СПОСОБ ВЫБОРОЧНОГО ИНТЕРВАЛЬНОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G06G7/186 

Изобретение относится к автоматике, вычислительной технике, в частности к электроизмерительной технике.

Известен способ интегрирования аналогового напряжения на основе использования пассивного RC или RL интегратора (см. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. М. : Энергия, 1969. - С.206.). Его недостатком является наличие погрешностей вследствие приближенного выполнения операции интегрирования входного напряжения.

Известны также способы интегрирования, сводящиеся, по сути, к операции суммирования импульсов (см. патент 2131128, Россия). Их недостатком является методическая погрешность из-за замены операции интегрирования суммированием.

Наиболее близким к предлагаемому является способ интегрирования аналогового напряжения на основе активного интегратора, например, с использованием операционного усилителя (см. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1983. - T.1. - С.207-208), который принят в качестве прототипа. Использование в таком способе интегрирования активного интегратора позволяет существенно снизить методическую погрешность, но его недостатком является наличие погрешностей от интегрирования входных токов и напряжения смещения используемого активного элемента, например операционного усилителя.

Технический результат - снижение погрешностей от интегрирования входных токов и напряжения смещения активного элемента без увеличения методической погрешности интегрирования напряжения. Этого результата можно достигнуть, например, разбиением времени интегрирования на интервалы, часть из которых является "рабочими" (когда производится интегрирование), а другая часть - паузами (интегрирование входного напряжения не происходит). Тогда в паузах можно исключить интегрирование и входных токов и напряжения смешения используемого в интеграторе активного элемента.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе интегрирования напряжения, включающем выполнение операции интегрирования с использованием активного аналогового интегратора, особенность заключается в том, что процесс интегрирования разбивают на N интервалов, где N - целое число, из которых формируют циклы, каждый из которых включает n интервалов, причем в течение одного из n интервалов производят интегрирование напряжения, а (n-1) интервалов составляют паузу, в течение которой изменяют структуру активного аналогового интегратора, после завершения процесса интегрирования результат умножают на n. Кроме этого, особенность заключается в том, что отношение N/n выбирают в виде целого числа, большего трех.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На фиг.1 приведен график входного напряжения интегратора, на фиг.2 представлена структурная схема, поясняющая предлагаемый способ интегрирования, на фиг. 3 приведена схема интегрирующего ОУ, на фиг.4 изображены временные диаграммы, поясняющие реализацию предлагаемого способа интегрирования.

Сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Допустим, что необходимо проинтегрировать напряжение (фиг.1)
u(t) = 5+5sin(ωt)+3sin(3ωt)B, (1)
в течение периода (или кратного ему интервала времени) ΔT с помощью активного интегратора И (фиг. 2), например, интегрирующего операционного усилителя (ОУ), содержащего ОУ, конденсатор и резистор (фиг.3). Если подавать на вход интегратора напряжение в течение всего времени ΔT, то будут иметь место погрешности от интегрирования входных токов и напряжения смещения используемого ОУ, что выражается в появлении на выходе интегратора, наряду с полезным напряжением, паразитного напряжения.

Для снижения этих погрешностей процесс интегрирования длительностью ΔT разбивается на N интервалов с помощью генератора тактовых импульсов (ГТИ) (фиг. 2). Каждый интервал имеет длительность Δt, равную половине периода импульсов ГТИ (фиг.4а). Блок формирования сигналов (БФС) (фиг.2) формирует циклы интегрирования, каждый из которых имеет длительность в n интервалов, причем цикл включает один тактовый импульс, а остальные (n-1) интервалов составляют паузу. Для примера на фиг.4б показан цикл при n=3, т.е. Δt_ц = nΔt = 3Δt. Указанные операции, выполняемые в БФС, могут быть реализованы с помощью логических элементов.

В каждом цикле в течение времени Δt производится интегрирование входного напряжения, поскольку ключ К (фиг.2) замкнут, а в течение паузы, длительность которой равна (n-1)Δt, интегрирования не происходит, поскольку ключ размыкается. Кроме этого, в паузе необходимо изменить структуру интегрирующего ОУ, например, отключить конденсатор, для устранения интегрирования входных токов и напряжения смещения ОУ. При этом накопленное на конденсаторе напряжение в течение паузы не изменит своего значения. Таким образом, процесс интегрирования за время ΔT

заменяется суммой интегралов на отдельных интервалах

где k= 1, p. ..N - номера интервалов, в течение которых происходит интегрирование входного напряжения ("рабочие" интервалы), причем р - номер второго интервала. Значение р и количество интервалов n в цикле связаны простой зависимостью
n = p-1. (4)
В рассматриваемом примере n=3, поэтому р=n+1=4 (фиг.4б).

Казалось бы, следует ожидать возникновения погрешности (отличия) между напряжениями (2) и (3) вследствие потери информации в паузах. Но тщательный анализ и расчеты показывают, что эти напряжения отличаются практически ровно в n раз при выполнении следующих условий:

поэтому для приведения результата интегрирования (3) в соответствие с напряжением (2) используется умножитель У (фиг.2) для выполнения операции умножения
u_вых(t)=n•u'_вых(t). (6)
Этот узел может быть выполнен по известным схемам инвертирующего или неинвертирующего усилителя на основе ОУ.

В итоге погрешность (между напряжениями (2) и (3) (с учетом (6)) становится очень малой, что иллюстрируется нижеприведенной таблицей.

Погрешность ε практически не зависит от отношения N/n, что позволяет в свою очередь существенно снизить погрешность от интегрирования входных токов и напряжения смещения ОУ, поскольку паразитное напряжение прямо пропорционально времени интегрирования этих величин, а увеличение соотношения N/n эквивалентно уменьшению этого времени.

Необходимо подчеркнуть, что этот вывод не зависит от гармонического состава входного напряжения (количества гармоник, их амплитуд и начальных фаз), а также от конкретных значений N и n.

Такой способ интегрирования назван способом выборочного интервального интегрирования, поскольку непрерывное интегрирование (2) заменяется интегрированием по отдельным интервалам (3) в соответствии с отмеченными выше моментами.

Вышеизложенное свидетельствует, что для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Технический результат заключается в снижении погрешностей от интегрирования входных токов и напряжения смещения активного элемента без увеличения методической погрешности интегрирования напряжения. Для этого процесс интегрирования разбивается на циклы, состоящие из интервалов, в течение одного из которых производится интегрирование входного напряжения, а остальные интервалы составляют паузу, в которой изменяется структура активного интегратора для предотвращения интегрирования входных токов и напряжения смещения, после завершения процесса интегрирования результат умножают на количество интервалов. Количество циклов интегрирования и количество интервалов в цикле подбираются таким образом, что методическая погрешность интегрирования близка к нулю. 1 з. п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ выборочного интервального интегрирования напряжения, включающий выполнение операции интегрирования с использованием активного аналогового интегратора, отличающийся тем, что процесс интегрирования разбивают на N интервалов, где N - целое число, из которых формируют циклы, каждый из которых включает n интервалов, причем в течение одного из n интервалов производят интегрирование напряжения, а n-1 интервалов составляют паузу, в течение которой изменяют структуру активного аналогового интегратора отключением конденсатора для устранения интегрирования входных токов и напряжения смещения, после завершения процесса интегрирования результат умножают на n.2. Способ выборочного интервального интегрирования напряжения по п.1, отличающийся тем, что отношение N/n выбирают в виде целого числа, большего трех.