Интегратор

 

Изобретение относится к вычислительной технике и автоматике и предназначено для длительного интегрирования сигнала от незаземленного источника или разности сигналов двух источников, имеющих общую землю. Интегратор содержит операционный усилитель 1,2,3, переключатели 4,5 и 6, ключ 7, масштабные резисторы 8 и 9, блок 10 синхронизации, алгебраический сумматор 11. 2 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и автоматике и предназначено для длительного интегрирования сигнала от незаземленного источника или разности сигналов двух источников, имеющих общую землю.

Известен интегратор разности напряжений, содержащий операционный усилитель, входы которого соответственно через первый и второй масштабные резисторы подключены к источникам входных сигналов, причем между инвертирующим входом и выходом дифференциального операционного усилителя включен первый интегрирующий конденсатор, а к неинвертирующему входу дифференциального операционного усилителя подключена первая обкладка второго интегрирующего конденсатора, масштабный усилитель, вход которого подключен к выходу дифференциального операционного усилителя, а выход соединен с второй обкладкой второго интегрирующего конденсатора.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей интегратора за счет интегрирования сигнала от незаземленного источника (дифференциальный выход усилителя, изолированный датчик и т.п.).

На фиг. 1 представлена электрическая схема интегратора; на фиг. 2 - диаграмма его работы.

Интегратор содержит операционный усилитель 1, интегрирующие конденсаторы 2 и 3, переключатели 4, 5, 6, ключ 7, масштабные 8 и 9 резисторы, блок 10 синхронизации, алгебраический сумматор 11.

Инвертирующий вход операционного усилителя 1 через резистор 8 и замыкающие контакты переключателя 5 соединен с первой входной клеммой интегратора, а через резистор 8 и размыкающие контакты - с второй входной клеммой, и с первыми выводами интегрирующих конденсаторов 2 и 3 непосредственно. Заземленный неинвертирующий вход операционного усилителя 1 через резистор 9 и замыкающие контакты переключателя 4 соединен с первой входной клеммой интегратора, а через размыкающие контакты переключателя 4 - с второй входной клеммой. Выход операционного усилителя 1 через замыкающие контакты переключателя 6 подключен к интегрирующему конденсатору 3, а через размыкающие - к интегрирующему конденсатору 2. Ключ 7 расположен между входом и выходом операционного усилителя 1. Имеется устройство 10 управления ключами.

Интегратор работает следующим образом.

Устройство управления ключами вырабатывает интервал сброса t_сбр. для ключа 7 и интервалы коммутации t_ком для переключателей 4, 5 и 6 (см. фиг. 2). В исходном состоянии, изображенном на фиг. 1 после сброса, начинается интегрирование сигнала источника Е (для простоты изложения напряжение T на диаграмме (фиг. 2а), изображается постоянной величиной) в течение времени t_ком. (V_c2 на фиг. 2б). После переключения переключателей 4, 5 и 6 источник Е инвертируется по отношению к входу интегратора и интегрируется сигнал "-Е" также в течение времени t_ком (V_c3 на фиг. 2в). Затем переключатели 4, 5 и 6 возвращаются в исходное положение и цикл повторяется. Всего происходит N переключений, где N = T_инт/t_ком, Т_инт - полное время интегрирования сигнала Е. Затем осуществляется сброс.

Напряжение на конденсаторах 2 и 3 равно V_c2= - E_(n)dt; V_c3= - (-E_(n))dt.

Если сопротивление резистора 8 значительно больше сопротивления резистора 9, а конденсаторы 2 и 3 идентичны, то, выбирая время коммутации t_ком достаточно малым в сравнении с Т_инт, можно с необходимой точностью получить V_c2= - Edt; V_c3= - (-E)dt= Edt, где R - сопротивление резистора 8; С - емкость конденсаторов 2, 3.

Напряжение на выходе интегратора V_вых=V_c2-V_c3= - Edt.

(см. фиг. 2г).

Известно, что у реального интегратора в выходном сигнале присутствует погрешность, связанная с наличием напряжения смещения и разности входных токов операционного усилителя. Таким образом, напряжение на конденсаторах с2 и с3 можно рассматривать как сумму полезного сигнала и величину некоторой погрешности: V_c2 = V_пол.1 +V_погр.1; V_c3 = V_пол.2 + V_погр.2, где V_пол.1 и V_пол.2 - величина полезного сигнала на конденсаторах 2 и 3; V_погр.1 и V_{погр. 2} - величина погрешности на конденсаторах 2 и 3.

В силу идентичности конденсаторов 2 и 3, а также в силу применения одного операционного усилителя V_погр.1 = V_погр.2. Следовательно, сигнал на выходе интегратора
V_вых = V_c2 - V_c3 = V_пол.1 - V_пол.2
Поскольку V_пол.2 = -V_пол.1, то
V_вых. = V_пол.1 - (-V_пол.2) = 2 V_пол.1 = V_пол.
Таким образом, введение дополнительного ключа позволяет интегрировать сигнал от незаземленного источника, устраняя при этом ошибку интегрирования.

При необходимости предлагаемое устройство может использоваться как интегратор разности двух напряжений. В этом случае также устраняется ошибка интегрирования. С целью предотвращения короткого замыкания источников на землю в процессе коммутации переключателя 4 в схеме предусмотрен ограничивающий резистор 9.

Интегратор имеет дифференциальный выход, расширяющий в 2 раза его динамический диапазон, однако можно осуществить переход к заземленному выходу, подключив к выходным клеммам интегратора алгебраический сумматор.

Формула изобретения

ИНТЕГРАТОР, содержащий операционный усилитель, два интегрирующих конденсатора, два масштабных резистора, алгебраический сумматор, выход которого является выходом интегратора, а суммирующий и вычитающий входы соединены с первыми обкладками первого и второго интегрирующих конденсаторов, вторая обкладка первого конденсатора соединена с инвертирующим входом операционного усилителя и с первым выводом первого масштабного резистора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения области применения, в него введены три переключателя, ключ и блок синхронизации, выход операционного усилителя соединен через первый переключатель с первыми обкладками первого и второго интегрирующих конденсаторов, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к шине нулевого потенциала и к первому выводу масштабного резистора, вторые выводы первого и второго масштабных резисторов через второй и третий переключатели подключены к первому и второму входам интегратора соответственно, выход операционного усилителя соединен со своим инвертирующим входом через ключ, управляющие входы переключателей соединены с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого соединен с управляющим входом ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2