ПЕРЕМНОЖИТЕЛЬ НИЗКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2000 года по МПК G06G7/161 

Изобретение относится к электрическим вычислительным устройствам и может быть использовано в измерительной технике.

Известен перемножитель низкочастотных сигналов, содержащий суммарно-разностный преобразователь сомножителей, два квадратора, синхронный детектор, фильтр нижних частот, два переключателя, генератор и блок вычитания [1] .

Недостатками такого устройства являются ограниченная точность перемножения, низкий температурный диапазон работы, невозможность перемножения постоянных напряжений, большое количество элементов, большой ток потребления.

Наиболее близким по технической сущности является перемножитель низкочастотных сигналов, содержащий широтно-импульсный и амплитудно-импульсный модуляторы, фильтр нижних частот и буферный повторитель [2]. Данное устройство выполнено на основе ключевых транзисторов, операционных усилителей, емкостей и резисторов.

К недостаткам этого устройства относятся невозможность перемножения постоянных напряжений одного знака, так как оно может быть работоспособно только при наличии знакопеременных входных перемножаемых напряжений, что значительно ограничивает диапазон возможностей применения данного перемножителя низкочастотных сигналов. Кроме того, устройство требует подачи знакопеременного эталонного напряжения, что приводит к необходимости изготовления специального стабильного опорного источника, который создает дополнительные погрешности при перемножении сигналов и усложняет схему устройства. Наличие большого числа элементов приводит к дополнительным недостаткам: к температурной нестабильности, снижающей точность перемножения; к низкой технологичности и высокой трудоемкости при изготовлении устройства.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности перемножения, упрощение конструкции для повышения технологичности и снижения трудоемкости изготовления.

Поставленная техническая задача решается тем, что в перемножитель низкочастотных сигналов, содержащий широтно-импульсный и амплитудно-импульсный модуляторы, фильтр нижних частот и буферный повторитель, введены времязадающая емкость и резистор, амплитудно-импульсный модулятор выполнен в виде предвыходного и выходного транзисторов, широтно-импульсный модулятор выполнен в виде компаратора, генератора линейно изменяющегося напряжения и RS-триггера, выход которого соединен с базой предвыходного транзистора, выход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с первым входом элемента И и R-входом RS-триггера, выход компаратора соединен со вторым входом элемента И, выход которого соединен с S-входом RS-триггера, буферный повторитель выполнен в виде операционного усилителя, выход и инвертирующий вход которого соединены между собой, первый вход перемножителя низкочастотных сигналов связан с инвертирующим входом компаратора, второй вход перемножителя низкочастотных сигналов через резистор связан с соединенными между собой коллекторами предвыходного и выходного транзисторов, которые соединены со входом фильтра нижних частот, вывод для подключения времязадающей емкости соединен с неинвертирующим входом компаратора, а другой вывод времязадающей емкости и эмиттер выходного транзистора соединены с нулевым потенциалом питания, выход фильтра нижних частот связан с неинвертирующим входом операционного усилителя, выход и инвертирующий вход которого связаны с выходом перемножителя низкочастотных сигналов.

Данное исполнение перемножителя низкочастотных сигналов создает возможность перемножения напряжений не только постоянной, но и переменной формы, не требует эталонного напряжения, что расширяет функциональные возможности применения данного устройства.

Широтно-импульсный модулятор, амплитудно-импульсный модулятор и буферный повторитель могут быть реализованы на базе интегральной микросхемы (ИМС) КР1156ЕУ1 (АДБК.431400.074-01 ТУ) или ИМС MA78S40 фирмы MOTOROLA, США. Выполнение элементов перемножителя низкочастотных сигналов на одном кристалле ИМС приводит к увеличению точности и температурной стабильности данного устройства.

На фиг. 1 изображена схема электрическая функциональная перемножителя низкочастотных сигналов на базе ИМС, на фиг. 2 - эпюры напряжений, поясняющие его работу.

Перемножитель низкочастотных сигналов состоит из резистора 1 (фиг. 1), времязадающей емкости 2, фильтра нижних частот 3, состоящего из резистора 4 и емкости 5, ИМС 6, содержащей широтно-импульсный модулятор 7, генератор линейно изменяющегося напряжения 8, элемент И 9, компаратор 10, RS-триггер 11, амплитудно-импульсный модулятор 12, предвыходной 13 и выходной 14 транзисторы, буферный повторитель 15.

Первый вход 16 перемножителя низкочастотных сигналов связан с инвертирующим входом компаратора 10, второй вход 17 через резистор 1 связан с соединенными между собой коллекторами предвыходного 13 и выходного 14 транзисторов, которые соединены со входом фильтра нижних частот 3. Первый вывод времязадающей емкости 2 подключен к генератору линейно изменяющегося напряжения 8 и соединен с неинвертирующим входом компаратора 10, а второй вывод времязадающей емкости 2 и эмиттер выходного транзистора 14 соединены с нулевым потенциалом питания. Выход фильтра нижних частот 3 связан с неинвертирующим входом операционного усилителя 15, выход и инвертирующий вход которого связаны с выходом 18 перемножителя низкочастотных сигналов.

Перемножитель низкочастотных сигналов работает следующим образом.

На первый вход 16 и второй вход 17 поступают напряжения-сомножители. Генератор линейно изменяющегося напряжения 8 на выводе для подключения времязадающей емкости 2 вырабатывает последовательность линейно изменяющегося напряжения с постоянным периодом следования Т и с постоянной амплитудой U₀ (фиг.2а), которая сравнивается на компараторе 10 с первым входным напряжением U₁₆.

Компаратор 10 вместе с генератором линейно изменяющегося напряжения 8 через элемент И 9 управляют работой RS-триггера 11. Функционально компаратор 10, генератор линейно изменяющегося напряжения 8 и RS-триггер 11 можно объединить в состав широтно-импульсного модулятора 7, выходом которого является выход RS-триггера 11. На выходе RS-триггера 11 формируется импульсный, широтно-модулированный сигнал с периодом следования импульсов Т и их длительностью t_и, который, в свою очередь, управляет работой предвыходного и выходного транзисторов 13 и 14. Амплитуда импульсного сигнала U₁₇ (фиг.2б) с соединенных между собой коллекторов предвыходного и выходного транзисторов 13 и 14 равна амплитуде второго входного напряжения U₁₇, так как второй вход 17 перемножителя низкочастотных сигналов соединен через резистор 1 с коллекторами предвыходного и выходного транзисторов 13 и 14. Функционально предвыходной и выходной транзисторы 13 и 14, работающие в импульсном режиме, образуют амплитудно-импульсный модулятор 12.

Период следования импульсов Т равен периоду линейно изменяющегося напряжения генератора линейно изменяющегося напряжения 8, а длительность импульсов t_и определяется величиной первого входного напряжения U₁₆.

Фильтр нижних частот 3, состоящий из резистора 4 и емкости 5, выделяет из сигнала с коллекторов предвыходного и выходного транзисторов 13 и 14 низкочастотную составляющую, величина которой прямо пропорциональна произведению напряжений на входах 16 и 17. Через буферный повторитель на операционном усилителе 15 эта низкочастотная составляющая поступает на выход 18 перемножителя низкочастотных сигналов.

Элементы, образующие широтно-импульсный модулятор 7 и амплитудно-импульсный модулятор 12, а также операционный усилитель 15 входят в состав интегральной микросхемы 6.

Длительность импульсов t_и на входе фильтра нижних частот 3 определяется по формуле

Выходное напряжение U₁₈ на выходе 18 перемножителя низкочастотных сигналов определяется по формуле

Из (1) и (2) следует, что выходное напряжение перемножителя низкочастотных сигналов U₁₈ определяется по формуле

то есть выходное напряжение перемножителя низкочастотных сигналов U₁₈ равно произведению входных напряжений сигналов (U₁₆ и U₁₇), деленных на постоянную величину амплитуды линейно изменяющегося напряжения U₀.

Таким образом, предложенный перемножитель низкочастотных сигналов обеспечивает перемножение не только переменных, но и постоянных напряжений сигналов, что позволяет его использовать и в устройствах измерения мощности. Заявляемое устройство обладает высокой точностью и не требует дополнительного эталонного источника напряжения.

Простота и низкая экономическая стоимость устройства обеспечивают широкие возможности для его применения.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1081642 от 25.10.82, класс G 06 G 7/16.

2. Алексенко А. Г и др. Применение прецизионных аналоговых ИС. - М., "Радио и связь", 1981, стр. 99, рис. 3.21 (прототип).

Перемножитель низкочастотных сигналов относится к электрическим вычислительным машинам и может быть использован в измерительной технике. Техническим результатом является повышение точности перемножения и упрощение конструкции для повышения технологичности и снижения трудоемкости изготовления. Для этого заявленное устройство содержит амплитудно-импульсный модулятор, широтно-импульсный модулятор, фильтр нижних частот, буферный повторитель, времязадающую емкость и резистор. 2 ил.

Перемножитель низкочастотных сигналов, содержащий широтно-импульсный и амплитудно-импульсный модуляторы, фильтр нижних частот и буферный повторитель, отличающийся тем, что в него введены времязадающая емкость и резистор, амплитудно-импульсный модулятор выполнен в виде предвыходного и выходного транзисторов, широтно-импульсный модулятор выполнен в виде компаратора, генератора линейно изменяющегося напряжения и RS-триггера, выход которого соединен с базой предвыходного транзистора, выход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с первым входом элемента И и R-входом RS-триггера, выход компаратора соединен со вторым входом элемента И, выход которого соединен с S-входом RS-триггера, буферный повторитель выполнен в виде операционного усилителя, выход и инвертирующий вход которого соединены между собой, первый вход перемножителя связан с инвертирующим входом компаратора, второй вход перемножителя через резистор связан с соединенными между собой коллекторами предвыходного и выходного транзисторов, которые соединены со входом фильтра нижних частот, вывод для подключения времязадающей емкости соединен с неинвертирующим входом компаратора, а другой вывод времязадающей емкости и эмиттер выходного транзистора соединены с нулевым потенциалом питания, выход фильтра нижних частот связан с неинвертирующим входом операционного усилителя, выход и инвертирующий вход которого связаны с выходом перемножителя.