Пороговое устройство

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть применено в автоматических системах регулиро-. вания и контроля. Целью изобретения является повышение точности и стабильности формируемых порогов. Устройство содержит биполярный источник опорных напряжений, операционный усилитель 1, резистивные делители 2,5, диодно-резистивные цепочки 8, 11, вентильный элемент 14 с ;разно-tfmf -ftrrf полярными выходами 16,17. Введение дополнительных диодно-реэистивных цепочек 32, 35 позволило практически полностью скомпенсировать влияние прямых напряжений диодов диодно-резистивных цепочек 8, 11 на точность. Погрешность формирования дополнительных порогов меньше соответствующей погрешности прототипа за счет исключения влияния нестабильности выходного напряжения операционного усилителя (ОУ) на формирование порогов срабатывания описьгеаемого устройства. Использование транзисторов для построения вентильного элемента 14 позволило исключить погрешность, вноси- g мую нестабильным предельным напряжением ОУ, и повысить достоверность информации о cootHomeHHH входного сигнала и допуска на него. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (192 (11) А1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3802627/24-21 (22) 11.10.84 (46) 15.08.86. Бюл. и 30 (72) В.Н.Рябоконь (53) 621.374.34(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 306445, кл. G 05 В 1/01, 1970.

Патент ФРГ 9 3852652, кл. G 05 В 1/01, 1978. (54) ПОРОГОВОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть применено в автоматических системах регулиро-. вания и контроля. Целью изобретения является повышение точности и стабильности формируемых порогов. Устройство содержит биполярный источник опорных напряжений, операционный усилитель 1, резистивные делители

2,5, диодно-резистивные цепочки 8, 11, вентильный элемент 14 с,разно()) 4 G 05 В 1/01, Н 03 К 5/24 полярными выходами 16,17. Введейиие дополнительных диодно-резистивных цепочек 32, 35 позволило практически полностью скомпенсировать влияние прямых напряжений диодов диодно-резистивных цепочек 8, 11 на точность.

Погрешность формирования дополнительных порогов меньше соответствующей погрешности прототипа sa счет исключения влияния нестабильности выходного напряжения операционного усилителя (ОУ) на формирование порогов срабатывания описываемого устройства.

Использование транзисторов для построения вентильного элемента 14 позволило исключить погрешность, вноси- Е

О 20 нестабильным предельным напряжением ОУ, и повысить достоверность информанни о соогнонении ннонного сигнала и допуска на него. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1251019

55

Изобретение относится к импульсной технике и может быть применено в автоматических системах регулирования и контроля.

Цель изобретения — повьппение точности и стабильности формируемых порогов путем исключения влияния нестабильности выходного напряжения операционного усилителя и повышения достоверности информации о соотношении входного сигнала и допуска на него.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема порогового устройства; на фиг. 2 — принципиальная электрическая схема вентильного элемента; на Фиг. 3 — выходная характеристика допускового контроля; на фиг, 4 — выходная характеристика гистерезисного вида.

Пороговое устройство содержит операционный усилитель 1, входы которогб подключены к выходу первого резистивного делителя 2, выполнен" ного на резисторах 3 и 4 и выходу ,второго резистивного делителя 5, выполненного на резисторах б и 7, при этом первые выводы реэистивных делителей 2 и 5 подключены к общей шине, а второй вывод первого реэистивного делителя 2 — к диодному выводу первой диодно-резистивной цепочки 8, содержащей последовательно сэединенные резистор 9 и диод 10, и диодному выводу второй диодно-резистивной цепочки 11, содержащей последовательно соединенные резистор

12 и диод 13, причем выход операционного усилителя 1 подключен к входу вентильного элемента 14 и выходной шине 15, а выходы вентильного элемента 14 соединены так, что отрицательный выход 16 соединен с анодом диода 10 первой диодно-резистивной цепочки 8, а положительный выход 17 — с катодом диода 13 второй диодно-резистивной цепочки 11, при этом вентильный элемент 14 выполнен на основе двух пар транзисторов 1821 разного типа проводимости и двух цепочек, содержащих соответственно последовательно соединенные диоды

22 и 23 и резисторы 24 и 25> причем диод 22 первой цепочки соединен с резистором 24 катодом, а диод 23 второй цепочки соединен с резистором

25 анодом, а последовательно соединенные резисторы 26-27 и 28,29 об разуют соответственно первый и второй резистивные делители напряжений, при этом свободный вывод резистора

27 подсоединен через последовательно соединенные резистор 24 и первый резистор 30 к базе p-n-p-трансзистора 18 первой пары, свободный вывод резистора 29 подсоединен через последовательно соединенные резистор 25 и второй резистор 31 к базе h -p- и -транзистора 20 второй пары,а диодные выводы третьей диоднорезистивной цепочки 32,выполненной на последовательно соединенных диоде

33 и резисторе 34 и четвертой диоднорезистивной цепочке 35, выполненной на последовательно соединенных дио- де 36 и резисторе 37, подсоединены к второму выводу первого резистивного делителя 2, причем второй вывод резистивного делителя 5 соединен с входной шиной 38.

Пороговое устройство с выходной характеристикой допускового контроля (фиг, 3, сплошная линия) работает следующим образом. Данный вид выходной характеристики обеспечивается подсоединением инвертирующего хода операционного усилителя 1 к выходу (точке соединения резисторов

3 и 4) первого делителя 2 напряжения, а;неинвертирующего входа— к выходу (точке соединения резисторов 6 и 7) второго делителя 5 напряжения (для,указанного варианта построения устройства входы операционного усилителя 1 на фиг. 1 показаны без скобок). Пусть при этом заземленный полюс источника входного сигнала U „ соединен с резистивными выводами диодно-резистивных цепочек 32 и 35, а потенциальный полюс — с входом делителя 5 напряжения,как показано на фиг, Вентильное,. устройство по фиг. 2. работает следующим образом.

В исходном состоянии на базу транзистора 18 через диодно-резистивную цепочку из диода 22 и резистора 24 поступает открывающий потенциал от отрицательного полюса а на базу транзистора 20 через диодно-резистивную цепочку из диода 23 и резистора 25 — открывающий потенциал от положительного полюса + F „ опорного источника.

При этом коллекторный ток открытого транзистора 18 создает на резисторе

125 (019

27 открывающий потенциал для базаэмиттерного перехода транзистора

19, а коллекторный так открытого транзистора 20 в свою очередь, создает на резисторе 29 открывающий потенциал для база-эмиттерного перехода транзистора 21. В результате на отрицательном выходе 16 вентипьного элемента 14 присутствует потенциал — F а на положительном (о оп, 2 выходе 17 — потенциал + Е „„(.

При паступлении.на вход вентильного элемента 14 управляющего сигнала положительной полярности транзистор 18 призакрывается,что приводит к уменьшению потенциала на отрицательном выходе 16, а транзистор 20 приоткрывается и на положительном выходе 17 вентильнаго элемента 14 сохраняется потенциал + Ем.(.С нарастанием управляющего сигнала, когда результат суммирования входного сигнала с потенциалом — Е опорного источника уменьОп< шается до напряжения отсечки транзистора 18, последний закрывается и на отрицательном выходе 16 элемента

14 отсутствует потенциал — Г„„ опорного источника. При этом для закрывания транзистора 18 достаточно уровня управляющего сигнала, не превышающего прямого напряжения база-эмиттерного перехода этого транзистора, При поступлении на вход отрицательного управляющего сигнала происходит обратная работа вентильнога элемента 14, т.е. потенциал отрицательного выхода 16 не изменяется, а потенциал положительного выхода

17 изменяется от величины + ton, до нуля.

С учетом принципа работы вентильного элемента 14 пороговое устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии на разнополярных выходах 16 и 17 вентильного элемента 14 присутствуют соответст45 венно потенциалы — Epp и + Е „(в результате чего диоды 10 и 13 резистивных цепочек 8 и 11 закрыты, по тенциал на инвертирующем входе усилителя 1 равен нулю и на выходе

50 устройства потенциал отсутствует (точка 0 на фиг. 3).

При поступлении на вход устройства нарастающего входного напряжения 55 положительной полярности на выходе усилителя 1 нарастает выходное напряжение положительной полярности, (9 ((34 ()+ R4 к (i— (О ю "доз (Р54 где л(=((Rq+ Ra4 абсолютная погрешность порогового напряжения «а входе делителя 2, обусловленная прямыми напряжениями Ц (о, Ug 5, диодов 10 и 33;

К6,Е7, R3,К4,R9,R 34 — сопротивления резисторов 6,7,3,4,9 и 34 соответственно.

Поскольку транзистор 19 полностью закрыт, что соответствует компараторному режиму работы усилителя 1 с разомкнутой отрицательной обратной связью, превышение входным сигналом величины 0„< вызывает срабатавание которое поступает на вход вентильнаго элемента 14. В результате на отрицательном выходе 16 элемента 14 отрицательный потенциал уменьшается.

При этом выходное напряжение усилителя 1 нарастает да тех пор, пока в результате увеличения проходного сопротивления закрывающегося транзистора 19 потенциал анода диода 10 диодно-резистивнай цепочки 8 не станет положительным и равным величине, необходимой для создания положительного потенциала на инвертирующем входе усилителя 1, равнага потенциалу на era неинвертирующем входе.

Таким образом, вентильный элемент

14 образует совместно с диодно †резистивнай цепочкой 8 цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 1.

Дальнейшее увеличение входного сигнала приводит к закрыванию транзистора 19 и увеличению положительного потенциала на инвертирующем входе со скоростью нарастания, соатветствуюшей скорости нарастания входного сигнала до тех пор, пока транзистор 19 вентильного элемента

14 не закроется полностью. В этот момент на инвертирующем входе усилителя 1 установится пороговое нап1 ряжение IJ„, °

Допустим, ток через делитель 2 напряжения имеет пренебрежимо малую величину относительно тока через диадно-резистивную цепочку 32. Тогда пороговое напряжение определится выражением:

1251019 усилителя 1, выходное напряжение которого скачком достигает максимальной величины If„ „, (точку Ь на фиг. 3). Дальнейшее нарастание входного сигнала не вызывает изменения состояния устройства (участок бС на фиг. 3).

С уменьшением входного сигнала до величины 0 „, выходное напряжение усилителя 1 скачком уменьшается до величины прямого напряжения база-эмиттерного перехода трнаэистора 19 (участок BA на фиг. 3) „ При этом транзистор 19 приоткрывается, отрицательная обратная связь усилителя

1 замыкается и начинается линейный режим работы устройства. При этом уменьшение входного сигнала до нуля вызывает уменьшение выходного напряжения устройства также до нулевого значения (участок 40 на фиг. 3).

При поступлении на вход отрицательного входного сигнала устройст-. во работает аналогичным образом. При этом управляемая отрицательная обрат ная связь усилителя 1 состоит из транзисторов 20 и 21 вентильного уст ройства 14 и диодно-резистивнай цепочки 11, а в формировании порогового напряжения отрицательной полярности участвуют диодно-резистивные цепочки 11 и 35. Прн этом второе пороговое напряжение 0д, (точку Э на фиг. 3) определяется выражением

20

Н1 а4 И

1 ( lilZ l!3> R3 ° R4(P7(t

83z „,- Д„ д,ь „+ 3 абсолютная погрешность порогойдго напряжения на входе делителя 2,обусловленная прямыми напряжениями Ug оg диодов 13 и Зб;

Р 17 JB7-сопротивления резисторов

12, 37 соответственно.

Минимизация погрешностей Ь 1 и

Ь 2 устройства для случая однотипных пар диодов 10,33 и 13,36 достигается выбором соотношения сопротивления резисторов 9 Р 34 и К 12 37 соответственно.

При превышении вхолным сигналом величины 0„ < обратная связь усилителя 1 размыкается из-за полного закрытия транзистора 21 и выходное напряжение устройства скачком достигает максимальной величины )мысе (участок DE на фиг. 3) . Дальнейшее изменение входного сигнала не изменяет состояния устройства (участок

Е F на фиг. 3) . При уменьшении вход ного сигнала до нуля выходное напряжение устройства изменяется в соответствии с выходной характеристикой (ветвь FЕ 30 на фиг. 3) до нуля,т.е. устройство возвращается в исходное состояние.

Другим вариантом выполнения порогового устройства является подключение дифференциальных входов усителя 1, показанное на фиг, 1 в скобках. В этом варианте построения устройство обеспечивает формирование выходной характеристики гистерезисного вида, показанной на фиг. 4 сплошной линией (ABCDEF). При этом вентильный элемент 14 совместно с диодно-резистивными цепочками 8 и

11 образует биполярную положительную обратную связь операционного усилителя 1. Процесс формирования пороговых уровней и формулы для их расчета соответствуют рассмотренному ранее варианту построения устройства.

При таком выполнении устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии после включения питания устройство принимает одно из устойчивых состояний и выходное напряжение операционного усилителя 1 имеет максимальную величину случайной полярности + l! „ или

- 0„,®„ (фиг. 4), Пусть в исходном состоянии на выходе устройства установилось напряжение +0„д„ . При этом транзистор 19 вентильного эле- мента 14 полностью закрыт и напряжение + Г „, опорного источника поступает через диодно-резистивную цепочку 8 и делитель 2 напряжения на неинвертирующий вход усилителя т.е. устройство за счет положительной обратной связи находится в .устойчивом состоянии и на неинвертирующем входе усилителя устанавлива1 ется напряжение 0 >, Поступление на вход устройства изменяющегося входного сигнала отрицательной полярности не приводит к изменению состояния устройства.Поступление изменяющегося входного сигнала положительной полярности вплоть до напряжения порога срабатывания

0 „, также не изменяет состояния устройства (участок AB на фиг. 4).

1251019 8

50

При достижении входным сигналом уровня V, (при котором обеспечивается напряжение 0 и, на инвертирующем входе усилителя), выходное напряжение усилителя 1 уменьшается,что 5 приводит к приоткрыванию транзистора

19 вентильного элемента 14 и уменьше I иию потенциала на неинвертирующем входе относительно потенциала инвертирующего входа и т.д. В результате лавинообразного процесса изменения потенциалов на дифференциальных входах усилителя 1 последний перебрасывается в состояние с отрицательным выходным напряжением (участок BC на фиг. 4), транзистор 19 при этом полностью открывается, а транзистор

21 вентильного элемента 14 закрывается. При этом на неинвертирующем входе усилителя 1 формируется потен1 циал 0 „ от протекания через диодно-резистивные цепочки 11 и 35 тока источника — E „ < . Изменение входного сигнала до уровня 3 „ (при котором обеспечивается напряжение U „

25 на инвертирующем входе усилителя 1) не вызывает изменения состояния устройства (участок ЗF на фиг; 4),При достижении входным сигналом значения

U д устройство перебрасывается в 30 исходное состояние (участок F F на фиг. 4).

Рассмотренный вариант построения устройства характеризуется теми же точностными характеристиками, что и рассмотренный ранее.

Таким образом, погрешность формирования дополнительных порогов мень" ше соответствующей погрешности прототипа поскольку исключено влияние 4О нестабильности выходного напряжения операционного усилителя на формирование порогов срабатывания заявленного устройства

Введение дополнительных Лиодно- 45 резистивных цепочек позволило прак" тически полностью скомпенсировать влияние прямых напряжений диодов диодно-резистивных цепочек. 8 и 11 на точность.

Кроме того, использование транзисторов для построения вентильного элемента 14 позволяет, с одной стороны. исключить погрешность, вносимую нестабильным предельным напряжением операционного усилителя, а с другой стороны повысить достоверность информации о соотношении входного сигнала и допуска на него, Это обеспечивается как ограничением выходного напряжения усилителя на границах линейного участка работы устройства уровнями прямых напряжений база-эмиттер транзисторов (участок 40 на фиг. 3) при одновременном исключении зависимости этих уровней от величины формируемых пороговых уровней, так и повышением крутизны выходной характеристики в точках ее излома (участки A б и 2 Г на фиг ° 3), так как обрыв отрицательной обратной связи усилутеля 1 происходит на участке диапазона входного сигнала, суженном в Р раз относительно устройства— l прототип (где f3 — коэффициент передачи тока транзисторов транзисторных пар вентильного элемента 14).

Формула изобретения

1. Пороговое устройство, содержащее биполярный источник опорных напряжений, операционный усилитель с дифференциальными входами, первый вход которого соединен с выходом первого реэистивного делителя, соединенного первым выводом с общей шиной, второй вход усилитех.я соединен с выходом второго резистивного делителя, соединенного первым выводом с общей шиной, вторым выводом— с шиной источника входного сигнала, две диодно-резистивные цепочки из соединенных последовательно диода и резистора, причем диод первой цепочки соединен с резистором анодом, а диод второй цепочки — катодом, другие диодные выводы обеих цепочек соединены при этом между собой,другой резистивный вывод первой цепочки соединен с положительным полюсом, а другой резистивный вывод второй цепочки — с отрицательным полюсом биполярного источника опорных напряжений, и вентильный элемент с разнополярными выходами, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, выходы подсоединены так, что положительный выход вентильного элемента соединен с катодом диода второй диодно-резистивной цепочки, а отрицательный выход — с анодом диода первой диодно-резистивной цепочки, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и стабильности формируемых порогов, транзисторов разного типа проводи— мости, двух резисторов, двух резистивных делителей напряжения и двух диодно-резистивных цепочек, причем диод первой цепочки соединен с резистором катодом, а диод второй цепочки — анодом, другой резистивный вывод первой цепочки соединен при этом с отрицательным, а другой резистивный вывод второй цепочки— с положительным полюсами биполярно30

125101 в него введены дополнительные третья и четвертая диодно-резистивные цепочки из соединенных последовательно диода и резистора, причем диод третьей цепочки соединен с резистором катодом, а диод четвертой цепочки — анодом, другие диодные выводы третьей и четвертой цепочек соединены при этом между собой и подсоеди-нены к общим диодным выводам первой 10 и второй диодно-резистивных цепочек и второму выводу первого резистивного делителя напряжения, а вторые резистивные выводы третьей и четвертой диодно-резистивных цепочек подсо-15 единены к общей шине °

2. Устройство по и. 1, о т л и-" ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности информации о =оотношении входного сигнала и 20 допуска на него, в нем вентильный элемент выполнен на основе двух пар

9. 1О. го источника опорных напряжений, другие диодные выводы обеих диоднорезистивных цепочек соединены между собой и являются входом вентильного элемента, причем катод диода первой ,циодно — резистивной цепочки через первый резистор подсоединен к базе

Р-й-р-транзистора первой пары, эмиттер которого соединен с общей шиной, а коллектор — с первым выводом первого резистивного делителя напряжения, второй вывод которого соединен с отрицательным полюсом источника опорного напряжения и эмиттером

И-p-h-транзистора первой пары, база которого соединена с выходом первого резистивного делителя, а коллектор является отрицательным выходом вентильного элемента, анод диода второй диодно-резистивной цепочки через второй резистор подсоединен к базе

h-p-ri-транзистора второй пары,эмиттер которого соединен с общей шиной, а коллектор — с первым выводом второго резистивного делителя напряжения, второй вывод которого соединен с положительным полюсом источника опорного напряжения и эмиттером р-и-Р-транзистора второй пары, база которого соединена с выходом второго резистивного делителя, а коллектор является положительным выходом вентильного элемента, 1251019

" Июх фиг. 3

O/Am

Составителй Н.Маркин

Техред Н.Боикапо Корректор А.Тяско

Редактор Л.Пчелинская

Тирам 836 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 3-35, Рауаская наб., д. 4/5

Заказ 4409/43

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Уагород, ул. Проектная, 4