Пороговое устройство Советский патент 1983 года по МПК H03K5/24 G05B1/01 

Изобретение относится к автоматике и вымислительной технике и может быть применено в системах автом тического регулирования и контроля. Известно пороговое устройство, выполненное на одном операционном усилителе и обеспечивающее возможкость допускового контроля биполярного входного сигнала, В нем с цель получения узкого, диапазона контроля и в любой части рабочего диапазона усилителя использованы два диодных полумоста, выходы которых подключены к входным резисторам диф ференциального усилителя, а входы соединены и подключены к источнику входного сигнала, причем аноды диодов первого полумоста подсоединены через резистор к положительному полюсу источника питания, катоды второго полумоста подключены через дру гой резистор к отрицательному полюсу источника питания и к инвертирую щему входу дифференциального усилителя через резистор подсоединен отрицательный полюс источника опорного напряжения. При этом к неинвертирующему входу дифференциального усилителя через резистор подсоединен положительный полюс источника опорного напряжен4ия 1 1 , Однако данное пороговое устройство характеризуется значительной погрешностью контроля. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пороговое устройство, содержащее операционный усилитель с дифференци альными входами, первый вход которо го через резистор подключен к шине нулевого потенциала, а второй, вход к источнику входного сигнала, и управляемой резистивный дeлиfeль, образованный двумя последовательно соединенными резисторами, второй из которых вторым выводом подключен к первому источнику опорного напряжения, и транзистором, коллектор ко торого подключен через резистор к точке соединения двух последовательно соединенных резисторов, ба- за через ограничительный резистор к выходу операционного усилителя 2. Известное устройство характеризуется большой крутизной дискриминационной характеристики, простотой схемного решения и малым энергопотреблением, однако имеет невысокую точность и функционально ограничено 22 Цель изобретения - повышение точности и расширение .функциональных возможностей. Поставленная цель достигается тем, что в пороговое устройство, содержащее операционный усилитель с дифференциальными входами, первый вход которого через резистор подключен к шине нулевого потенциала, а второй вход - к шине источника входного сигнала, и управляемый резистивный делитель, образованный двумя последовательно соединенными резисторами, второй из которых вторым выводом подключен к первому источнику опорного напряжения, и транзистором, коллектор которого подключен через резистор к точке соединения двух последовательно соединенных резисторов, база - через ограничительный резистор с выходом операционного ycилиteля, введен дополнительный управляемый резистивный Делитель, образованный двумя последовательно соединенными резисторами, второй-из которых вторым выводом подключен к второму источнику опорного напряжения, а первый бторым выводом через резистор - к второму входу операционного усилителя и непосредственно к второму ВЫВОДУ первого резистор а управляемого рёзистивного делителя, и транзистором, коллектор которого подключен через резистор к точке соединения двух последовательно соединенных резисторов, база через дополнительный резистор - к источнику напр.яжения и непосредственно к базе транзистора управляемого рёзистивного делителя, причем эмиттеры транзисторов управляемых резистивных делителей подключены к шине нулевого потенциала, На фиг, 1 представлена электрическая схема порогового устройства с двумя порогами срабатывания; на фиг,2 - статическая выходная характеристика порогового устройства в режиме допускового контроля; на фиг, 3 - статическая выходная характеристика порогового устройства с гистерезисными свойствами; на фиг, электрйческая схема порогового устройства с тремя порогами срабатывания; на фиг, 5 - статическая выходная характеристика порогового устройства с тремя порогами срабатывания. Пороговое устройство содержит oi рационный усилитель Т, подключенный входами через резисторы 2 и 3 соответственно к источнику входного сигнала и шине нулевого потенциала управляемый резистивный делитель 4, образованный двумя последовательно соединенными резисторами 5 и 6, итранзистором 7 коллектор которого подключен через резистор 8 к точке соединения двух последовательно сое диненных резисторов 5 и 6, база Через ограничительный резистор 9 к выходу операционного усилителя 1, дополнительный управляемый резистивнь1Й делитель 10, образованный двумя последовательно соединенными резисторами 11 и 12 и транзистором 13, коллектор которого подключен через резистор 1 t к точке соединения двух последовательно соединенных резисторов 11 и 12, П{5и этом, первый {эезистор t1 ёторым выводом подключен через резистор 15 второму входу операционного усилителя 1, а базы транзисторов 7 и 13 подключены через дополнительный резистор 16 к источнику напряжения. Коррекция выполнена на параллельно сое диненных конденсаторе 17 и резисторе 18. Устройство работает следующим.об разом. Рассмотрим работу порогового уст ройства фиг. 1 7 в режиме допусковог контроля. Указанный режим работы устройства обеспечивается Подсоединением резистивных делителей Л и 10 К неинвертирующему входу операцйонн го усилителя 1 (для указанного вари анта построения устройства входы on рационного усилителя t на фиг.1 обо начены без скобок). I 9 Пусть сопротивление резистора 15 равно нулю, сопротивление резистора 16 бесконечно больше, а сопротивления резисторов 5, 6 и 8 резистивно го делителя Ц равны сопротивлениямсоответственно резисторов 11, 12 и 1 дополнительного резистивногр делителя 10. При поступлении входного через резистор 2 на неинвертирующий вход операционного усилителя 1.резистор 3 соединен с шиной нулевого потенциала. В исходном состоянии на неинвертирующем входе операционного усилителя 1 в результате суммирования выходных токов резистивных делителей 324 4 и 10 устанавливается некоТорый потенциал, например,, положительной полярности.-(при равенстве абсолютных значений напряжений опорных источников fQn (51}Лказанный потенциал имеет незначительную величину . В результате на выходе усилителя 1 присутствует положительное напряжение, приоткрывающее транзистор .7, который шунтирует через резистор 8 точку соединения двух резисторов 5 и .6, уменьшая тем самым коэффициент передачи резистивного делителя Ц. Таким образом, воздействие управляемого резистивного делителя Ц на операционный усилитель 1 аналогично воздействию отрицательной обратной связи.При этом операционный усилитель 1 стремится поддержать на своем нёинвертирующем входе нулевой потенциал. Наличие входного сигнала Liy,. нак пример, положительной полярности вызывает увеличение выходного напряжения ир - усилителя 1, (участок ОА на выходной характеристике фиг.2) которое с помощью управляемого резистив ного делителя Ц приводит к уменьшеНию тока от исЪрчника положительной полярности EQJ,.. Усилитель 1 с помощью резистивного делителя обеспечивает скорость уменьшения тока от источника ЕОП Равную скорости увеличения тока от источника входного сигнала. Поэтому результат суммирования неизменного тока от опорного отрицательного источника растающего тока от входного источ ника положительной полярности и убывающего с такой же скоростью тока от опорного положительного источника Е :остается неизменным и на неинвертирующем входе усилителя 1 сохраняется нулевой потенциал. И так до тех пор, пока транзистор 7 Находится на линейном участке работы. Когда же транзистор 7 войдет в режим Насыщения, будут исчерпаны возможности регулирования тока от опорного источника При этом усилитель 1 приобретает свойства операционного усилителя с разомкнутой отрицательной обратной связью. Ввиду отсутствия компенсации резистивным делителем нарастания тока от входного источника результат суммирования на неинвертирующем входе усилителя 1 создает некоторый положительный потенциал. За счет. коэффициента усиления в несколько десятков тысяч, характерного для операционного усилителя с разомкнутой отрицательной обратной связью увеличение потенциала на входе усилителя 1 приводит к быстрому нарастанию его выходного напряжения ( участок АВ на фиг ..2) до максимального положительного знамения + Дальнейшее нарастание входного сигнала не приводит к изменению Выходного напряжения усилителя 1 (участок ВС на фиг.2). Уменьшение положительного входного сигнал;а вызывает уменьшение выхо ного напряжения до нуля (участок СВАО на фиг.2). При поступлении на вход устройства отрицательного входного сигнал последнее работает аналогичным обра зом, но выходное напряжение усилителя 1 имеет отрицательную полярность и в формировании выходной характеристики участок ODEF на фиг.2 участвует транзистор ,13 дополнитель ноф резистивного делителя 10, а транзистор 7 резистивного делителя остается закрытым. При этом точки излома выходной характеристики (точ ки Аи О на фиг.2) соответствуют по роговым значениям 0 ц и входного сигнала: RS+Rb- U И - f 0 . пг (яг+кб R-M+R12+ J погрешность поро где MS R5tR6+ срабатывания, вн симая напряжение насыщени я зистора 7; погрешность (1оро срабатывания, вн симая напряжение Uugc транзистора к Е напряжения опорн Ьпл опт. ОП л fin л . источников соотв ственно положите ной и отрицатель ной noляpнoctи; R2,R5,R6,R8Rr R12 и Rl сопротивления со ответственно резисторов 2,5«6,8 11, IZ и 1 «t32 4 Изприведенных уравнений видно, что чем больше соотношения R8/R6. и RH/R12, тем меньше погрешности Д1 и i2, вносимые соответственно транзисторами 7 и 13.Таким образом, выбирая эти соотношения равными 10, 100 и т.д., можно уменьшать в 10, 100 и т.д. раз погрешность устройства (у пpoтotипa абсолютная погрешность соответствует напряжению транзистора). Необходимо учитывать, что минимальное значение порогов Ujj Ufjj для случая нулевого сопротивления резистора 15 ограничено значениями погрешностей Д1, u2. Это объясняется теМ, что погрешности 1, Л2,- имеющие малую величину относительно напряжений EQ., EQJ , разнополярных опорных источников, могут иметь значительную величину относительно результата суммирования этих напряжений на входе усилителя 1. В этих условиях сопротивление резистора 15 выбирается отличным от нуля, что позволяет в точке соединения резисторов 5, Пи 15 обеспечить результат суммирования токов от источников Е значительной величины, относительно которого погрешности Л1 и Л2 пренебрежимо малы. При этом за счет делителя из резисторов 2 и 15 возможно получение и сколь порогов срабатывания , Пг угодно малой величины. Пороговое устройство обесг ечивает допусковый контроль как биполярного, так и однополярного входного сигнала. При этом сдвиг выходной характеристики устройства в область положительных входных сигМалоЁ (характеристика р Е о А в с на фиг.2) или в область отрицательных входных сигналов (характеристика на фиг.2) обеспечивается соответствующим выбором напряжений Еопги сопротивлений резисторов 5, 6, 8 и 11, 12, И, как это видно из расчетный формул для порогов U- и УП,. В то же время устм . V % f. .Л - ройство (фиг.1) обладая тремя устойчивыми состояниями ( участки FE, DA и ВС на фиг.2) обеспечивается информацией.о том, что выходной сигнал меньше заданного диапазона его значений (участок FE на фиг.2, находится в пределах заданного диапазона значений (участок DA на фиг.2) (ли больше диапазона заданных значений (участок ВС на фиг.2/. При этом выходное напряжение усилителя 1 принимает соответственно зна чения --wax. jtTicW- Д С величины напрЯ7 жений -DO.и +U., определяются суммой прямого напряжения баэа-эмиттер соответствующего транзистора и падв ния напряжения на резисторах 9 и 18, Учитывая,что коэффициенты передач по току для маломощных транзисторов существенно больше единицы, падение напряжения на резисторах 9 и 18 характеризуется пренебрежимо малой величиной. Кроме того, выборо конвнного значения сопротивления ре зистора 16 и полярности йctoчниka Ед(им мржетбыть источник Е или ОЛ1.) линейный участок выходной ха рактеристики (участок DA на фиг.2) при необходимости можно передвигать по оси выходного напряжения . Так, при положительной Е0 линейный участок сдвигается в от.риг4ательную область выходного напряжеНия (участок Д2А2 на фиг.2), а при отрицательном Е - в положительную область (участок Д1А1 на фиг.2). . При подаче входного сигнала на инвертирующий вход усилителя 1 выходная характеристика устройства имеет зеркальное изображение относительно оси Ug| по отношению к выходной характеристике на фиг.2. rtpM этом расчетные формулы порогов срабатывания ; и,усложняются, но источник Входного сигнала раз- .. вязан от опорных источников ОП При подсоединении резистивных .делителей и 10 к ин вертирующему входу усилителя 1 пороговое устройство (фиг.1) обеспечивает, гистерезисную выходную характеристику (фиг.З). Для указанного варианта : построения устройства обозначения входов операционного усилителя 1; на фиг.1 даны в скобках. Указанный вариант схемы (фиг. 1обладает свойствами бперационного усилителя с положительной обратной связью. Поэтому в исходном состоянии после включения устройство Принимает одно из устойчивых состояний и выходное напряжение операционнОго усилителя 1 имеет максимальную величину случайной полярности: ,0 или ,j (при,.-работе с биполярным входным сигналом;. Резистор 18 совместно с источником ЕО выбранной по 28 лярности позволяют исключить неоп- ределенность состояния порогового устройства в начальный момент. При положительной полярности источника устройство принимает состояние с отрицательным входным напряжением (точка аЧ фиг.З), а при отрицательной полярности - состояние с положительным выходным напряжением (точка + фиг.З). Пусть в исходном состоянии устрой-ство имеет максимальное положительное выходное напряжение. При этом транзистор 7 резистивного делителя k открыт, а транзистор 13 управляемого делителя 10 закрыт и на инвертирующем входе усилителя 1 установилось напряжение порога срабатывания и отрицательной полярности. Поступление изменявшегося входного сигнала положительной полярности через разделительный резистор 3 на неинвертирующйй вход усилителя 1 не изменяет состояния устройства. Изменение выходного сигнала в об.ласть отрицательных значений вплоть до напряжения порога срабатывания и также не изменяет -состояния устройства (участок ДЕ на фиг.З). ,При достижении входным сигналом значения напряжения порога срабатывания i выходное напряжение усилителя 1 уменьшается, транзистор 7 призакрывается и напряжение на инвертирующем входе усилителя уменьшается и т.д. В результате лавинообразнопо процесса изменения соотно шения напряжений на входах усилителя 1 последний перебрасывается в состояние с отрицательным выходным наIпряжением (участок EF на фиг.Э), {транзистор 7 резистивного делителя ;4 закрывается/а транзистор 13 рёзистЙБ ,ного делителя 10 открывается и на инвер i тирующем входе усилителя 1 устанавлива :ется положительное пороговое иап я ениеи. Изменение входного сигнала вплоть до значенйя-и не изменя;ет состояния устройства (уйасток АВ на фиг. З). При достижении входным сигналом значения U устройство перебрасывается в исходное состояние (участок ВС .З) и т.д. Г Изменением соотношения резисторов . 8 и 11,, управляемых резистйвных делителей i и 10 пороговые уровни и Уцг изменяются вплоть 91 до их смешения в область положительных (характеристика ABCDЕ F на фиг.З) или в область отрицател ных входных сигналов ( характеристика на фиг.З). При поступлении входного сигнала через разделительный резистор 2 на инвертирующий вход усилителя Т выходная характеристика устройства име ет зеркальное отображение характерис тики (фип.З) относительно оси ii . Рассмотренный вариант построения устройства характеризуется теми же точностными характеристиками, что и описанный выше. Оба варианта устройства фиг.1 характеризуются максимально допустимым уровнем разнополярных порогов срабатывания относительно напряжений опорных источн иков: ,,5 |Еоп-, При подсоединении резистивного де лителя k к одному входу резистивного делителя 10 - к другому входу усилителя 1, пороговое уст роист во. (фиг. ). обеспечивает трехпороговую выходную характеристику при однополярном входном сигнале. При этом устройство обеспечивает режим допускового контроля.с гистерезисными свойствами одного из порогов. Рассматрйм работу варианта построения устройства , для которого обозначения входов усилителя 1 на фиг. 1 даны без скобок, а входной сигнал поступает через разделительный резистор 2 на Н инвертирующий вход усилителя. Пусть коэффициент передачи резистивного целителя k при открытом тран зисторе 7 превышает коэффициент передачи резистивного делителя 10 при закрытом транзисторе 13. При этом в исходное состоянии напряжение на неинвертирующем входе усилителя 1 всег да больше напряжения на его инвертирующем входе. Поэтому усилитель 1 находится в состоянии насыщения и ег выходное напряжение имеет величину + (фиг.5). Пока суммарное напряжение входного сигнала и выходного напряжения резистивного дeли5 теля , приложенное к неинверти рующему входу усилителя 1, не уменьшится до порогового уровня U1 напряжения на инвертирующем входе (при этом входной сигнал будет иметь уровень Uf)) , состояние устройства, не изменяется (участок АВ на фиг.З), 210 гПри достижении суммарным напряжением уровня U. выходное напряжение усилителя Т стремится к нулю (участок ВС на фиг.5),что ведет к призакрываниютранстора 7 и выходное напряжение резистивного делителя Ц начинает возрастать, компенсируя уменьшение входного сигнала, т.е. усилитель 1, не имевший обратной связи при величинах входного сигнала больших U П, приобретает теперь свойства усилителя с отрицательной обратной связью в виде резистивного делителя k. Усилитель 1 формирует линейный участок выходной характеристик (участок CD на фиг.5) до тех пор, пока будут исчерпаны возможности регули|эования коэффициента передачи резистивного делителя (при этом входной сигнал соответствует второму пороговому значению Uj,,.). При этом выходное напряжение усилителя 1 уменьшается до отрицательных значений, транзистор 7 закрывается, а транзистор 13 приотк}зывается. В результате Напряжение на инвертирующем входе уси-, лителя 1 относительно напряжения на его неинвертирующем входе уменьшается и т.д., т.е. усилитель 1 приобретает свойства компаратора с положительной обратной связью и перебрасывается в состояние с отрицательным выходным напряжением - Uj. (уаасток DE на фиг.5). При эгом транзистор 13 полностью открытии на инвертирующем входе усилителя 1 устанавливается третье Пороговое напряжение и меньшей амплитуды, чем U. При уменьшении амплитуды выходного сигнала до уровня ,, когда напряжение на неинвертирующём входе усилителя 1 достигает значения Uji выходное напряжение последнего изменяет полярность (участок GH на фиг.5), в результате чего транзистор 13 закрывается, а транзистор 7 открывается, т.е. усилитель 1 теряет свойства усилителя с положительной обратной связью и приобретает свойства усилителя с отрицательной обратной связью и т.д. Ширина петли гистерезиса регулируется в пределах всего линейного участка выходной характеристики (участок DC на фиг.5) выбором соотношений сопротивлений резисторов 11, 12 и I резистивного делителя 10.

Изменением соотношения коэффициентов передач резистивных делителей i и 10 выходная характеристика уст-: ройс.тва перемещается в область более отрицательного входного сигнала(характеристика А В С оЕ рсН на

фиг.5).

Изменением полярности источника EJJ и выбором сопротивления резистора 16 линейный участок выходной характеристики перемещается по оси ((участки Д1С1 и Д2С2 на фиг.5).

При поступлении входного сигнала Через резистор 3 на инвертирующий вход усилителя 1 выходная характерис тйка устройства формируется в област ; входных сигналов (хаположительных на рактеристнка фиг.5) . При Подсоединении резистиёных делителей i и 10 в соответствии с обоз начением входов усилителя 1, показанных на фиг.5 в скобках, выхрдная характеристика устройства имеет зерг кальное изображение относительно оси входного сигнала по отношению к рактеристике фиг.5. Устройство (фиг.), характеризуется тёми же точностными показателями, что и устройство на фиг.1. Для уменьшения номенклатуры используемых транзисторов и количестаа опорных источников, пороговое Устройство (фиг.1, фиг.) может, рй

ботать от оДного опорного источника например;, от Е()ц При этом транзистор 13 выбирается того Же типа проводимости, что и транзистор 7 но в

качестве управляемого электрода транзистора 13 используется эмиттер транзистора, а его база соединяется с общей шиной. При этом устройство (фиг. 1 ) обеспечивает трехпороговую характеристику (фиг.5), а устройство по фиг.|| - двухпороговые характеристики (фиг.2 и фиг.З-. Точность пороговых устройств в таком варианте исполнения по одному из порогов ухудшается, так как при этом напряжение насыщения транзистора 13 возрастает до прямого напряжения база-эмиттер. Возможно существенно упрощенное построение порогового устройства (фиг.1, фиг.5) при использовании дополнительного резистибного делителя 10, выполненного в нерегулируемом варианте (например, в виде резистора). При этом пороговое устройство не использует конденсатор 17 и резистор 18,;. формирует только двухпороговые характеристики (фиг.2 и фиг.З и характеризуется почти в два раза- меньшим рабочим диапазоном биполярного входного сигнала. При работе с однополярным входным сигналом, наоборот за счет выбора одинаковой полярности напряжений опорных источников, рабочий диапазон входного сигнала расширяется. С it-

-f«/7 , ..

-%/л

ПОРОГОВОЕ УСТРОЙСТВО, содер жаще операционный усилитель с дифференциальными вхс%ами , первый вход Которого через резистор подключен к мине нулевого потенциала, в второй . вход - к шине источника входного . сигнала, и управляемый рёзистивный Де 1итёль обраЗ°ованный двумя после)р1овательно соединенными рёзисто0айи f ё торой из которых вторым выводом Подключён к первому HctoMH ку опорного напряжения, и транзистором, коллектор Которого,подключен через зистор к точке соединения последовательно соединенных резисторов, база через ограничительный резистор - к выходу операционного .усилителя, отличающееся тем;- что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, в него введен дополнительный управляемый резистивный делитель, образованный двумя последовательно соединенными резисторами, второй из которых вторым выводом подключён к второму источнику onopHorq напряжения, a первый вторым выводом через резистор .к второму В.ХОДУ операционного усилителя и непосредственно к второму ВЫВОДУ первого, резистора управляемого резистивного делителя, и транзистором, коллектор которого подключен через резистор к точке соединения дв ух Поспелова т ел ьно соедин енных реЗис торов, база через дополни те л ьный резистор к источнику напряжения и непосредственно к базе транзистора управляемого резйстивного делителя, причем эмиттеры транзисторов управляемых резистивных делителей подключены к шине нулевого потенциала.

% J2