Квадратор

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ «,99328 3

Союз Советскик

Социаттистичесних

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61}-Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 29. 0g. 81 (2! ) 3340128/18-24 (51)N. Кл.

G 06 G 7/20 с присоединениеат заявки М—

Гесударстеенньа кшантет (23) Приоритет

СССР

60 делан нзебретеннй и аткрытий

Опубликовано 30.01.83. бюллетень РВ 4 (53) УДК 681 ° 335 (088. 8) Дата опубликования описания 31.01. 83 (72) Авторы изобретения

"-П. Першенков, 3.К. Шахов, В.А. Юрманов

8. А. Блохин и В. П. ШевченкоПензенский политехнический институт (7l ) Заявитель (54) КВАДРАТО Р. 1

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть исполин зовано в аналоговых вычислительных машинах, а также для предварительной обработки переменных сигналов.

Известен квадратор, использующийметод логарифмирования сигналов 1.1 3.

Недостатком квадраторов, выполненных на основе этого метода, является узкий частотный диапазон и зависимость частотного диапазона от динами.. ческого диапазона входного сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому является квадратор, работа которого .основана на методе кусочно-линейиой аппроксимации. Квадратор содержит вы. прямитель, вход которого является входом квадратора, интегратор, выход которого является выходом квадратора-, операционный усилитель, выход которо- 20 го соединен с входом интегратора, резистивный:делитель напряжения, крайние выводы которого подключены cooT ветственно к стабилизированному источнику питания и к шине нулевого потенциала, шесть квадрирующих транзисторов, шесть токозадающих реэисторов,выход операционного усилителя через резистор обратной связи подключен к: инвертирующему входу операционного усилителя и общей точке соединения коллекторов первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого транзисторов, базы которых подключе" ны к соответствующим выводам реэистивного делителя напряжения, а эмиттеры первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого транзисторов через соответствующие токозадающие резисторы и через резистор подключены к инвертирующему входу операционного усилителя 2 j.

Поскольку данный квадратор основан на методе кусочно-линейной аппроксимации, то-методическая погрешность операции квадрирования будет целиком зависеть от числа и участков аппрокси. мации. При и, стремящемся к бесконеч993281 ности, методическая погрешность стремится к нулю. Однако при увеличении участков аппроксимации существенно усложняется устройство и возрастает инструментальная погрешность, Это свя- 5 зано с необходимостью стабилизации в широком частотном диапазоне как значений каждого участка аппроксимации, так и их наклона относительно текущих значений входного напряжения. Необходимость нахождения компромисса между методической и инструментальной погрешностями существенно ограничива-. ет точность и частотный диапазон квад15 ратора.

Цель изобретения - повышение точности и расширение частотного диапазона квадратора.

Поставленная цель достигается тем, что в квадратор, содержащий выпрямитель, вход которого является входом квадратора, интегратор, выход которого является выходом квадратора, операционный усилитель, четыре токоэадающих резистора, четыре квадрирующих транзистора, причем коллекторы первого и второго квадрирующих транзисторов объединены,. а база третьего и четвертого квадри рующих тран зис торов соответственно через первый и второй токозадающие резисторы соединены со стабилизированным источником питания, 50 кам образцового тока, коллектор третьего квадрирующего транзистора соединен с входом интегратора, коллектор первый вывод третьего токозадающего резистора подключен к шине нулевого потенциала, а его второй вывод соединен с базой четвертого.квадрирующего транзистора, введены источник опорного напряжения, генератор треугольного напряжения„ сумматор и два источника образцового тока, причем входы сумматора подключены соответственно к выходу источника опорного напряжения и генератора треугольного напряжения, а выход сумматора соединен с первым выводом четвертого токозадающего резистора, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий.вход которого соединен с выходом выпрямителя, а выход операционного усилителя соединен с базами первого и второго квадрирующих транзисторов, эмиттеры первого и третьего, второго и четвертого квадрирующих транзисторов объединены и подключены соответственно к первому и второму источни55 четвертого квадрирующего транзистора соединен с шиной нулевого потенциала.

На фиг. 1 приведена блок-схема квадратора; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Квадратор содержит выпрямитель 1, операционный усилитель (ОУ) 2, источник 3 опорного напряжения (ИОН), генератор треугольного напряжения (ГНТ)

4, сумматор 5, квадрирующие транзисторы 6-9, источники 10 и 11 образцового тока (ИОТ), токозадающие резисторы 12-15,.стабилизированный источник 16 питания, интегратор 17.

Вход выпрямителя 1 соединен с входом квадратора, а выход его подключен к инвертирующему входу ОУ 2, неинвертирующий вход каорого соединен непосредственно с коллекторами первого 6 и второго 7 транзисторов и через четвертый токозадающий резистор 14 с выходом сумматора ., один из входов которого подключен к выходу ГТН 4, а другой - к выходу ИОН 3. Выход ОУ 2 соединен с базами первого 6 и второго

7 транзисторов. Змиттеры первого 6 и третьего 8 транзисторов соединены с выходом первого ИОТ 10, а эмиттеры второго 7 и четвертого 9 квадрирующих транзисторов соединены с выходом второго ИОТ 11. База третьего транзистора 8 через первый токозадающий резистор 12 и через второй токозадающий резистор 13 соединена с базой четвертого транзистора 9, а через третий токозадающий резистор 15 — с общей шиной устройства. База четвертого транзистора 9 через резистор 13 связана с выходом стабилизированного источника 16 питания. Коллектор третьего 8 квадрирующего транзистора подключен к входу интегратора 17, а коллектор четвертого транзистора 9 соединен с общей шиной устройства.

Квадратор работает следующим образом.

Работа квадратора основана на методе кусочно-линейной аппроксимации, Точность квадратирования данного устройства не зависит от количества участков аппроксимации. Это достигается путем квадратичного выпрямления суммы входного и вспомогательного сигналов треугольной формы. Квадратор имеет всего два участка аппроксир1ации (фиг. 2)

0 при 04Vх<0,5 Н

2Ю/х1 при 0,5

Формула изобретения

5 . 9932 где V - входное напряжение квадратора; k - коэффициент пропорциональности; 3н - ток через третий квадрирующий транзистор 8. Амплитуда напряжения Чт треугольной формы принята за 1.

B соответствии с этим протяженность участков аппроксимации также равна

0,5 и 1 соответственно.

Пусть в первоначальный момент входной сигнал равен нулю. В результате iÎ напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя 2 тоже равна нулю. В этом случае транзисторы 6 и

7 Открыты и тОки ) О,1 и о пОлнОстью протекают через указанные транзисторы 15 и создают падение напряжения V на четвертом токозадающем резисторе 14.

Значение опорного напряжения М источника 3 опорного напряжения задается равным по значению 9 и противопо- и1

fl ложным rio знаку. Стабилизированный источник 16 напряжения и токозадающие резисторы 12 и 15 создают необходимое смещение на базах транзисторов 8 и 9.

Пусть измеряемый сигнал имеет зна- 2g чение 0, (фиг. 2) и не успевает существенно измениться за период напряжения 0 треугольной формы, Покажем, что среднее за период Тт сигнала треугольной формы напряжение 0 „,равно 3ф

0„ . Запишем уравнение баланса напря2 жений для точки А схемы квадратора

Ч,„- (З6+a „) В „ .0,(t) -/0„(Е) l=O, где 36 и 3 — токи через квадрирующие транзисторы 6 и 7 соответственно. з

Отсюда видно, что. Любое изменение

0>(t) приведет к изменению значений токов 3 6 и 3, протекающих через резистор К1, . Это осуществляется путем перераспределения токов 36 и З„черезов транзисторы 6, 8 и 7, 9 соответственно. При изменении входного напряжения от 0 до 0,5 ток J > перераспределяется между транзисторами 7 и 9 в соответствии с .формой изменения 0х(й) и при

0к(t)=0,5 ток 3-.1 полностью протекает через транзистор 9. Аналогично перераспределяется, ток 36 через транзисторы 6 и 8 при изменении входного напряжения от 0,5 до 1,5.

59

Найдем значение напряжения на ин-. теграторе 17 за период Тт напряжения треугольной формы

1т. С ц = g (<)-3<= — j (g}gg М

1(Qbtx т.„и Т и

tq

2 1 О

81 е где Зиса-- среднее значение тока за, интервал времени и -t<. Выразив 3и 2 1 и через значение входного наТт

2 пряжения 0к1 получим овь(х1 =kuX,. Из. вышесказанного видно, что методическая погрешность квадратирования не зависит от числа участков аппроксимации, а связана только с соотношением периодов Тк входного сигнала и Тт сигнала треугольной формы. При отно Х шенин —, стремящемся к бесконечностт ти, методическая погрешность стремится к нулю. Инструментальная погрешность квадратора зависит от стабилькости амплитуды генератора 4 треуголь" ной формы и стабильности источников

10 и 11 образцового тока, задающих границы участков аппроксимации. По-; скольку источники-1О и 11 образцового тока работают в статическом режиме, задача обеспечения их необходимой стабильности не вызывает затруднений.

Линейность аппроксимИфующей функции и частотный диапазон квадратора будут определяться только параметрами операционного усилителя 2, а именно коэффициентом усиления и полосой про. пускания. Современные операционные усилители имеют коэффициент усиления в несколько десятков тысяч и полосу пропускания в несколько мегагерц, что. вполне достаточно для обеспечения погрешности нелинейности функции аппроксимации на уровне сотых долей процента и частотного диапазона квадратора в. несколько сотен килогерц.

Технико-зкономический эффект заключается в получении квадратора большей точности и с более широким частотным диапазоном.

Квадратор, содержащий выпрямитель, вход которого является, входом квадратора, интегратор, выход которого является выходом квадратора, операционный усилитель, четыре токозадающих резистора, четыре квадрирующих транзистора, причем коллекторы первого и второго квадрирующих транзисторов объединены, а базы третьего и четверто- го квадрирующих транзисторов соответственно через первый и второй токозадающие резисторы соединены со стабилизированным источником питания, пер993281 вый вывод третьего токозадающего резистора.подключен к шине нулевого потенциала, а его второй вывод соединен с базой четвертого квадрирующего транзистора, отличающийся тем, 5 что, с целью повышения точности и расширения частотного диапазона, в него введены источник опорного напряжения, генератор треугольного напряжения, сумматор и два источника образ-10 цового тока, причем входы сумматора подключены соответственно к выходу источника опорного напряжения и генератора треугольного напряжения, а выход сумматора соединен с первым выво- 15 дом четвертого токозадающего резисторы, второЙ вывод которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с выходом выпрямителя, à 2g выход операционного усилителя соединен с базами первого и второго квадрирующих транзисторов, эмиттеры первого и третьего, второго и четвертого квадрирующих транзисторов объединены .и подключены соответственно к пер-. вому и второму источникам образцового тока, коллектор третьего квадрирующего транзистора соединен с входом интегратора, коллектор четвертого квадрирующего транзистора соединен с шиной нулевого потенциала °

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Шило В.Л. Линейные интегральные схемы. M., "Советское радио", 1979, с. l79.

2. Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Т.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. И., "Радио и связь", 1981 с. 111- 112, рис. 3.32б (прототип).

- 993281

Фиг

Составитель 8. Жирнова

Редактор В. Петраш Техред И-. Гайду Корректор М. Шароши

Тираж 704 Подписное

ВНИИПИ Государственного -комитета СССР по делаи-изобретений и открытий

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

Заказ 480/66

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