Развертывающий операционный усилитель

 

Предлагаемый усилитель относится к усилительным устройствам с широтно-импульсным преобразователем сигнала. Цель изобретения - повьшение достоверности диагностирования, Развертьшающий операционный усилитель содержит соединенные последовательно первый сумматор и интегратор выход интегратора соединен с первыми входами группы релейных блоков, причем число релейных блоков в группе нечетное, выходы релейных блоков подключены к входам второго сумматора , сигнал с выхода которого поступает на первый вход первого сумматора , второй вход которого является входом развертьшающего операционного усилителя, выход генератора импульсов подключен ко вторым входам релейных блоков, выход второго сумматора является выходом усилителя и подключен ко входу релейного элемента, сигнал которого воздействует на цепь из соединенных последовательно делителя частоты, пропорционально-дифференцирующего элемента и вьшрямнтеля. Развертывающий операционный усилитель характеризуется более высокой степенью достоверности диагностирования, достигаемой за счет непрерьшного контроля работоспособности релейных блоков. 7 ил. с $ (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1

1!9) (И)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АSTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3866934/24-24 (22) 06.03.85 (46) 30.09.86. Бюл. ¹ 36 (71) Челябинский политехнический институт им, Ленинского комсомола (72) Л,И,Цытович, Е.П.Федоров и В.Г.Гальвас (53) 681 ° 335(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 798876, кл. G 06 6 7/12, 1979, Авторское свидетельство СССР № 1183988, кл. G 06 G 7/12, 1984. (54) РАЗВЕРТЫВАЛПИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (57) Предлагаемый усилитель относится к усилительным устройствам с широтно-импульсным преобразователем сигнала. Цель изобретения — повышение достоверности диагностирования.

Развертывающий операционный усилитель содержит соединенные последовательно первый сумматор и интегратор выход интегратора соединен с первымн .входами группы релейных блоков, причем число релейных блоков в груп.пе нечетное, выходы релейных блоков подключены к входам второго сумматора, сигнал с выхода которого поступает на первый вход первого сумматора, второй вход которого является входом развертывающего операционного усилителя, выход генератора импульсов подключен ко вторым вхо-. дам релейных блоков, выход второго сумматора является выходам усилителя и подключен ко входу релейного элемента, сигнал которого воздействует на цепь из соединенных последовательно делителя частоты, пропорционально-дифференцирующего элемента и выпрямителя. Развертывающий операционный усилитель характеризуется более высокой степенью достоверности диагностирования, достигаемой за счет непрерывного контроля работоспособности релейных блоков. 7 ил.

4 1260975 2

Изобретение относится к усилительным устройствам с широтно-импульсным преобразованием сигнала и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах.

Цель изобретения — повышение достоверности диагностирования„

Иа фиг. 1 изображена функциональная. схема развертывающего операционного усилителя (РОУ), на фиг„ 2— функциональная схема релейного блока, вариант, на фиг. 3-7 — временные диаграммы сигналов.

РОУ содержит первый 1 и второй 2 сумматоры, интегратор 3, группу релейных блоков 4-1,4-2,...,4-(п-1), 4-п, генератор 5 импульсов, релейный элемент 6, делитель 7 частоты, пропорционально-дифференцирующий элемент 8, выпрямитель 9, вход 10 выход 11, дополнительный выход 12

РОУ, ОУ 13, первый 14, второй 15, третий 16 и четвертый !7 масштабные резисторы, первый 18 и второй 19 входы релейного блока и выход 20, На фиг. 3-7 приняты обозначения:

Х(t) - сигнал на входе 1О; Y„(t) сигнал на выходе интегратора 3;

Ур, (t), Yp (t), Y p> (t) - выходные сигналы первого 4-1, второго 4-? и третьего 4-3 релейных блоков, У8ÄÄ(t) сигнал на выходе 11, Ур (t) - выходной сигнал релейного элемента 6, Y (t) - выходной сигнал генератора г

5 импульсов, Y (t) " выходногя сигнал делителя 7 частоты, Yn> (t) — сигнал на выходе пропорционально-дифференцирующего элемента 8, Y>„ (t) - сигнал на выходе 12 Bi — пороги переключения релейных блоков 4-1,4-2...,,4-п С вЂ” пороги переключения релейного элемента 6.

Первый 1 и второй 2 сумматоры имеют единичный коэффициент передачи.

Релейные блоки 4-1...,,4-п имеют симметричные относительно нуля пороги переключения и неинвертирующую петлю гистерезиса, Выходной сигнал их меняется дискретно в пределах tA/n (где и - число релейных блоков).

Генератор 5 импульсов формирует импульсы малой длительности с интервалом дискретизации Т„ и со средним нуевым значением. Релейные блоки 4-1, ...,4-п принудительно изменяют свое состояние при наличии сигнала на втором входе, Делитель 7 частоты имеет

10 !

50 коэффициент деления 2 и формирует на выходе сигнал типа меандр.

РОУ работает следующим образом, РОУ представляет собой многозонную частотно-широтно-импульсную систему, работающую в режиме устойчивых автоколебаний.

Рассмотрим переходный процесс при включении и нулевом уровне сигнала на входе, 10. При этом допустим, что, число и =3 и В, В,I c iB>i, где В,,;

+ В, +  — пороги переключения релейных блоков 4-1,4-2 и 4-3 соответственно. Предположим, что в момент времени t=0 включения сигналы на выходах релейнь|х блоков 4-1,4-2,4-3 устанавливаются в состояния A/3 (фиг. Зр,k 2). Род действием результирующего импульса Y ÄÄ(t)=А (фиг.З ) сигнал на выходе интегратора 3 изменяется в отрицательном направлении (фиг. За). В момент времени t< (фиг. 3 а,о ) происходит переключение первого релейного блока 4-1 (фиг.35) что обусловливает уменьшение амплитуды сигнала на выходе 11 до уровня А/3 (фиг. 3 ) и снижение скорости изменения выходного сигнала интегра- тора 3 (фиг. За).

В момент времени t (фиг. За)переключается второй релейный блок 4-2 (фиг, 36), что приводит к изменению знака сигнала на выходе 11 (фиг.ЗД)

Сигнал на выходе интегратора 3 начинает нарастать в положительном направлении (фиг. За) до момента времени выполнения условия YÄ(t)=8 .

В дальнейшем процесс периодически повторяется„ Каскад, образованный первым сумматором 1, интегратором 3, первым релейным блоком 4-1 и вторым сумматором 2, находится в режиме автоколебаний, а второй и третий релейные блоки 4-? и 4-3 — в противоположных состояниях (фиг. 33,ю), что обусловливает взаимную компенсацию их выходных напряжений. В результате на выходе 11 формируются импульсы с амплитудой A/3 (первая модуляпионная зона) и средним нулевым значением, показанным на фиг. ЗА.

Наличие нг входе 10 сигнала А/З

«X(t) «О (фиг. 4а) обусловливает изменение скважности импульсов на вы- . ходе первого релейного блока 4-1 (фиг. 4ь) и выходе 11 (фиг. 4е). В один из полуциклов развертывающего преобразования темп изменения раз«

3 !2609 вертки определяется суммой сигналов на входах первого сумматора 1 (фиг,4q

e), а в последующем цикле преобразования — разностью этих сигналов. В результате среднее значение импуль— сов на выходе 11 дбстигает за период автоколебаний величины, пропорциональной уровню сигнала на входе 10 (фиг. 4e).

Предположим, что в момент време- 10 ни t, сигнал на входе 10 изменил свой знак, а его амплитуда лежит в пределах I -ll I (x(t!I f — - (Лиг. 4о) .

А

В этом случае выходной сигнал интег- 15. ратора 3 (фиг ° 4о) продолжает нара— стать в положительном направлении, что в момент времени t приводит к переключению второго релейного блока

4-2 в состояние А/3 (фиг. 46, ). 20

Это обеспечивает переход во вторую модуляционную зону, ограниченную диапазоном (фиг. 4e).

В пределах указанной зоны среднее значение сигнала на выходе 11 также сохраняется пропорциональным уровню сигнала на входе 10, 30

Рассмотрим режимы работы при неработоспособности одного из его релейных блоков 4-1,...,4-п. Предположим, что в момент времени 1„п(фиг. 5п) неисправен первый релейный блок 4-1, 35 а его выходной сигнал находится в фиксированном положении А/3 (фиг.58„ пунктир), Тогда при А/3 - X(t) 0 (фиг. 5a) выходной сигнал интегратора 3 нарастает в положительном направлении, пока не достигнет величины В (фиг.53).

При этом 8 момент времени th,òðåòèé релейный блок 4-3 переключается в состояние А/3 (фиг, 5 ), а амплитуда сигнала на выходе Il увеличивается до максимального значения А (фиг. 5е) .. В интервале tq,3 t > tq (фиг. 58 г,А) сигнал на выходе интегратора 3 изменяется в отрицатель- SO ном направлении, что в момент времени t„- приводит к изменению знака импульса на выходе второго релейного блока 4-2 (фиг. 5Ф). В интервале

t„> t t„ выходной сигнал интегра- 55 тора 3 продолжает изменяться в направлении -В порога переключения третьего релейного блока 4-3 (фиг.5В).

7g 4

При Y (t) =-Б знак импульса на выходе третьего релейного блока 4,3 становится отрицательным (фиг. 5f,ü), что обусловливает изменение знака на выходе 11 (фиг. 5e).На этом процесс переориентации релейных блоков, вызванный неработоспособностью первого релейного блока 4-1,заканчивается, В режим автоколебаний входит тракт, состоящий из первого сумматора 1, интегратора 3, второго релейного блока 4-2 и второго сумматора 2 (фиг, 5f,g,р), а первый и третий репейные блоки 4-1 и 4-3 находятся в противоположных состояниях (фиг ° 5в, a).

Предположим, что в момент времени С „ (фиг.5a) сигнал на выходе 11 увеличился до значения

А

3 — X(t) А.

В исправном устройстве это должно вызвать переход сигнала на выходе

11 во вторую модуляционную зону. Однако в рамках рассматриваемой ситуации несмотря на изменение этого сигнала на выходе второго релейного бло ка .4-2 (фиг. 5 E,z) результчрующая амплитуда выходного напряжения равна -А/3 (фиг. 56), а знак сигнала на выходе первого сумматора 1 сохраняется положительным.

Данная ситуация противоречит условию существования режима автоколебаний, и выходной сигнал интегратора

3 достигает эоны насыщения его статической характеристики (фиг, 5 ).

В результате в интервале времени Т„ (фиг. 5е) устройство функционирует в режиме усилителя-ограничителя амплитуды выходного сигнала.

Допустим, что в момент времени (фиг. 5а) сигнал на входе РОУ изменился дискретно до уровня

- > X(t) ) -А.

А

Тогда РОУ вновь входит в режим устойчивых автоколебаний вследствие

4 переориентации третьего релейного блока 4-3 s состояние А/3 (фиг. 5Д), которое аналогично состоянию неисправногб первого релейного блока 4 1 (фиг. 56). Как видно из диаграмм сигналов на фиг. 5, в указанном диапазоне изменения входного сигнала неисправность в трактах релейных бло1. 2 6(1915) Ь ствия импульса Y (t) (фиг. 6r), При отp lt!O I ICH HO3MX I!III! IIIIeгC тестового воздействия у1.{t) заканчивается, первый реле1.ный блок 4-1 находится в режиме автоколебаний, а кон не отражаетс:я иа «мплитудной функции пре. бра 11вa11ия, однако ведет к и змеие Е! èI . модуляционной характеристики 1,зависимости частоты автоколебяний от амплитуды входного сигнала) .

На выходе генератора 5 импульсов формируется сигнал Y,(t) с периодом

Т1„ (фиг. 68,1, который значительно (s 5-10 pa.l) превосходит период ав- 10 токолебаний.

Рассмотрим работу в режиме непрерывной тестовой проверки работоспособности его релейных блоков 4-1, 4- q. Пусть принудительное переклю- 15 чение релейных блоков 4-1...,,4- h выходным сигналом генератора 5 импульсов происходит при условии несовпадения знаков воздействий Y,,(t) и Y „(t) ф Y «(t) в ° ° 20

Предположим, что все релейные блоки исправны, а входной сигнал находится в пределах первой модуляци.онной зоны (фиг, ба). Тогда в режиме автоколебаний находится тракт из первого сумматора 1, интегратора 3„ первого релейного блока 4-1 и второго сумматора 2, а второй 4-2 и третий 4-3 релейные блоки имеют противоположные по знаку выходного сиг- 30 нала состояния (фиг. 6t,g). В момент времени t„,,(фиг, 63 ) на выходе генератора 5 импульсов формируется импульс положительной полярности, под действием которого первый 4-1 и тре-. з5 тий 4-3 релейные блоки (фиг. 68,p) принудительно переключаются в сос тояние А/3, Это приводит к формированию на выходе 11 импульса максимальной амплитуды (фиг. áe). В интервале 40

t<,it с t, выходной сигнал интегратора 4 нарастает в отрицательном направлении.(фиг. 6Q) и в момент времени tIII вызывает переключение второго релейного блока 4-2 (фиг. 62),. 45

Это обусловливает уменьшение амплитуды сигнала на выходе 11 до величины A/3 (фиг. бд).

За время 1,, - о развертка Y (t) продолжает изменяться в направлении

-B>(фиг. бл), и начиная с момента времени tII<, когда Y Ä (t)= A/3 .(фиг. 6А), знак импульса на выходе

11 становится отрицательным (фиг.бг).

Это приводит к нарастанию сигнала развертки до вЕличины В (фиг. 6cl), второй релейный блок 4-2 переключа. ется в исходное состояние до воздейвторой 4-? и третий 4-3 релейные блоки — в статическом режиме, При воздействии сигнала Y,(t) отрицательной полярности (фиг, бо, момент времени t ) происходит прину— дительное переключение второго релейного блока 4.2 в состояние -А/3 (фиг. 6 2). В результате на выходе 11 формируется всплеск напряжения (фиг. бе), являющийся результатом перехода всех релейных блоков в идентичное по их выходам состояние, В интервале t „ -Со происходит переориентация второго релейного блока 4-2 в исходное состояние A/3 (фиг. 60, г ) которое обеспечивает работу в первой модуляционной зоне 1,фиг, áe). С момента времени tz>(фиг. 6II) рассмотренные процессы йовторяются (фиг,60e). Таким образом, с помощью генератора 5 импульсов в выходном сигнале формируются тестовые всплески напряжения, существование которых возмож-но только при условии исправного состояния всех релейных блоков 4-1,..., 4- A.

Релейный элемент 6 имеет пороги

1 переключения С (фиг, 6e), величина которых соответствует половине максимальной модуляционной зоны. Переключение релейного элемента 6 осуществляется с помощью всплесков сигнала на выходе 11 (фиг. бе,<), формируемых под действием выходного сигнала генератора 5 импульсов (фиг.бо).

С помощью делителя частоты 7 формируется сигнал со средним нулевым значением, который разделяется по постоянной составляющей с помощью пропорционально-дифференцирующего элемента 8. Затем напряжение выпрямляется и при необходимости фильтруется. Таким образом, формируется сигнал "1", свидетельствующии о работоспособности развертывающего операционного усилителя.

Рассмотрим работу, когда сигнал на входе 10 соответствует третьей модуляционной зоне (фиг. ?). В исход-. ном состоянии первый 4-1, второй 4-2 и третий 4-3 релейные блоки находятся в состоянии А/3 (фиг. 711,, ) и сигнал на выходе 12 имеет максималь1260

7 уровень A (фиг. ?е ) . В g),анной ситуапии воздействие на первый 4-1, второй 4-2 и третий 4-3 релейные блоки импульса Y,.(t) положительной полярности не вызывает изменения их состояний (фиг. 7 и, момент. времени пунктир). В момент времени

t=t „„, когда У, (t) <О (фиг. 7&),происходит перевод первого 4-1, второго

4-2 и третьего 4-3 релейных блоков 10 в состояние -A/3 (фиг. 7 3,a, ) и на выходе ll формируется импульс отрицательной полярности (фиг. ?й) . Развертка (фиг, ?a) нарастает в положи- тельном направлении, вызывая в момен- !5 ты времени о > t а об (фиг, ?о,, )) последовательный переход первого

4-1, второго 4-2 и третьего 4-3 релейных блоков, в состояние А/3 и возврат сигнала на выходе 11 в требуе- 20 мую модуляционную зону (фиг. ?В).

В дальнейшем, если знак выходного сигнала первого релейного блока 4-1 отрицательный, то возможен режим принудительного переключения перво- 25 го релейного блока 4- 1 импульсом

У г(й) положительной полярности (фиг. ?п, 6, момент времени t ). Однако, это не вызывает формирования на выходе ll тестового всплеска 30

Y,„(t)=-А, так как второй 4-2 и третий 4-3 релейные блоки находятся в состоянии А/3 (фиг. 7 1, ). .Последующая тестовая проверка исправного состояния релейных блоков наступает в момент времечи t и (фиг, ?о-Р).

При неработоспособности хотя бы одного из релейных блоков амплитуда тестового импульса соответствующей полярности на выходе 11 уменьшается на величину одной модуляционной зоны. В результате {У „„(t){ {C{ и релейный элемент 6 переходит в статическое состояние. Поэтому делитель

? частоты также переходит в стати- 45 ческое состояние, а сигнал на допол нительном выходе 12 уменьшается до .нуля, что свидетельствует о наличии неисправности.

Генератор импульсов 5 обеспечива:ет контроль состояния только релейных блоков 4-1, 4-2...,,4- Ь и не обеспечивает контроля состояния первого сумматора 1 и интегратора 3.

Первый сумматор 1 и интегратор 3 необходимо выполнять на пассивных элементах, обладающйх более высокой надежностью, При реализации этих бло975 Я ков на активных компонентах ампли" туда выходного сигнала генератора 5, ийпульсов должна быть меньше зоны насыщения статической характеристики активного элемента — операционного усилителя.В этом случае, если, например, генератор 3 неисправен, то его выходной сигнал принимает одно из максимальных значений под действием которого релейные блоки 4-1,4-2,...,4-И принудительно удерживаются в статическом состоянии.

Учитывая, что амплитуда выходного сигнала генератора 5 импульсов меньше зоны насыщения операционного усилителя, исключается переключение релейлых блоков за счет выходного сигнала генератора 5 импульсов.

Пропорционально-дифференцирующий элемент 8 и выпрямитель 9 должны быть выполнены только на пассивных элементах.

Таким образом, предлагаемый РОУ характеризуется более высокой достоверностью диагностирования

Формула изобретения, Развертывающий операционный усилитель, содержащий соединенные последовательно первый сумматор и интегратор, выход которого подключен к первым входам релейных блоков группы, число которых в группе — нечетное, выходы релейных блоков группы подключены к входам второго суммато-, ра выход которого является выходом развертывающего операционного усилителя и соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого является входом развертывающего операционного усилителя, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повьппения достоверности диагностиро- вания, в него введены генератор импульсов, соединенные последователь-. но релейный элемент, делитель частоты, пропорционально-дифференцирую" щий элемент и выпрямитель, причем релейные блоки руппы выполнены двухвходовыми, выход генератора импульсов подключен к вторым входам релейных блоков группы, выход второго сумматора соединен с входом релейного элемента, а выход выпрямителя является дополнительным выходом развертывающего операционного усилителя.

126(ч 1.

11

17

78

Рог.1 г

l?60975

Фиг,$

В 0 д 0

Составитель 0.0траднов

Техред М.Ходанич

Корректор N..Максимишинец

Редактор Л.Пчелинская

Заказ 5234/51

Тираж 671 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграАичес ое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4