Аналоговый умножитель переменных сигналов

 

Союз Советскик

Социалистичвсник

Рвс ублин

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6! ) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 05.02.81 (2!) 3243204/18-24 с присоединениект заявки .1тв (5I)N. Кл. ч 06 6 7/161

Ibo7A3pcTsNHbll K4NNToT

CCCP вю делам взо4ретвкий

N открытий (23) Приоритет (53).УДК 681 ° 335 (088.8) Опубликовано 30.08.82. Бюллетень М32

Дата ьпубликовання описания 30. 08.82 (72) Авторы изобретения

4

В. И. Катков и Б. А. Кучерук (7!) Заявитель (54) АНАЛОГОВЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННЫХ СИГНАЛОВ

O

Изобретение относится к автомати,ке и вычислительной технике, в частности к функциональным устройствам, осуществляющих умножение аналоговых сигналов, и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах, в радиотехнических устройствах различного назначения (в модуляторах, детекторах и т.д.),а также в электроизмерительной технике.

Известен аналоговый умножитель, содержащий четыре интегратора в цепях обратной связи, десять ключей, источники опорных и тестовых напряжений. Этот умножитель (при условии дополнения его схемой программного управления ключами) может быть использован как четырехквадратный умножитель, работающий в режиме разделения времени, когда в первую половину периода он настраивается на минимальное значение статической пог решности, во вторую половину перио". да осуществляется собственно операция перемножения двух информационных сигналов, затем цикл настройкаперемножение повторяется и т.д. (1) .

Недостатком умножителя является

5 то, чго для осуществления перемножения сигналов в течение всего периода (чтобы исключить потерю информации во время цикла настройки умножителя на минимальную статическую погрешность) необходимо двухканальное устройство, действующее в режиме разделения времени по каналам, т.е. аппаратурные затраты воз растают примерно вдвое, т.е. устройство становится черезмерно сложным.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является аналоговый умножитель, содержащий блок

26 умножения с переменной крутизной, выход которого является выходом устройства, а первый и второй информационные входы блока умножения й

3 95 являются входами умножителя, четыре задающих потенциометра, первые край ние выводы которых объединены и под" ключены к шине положительного напряжения питания и к первому входу пи-. тания блока умножения с переменной крутизной,вторые крайние выводы перво го,второго и третьего задающих потенциометров объединены и подключены к шине отрицательного напряжения питания и к второму входу питания блока умножения с переменной крутизной, средний вывод первого задающе-, го потенциометра подключен к выходу для балансировки первого информационного входа блока умножения с переменной крутизной, средний вывод второго задающего потенциометра подключен к выходу для балансировки первого информационного входа блока умножения с переменной крутизной, средний вывод третьего задающего потенциометра подключен к выходу для балансировки напряжения сщемения выходного каскада блока умножения с переменной крутизной, средний вывод и второй крайний вывод чет" верто -о задающего потенциометра объединены и подключены к выходу уста" нонки коэффициента перемножения бло" ка умножения с переменной крутиз" ной (2) .

Недостатком умножителя является то, что из-эа наличия временных и температурных дрейфов компенсирующих напряжений, потенциометров, параметров микросхем непосредственно перемножителя значение статической погрешности перемножения нестабильно во времени и в диапазоне температур, кроме того, процесс настройки носит итерационный характер, длителен и трудоемок.

5105 ф

1S

З0 ки заданного коэффициента перемноЗо зз

40 ференциального усилителя и через соответствующие зарядные конденсаторы подключены к шине нулевого потенциала.

На фиг. 1 дана электрическая схема аналового умножителя переменных сигналов; на фиг. 2 и 3 - эпюры напряжений, поясняющие его работу.

Аналоговый умножитель переменных

s0

И е

Цель изобретения - повышение точности умножителя.

Поставленная цель достигается тем, что в аналоговый умножитель переменных сигналов, содержащий блок умножения с переменной крутизной, выход которого является выходом умножителя, а первый и второй информационный входы являются соответственно первым и вторым выходами ум" ножителя, три задающих потенциометра первые крайние выводы которых объединены и подключены к шине положительного напряжения питания и к пер вому входу напряжения питания блока умножения с переменной крутизной, вторые крайние выводы первого и второго задающих потенциометров объединены и подключены к шине ото рицательного напряжения питания и к второму входу напряжения питания блока умножения с переменной крутиэной, средний вывод первого задающего потенциометра подключен к выходу для балансировки второго информационного входа блока умножения с переменной крутизной, средний вывод второго задающего потенциометра подключен к выходу для балансировки напряжения смещения выходного каскада блока умножения с переменной крутизной, средний вывод и второй крайний выход третьего задающего потенциометра объединены и подключены к выходу установжения с переменной крутизной, введены ограничитель, выпрямительный диод, два ключа, два зарядных конденсатора и дифференциальный усилитель, . выход которого подключен к выходу для балансировки первого информационного входа блока умножения с переменной крутизной, первый информационный вход блока умножения с переменной крутизной подключен к входу огра ничителя прямой и инвертирующий вы1 ходы которого подключены к управляющим входам соответственно первого и второго ключа, информационные входы которых объединены и подключены к катоду выпрямительного диода, анод которого подключен к информационному выходу блока умножения с переменной крутизной;выходы ключей под . ключены к соответствующим входам дифсигналов содержит блок 1 умножения с переменной крутизной, информационные входы 2 и 3 которого являются соответственно входами умножителя, а информационный выход 4 является выходом умножителя, выход 5 для балансировки первого информационного входа блока умножения с переменной крутизной, выход 6 для балансировки

955105

5 второго информационного входа блока .умножвния с переменной крутизной, выход 7 для балансировки напряжения смещения выходного каскада блока умножения с переменной крутизной, вы 5 ход 8 установки коэффициента перем" ножения блока умножения с, переменной крутизной, первый вход 9 напряжения питания и второй вход 10 напряжения питания блока умножения с 1в переменной крутизной, выпрямительный диод 11, ограничитель 12, ключи

13 и 14, зарядные конденсаторы 15 и 16> дифференциальный усилитель 17„ задающие потенциометры 18-20, шины !5 отрицательного 21 и положительного

22 напряжений питания.

Аналоговый умножитель переменных сигналов Работает следующим образом.

Выходное напряжение четырехквад- 20 рантных аналоговых умножителей сиг" налов определяется выражением в к=Ко к0у !. о ь 0к0у+ (Ко ьК®g Oy (kî k uõEó Ко+ ) Ех у а 4 (0„, у) i fi) где 0, U входные сигналы, подаваемые на информационные входы;

E - эквивалентное напряжение смещения, характеризующее неравновесие выходного каскада; д К0„0у - составляющая выходного каскада, обусловленная отклонением коэффициента перемножения от номинального значения Kp, 35

Я„,Я, - эквивалентные напряжения смещения, характеризующие неравновесие умножителя по выходам для балансировки информационных входов;

f(IJ„, 0 )-составляющая выходного 40 напряжения, обусловленная нелинейной зависимостью коэффициента перемножения от сигналов U. è U .

Полезная составляющая в выходном напряжении описывается первым слагае-45 мым в (1) 6

Уменьшение погрешности перемножения умножителя достигается подачей четырех напряжений компенсации узкой величины, чтобы .второе, третье, чет вертов.и пятое слагаемое в выходном напряжении стали бы равными нулю.

На информационные входы 2 и 3 блока 1 умножения с переменной крутизной подаются перемножаемые напряжения Ux (фиг. 2а) и 0у(фиг. 2б). 8 результате на выходе умножителя вырабатывается напряжение 0 ц(фиг.2в).

:При этом для наглядности на фиг.2в .в течение первого периода низкочастотного напряжения 0< показано выходное напряжение умножителя при отсутствии погрешностей, а в течение второго периода - при наличии смещения

К > по входу Х. На фиг. 2г представлено выходное напряжение умножителя после прохождения его через выпрямительный диод 11. на ограничитель

12 подается низкочастотное напряжение Ux. Ha выходах ограничителя (фиг. 2д,е) формируются противофаз" ,Ные прямоугольные напряжения, которые управляют ключами 13 и 14. При откры том состоянии ключей зарядные конденсаторы 15 и 16 заряжаются до амплитудного значения напряжения U< при этом напряжения на упомянутых конденсаторах показаны на фиг. 2ж,з соответственно. Эти напряжения при", кладываются к входам дифференциального усилителя 17,который и формирует компенсирующее напряжение Ub, прикладываемое к выходу 5 для балан". сировки первого информационного входа Х. Под воздействием компенсирующего напряжения 0<-изменяется смещение на выходе 5 блока 1 умножения, в результате чего амплитуды его выходного напряжения в течение соседних полупериодов низкочастотного перемножаемого напряжения выравниваются, т.е. погрешность перемножения сводится к нулю.

Йыхви. = КоЦ,Uy

Остальные составляющие выходного напряжения в (1) обуславливают пог50 решность перемножения. При обычно выполняющемся условии(Fx jE P)Ux; 0ч f, слагаемым (К +hK)ÅE „ „â (1) можно пренебречь из-за незначительности вносимой погрешности, компенсация нелинейной составляющей, седьмое слагаесое в (1), как правило, не производится.

Ввиду того., что непосредственно в блоке умножения существует гальваническая связь между каскадами, то компенсирующее напряжение целесообразно подавать на выход для балансировки первого каскада блока умножения-. Как следует из (1) наибольшее влияние на точность перемножения оказывают четвертое и пятое слагаемые, так как при перемножении переменных сигналов при Я„ф0, у 0 nossnseTc 955105

7 новые спектральные составляющие а частотами перемножаемых найряжений.

Второе сЛагаемое погрешности Я приводит лишь к добавлению .постоянной составляющей в выходной сигнал ум-. ножителя, а третье слагаемое

h,КО, U оказывает влияние на амплитуду выходного сигнала перемножителя, т.е, эти слагаемые не вносят дополнительных частотных искажений )e (дополнительных спектральных составляющих) в выходной сигнал АПС.

На фиг. 2а,б изображены перемножаемые сигналы, на фиг. 2.в представлен выходной сигнал умножителя при |5 отсутствии статической погрешности.

На фиг. За приведена составляющая погрешности, обусловленная напряже" нием смещения E по информационному входу Х, на фиг. Эб - выходной сиг- 20 нал умножителя с учетом указанной выше погрешности, на фиг. Зв - состав" ляющая погрешности, вызванная напряжением смещения Е по информационно9 му входу У., на фиг..Зг - выходной сиг-,25 нал умножителя при наличии смещения на информационном входе У. При отсутствии напряжений смещений Я, K g фиг. 2в максимальные амплитуды выход"

) ного напряжения умножителя в каждом полупериоде низкочастотного напряжения равны. Как видно иэ фиг. Зб г напряжения смещения E „,Е>.информацион. ных входов Х, У вызывают изменение максимального значения амплитуды вы35 ходного напряжения умножителя в течение каждого полупериода низкочас" тотного перемножаемого напряжения

U . Это обстоятельство позволяет при появлении смещения на информационных входах Я„,Я автоматически сформировать компенсирующее напря" жение такой величины, чтобы свести к нулю составляющие погрешности выходного напряжения, обусловленные напряжениями смещения „Я .

B предлагаемом умножителе настрой ка на минимальное значение статической погрешности происходит автоматически, режима разделения во времени не требуется, дополнительные тестовые напряжения также не нужны. схема не критична к изменению параметров элементов, так как выходное напряжение умножителя через -ключи

:прикладывается как к зарядному конденсатору 15, так и к зарядному кон денсатору 16 через один и тот же выпрямительный диод 11., изменение емкостей конденсаторов 15 и 16 не оказывает заметного влияния, так как заряд их происховит ао амплитудного значения напряжения 0 „„, при этом постоянная времени заряда ма" ла, а постоянная разряда обеспечивается достаточно большой ввиду высокого входного сопротивления усилителя 17 постоянного тока и большого сопротивления ключей 13 и 14 в запертом состоянии.

Зкономический эффект от использования изобретения обусловлен его техническими особенностями, приведенными выше.

Формула изобретения

Аналоговый умножитель переменных сигналов, содержащий блок умножения с переменной крутизной, выход которого является выходом умножителя, а первый и второй информационные входы являются соответственно первым и вторым выходами умножителя, три задающих потенциометра, первые крайние выводы которых объединены и под" ключены к шине положительного напряжения питания и к первому входу напряжения питания блока умножения с переменной крутизной, вторые крайние выводы первого и второго задающего потенциометров объединены и подключены к шине отрицательного нап. ряжения питания и к второму входу напряжения питания блока умножения с йеременной крутизной, средний вывод первого задающего потенциометра подключен к выходу для балансировки второго информационного входа блока умножения с переменной крутизной, средний вывод второго задающего потенциометра подключен к выходу для балансировки напряжения смещения выходного каскада блока умножения с переменной крутизной, средний вывод и второй крайний вывод третьего задающего потенциометра объединены и подключены к выходу установки заданного коэффициента перемножения блока умножения с переменной крутизной, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности умножения, в него введены ограничитель, выпрямительный диод, два ключа, два зарядных конденсатора и дифференциальный усилитель, выход которого подключен к вы9 955105 10 ходу для балансировки первого инфор-. дам дифференциального усилителя и мационного входа блока умножения с через соответствующие зарядные конпеременной. крутизной, первый инфор- . денсаторы подключены к шине нулевомационный вход блока умножения с пере го потенциала. менной крутизной подключен к входу з Источники информации, ограничителя, прямой и инвертирующий принятые во внимание при экспертизе выходыкоторого подключены к управ-, 1. Тимонтеев В. Н. и др. Устройляющим входам соответственно перво- ство автоматической настройки четыго и второго ключей, информационные . рехквадратным..аналоговых перемноживходы которых объединены и подключе- 10 телей сигналов.- Измерительная техн ны к катоду выпрямительного диода, ника", 1978, Ю 10„с. 17, рис. 1. анод которого подключен к информа- 2. Тимонтеев B. H. Ткаченко В.А. ционному выходу блока умножения с Аналоговый перемножитель сигналов переменной крутизной, .выходы ключей K525llC1.- "Электронная промышленподключены к соответствующим вхо- . ность", У 7, с. 10" 13 (прототип).

955105

Составитель Т. Сапунова

Техред Т.Маточка Корректор Г. Огар

-т едактор С. Тараненко

Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного Комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 6440/56

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4