172591. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés feszültségfrekvencia átalakító linearitási hibájának csökkentésére
5 172591 6 Az 1. ábra szerinti alapkapcsolásnak a 4 kimenetén megjelenő feszültségét az idő függvényében — ha a 6 ellenállás értéke 0 - a 2. ábra szaggatott vonalú függvényábrája mutatja. A lineárisan emelkedő feszültség meredeksége: i/C. Az átkapcsoláshoz tartozó késleltetés miatt a feszültség nem a komparálási szint B pontjáig, hanem ezen túlemelkedik, s így a töltés időtartama T helyett T +_Ar, vagyis a jelváltás később következik be. A At késleltetési idő miatt a periódusidő a referenciától függetlenül megnövekszik, így a frekvancia az arányos értéknél kisebb, tehát a frekvencia a feszültséggel nem lineárisan növekedik. Ha a találmány szerint az 5 kondenzátorral sorba kapcsolunk egy R0 értékű ohmos 6 ellenállást, akkor a kimenő feszültséghez a kapcsolás pillanatában az i • R<, érték hozzá adódik. A kimenőfeszültség függvényábrája ily módon a szaggatott vonallal párhuzamos folytonos vonal lesz és a kimenő feszültség a komparálási szintet a B pontnál korábbi A pontban éri el. A kapcsolási késedelem miatt a jelváltás csak a D pontban következik be, amely a 6 ellenállás R„ értékének helyes megválasztása esetén éppen a T időpontban van. A helyes kompenzálás feltétele, hogy C • Ro = At legyen. A 3. ábrán felrajzoltuk a polaritás-kapcsolós átalakító integrátorának kimenő feszültségét, mindkét félperiódusra. Az ábrán Tp teljes periódus időt, ic töltő és iD kisütő áramot ábrázoltuk. Az I töltési periódus kezdetén a kisütő áram zérusra csökken, ez felel meg a koordináták metszéspontjának (E pont, alsó komparálási szint). Az E pontban a polaritás kapcsoló kapcsolja az ic töltőáramot. A töltőáram bekapcsolásának hatására egy ic- R0 mértékű feszültségugrás jelenik meg az integrátor kimenetén és ettől kezdve az integrátor kimenő feszültsége ic/C meredekséggel növekszik a Tp/2 időpontig (D pont). Itt fejeződik be a töltési periódus, a töltőáram zérusra csökken és egy, az előbbivel azonos értékű, de ellentétes előjelű feszültségugrás jelenik meg az integrátor kimenetén. Ezzel az integrátor kimenő feszültsége a felső komparálási szintre (F pont) ugrik vissza. Ugyancsak a Tp/2 időpontban kezdődik a kisülési periódus a kisütő áram bekapcsolásával. Amikor a polaritás-kapcsoló a kisütő áramot bekapcsolja, az integrátor kimenő feszültsége a felső komparálási szintről iD* R<, értékkel negatív irányba ugrik, majd innen a II kisütő periódus alatt a negatív előjelű iD/C meredekséggel változik a Tp teljes periódusidő végéig, itt a töltőáram kikapcsolásának hatására ismét a bekapcsolás hatására az F pontban bekövetkezett feszültségugrással azonos, de ellentétes irányú feszültségugrás következik be és az integrátor kimenő feszültsége ismét az alsó komparálási szinttel lesz egyenlő, miáltal itt újra kezdődik a töltési periódus. A 6 ellenállás Ro értékének meghatározásához a A t késleltetési idő értékét méréssel, pl. kétsugaras oszcilloszkóppal határozhatjuk meg. A mérés egyik lehetséges módja az, hogy leválasztjuk az integrátor 4 kimenetére csatlakozó komparátor bemenetet és ezt egy négyszögjellel oly módon vezéreljük, hogy a négyszögjel fel-, illetve lefutó éle a komparálási szinteken áthaladjon. Ezek után, ha az átalakító bemenetére a négyszögjel frekvenciájából és az átalakító átalakítási tényezőjéből meghatározott értékű, vagy ennél kisebb feszültséget kapcsolunk, az integrátor 4 kimenetén úgynevezett háromszögjelet (feszültséget) kapunk. A kétsugaras oszcilloszkóp egyik bemenetére a négyszögjelet, a másikra pedig az integrátor háromszögjelét csatlakoztatjuk, az oszcilloszkóp ernyőjén megjelenő két jelből a A t késleltetési idő értéke leolvasható. Ha a négyszögjel fel-, illetve lefutása és a háromszögjel csúcspontja egy időpontra esik (egymás alatt van), A t = 0, ha nem, az ettől való eltolódása a keresett A t késleltetési idő értékével egyenlő. Természetesen, ha a késleltetést okozó elemek késleltetései katalógusadatokból rendelkezésre állnak, a At késleltetési idő számítható is. Az 5 kondenzátor C kapacitásának értéke az átalakító méretezése során kerül meghatározásra. Legyen A r = 300 ns és C = 100 pF, akkor Ro= A t/C = 300 • 1(T9/100 • 10'12 =3 Kohm A fenti késési időből adódó linearitási hiba a találmány szerinti kompenzálás alkalmazása nélkül 0—10 kHz tartományban kb. 1%, ez a fentiek szerint meghatározott Rq értékű kompenzáló 6 ellenállás beiktatásával kb. 1/10-ére, tehát ,1%-ra csökkenthető. Az előbbiekben a kompenzáló elemek értékének meghatározásához azt a megszorítást tettük, hogy a kapcsolási késleltetésekből adódóan A r késleltetési idő frekvencia-független és a ki-, illetve bekapcsolásra azonos értékű. Mivel ez csak közelítés és az előbbi megszorítás csak bizonyos hibával teljesül, ez a tény okozza azt, hogy a fentiek szerint meghatározott Ro értékű 6 ellenállás kismértékű változtatásával a linearitási hiba tovább csökkenthető. Tehát a linearitási hiba tovább csökkenthető, ha a 6 ellenállást változtathatom képezzük ki, pl. potenciómétert használunk. A beállítást úgy végezzük, hogy először a potenciómétert beállítjuk az előbbiek szerint meghatározott R0 értékre. Ezután ellenőrizzük az átalakító linearitását. Ha nemlinearitást tapasztalunk, a nemlinearitás jellege szerint R0 értéknél kisebb, vagy nagyobb értéket állítunk be a pötencióméteren. Ezután újra ellenőrizzük a feszültség-frekvencia átalakító linearitását. Az eljárást addig ismételjük, amíg a hiba elhanyagolható értékű lesz, vagy tovább már nem csökkenthető. A kompenzáló 6 ellenállás kismérvű módosításával az előbbi példa adataival a linearitási hiba tovább csökkenthető 0,1%-ról 0,05-0,01%-ig. 2. példa (4-6. ábra) Polaritás kapcsolós átalakító bemeneti ohmos 7 ellenállásával párhuzamosan kapcsoljuk a C0 értékű kapacitással rendelkező kondenzátort. 5 10 15 20 25 30 '35 40 45 50 55 60 65 3
