Устройство для умножения

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

«и926676 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву— (22) Заявлено 250680 (21) 2944853/18-24 с присоединением заявки Мо (23) Приоритет

Опубликовано 07,0582. Бюллетень ¹ 17

Дата опубликования описания 07. 05. 82 (1) М К 3

G G 7/163

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 681. 335 (088. 8) (72) Автор изобретения

В.П.Медведев (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМНОЖЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям постоянного и переменного

Напряжений, тока и мощности.

Известны устройства для умножения с применением трансформаторов, содержащее элементы с управляемой проводимостью, в качестве которых применяются полевые транзисторы, работающие как управляемые переменным напряжением аттенюатор переменного тока. Сигналы сомножителей у этих устройств подаются на первичные обмотки трансформаторов,сигнал пропорциональный произведению сомножителей снимается со стока полевого транзистора (1).

Так как дрейф и нелинейность полевых транзисторов очень велика (20 % и 5 %), то применить эти устрОйства в высокоточных измерительных приборах невозможно.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для умножения, содержащее управляемый аттенюатор, выполненный на полевом транзисторе и подключенный к первому входу первого операционного усилителя. На вход аттенюатора подается переменный сигнал.

Выход первого усилителя. подключен к первому входу второго операционного усилителя, работающего в режиме сум,матора. Выход второго усилителя подключен-через фильтр, подавляющий переменный сигнал Х, на вход управления аттенюатором. Постоянный сигнал

У, подлежащий. перемножению с перемен10 .ным Х, подается через дополнительный резистор на первый вход второго усилителя (2) °

Недостатками этого устройства являются невысокий коэффициент умножения сигналов, что ограничивает раз-. решающую способность, т.е. не позволяет перемножать сигналы малых уровней, что сужает диапазон изменения входных сигналов; температурный и временный дрейф полевого транзистора аттенюатора, что снижает точность перемножения; нелинейность аттенюатора и связгнное с этим ограничение диапазона умножения, а также ограничен класс задач, решаемых этим

25 устройством, так как в нем обеспечивается перемножение только переменного сигнала на постоянный.

Цель изобретения — повышение точности работы, расширение диапазона

30 изменения входных сигналов, а также

926676 расширение класса решаемых задач за счет обеспечения возможности перемножения переменных сигналов, постоянных сигналов, а также переменного сигнала на постоянный.

Поставленная цель достигается 5 тем, что устройство для умножения, содержащее первый и второй операционные усилители, входы которых соответственно являются входами первого и второго сомножителеи устройства 1О введены преобразователь напряжения в сопротивление, согласующий и повышающий трансформаторы, выход первого операционного усилителя через последовательно соединенные первичные !5 обмотки согласующего и повышающего трансформаторов подключены к шине нулевого потенциала, вторичная обмотка согласующего трансформатора подключена к выходу преобразователя íà- 2О пряжения в сопротивление, вход которого поцключен к выходу второго опе-. . рационного усилителя, вторичная обмотка повышающего трансформатора является выходом устройства. 25

На фиг. 1 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг. 2 — функциональная схема устройства для умножения.

Устройство содержит первый и второй операционные усилители 1 и 2, согласующий трансформатор 3, повышающий трансформатор 4, преобразователь 5 напряжения в сопротивление, входы б и 7 устройства, шина 8 нулевого потенциала, выходы 9 и 10 устройства, усилители 11, резисторы 12, конденсатор 13, транзистор 14, выпрямитель 15.

Выход операционного усилителя 1 подключен к входам последовательно соединенных трансформаторов 3 и 4, а выход операционного усилителя 2 подключен к входу преобразователя 5 напряжения в сопротивление, выход которого подключен к вторичной аб- 45 мотке согласующего трансформатоРА ....

Сигналы сомножителей подаются.на входы 6 и 7 усилителей 1 и 2, д. выходной сигнал переменного тока снимается с выходных клемм 9 и 10.по- 5р вышающего трансформатора 4.

Устройство для умножения работает следующим образом.

Входной сигнал переменного тока прямоугольной формы со скважностью

Q = 2 подается в качестве сигнала сомножителя Х на вход б операционного усилителя 1, где усиливаются по напряжению и току, и с его выхода в виде сигнала U3« (l ; 1-а) пода- О ется на последовательно соединенные первичные обмотки трансформаторов

3 и 4. Когда сигнал Х = О, выходной сигнал операционного усилителя 1 равен О. Однако когда Х ф О, а сигнал второго сомножителя Y = 0 сигнал

Ug« на входе делителя, образованного полными сопротивлениями первичных обмоток трансформаторов 3 и 4, не равен нулю (фиг. 1 б). Ток I через первичные обмотки трансформаторов

3 и 4 при входных сигналах сомножителей Х = О и Y = О равен

U6X1

Ф

Z<-з+ где U — напряжение на выходе усилителя 1;

Zs и Еу - полные сопротивления пер вичных обмоток трансформаторов 3 и 4.

Обычно Z<-q =(10 —, 120) Е,, в этом случае Z, ц можно пренебречь и тогда

USY 1 — — (2)

1 Е 1 Ъ 4 Е 1 Ь

Из уравнения (2) видно, что ток 1< обратно пропорционален полному сопротивлению первичной обмотки согласующего трансформатора или прямо пропорционален ее полной проводимости и напряжению на ней. Напряжение на первичной обмотке повышающего трансформатора 4 равно

V,q = 1,Е,, (3) а коэффициент усиления сигнала Х равен

1 z - е„ (4) где К вЂ” коэффициент усиления усили-. теля 1 по напряжению. Величина

Ы--к в . <пскаяыаает ту часть яапря <-ъ (-4 жения на .первичной обмотке повышающего трансформатора 4, которая при.

Y = 0 приблизительно равна (0,1-0,12)

US

l4 (VTl) преобразователя 5 напряжения в сопротивление. Транзистор 14 (YTl) (работает как управляемое сопротивление, охваченное с помощью операционного усилителя 2, глубокой отрицательной обратной связью. Открывание транзистора 14 (у Т1) вызовет появление тока через сопротивление 12 нагрузки (Rl), в результате будет протекать ток 1 через вторичную обмотку согласующего трансформатора 3 и выпрямитель 15 (701) (фиг. 1 в) (при Y = О, Iq = 0)(5) .

Появление тока Р -з увеличит ампер витки 1р _#_z >,где Wa г. — число вит926676 ков вторичной обмотки согласующего трансформатора 3, что вызовет уменьшение противо ЭДС в первичной обмотке И!3 трансформатора 3, в результате уменьшится полное сопротивление Е!-ъ и увеличится первичный ток

I! на величину тока нагрузки IE 3 и потерь от нагрузки (фиг. 1 гj. Это увеличение тока 1 ! будет пропорционально сигналу сомножителя Y причем коэффициент пропорциональности будет равен

У КАКЯ = 11н, (6) где К вЂ” коэффициент усиления операционного усилителя 2 по напряжению; К вЂ” коэффициент преобразования преобразователя 5 напряжения в сопротивление, равный отношению!

t5

UBxz

К (7) 2() Х Y = К! . К К3 Кт!м (О)

2<-ц+ 24-ъ

40 коэффициент трансформации, отношению числа витков втоИ и первичной Н< обмотки. где Ктр равный ричной

К„= — - (100+100000) . ть

Таким образом, изменяя величину сомножителя Y можно изменять ток

1!, протекающий через первичные обмотки трансформаторов 3 и 4 от величины тока холостого хода трансформатора 3 (тока подмагничивания) при Y = 0 до номинального его тока нагрузки Iq.>, который, как известно, может быть в (10-100) раз больше тока холостого хода. В результате этого получается дополнительное усиление тока I! в 10 — 100 раэ с помощью сигнала Y. Это позволяет расширить диапазон входных сигналов в предлагаемом устройстве. Так как gp ток 3падает на транзисторе 14 (VT1) и íà его нагрузке 12 (R, ) в виде тепловых потерь, то все потери в транзисторе, зависящие от этого тока, будут пропорциональны сиг. 65 где R ; — эквивалентное сопротивление вне эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторе 14 (11) и резисторе 12 (Rl). С ysexrHweHHeM Y это сопротивление уменьшается, т.е. ! увеличивается проводимость R,„„Bè ток 1 3 увеличивается. увеличение тдка )! вызовет рост падения напряжения на первичной обмотке повышающего трансформатора 4, на вторичной обмот- ЗО ке которого будет повышенного вы ходное напряжение за счет повышающей вторичной обмотки (фиг. 1 д).

Произведение сигналов сомножителей Х и Х согласно (4) и (6) будет 35 равно галу Y. Трансформатор 4 работает в режиме холостого хода, т.е. на очень высокоомную нагрузку. Потери холостого хода трансформаторов компенсируются, так как измеряется их первичный ток 1.

Однако в предлагаемом умножителе имеются еще два коэффициента К и

К, . При этом К обеспечивает дополнительное усиление сигнала X в

10-100 раз, а К,р обеспечивает повышение выходного сигнала по напряжению в 100-10000 раз. Это позволяет применить предлагаемое устройство для умножения сигналов постоянного и переменного тока малых уровней.

На фиг. 2 в качестве преобразователя 5 напряжения в сопротивление показана схема . компенсационного стабилизатора напряжения, который, как известно, обладает очень высокой стабильностью, точностью и линейностью.

Эти характеристики, в основном, определяются операционным усилителем

2. В качестве преобразователя 5 напряжения в сопротивление можно применить стабилизатор тока, аналогоцифровой преобразователь и т.р.; входными сигналами которых могут быть как постоянные, так и переменные сигналы. Преобразователь 5 можно заменить переменным сопротивлением, подключенным непосредственно к вторичной обмотке согласующего трансформатора 3. Для умножения сигналов постоянного тока X Y усилитель 1 (можно и 2) применяют с преобразованием, т.е. М-Д-М типа, выходной сигнал первого усилителя должен сни— маться до демодулятора, от этого схема предлагаемого устройства- не изменится.

Важным преимуществом предлагаемого устройства для умножения является его высокая стабильность и точность, обусловленная применением трансформаторов, у которых, как известно, отсутствует дрейф и характеристика передачи линейная, что позволяет повысить точность работы устройства. Устройство обеспечивает умножение сигналов постоянного тока

Х и Y переменного сигнала Х на постоянный Y (или наоборот) и пере- менного сигнала на переменный. В качестве переменного сигнала может при меняться сигнал прямоугольной или синусоидальной формы.

Применяя преобразователь 5 напряжения в сопротивление симметричного типа (на фиг. 2 показан упрощенный его вариант), можно обеспечить четырехквадратное умножение постоянных и переменных сигналов. Все эти высокие характеристики устройства обеспечиваются, в основном, введением двух миниатюрных трансформаторов мощностью (0,025-0,25) Вт и схемой их включения, что позволяет

926676 получить высокую разрешающую способность при измерении сигналов малых уровней.

Формула изобретения

Устройство для умножения, содержащее первый и второй операционные усилители, входы которых соответственно являются входами первого и 10 второго сомножителей устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, расширения диапазона изменения входных сигналов, а также. расширения класса )5 решаемых задач за счет обеспечения воэможности перемножения переменных и постоянных сигналов, в него введены преобразователь напряжения в сопротивление, согласующи " и повышающий трансформаторы, выходы первого операционного усилИтеля через последовательно соединенные пер вичные обмотки согласующего и повышающего трансформаторов подключены к шине нулевого потенциала, вторичная обмотка согласующего трансформатора подключена к выходу преобразователя напряжения в сопротивление, вход которого подключен к выходу второго операционного усилителя, вторичная обмотка повышающего трансформатора является выходом устройства.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 625213, кл. G 06 G 7/163, 19/7.

2. Патент Англии Р 1446081, кл. G 4 G опублик. 1976 (прототип).

926676

Составитель Т.Салунова

Редактор И.Тыкей Техред Т. Маточка Корректор A.Ãðèöåíêî

Заказ 2983 42 Тираж 732 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР пэ делам изобретений и открытий

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

Ю

Филиал ППП Патент, г. ужгород, ул. Проектная, 4