Дифференциатор

Изобретение относится к промышленной электронике, аналого-цифровой технике и схемотехнике. Технический результат заключается в уменьшении погрешности дифференцирования от конечного значения коэффициента. Дифференциатор содержит операционный усилитель, конденсатор и резистор, один из выводов конденсатора образует вход дифференциатора относительно «земли», другой вывод его соединён с инвертирующим входом операционного усилителя, а неинвертирующий вход его заземлён, один из выводов резистора соединён с общим выводом конденсатора и инвертирующего входа операционного усилителя. В дифференциатор введён дополнительный операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединён с общим выводом конденсатора, инвертирующего входа имеющегося операционного усилителя и резистора, свободный вывод последнего подключен к выходу дополнительного операционного усилителя, этот выход также образует выход дифференциатора относительно «земли», неинвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединён с выходом имеющегося операционного усилителя. 1 ил.

 

Изобретение относится к промышленной электронике, аналого-цифровой технике и схемотехнике. Оно, в частности, может быть использовано для дифференцирования аналоговых электрических напряжений, изменяющихся во времени.

Известно дифференцирующее устройство (Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высшая школа, 2004, стр. 467, рис. 6.21, а), содержащее операционный усилитель, конденсатор, первый и второй резисторы, один из выводов конденсатора соединён с инвертирующим входом операционного усилителя, а другой образует вход дифференцирующего устройства относительно «земли», первый резистор включен между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, выход последнего образует выход дифференцирующего устройства относительно «земли», второй резистор включен между неинвертирующим входом и «землёй».

Недостатком его является ограниченная точность дифференцирования. Идеального преобразования электрических сигналов, как правило, не бывает, в том числе нет идеального дифференцирования. Для реализации операции дифференцирования следует выполнить ряд условий. Среди них значение коэффициента усиления K операционного усилителя должно стремиться к бесконечности. Реальный коэффициент имеет определённое конечное значение, что приводит к ошибке дифференцирования и к соответствующей составляющей погрешности преобразования. Значение коэффициента усиления соответствует современным уровням схемотехники и технологии изготовления изделий микроэлектроники.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа дифференциатор (Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1985, стр. 239, рис. 10.21), содержащий операционный усилитель, конденсатор и резистор, один из выводов конденсатора соединён с инвертирующим входом операционного усилителя, а другой образует вход дифференциатора относительно «земли», резистор включен между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, выход последнего образует выход дифференциатора относительно «земли», неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён.

Недостатком его является составляющая погрешности от определённого конечного (не бесконечного) значения коэффициента усиления операционного усилителя. Имеется потребность в уменьшении приведённой составляющей погрешности и в результате в повышении точности дифференцирования электрических сигналов.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении составляющей погрешности дифференцирования от определённого конечного (не бесконечного) значения коэффициента усиления операционного усилителя, т.е. в рамках объективно существующего определённого конечного значения коэффициента усиления найти возможность уменьшить названную составляющую погрешности дифференцирования.

Это достигается тем, что в дифференциатор, содержащий операционный усилитель, конденсатор и резистор, один из выводов конденсатора образует вход дифференциатора относительно «земли», другой вывод его соединён с инвертирующим входом операционного усилителя, а неинвертирующий вход его заземлён, один из выводов резистора соединён с общим выводом конденсатора и инвертирующего входа операционного усилителя, введён дополнительный операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединён с общим выводом конденсатора, инвертирующего входа имеющегося операционного усилителя и резистора, свободный вывод последнего подключен к выходу дополнительного операционного усилителя, этот выход также образует выход дифференциатора относительно «земли», неинвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединён с выходом имеющегося операционного усилителя.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1).

Дифференциатор содержит конденсатор 1, один из выводов которого образует вход дифференциатора относительно «земли», а другой соединён с инвертирующим входом первого операционного усилителя 2. Неинвертирующий вход этого усилителя заземлён, а выход соединён с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 3. Инвертирующий вход его подключен к общему выводу конденсатора 1 и инвертирующего входа первого операционного усилителя 2. Резистор 4 включен между выходом второго операционного усилителя 3 и общим выводом конденсатора 1, инвертирующего входа первого операционного усилителя 2 и инвертирующего входа второго операционного усилителя 3. Выход последнего образует выход дифференциатора относительно «земли».

В исходном состоянии входное и выходное напряжения дифференциатора равны нулю .

Дифференциатор работает следующим образом. Для реализации операции дифференцирования следует выполнить ряд условий. Среди них условие, что значение коэффициента усиления операционного усилителя должно стремиться к бесконечности. Реальный коэффициент усиления имеет конечное значение и, чтобы приближённо выполнить приведённое выше условие для дифференциаторов, выбирают операционные усилители с большим значением коэффициента усиления. Тогда при воздействии на вход дифференциатора напряжения входного сигнала почти всё это напряжение выделяется на конденсаторе 1, т.к. на инвертирующих входах операционных усилителей почти нулевое напряжение (виртуальный нуль) из-за больших значений коэффициентов усиления первого операционного усилителя 2 и второго 3−.

Известна для электрической ёмкости C дифференциальная зависимость между силой электрического тока и напряжением

(1)

где− сила электрического тока через ёмкость, − напряжение на ней и – время. С учётом виртуального нуля , тогда

(2)

Электрический ток ёмкости почти весь замыкается на резистор 4 из-за виртуального нуля и малого значения входных токов операционных усилителей, также можно выбрать последние с полевыми транзисторами на входе. Выходное напряжение с учётом виртуального нуля определяется напряжением на резисторе 4

(3)

В частном случае при воздействии на вход дифференциатора импульса с изменением напряжения по квадратичному закону

(4)

где − амплитуда напряжения, – время и – длительность импульса, с учётом реальных конечных значений коэффициентов усиления операционных усилителей и реальных значений напряжений на инвертирующих входах выходное напряжение дифференциатора определяется выражением

(5)

где (6)

Первое слагаемое в квадратных скобках в (5) соответствует идеальному дифференцированию, а второе слагаемое – определяет ошибку преобразования.

При

и (7)

ошибка преобразования является весьма малой и определяет малую соответствующую составляющую погрешности, которая много, много меньше, чем такая же составляющая в прототипе. В частности, при одинаковых операционных усилителях в рассматриваемой схеме (фиг. 1), а также в прототипе с учётом (7) соотношения обсуждаемых ошибок преобразования определяется неравенством

(8)

Таким образом, существенно (во много, много раз) уменьшена составляющая погрешности дифференцирования от конечного (не бесконечного) значения коэффициента усиления операционных усилителей.

Можно обратить внимание, что бесконечный коэффициент усиления операционного усилителя и почти нулевое значение напряжения на его инвертирующем входе относительно заземлённого неинвертирующего, например, для схемы на фиг. 1 являются связанными величинами, если можно так сказать. Так для первого операционного усилителя 2 коэффициент усиления K запишется, как

(9)

где – выходное напряжение операционного усилителя 2 и – напряжение относительно «земли» на его инвертирующем входе. И при конечных значениях (обычно -10÷+10 В) очевидно, что при и при.

Дифференциатор, содержащий операционный усилитель, конденсатор и резистор, один из выводов конденсатора образует вход дифференциатора относительно «земли», другой вывод его соединён с инвертирующим входом операционного усилителя, а неинвертирующий вход его заземлён, один из выводов резистора соединён с общим выводом конденсатора и инвертирующего входа операционного усилителя, отличающийся тем, что в него введён дополнительный операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединён с общим выводом конденсатора, инвертирующего входа имеющегося операционного усилителя и резистора, свободный вывод последнего подключен к выходу дополнительного операционного усилителя, этот выход также образует выход дифференциатора относительно «земли», неинвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединён с выходом имеющегося операционного усилителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к промышленной электронике, импульсной технике и может быть использовано для интегрирования последовательностей импульсных сигналов различной формы.

Изобретение относится к промышленной электронике, аналого-цифровой технике и схемотехнике и может быть использовано для интегрирования аналоговых электрических напряжений, изменяющихся во времени.

Изобретение относится к автоматике и аналоговой вычислительной технике и предназначено для создания прецизионных интеграторов аналоговых сигналов для инерциальных приборов систем навигации и автоматического управления в ракетно-космических системах.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано при реализации дискретно-аналоговых устройств обработки: фильтров, усилителей, корректоров.

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

Изобретение относится к автоматическому регулированию для использования в корректирующих устройствах следящих систем измерительных приборов. .

Изобретение относится к автоматике для использования в корректирующих устройствах следящих систем, в преобразовательных и измерительных устройствах. .

Изобретение относится к электроизмерительной технике. .

Изобретение относится к техническим средствам коррекции систем автоматического управления. .

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к фильтрам для выделения постоянной составляющей периодических напряжений. .

Изобретение относится к способу и устройству для реализации сенсорной кнопки и идентификации отпечатка пальца, а также к терминальному устройству, которые используются для объединения сенсорной кнопки с идентификацией отпечатка пальца.

Изобретение относится к способу и устройству для реализации сенсорной кнопки и идентификации отпечатка пальца, а также к терминальному устройству, которые используются для объединения сенсорной кнопки с идентификацией отпечатка пальца.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения физических параметров материала, в том числе при экстремальных температурах и давлениях, например, устройство может быть применено для контроля сухости пара пароводяной среды.

Изобретение относится к многослойным самолетным или аэрокосмическим иллюминаторам и касается прозрачного изделия с датчиком влаги. Включает в себя один или более датчиков влаги мониторинга проникновения влаги, чтобы контролировать эксплуатационные показатели влагостойкого барьера.

Изобретение способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов относится к технике измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов.

Изобретение относится к электросвязи и электротехнике, где осуществляется передача электромагнитных колебаний по электрической цепи, прямым проводом которой является металлический проводник, а обратным - металлический проводник или проводящая среда.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения диэлектрической проницаемости металла в терагерцовом диапазоне спектра. Способ включает в себя возбуждение зондирующим пучком поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) на плоской поверхности металлического образца, измерение длины распространения ПЭВ и определение ее фазовой скорости, расчет комплексного показателя преломления ПЭВ по означенным ее характеристикам и определение диэлектрической проницаемости металла путем решения дисперсионного уравнения ПЭВ для волноведущей структуры, содержащей поверхность образца.

Использование: для контроля потоков неоднородных диэлектрических веществ. Сущность изобретения заключатся в том, что устройство для измерения физических свойств вещества в потоке содержит на измерительном участке волноводный резонатор, через сквозные отверстия в противоположных торцах которого вдоль его продольной оси пропущен диэлектрический трубопровод с контролируемым диэлектрическим веществом, подсоединенные к данному резонатору с помощью элементов связи генератор электромагнитных колебаний и электронный блок, при этом волноводный резонатор выполнен в виде прямоугольного волноводного резонатора, в котором возбуждены колебания типа H10n, n=1, 2, …, и в котором у каждой из его узких стенок установлена диэлектрическая вставка с тем же поперечным размером, что и у прямоугольного резонатора, ее продольный размер имеет величину , где L - длина резонатора в продольной плоскости, ε - диэлектрическая проницаемость материала каждой вставки.

Использование: для измерения параметров диэлектриков при нагреве. Сущность изобретения заключается том, что способ измерения параметров диэлектриков при нагреве в объемном резонаторе на фиксированной частоте включает возбуждение колебаний в резонаторе через расположенные в верхней торцевой стенке отверстия связи в охлаждаемой части резонатора, настройку резонатора в резонанс при нормальных условиях и при нагреве и измерение собственных параметров пустого резонатора, установку образца на подвижный нижний поршень, настройку резонатора в резонанс при нормальных условиях и при нагреве и измерение параметров резонатора с образцом, расчет температурных параметров диэлектриков сравнением собственных температурных параметров пустого резонатора и резонатора с образцом, отличающийся тем, что настройку в резонанс пустого резонатора и резонатора с образцом проводят перемещением верхней торцевой стенки резонатора с отверстиями связи при неизменном положении подвижного нижнего поршня.

Изобретение относится к области дистанционного измерения физических характеристик объектов, в частности диэлектрической проницаемости диэлектриков. В способе, включающем облучение диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучением на наборе частот, регистрацию сигнала, несущего информацию о диэлектрической проницаемости объекта, после прохождения сигналом объекта с помощью канала регистрации, содержащего средства регистрации, и когерентную обработку зарегистрированного сигнала, согласно изобретению облучение объекта осуществляют несколькими передающими элементами, расположенными в различных точках пространства, при этом регистрацию сигнала каждого передающего элемента осуществляют соответствующим ему средством регистрации, а при обработке зарегистрированного сигнала определяют множество значений удлинения оптического пути, соответствующих определенной паре передающий элемент - средство регистрации на наборе частот, затем вычисляют распределение плотности удлинения оптического пути методом обратного проецирования, выделяют непрерывные трехмерные участки с близкими по значению плотностями удлинения оптического пути методом сегментации трехмерного изображения, затем вычисляют диэлектрическую проницаемость ε диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат по формуле: , где ρ - средняя плотность удлинения оптического пути для диэлектрического объекта; Lx - размер по оси x; Lz - размер по оси z.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике и может быть использовано для контроля и определения параметров объектов измерения, а также физических величин посредством параметрических датчиков.

Изобретение относится к промышленной электронике, аналого-цифровой технике и схемотехнике. Технический результат заключается в уменьшении погрешности дифференцирования от конечного значения коэффициента. Дифференциатор содержит операционный усилитель, конденсатор и резистор, один из выводов конденсатора образует вход дифференциатора относительно «земли», другой вывод его соединён с инвертирующим входом операционного усилителя, а неинвертирующий вход его заземлён, один из выводов резистора соединён с общим выводом конденсатора и инвертирующего входа операционного усилителя. В дифференциатор введён дополнительный операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединён с общим выводом конденсатора, инвертирующего входа имеющегося операционного усилителя и резистора, свободный вывод последнего подключен к выходу дополнительного операционного усилителя, этот выход также образует выход дифференциатора относительно «земли», неинвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединён с выходом имеющегося операционного усилителя. 1 ил.

Наверх