Квадратор Советский патент 1984 года по МПК G06G7/20 

Изобретение относится к вычислительной технике.

Известен квадратор с частотным выходом, содержащий блок интегрирования на основе операционного усилителя с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, нуль-орган, переключатель, источники образцовых напряжений Щ .

Недостатком данного устройства является низкая точность.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является квадратор, содержащий блок интегрирования на основе конденсатора, включенного в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с шиной .нулевого потенциала, а инвертирующий - с общим выводом двух резисторов, первый из которых подключен к входу квадратора, а второй через переключатель - к источникам образцовых напряжений, причем управляющий вход переключателя соединен с выходом квадратора и выходом блока задержки, состоящего из генератора образцовой частоты, соединенного с первым входом селектора периода, второй вход которого соединен с выходом нуль-органа, а вход последнего подключен к выходу блока интегрирования 2 ,

Точность преобразования в известном квадраторе определяется точностью формирования образцового напряжения и времени Т, формируемого блоком задержки. Обеспечение высоких характеристик источников образцового напряжения не представляет трудностей.

Однако при формировании высокостабильного образцового интервала времени Тд возникают технические трудности, вызванные тем, что момент срабатывания нуль-органа невозможно синхронизировать с фронтом очередного импульса генератора образцовой ча.стоты, что снижает точность работы известного устройства.

Целью изобретения является повышение точности.

Поставленная цель достигается тем, что в квадраторе, содержащем .источники разнополярного образцового iнапряжения, выходы которых подключены к входам первого переключателя, интегрирующий блок, содерлсащий интегрирующий конденсатор и операциоь ный усилитель, инвертирующий вход которого через первый масштабный резистор подключен к входу квадратора, а через второй масштабный резистор к первому выходу первого переключателя, выход операционного усилителя интегрирующего блока подключен к входу нуль-органа, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к шине нулевого потенциала, первый переключатель выполнен СДЕОВННЫМ, а в квадратор введены образцовый накопительный конденсатор, двухпозиционный ключ, второй сдвоенный переклю5 чатель и формирователь импульсов, через .который выход нуль-органа подключен к управляющим входам первого и второго сдвоенных переключателей и двухпозиционного ключа, первая обк0 ладка образцового накопительного конденсатора подключена к шине нулевого потенциала, его вторая обкладка через двухпозиционный ключ подключена соответственно к второму выходу пер5 вого сдвоенного переключателя и к инвертирующему входу операционногоусилителя, а обкладки интегрирующего конденсатора через соответствующие 7 онтакты второго сдвоенного переклю- чателя включены между инвертирующим

входом и выходом операционного усилителя, выход формирователя импульсов является выходом квадратора.

На фиг. 1 представлена фунйциональная схема предлагаемого квадратора; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу квадратора.

Квадратор содержит интегрирующий блок, состоящий из интегрирующего конденсатора 2, операционного усили0 теля 3, неинвертирующий вход которо- . го соединен с шиной нулевого потенциала, а инвертирующий вход через первый масш1;абный резистор 4 подключен к входу квадратора и через после5 довательно соединенные второй масштабный резистор 5 и первый сдвоенный переключатель б к источникам 7 и 8 раэнополярного образцового напряжения, а выход соединен с входом

0 нуль-органа 9, формирователь 10 импульсов, второй сдвоенный переключатель 11, двухпозидионный ключ 12 и образцовый накопительный конденсатор 13, подключенный одной обкладкой

,. к шине нулевого потенциала, а другой - к входу двухпозиционного ключа 12, первый выход которого соединен с выходом переключателя 6, второй вывод с инвертирующим входом операционного усилителя 3, в цепь

0 стрит-дательной обратной связи которого через второй сдвоенный переключатель 11 включен интегрирующий конденсатор 2, причем управляющие входы переключателей б и 11 и ключа

5 12 соединены с выходом формирователя 10 импульсов, вход которого подключен к выходу нуль-органа 9. Позициями 13 и 14 обозначены соответственно вход и выход квадратора.

0 Временные диаграм.1ы (фиг. 2) содержат d- входное напряжение квадратора; S - форма напряжения на образцовом конденсаторе 13; Ь - форма напряжения на выходе интегрирующего

5 блока i} 1 сигнал на выходе нульоргана 9; Q - сигнал на выходе формирователя 10 импульсов; е - форма напряжения на выходе 15 переключате ля 6 ; Ж - форма напряжения на выходе 16 переключателя 6. Квадратор работает следующим образом. Переключатели б и 11 и ключ 12 находятся первоначально в положении указанном на фиг. 1. На вход устройства подано положительное входное напряжения U (.фиг. 2, а) , а на выходе 15 переключателя 6 присутствует отрицательное образцовое напря жение - UQ .Фиг. 2,6), и в момент времени -t линейно возрастающее до этого момента со скоростью (Ug - (1 }( /t(C RC - постоянная времени интегрирующего блока 1; R R4 R сопротивление резисторов 4 и 5; С - емкость конденсатора 2) выходно напряжение интегрирующего блока 1 достигает нуля . 2, Б) . При ука занных знаках напряжений U и UQ в ходное напряжение блока 1 до момент времени t изменяется по ли.нейному закону (.так как оба напряжения предполагаются постоянными) UX-UQ Uo-Ux , -.-t ,f где t - текущее время. Следовательно, скорость его изменения до момента времени tt опр деляется выражением (UQ - U / . После момента времени if.до момента времени tj выходное напряжение блока 1 изменяется по иному, более сло ному закону, а следовательно, и ско рость его изменения будет иной, отличной от приведенного выражения. В связи в тем, что точка ii на оси времени (фиг. 2,Ь) является точкой, слева и справа от которой функции изменения выходного напряжения инте рирующего блока 1 различны, следова тельно, в момент времени произво ная от этой функции не определена, значит нельзя говорить о скорости изменения выходного напряжения блок 1 в момент времени i . До этого момента времени и после него эта скорость имеет вполне конкретные выражения. В момент времени t. выходное нап ряжение блока 1 достигает нуля (фиг. 2,Ь) , что вызывает срабатывание нуль-органа 9, сигналом которог запускается формирователь 10 импуль сов. Образцовый конденсатор 13 перв начально подключен через двухпозици онный ключ 12 и переключатель 6 к выходу источника 7 положительного образцового напряжения, вследствие чего он к моменту времени ii окажет ся заряженным практически до напряжения + Uor имея заряд с lloCo (GO - емкость образцового конденсатора 13) . В момент времени tt по переднему фронту импульсов (фиг. 2,0) с выхода формирователя 10 импульсов изменяют свое состояние на противоположное переключатель б и двухпозиционный ключ 12, а переключатель 11 сотается в прежнем положении. В результате на выходе 15 переключателя б появится положительное образцовое напряжение +Uo, а на выходе 16соответственно - Ид . Одновременно переключается двухпозиционный ключ 12, с помощью которого в течение интервала времени 2 ti образцовый конденстаор 13 нижней (фиг. 1) обкладкой оказывается подключенным в суммирующую точку усилителя 3. Поскольку потенциал суммирующей точки в силу наличия отрицательной 100%- ной обратной связи операционного усилителя 3 через конденсатор 2 оказывается близким к потенциалу неинвертирующего входа усилителя 3, т.е. потенциалу общей щины, то при подключении нижней обкладки образцового конденcatopa 13 к этой точке создается предпосылка разряда последнего. При подлежащем выборе номиналов резисторов 4и 5 и усилителя 3 с малым входньям током практически весь заряд DOGO с образцового конденсатора 13 перепишется на конденсатор 2. Одновременно конденсатор 2 заряжается током, обусловленным суммой входного сигнала U)( и образцового напряжения + о R 1 Таким образом, конденсатору 2.в течение интервала времени Т, длительность которого выбирается, исходя из условия переписи заряда с конденсатора 13 на конденсатор 2, с погрешностью, не превышающей задан- ной, сообщен суммарный заряд й : н,-.. По окончании интервала времени Т, в момент времени ij сигналом с формирователя 10 импульсов двухпозиционный ключ 12 возвращается в исходное положение, переключатель 11 переходит в противоположное на фиг. 1 положение, а переключатель б остается в прежнем положении. За счет срабатывания переключателя 11 конденсатор 2 как бы переворачивается, т.е., если до момента времени Ij его правая (фиг. 1 обкладка имела отрицательный потенциал, то теперь она имеет положительный потенциал с сохранением его абсолютного значения, а следовательно, полярность выходного напряжения усилителя,3 практически скачком изменится на противоположную. Одновременно происходит и инверсия заряда tj , т.е. 4i- Х2) Начиная с момента времени t2 Ko денсатор 13 заряжается образцовым напряжением - Ug от источника 8 образцового- напряжения, а конденсатор 2 - током 1 Б соответствии с выра жением 1) . В результате выходное напряжение блока 1 линейно убывает со скоростью - (( UD х)/ достигая нуля в момент времени з Послед нее вновь вызывает срабатывание нул органа 9. В течение интервала време ни ,-Тд (фиг. 2) с конденсат ра 2 спишется заряд , (т .. 1 Нг- р i о Поскольку заряд (}j , который накоп лен на конденсаторе 2 за интервал времени TO (с учетом инверсии), равен заряду а :j , который списан с того же конденсатора в течение интервала времени (фиг. 4,Ь , то можно записать следующее выражение баланса зарядов за интервал времени Т (баланс зарядов заключается в том, что вначале конденсатор 2 за время заряжен от нуля до некоторого напряжения, а затем за время разряжен вновь до нуля : г- ъили с учетом (2) и (3) 4 .-г V т Uoi-o о/- R ). Выражение для интервала времени Т| следующее: В момент времени t3 вновь сработал нуль-орган 9, сигналом которого запускается формирователь 10 импуль™ сов, по переднему фронту импульса с которого срабатьшают переключатель б и двухпозиционный ключ 12, а переключатель 11 остается в прежнем положении. -В результате- конденсатор 13, уже получивший теперь заряд ( -UoC4 подключается вновь к суммирующей точ ке, а на выходе 18 переключателя б появляется отрицательное образцовое напряжение - Ug . Далее происходят процессы, аналогичные описанным, с той лишь разницей, что картина изме нения выходного напряжения интегрирующего блока 1 зеркально отражена относительно оси времени (фиг, 4, &) поскольку конденсатору 13 сообщен заряд противоположного знака, и образцовое напряжение на выходе 2 пере ключателя б также имеет другой знак В результате конденсатору 2 за интер вал времени i -t Т(, собщен суммарный заряд А . и г Я4 loCoRПо окончании интервала времени Т в момент времени t сигналом с формирователя 10 импульсов двухпозиционный ключ 12 возвращается вновь в исходное положение, переключатель 11 также возвращается в исходное положение, а переключатель 6 остается в прежнем состоянии. Вновь происходят процессы, аналогичные описанным, с учетом указанной разницы. Инверсный заряд в момент времени на конденсаторе 2 следующий: Выходное напряжение блока 1 с момента времени it теперь уже линейно возрастает со скоростью -((1 - (Uo - Ux) /( ив момент времени t достигнет нуля. В течение интервала времени ij -T(j (фиг. 2) с конденсатора 2 списан заряд Ux-U,(б) -U2-To). . Тогда уравнение баланса зарядов за интервал времени Т с 0, имеет с -четом С5) и (б) вид и - выражение для интервала времени Т следующее; Т - UpCpR |(7); Ux-Uo Uo-U В момент времени t выходное на- пряжение интегрирующего блока 1 достигло нуля, далее цикл работы устройства повторится с периодом ig-t, Т + Т Т. Тогда частота следования импульсов на выходе устройства 4 .Цр-Ц/ Как следует из (,В , в функцию преобразования предлагаемого устройства вообще не входит интервал времени , следовательно прямая или косвенная нестабильность (как это имеет место в известном устройстве и где ее принципиально невозможно избежать) его формирования не влияет на точность преобразования. Погрешность от входящих в функцию Преобразования номинальных значений величин UQ , Ctf и К определяется лишь их прямой нестабильностью и может быть доведена до весьма малых значений. Технико-экономическая эффективн сть предлагаемого квадратора заклю; З1.ается в повышении точности.

КВАДРАТОР, содержащий источники разнополярного образцового наряжения, выходы которых подключены к входам первого переключателя, интегрирующий блок, содержащий интегрирующий конденсатор и операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый масштабный резистор подключен к входу квадратора, а через второй масштабный резистор к первому выходу первого переключателя, выход операционного усилителя интегрирующего блока подключен к входу нуль-органа, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к шине нулевого потенциала, отличающийся тем, что, с Целью повышения его точности, первьЗй переключатель выполнен сдвоенньпл, а в квадратор введены образцовый накопительный конденсатор, двухпозиционный ключ, второй сдвоенный переключатель и формирователь импульсов, через который выход нуль-органа подключен к управляющим входам первого и второго сдвоенных переключателей и двухпозиционного ключа, первая обкладка образцового накопительного конденсатора подключена к шине нулевого потенциала, его вторая обкладка через двухпозиционный ключ подключеin на соответственно к второму выходу первого сдвоенного переключателя к инвертирующему входу операционного усилителя, а обкладка интегрирующего конденсатора через соответствующие контакты второго сдвоенного переключателя включены между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, выход формирователя импульсов является выходом кващраэо тора. ipik ЭО ND 4