Генератор ступенчатого напряжения

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано , например, в качестве высокостабильного формирователя ступенчатого напряжения с заданной нелинейной характеристикой . Изобретение позволяет расширить функциональные возможности генератора путем обеспечения управления законом изменения напряжения. Для зтого в генератор введены п дополнительных ключей, п+1 злементов И, п коммутируемых активных двухполюсников, делители Пи 12 напряжения и форми

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1 А1 (19) (11) n1)4 Н03 К 402

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

H A BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4104692/24-21(22) 11.05.86 (46) 15,05.88. Бюл. У 18 (71) Производственное объединение

"Краснодарский ЗИП" (72) А.Б»Лапин (53) 621.374(088,8) (56) Прянишников В.А. Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока.

Л.: Энергия, 1976, с. 54, рис ° 1-22.

Ф308 Амперметр и вольтметр узкопрофильные. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, с. 21 рис. (54) ГЕНЕРАТОР СТУПЕНЧАТОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использова" но, например, в качестве высокостабильного формирователя ступенчатого напряжения с заданной нелинейной характеристикой. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности генератора путем обеспечения управления законом изменения напряжения. Для этого в генератор введены и допьлнительных ключей, n+i элементов И, п коммутируемых активных двухполюсников, делители 11 и 12 напряжения и форми13962 рователь 16 временных интервалов.

Кроме того генератор содержит стациS онарный усилитель 1, конденсаторы 2 ! и 8, ключи 3, 5 и 6, делитель 4 частоты, источник 7 опорного напряжения, генератор 9 тактовых импульсов, инвертор 10. Делитель 12 выполнен на резисторах 17 и 18. Делитель Il no51 строен на основе цепочки иэ последовательно соединенных резисторов с выходами 9 и 20. Генератор формирует ступенчатое напряжение с практически любой заданной нелинейностью. Точность, с которой воспроизводится заданная нелинейность, определяется числом. 4 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например, в качестве высокостабильного формирователя ступенчатого напряжения с заданной нелинейной характеристикой.

Целью изобретения является расширение функциональных воэможностей за счет обеспечения управления законом изменения напряжения, На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема генератора; на

1 фиг. 2-4 — эпюры, поясняющие ра.боту генератора. !5

Генератор ступенчатого напряжения содержит операционный усилитель 1, между выходом которого и его инвертирующим входом включены параллельно соединенные первый конденсатор 2 и ключ 3, управляющий вход которого соединен с выходом делителя 4 частоты, последовательно соединенные второй 5 и третий 6 ключи, включенные между выходом источника 7 опорного напряжения и инвертирующим входом операционного усилителя 1, общая точка соединения второго и третьего ключей 5, 6 соединена через второй конденсатор

8 с общей шиной устройства, генератор30

9 тактовых импульсов, выход которого соединен с входом делителя 4 частоты и входом инвертора 10, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа 6. Генератор также содержит первый 11 и второй 12 делители напряжения,п дополнительных ключей 13-1-13-п, n+I элементов И 14-1 - 14-и п коммутируемых активных двухполюсников

15-1 — 15-п, формирователь 16 времен- 40 ных интервалов, входы которого соединены соответственно с выходами делителя 4 частоты, а n+I выходов — с первыми входами п+1 элементов И 14-114-п, вторые входы которых соедине ны с выходом тактового генератора 9.

Выход первого из n+1 элементов И 14-1 соединен с управляющим входом второго ключа 5,а выходы остальных соединены соответственно с управляющим входом каждого из и дополнительных ключей 13-1 — 13-п, выходы которых соединены с потенциальной обкладкой второго конденсатора 8, а вход соответственно с и выходами первого делителя 11 напряжения, включенного между выходом источника 7 опорного напряжения и общей шиной устройства, Каждый из п коммутируемых активных двухполюсников 15-1 — 15-и подключен параллельно первому конденсатору 2, а управляющий вход каждого нз них соединен соответственно с n+1 выходами формирователя !6 временных интервалов, кроме последнего. Между выходом операционного усилителя и общей шиной устройства включен второй делитель !2 напряжения, выход которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя!. Делитель

12 напряжения построен на резисторах

17 и 18, а делитель 11 напряжения— на основе цепочки из последовательно соединенных резисторов с выходами

19 и 20.

Коммутируемые активные двухполюсники 15-1 - 15-п выполнены на основе последовательно соединенных ключей

21-1 — 21-и и резисторов 22-1 - 22-п.

Работу устройства рассмотрим на примере n=2.

Устройство работает следующим образом.

1396?51

qz=C2El где Ч вЂ” заряд, накопленный конденсатором 8 в первом полупериоде (любого тактового импульса);

С2 — емкость конденсатора 8;

El — напряжение на выходе 20 делителя 11, q, =С2П,=C2(U . — — — ), П R2

zi вхi в Rl+R2 (2) где q . .— заряд, накопленный конден2 сатором 8 во втором полупериоде i-го тактового им55 пульса, когда этот конденсатор перезарядится до напряжения 11„„. (фиг. 2e);

11икл формирования ступенчатого напряжения начинается в момент, когда тактовые импульсы генератора 9 приводят делитель 4 частоты в исходное сос- 5 тояние, при котором размыкается ключ.3.

В примерах 1-3 рассмотрена работа устройства при формировании нелинейностей различного вида. f0

Пример 1. Рассмотрим работу устройства для случая, когда исходному состоянию делителя 4 соответствует такой режим работы формирователя

16 временных интервалов, при котором разомкнуты ключи 15-1 — 15-п, запрещается прохождение тактовых импульсов через элементы 14-1, 14-2 и разреша" ется их прохождение через элемент

14-п, причем такое состояние сохраняется в течение всего цикла (см. фиг. 2а-д). В этом случае работают только ключи 6 и 13-п, причем в первые полупериоды тактовых импульсов замкнут ключ 13-и и разомкнут ключ 25

6, а во вторые полуперйоды замкнут ключ 6 (благодаря инвертору 10) и разомкнут ключ 13-п (см. фиг. 2г-д), Постоянные времени заряда-разряда конденсатора 8 выбираются таким образом, чтобы в каждом из первых полупериодов этот конденсатор практически полностью заряжался до напряжения, которое имеется на выходе делителя ll напряжений, а в каждом из вторых полупериодов этот конденсатор

35 практически полностью разряжался до напряжения на входе операционного усилителя 1, При таком выборе постоянных времени для схемы на фиг. 1 справедливы следующие соотношения:

Us„. — напряжение на неинвертирующем входе усилителя 1 после i-ro тактового импульса;

U»,„, — напряжения на выходе усили ых 1 теля l,после i-го тактово"

ro импульса;

R, — сопротивление резистора

R17 делителя 12;

R — сопротивление резистора т

R18 делителя 12 ° дЧ, Ч г; Ч2=С2(живых 2 Еl ) (3)

R2 где д Ч вЂ” изменение заряда конденсатора 8 за период i-го тактового импульса.

Напряжение на выходе устройства определяется выражением

R2 где Ус,. — напряжение, накопленное с, конденсатором 2 после (i-1)-го тактового импульса; д Ц„, — приращение напряжения на конденсаторе 2 за период

i-ro тактового импульса.

Из выражения (4) находим

Rl ;="вых R17R2 -"с ;-, (s) ) д Ч,; =С д1.1с С (1.1вых 4

Rl где Cl — емкость конденсатора 2.

Поскольку предположили, что входной ток усилителя 1 равен нулю, то изменения зарядов конденсаторов 2 и 8 равны, т,е. (7) д Ч ° =дЧ, Поэтому, приравнивая правые части выражений (3) и (6) и принимая во внимание, что для первого тактового импульса U =О, находим напряжение

U на выходе устройства после первых1 вого тактового импульса (т.е. l l ):

-Еl С2 R l+R2 вых, C l R l С2Б2, (1- —,—.-- ) Cl Нl

Подставляя выражение (8; в формулу

1 (S), находим

° Изменение заряда дq,;êîíäåíñàòîpa 2 в течение второго полупериода определяется выражением

1396251

С2 1

AU = -71

С l С282

1 — — ——

СIRI (9) где hU приращение напряжения на

5 1 конденсаторе 2 за период первого тактового импульса.

Приравнивая правые части выраже1 ний (3) и (б) и принимая во внимание, что для второго тактового импульса

UÄ =aU <, определяем напряжение

Uöö на выходе устройства после втой в рого тактового импульса(т. е. i=2):

+

C2R2

1CI R1

С2 Rl+R2

U -EI вых С1 81

C2R2

11- — — -) Cl Rl (10) 20

Произведя аналогичные выкладки, можно легко показать, что после i-го тактового импульса напряжение U „„ ° 25 вы, на выходе устройства определяется формулой

С2 81+82

Cl Bl

1

+ Ф ° ° +

+

С282

1,C1R I

C282 (1- — — )

CIR1

ЗО

+

С282 (1 )

ClBI,(11) где i — количество тактовых импуль35 сов.

Принимая во внимание, что выражения в квадратных скобках формулы (11) представляет геометрическую прогрессию, формула может быть упрощена: 1О

С2 Rl+R2 Х(Х -1) () еь1х, C l R l Х 1

1 где Х= — - ——

С282

I- ——

CI R1 (13) 45

Таким образом, формируется нелинейный закон изменения выходного напряжения генератора ступенчатого напряжения (фиг. 2ж), причем в рассмат5О риваемом примере напряжения отдельных ступеней увеличиваются по закону геометрической прогрессии. Регулируя соотношение между значениями сопротивлений Rl и R2, можно получить требуе- 5 мую нелинейность.

Пример 2, Рассмотрим работу устройства для случая, когда исходнодена формула,С2 Rl+R2

U — -Е2-вык, С1 B l

1 е х

+(---- †----) +..

С282 - 1т„

1 — — — е

C1R1

C2R2 -Чт, 1- ----е

С18I,Â, е

С282 -tfi, где Е2 — напряжение на выходе 19 делителя Il — период одного тактового импульса; — постоянная времени цепи разряда конденсатора 2, которая гЪ. определяется выражением, =Сl(822+821), где 822 — сопротивление резистора

22-и двухполюсника 15-и;

R21 — сопротивление замкнутого ключа 21-п двухполюсника

15-п.

Формула (14) также может быть упрощена, если принять во внимание,что выражение в квадратных скобках представляет собой геометрическую прогрессию. При этом

С2 Rl+R2 Y(Y — 1)

11 Р2 --- — —, (15) вьв; С1 R l

-t,Ñ е (Iб) где

C2R2 Ч

1- — — е

C1R1

Иэ формулы (14) очевидно, что условие, при котором выходная характеристика устройства будет вновь линейной, определяется выражением

C2R2 е =1- — — .е

С181 из которого определяем условие линейности характеристики

-116, С282

ClBI (18) Таким образом, регулируя соотношение между значениями сопротивлений му состоянию делителя 4 соответствует такой режим работы формирователя 16, при котором разомкнут ключ 15-1 замкнут ключ 15-п, запрещается прохождение тактовых импульсов через элеметы 14-1 и 14-и и разрешается их прохождение через элемент 14-2, причем такое состояние сохраняется в течение всего цикла (фиг, За-д). Для этого случая аналогично может быть выве1396251

Rl H2 и R22 можно получить требуемую нелинейность, при этом возможны следующие варианты: напряжения отдельных ступеней увеличиваются по закону геометрической прогрессии; напряжения отдельных ступеней уменьшаются по закону геометрической прогрессии (фиг. Зе ; напряжения отдельных ступеней равны (т.е. линейныи закон). !0

Пример 3. Рассмотрим работу устройства для более сложного случая (фиг. 4), когда формирователь 16 функционирует в таком режиме, при котором возможны три случая. !5

1.. i а, где а — некоторое целое число. В этом случае тактовые импульсы управляют работой ключей 6 и 13-и все остальные ключи разомкнуты. Работа устройства при этом соответству-..2p ет рассмотренному примеру 1, а напряжение на выходе устройства определяется формулами (12) и ()3).

2, а а1 д, где b - некоторое целое число,В зтам случае тактовые импуль- 25 сы управляют работой ключей 6 и 13-п, ключ двухполюсника 15-п постоянно замкнут, а все остальные ключи разомкнуты. Произведя аналогичные выкладки, можно для этого случая вывести формулу

-С2 Rl+R2 1 Е2 Y(Y — 1)

U — -El + ь" C) Rl (E) Y-1

Х(Х 1) 1-а

+ ------- Y (19) 35

X-1 где Х и У. определяются формулами (13) и (16) соответственно.

3, i b. В этом случае тактовые импульсы управляют работой ключей 5 и

6, ключ двухполюсника 15-1 постоянно замкнут, а все остальные ключи разомкнуты. Аналогично для этого случая выводится )юрмула

;-ь 45

С2 Rl+R2 E3 Z(Z -1)

U .= -El +

Cl Rl El Z-1

+ - - --- — --- + — — --- Y Š(20)

F2. Y(Y 1 ) Х(Х -1 ) Ь-а

Е l Y- Х-1

50 где E3 — напряжение на входе делителя 7.

2 е

Z= (21)

С 2R2 -Н2

1 — — — — е 55

C1Rl где с — постоянная цепи разряда кон- денсатора 2, которая опреде" ляется выражением

2 (1 (- 22+К2

1 где R — сопротивление резистора

21

R22-1 двухполюсника 15-1;

R — сопротивление замкнутого ключа 2) — 1 двухполюсника

15-1.

Таким образом, в примере 3 выходная характеристика устройства состоит из трех участков (фиг, 4г), причем нелинейность каждого из участков может регулироваться требуемым образом путем изменения номинальных значений элементов схемы. При необходимости один из участков характеристики может быть легко сделан линейным, как показано в приоре 2.

Предлагаемый генератор позволяет сформировать ступенчатое напряжение, которое может иметь практически любую заданную нелинейность. При этом точность, с которой воспроизводится заданная нелинейность, определяется, как правило, числом Il.

Формула изобретения

Генератор ступенчатого напряжения, содержащий операционный усилитель, между выходом которого и его инвертирующим входом включены параллельно соединенные первый конденсатор и ключ, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты, последовательно соединенные второй и третий ключи„ включенные между выходом источника опорного напряжения и инвертирующим входом операционного усилителя, точка соединения второго и третьего ключей соединена через второй конденсатор с общей шиной устройства, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом делителя частоты и входом инвертора, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей sa счет обеспечения возможности управления законом изменения выходного напряжения, в него введены и дополнительных ключей, n+) элементов И, п коммутируемых активных двухполюсников, первый и второй делители напряжения и формирователь временных интервалов, входы которого соединены соответственно с выходами делителя частоты, à и+1 выходов - с Itp.ðííìè вхо1.3962") дами n+1 элементон И, вторые входы, которых соединены с выходом тактового генератора, выход перного из и+1 элементов И соединен с управляющим входом второго ключа, а выходы остальных соединены соответственно с управляющим нходом каждого иэ и дополнительных ключей, выходы которых, соединены с потенциальной обкладкой второго конденсатора, а входы — соотнетственно с и выходами первого де лителя напряжения, включенного между выходом источника опорного напряжения

Ь/МОМУ/

44- f l4-7

b Ьи гпа Ю

1 1Г) и общей шиной устройства, при этом каждый из и к оммутируемых активных двухполюсников подключен параллельно перному конденсатору, а управляющий вход каждого иэ них соединен соответственно с выходами первого по п-й формирователя временных интервалов, второй делитель напряжения включен между выходом операционного усилителя и общей шиной устроиства, а выход второго делителя напряжения соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя.

Лагичеекцо „Р"

1396251

1 396251

Составитель А.Горбачев

Редактор Е.Конча Техред М.Ходанич Корректор И Демчик

Заказ 2503/56 Тираж 928 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, ч