Устройство для извлечения квадратного корня Советский патент 1983 года по МПК G06G7/20 

(54) УСТРОЙСТЮ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КВАДРАТНОГО КОРНЯ

Изобретение относится к аналоговой вьлчислительной технике и может быть использовано в функциональных преобразователях в качестве .элемента, линeaf ризующего статическую характеристику ди манометров, используемых для измерения расхода ряда технологических параметров через перепад давления на сужающем yctpoйcтвe.

Известно устройство для извлечения квадратного корня, содержащее квадратор в цепи отрицательной обратной связи усилителя .

Но это устройство имеет значительную погрешность при малых уровнях информационного сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для извлечения квадратного корня, содержащее двухвходовой интегратор, блок сравнения (детектор нуля), однрвибратор, два ключевых элемента, источник эталонного напряжения, активный фильтр, выход которого является выходом устройства f 2 .

Недостаток известного устройства невысокая точность и достаточно сложная конструкция. Основными элементами, от которых в значительной степени зависит точность выполнения заданной функции, являются ключевые элементы и источник эталонного напряжения. Разброс и асимметрия крэффиg циентов передачи этих ключей, нестабильность опорного сигнала, снимаемого с источника эталонного напряжения, дрейф нуля блока сравнения и интегратора являются дестабилизирующими

0 факторами, влияющими на точность.

Цель изобретения - повышение точности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для извлечения квадратного корня, содержащее активный

5 фильтр, выполненный на первом операционном усилителе, выход которого, являющийся выходом устройства, через соединенные паргитлельно первый масштабный резистор и интегрирующий

20 конденсатор, соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и с первымвыводом второго масштабного резистора, а через третий масштабный резистор - с входом

25 устройства, введены ииротно-импульсный модулятор с однополярной статической характеристикой, однополупериодный выпрямитель, выполненный на втором операционном усилителе, неин30 вертирукяйий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, а инвертирующий вход соединен с первыми выводами четвертого и пятого масштабны резисторов и через коммутиру1Я1Шй диод - с выходом второго операционного усилителя, подключенного через второ коммутирующий диод к второму выводу пятого масштабного резистора и к вто раглу выводу второго масштабного зезистора, второй вывод четвертого масштабного резистора соединен с выходом первого операционного усилителя и с входом 1-1Иротно-импульсног модулятора с .однополярной статическо характеристикой, выход которого через дополнительно введенный шестой масштабный резистор соединен с инвер тирующим входом второго операционного усилителя. Кроме того, широтно-импульсный модулятор с однополярной статической характеристикой выполнен на дифферен циальном операционном усилителе, выход которого через диодный ограничитель знака выходных импульсов соединен с первым выводом токозадающего резистора, второй вывод кйторого, являющийся выходом широтно-импульсНС5ГО модулятора с однополярной ста- . Тической характеристикой, соединен с первым выводом стабилитрона и через инерционное RC-звено - с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя и первым выводом масштабного резистора, второй вывод которого является входом широтно-импульсного модулятора с однополярной статической характеристикой, неинвертируюций вход дифференциального операционного усилителя соединен со средним выводом резистив ного делителя напряжения, крайние выводы которого соединены соответственно с вторым выводом токозадающего резистора и шиной нулевого потенциала, второй вывод стабилитрона соединен с шиной нулевого потенциала . На чертеже представлена блок-схем устройства для извлечения квадратног корня. Устройство содержит активный фильтр 1, операционные усилители 2 и 3, интегрирующий конденсатор 4, масштабные резисторы 5-11, коммутиру щие диоды 12 и 13, широтно-импульсны модулятор 14 с однополярной статической характеристикой, дифференциальный операционный усилитель 15, диодный ограничитель 16 знака выходных импульсов, токозадающий резис тор 17, стабилитрон 18, резистор 19 инерционного RC-звена, резистивный делитель напряжения 20 и 21, однополупериодный выпрямитель 22, конденсатор 23 инерционного RC-звена. Активный фильтр 1 включен непосре ственно между входом и выходом устройства, а также при этом дополнительно охвачен коммутируемой положительной обратной связью, содержащей дву.хвходовой однополупериодный выпрямитель 22, выполненный на операционном усилителе 3. В свою очередь, этот усилитель замкнут отрицательной диодно-резистивной обратной Связью таким образом, что на его выходе может формироваться только однополярный сигнал 2. Устройство работает следуюнщм образом. Функциональная сборка из элементов 3, 12, 13, 8 и 9, входящих в полупериодный выпрямитель 22, по своему действию эквивалентна прецизионному (идеальному) диоду. Другими словами, работа этой сборки основывается на том, что при одной полуполярности входного напряжения У оно с определенным масштабным коэффициентом, зависящим практически только от величины отношения сопротивлений масщтабных резисторов 9 и 8, подается на выход в виде сигнала 1, а при другой полярности выходное напряжение Z поддерживается равным нулю. На дополнительный второй вход однополупериодного выпрямителя 22 через масштабный резистор 10 подается управляющий сигнал Q с выхода широтноимпульсного модулятора 14, выполненного по схеме управляемого автогенератора, который формирует на выходе только однополярные прямоугольные импульсы Q со знаком, противоположным знаку сигнала V , снимаемого с выхода а ктивного фильтра 1. На инвертируюем входе второго операционного усилителя 3 сигналы Q и суммируются таким образом, что выхо,ной сигнал широтно-импульсного модулятора 14 является всегда запирающим для одною полупериодного выпрямителя 22 во всем диапазоне изменения сигнала . В результате этого выходной сигнал V активного фильтра 1 по цепи его положительной обратной связи блокируется на время, равное длительности -Ьу, выходных импульсов широтно-импульсного модулятора. Положительная обратная связь замыкается на время, когда Q- О . Таким образом, на выходе одНополупериодного выпрямителя 22 наблюдается последовательность импульсов Z длидлительностью Ьр и периодом повторения Т. При этом имеет место равенство -tpr.-bn , в связи с чем постоянная составляющая Z указанного выходного сигнала может быть найдена из следующего выражения , - da t° -t. г .--ci(-y И) где 2. - постоянная (средняя) состав. лякщая сигнала положительной обратной связи за один перио кс 1мутации выпрямителя 22; Т - период следования импульсов широтно-импульсного модулято ра 14; о/ -- коэффициент -передачи второго 8 операционного усилителя 3 в момент отсутствия управляющего сигнала на выходе широт I но-импульсного модулятора; относительная скважность (коэффициент заполнения) выходных импульсов широтно-импульсного модулятора, иэменякедаяся в диапазоне от нуля до единицы; - нормирующий параметр широтно импульсного модулятора. В соответствии с принятыми обозна чениями : можно записать следующие выражения, характеризующие с высокой степенью точности динамику работы ши ротно-импульсного модулятора 14 с однополярной статической характеристикой , , ° nr-pQ- bx 1 -г -Р-Q- .. -Л Q q где Т , - постоянная времени Кхл.лл - цепи отрицательной обратной связи широтно-импульсногомодулятора; -коэффициент передаR-i Rjoчи цепи положительной обратной связи широтно-импульсног модулятора; -коэффициент переда чи входной цепи широтно-импульсногомодулятора; -коэффициент передачи отрицательной обратной связи широтно-импульсногомодуля тора) при этом . Активный фильтр 1 для вышеуказанно импульсной последовательности представляет собой сглаживающее звено.Поэ.тому можно считать,что глубина положи тельной обратной связи активного фильтра 1 также усредня т я за один период ее коммутации, в результате чего величина коэффициента передачи выходного сигнала 3 активного фильтра 1 по цепи его положительной обратной связи может быть определена из следу-, ющего выражения Чос- 5- - 1 гЦ --И-ГИ1 2Л где oi el - коэффициенты передачи фильтра 1,и выпрямителя 22 по общему контуру цепи положительной обратной связи, при этом - Для статического-режима работы устройства (при х com-t) выходной сигнал активного фильтра 1 равен сумме двух составляющих . 4) где К„ - коэффициент передачи активного фильтра 1 по цепи , входного сигнала, при Этсм 1С RT С учетом выиле;представлеиных выражений получаем К (5) т,--х,cia(-7) Подставляя в уравнение (5) развернутое выражение для / , получаем ,di2)5--ka,x (6) Если принять, что , ь в то из уравнения (6) окончательно полу J fс учетом выражений (2) (7) поучаем следующий алгоритм изменения кважности выходных импульсов ширЬтно-импульсного модулятора 14 -.-J Кех . X ci,ia V Таким образе, для реализации ункции (7) скважность выходных мпульсов широтно-импул19сного модуятора должна изменяться по алгоитму (8), т.е. она должна быть таке пропорциональна квадратному корню ходного сигнала X, чфо реализуется рименением широтно-импульсного моулятора с однополярной статической арактеристикой, работающего в авоколебательном режиме, как управлямый автогенератор. Если номиналы резисторрв 5, б, 8 9 установить такими, что Ли.--S-- ,

(7) окончательно пото из уравнения лучаем

с

Таким образом, пограиность операции извлечения квадратного корня в этом устройстве практически зависит только от точности поддержания требуемых отношений номиналов масштабных резисторов, введенных в обратные связи операционных усилителей, а также от выбранной амплитуды импульсов шиpoтнo-и myльcнoro модулятора. Обеспечить стабильность отношения номиналов однотипных резисторов всегда намного проще, чем поддерживать стабильность отношения коэффициентов передачи ключей, параметры могут уходить как в одну, так и в другую нерегулируемые стороны.

При измерении расхода через перепад давления на сужающем элементе (например, трубка Вентури), когда имеют место технологические пульсаци контролируемого параметра, во входной цепи устройства для извлечения квадратного корня, работающего в комплекте с дифманометром, необходимо дополнительно устанавливать электрический демпфер, сглаживающий указанные пульсации. Кроме того, подобного родэ демпферы (сглаживающие фильтры) устанавливаются также с иелью подавления электрических помех которые возможны в системах измерения с достаточно протяженными линиями связи между дифманометрами и устройствами для извлечения хвадратного корня, формирующими на выходе информационный сигнал, связанный с измеряемыь расходом линейной зависимостью. Применение этих демпферов понижает точность измерения.

При использовании этого устройств необходимость введения такого рода демпферов отпадает, поскольку активный фильтр установлен непосредственно во входной цепи и. поэтому наряду с основной функцией (выделение средней составляющей ШИМ-сигнала) может также дополнительнр выполнять и роль демпфирунхдего звена с фиксированной либо с регулируемой установкой его постоянной времени.

Таким образом,предложенное устройство дополнительно дает возможность повысить точность процесса измерения расхода в указанных случаях. Технико экономический эффект заключается вГ повышении точности преобразования.

Формула изобретения

ный фильтр, выполненный на первом операциойном .усилителе, выход которого, являющийся выходом устройства, через соединенные параллельно первый масштабный резистор и интегри- рующий конденсатор, соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и с первым выводом второго масштабного резистора, а через третий масштабный резистор - с входом устройства, о т л и ч а ющееСЯ тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены широтно-импульсный модулятор с однополярной статической характеристикой, однопрлупериодный выпрямитель , выполненный на втором операционном усилителе, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, а инвертирующий вход соединен с первыми выводами четвертого и пятого масштабных резисторов и через первый коммутирующий диод - с выходом второго операционного усилителя, подключенного через второй коммутирующий диод к второму выводу пятого масштабного резистора и к второму выводу второго масштабного резистора, второй вывод четвертого масштабного резистора соединен с выходом первого операционного усилителя и с входом широтно-импульсного модулятора с однополярной статической характеристикой, выход которого через дополнительно введенный шестой масштабный резистор соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Д ±