Масштабный усилитель Советский патент 1983 года по МПК G06G7/12 

Изобретение откосится к измерительной и вычислительной технико и может быта. Использовано при построении точных быстродействующих устройств измерительной и аналоговой вычислительной . техники. Известен масштабный усилитель, по- строенный по схеме операционного усилителя с глубокой отрицательной обратной связью, В этом К}асштабном усилителе дри достаточно большом коэффициен те усиления операционного усилителя коэффициент передачи определяется только резистн:вным делителем в цепи обратной связи операционного усилителя fl 3 Недостатком этого масштабного усилителя яБ-чяется необходимость использования дяя получения высокой точности прецнзконных резисторов. Наиболее близким по технической сущ ности к предложенному является масщтаб ный усилитель с усреднением оагабок резисторов, определяющих коэффициент пере дачи, содержащий операционный усилител и дуально-реверсивный делитель напряжения, состоящий из п одинаковых резисторов и h переключателей, выход дуал но-реверсивного делителя напряжения (Подключен к шшертярующему входу опеI рационного усилителя, а резисторы через переключатели подключаются к общей шине II к выходу операционного усилител Работа переключателей организуется таким образом, что m резисторов подключаются к выходу операционного усилителя У, а п -т резисторов - к общей шине. При этом коэффициент передачи схемы Кп 1 + Для усреднения погрешностей резисторов осуществляется циклический сдвиг состояния переключателей при которюм число резисторов, подключенных к выходу операционного усилителя и к ойцей щине, остается неизменным. При этом получается, что среднее значение коэф;фициента передачи за цикл сдвига не зависит от погрешностей резисторов 23, Недостатком известного масштабного усилителя является низкое быстродействие, определяемое тем, что для обеспечения высокой точности верхняя грбшйчная частота входного сигнала должна бьпъ много меньше частоты сдвига в дуально-реверсивном делителе напряжения. Целью изобретения является повьпиени быстродействия и точности масштабирования масштабного усилителя. Поставленная иедь достигается тем, что в масштабный усилитель, содержащий дифференциальный операционный усилитель, неюгоертирующий вход которого является входом масштабного усилитети, и парал(вльный делитель напряжения, вход которого соединен с выходом дифференциального операционного усилителя, введены иифроуправляемый делитель напряжения, даа компаратора, элемент равнозначности и реверсивный , счетчик, входы которого подключены к прямому и инверсному выходам элемента равнозначности, а выход соединен с управляющим входом цифро-управляемого делителя напряжения, включенного меж-.ду выходом и инвертирующим входом дифференциального опера-, ционного усилителя, неинвертируюший вход первого компаратора и инвертирук ° второго компаратора подключены к входу масщтабного усилителя, инвертирующий вход первого компаратора и неинвертирующий вход второго компаратора соединены соответственно с выходом параллельного, делителя напряжения и щиной нулевого потенциала, а выходы компараторов подключены к входам элемента равнозначности. На чертеже представлена структурная схема масщтабного усилителя В масшт51бном усилителе выход дифференциального операционного усилителя 1 подключен к входам параллельного делителя 2 напряжения и цифроуправляемого |дел1ггеля 3 напряжения, выход которого подсоединен к инвертирующему входу «щерационного усилителя 1. Выход параллельного делителя 2 напряжения подклют; чен к инвертирующему входу первого компаратора 4, второй вход которого соединен с выходом источника входного сигнала. Инвертчруюший вход второго компаратора 5 подключен к выходу источника входного сигнала, а второй.вход - к об щей щине. Выходы компараторов и 5 соединены с входами элемента 6 равнозначности, выходы которого подключены к входам реверсивного счетчика 7. Выходь1 реверсивного счетчика 7 подключены к управляющим входам цифроуправляемого делителя 3 напряжения, Неинвертирукяций вход операционного усилителя 1 подключен к выходу источника входного сигнала. Усилитель рабсушет следующим образом. Входной сигнал И поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя 1, имеюшего некотормый коэф. фшиент передачи Кп 1/Кйц, рде Кдц коэффициент передачи цифроуправляемого делителя 3 напряжения в цели ;отрица тельной обратной связи операционного усилителя 1. Выходной сягшт операционHord усилителя 1 поступает на вход параллельного делителя 2 напряжения, выходной сигнал которого сравнивается первым компаратором 4 е входны сигналом Hg . На параляет ном делителе 2 напряжения устшшвливается коэф фициент передачи Кдр 1 Knf где Кп требуемое зт ачение коэффициента передачи масштабного усилителя. Если коэффициент передачи цифроуправляемого деЛителя 3 напряжения в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 1 удовлетворяет соотношению Кдц 1/Кп, т. е, равен расчетному значению, то среднее значение разности сигналов на входе первого компаратора 4 ДИ за никл сдвига в параллельном делителе 2 напряжения при любом значении входного сигналаИ gjj равно нулю. При этом разность сигналов на входе пе вого компаратора. 4 и И оказывается некоррелированной с входным сигналом И Если же коэффиии 1т передачи цифроупра ляемого делителя 3 напряжения больше расчетж)го значения Кдц 1/Кп, т. е. больше коэффициента передачи паралдельного делителя 2 напряжения, то (предполагая идеальность операционного усилителя) среднее значение выходного напряжения параллельного делителя 2 напряжения по абсолют1Юй величине меньше входного напряжения Hg . Если же коэффициент передачи цифроуправляемого делителя 3 напряжения меньше расчетно го значения, т, е. меньше коэффициента передачи параллельного делителя 2 напряжения, то среднее значение выходно;гчэ напряжения параллельного делителя 2 напряжения по абсолютной величине боль ше входнсягФ напряжения. Таким образом, если коэффициент пер дачи иифр зуправляемого делителя 3 напр жения отличен от расчетного значения ({от коэффиий та передачи дуально-ревер сивного делителя напр5 жения}, то разность входных сигналов первого компар тора 4 оказывается коррелированной с входным сцгналом, так как среднее зна/ К чение разности dU(lА Ш Код с выходов реверсивого счетчика 7 корректирует значение коэффициента неепачи цифроуправляемого делителя 3 апряжения. Диапазон изменения коэффииента передачи цифроуправляемого делиеля 3 напряжения при изменении кода четчика от минимального до максимального значения оказывается таким, что н перекрывает диапазон возможной порешности делителя напряжения. Начальное значение коэффициента передачи аифроуправляемого делителя 3 напряжения (при среднем значении кода счетчика) выбирается из условия обеспечения расчетного значения коэффициента передачи масштабного усилителя К дц 1/Кп,. Компараторы 4 и 5,. элемент 6 равнозначности и реверсивный счетчик 7 реализуют алгоритм подстройки коэффициента передачи масштабного усилителя непосредственно в процессе его нормального 4ункционир01вания путем коррекции коэффициенте передачи иифроуправляемого делителя 3 напряжения в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 1. Алгоритм подстройки предстейляе-гся в виде Kn() Kn(tnH SiSfnlUbx t) ,(tn)-U,{tn;K p(tr)i, (кьН если если Kn(tn)i j--- значение коэффициента передачи масштабного усилителя B-tn-ft момент времени; . I (t п) - коэффициент передачи цифроуправляемого делителя 3 напряжения в tn-й момент времени; Wo,(o).U.L. (tn) -значения1Входного и вы 9л ЙЫЛ .. ХОДКОГО сигналов масштабного усшштеяя в tn-й момент ч мени; г - шаг коррекции; К. (t-h)-коэффициент передачи параллельного делителя 2 напряжения в п-м такте. Среднее значение коэффициента пере дачи параллельного делителя 2 напряже ния за цикл сдвига Кдр l/KnJ где Кп - .: расчетное значение коэффициента передачи масштабного усилителя, Алгоритм подстройки можно нджшпгь следующим образом. Если выходное пряжение операционного усилителя 1 gbix больше по абсолютной величине расчетного .значетш Ид - Kifjro среднее значвнне выходного напряжения параллель ного делителя 2 напряжения по абсолют. ной велтшне превышает абсолютную величину входного напряжении (И, ) и эле Nseirr 6 раыюэна-шости выдает сигнал, увеличт-заюший соцеряшмое реверсивного счетчика 7, При этом корректируется в сторощ увел1-1чения коэффициент передачи цифроуправляемого делителя 3 напряжения т. е. .пзелитиэается глубина отрицательной обратной связи операционного усилителя 1 уг е1й шается коэффициент передачи маситабного усилителя Кп. Если же выходное напряжение И„,. по абсолютной велтиипе меньше расчетного значения К , то среднее значение И - г ц - BbiYv5Х ззыхсдио- j (шлряженкя параллельного дели теля 2 ;1апг-)5с;сештя по абсолютной величине абсолюаной велш1ины вхор.-.кого с1;т-наг(а (), и элемент 6 равнозиачгюсти -выдает сигнал, уменьшающий содержимое реверсивного счетчика 7. Пр этом коэ(|х|)шиент .передачи нифроуправляе Moi-c делителя 3 напряжения y Ieньшaeтcя Ti е, угч ешзшается глуб1ша отрицательной обратной связи операнионного ус «1ителя 1,.а коэффициент передачи масштабного усилител.л К увеличгавается. По окончании переходного процесса коэффициент перепача масштабного усилителя равен рас4eTHoNiy значению (с точностью, определяемо p-iai oM подстройки г). Возникающая же 3 процессе работы нестабильность коэфф1щкента передачи масштабного усипителя непрерьшно отслеживается каналом подстройки и корректируется. Предлагаемый масштабный усилитель обладает высоким быстродействием (по вxoднo J- сигналу), определйемым только диншv ичecкими характеристиками опера--, ционного усилителя 1, Нестабильность же коэффициента передачи схемы непре - рывно отслеживается каналом подстройки (параллельный делитель 2 напряжения, компараторы 4 и 3, элемент 6 равнозначности, реверсивный счетчик 7), При этом к ширине полосы пропускания канала подстройки особых требований не предг является, так как дрейф коэффициента передачи масштабного усилителя представляет собой достаточно низкочастотный процесс. Для устранения смешения нуля компараторов 4 и 5, которые могут быть реализованы по той же схеме, что и основной операционный усилитель 1, может быть использована нериодическая коррекция дрейфа, а влияние шума компараторов устраняется за счет выбора шага подстройки Г достаточно малой величины (т. е. за счет сужения полосы пропускания канала подстройки) или за счет дополнительного усреш1ения отсчетов в схеме равнозначности. Результирующая по- i грешность коэффициента передачи рассматриваемой схемы определяется, в основном, только погрешностью параллельного делителя напряжения с циклической коммутацией резисторов, которая достаточно мала даже без использования точных резисторов. Результаты моделирования предлагаемой структуры на ЭЦВМ и эксперименталь кого исследования макета устройства свидетельствуют о том, что при использовании резисторов класса точности t i% погрешность предлагаемого масштабного усилителя находится на уровне t 0,01%. При этом снижение погрешности с уровня ± 1% до уровня i 0,1% происходит за 50-100 тактов, а до уровня tO,01%за 1ООО-500О тактов работы устройства. Полоса же пропускания предлагаемой схемы по входному сигналу определяется только динамическими характеристика -ми операционного усилителя,,-, и при использовании усилителя типа 574УД1 верхняя граничная частота достигает нескольких мегагерц.

ивх.

VSbfX.

: МАСШТАБНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ содержащий дифференциальный операционный усилитель, неинвертирующий вход которого является входом масштабного усилителя, и дшрадлельный делитель на. лрйжения, вход которого соединен с дифференциального операционного :усилителя, отличающийся тем, . что, с целью повьпиення точности масш- та рования и быстродействия масилйеко го усилителя, в него введены иифроуп- равляемый делитель напряжения, два компаратора, элемент равнозначностн и реверсивный счетчик, входы которого подключены к прямому и инверсному выходам элемента равнозначности, а выход соединен с управляющим входом ии4фоуправляемого делителя напряжения, вклк ченного между выходом в шшертирукхцим входом дифференциального олерациовного усилителя, неинверщрующеЛ вход п вого компаратора и инвертирующий вход i (Л второго компаратора лощслючены к входу масштабного усшгателя, шюерткруюший вход первого компаратора и неинвертирующий вход второго компаратора соедивевы соответственно с выходом параллельного делителя напряжения и шиной вулевого потенциала, а выходы к ж«шараторов попключены к входам элемента рашвозначности. со К)

ri