increase in voltage, when applied to the R-input of the RS-flip-flop, sets it to the state “0”, therefore the output voltage of the flip-flop from zero “0” will abruptly turn into a single “1”.

Последнее же напряжение откроет третий и четвертый ключи, что "заморозит" нулевые начальные условия на выходных шинах операционных усилителей, а за счет уже открытого второго ключа - и на обкладках конденсатора до начала следующего такта заряда. The last voltage will open the third and fourth keys, which will “freeze” zero initial conditions on the output buses of operational amplifiers, and due to the already open second key, also on the capacitor plates until the beginning of the next charge cycle.

После этого все описанные процессы преобразования напряжения в интервал времени повторятся: интегрирование входного напряжения в течение времени первого такта Т; полный разряд накопительного элемента в течение времени Т_х; удержание и установка нулевых начальных условий.After that, all the described processes of converting voltage into a time interval will be repeated: integration of the input voltage during the time of the first cycle T; full discharge of the storage element over time T _x ; holding and setting zero initial conditions.

Известное устройство (2) имеет следующие недостатки:
1) принципиальную невозможность преобразования мгновенных значений преобразуемого напряжения, так как преобразуемое напряжение должно быть постоянным, по крайней мере, в течение времени заряда накопительного элемента (первого такта преобразования);
2) ограниченный диапазон преобразуемого напряжения (только положительные значения), что вытекает из особенностей работы нуль-органа.The known device (2) has the following disadvantages:
1) the fundamental impossibility of converting the instantaneous values of the converted voltage, since the converted voltage must be constant, at least during the charge time of the storage element (the first conversion step);
2) a limited range of converted voltage (only positive values), which follows from the features of the zero-organ.

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.3) a relatively low speed, determined by the linearity of both processes: charge and discharge, and also by the fact that the duration of the discharge must be at least a converted time interval;
4) coincidence of the conversion frequency with the frequency of the output signal, and not exceeding it;
5) the impossibility of obtaining a high recording density, since the output pulses of the Converter are separated by time intervals.

Целью изобретения является обеспечение возможности преобразования мгновенных значений входного (преобразуемого) напряжения при высоком быстродействии. The aim of the invention is the ability to convert instantaneous values of the input (convertible) voltage at high speed.

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. To achieve this goal in a voltage converter in a time interval containing an input with a converted signal bus, a discharge circuit of a storage element and a charge circuit of a storage element with a common bus, a control unit and an output with a converted signal bus, the discharge circuit consists of a reference voltage source, a resistor, a key on a bipolar transistor, an operational amplifier connected by an inverting input through a resistor to a reference voltage source and, directly, to one of the terminals of the storage element the one to the other terminal of which is connected through a switch output of the operational amplifier, whose noninverting input is connected to the common bus; the charge circuit of the storage element consists of two keys on the thyristors, one of which is connected to a common bus by the cathode, and the output of the storage element connected to the inverting input of the operational amplifier of the discharge circuit, the other key with the cathode control of the anode is connected to the “+” source of the stabilized voltage , the cathode - to the other output of the storage element, and its cathodic control bus is connected to the control input of the discharge circuit key and to the output of the ignition circuit of the control unit, the input of which is connected to output of the start-up circuit in the control unit; in the control unit, the non-inverting input of the comparator is connected to the converter input with the bus of the signal to be converted, the inverting input is connected to the output of the operational amplifier of the discharge circuit and to one of the inputs of the trigger circuit, the other input through a resistor connected to the trigger generator, and through the other resistor with “-" stabilized voltage source, the output of the comparator is connected to the third input of the trigger circuit and to the clock input of the counting trigger, the output of which is the output of the converter with the converted signal bus.

Положительный эффект достигается за счет сокращения времени заряда накопительного элемента путем изменения линейного закона заряда на скачкообразный (импульсный). A positive effect is achieved by reducing the charge time of the storage element by changing the linear charge law to spasmodic (pulsed).

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. The output of the converter results in alternating P-pulses, in which the front of each subsequent one is a slice of the previous one and which contain information in the form of their duration about the instantaneous value of the converted input voltage at the time of their completion. These durations are the sum of two time intervals: a small interval (charge time of the storage element) and a much larger interval that reflects the result of the conversion of the instantaneous value of the input voltage into its time interval, due to which almost the moment of the end of one conversion coincides with the beginning of the next one, which allows firstly, to increase the temporal density of the generated intervals; secondly, to double the conversion frequency with respect to the repetition frequency of the output P-pulses, each repetition period of which, thus, contains information about two instantaneous values of the converted voltage.

За счет деления частоты преобразования в два раза с помощью счетного триггера осуществлено эффективное подавление второй гармоники несущей частоты. By dividing the conversion frequency by half using a counting trigger, the second harmonic of the carrier frequency is effectively suppressed.

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. It is known that the conversion frequency in accordance with the Kotelnikov-Shannon sampling theorem should be higher than or equal to twice the frequency of the upper spectral component of the converted signal. It follows that the frequency of the output P-pulses may be higher than the frequency of the upper spectral component or equal to it.

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. Since the value of the generated time interval practically coincides with the duration of the conversion cycle, since the generated time intervals are the maximum possible, and the frequency bandwidth of the output P-pulses becomes minimal.

Отсюда полученные П-импульсы являются оптимальными для использования в системах магнитной записи информации и передачи ее в линиях связи с частотно-импульсным представлением сигналов. Hence, the obtained P-pulses are optimal for use in systems of magnetic recording of information and its transmission in communication lines with a pulse-frequency representation of signals.

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. In FIG. 1 shows a block diagram of a voltage converter in a time interval; figure 2 - timing diagrams of the voltage Converter in the time interval; figure 3 - circuit diagram of the Converter.

Преобразователь напряжения в интервал времени (фиг.1) содержит вход с шиной преобразуемого сигнала U_x, 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 Т_х.The voltage Converter in the time interval (figure 1) contains the input with the bus of the converted signal U _x , the discharge circuit 1 of the storage element 2 and its charge circuit 3 with a common bus, a control unit 4 connected to a counting trigger 5, the output of which is the output of the converter with converted signal bus T _x .

Цепь разряда 1 (фиг.1,3) состоит из источника опорного напряжения U_o, 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.The discharge circuit 1 (Fig. 1,3) consists of a reference voltage source U _o connected through a resistor 6 with an inverting input of an operational amplifier 7 connected to one of the terminals of the storage element 2, a non-inverting input of an operational amplifier 7 is connected to a common bus, and the output - with another output of the storage element through the key 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. Key 8 is made on a bipolar p-n-p transistor, in which pin 1 is a collector, pin 2 is an emitter, pin 3 is a base connected through a resistor r to a "-" - source of stabilized voltage.

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 (+U_ст), 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.Charge circuit 3 consists of two keys 9, 10 on thyristors, made integral on bipolar transistors of different conductivity with a short resorption time. One of the keys 9 by the cathode (pin 1) is connected to a common bus, the anode (pin 2) with the output of the storage element 2 connected to the inverting input of the operational amplifier 7. Another key 10 with the cathodic control of the anode (pin 2) is connected to the “+” source stabilized voltage (+ U _st ), the cathode (terminal 1) - to the other terminal of the storage element 2, and its bus (terminal 3) of the cathode control is connected to the control input (terminal 3) of the key 8 of the discharge circuit 1 and to the output of the circuit ignition circuit 11 4 control, the input of which is connected to the output of the triggering circuit 12 in control unit 4.

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). The control unit 4 consists of an ignition circuit 11, a start circuit 12, a comparator 13, a voltage divider across resistors 14, 16, and a start generator 15 (Fig. 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). The ignition circuit 11 consists of a power amplifier in the form of an emitter follower loaded on a key 8 resistor r and an output (emitter) connected to the bus (terminal 3) of the cathode control of the key 10 and the control input (terminal 3) of the key 8, the control input (base) - to the output bus of the triggering circuit 12, by the collector to the “+" of the stabilized voltage source (Fig. 1,3).

Схема 12 запуска (функциональная схема ИЛИ) состоит из трех раздельных входных цепей, соединенных выходами в общую точку с выходной шиной. Trigger circuit 12 (OR functional diagram) consists of three separate input circuits connected by outputs to a common point with the output bus.

Первой входной цепью, подключенной ко входу 1 схемы, является резистор R_зап; 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.The first input circuit connected to the input 1 of the circuit is a resistor R _app ; the second input circuit connecting input 2 to the output bus is a key on a semiconductor pulse diode with a small capacitance connected by the anode to the input 2 of the circuit, and the cathode to the output bus of the circuit; a small capacitor is used as the third input differentiating circuit connecting the input 3 to the output bus of the circuit.

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 Т_х.In the control unit 4, the non-inverting input of the comparator 13 is connected to the input of the converter, the inverting input is connected to the output of the operational amplifier 7 of the discharge circuit and to one (pin 1) from the inputs of the trigger circuit 12, and another input (pin 2) through a resistor 14 connected to the trigger generator 15 and through the resistor 16 - with the “-” of the stabilized voltage source, the output of the comparator 13 is connected to the third input of the trigger circuit 12 and to the clock input of the counting trigger 5, the output of which is the output of the converter with the converted signal bus T _x .

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. In the voltage converter in a time interval, the storage element can be made in the form of a capacitor of the type KM ОЖО.460.161ТУ, the key of the discharge circuit is on a bipolar transistor of the type КТ 363А (В) ШТО, ШТО.336.014ТУ; the keys in the charge circuit are composite thyristors on bipolar transistors of the type КТ 363А (В) ЩТО.336.014ТУ КТ 316А (В) СБО.336.030 ТУ; operational amplifier - 544UD2 chip; comparator - microchip type K554CA3; the starting circuit includes a resistor, a pulse diode KD 520A and a capacitor of type K10-17 ОЖО.460.167ТУ, the ignition circuit is made in the form of a power amplifier on an emitter follower on a bipolar transistor type 2Т316А СБО.336.О30ТУ; the start generator is made on a multivibrator, which is used as a half of the 564TM2 type microcircuit with a voltage divider across the resistors, and the counting trigger is made in the form of the second half of the indicated microcircuit.

Преобразователь работает следующим образом. The converter operates as follows.

При подключении преобразователя к источнику питания в момент t₁ на инвертирующий вход операционного усилителя (ОУ) 7 (фиг.1) через резистор 6 подается опорное напряжение +U_о (фиг.1), открывающее ключ 9, вследствие чего на инвертирующем входе ОУ 7 устанавливается положительное напряжение U_откр., практически ≈ 1,0 В, что меньше значения U_откр = 1,5 В стандартных динисторов малой мощности, что приводит к установлению самого низкого отрицательного напряжения (напряжения отрицатель- ного уровня (U_вых ^(-)) на выходе ОУ 7 (фиг.2), которое всегда ниже любого значения преобразуемого напряжения: U_х > U_вых ^(-).When the converter is connected to a power source at time t ₁ , the reference voltage + U _о (Fig. 1) is supplied through the resistor 6 to the inverting input of the operational amplifier (OS) 7 (Fig. 1), which opens the key 9, as a result of which at the inverting input of the OS 7 set positive voltage U _open. , practically ≈ 1.0 V, which is less than the value of U _open = 1.5 V of standard low-power dynistors, which leads to the establishment of the lowest negative voltage (voltage of a negative level (U _o ^(-) ) at the output of OS 7 (Fig. .2), which is always lower than any value of the converted voltage: U _x > U _o ^(-) .

Следовательно, входной сигнал компаратора 13, равный разности U₊-U_- = U_x - U^вых(-) только положителен, компаратор 13 включен, на его выходе постоянное положительное напряжение (напряжение положительного уровня) U_вых ⁽⁺⁾, которое не в состоянии через вход 3 схемы 12 запуска осуществлять запуск схемы 11 поджига (фиг.1,2,3).Therefore, the input signal of the comparator 13, equal to the difference U ₊ -U _- = U _x - U ^{o (-) is} only positive, the comparator 13 is turned on, its output is a constant positive voltage (voltage of a positive level) U _o ⁽⁺⁾ , which is not state through the input 3 of the triggering circuit 12 to start the ignition circuit 11 (Fig.1,2,3).

Кроме того, поскольку U^(-) _вых > - U_ст, причем напряжение U_вых ^(-)подано на коллектор транзистора ключа 8, а напряжение (-U_ст) - через резистор r на его базу, p-n-переход коллектор-база транзистора открывается. Последнее же приводит к отпиранию (в инверсном режиме) ключа 8, практически выравниванию потенциалов его эмиттера φ₂ и коллектора φ₁ и установлению на его базе потенциала φ₃≈φ₁= 0,7 В ≈φ₂= 0,7 В, т.е. установлению прямого входного напряжения ключа.In addition, since U ^(-) _o > - U _st , and the voltage U _o ^{(-) is} applied to the collector of the transistor of switch 8, and the voltage (-U _st ) is supplied through the resistor r to its base, the collector-base pn junction of the transistor opens. The latter leads to unlocking (in the inverse mode) of key 8, practically equalizing the potentials of its emitter φ ₂ and collector φ ₁ and establishing on its basis the potential φ ₃ ≈φ ₁ = 0.7 V ≈φ ₂ = 0.7 V, t .e. establishing the direct input voltage of the switch.

А поскольку, как следует из принципиальной схемы преобразователя (фиг. 3), прямое входное напряжение ключа 8 является обратным входным ключа 10 и наоборот, ключ 10 заперт, его максимально допустимое прямое напряжение в закрытом состоянии U_{пр,закр,max}, Т повышено.And since, as follows from the circuit diagram of the converter (Fig. 3), the direct input voltage of the key 8 is the reverse input of the key 10 and vice versa, the key 10 is locked, its maximum allowable forward voltage in the closed state U _{pr, close, max} , T is increased.

При этом к делителю напряжения, состоящему из резисторов R_зап схемы 12 и R схемы 11 приложено напряжение ≈ 0,7 В плюсом к резистору R_зап, минусом - к R, т.е. на входе транзистора схемы 11 поджига прямое напряжение.At the same time, a voltage ≈ 0.7 V is applied to the voltage divider, consisting of resistors R _{zap of} circuit 12 and R of circuit 11, plus a resistor R _zap , minus to R, i.e. at the input of the transistor of the ignition circuit 11, a forward voltage.

Но поскольку сопротивление резистора R_зап составляет сотни кОм, а резистора R лишь десятки, т.е. в данном случае смещение +0,7 В, вырабатываемое транзистором ключа 8, мало и лишь подготавливает транзистор схемы 11 поджига к открыванию. При этом потенциалы базы и эмиттера последнего отрицательные и самые низкие: U_вых.ОУ = U_вых ^(-).But since the resistance of the resistor R _zap is hundreds of ohms, and the resistor R is only tens, i.e. in this case, the offset of +0.7 V produced by the transistor of the key 8 is small and only prepares the transistor of the ignition circuit 11 for opening. In this case, base and emitter potentials of the last and lowest negative: U = U _{vyh.OU O} ^(-).

С дугой cтороны, делитель напряжения, cоcтоящий из резиcторов 14, 16, cконcтруирован таким образом, чтобы единичный (положительный) импульc U¹ генератора был бы доcтаточен в данном cлучае (при U_вых.ОУ = U_вых ^(-)) для открывания ключа на диоде (по входу 2) схемы 12 запуска и последующего запуска схемы 11 поджига.C. The Parties to the arc, the voltage divider of coctoyaschy rezictorov 14, 16, ckonctruirovan so that a single (positive) ¹ U impulc generator would in this doctatochen The case of (when U = U _{vyh.OU O} ^(-)) on the key for opening a diode (at input 2) of the triggering circuit 12 and the subsequent triggering of the ignition circuit 11.

Чтобы в дальнейшем генератор 15 запуска не запускал схему 11 поджига, срывая процесс преобразования, ограничиваем снизу диапазон изменения входного сигнала U_x: 0 > U_{x min} > U_вых ^(-). Выходное напряжение ОУ 7 U_вых.ОУ изменяется в пределах U_вых ⁽⁺⁾ ≥ U_вых.ОУ ≥ U_х, где U_вых ⁽⁺⁾ - напряжение положительного уровня.So that in the future, the start generator 15 does not start the ignition circuit 11, disrupting the conversion process, we restrict the lower range of the input signal U _x : 0> U _{x min} > U _o ^(-) . The output voltage of op-amp U 7 _vyh.OU varies U _O ⁽⁺⁾ ≥ U _{vyh.OU x} ≥ U, where U _O ⁽⁺⁾ - positive voltage level.

Итак, под воздействием "единичного" импульса генератора 15 запуска (стартера) в момент времени t₂ (после включения) (фиг.2) схема 11 поджига вырабатывает первичный импульс поджига, поступающий на шину (3) катодного управления тиристора 10 и вход (3) ключа 8. При этом тиристор 10 поджигается, а ключ 8 размыкается и отключает выход ОУ 7 от цепи (3) заряда накопительного элемента 2 (конденсатора).So, under the influence of a "single" pulse of the start generator (starter) 15 at time t ₂ (after switching on) (Fig. 2), the ignition circuit 11 generates a primary ignition pulse that arrives at the thyristor 10 cathode control bus (3) and input (3 ) of the key 8. At the same time, the thyristor 10 is ignited, and the key 8 opens and disconnects the output of the op-amp 7 from the circuit (3) of the charge of the storage element 2 (capacitor).

Вследствие поджига тиристора 10 напряжение на его катоде (1) скачком возрастает от максимально отрицательного до максимально положительного U* > U_вых ⁽⁺⁾, равного разности напряжений +U_ст и U_откр., где U_откр. - остаточное падение напряжения на открытом тиристоре 10, а U_вых ⁽⁺⁾ - максимальное положительное напряжение на выходе ОУ 7 (напряжение положительного уровня).Due to the ignition of the thyristor 10, the voltage at its cathode (1) jumps from the maximum negative to the maximum positive U *> U _o ⁽⁺⁾ , equal to the voltage difference + U _st and U _open. where U _open - the residual voltage drop across the open thyristor 10, and U _o ⁽⁺⁾ is the maximum positive voltage at the output of the op-amp 7 (voltage of a positive level).

Поскольку ключ 9 в это же время уже открыт напряжением U_о, то создается цепь импульсного заряда конденсатора 2 (+U_ст - тиристор 10 - конденсатор 2 - тиристор 9 - общая шина), причем тиристор 10 используется в транзисторном включении с катодным (3) управлением, а тиристор 9 - в динисторном. Время заряда конденсатора при такой цепи заряда измеряется десятыми долями микросекунды, а напряжение на конденсаторе 2 будет максимальным и равным U_со = + U_ст - 2U_откр.Since the switch 9 is already open at the same time by the voltage U _о , a pulse charge circuit of capacitor 2 is created (+ U _st - thyristor 10 - capacitor 2 - thyristor 9 - common bus), and thyristor 10 is used in transistor switching with cathode (3) control, and thyristor 9 - in dinistor. The charge time of the capacitor with such a charge circuit is measured in tenths of a microsecond, and the voltage on the capacitor 2 will be maximum and equal to U _co = + U _st - 2U _open .

Во время заряда полярность напряжения на инвертирующем входе ОУ 7 остается положительной, что обеспечивает на его выходе сохранение максимального отрицательного напряжения U_вых ^(-).During the charge, the voltage polarity at the inverting input of the OS 7 remains positive, which ensures that the maximum negative voltage U _o ^{(-) is} maintained at its output.

После поджига составного тиристора ключа 10 оба его транзисторы переключаются в режим насыщения, при котором между катодом (1) тиристора 10 (эмиттером выходного транзистора) и управляющим электродом (УЭ) (его базой) возникает смещение ≈ + 0,7 В, приложенное плюсом к базе транзистора ключа 8, минусом - к эмиттеру последнего, запирающее ключ 8 и уменьшающее в дальнейшем время его выключения (фиг.2,3). After ignition of the composite thyristor of the key 10, both of its transistors switch to saturation mode, in which a bias of ≈ + 0.7 V is applied, plus applied to the cathode (1) of the thyristor 10 (emitter of the output transistor) and the control electrode (UE) (its base) the base of the transistor of the key 8, minus to the emitter of the latter, locking the key 8 and decreasing in the future the time it is turned off (Fig.2,3).

Кроме того, вхождение в режим насыщения транзистора ключа 10 приводит к скачкообразному повышению напряжения и на УЭ ключа от ≈ U_вых ^(-) практически до напряжения +U_ст. В результате делитель напряжения, состоящий из резисторов: R схемы 11 поджига и R_зап схемы 12 запуска (где R измеряется десятками кОм, а R_зап - сотнями), оказывается под воздействием двух потенциалов: + U_cт и U_вых ^(-).In addition, entering the saturation mode of the transistor of the switch 10 leads to an abrupt increase in the voltage on the UE of the switch from ≈ U _o ^(-) almost to the voltage + U _st . As a result, the voltage divider, consisting of resistors: R ignition circuit 11 and R _zap trigger circuit 12 (where R is measured in tens of ohms and R _{zap in} hundreds), is affected by two potentials: + U _ct and U _o ^(-) .

Это приводит к тому, что, во-первых; к входу транзистора схемы 11 поджига прикладывается обратное напряжение, ускоряющее его выключение; во-вторых, потенциал катода диода-ключа схемы 12 запуска становится и в дальнейшем остается (в силу условия U_{х min} > U_вых ^(-)) выше потенциала его анода, и ключ на диоде запирается, отключая делитель, состоящий из ре- зисторов 14, 16, от выхода схемы 12 запуска.This leads to the fact that, firstly; a reverse voltage is applied to the input of the transistor of the ignition circuit 11, accelerating its shutdown; secondly, the cathode potential of the diode-key of the triggering circuit 12 becomes and subsequently remains (due to the condition U _{x min} > U _o ^(-) ) higher than the potential of its anode, and the key on the diode is locked, disabling the divider consisting of resistors 14, 16, from the output of the trigger circuit 12.

Поскольку ключ на диоде (вход 2) схемы 12 запуска после поджига тиристора ключа 10 запирается, отключая делитель напряжения на резисторах 14, 16, то генератор 15 запуска никакого влияния в дальнейшем на работу преобразователя не оказывает (при соблюдении условия U_х ≥ U_xmin, где U_{х min} < О - минимальное входное напряжение U_x, при котором при выбранных сопротивлениях 14 и 16 ключ на диоде схемы 12 запуска не открывается.Since the key on the diode (input 2) of the triggering circuit 12 is locked after ignition of the thyristor of the key 10, turning off the voltage divider on the resistors 14, 16, the triggering generator 15 will not affect the operation of the converter (subject to the condition U _x ≥ U _xmin , where U _{x min} <О is the minimum input voltage U _x at which, with the selected resistances 14 and 16, the key on the diode of the triggering circuit 12 does not open.

По окончании заряда накопительного элемента 2 оба транзистора ключа 10 закрываются: ток тиристора становится меньше тока удержания I_уд.Т, а на УЭ отсутствует управляющий импульс.At the end of the charge of the storage element 2, both transistors of the switch 10 are closed: the thyristor current becomes less than the holding current I _{beats T} , and there is no control pulse on the _RE .

При этом, во-первых, исчезает положительное смещение ≈ + 0,7 В между УЭ (3) тиристора 10 и его катодом (1), запиравшее ключ 8; во-вторых, потенциал эмиттера транзистора ключа 8 максимален и равен U* = +U_ст - U_откр.Т, а его база подключена через резистор r к -U_ст. В результате p-n-переход эмиттер-база ключа 8 открывается, подключая положительную обкладку заряженного конденсатора 2 с потенциалом U* = U_ст - U_откр. к низкоомному выходу ОУ 7 с отрицательным потенциалом U_вых ^(-) (фиг.1,2,3).In this case, firstly, the positive bias ≈ + 0.7 V between the RE (3) of the thyristor 10 and its cathode (1) disappears, locking the key 8; secondly, the potential of the emitter of the transistor of the key 8 is maximum and is equal to U * = + U _st - U _{open T} , and its base is connected through the resistor r to -U _st . As a result, the pn junction of the emitter-base of key 8 is opened by connecting the positive lining of the charged capacitor 2 with the potential U * = U _st - U _open. to the low-impedance output of the OS 7 with a negative potential U _o ^(-) (Fig.1,2,3).

В результате возникает отрицательный перепад напряжения на выводе (2) ключа 8, который, пройдя через конденсатор 2 на анод (2) ключа 9 и инвертирующий вход ОУ 7, выключает ключ 9 и изменяет на обратную полярность сигнала на инвертирующем входе ОУ 7. As a result, a negative voltage drop occurs at the terminal (2) of the key 8, which, passing through the capacitor 2 to the anode (2) of the key 9 and the inverting input of the op-amp 7, turns off the key 9 and reverses the signal polarity at the inverting input of the op-amp 7.

Спустя время задержки в ОУ 7 (t_зад ≈ 1,5 мкс для выбранной микросхемы в макете) в момент t₂ выходное напряжение его скачком изменится от U_вых ^(-) до U_вых ⁽⁺⁾ и ОУ 7 включается в качестве звена глубокой отрицательной обратной связи по току в цепь разряда накопительного 2 элемента (фиг.1,2,3).After the delay time in OS 7 (t _ass ≈ 1.5 μs for the selected microcircuit in the layout) at time t _{2, the} output voltage will jump from U _output ^(-) to U _output ⁽⁺⁾ and OS 7 is turned on as a deep negative link current feedback in the discharge circuit of the accumulative 2 element (Fig.1,2,3).

При этом напряжение, приложенное к делителю напряжения на резисторах R_зап и R, изменяется от напряжения U' ≈ U_вых ^(-) - (+ U_ст) << 0 до напряжения U'' ≈ + 0,7 В, причем напряжение U' превосходит напряжение U'' по величине в десятки раз. Кроме того, сопротивление резистора R_зап, как отмечалось выше, измеряется сотнями кОм, а резистора R - десятками кОм (фиг.3).In this case, the voltage applied to the voltage divider on the resistors R _zap and R varies from voltage U '≈ U _o ^(-) - (+ U _st ) << 0 to voltage U''≈ + 0.7 V, and voltage U 'exceeds voltage U' in magnitude dozens of times. In addition, the resistance of the resistor R _zap , as noted above, is measured in hundreds of kOhms, and the resistor R - in tens of kOhms (figure 3).

По этим причинам после включения ключа 10 на тиристоре транзистор схемы 11 поджига практически сразу же запирается обратным достаточно большим входным напряжением U_вх' ≈ - U'R/R_зап, тогда как после выключения ключа 10 и включения ключа 8 выработка им напряжения смещения U'' и изменения выходного напряжения ОУ 7 до уровня U_вых ⁽⁺⁾ входное напряжение схемы 11 поджига становится прямым U_вх'' ≈ + U''R/R_зап≈ 0, но недостаточным для ее открывания (фиг.3).For these reasons, after the key transistor 10, a thyristor triggering circuit 11 virtually immediately locks reflux sufficiently large input voltage U _Rin '≈ - U'R / R _Rec whereas after turning off the key switch 10 and turn it 8 output offset voltage U''and the op amp output voltage changes to a level of 7 U _O ⁽⁺⁾ input voltage ignition circuit 11 becomes a direct U _Rin' '≈ + U''R / R _app ≈ 0 but insufficient to its opening (3).

Поэтому с помощью входа (1) схемы 12 запуска осуществляется форсированное выключение транзистора схемы 11 поджига после включения ключа 10, что необходимо для сокращения длительности τ_и (фиг.2) и улучшения линейности пилы, вырабатываемой схемой 1 разряда накопительного 2 элемента (фиг.1,2).Therefore, using input (1) of the starting circuit 12, the transistor of the ignition circuit 11 is forcedly turned off after turning on the key 10, which is necessary to reduce the duration τ _and (Fig. 2) and improve the linearity of the saw produced by the discharge circuit 1 of the accumulative 2 element (Fig. 1 , 2).

После того как в момент t₂ напряжение на выходе ОУ 7 станет равно U_вых ⁽⁺⁾ и произойдет включение ОУ 7 в цепь разряда накопительного 2 элемента в качестве звена глубокой отрицательной обратной связи по току (фиг. 1,2,3) при выключенных ключах 9,10, запертом транзисторе схемы 11 поджига и открытом ключе 8 схемы 1 разряда накопительного 2 элемента вместе с ним образуют интегратор опорного напряжения +U_о с ненулевыми (максимальными) начальными условиями: U_с2(0) ≈ U_вых ⁽⁺⁾ = Max.After at the moment t _{2 the} voltage at the output of the op-amp 7 becomes equal to U _o ⁽⁺⁾ and the inclusion of the op-amp 7 in the discharge circuit of the accumulative 2 elements as a link of deep negative current feedback (Fig. 1, 2, 3) when switched off the keys 9.10, the locked transistor of the ignition circuit 11 and the open key 8 of the circuit 1 of the discharge of the storage 2 elements together with it form the voltage integrator + U _о with non-zero (maximum) initial conditions: U _с2 (0) ≈ U _o ⁽⁺⁾ = Max

Вследствие этого на выходе ОУ 7 появится линейно изменяющееся напряжение (фиг.2):
U_вых.ОУ(t-t₂)= U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(t)}}{\text{вых}}$ -

U_odt= U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(t)}}{\text{вых}}$ -

(t-t₂), (1) где τ = R₆C₂; U_вых ⁽⁺⁾ - выходное напряжение положительного уровня ОУ 7, а t₂ ≅ t < t₃ (фиг.1,2,3).As a result, the output of the op-amp 7 will appear a linearly changing voltage (figure 2):
U _out.OU (tt ₂ ) = U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(t)}}{\text{out}}$ -

U _o dt = U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(t)}}{\text{out}}$ -

(tt ₂ ), (1) where τ = R ₆ C ₂ ; U _o ⁽⁺⁾ is the output voltage of the positive level of the OS 7, and t ₂ ≅ t <t ₃ (Fig.1,2,3).

Отсюда ясно, что верхний положительный предел входного напряжения U_{x max} должен быть всегда ниже величины U_вых ⁽⁺⁾.From this it is clear that the upper positive limit of the input voltage U _{x max} must always be lower than the value of U _o ⁽⁺⁾ .

В течение времени, пока выходное напряжение ОУ 7 U_вых.ОУ (t-t₂)> U_x(t), входной сигнал компаратора 13 U₊ -U_- = U_x(t) - U_вых.ОУ(t-t₂) отрицателен, компаратор 13 выключен и его выходное напряжение равно нулю.During the time until the output voltage of op-amp U 7 _vyh.OU (tt _2)> U _x (t), the input signal of the comparator U 13 -U _{+ -} = U _x (t) - U _vyh.OU (tt ₂₎ is negative, the comparator 13 is turned off and its output voltage is zero.

Когда же в момент времени t₃ входной сигнал компаратора 13 сравнивается с нулем
U_x(t₃) - U_вых.ОУ (t₃-t₂) = 0, (2) компаратор включается и на его выходе появляется положительный перепад (фиг.1,2).When, at time t _{3, the} input signal of the comparator 13 is compared with zero
U _x (t ₃ ) - U _{output OU} (t ₃ -t ₂ ) = 0, (2) the comparator is turned on and a positive difference appears at its output (Fig. 1,2).

Таким образом, время T_x' = t₃-t₂ линейного разряда конденсатора 2 до напряжения U_x(t₃) можно на основании выражений (1), (2) выразить в виде
T

=τ

. (3)
Выработанный при включении компаратора 13 (фиг.1) перепад переключит счетный триггер 5 и поступит на вход (3) схемы 12 запуска, являющийся дифференцирующим.Thus, the time T _x '= t ₃ -t _{2 of the} linear discharge of the capacitor 2 to the voltage U _x (t ₃ ) can be expressed on the basis of expressions (1), (2) in the form
T

= τ

. (3)
The difference generated when the comparator 13 was turned on (Fig. 1) will switch the counting trigger 5 and go to the input (3) of the triggering circuit 12, which is differentiating.

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. In the triggering circuit 12, the positive voltage drop generated by the comparator 13 and received at the input (3) of the circuit 12 and the clock input of the counting trigger 5 is differentiated and, in the form of a positive pointed pulse of short duration, after amplification by the power of the ignition circuit 11, ignites the key 10 on the thyristor, and the processes described below are repeated, with the exception of unlocking the locked key 9 on the dinistor.

На этом первый цикл преобразования в интервал времени T_x' мгновенного значения напряжения U_x (на момент t₃ - момент совпадения пилы, вырабатываемой интегратором, с напряжением U_х) заканчивается (фиг.2).On this, the first conversion cycle into the time interval T _x 'of the instantaneous voltage value U _x (at time t ₃ - the moment of coincidence of the saw produced by the integrator with voltage U _x ) ends (Fig.2).

Рассмотрим процесс отпирания ключа более подробно. Consider the process of unlocking the key in more detail.

После поджига тиристора ключа 10 на его катоде (1) напряжение скачком возрастает от преобразованного (текущего) значения U_x до фиксированного уровня U* = ₊U_ст - U_откр.After ignition of the thyristor of the switch 10 at its cathode (1), the voltage jumps from the converted (current) value U _x to a fixed level U * = ₊ U _st - U _open .

Этот перепад Δ U = U* - U_х(t₃) через конденсатор 2 поступает на анод (2) ключа 9 на динисторе, потенциал которого, как и потенциал инвертирующего входа ОУ 7, равен U_- = - U_x/K_u ≈ 0, где K_u > 700^о - коэффициент усиления по напряжению для выбранной микросхемы ОУ.This difference Δ U = U * - U _x (t ₃ ) through the capacitor 2 enters the anode (2) of the key 9 on the dinistor, the potential of which, like the potential of the inverting input of the OS 7, is U _- = - U _x / K _u ≈ 0, where K _u > 700 ^о is the voltage gain for the selected OA chip.

Отсюда следует, что перепад Δ U должен быть больше импульсного отпирающего напряжения тиристора:
Δ U > U_от.и.т (4) или
U_x < U* - U_от.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 Т_х, а условие (5) - для определения максимального значения преобразуемого напряжения
U_{x max} ≅ U* - U_от.и.т. (6)
Далее отметим, что, когда напряжение на выходе ОУ 7 в момент t₄(фиг.2) превысит U_х (в силу описанных процессов), напряжение на выходе компаратора 13 вновь станет равно нулю, как в интервале t₂ < t < t₃(фиг.2).It follows that the difference Δ U must be greater than the pulse unlocking voltage of the thyristor:
Δ U> U _O.I.T (4) or
U _x <U * - U _ot.i.t. (5)
Hence, condition (4) is obviously necessary to ensure the continuity of the conversion process by automatically starting the device each time condition (2) is satisfied, which, in turn, is necessary to increase the time density of the generated intervals T _x , and condition (5) to determine the maximum converted voltage values
U _{x max} ≅ U * - U _ot.i.t. (6)
Further, we note that when the voltage at the output of the op-amp 7 at time t ₄ (Fig. 2) exceeds U _x (due to the described processes), the voltage at the output of the comparator 13 again becomes zero, as in the interval t ₂ <t <t ₃ (figure 2).

Итак, в момент t₄ напряжение на выходе ОУ 7 вновь станет максимальным и равным U_вых ⁽⁺⁾, после чего начнется второй цикл преобразования U_x(t₅) ->> T_x'' (фиг.2).So, at time t _{4, the} voltage at the output of the op-amp 7 will again become maximum and equal to U _o ⁽⁺⁾ , after which the second conversion cycle U _x (t ₅ ) - >> T _x '' will begin (Fig. 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 U_вых ⁽⁺⁾, проходит время τ_и≈ const.As follows from figure 2, from the moment the input signal of the comparator 13 coincides with zero at time t ₃ (t ₅ , ...) until time t ₄ (t ₆ , ...), when the voltage at the output of the op-amp 7 becomes equal to U _o ⁽⁺⁾ , time passes τ _and ≈ const.

Это объясняется тем, что в это время происходит включение компаратора, нарастание выходного сигнала, включение ключей 10, 9, выключение ключа 8 и заряд накопительного 2 элемента, спад выходного сигнала ОУ 7 от уровня U_x t₃(t₅, ...) до уровня U_вых ^(-), выключение ключей 10, 9, включение ключа 8 и нарастание выходного сигнала ОУ 7 до уровня U_вых ⁽⁺⁾ (с последующим выключением компаратора).This is explained by the fact that at this time the comparator is turned on, the output signal increases, the keys 10, 9 are turned on, the key 8 is turned off and the accumulative 2 elements are charged, the output signal of the op-amp 7 drops from the level U _x t ₃ (t ₅ , ...) to the level U _o ^(-) , turning off the keys 10, 9, turning on the key 8 and increasing the output signal of the op-amp 7 to the level U _o ⁽⁺⁾ (followed by turning off the comparator).

В действующем макете преобразователя время τ_и получилось равным 2,1 мкс, т.е. условие T_х >> τ_и легко выполнимо путем подбора опорного напряжения +U_o и постоянной времени цепи разряда τ = R₆C₂.The current layout of the inverter time τ _and was found to be 2.1 microseconds, ie condition T _x >> τ _{and is} easily satisfied by selecting the reference voltage + U _o and the time constant of the discharge circuit τ = R ₆ C ₂ .

В результате работы преобразователя на его выходной шине получаем сигнал в виде знакочередующихся П-импульсов, каждый из которых имеет длительность τ_x = Т_х + τ_и≈ Т_х, где τ_и = const.As a result of the operation of the converter on its output bus, we obtain a signal in the form of alternating P-pulses, each of which has a duration of τ _x = T _x + τ _and ≈ T _x , where τ _and = const.

При этом каждый П-импульс содержит информацию о мгновенном значении преобразуемого входного сигнала на момент его окончания в виде составляющей Т_х длительности (интервала) τ_x, а не его интеграла по времени в течение такта заряда накопительного элемента, что повысило точность преобразования при изменяющемся входном напряжении U_х(t).Moreover, each P-pulse contains information about the instantaneous value of the converted input signal at the time of its completion in the form of a component T _{x of the} duration (interval) τ _x , and not its integral over time during the charge cycle of the storage element, which increased the conversion accuracy with a varying input voltage U _x (t).

Кроме того, повышено быстродействие за счет изменения линейного закона заряда накопительного элемента на скачкообразный, исключения времени удержания нулевых начальных условий от момента окончания одного преобразования до начала следующего цикла преобразования, а также асинхронного характера работы преобразователя (в прототипе - синхронный характер с Т_{преобр.} = max, определяемым максимальным значением преобразуемого сигнала U_{x max}).Further, improved performance by changing the linear law storage element charge on spasmodic exceptions retention time zero initial conditions from the moment of closure of conversion before the next conversion cycle, and the asynchronous nature of the converter (in the prototype _-. Synchronous character T _Conv = max determined by the maximum value of the converted signal U _{x max} ).

Таким образом, положительный эффект при предлагаемом преобразовании достигается за счет сокращения времени заряда накопительного элемента в максимально возможной степени таким образом, чтобы время цикла преобразования практически состояло бы из времени быстрого заряда накопительного элемента до фиксированного значения и времени последующего, сравнительно медленного линейного его разряда до совпадения этого линейно-изменяющегося напряжения с текущим значением преобразуемого напряжения U_x, после чего должен снова следовать быстрый заряд накопительного элемента и последующий линейный разряд и т.д.Thus, the positive effect in the proposed conversion is achieved by reducing the charge time of the storage element as much as possible so that the conversion cycle time practically consists of the time of fast charge of the storage element to a fixed value and the time of its subsequent, relatively slow linear discharge until it coincides of this ramp with the current value of the converted voltage U _x , after which the fast th charge of the storage element and subsequent linear discharge, etc.

При таком подходе дополнительно обеспечивается возможность преобразования не только положительных, но и отрицательных напряжений U_x.With this approach, it is additionally possible to convert not only positive, but also negative voltages U _x .

При этом при равенстве +U_ст = U_ип1, -U_ст = U_ип2 был практически достигнут следующий рабочий диапазон изменения преобразуемого напряжения U_x:
-U_ст + (2,4 ± 0,10)В ≅ U_x ≅ +U_ст -
(4,8 ± 0,10)В.Moreover, with the equality + U _st = U _un1 , -U _st = U _un2 , the following working range of change of the converted voltage U _x was practically achieved:
-U _st + (2.4 ± 0.10) V ≅ U _x ≅ + U _st -
(4.8 ± 0.10) B.

Для осуществления быстрого заряда накопительного элемента необходимо использовать ключи, в качестве которых можно использовать переключатели электрических сигналов (токовые ключи), например К149КТ, последовательные интегральные прерыватели, например К162КТ1, аналоговые ключи со схемами управления, например 590КН4, тиристоры например, 2У105Б, КУ101А и др. To carry out a fast charge of the storage element, it is necessary to use keys, which can be used as electrical signal switches (current switches), for example K149KT, serial integrated circuit breakers, for example K162KT1, analog keys with control circuits, for example 590KN4, thyristors for example 2U105B, KU101A, etc. .

Из всех видов ключей наибольший коммутируемый импульсный ток у тиристоров (до нескольких ампер), у всех остальных - единицы - сотни миллиампер. Of all the types of switches, the thyristors have the largest switching pulse current (up to several amperes), and all the others have units — hundreds of milliamps.

Кроме того, тиристоры обладают свойством автоматически отключаться, когда ток, протекающий через них, становится меньше удерживающего тока при малых напряжениях в открытом состоянии. In addition, thyristors have the ability to automatically turn off when the current flowing through them becomes less than the holding current at low voltages in the open state.

Иными словами, тиристор достаточно открыть даже коротким импульсом, а закроется он автоматически только после заряда накопительного элемента до фиксированного напряжения. Во время заряда в тиристоре (тринисторе) вырабатывается (при катодном управлении) положительное смещение, которое можно использовать для удержания ключа 8 в закрытом состоянии, используя общие цепи управления этого ключа и тиристора (ключа 10), с тем чтобы короткий импульс поджига последнего закрывал одновременно ключ 8, а по окончании заряда, наоборот, ключ 8, автоматически открываясь, вырабатывал бы, в свою очередь, напряжение смещения, являющееся обратным по отношению к полярности импульса поджига и удерживающее тиристор (ключ 10) в запертом состоянии в течение всего времени выработки линейно-изменяющегося напряжения схемой 1 разряда (до выработки следующего импульса поджига). In other words, it is enough to open the thyristor even with a short pulse, and it will close automatically only after the storage element is charged to a fixed voltage. During the charge, a positive bias is generated in the thyristor (trinistor) (under cathodic control), which can be used to keep the key 8 closed, using the common control circuits of this key and the thyristor (key 10), so that the short ignition pulse of the latter closes simultaneously key 8, and at the end of the charge, on the contrary, key 8, opening automatically, would generate, in turn, a bias voltage that is inverse to the polarity of the ignition pulse and keeps the thyristor (key 10) locked condition during the entire time generating a linearly varying voltage circuit 1 of the discharge (ignition until the next pulse generation).

Кроме того, поскольку тиристоры представляют собой четырехслойные структуры p-n-p-n-типа, т. е. в электрическом отношении эквивалентны двум p₁-n₁-p₁- и n₂-p₂-n₂-транзисторам, соединенным следующим образом: база (n₁)
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.In addition, since thyristors are pnpn-type four-layer structures, i.e., they are electrically equivalent to two p ₁ -n ₁ -p ₁ - and n ₂ -p ₂ -n ₂ transistors connected as follows: base (n ₁ )
the first - with the collector (n ₂ ) of the second, the collector (p ₁ ) of the first - with the base (p ₂ ) of the second. For the composite thyristor thus obtained, the emitter (p ₁ ) of the first transistor is the anode, the emitter (n ₂ ) of the second is the cathode, the base (p ₂ ) of the second, the collector (p ₁ ) of the first is the control electrode (UE) of the cathode control.

Подбирая транзисторы с соответствующими параметрами, можно получать тиристоры с необходимыми свойствами, в частности, по времени включения t_вкл, выключения t_выкл, по импульсному отпирающему напряжению U_от.и.Т, в том числе на УЭ тринистора U_у.от.и.Т, по максимально допустимому постоянному прямому напряжению в закрытом состоянии U_{пр.закр max}T (напряжению отпирания), по максимально допустимому импульсному току в открытом состоянии T_{откр.и max} и т.д.Selecting transistors with the appropriate parameters, it is possible to obtain thyristors with the necessary properties, in particular, by turning on time t _on , turning off t _off , using a pulse unlocking voltage U _from.and. T, including on the UE of the trinistor U _at.ot.i. T, according to the maximum permissible direct forward voltage in the closed state U _{pr.close max} T (unlock voltage), according to the maximum permissible pulse current in the open state T _open and _max , etc.

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. Due to the achieved positive effect as a result of the conversion, output alternating pulses began to have the maximum possible density in time: the front of each subsequent pulse began to serve simultaneously as a cut of the previous one.

Частота F_вых сигнала на выходной шине Т_х за счет деления частоты выходных импульсов компаратора 13 триггером 5 в два раза ниже частоты преобразования F_х, 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.The frequency F of the _output signal on the output bus T _x by dividing the frequency of the output pulses of the comparator 13 by trigger 5 is two times lower than the frequency of the conversion F _x equal to the frequency of the output pulses of the comparator 13, which leads to a narrowing of the frequency band generated by the signal converter (alternating P-pulses ) and, which is very important to reduce the level of Raman interference, to effectively suppress the second harmonic of the carrier.

Частоту преобразования F_х = 1/τ_x всегда можно определить по теореме отсчетов Котельникова-Шеннона, выбирая ее по соотношению F_x ≥ 2F_в, где F_в - верхняя частота спектра входного (преобразуемого) сигнала, которая, в свою очередь, легко определяется по спектроанализатору.The conversion frequency F _x = 1 / τ _x can always be determined by the Kotelnikov-Shannon sampling theorem, choosing it by the relation F _x ≥ 2F _в , where F _в is the upper frequency of the spectrum of the input (converted) signal, which, in turn, can be easily determined by spectrum analyzer.

Поэтому практически длительность цикла преобразования
τ_x = 1/F_x ≅ 1/2F_в.Therefore, almost the duration of the conversion cycle
τ _x = 1 / F _x ≅ 1 / 2F _c .

Кроме того, за счет того, что τ_и < Т_х, получаем для определенной по теореме отсчетов Котельникова-Шеннона длительности цикла преобразования τ_x≅ 1/2F_в и равного τ_x = Т_х + τ_и , максимально возможные интервалы Т_х, что также приводит к расширению каждого вырабатываемого П-импульса.In addition, due to the fact that τ _and <T _x , we obtain for the conversion cycle duration τ _x ≅ 1 / 2F _в defined by the Kotelnikov-Shannon sampling theorem and equal to τ _x = T _x + τ _and , the maximum possible intervals T _x , which also leads to the expansion of each generated P-pulse.

Таким образом, полученные в результате преобразования П-импульсы обладают наибольшей плотностью во времени и наиболее узким спектром частот, что дает возможность использовать преобразователь в качестве модулятора в устройствах магнитной видеозаписи и передачи информации в линиях связи с частотно-импульсным представлением данных, а также в аналого-цифровых преобразователях с высоким быстродействием при преобразовании входных напряжений U_x как положительной, так и отрицательной полярности.Thus, the P-pulses resulting from the conversion have the highest density in time and the narrowest frequency spectrum, which makes it possible to use the converter as a modulator in devices for magnetic video recording and information transfer in communication lines with pulse-frequency data representation, as well as in analog -digital converters with high speed when converting input voltages U _x both positive and negative polarity.

Claims (2)

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ В ИНТЕРВАЛ ВРЕМЕНИ, содержащий цепь заряда накопительного элемента, первый вывод кторой является шиной нулевого потенциала, цепь разряда накопительного элемента, выполненную на резисторе, ключе и операционном усилителе, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом накопительного элемента и через резистор - с выходом источника опорного напряжения, неинвертирующий вход является шиной нулевого потенциала, а выход через ключ соединен с вторым выводом накопительного элемнета, блок управления, отличающийся тем, что в него введен триггер, цепь заряда накопительного элемента выполнена на двух тиристорах, катод первого из которых является первым выводом цепи заряда накопительного элемента, а анод соединен с первым выводом накопительного элемента, второй вывод которого соединен с катодом второго тиристора, анод которого подключен к положительному выводу источника стабилизированного напряжения, а шина катодного управления объединена управляющим входом ключа и подключена к первому выходу блока управления, второй выход которого соединен со счетным входом триггера, выход которого является выходной шиной преобразователя, входной шиной которого является первый вход блока управления, второй и третий входы которого соединены соответственно с отрицательным выводом источника стабилизированного напряжения и выходом операционного усилителя, при этом блок управления выполнен на компараторе, схеме поджига в виде усилителя мощности, схеме запуска, резистивном делителе и генераторе запуска, выход которого соединен с первым выводом резистивного делителя, второй вывод которого является вторым входом блока управления, а третий вывод соединен с первым входом схемы запуска, второй вход которой объединен с инвертирующим входом компаратора и является третьим входом блока управления, третий вход подключен к выходу компаратора и является вторым выходом блока управления, а выход соединен с входом усилителя мощности, выход которого является первым выходом блока управления, первым входом которого является неинвертирующий вход компаратора. 1. VOLTAGE CONVERTER IN THE INTERVAL OF TIME, containing the charge circuit of the storage element, the first terminal of which is the zero potential bus, the discharge circuit of the storage element made on the resistor, key and operational amplifier, the inverting input of which is connected to the first output of the storage element and through the resistor to the output of the reference voltage source, the non-inverting input is a bus of zero potential, and the output through the key is connected to the second output of the storage element, the control unit, I distinguish In that the trigger is inserted into it, the charge circuit of the storage element is made up of two thyristors, the cathode of the first of which is the first output of the charge circuit of the storage element, and the anode is connected to the first output of the storage element, the second output of which is connected to the cathode of the second thyristor, the anode of which connected to the positive terminal of the stabilized voltage source, and the cathodic control bus is connected to the control input of the key and connected to the first output of the control unit, the second output of which is connected with a counting input of the trigger, the output of which is the output bus of the converter, the input bus of which is the first input of the control unit, the second and third inputs of which are connected respectively to the negative output of the stabilized voltage source and the output of the operational amplifier, while the control unit is made on a comparator, the ignition circuit in in the form of a power amplifier, a trigger circuit, a resistive divider and a trigger generator, the output of which is connected to the first output of the resistive divider, the second terminal of which is the second input of the control unit, and the third output is connected to the first input of the start-up circuit, the second input of which is combined with the inverting input of the comparator and is the third input of the control unit, the third input is connected to the output of the comparator and is the second output of the control unit, and the output is connected to the input of the amplifier power, the output of which is the first output of the control unit, the first input of which is the non-inverting input of the comparator. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что схема запуска выполнена на резисторе, диоде и конденсаторе, первый вывод которого объединен с катодом диода, с первым выводом резистора и является выходом схемы запуска, первым, вторым и третьим входами которой являются соответственно анод диода, второй вывод резистора и второй вывод конденсатора. 2. The Converter according to claim 1, characterized in that the trigger circuit is made on a resistor, diode and capacitor, the first output of which is combined with the cathode of the diode, with the first output of the resistor and is the output of the trigger circuit, the first, second and third inputs of which are respectively the anode diode, the second terminal of the resistor and the second terminal of the capacitor.

Images