Устройство для интегрирования постоянного тока

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕГРИРОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащее первый усилитель постоянного тока, первый вход которого соединен с выходом второго усилителя постоянногб тока, последовательно включенные пороговый элемент, счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к второму входу перво го усилителя постоянного тока, первый ключ, управляющий вход которого через одновибратор подключен к выходу порогового элемента, а первый вывод соединен с входом второго уси- , лителя постоянного тока, между вхо-. дом и выходом которого включен первый интегрируюпшй конденсатор, входной масштабный резистор, подключенный к входу второго усилителя постоянного тока, и первый ключ, отличающееся тем, что, с целью повышения точности интегрирова ния, в него введены второй интегрирующий конденсатор, источник напряжения смещения и второй ключ, управляющий вход которого подключен к выходу одновибратора, выход первого усилителя постоянного тока соединен с входом порогового элемента, выход второго усилителя постоянного тока - с выходом устройства, источник напряжения смещения подключен к первому выводу второго ключа, второй § интегрирующий конденсатор включен между вторыми выводами первого и (Л второго ключей и выходом первого усилителя постоянного тока. 2. Устройство поп.1,отличаю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения времени разряда интегрирующего конденсатора , в него введены дополнительный масштабный резистор и третий ключ, соединенные параллельно и подключенные последовательно с . входным масштабным резистором, при эо U) чем управляющий вход третьего ключа соединен с выходом одновибратора

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУ БЛИН

09) (И) С 06 G 7 18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ HSOEiPETEHHA И ОТКРЫТИЙ (21) 2620573/18-24 (22) 24.05.78 (46) 07.05.84. Бюл. 9 17 72) А.Я.Булгаков (53) 681.335(088.8) (56) l. Патент США М 3784919, кл. 328-127, опублик.1974

2. Аналоговая и аналого-цифровая вычислительная техника . Сб .статей.

Под ред.В.Б.Ушакова, вып.6. М., "Советское радио", 1973, с.190-195 (прототип). (54)(57) .1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕГРИРОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащее первый усилитель постоянного тока, первый вход которого соединен с выходом второго усилителя постоянного тока, последовательно включенные пороговый элемент, счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к второму входу первого усилителя постоянного тока, первый ключ, управляющий вход которого через одновибратор подключен к выходу порогового элемента, а первый вывод соединен с входом второго уси. лителя постоянного тока, между вхо-, дом и выходом которого включен первый интегрирукяций конденсатор, входной масштабный резистор, подключенный к входу второго усилителя постоянного тока, и первый ключ, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности интегрирова ния, в иего введены второй интегри рующий конденсатор, источник напряжения смещения и второй ключ, управляющий вход которого подключен к выходу одновибратора, выход первого усилителя постоянного тока соединен с входом порогового элемента, выход второго усилителя постоянного тока — с выходом устройства, источник напряжения смещения подключен к первому выводу второго ключа, второй интегрирующий конденсатор включен между вторыми выводами первого и второго ключей и выходом первого усилителя постоянного тока.

2. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности sa счет уменьшения времени разряда интегрирующего конденсатора, в него введены дополнительный масштабный резистор и третий ключ, соединенные параллельно и подключенные последовательно с . входным масштабным резистором, при чем управляющий вход третьего ключа соединен с выходом одновибратора

1091183

15

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может бьггь использовано для построения электронного интегратора с большим временем интегрирования.

Известны устройства для интегрирования, содержащие интегрирующий конденсатор, включенный в ц пь обратной связи усилителя постоянного тока, и цепь компенсации дрейфа (1) .

В данных устройствах точность интегрирования снижается из-за скачкообразного изменения напряжения на конденсаторе при его разряде.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для интегрирования постоянного тока, содержащее операционный интегрирующий усилитель, параллельно конденсатору которого подключен раз20 рядный ключ, выход интегрирующего усилителя подключен к входу суммирующего усилителя непосредственно и через последовательно соединенные поро-.

25 говый элемент, счетчик и преобразователь двоичного кода в напряжение постоянного тока j2) .

Недостатком известного устройства является то, что погрешность преобразования числа разрядов конденсатора в постоянный ток, которое осуществля-, ется реверсивным счетчиком и преобразователем двоичного кода в напряжение входит в погрешность интегрирования.

Цель изобретения — повышение точ- 35 ности интегрирования.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для интегрирования пОстОяннОГО тОка сОдержащее первый 40 усилитель постоянного тока, первый вход которого соединен с выходом второго усилителя постоянного тока, последовательно включенные пороговый элемент, счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к второму входу первого усилителя постоянного тока, первый ключ, управляющий вход которого через одновибратор подключен к выходу .50 порогового элемента, а первый вывод г соединен с входом второго усилителя постоянного тока, между входом и выходом которого включен первый интегрирующий конденсатор, входной

55 масштабный резистор, подключенный к входу второго усилителя постоянноrî тока, и первый ключ, введены вто.

P ой интегрирующий конденсатор, источник наьряжения смещения и второй ключ, управляющий вход которого подключен к выходу одновибратора, выход первого усилителя постоянного тока соединен с входом порогового элемента, выход второго усилителя постоянного токи с выходом устройства, источник напряжения смещения подключен к первому выводу второго ключа, второй интегрирующий конденсатор включен между вторыми выводами первого и второго ключей и выходом первого усилителя постоянного тока.

Кроме того, в устройство введены дополнительныи масштабный резистор и третий ключ, соединенные параллельно и подключенные последовательно с входным масштабным резистором, причем управляющий вход третьего ключа соединен с выходом одновибратора.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для интегрирования постоянного тока.

Устройство содержит первый усилитель 1 постоянного тока (УПТ), интегрирующий конденсатор 2, аналогоцифровой преобразователь 3, счетчик

4, пороговый элемент 5, ключи 6,7 и 8, второй усилитель 9 постоянного тока (УПТ) с интегрирующим конденсатором 10 в цепи обратной связи, одновибратор 11, масштабные резисторы

12 и 13, делитель напряжения на резисторах 14 и 15, резистор смещения

16, источник 17 напряжения смещения и дифференцирующий усилитель 18.

Конденсатор 2 подключен к выходу

УПТ 1, вторая его обкладка соединена с сигнальными входами ключей 6 и 7, сигнальные выходы которых подключены соответственно к входу УПТ

9 и источнику 17 напряжения смещения, Ключи 6, 7 и 8 управляются с выхода порогового элемента 5 через одновибратор 11. Ключи 6 и 8 размыкающие, а ключ 7 замыкающий. УПТ 9 охвачен параллельной отрицательной обратной связью (OOC) по напряжению через конденсатор 10, напряжение U g подается на вход УПТ 9 через последовательно соединенные масштабные резисторы 12 и 13, резистор 13 зашунтирован ключом 8. Выход УПТ 9 соединен с неинвертирующим входом

УПТ 1 и является общим выходом.

УПТ l охвачен последовательной OOC!

091183 по напряжению чсра:з резисторы 14 и

15 делителя, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференцирующего усилителя 18.

Устройство для интегрирования работает следуюш " образом.

УПТ 9 охвачен параллельной ООС по напряжению через усилитель I,кон-. денсатор 2 и ключ 6, что обеспечиваег ..интегрирование напряжения. Конденсатор 1О

l0 совместно с УПТ 9 является интегратором. Однако в предлагаемом устройст.

-ве наличие конденсатора 10 необязательно.

УПТ 1 охвачен дискретной ООС по напряжению через пороговый элемент 5, счетчик 4 и преобразователь 3. Дейст-. вие данной ООС таково, что она исключает насыщение УПТ 1: при приближении напряжения 0,„1к любому уровню ограничения пороговый элемент 5 изме няет свое состояние, соответствующий импульс или перепад напряжения записывается счетчиком 4, напряжение 0см получает приращение, в результате рабочая точка УПТ I удаляется от того напряжения ограничения, к которому она приблизилась, оставаясь в пределах линейного участка амплитудной характеристики усилителя .

Реакция порогового элемента 5 и счетчика 4 на противоположные уровни ограничения должна быть противоположной, поэтому счетчик 4 должен быть реверсивным, а пороговый элемент 5 должен иметь три состояния выхода.

Например, при напряжении 0

ЭЬ(Х4 вблизи положительного своего максимума элемент 5 вырабатывает положительный импульс, который увеличивает на 40 единицу число в счетчике 4 и через преобразователь 3 положительное напряжение ОсМ,, на конденсатор 2 поступает отрицательный перепад напряжения 0IIbl<<,на величину которого 45 он перезаряжается. При напряжении

011ьц, вблизи отрицательного своего максимума элемент 5 вырабатывает отрицательный импульс, он уменьшает на единицу число в счетчике 4 и 50 соответственно напряжение UСМ,,на

СМ! конденсатор 2 поступает положитель-; ный перепад, на величину которого он перезаряжается. В рабочем диапазоне напряжения08ы„ выходное напряжение 55

1 элемента 5 находится вблизи нуля, число в счетчике 4 и напряжение Оса, остаются неизменными, напряжениеllgy>gf изменяется как усиленнпя разность напряжения Ок„,„и напряжения смещения, пропорционального U ц„. В результате существует однозначная связь между числом перезарядов конденсатора 2 на величину перепада напряжения

0 и, с учетом полярности перепада и приращением напряжения V -+ с учетом

1 знака приращения, что можно определить как реверсивное преобразование числа перезарядов конденсатора 2 в напряжение постоянного тока, осуществляемое элементами 5, 4 и 3. Тот факт, что изменение напряжения постоянного тока предшествует перезаряду конденсатора, а не наоборот, как это имеет место в известном устройстве, не имеет существенного значения с точки зрения формапьной функциональной связи.

Если в устройство ввести генератор импульсов и логический вентиль между ним и входом счетчика 4, управляемый элементом 5, то последний должен иметь только два состояния выхода, соответствующие открыванию или закрыванию логического вентиля, а счетчик

4 может быть нереверсивным. При этом если число в нем должно быть уменьше- но, он под действием выходных импульсов логического вентиля насыщается, затем с нуля увеличивает свое число до уровня, при котором напряжение

0<,„ уходит От уровня насыщения а логйческий вентиль закрывается. В процессе такого переходного процесса отсутствует однозначная связь между числом перезарядов конденсатора 2 и приращением напряжения Осц,, но после завершения переходного процесса однозначная связь восстанавливается °

Напряжение IIIIblKg дифференцируется конденсатором 2, ток которого через ключ 6 поступает на вход УПТ 9 в качестве тока дифференцирующей ООС. Работа устройства невозможна без форсированного разряда (перезаряда) конденсатора 2 на величину скачка напряжения О ы„„, причем импульсный ток перезаряда конденсатора не должен вызывать значительной погрешности интегрирования. Это достигается тем, что перезаряд конденсатора 2 осуществляется через ключ 7, который замы кается под действиеМ импульса одновибратора 11, вырабатываемого при поступлении сигнала с выхода порогового элемента 5, и через источник 17

1091183 напряжения смещения. Ключ 6 тем же импульсом размыкается, не пропуская на вход УПТ 9 ток помехи. Напряжение Ц „ выравнивает потенциал конденсатора 2 с потенциалом входа 5

УПТ 9, что необходимо для исключения значительного переходного процесса после возврата схемы в исходное состояние и соответствующей погрешности.

При разомкнутом ключе 6 и отсутствии конденсатора 10 усилитель 9 под действием тока входит в насыщение и напряжение Ul!b1y содержит параэитный импульс,который вносит допол- 15 нительную ошибку, а также .вызывает сбой УПТ 1 и его цепи дискретной

ООС, если. в них отсутствует цепь подавления такого импульса. Конденсатор 10, имеющий емкость в несколько 20

pas меньше емкости конденсатора 2, эффективно устраняет его, если на время перезаряда конденсатора 2 ток

1 » уменьшается до величины тока через конденсатор 10 при замкнутом 2 ключе 6, т.е. во столько раз, во скольк6 раз сумма токов через конденсаторы 2 и 10 меньше тока через к"..-1денсатор 10."При этом, если.отсут ствуют паразитиые токи на входе 30

УПТ 9, процесс иитегрйрования продолжается с прежним коэффициентом передачи. При наличии паразитных токов погрешность интегрирования в течение времени переэаряда воэрастаетз во столько раз, во сколько раз умень шается ток I>», однако она меньше, чем при отсутствии конденсатора 10.

Если же эту погрешность привести ко всему времени цикла интегрирова 4р ния между соседними перезарядами, то она окажется весьма незначительной ввиду относительной кратковременности перезаряда. Коммутацию тока 1

8» осуществляет ключ 8

Важной комплексной характеристикой интеграторов постоянного тока является произведение объема интегрирующего конденсатара на погреш-. ность н на величину, обратную времени интегрирований. Действительно, если интегрирование начинается с напряжения на конденсаторе U = О, то с при времени интегрирования Т и

И емкости конденсатора С средний ток

И через конденсатор

С сср ",„(1)

При постоянной величине паразитных токов, которые вызывают часть ошибк». интегрироваж я 5>, она обратно пропорциональна 1 . Произведение С и прямо пропорционально объему t конденсатора одного типа. При этом из (1) следует, что И С„

Т„= м, (2) где К„сооМ. .

По обычному способу интегрирова-: ния (например конденсатором 101 весь ток I участвует в интегрировании, поэтому, например, увеличение I сср для снижения о1, неизбежно вызывает увеличение правой части (!) и согласно 2) ухудшение отношения V< /I„ реимущество предлагаемого устройства по сравнению с известным заключа ется в том, что коэффициент К при прочих равных условиях меньше. Так как данный эффект непосредственно вызван исключением погрешности преобразования числа разрядов конденсатора в постоянный ток иэ погрешности. интегрирования, его можно рассматривать как уменьшение погрешности инФ тегрирования.

1091183

Составитель С.Белан

Редактор И.Рачкулинец . Техред N.Тенер Корректор А.Дзятко

Заказ 3082/46 Тираж 699 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4