Масштабный усилитель

 

: МАСШТАБНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ содержащий дифференциальный операционный усилитель, неинвертирующий вход которого является входом масштабного усилителя, и дшрадлельный делитель на . лрйжения, вход которого соединен с дифференциального операционного :усилителя, отличающийся тем, . что, с целью повьпиення точности масшта рования и быстродействия масилйеко го усилителя, в него введены иифроуправляемый делитель напряжения, два компаратора , элемент равнозначностн и реверсивный счетчик, входы которого подключены к прямому и инверсному выходам элемента равнозначности, а выход соединен с управляющим входом ии4фоуправляемого делителя напряжения, вклк ченного между выходом в шшертирукхцим входом дифференциального олерациовного усилителя, неинверщрующеЛ вход п вого компаратора и инвертирующий вход i (Л второго компаратора лощслючены к входу масштабного усшгателя, шюерткруюший вход первого компаратора и неинвертирующий вход второго компаратора соедивевы соответственно с выходом параллельного делителя напряжения и шиной вулевого потенциала, а выходы к ж«шараторов попключены к входам элемента рашвозначности . со К)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3c59 G 06 G 7/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ,.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3424479/1R-24 (22) 14. 04.82 (46) 23.08.83. Вюл. М 31 (72) Е. Н. Саладаев (71) Горьковский ордена Трудового Красного. Знамени политехнический институ"Ф им. А. А. Жданова

{53) 681, 335 (088.8) (56) 1. Алексенко А. Г., Коломбет Е.А. и Стародуб Г. И. Применение прецизион-: ных аналоговых ИС. М., «Советское радио, 1980, с. 8, рис. 2.

2. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л., Энергия", 1980, с. 64-66, рис. 4«1 (прототип) . (54) { 57) МАСШТАБНЪ|Й УСИЛИТЕЛЬ содержащий дифференциальный операцион« ный усилитель, неинвертирующий вход которого является входом масштабного

: усилителя, и,параллельный делитель на:пряжения, вход которого соединен с вы ходом дифференциального операционного

„„SU„„1037275 . A усилителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности масштабирования и быстродействия масштабно. го усилителя, в него введены цифрауправляемый делитель напряжения, два «омпаратора, элемент равнозначности и реверсивный счетчик, входы которого под-ключены к прямому и инверсному выходам элемента равнозначности, а выход соединен с управляющим входом цифро» управляемого делителя напряжения, включенного между выходом и инвержрующим входом дифференциального операционного усилителя, неинвертирующий вход первого комцаратора и инвертирующий вход второго компаратора подключены к входу масштабного усилителя, инверчщующий вход первого компаратора и неинвертирующий вход второго компаратора соединены соответственно с выходом параллельного делителя напряжения и ° шиной нулевого потенциала, а выходы компараторов подключены. к входам элемента равнозначности.

4 1037278 3

Поставленная цепль достигается тем, что в масштабный усилитель, содержащий дифференциальный операционный усилитель, иеинвертирующий вход которого является входом масштабного усилителя, и парал (лельный делитель напряжения, вход которого соединен с выходом дифференциаль ного операционного усилителя, введены аифроуправляемый делитель напряжения, два компаратора, элемент равноэначнос» ти и реверсивный счетчик, входы которо го подключены к прямому и инверсному выходам элемента равнозначности, а выход соединен с управляющим входом пирро-управляемого делителя напряжения, включенного между выходом и инвертируюшим входом дифференциального опера-., ционного усилителя, неинвертирующий вход первого компаратора и инвертируюший вход второго компаратора подключены к входу масштабного усилителя, инвертирующий вход первого компаратора и неинвертируюший вход второго компаратора соединены соответственно с выходом параллельного делителя напряжения и шиной нулевого потенциала, а выходы компараторов подключены к входам элемента равнозначности.

На чертеже представлена структурная схема масштабного усилителя

B масштабном усилителе выход дифференциального операционного усилителя

1 подключен к входам параллельного делителя 2 напряжения и цифроуправляемого делителя 3 напряжения, выход которого подсоединен к инверчмруюшему входу операционного усилителя 1. Выход парал лельного делителя 2 напряжения подклю . чен к инвертирующему входу первого компаратора 4, второй вход которого соединен с выходом источника входного сигнала. HHBepò рдеющий вход второго компаратора 5 подключен к выходу источника входного сигнала, а второй, вход - к об» шей шине. Выходы компараторов :4 и 5 соединены с входами элемента 6 равно эначности, выходы которого подключены к входам реверсивного счетчика 7. Выходы реверсивного счетчика 7 подключены

50 к управляющим входам цифроуправляемого делителя 3 напряжения, Неинвертирующий вход операционного усилителя 1 подключен к выходу источника входного сигналаф

Изобретение относится к измеритель- ной и вычислительной техникз и может быть использовано при построении точных быстродействующих устройств измерительной и аналоговой вычислительной 5 . техники.

Известен масштабный усилитель, по строенный цо схеме операционного усилителя с глубокой отрицательной обрат ной связью, В этом масштабном усили- >0 теле при достаточно большом коэффициенте усиления операционного усилителя коэффициент передачи определяется только резистивным делителем в цепи обратной связи операционного усилителя 1 ) . .!5

Недостатком этого масштабного уси лителя является необходимость использования для получения высокой точности прецизионных резисторов.

Наиболее близким по технической сущ«20 ности к предложенному является масштабный усилитель с усреднением ошибок резисторов, onðåöeëÿþùèx коэффициент передачи, содержащий операционный усилитель и дуальио-реверсивный делитель напря- 25 жения, состоящий из и одинаковых резисторов и переключателей, выход дуально-реверсивного делителя напряжения подключен к инвертырующему входу опе1 рационного усилителя, а резисторы через уй переключатели подключаются к обшей шине и к выходу операционного усилителя, Работа переключателей организуется таким образом, что rn резисторов подключаются к выходу операционного уси- 35 лителя У, а n -m резисторов - к общей шине. При этом коэффициент передачи схемы Кп = 1 + и-и)

Для усреднения погрешностей .резис-. торов осуществляется циклический сдвиг состояния переключателей при котором число резисторов, подключенных к выходу операционного усилителя и к общей шине, остается неизменным. При этом получается, что среднее значение коэф- фициента. передачи за цикл сдвига не зависит от погрешностей резисторов t 2) ..

Недостатком известного масштабного усилителя является низкое быстродействие, определяемое тем, что для обеспе« чения высокой точности верхняя гранйчная частота входного сигнала должна быть много меньше. частоты сдвига в пуально-реверсивном делителе напряжения.

Белью изобретения является повышение быстродействия и точности масштабирования масштабного усилителя.

55 Усилитель работает следующим образом.

Входной сигнал И ®, поступает на неинвертирующий вход операционного

78 . 4 репачи цифроуправляемого делителя 3 напряжения. Диапазон изменения коэффициента передачи цифроуправляемого делителя 3 напряжения при изменении кода счетчика от минимального до максималь» ного значения оказывается таким, что он перекрывает диалазон возможной погрешности делителя напряжения.

Начальное значение коэффициенте передачи цифроуправляемого делителя 3 напряжения (при среднем значении кода счетчика) выбирается из условия обеспечения расчетного значения коэффициента передачи масштабного усилителя е

Ко 1/Кп .

Компараторы 4 и 5, элемент 6 равнозначности и реверсивный счетчик 7 реализуют алгоритм подстройки коэффициента передачи масштабного усилители непосредственно в процессе его нормального функционирования путем коррекции коэффициента передачи цифроуправляемого делителя 3 напряжения в цепи отрицательйой обратной связи операционного усилителя 1. Алгоритм подстройки предстайляет ся в,виде

3 10372 усилителя 1, имекнцего некоторый коэффициент передачи Кп * 1/Кдц, где Кдц -. коэффициент передачи цифроуправляемого делителя 3 напряжения в цепи отрица тельной обратной связи операционного усилителя 1. Выходной сигнал операционного усилителя 1 ИрЬ!х посту вход параллельного делителя 2 напряжения; выходной сигнал:котороге сравни: вается первым компаратором 4 с входным10 сигналом .Н Вх ° Ha naP теле 2 напряжения устанавливается коэффициент передачи Кдр = 1 Кп где Кп".- требуемое значение коэффициента передачи масштабного усилителя. Если коэф- 35 фициент передачи цифроуправляем ого делителя 3 напряжения в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 1 удовлетворяет соотношению

Кдц 1/Кп, т. е. равен расчетному 20 значению, то среднее значение разности сигналов на входе первого компаратора

4 аИ за цикл сдвига в параллельном делителе 2 напряжения при любом значении входного сигнала, Ив„равно нулю. 25

При этом разность сигналов на входе первого компаретора, 4 ЬИ оказывается некоррелированной с входным сигналом И

sk

Если же «оэффициеит передачи цифроуправ"

}ляемого делителя 3 напряжения больше 30 ! расчетного значения Кдц = 1/Кп," т. е. больше коэффициента передачи параллельного делителя 2 напряжения, то (предполагая идеальность операционного усилителя) среднее значение выходного напряжения параллельного делителя 2 на35 пряжения по абсолютной величине меньше входного нпряжения Иах Если же коэффициент передачи цифроуправляемого

40 делителя 3 напряжения меньше расчетного значения, т. е, меньше коэффициента передачи параллельного делителя 2 напряжения, то среднее значение выходного найряжения параллельного делителя 2 напряжения по абсопютной величине больше входного напряжения. 1 аким образом, еели коэффициент передачи цифроуправляемого делителя 3 напряжения отличен от расчетного значения

l(от коэффициейта передачи дуельно-)еверсивного делителя напряжения), то разность входных сигналов первого компара- тора 4 оказывается коррелированной с .входным сигналом, так как среднее эна% чение разности д0 а g- — Ж вЂ” ц 55

К

Код с выходов реверсивого счетчика 7 корректирует значение коэффициента пеgn(tn+1)=Kn(tn)+f з1н)е (Un„(tn)j" н н,,(н (U (чн}-U (не} Knp(tn)), где, 1, если Х>О

-1 если Х О

Kn(tn}- — значение кое)фнннента

4 дц " передачи масштабного (М) усилителя в tn-й момент времени;

К (t n) -коэффициент передачи

Ац цифроуправляемого делителя 3 напряжения в фд-й момент времени;

„(Фn),0, „(tnt -значения-входного и вы ходного сигналов мас» штабного . усилителя в

1 -й момент времени; у - шаг коррекции;

К (М) ) — коэффициент передачи параллельного делителя .

2 напряжения в и-и т&ктее

Среднее значение коэффициента передачи параллельного делителя 2 непряже- ния за цикл сдвига Кдр * 1/Кн", где Кп расчетное значение коэффициента переда; чи масштабного усилителя.

Алгоритм подстройки мсвкио дояснить следующим образом. Если выходное йапряжение операционного усилителя 1 V8btx .:больше по абсолютной величине расчетйого значения И = И и ° Ке то средйве значение выходного напряжения параллельного делителя 2 напряжения по абсолютной величине превышает абсолютную величину входного налряжениа (Иб ) и эле5 мент 6 равнозна-яости выдает сигнал, уве:лч<-ва1< <ц.-.й содержимое реверсивного счетчика 7. При этом корректируется в сторону увеличения коэффициент передачи

10 цифроуправляем ого делителя 3 напряжения, т. е. увели -ивается глубина отрицательной обратной связи операционного усилителя 1 и уменьшается коэффициент передачи ма".цтабного усилителя Кп. Если же выходное напряжение И „,по абсолютной

15 вегпг-.и<а меньше расчетного значения

Ъ

И „. = И,- K, то среднее значение вътс,,"<л 3 <спряжения параллельного дели< теля 2:.лп;« ке<п|я по абсолютной вели» чине ме<п:пе абсолютной величины вход-.—

20 нога с<п па <а (И.. ), и элемент 6 равнозпа-г:соти выдает сигнал, уменьшающий содержимое реверсивного счетчика 7. При этом коэофц<иент передачи цифроуправляе"

25 мого делителя 3 напряжения уменьшается, т< е., уме<г шается глубина отрицательной обратной связи операционного усилителя

1,. а коэ<Ь1.ициепт передачи масштабного усил;-;те;<я К увеличивается. По окончат нии переходного процесса коэффициент пе- 0 реда:.в масштабного усилителя равен рас::етному зн<<чению (с точностью, определяемой шагом подстройки г ). Возникающая же в процессе работы нестабильность коэфф<шиента передачи масштабного уси- 35 лителя непрерывно отслеживается каналом подстройки и корректируется.

Предлагаемый масштабный усилитель обладает высоким быстродействием (по входному сигналу), определяемым только <0 динамическими характеристиками опера ционного усилителя 1, Нестабильность же коэффициента передачи схемы непре рывно отслеживается каналом подстройки (параллельный делитель 2 налряжения, 45 компараторы 4 и 8, элемент 6 равнозначности, реверсивный счетчик 7). При этом к ширине полосы пропускания канала подстройки особых требований не предьявляется, так как дрейф коэффициента передачи масштабного усилителя представляет собой достаточно низкочастотный процесс. Для устранения смешения нуля компараторов 4 и 5, которые могут быть реализованы по той же схеме, что и ос новной операционный усилитель 1, может быть использована периодическая коррекция дрейфа, а влияние шума компарато» ров устраняется за счет выбора шага подстройки у достаточно малой величины (т. е. за счет сужения полосы пропускания канала подстройки) или за счет дополнительного усреднения отсчетов в схеме равнозначности. Результирующая по = грешность коэффициента передачи рассматриваемой схемы определяется, в основном, только погрешностью параллельного делителя напряжения с циклической коммутацией резисторов, которая достаточно мала даже без использования точных ре зисторов.

Результаты моделирования предлагае мой структуры на ЭББМ и эксперименталь ного исследования макета устройства свидетельствуют о том, что при использо вании резисторов класса точности + 1% погрешность предлагаемого масштабного усилителя находится на уровне + 0,01%.

При этом снижение погрешности с уровня 1% до уровня + 0,1% происходит за 50-100 тактов, а до уровня + 0,01%за 1000-5000 тактов работы устройства.

Полоса же пропускания предлагаемой схемы по входному сигналу определяется только динамическими характеристиками операционного усилителя,- и при использовании усилителя типа 574УД1 верхняя граничная частота достигает нескольких мегагерц.

Составитель С. Белан

Редактор .О. Половка Техред М.Коштура Корректор Поаис

Заказ 6012/51 Тираж 706 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4