ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2003 года по МПК G06G7/186 

Предлагаемое устройство относится к техническим средствам коррекции систем автоматического управления и может найти широкое применение в прецизионных преобразующих устройствах систем автоматического управления.

Известно дифференцирующее устройство, содержащее входной конденсатор, операционный усилитель, охваченный глубокой отрицательной обратной связью через резистор. (См. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972, с.88, рис.4.24а.) Устройство описывается передаточной функцией вида

причем величины К и Т обусловлены значениями активного сопротивления проводников мест паек и соединений, как следствие, рабочий диапазон частот такого дифференциатора ограничен. Кроме того, выходной сигнал дифференциатора содержит дрейф нуля операционного усилителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является дифференцирующее устройство, содержащее два последовательно соединенных инвертирующих операционных усилителя, охваченных положительной обратной связью, и емкость С, подключенную ко входной цепи второго операционного усилителя (АС 1211687, 1982). Передаточная функция этого устройства имеет вид


Нетрудно увидеть, что путем подбора сопротивлений резисторов R_2, R_3, R_4, R₅ и величины емкости конденсатора С можно существенно расширить частотный диапазон функционирования устройства. Причем постоянная времени Т определяется настройкой четырех сопротивлений R_2, R_3, R_4, R_5.
Недостатком данного устройства, несмотря на улучшение точности работы за счет расширения частотного диапазона, является наличие в выходном сигнале ошибки, обусловленной дрейфом нуля операционных усилителей.

Дрейф нуля (тепловой шум) операционных усилителей, как правило, имеет корреляционную функцию вида
k_ε(τ) = σ2ε

e^-α(τ)cos(ωt+ψ),
где частота ω очень мала. В большинстве случаев ввиду малости ω с достаточной степенью точности на ограниченном интервале времени дрейф нуля может быть аппроксимирован низкочастотным сигналом, содержащим постоянную составляющую
ε = Asinωt+c.

Требуемый технический результат заключается в повышении точности работы дифференцирующего устройства за счет устранения в выходном сигнале составляющих, содержащих "чистый" дрейф нуля операционных усилителей.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее два последовательно соединенных операционных усилителя, охваченных положительной обратной связью, введен третий инвертирующий операционный усилитель, в котором ООС выполнена через конденсатор, причем вход третьего инвертирующего операционного усилителя через резистор 6 соединен с выходом второго инвертирующего операционного усилителя, а выход подсоединен через резистор 7 на вход первого инвертирующего операционного усилителя (фиг.1).

Сравнительный анализ показал, что заявляемое устройство отличается наличием третьего инвертирующего операционного усилителя, охваченного глубокой ООС через конденсатор, подключенного таким образом, что достигается исключение составляющих дрейфа нуля операционных усилителей, содержащихся в выходном сигнале дифференцирующего устройства. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "новизна".

Анализ патентной литературы показал, что до момента подачи заявки отсутствовали устройства с указанной совокупностью существенных признаков, что говорит о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фигуре 1 изображена структурная схема дифференцирующего устройства.

Дифференцирующее устройство содержит резисторы 1-7, емкость 8, первый инвертирующий операционный усилитель 9, второй инвертирующий операционный усилитель 10, третий инвертирующий операционный усилитель 11.

При этом второй вывод резистора 1 соединен с первым выводом резистора 2 и входом инвертирующего операционного усилителя 9, выход которого соединен со вторым выводом резистора 2 и первым выводом резистора 3. Второй вывод резистора 3 соединен с первым выводом резистора 4 и входом инвертирующего операционного усилителя 10, выход которого соединен со вторым выводом резистора 4 и первым выводом резистора 5, второй вывод которого соединен с входом инвертирующего операционного усилителя 9. Выход инвертирующего операционного усилителя 10, кроме того, соединен с первым выводом резистора 6, второй вывод которого соединен с первой обкладкой конденсатора 8 и входом инвертирующего операционного усилителя 11. Выход инвертирующего операционного усилителя 11 соединен со второй обкладкой конденсатора 8 и первым выводом резистора 7, второй вывод которого соединен с входом инвертирующего операционного усилителя 9.

На фигуре 2 изображена схема, поясняющая действие ошибок, вызванных дрейфом нуля операционных усилителей на дифференцирование сигнала.

Дифференцирующее устройство работает следующим образом.

Входной сигнал +U₁ подается на резистор 1, который подключен к входу инвертирующего операционного усилителя 9, охваченного глубокой ООС через резистор 2. Выходной сигнал с операционного усилителя 9 через резистор 3 подается на вход инвертирующего операционного усилителя 10, охваченного глубокой ООС через резистор 4. Далее выходной сигнал +U₂ через резистор 5 подается на вход операционного усилителя 9 и через резистор 6 на вход инвертирующего операционного усилителя 11, охваченного глубокой ООС через конденсатор 8, выход которого через резистор 7 соединен с входом операционного усилителя 9.

Таким образом, зависимость для выходного сигнала U₂ может быть описана следующим соотношением:

откуда можно записать выражение для передаточной функции предлагаемого дифференцирующего устройства

.

Анализ выражения для постоянной времени Т показывает, что, как и в прототипе, точность функционирования дифференцирующего устройства за счет возможности регулирования рабочего частотного диапазона при помощи резисторов R₂, R₃, R₄, R₅ можно повысить.

Покажем теперь, что ошибка дифференцирования у предлагаемого устройства не содержит составляющих, содержащих дрейф нуля операционных усилителей. На структурной схеме (фиг.2) дрейф нуля каждого из усилителей показан как аддитивный сигнал на выходе каждого операционного усилителя, входящего в устройство. Запишем передаточные функции ошибок, вносимых каждым из операционных усилителей в работу устройства.

Для первого усилителя имеем

для второго

и, наконец, для третьего

Так как W₁(p)=W₂(p)=1 и W₃(p)=1/p, то после подстановки получим

то есть в предлагаемом устройстве происходит дифференцирование ошибок дрейфа нуля операционных усилителей:
ε_i = Asinωt+c, I=1, 2, 3.

Тогда на выходе устройства мы получим сигнал
U₂ = ωAcosωt.
Как это видно из выражения для U₂, ошибка, вызванная дрейфом нуля операционных усилителей, будет незначительной.

Таким образом, предложенное дифференцирующее устройство позволяет повысить точность функционирования за счет устранения в выходном сигнале составляющих, обусловленных дрейфом нуля операционных усилителей.

Изобретение относится к техническим средствам коррекции систем автоматического управления. Технический результат заключается в уменьшении амплитуды дрейфа. Дифференцирующее устройство содержит два последовательно соединенных инвертирующих операционных усилителя (ИОУ) (9 и 10), а также третий ИОУ (11), в котором отрицательная обратная связь выполнена через конденсатор. Вход ИОУ 11 через резистор (Р) (6) соединен с выходом ИОУ 9, а выход подсоединен через Р (7) на вход ИОУ 9. Уменьшение амплитуды дрейфа достигается тем, что выход ИОУ 10 соединен через Р (5) со входом ИОУ 9, образуя положительную обратную связь. 2 ил.

Дифференцирующее устройство, содержащее два последовательно соединенных инвертирующих операционных усилителя, а также третий инвертирующий операционный усилитель, в котором отрицательная обратная связь выполнена через конденсатор, причем вход третьего инвертирующего операционного усилителя через резистор соединен с выходом второго инвертирующего операционного усилителя, а выход подсоединен через резистор на вход первого инвертирующего операционного усилителя, отличающееся тем, что, с целью уменьшения амплитуды дрейфа, в нем выход второго инвертирующего операционного усилителя соединен через резистор со входом первого инвертирующего операционного усилителя.