АНАЛОГОВЫЙ ИНТЕГРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G06G7/18 

Изобретение относится к электронной измерительной технике и аналитическому приборостроению. Оно может использоваться для интегрирования медленно изменяющихся сигналов, в частности - при определении основного вещества методом кулонометрии при контролируемом потенциале.

Известен электронный интегратор напряжения, содержащий источники входного и эталонного напряжений, соединенные последовательно и встречно, ключ, конструктивно выполненный в виде переключателя, включающего источник эталонного напряжения, интегрирующий усилитель, суммирующий хронометр и блок управления переключателем, причем одноименные выходные клеммы обоих источников через нормально замкнутые контакты переключателя подключены к входу интегрирующего усилителя, а другая выходная клемма источника эталонного напряжения соединена с нормально разомкнутым контактом переключателя (Авторское свидетельство СССР №374618, кл. G06G 7/18. Бюл. №15, 1973).

В этом интеграторе напряжение входного источника интегрируется циклами - сначала только сигнал входного источника напряжения, затем после включения источника эталонного напряжения интегрируется алгебраическая сумма сигналов источников входного и эталонного напряжений. Включение и выключение источника эталонного напряжения осуществляется переключателем по командам блока управления, функционирующего как двухпороговый компаратор. Величина интеграла оценивается по общей продолжительности включения источника эталонного напряжения, измеряемой суммирующим хронометром.

Недостатком интегратора является погрешность интегрирования, вызванная перерывами в подключении напряжения входного источника к входу интегрирующего усилителя. Эти перерывы обусловлены конечным временем срабатывания переключателя (временем «пролета» переключающего контакта).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототип) является электронный интегратор напряжения, содержащий источники входного и эталонного напряжений, соединенные последовательно и встречно, ключ, конструктивно выполненный в виде переключателя, включающего источник эталонного напряжения, интегрирующий усилитель, суммирующий хронометр и блок управления, причем одноименные выходные клеммы обоих источников через нормально замкнутые контакты переключателя подключены к входу интегрирующего усилителя, а другая выходная клемма источника эталонного напряжения соединена с нормально разомкнутым контактом переключателя. Интегратор содержит также последовательно соединенные «запоминающий» конденсатор и импульсный трансформатор, включенные между источником входного напряжения и входом интегрирующего усилителя, причем вторичная обмотка трансформатора соединена с управляющим входом хронометра (Авторское свидетельство СССР №538373, кл. G06G 7/18. Бюл. №18, 1992).

При работе данного интегратора напряжение входного источника (также, как и у известного интегратора) интегрируется циклами - сначала только сигнал входного источника напряжения, затем ключ (переключатель) включает источник эталонного напряжения и интегрируется алгебраическая сумма сигналов источников входного и эталонного напряжений. Включение и выключение источника эталонного напряжения осуществляются по командам блока управления. Функции блока управления в данном интеграторе выполняются электромагнитным реле, подключенным к выходу интегрирующего усилителя. Контакты этого реле работают как ключ (переключатель) источника эталонного напряжения, а катушка привода реле выполняет функции двухпорогового компаратора вследствие разности величин токов срабатывания и отпускания реле. Величина интеграла оценивается по суммарной продолжительности включения источника эталонного напряжения, измеряемой суммирующим хронометром.

Недостатком данного интегратора (также, как и известного аналогового интегратора) является погрешность интегрирования, вызванная перерывами в подключении напряжения входного источника к входу интегрирующего усилителя. Погрешность обусловлена конечным временем срабатывания переключателя (временем «пролета» переключающего контакта). Наличие в данном интеграторе «запоминающего» конденсатора, включенного между источником входного напряжения и входом интегрирующего усилителя, несколько уменьшает величину этой погрешности, но не устраняет ее полностью.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности интегрирования входного напряжения за счет максимально возможного устранения перерывов в интегрировании напряжения входного источника.

Поставленная задача решается тем, что в аналоговый интегратор напряжения, содержащий источники входного и эталонного напряжений, включенные последовательно и встречно, основной ключ, интегрирующий усилитель, суммирующий хронометр и блок управления, введены дополнительный ключ и дифференцирующая RC-цепь, при этом основной и дополнительный ключи выполнены в виде выключателей, один из выводов основного ключа соединен с полюсом источника эталонного напряжения, соединенным с входом интегрирующего усилителя, а другой соединен с источником входного напряжения, одноименные же полюса источников входного и эталонного напряжений соединены через дополнительный ключ. Дифференцирующая RC-цепь подключена к входу интегрирующего усилителя, а ее выход соединен с управляющим входом суммирующего хронометра, при этом выход интегрирующего усилителя подключен к входу блока управления, выходы которого соединены с основным и вспомогательным ключами.

При изготовлении интегратора основной и дополнительный ключи могут быть выполнены в виде быстродействующих интегральных ключей на базе комплементарных МОП-транзисторов. Блок управления, выходные сигналы которого управляют работой основного и вспомогательного ключей, может быть построен на основе двухпорогового компаратора с применением триггера Шмитта или же на основе регенераторного компаратора.

На фиг. 1 изображена блок-схема предложенного аналогового интегратора напряжения. Для упрощения чертежа источники питания не показаны. Информационно-командные связи выделены утолщенными линиями.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы сигналов в отдельных узлах интегратора:

а) входное напряжение;

б) напряжение на входе интегрирующего усилителя;

в) напряжение на выходе интегрирующего усилителя;

г) импульсы на выходе дифференцирующей RC-цепи;

д) импульсы включения суммирующего хронометра;

е) последовательность работы основного ключа (пометки означают: «вкл» - контакты замкнуты, «выкл» - контакты разомкнуты);

ж) последовательность работы дополнительного ключа (пометки означают: «вкл» - контакты замкнуты, «выкл» - контакты разомкнуты).

В состав аналогового интегратора напряжения входят источники входного напряжения 1 и эталонного напряжения 2. Напряжение источника эталонного напряжения 2 превышает максимальную величину напряжения источника входного напряжения 1. Для определенности на чертеже показаны отрицательная полярность источника входного напряжения 1 и изменение (уменьшение) величины напряжения этого источника во времени.

Источники 1 и 2 включены последовательно и встречно, их одноименные полюса соединены через дополнительный ключ 3. Один вывод основного ключа 4 соединен с источником эталонного напряжения 2 и входом интегрирующего усилителя 5, другой вывод соединен с источником входного напряжения 1.

К входу интегрирующего усилителя 5 подключена дифференцирующая RC-цепь 6, состоящая из резистора 7 и конденсатора 8. Выход дифференцирующей RC-цепи 6 соединен с управляющим входом суммирующего хронометра 9. Выход интегрирующего усилителя 5 подключен к входу блока управления 10, выполненного в виде двухпорогового компаратора. Последний построен на основе триггера Шмита и управляет основным 4 и дополнительным 3 ключами.

Работа аналогового интегратора напряжения происходит следующим образом.

В начальный момент контакты дополнительного ключа 3 разомкнуты, контакты основного ключа 4 замкнуты (фиг. 1). Напряжение отрицательной полярности от источника входного напряжения 1 (фиг. 2-а) поступает на вход интегрирующего усилителя 5 через контакты основного ключа 4. На выходе интегрирующего усилителя 5 напряжение положительной полярности линейно увеличивается во времени (фиг. 2-в). Когда величина напряжения на выходе интегрирующего усилителя 5 достигает величины порога срабатывания компаратора блока управления 10, по командам последнего выдаются два сигнала управления: один размыкает контакты основного ключа 4 (фиг. 2-е), другой замыкает контакты дополнительного ключа 3 (фиг. 2-ж) и, тем самым, в цепь включается источник эталонного напряжения 2. В этот момент на вход интегрирующего усилителя 5 подается алгебраическая сумма напряжений источника входного напряжения 1 и источника эталонного напряжения 2 (фиг. 2-б), а с выхода дифференцирующей RC-цепи 6 на управляющий вход суммирующего хронометра 9 поступает первый (стартовый) импульс (фиг. 2-г), включающий суммирующий хронометр 9 (фиг. 2-д).

Далее выходное напряжение интегрирующего усилителя 5 начинает уменьшаться (фиг. 2-в). В тот момент, когда оно уменьшится до величины порога отпускания компаратора блока управления 10, по командам последнего замыкаются контакты основного ключа 4 (фиг. 2-е) и размыкаются контакты дополнительного ключа 3 (фиг. 2-ж). Источник эталонного напряжения 2 отключается, а с выхода дифференцирующей RC-цепи 6 на управляющий вход суммирующего хронометра 9 поступает второй импульс (фиг. 2-г), останавливающий суммирующий хронометр 9 (фиг. 2-д). Теперь на вход интегрирующего усилителя 5 через контакты основного ключа 4 поступает только напряжение источника входного напряжения 1 (фиг. 2-б). Далее все упомянутые процессы циклически повторяются (фиг. 2-в).

Из описания работы предложенного интегратора очевидно, что во время каждого цикла интегрирования, поскольку основной и дополнительный ключи работают одновременно и процесс переключения в цепях источников входного 1 и эталонного 2 напряжений отсутствует, не происходит перерывов в интегрировании входного напряжения (как это имеет место быть у прототипа).

Проверка параметров предложенного аналогового интегратора напряжения осуществлена методом компьютерного моделирования применительно к особенностям использования интеграторов в составе прецизионных установок, предназначенных для определения основного вещества методом кулонометрии при контролируемом потенциале. При проверке в качестве основного и дополнительного ключей использован сдвоенный интегральный ключ типа К590КН25 (производство РФ), содержащий комплементарные МОП-транзисторы. Ключ имеет две раздельно управляемые контактные пары с временем срабатывания 100 нс. Напряжение входного источника выбрано уменьшающимся во времени по экспоненциальному закону от 10 В до 10 мВ. Постоянная времени емкостной обратной связи интегрирующего усилителя выбрана равной 1 с. Напряжение источника эталонного напряжения составило 15,0 В (согласовано с параметрами ключей). Работа интегратора и ключей контролировалась цифровым осциллографом.

В результате проверки установлено, что использование двух ключей (основного и дополнительного) для включения источника эталонного напряжения вместо ключа-переключателя как у прототипа, обеспечило практически полное отсутствие перерывов в подаче напряжения входного источника на вход интегрирующего усилителя и, тем самым, отсутствие погрешности из-за потери части входного напряжения при интегрировании - по оценке величина потери части входного напряжения составляет менее 10^-7%.

Для сравнения точностных параметров предложенного интегратора напряжения с прототипом тем же методом компьютерного моделирования проведено исследование интегратора-прототипа. Прототип имел такие же основные характеристики, а в качестве ключа (переключателя) использовано быстродействующее электромагнитное реле с переключающими магнитоуправляемыми контактами (производство РФ, тип контактов - МКУ, время переключения 1 мс).

Оценка величины погрешности прототипа, связанной с конечным временем переключения электромагнитного реле, показала, что, несмотря на наличие в прототипе «запоминающего» конденсатора, указанная погрешность прототипа многократно превысила погрешность предложенного интегратора и составила не менее 3·10^-2%. Такая величина погрешности может заметно ограничивать область использования интегратора-прототипа в прецизионной кулонометрии с контролируемым потенциалом.

Изобретение относится к электронной измерительной технике и аналитическому приборостроению. Технический результат - повышение точности интегрирования входного напряжения за счет максимально возможного устранения перерывов в интегрировании напряжения входного источника. Аналоговый интегратор напряжения содержит источники входного и эталонного напряжений, два ключа, интегрирующий усилитель, суммирующий хронометр, блок управления, дифференцирующая RC-цепь, при этом основной и дополнительный ключи выполнены в виде выключателей. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Аналоговый интегратор напряжения, содержащий источники входного и эталонного напряжений, включенные последовательно и встречно, основной ключ, интегрирующий усилитель, суммирующий хронометр и блок управления, отличающийся тем, что в интегратор введены дополнительный ключ и дифференцирующая RC-цепь, при этом основной и дополнительный ключи выполнены в виде выключателей, один из выводов основного ключа соединен с полюсом источника эталонного напряжения, соединенным с входом интегрирующего усилителя, а другой соединен с источником входного напряжения, одноименные полюса источников входного и эталонного напряжений соединены через дополнительный ключ, дифференцирующая RC-цепь подключена к входу интегрирующего усилителя, а ее выход соединен с управляющим входом суммирующего хронометра, выход интегрирующего усилителя подключен к входу блока управления, выходы которого соединены с основным и вспомогательным ключами.

2. Аналоговый интегратор напряжения по п. 1, отличающий тем, что основной и дополнительный ключи выполнены в виде интегральных ключей на базе комплементарных МОП-транзисторов.

3. Аналоговый интегратор напряжения по п. 1, отличающий тем, что блок управления ключами построен на основе двухпорогового компаратора с применением триггера Шмитта.