Квадратор

 

КВАДРАТОР, содержащий нагреватель , подключенный к входу квадратора , и термоэлектрический элемент, установленные в тепловом контакте между собой, усилитель и импульсный модулятор, выход которого подключен к термоэлектрическому элементу и вьс40ду квадратора, отличающийс я тем, что, с целью повышений быстродействия , в него введены два управляемых ключа, интегратор и блок синхронизации ,- выходы которого подключены соответственно к управляющим входам управляемых ключей и управляющему входу импульсного модулятора, термоэлектрический элемент через первый управляемый ключ подключен к рходу усилителя , выход которого через второй g управляемый ключ подключен к входу интегратора.

„„Я0„„1103247

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК зСю С 06 G 7/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЬЫВЛЯОХИЬА

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3419655/18-24 (22) 09.04.82 (46) 15.07.84. Бюл. Ф 26 (72) Ю.С.Мальцев и В.Д.Шевченко (71) Омский ордена Ленина завод электрических точных приборов (53) 681.335(088.8) (56) 1. Попов В,С. Металлические подогреваемые сопротивления в электроизмерительной технике и автоматике.

М., "Наука", 1964, с. 115-127, рис. 11-14.

2. Авторское свидетельство СССР

1Ф 813464, кл. G 06 G 7/20, 1981 (прототип) . (54) (57) КВАДРАТОР, содержащий нагреватель, подключенный к входу квадратора, и термоэлектрический элемент, установленные в тепловом контакте между собой, усилитель и импульсный модулятор, выход которого подключенк термоэлектрическому элементу и выходу квадратора, о т л и ч а ю щ и Йс я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены два управляемых ключа, интегратор и блок синхронизации,. выходы которого подключены соответственно к управляющим входам. управляемых ключей и управляющему входу импульсного модулятора, т рмоэлектрический элемент через первьй управляемый ключ подключен к входу усилителя, выход которого через второй Я управляемый ключ подключен к входу интегратора.

1 11оз

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, в частности к устройствам для возведения в квадрат электрических сигналов.

Известны квадраторы, содержащие нагреватель и датчик температуры, находящийся на тепловом контакте с нагревателем (1J.

Недостатки таких квадраторов заключаются в низкой чувствительности и 10 ограниченном динамическом диапазоне входных сигналов, что объясняется перегревом элементов квадратора относительно температуры окружающей среды.

Наиболее близким к предлагаемому является квадратор, содержащий нагреватель, термоэлектрический охладитель и датчик температуры, соединенные с помощью теплопроводящих элементов между собой, а также усилитель и импуль- 2, сный модулятор, причем вход усилителя соединен с выходом датчика температуры, выход усилителя — с входом импульсного модулятора, выход которого соединен с цепью питания термоэлек ъ5 трического элемента и с выходной клеммой квадратора (21.

Недостатком известного устройства является низкое быстродействие,обусловленное запаздыванием, вносимым теплопроводящими элементами, соединяющими термоэлектрический охладитель и датчик температуры между собой, а также инерционность этих элементов.

Цель изобретения — повышение быст-З5 родействия квадратора.

Поставленная цель достигается тем, что в квадратор, содержащий нагреватель, подключенный к входу

«40 квадратора, и термоэлектрический элемент, установленные в тепловом контакте между собой, усилитель и импульсный модулятор, выход которого подключен к термоэлектрическому элемен45 ту и выходу квадратора, введены два управляемых ключа, интегратор и блок синхронизации, выходы которого подключены соответственно к управляющим входам управляемых ключей и управляющему входу импульсного модулятора, 50 термоэлектрический элемент через первый управляемый ключ подключен к входу усилителя, выход которого через второй управляемый ключ подключен к входу интегратора.

Такое выполнение квадратора позволяет повысить его быстродействие за счет исключения запаздывания между

247 2 чувствительным элементом (датчиком температуры) и исполнительным элементом (термоэлектрическим охладителем), а также эа счет уменьшения постоянной времени (массы) элементов квадратора.

На фиг.1 показана схема предлагаемого квадратора, на фиг.2 — графики переходных процессов в прототипе (кривая 1) и в предложенном квадраторе (кривая 2).

Квадратор (фиг,1) содержит нагреватель 1, термоэлектрический элемент

2, установленный в тепловом контакте с нагревателем 1, управляемый ключ

3, усилитель 4, управляемый ключ 5, интегратор 6, импульсный модулятор.

7 и блок 8 синхронизации.

Выводы нагревателя 1 соединены с клеммами "Вход" квадратора. Выводы термоэлектрического элемента 2 соединены с первым входом управляемого ключа 3.

Выход управляемого ключа 3 соединен с входом усилителя 4, выход которого соединен с первым входом управляемого ключа 5. Выход управляемого ключа 5 соединен с входом интегратора 6, выход которого соединен с входом импульсного модулятора 7. Выход импульсного модулятора 7 соединен с клеммами "Выход" квадратора и с выводами термоэлектрического элемента 2.

Один из выходов блока 8 синхронизации соединен с управляюцими входами управляемых ключей 3 и 5, а второй выход — с управляющим входом импульсного модулятора 7.

Вторые входы управляемых ключей

3 и 5 соединены с общей шиной.

Нагреватель 1 может быть выполнен в виде пленочного резистора, напыпенного на электроизоляционную теплрпт.оводящую подложку, выполняющую функции первой рабочей поверхности термоэлектрического элемента 2.

Термоэлектрический элемент 2 может быть выполнен в виде двух (или более) полупроводниковых пластин разной проводимости (р и -типа), электрически соединенных между собой с помощью металлического покрытия, нанесенного на диэлектрическую подложку.

Диэлектрические теплопроводящие пластины, служащие второй рабочей по" верхностью термоэлектрического элемента 2, обеспечивают тепловой ко нтакт пластин с корпусом, охватывающим

2 И или

3 11032 нагреватель 1 и термоэлектрический элемент 2. Выводы полупроводниковых пластин служат выводами термоэлектрического элемента 2

Управляемые ключи 3 и 5 могут быть выполнены в виде полупроводниковых ключей.

В качестве усилителя 4 может быть использован стандартный операционный усилитель, включенный по схеме усилителя переменного тока.

Интегратор 6 может быть выполнен на основе операционного усилителя по стандартной схеме.

Импульсный модулятор 7 может быть выполнен в виде широтно-импульсногомодулятора или частотно-импульсного модулятора по одной из стандартных схем.

Блок 8 синхронизации может быть выполнен в виде автоколебательного генератора прямоугольных импульсов.

Квадратор работает следующим образом.

Входной сигнал в виде электрического тока (постоянного или переменного) поступает на нагреватель 1 и разогревает его. В течение первого такта работы Т1 блок 8 синхронизации устанавливает управляемые ключи 3 и

5 в закрытое положение, в результате чего выводы термоэлектрического элемента 2 оказываются присоединенными к входу усилителя 4, а выход усилителя — к входу интегратора 6.

Термо-ЭДС с термоэлектрического элемента 2, обусловленная разностью температур нагревателя 1 и окружающей среды, усиливается усилителем 4 и интегрируется интегратором 6.

Во втором такте работы Т2 блок 8

40 синхронизации устанавливает управляемые ключи 3 и 5 в открытое состояние, в результате чего входы усилителя 4 и. интегратора 6 соединяются с общей шиной. Одновременно блок. 8 синхвониза45 ции запускает импульсный модулятор

7, который вырабатывает сигнал постоянной амплитуды и постоянной частоты, длительность которого пропорциональна выходному сигналу интегратора 6 (вы- 50 ходкому сигналу термоэлектрического элемента в первом такте). Этот импульсный сигнал поступает на выходные клеммы квадратора и на выводы термоэлектрического элемента 2. Протеканием тока через термоэлектрический элемент

2 приводит вследствие эффекта Пальтье к выделению охлаждающей мощности, 47 4 пропорциональной среднему значению тока.

Такты работы Т1 и Т2 периодически повторяются. В установившемся режиме вследствие большого суммарного коэффициента передачи блоков 4 и 7 выходной сигнал термоэлектрического элемента 2 практически равен нулю, т.е. количество тепла, выделяемое входным сигналом в нагревателе 1, равно количеству тепла, поглощенному вследствие эффекта Пальтье в течение второго такта работы, при этом выходной сигнал импульсного модулятора 7 (его длительность импульса) пропорционален квадрату входного сигнала.

Протекающие физические процессы описываются следующими математическими выражениями.

Количество тепла 8 выделившееся в течение цикла Т преобразования в нагревателе 1, равно

6„= Э -Rò

1 в» и, где З⻠— значение тока в нагревателе 1;

R — сопротивление нагревателя 1;

Т вЂ” длительность цикла работы.

Количество тепла, поглощенное в течение второго такта, равно где у — амплитуда тока через термоэлектрический элемент 2;

- длительность импульса выходного сигнала импульсного модулятора 7; — коэффициент пропорциональности.

Так как в установившемся режиме э то при Rconst; T =const; I=const;

И ЬХ

Аналогично можно показать, что при выполнении импульсного модулятора 7 в виде частотно-импульсного модулятора, частота выходного сигнала квадратора пропорциональна квадрату входного сигнала.

Таким образом, выходной сигнал импульсного модулятора 7 пропорционален квадрату входного сигнала.

1103247

3 г

Vga

ВНИцщц Звкаэ5030/38 Тиоаи 699 Подписное

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

В предлагаемом устройстве исполнительный элемент — охладитель и чувствительный элемент — датчик температуры совмещены и конструктивно представляют один элемент. Это позволяет полностью исключить запаздывание между исполнительным и чувствительным элементами. Следовательно, фазбвый сдвиг в предлагаемом устройстве меньше, чем в прототипе, запас устойчивос 1О ти выше, что повышает быстродействие квадратора путем изменения глубины отрицательной обратной связи, в то время как в. прототипе увеличение глубины отрицательной обратной связи 15 приводит к автоколебаниям в системе.

На фиг.2 показаны результаты экспериментальных исследований предлагаемого квадратора (кривые 1) и прототипа (кривые 2) . 20

В процессе экспериментов глубина обратной связи изменяется изменением коэффициента усиления усилителя в прямом тракте при неизменном значении сопротивления резистора в цепи отрицательной обратной связи.

При коэффициенте передачи 25мА/мВ время установления предлагаемого .квадратора 7 с, прототипа 10 с (фиг.2а).

При коэффициенте передачи 250 мА/мВ время установления предлагаемого квадратора 0,6 с, а в выходном сигнале прототипа. появляется незатухающая колебательная составляющая (фиг.2б).

При коэффициенте передачи 2500 мА/мВ время установления предлагаемого квадратора 0,4с, в то время как в прототипе наблюдаются автоколебания (фиг. 2в) .

Таким образом, повышенное быстродействие предлагаемого квадратора по сравнению с прототипом объясняется тремя факторами — меньшей постоянной времени инерционного звена, отсутствием запаздывания между охладителем и датчиком температуры, большим запасом устойчивости,