Устройство для дифференцирования аналогового напряжения

 

Изобретение относится к автоматике, вычислительной технике, в частности к электроизмерительной технике. Техническим результатом является повышение стабильности работы дифференцирующего устройства. Устройство содержит усилитель напряжения, два устройства выборки-хранения напряжения (УВХ), генератор тактовых импульсов, два формирователя импульсов, логический инвертор, источник входного напряжения. 3 ил.

Изобретение относится к автоматике, вычислительной технике, в частности к электроизмерительной технике.

Известны пассивные дифференциаторы на основе использования RC или RL цепей (см. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. - М.: Энергия, 1969, с.206). Их недостатком является наличие погрешностей вследствие приближенного выполнения операции дифференцирования входного напряжения.

Наиболее близким к заявляемому решению является дифференциатор, выполненный с использованием усилителя, имеющего резистор в цепи обратной связи и конденсатор на входе (см. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1983, т. 1, с. 208-209), который выбран в качестве прототипа. Но такое устройство практически не работоспособно, поскольку высокочастотные шумы, включая внутренние шумы усилителя, приводят к нестабильной работе устройства. Это связано, во-первых, с увеличением коэффициента передачи дифференциатора при повышении частоты сигнала, а, во-вторых, с тем, что логарифмические АЧХ такого дифференциатора располагаются таким образом, что он находится на грани устойчивости (см. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 115). Для устранения этих недостатков в схему вводят дополнительные элементы, что, однако, приводит к снижению точности выполнения операции дифференцирования, поскольку это приводит к отклонению передаточной функции дифференциатора от идеальной.

Технический результат - повышение стабильности работы дифференцирующего устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство для дифференцирования аналогового напряжения, содержащее усилитель напряжения, введены два устройства выборки-хранения (УВХ), генератор тактовых импульсов, два формирователя импульсов и логический инвертор, причем неинвертирующий вход ОУ соединен с источником входного напряжения непосредственно, а инвертирующий вход - через первое УВХ, вход управления первого УВХ через первый формирователь импульсов подключен к выходу генератора тактовых импульсов, вход управления второго УВХ через второй формирователь импульсов и логический инвертор также подключен к генератору тактовых импульсов, выход ОУ соединен с входом второго УВХ, выход которого является выходом всего устройства.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертежах представлено: на фиг.1 показана схема предлагаемого устройства; на фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.3 представлена схема устройства выборки-хранения (УВХ).

Устройство (фиг. 1) содержит источник входного напряжения 1, генератор тактовых импульсов 2, усилитель напряжения 3, первое 4 и второе 5 УВХ, первый 6 и второй 7 формирователи импульсов, логический инвертор 8.

Устройство работает следующим образом. Аналоговое напряжение (фиг.2а) с источника 1 подается на неинвертирующий вход усилителя 3 непосредственно, а на его инвертирующий вход - через УВХ 4. Генератор тактовых импульсов 2 вырабатывает прямоугольные импульсы (фиг.2б), частота которых существенно превышает частоту входного аналогового напряжения. Логический инвертор 8 инвертирует сигнал с выхода генератора 2 (фиг.2в). Передний фронт импульса с выхода генератора 2 активизирует формирователь импульсов 6, который вырабатывает короткий импульс (фиг.2г). Это приводит к тому, что УВХ 4 запоминает напряжение u₁, равное мгновенному значению аналогового входного напряжения в момент времени t₁ (фиг.2а). Напряжение на инвертирующем входе усилителя 3 будет равно этому напряжению, но напряжение на неинвертирующем входе этого усилителя продолжает изменяться (например, увеличиваться (фиг.2а)), поскольку этот вход подсоединен к источнику 1. Через половину периода тактовых импульсов (т.е. импульсов с выхода генератора 2) напряжения на входе и выходе усилителя 3 соответственно равны: Δu₂₁=u₂-u₁, u_y=KΔu₂₁, (1) где u₂ - мгновенное значение аналогового напряжения в момент времени t₂ (фиг.2а); К - коэффициент усиления усилителя 3.

На вход второго формирователя импульсов 7 подается инвертированное напряжение по сравнению с напряжением, подаваемым на вход формирователя 6, поэтому в момент времени t₂ аналогично вышеописанному работают второй формирователь импульсов 7 и второе УВХ 5 (фиг.2в, д), что приводит к тому, что это УВХ запоминает напряжение u_y, описываемое выражением (1).

Рассмотрим выражение (1) с точки зрения выполнения операции дифференцирования: При замене бесконечно малой величины dx конечным шагом Δх возникают погрешности, которые практически можно свести к минимальному значению, определяемому заданным уровнем погрешностей, уменьшая этот шаг. В предлагаемом решении это осуществляется повышением частоты импульсов генератора 2.

Если выбрать шаг Δх одинаковым между каждой парой точек (т.е. между всеми дискретами): Δx=const, то производная (2) в каждой точке будет прямо пропорциональна приращению функции: y'=kΔy,
где k - коэффициент пропорциональности. Поскольку величина Δy является в общем случае малой величиной, то деление также на малую величину Δх можно интерпретировать как усиление сигнала Δy с целью его доведения до приемлемого (для измерительных целей) уровня (сигнал y'). Таким образом, можно считать, что k>1 в выражении (4). Сравнивая выражения (1) и (4) и добавляя аналог условия (3)
Δt=const,
можно заключить, что выходное напряжение усилителя (1) при К>1 определяет значение производной аналогового напряжения источника 1 в некоторой точке (в общем случае) на оси времени t_i.

Устройства выборки-хранения могут быть реализованы по известной схеме, включающей операционный усилитель, конденсатор и ключ (фиг.3), а формирователи импульсов - также по известным схемам, например на основе одновибраторов.

Погрешность выполнения операции дифференцирования аналогового напряжения с помощью предлагаемого устройства определяется только соотношением частот генератора тактовых импульсов 2 и входного аналогового напряжения, причем при этом не возникает проблемы обеспечения стабильности работы устройства, поскольку принцип действия устройства в отличие от прототипа основан не на введении отрицательной обратной связи.

Таким образом, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в изложенной ниже формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств. Также устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Устройство для дифференцирования аналогового напряжения, содержащее усилитель напряжения, отличающееся тем, что в него введены два устройства выборки-хранения (УВХ), генератор тактовых импульсов, два формирователя импульсов и логический инвертор, причем неинвертирующий вход усилителя напряжения соединен с источником входного напряжения непосредственно, а инвертирующий вход - через первое УВХ, вход управления первого УВХ через первый формирователь импульсов подключен к выходу генератора тактовых импульсов, вход управления второго УВХ через второй формирователь импульсов и логический инвертор также подключен к генератору тактовых импульсов, выход усилителя напряжения соединен с входом второго УВХ, выход которого является выходом всего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3