Аналоговое запоминающее устройство

 

О П И С А Н И Е,g4ggg4

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскик

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 26.1280 (21) 3224662/18-24 . ($1) М. КП.з

6 11 С 27/00 сприсоединением заявки № (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР но дедам и нн>ретеннй и открытий

Опубликовано 1507.82. Бюллетень ¹26 Дата опубликовамия описания 15.07.82

t$3) УДК.681. 327.66 (088. 8) (72) Авторы изобретения

О.С. Андреев, В.A. Калынюк, М.М. Ко и И.Б. Мелихов (71) Заявитель (54) АНАЛОГОВОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

25 где К

Изобретение относится к вычислительной и контрольно-измерительной технике и может использоваться в аналого-цифровых преобразователях, системах сбора и передачи информации, устройствах аналого-цифрового ввода/вывода для связи с вычислительной машиной.

Известны аналоговые запоминающие устройства, в которых использование контуров отрицательной обратной связи позволяет устранить погрешности, связанные с неидеальными свойствами усилителей, входящих в состав устройств. Эти устройства включают в себя усилители, накопительный элемент, например конденсатор, ключи и шину нулевого потенциала (1).

Недостатком известных устройств является низкое быстродействие.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является аналоговое запоминающее устройство, содержащее первый и второй усилители, один вход первого усилителя через первый и второй ключи соединен соответственно с входом и выходом устройства, другим входом подключенный к одному входу второго усилителя, на копительному элементу, например одной обклаДке конДенсатоРат соеДинен ного другой своей обкладкой с шиной нулевого потенциала, и через третий ключ — к своему выходу, первый и второй элементы связи, другой вход второго усилителя через первый элеМент связи подключен к выходу первого усилителя, а через второй элемент связи — к выходу второго усилителя и выходу устройства (2).

Это устройство обладает хорошими статическими параметрами, однако ди.намические параметры низкие. Быстродействие и динамическая точность в режиме выборки определяются параметрами в основном первого усилителя, поскольку второй усилитель в режиме выборки не влияет на заряд накопительного элемента. В случае оптимальной коррекции передаточная характеристика первого усилителя является однополюсной н определяется выражением

Кт (1)

1+р „ вЂ” статический коэффициент передачи первого усилителя; постоянная времени первогс у силн тел я;

9 — оператор Лапласа.

943е54

1 ke 1

У (2) 10 (3) 15

45

55

b5

Функция реакции схемы при ступенчатом входном воздействии

Оригинал выражения (2) определяет переходную характеристику первого усилителя, откуда можно найти от-. носительную погрешность устройства в режиме выборки где H/t),h (t) — переходная и нормированная переходная характеристики: стройства в режиме выбо рки 1 б (1) — относительная погрешность устройства в режиме выборки; — текущее время (время выборки). 25

Выражение (4) связывает быстродействие и точность устройства н динамике. Действительно, в статическом режиме выбсрки при 17 Г погрешность устройства достигает своего минималь-30 ного значения, определяемого только статическим коэффициентом передачи усилителей, одна .:о быстродействие устройства из-за значительного времени выборки становится крайне низ- 35 ким. Уменьшение времени выборки для повышения быстродействия неминуемо влечет за собой снижение точности в соответствии с (4). Снижение точности при этом не восполняется увеличе- 40 нием коэффициентов передачи усйлителей, а наоборот ухудшается устойчивость работы устройства.

Целью изобретения является повы шение быстродействия и точности устройства.

Псставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее основной накопительный элемент, например основной конденсатор, одна из обкладок которого соединена с шиной нулевого потенциала, первый усилитель, один из входов которого соединен с выходами первого и второго ключей, вход первого ключа является входом устройства, второй усилитель, охваченный по одному из вхоДов обратной связью через первый пассивный элемент, например первый резистор, выход второго усилителя соединен с входом второго ключа и является выходом устройства, другая обкладка основного конденсатора подключена к другим входам первого и второго усилителей и к выходу третьего ключа, вход которого соединен через второй пассивный элемент, например второй резистор, с первым входом второго усилителя, введены третий усилитель и дополнительный накопительный элемент, например дополнительный конденсатор, одна из обкладок которого соединена с выходом второго усилителя, а другая обкладка - с выходом первого усилителя и с входом третьего усилителя, выход которого подключен к входу третьего ключа.

На чертеже изображена функциональная схема предложенного устройства.

Устройство содержит усилители

1-3, накопительные элементы, например конденсаторы 4 и 5, ключи 6-8, пассивные элементы, например резисторы

9 и 10, и шину 11 нулевого потенциала.

Предложенное устройство функционирует следующим образом.

Усилитель 1 выполняется с высоким выходным сопротивлением (усилитель тока), а усилитель 3 — с высоким входным и низким выходным сопротивлением. .В режиме выборки замкнуты ключи

6 и 8 и разомкнут ключ 7. Конденсатор 4 через усилители 1 и 3 заряжается до напряжения, равного напряжению на входе устройства. Напряжение с конденсатора 4 прикладывается к одному из входов усилителя 2 и, при значительном коэффициенте его передачи, одновременно присутствует на его другом входе, а также на резисторе 10 благодаря замкнутому ключу 8, поэтому напряжение на выходе устройства близко к входному напряжению. Если коэффициент передачи усилителя 3 равен единица, то его входное и выходное напряжение равны.

Поскольку выходное напряжение усилителя 1 равно при этом напряжению на конденсаторе 4, то напряжения на обкладках конденсатора 5 практически равны и этот конденсатор в режиме выборки не влияет на работу устройства и время установления напряжения на конденсаторе 4, т.е. время выборки определения передаточной функцией усилителей 1 и 3.

В режиме хранения состояние ключей 6-8 устройства изменяется на противоположное, при этом на конденсаторе 4 в течение определенного времени сохраняется напряжение, равное мгновенному значению входного напряжения в момент изменения состояния ключей 6-8. Это напряжение прикладывается к соединенному с конденсатором 4 одному из входов усилителя 1, а на другой его вход через ключ 7 подается напряжение с выхода устройства. Поскольку усилитель 1 охвачен контуром отрицательной обратной связи через усилители 2 и 3 и ключ 7, то напряжения на входах усилителя 1

943854

° (-t, (zÄ)) =aÄ вЂ” ь (<), 1

М Кт

T. ) Pc (5) 1 р .- "о С (1+Кг ), (6) 30 равны, поэтому напряжение на выходе устройства в режиме равно тому входному напряжению, которое оно имело при переходе из режима выборки в ре.жим хранения. При этом конденсатор

5 оказывается включенным в цепь от- S рицательной обратной связи и влияет на общую передаточную характеристику устройства. Усилитель 3 работает с единичным коэффициентом передачи,поэтому может быть достаточно широкополосным. Усилитель 2 через резис-. торы 9 и 10 охвачен местным контуром отрицательной обратной связи, следовательно, полюс его передаточной характеристики в соответствующей степени сдвинут в область высоких частот, поэтому характеристики устройства в рабочей полосе частот в основном определяются усилителем 1.

Тогда суммарная передаточная хаРактеристика устройства от одного из входов усилителя 1 к выходу устройст.ва в режиме хранения определяет выражением где ٠— передаточная характеристи4 ка усилителя 1;

К вЂ” коэффициент передачи усилителя 2;

К вЂ” выходное сопротивление усилителя 1;

С вЂ” емкость конденсатора 5.

В известном устройстве, гдЕ отсутствует конденсатор 5, передаточная

40 функция равна

2 (7) где W — передаточная характеристика первого усилителя.

Для обеспечения одинаковой стати- 45 ческой точности и устойчивости работы известного устройства и предложенного должно выполняться условие

% 2 (8) которое с учетом (5) и (7) записывается следующим образом:

1 1

W К = W ° К

1 г. 1+р-

Отсюда можно выразить передаточную характеристику усилителя 1 через передаточную характеристику первого усилителя в известном устройстве при сохранении для обоих устройств одинаковой статической точности и устой-60 чивости

= W . (1+9 2».

Из (9) следует, что передаточная характеристика усилителя 1 в предложен- 65 ном устройстве имеет дополнительный ноль по сравнению с аналогичной характеристикой известного. Благодаря этому появляется возможность подбором конденсатора 5 скомпенсИоовать ноль передаточной характеристики аналогового запоминающего устройства, тем саьым значительно уменьшить постоянную времени усилителя 1. Так, при выборе одинаковЫх первого усилителя в известном и усилителя 1 в предложейном устройствах при одинаковой предельной статической точности обеих устройств погрешность, определяемая как функция текущего времени (времени выборки) в предложенном устройстве, много ниже, чем в известном.

Это позволяет уменьшить время выборки, тем самым повысив быстродействие. Действительно, переходная характеристика усилителя 1, определяемая по (9) с учетом (1} равна

1 н (t) =к — p-(<- — )ехр

Чл C%.

7а Сл откуда нормированная переходная характеристика и относительная погрешность устройства составляют м (t) =)-(1 гт/ч- ))ехР (-. )т ), d" (t)= 1-Ь4)=(1- „)exp (-4/ 1>. (10) Так, для времени выборки t=6,967 и подборе Z и t с точност ю 10%,т.е.

5 / C 0,9, погрешность устройства как функция времени выборки в известной и предложенной схемах определяет выражениями (4) и (10) -3

g(t) = ехр(-6,96 Q/Г,) = 10 =0,1Ъ,,((t ) = (1-0, 9 ) е хр (-6, 9 6 г у Г1 ) = и

-4 — 10 = 0,01 Ъ.

Таким образом, при сохранении неизменными устойчивости работы, времени выборки и предельной статической точности в предложенном устройстве, в отличие от известного ско-. рость приближения точности к предельной статической точности намного выше, и наоборот при сохранении неизменными устойчивости рабо гы, предельной статической точности и фиксировании одинаковой точности в известном и предложенном устройствах, времь выборки в новой схеме намного меньше.

Введение новых элементов и связей улучшает, таким образом, динамические свойства аналогового запоминающего устройства, чем достигается повышение быстродействия и точности в предложенном устройстве. Благою 1ря

943854

Формула изобретения

БНИИПИ Заказ 5122/63 Тираж 68P. Подписное

Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 хорошим динамическим параметрам появляется нозможность повышения статического коэффициента передачи усилителя для повышения точности при неизменном времени выборки. Благодаря высокому выходному сопротивлению уси- 5 лителя 1 емкость конденсатора 5, определяемая в соответствии с (6) является небольшой, намного меньше емкости конденсатора 4. В практической реализации неличина емкости кон- )О денсатора 5 составляет 3,...,10 пФ при емкости конденсатора 4 равной

500,. ° .,1000 пФ. Малость величины конденсатора 5 подтверждает отсутствие его влияния на процесс выбор- 15 ки. Усилитель 3, выполняемый с высоким входным и низким выходным сопротивлениями, служит буферным звеном между усилителем 1 и конденсатором 4. Он обеспечинает большой ток заряда этого конденсатора и исключает шунтирование им высокого выходного сопротивления усилителя 1.

Этим обесяейиэается неизменность Ф постоянной времени при коммутации

1конденсйт бра 4 . В качестве усилителя 3 может применяться простой повторитель напряжения, выполненный по быстродействующей разомкнутой схеме.

Использование усилителя 3 позволяет выполнить усилитель 1 по микромощной схеме, поскольку практически отсутствует потре. ление его выходного тока как н режиме выборки, так и в режиме хранения благодаря высокому входному сопротивлению усилителя 3 и малой емкости (следонательно, большому импедансу) конденсатора 5.

Это позволяет построить аналогоное запоминающее устройство по предложенной схеме с классом точности 40

0,01В при времени выборки менее одной микросекунды.

Аналоговое запоминающее устройство, сбдержащее основной накопительный элемент, например основной конденсатор, одна Из обкладок которого соединена с шиной нулевого потенциала, первый усилитель, один из входов которого соединен с выходами первого и второго ключей, вход первого ключа является нходом устройстна, второй усилитель, охваченный по одному из входов обратной связью через первый пассивный элемент, например первый резистор, выход второго усилителя соединен с нходом второго ключа и является выходом устройстна, другая обкладка основного конденсатора подключена к другим входам первого и второго усилителей и к выходу третьего ключа, вход которого соединен через второй пассивный элемент, например второй резистор, с первым входом второго у=илителя, о т л и ч а— ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия и точности устройства, в него введены третий усилитель и дополнительный накопительный элемент, например дополнительный конденсатор, одна из обкладок которого соединена с выходом второго усилителя, .а другая обкладка — с выходом первого усилителя и с входом третьего усилителя, выход которого подключен к входу третьего ключа.

Источники информации, принятые но внимание при экспертизе

1. Патент США Р 4066919, кл. 307/353, опублик. 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

М 482815, кл. G 11 С 27/00, опублик.

1975 (прототип).