SU1166144A1 - Устройство дл интегрировани посто нного тока - Google Patents

Abstract

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕГРИРОВАНИЯ ПОСТОЯННОГОТОКА, содержащее последовательно соединенные первый и второй усилители посто нного тока, пороговый элемент, счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к другому входу второго усилител  посто нного тока, первый интегрируюш,ий конденсатор, перва  обкладка которого подключена к выходу второго усилител  посто нного тока, второй интегрирующий конденсатор , перва  обкладка которого соединена с выходом первого усилител  посто нного тока,  вл юш,имс  выходом устройства, причем вход первого усилител  посто нного тока через масштабный резистор соединен с входом устройства, ключ, управл ющий вход которого через одновибратор подключен к выходу порогового элемента, а первый вывод - к входу первого усилител  посто нного тока, и источник напр жени  смещени , отличающеес  тем, что, с целью повыщени  точности интегрировани  и помехоустойчивости устройства, оно содержит ограничивающий резистор, включенный ( между источником напр жени  смешени  и второй обкладкой второго интегрирующе (Л го конденсатора. Соединенной с вторым выс водо.м ключа, причем вход первого усилител  посто нного тока подключен к второй обкладке первого интегрирующего конденсатора . о Oi 4

Description

Изобретение относитс  к аналого-цифровой вычислительной технике и может быть иснользовано, например, дл  построени  электронного интегратора посто нного тока с большим временем интегрировани .

Известны устройства дл  интегрировани , содержащие интегрирующий конденсатор , включенный в цепь обратной -св зи усилител  посто нного тока 1.

В услови х микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры такие интеграторы имеют больщие ограничени  по времени и точности интегрировани  ввиду недопустимости больщих габаритов конденсатора .

Известен интепратор посто нного тока, содержащий последовательно соединеннее первый и второй усилители посто нного тока , последовательно соединенные пороговое устройство, реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, конденсатор, перва  обкладка которого соединена с входом порогового устройства и с выходом первого усилител , а втора  обкладка - с входом первого усилител ; ключ и одновибратор: причем вход первого усилител  подключен к входу устройства, выход цифроаналогового преобразовател  подключен к входу второго усилител , управл ющий вход ключа соединен с выходом одновибратора , вход которого подключен к любому выходу, выбранному из группы, состо щей из выходов порогового устройства, счетчика , цифро-аналогового преобразовател  и второго усилител ; конденсатор щунтирован ключом, выход второго усилител  соединен с выходом устройства 2.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению  вл етс  устройство дл  интегрировани  посто нного тока, содержащее последовательно соединенные первый и второй усилители посто нного тока, пороговый элемент, счетчик и цифроаналоговый преобразователь , выход которого подключен к второму входу второго усилител , между выходом которого и входом первого усилител  включены первый интегрирующий конденсатор и ключ, второй интегрирующий конденсатор, включенный между входом и выходом первого усилител , источник напр жени  смещени , подключенный через ключи к входу первого усилител  посто нного тока 3.

Недостатком известного устройства  вл етс  сложность, вызванна  присутствием нескольких ключей и двух сравнительно крупных конденсаторов.

Целью изобретени   вл етс  упрощение устройства и уменьщение габаритов.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство дл  интегрировани  посто нного тока, содержащее последовательно соединенные первый и второй усилители посто нного тока, пороговый элемент, счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к другому входу второго усилител  посто нного тока, первый интегрирующий конденсатор, перва  обкладка

которого подключена к выходу второго усилител  посто нного тока, второй интегрирующий конденсатор, перва  обкладка которого соединена с выходом первого усилител  посто нного тока,  вл ющимс  выходом устройства, причем вход первого усилител 

посто нного тока через масщтабный резистор соединен с входом устройства, ключ, управл ющий вход которого через одновибратор подключен к выходу порогового элемента , и источник напр жени  смещени ,

5 содержит ограничивающий резистор, включенный между источником напр жени  смещени  и второй обкладкой второго интегрирующего конденсатора, соединенной через ключ с входом первого усилител  посто нного тока, подключенным к второй обклад0 ке первого интегрирующего конденсатора.

На чертеже представлена функциональна  схема устройства дл  интегрировани  посто нного тока.

Устройство дл  интегрировани  посто нного тока содержит усилитель посто нного тока (УПТ) 1, интегрирующий конденсатор 2, цифроаналоговый преобразователь 3, счетчик 4, пороговый элемент 5, одновибратор 6, ключ 7, ус илитель 8 посто нного тока , масштабный резистор 9, ограничиваюQ щий резистор 10, второй интегрирующий конденсатор 11, причем резисторы 9 и 10 и конденсатор 11 образуют блок 12 пам ти, УПТ 1 содержит усилитель 13 и масщтабные резисторы 14-16. Пороговый элемент 5 состоит из элемента ИЛИ 17, генератора

5 18, однопороговых элементов 19 и 20. элемента И 21.

ИЕХ и Ивыж - общие входное и выходное напр жени , Ик - выходное напр жение УПТ 1, It - ток через конденсатор 2, JBJ: - входной ток интегратора, Uc«i - напр жение смещени  «нул  УПТ 1, вырабатываемое преобразователем 3, кодовые входы которого соединены с выходами разр дов двоичного нереверсивного счетчика 4. Его счетный вход Т соединен с выходом

5 порогового элемента 5 и с входом одновибратора 6, выход которого подключен к управл ющему входу нормально разомкнутого ключа 7. Один его вь1вод соединен с инвертирующим входом УПТ 8, выход которого  вл етс  выходом устройства, с резистором

0 9 и с конденсатором 2, другой обкладкой подключенным к выходу УПТ 1. Он охвачен (через инвертирующий вход и делитель напр жени  на резисторах 15 и 16) последовательной ООС по напр жению; неинвертирующий вход УПТ 1 соединен с выходом УПТ 8. Между выходом УПТ 8 и вторым выводом к;|юча 7 включен конденсатор 11, подключенный одной обкладкой к источнику напр жени  смещени  UCM через резистор

10,-инвертирующий вход усилител  13 через резистор 14 подключен к второму входу УПТ 1, выход которого подключен к входу порогового элемента 5.

Интегратор работает следующим образом .

При разомкнутом ключе 7 и Hcxi const резистор 9, последовательно соединенные УПТ 8 и 1, которые в этом случае представл ют собой единый усилитель, образующий с конденсатором 2 интегрирующий операционный усилитель.

УПТ 1 охвачен дискретной ООС по напр жению через пороговый элемент 5, счетчик 4 и преобразователь 3. Действие данной OOG таково, что она исключает насыщение УПТ 1: если напр жение Иос близко к любому из двух уровней насыщени , элемент ИЛИ 17 измен ет свое состо ние с «логического О, на «логическую 1,очередной импульс генератора 18 через элемент 21 записываетс  счетчиком 4, напр жение Ион, получает приращение и через резистор 14 смещает рабочую точку усилител  13, удал   ее от того уровн  насыщени , к которому она приближалась, в область линейной зоны амплитудной характеристики усилител . Счетчик 4 - нереверсивный и дан,ный результат достигаетс  пропуском через элемент 21 одного импульса генератора 18 только при приближении к одному (первому ) уровню насыщени . Дл  второго уровн  насыщени  первый пропущенный элементом 21 импульс генератора 18, дава  всегда положительное приращение абсолютного значени  И(,, за исключением случа , когда счетчик 4 переполн етс , перемещает рабочую точку усилител  13 ближе к насыщению или в область насыщени , «логическа  1 на выходе элемента ИЛИ 17 сохран етс , поэтому на счетчик 4 поступает следующий импульс и т.д. до тех пор, пока не переполнитс  счетчик 4 и соответственно не изменитс  скачком напр жение Исм/- От максимального к минимальному значению. При этом рабоча  точка УПТ 1 перемещаетс  в область первого уровн  насыщени  (исключение составл ет случай, когда напр жение Ицш таково, что сброс счетчика 4 соответствует линейному участку характеристики УПТ 1). На счетчик 4 продолжают поступать импульсы: его входной код увеличиваетс  от нул  до значени , в простейшем случае на единицу меньще того исходного кода, при котором рабоча  точка приблизилась к второму уровню насыщени ; абсолютное значение , получает отрицательное приращение относительно исходного значени , элемент ИЛИ 17 измен ет свое состо ние с «1 на 0, предыдущий код счетчика запоминаетс .

Так как Исщ непосто нно, то напр жение Иое нельз  использовать в качестве выходного напр жени  интегратора. Дискретна  ООС, охватывающа  УПТ 1, позвол ет

это сделать при ограниченном диапазоне напр жени  Однако его перепады (йИо(.), вызванные дискретностью приращений напр жени  Исм , требуют форсированг .него разр да (точнее, перезар да) конденсатора 2 на то же приращение , причем импульсный ток перезар да конденсатора 2 не должен вызывать значительной погрещности интегрировани . В интеграторе это достигаетс  тем, что перезар д конденсатора 2 осуществл етс  через ключ 7, который замыкаетс  под действием импульса одновибратора 6. вырабатываемого одновременно с по влением скачка л Иос и через конденсатор И. При закрытом ключе 7 конг денсатор 11 через резистор 10 зар жаетс  до напр жени , равного сумме напр жений Иру и HcMi погрещностью, определ емой законом изменени  во времени напр жени  ИЕИХ и посто нной времени цепи конденсатора 11. Функций конденсатора И - запомнить напр жение Ивах совместно с замкнутым ключом 7 и УПТ 8. ПоследнМ при этом охвачен емкостной ООС по напр жению и поэтому в основном отфильтровывает импульсный ток перезар да конденсатора 2. В течение замыкани  ключа 7 нестабильность напр жени  определ етс  следующими основными факторами; падением напр жени  на сопротивлении ключа 7 от тока перезар да и приращением напр жени  на запоминающем конденсаторе Н под действием суммы тока перезар да и тока резистора 10. Его сопротивление тем лучще, чем оно меньще (чтобы снизить посто нную времени цепи конденсатора 11 при разомкнутом ключе 7). Напр жение Исц выравнивает потенциал вывода конденсатора 11 с

потенциалом входа УПТ 8, что необходимо дл  исключени  значительного скачка напр жени  Ивы при замыкании ключа 7, и вместе с тем уменьщает ток резистора 10 при замкнутом ключе 7.

Другой вариант конструктивной реализации блока 12 пам ти - высококачественна  реализаци  пам ти, целесообразна  дл  больщой точности интегрировани , когда ток перезар да пропускаетс  через ключ 7, но он не проходит через конденсатор 11

5 благодар  тому, что полюс ключа, не соединенный со входом УПТ 8, подключен к выходу дополнительного УПТ, инвертирующий и неинвертирующий входы которого соединены соответственно с инвертирующим входом УПТ 8 и с точкой соединени  элементов 11 и 10; и когда достигаетс  низка  посто нна  времени конденсатора Г1 тем, что резистор 10 заменен нормально замкнутым ключом.

Больщинство остальных узлов интегратора в зависимости от конкретных условий также целесообразно реализовать по разному . Если коэффициент передачи интегрировани  должен быть обратного знака в сравнении с тем, что есть в изображенном интеграторе , то после УПТ 8 необходим дополнительный инвертирующий УПТ, с выхода которого снимаетс  напр жение Mjjjj, а вычитание из него напр жени  Vlc.ni. проще произвести путем вычитани  пропорциональных токов на инвертирующем входе УПТ 1, который в этом случае должен быть охвачен параллельной ООС по напр жению. При этом в цепи дискретной ООС целесообразно использовать преобразователь кода непосредственно в посто нный ток, а не в напр жение посто нного тока. Замена нереверсивного счетчика на реверсивный исключает длительный переходный процесс при приближении рабочей точки УПТ 1 к одному из уровней насыщени . В интеграторе с реверсивным счетчиком 4 пороговый элемент 5 может состо ть только из элементов 19 и 20 и генератора 18; выход генератора 18 непосредственно соединен со счетным входом , а выходы пороговых элементов 19 и 20 соединень со входами сложени  и вычитани  счетчика. Если интегрирование осуществл етс  только в одну сторону, например, в генераторе пилообразного напр жени , то пороговый элемент 5 может быть однопороговым . Запуск одновибратора 6 может осуществл тьс  не только с выхода порогового элемента 5, но и с выходов счетчика 4, цифроаналогового преобразовател  3, потому что и выходные сигналы измен ютс  скачкообразно .

Важной комплексной характеристикой аналоговых интеграторов посто нного тока  вл етс  частное от делени  произведени  объема конденсатора (Vc) и погрещности («fu) на врем  интегрировани  (Тц). Если интегрирование начинаетс  с напр жени  на конденсаторе , то средний ток через конденсатор емкости С

acc.p.c-Uc/Tu,(1)

При посто нном значении паразитных токов, которые вызывают часть, наиболее трудно устранимую при больщом Тц., погрешности , она обратно пропорциональна Ue.. Произведение С Ис пр мо пропорционально объему дл  конденсаторов одного типа. При этом из (1) следует, что

5а Vt/Tu Ku., где К.- coaii.(2)

При работе интегрирующего усилител  весь ток Uc участвует в интегрировании, поэтому , например, увеличение Ос.ср. дл  снижени  (Jy неизбежно вызывает увеличение правой части (1) и, согласно (2), ухудщение отношени  Yc /Tu..

В предлагаемом устройстве ток J,. принудительно измен ет свое направление - при перезар де конденсатора 2, а в процессе интегрировани  участвует только часть тока с ток, которьш имеет место в промежутке между перезар дами. Благодар  этому ток с.с., который фигурирует в (I), равен разности двух средних токов: одного - в промежутках между перезар дами, другого - во врем  перезар да, но би. обратно пропорциональна первому току. Оба последних тока могут в любое число раз превышать 5 максимум тока Uctp. из (I), поэтому он не имеет однозначной св зи с погрещностью Su., ее можно уменьщить, оставл   неизменным отношение Vt /Та, причем Kw. пропорционально уменьшаетс . Так как параметры cSn, Vc и TU, по-прежнему остаютс  взаимосв занными согласно (2), то при меньшем значении К-и. выигрыш можно получить по любому параметру, в том числе одновременно по всем трем, независимо от их абсолютных значений. Например, устройство применимо при временах интегрировани  как в тыс чи секунд, так и в единицы микросекунд, обеспечива  решение такой актуальной дл  микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры задачи, как уменьшение размеров конденсаторов.

0 .Предложенное устройство имеет ограничение по минимуму коэффициента Кц, потому что конечно минимальное врем  перезар да конденсатора (2). Например, при увеличении токов с целью уменьшени  погрешности Ju конденсатор 2 чаще перезар жаетс , при этом возрастает дол  времени перезар да и соответствующа  погрешность . Последн  , составл   часть и., ограничивает ее снизу. Дл  уменьшени  времени перезар да в предложенном устройстве необходимо увеличить быстродействие и импульсный выходной ток УПТ 1 и 8, быстродействие р да других элементов, уменьшить сопротивление ключа 7. В св зи с этим может возрасти объем электронной части, компенсиру  уменьшение объема

5 конденсатора 2. Погрешность от времени перезар да можно снизить путем усложнени  устройства: использованием второго конденсатора, который в пассивном режиме должен быть зар жен до напр жени , близд кого к тому, которое будет после перезар да . Второй конденсатор замен ет первый дл  интегрировани , тот тем временем перезар жаетс , затем они мен ютс  рол ми и т.д.

в предложенном устройстве импульсные

5 помехи могут дать лишь кратковременные сбои, что показывает процесс восстановлени  равновесного состо ни  интегратора при сбое нереверсивного счетчика.

Погрещности порогового устройства, реверсивного счетчика и цифроаналоговбго преобразовател  роли не играют: они лишь подготавливают услови  дл  приращени  (после перезар да) напр жени  на конденсаторе на посто нную величину, котора  в 5 точности равна перепаду напр жени  ООС. Последнее определ ет то, что при возобновлении интегрировани  после окончани  перезар да напр жени  в интеграторе полностью уравновешены, и изменение резуль

Claims (1)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕГРИРОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащее последовательно соединенные первый и второй усилители постоянного тока, пороговый элемент, счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к другому входу второго усилителя постоянного тока, первый интегрирующий конденсатор, первая обкладка которого подключена к выходу второго усилителя постоянного тока, второй интегрирующий конденсатор, первая обкладка которого соединена с выходом первого усилителя постоянного тока, являющимся выходом устройства, причем вход первого усилителя постоянного тока через масштабный резистор соединен с входом устройства, ключ, управляющий вход которого через одновибратор подключен к выходу порогового элемента, а первый вывод — к входу первого усилителя постоянного тока, и источник напряжения смещения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности интегрирования и помехоустойчивости устройства, оно содержит ограничивающий резистор, включенный между источником напряжения смещения и второй обкладкой второго интегрирующего конденсатора, Соединенной с вторым выводом ключа, причем вход первого усилителя постоянного тока подключен к второй обкладке первого интегрирующего конденсатора.

   (Л