Устройство для формирования выборки мгновенного значения напряжения

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам для формирования выборок мгновенного значения напряжения. Техническим результатом является повышение точности выполнения операции. Устройство содержит источник входного напряжения, операционный усилитель, два ключа, аналоговый инвертор, резистор, запоминающий конденсатор, компаратор, генератор тактовых импульсов, логический инвертор, формирователь импульсов, триггер. 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам для формирования выборок мгновенного значения напряжения.

Известны аналоговые формирователи выборок мгновенного значения напряжения, построенные на основе операционных усилителей (ОУ) и ключей (см. Данилов А.А. Устройства выборки-хранения: состояние разработки, пути совершенствования // Измерения, контроль, автоматизация. - 1986. - №4. - С. 29, рис. 5), особенностью которых является выполнение условия

где τ _стр - интервал стробирования, τ _з - время заряда запоминающего конденсатора.

Недостатком таких устройств является возникновение погрешности выборки аналогового напряжения, связанной с тем, что за интервал стробирования входное напряжение меняется, что приводит к неоднозначности определения выходного напряжения (в пределах Δ u (фиг.1)), поскольку оно зависит от времени стробирования. Причем отмеченная погрешность, являющаяся динамической погрешностью, принципиально неустранима в устройствах, для функционирования которых необходимо выполнение условия (1).

Наиболее близким к предлагаемому решению является формирователь выборки на основе интегрирующего ОУ (см. там же - С. 28, рис. 4), которое принято за прототип. В таком устройстве производится интегрирование входного напряжения в течение интервала стробирования, что позволяет снизить динамические погрешности формирования выборки.

Выходное напряжение такого устройства в i-м такте определяется выражением:

где t_i+1-t_i=τ _стр. При выполнении условия

(входное напряжение постоянно в интервале стробирования), из (2) получим, что за интервал стробирования

т.е. выходное напряжение будет равно входному (по абсолютной величине):

при

Необходимость выполнения условий (3) и (6) для исключения динамической погрешности формирования выборки является недостатком прототипа.

Сущность изобретения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в повышении точности выполнения операции формирования выборки мгновенного значения напряжения.

Указанный технический результат достигается тем в известном устройстве для формирования выборки мгновенного значения напряжения, содержащем ОУ, неинвертирующий вход которого заземлен, а инвертирующий вход через первый ключ и резистор соединен с источником входного напряжения, причем в цепи отрицательной обратной связи ОУ включен запоминающий конденсатор, параллельно которому включен второй ключ, а выходом устройства является выход ОУ, особенность заключается в том, что в устройство введены: аналоговый инвертор, компаратор напряжения, триггер, генератор тактовых импульсов, формирователь импульсов и логический инвертор, причем выход ОУ через аналоговый инвертор подключен к компаратору, другой вход которого соединен с источником напряжения, а выход - с входом триггера, выход последнего соединен с входом управления первого ключа, а вход установки в нулевое состояние триггера через формирователь импульсов соединен с выходом генератора тактовых импульсов, который через логический инвертор подключен к входу управления второго ключа.

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, 3 - временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства, на фиг.2 - схема устройства.

Устройство (фиг.2) содержит источник входного напряжения 1, ОУ 2, первый ключ 3, резистор 4, запоминающий конденсатор 5, второй ключ 6, аналоговый инвертор 7, компаратор 8, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 9, логический инвертор 10, формирователь импульсов 11, триггер 12.

Устройство работает следующим образом. ГТИ 9 вырабатывает прямоугольные импульсы (фиг.3а), управляющие работой устройства. Рассмотрим, например, i-й интервал работы устройства, начинающийся в момент времени t_i (фиг.3). Выходное напряжение ГТИ 9 через логический инвертор 10 подается, во-первых, на вход управления второго ключа 6, причем в интервал времени t_i-t_i+0,5 это напряжение равно нулю (фиг.3в), поэтому второй ключ 6 разомкнут, а во-вторых, - на вход формирователя импульсов 11, который формирует короткий импульс (фиг.3д), устанавливающий триггер 12 в состояние “1” (фиг.3г), поскольку он подается на вход асинхронной установки триггера в единичное состояние. Этот выходной сигнал триггера 12 подается на вход управления первого ключа 3, который замыкается в момент времени t_i.

Входное напряжение u_вx (фиг.3б) с источника 1 поступает на интегрирующий ОУ, состоящий из ОУ 2, резистора 4 и запоминающего конденсатора 5, причем в момент времени t_i, он начинает интегрировать входное напряжение: его выходное напряжение равно u_вых (фиг.3б) и изменяется в соответствии с выражением (2). Отметим, что начальное напряжение на выходе интегрирующего ОУ в каждом такте равно нулю, что показано ниже. Аналоговый инвертор 7 инвертирует это напряжение, которое подается на компаратор 8, на другой вход которого подается также входное напряжение.

При | u_вых| <u компаратор 8 находится в состоянии “0” и не влияет на работу триггера 12. В момент времени t_выб (время выборки) | u_вых| =u_вх (фиг.3б), что фиксируется компаратором 8 в виде наличия на его выходе перепада напряжения “0-1” и триггер 12 перебрасывается в состояние логической “0” (фиг.3г), что приводит к отключению первого ключа 3.

В итоге, конденсатор 6 запоминает напряжение, которое равно мгновенному значению входного напряжения в момент времени t_выб, т.е. производится формирование выборки мгновенного значения. Время хранения равно (t_i+0,5-t_выб) (фиг.3), в течение которого можно использовать полученную информацию о значении выборки в соответствии с решаемыми задачами. В течение интервала времени (t_i+1-t_i+0,5) второй ключ 6 замыкается (на его вход управления поступает единичный сигнал с выхода логического инвертора 10) и конденсатор 6 разряжается, а в момент времени t_i+1 (фиг.3) начинается следующий цикл.

Аналоговый инвертор 7 может быть выполнен по обычной схеме на основе ОУ и двух резисторов (на входе и в цепи отрицательной обратной связи), а формирователь импульсов 11 - на основе ждущего мультивибратора или одновибратора.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что в предлагаемом решении решена проблема неоднозначности определения выборки, имеющая место в известных устройствах (см. фиг.1), и проблема необходимости выполнения условий (3) и (6).

Таким образом, средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, заключающегося в повышении точности выполнения операции формирования выборки мгновенного значения напряжения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “промышленная применимость”.

Формула изобретения

Устройство для формирования выборки мгновенного значения напряжения, содержащее операционный усилитель (ОУ), неинвертирующий вход которого заземлен, а инвертирующий вход через первый ключ и резистор соединен с источником входного напряжения, причем в цепи отрицательной обратной связи ОУ включен запоминающий конденсатор, параллельно которому включен второй ключ, а выходом устройства является выход ОУ, отличающееся тем, что в устройство введены аналоговый инвертор, компаратор напряжения, триггер, генератор тактовых импульсов, формирователь импульсов и логический инвертор, причем выход ОУ через аналоговый инвертор подключен к компаратору, другой вход которого соединен с источником напряжения, а выход - с входом триггера, выход последнего соединен с входом управления первого ключа, а вход установки в нулевое состояние триггера через формирователь импульсов соединен с выходом генератора тактовых импульсов, который через логический инвертор подключен к входу управления второго ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3