Устройство для интегрирования постоянного тока Советский патент 1984 года по МПК G06G7/18 

Изобретение относится к аналогов вычислительной технике и может быть использована для построения электро ного интегратора с большим временем интегрирования. Известны устройства для интегриро вания, содержащие интегрирующий конденсатор, включенный в цлпь обратной связи усилителя постоянного тока, и цепь компенсации дрейфа ij . В данных устройствах точность интегрирования снижается из-за скачкообразного изменения напряжения на конденсаторе при его разряде. Наиболее близким пО технической сущности к предлагаемому является устройство для интегрирования постоянного тока, содержащее операционный интегрирующий усилитель, параллельно конденсатору которого подключен разрядный ключ, выход интегрирующего усилителя подключен к входу суммирующего усилителя непосредственно и че рез последовательно соединенные поро говый элемент, счетчик и преобразова тель двоичного кода в напряжение постоянного тока 2j . Недостатком известного устройства является то, что погрешность преобра зования числа разрядов конденсатора в постоянный ток, которое осуществля ется реверсивным счетчиком и преобра зователем двоичного кода в напряжени входит в погрешность интегрирования. Цель изобретения - повьииение точности интегрирования. Поставленная цель достигается тем что в устройство для интегрирования постоянного тока, содержащее первый усилитель постоянного тока, первый вход которого соединен с выходом второго усилителя постоянного тока, последовательно включенные пороговый элемент, счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к второму входу первого усилителя постоянного тока, первый ключ, управляющий вход которого через одновибратор подключен к выходу порогового элемента, а первый вывод соединен с входом второго усилителя постоянного тока, между входом и выходом которого включен первый интегрирующий конденсатор, входной масштабный резистор, подключенный к входу второго усилителя постоянного тока, и первый ключ, введены второй интегрирующий конденсатор, источ ник напряжения смещения и второй 1ШЮЧ, управляющий вход которого подключен к выходу одновибратора, выход первого усилителя постоянного тока соединен с входом порогового элемента, выход второго усилителя постоянного токитс выходом устройства, источник напряжения смещения подключен к первому выводу второго ключа, второй интегрирующий конденсатор включен между вторыми выводами первого и второго ключей и выходом первого усилителя постоянного тока. Кроме того, в устройство введены дополнительный масштабный резистор и третий ключ, соединенные параллельно и подключенные последовательно с входным масщтабным резистором, причем управляющий вход третьего ключа соединен с выходом одновибратора. На чертеже представлена функхдаональная схема устройства для интегрирования постоянного тока. Устройство содержит первый усилитель 1 постоянного тока (УПТ), интегрирующий конденсатор 2, аналогоцифровой преобразователь 3, счетчик 4, пороговый элемент 5, ключи 6,7 и 8, второй усилитель 9 постоянного тока (УПТ) с интегрирующим конденсатором 10 в цепи обратной связи, одновибратор 11, масштабные резисторы 12 и 13, делитель напряжения на резисторах 14 и 15, резистор смещения 16, источник 17 напряжения смещения и дифференцирующий усилитель 18. Конденсатор 2 подключен к выходу УПТ 1, вторая его. обкладка соединена с сигнальными входами ключей 6 и 7, сигнальные выходы которых подключены соответственно к входу УПТ 9 и источнику 17 напряжения смещения. Ключи 6, 7 и 8 управляются с выхода порогового элемента 5 через одновибратор II. Ключи 6 и 8 разьыкающие, а ключ 7 замыкающий. УПТ 9 охвачен параллельной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению через конденсатор 10, напряжение и вх подается на вход УПТ 9 через последовательно соединенные масштабные резисторы 12 и 13, резистор 13 зашунтирован ключом 8. Выход УПТ 9 соединен с неинвертирующим входом ПТ 1 и является общим выходом. ПТ I охвачен последовательной ООС 3 по напряжении) через резисторы 14 и 15 делителя, иыход которого соединен с инвертируюиц1м входом цифференцирующего усилителя 18. Устройство для интегрирования работает следуюш образом, УПТ 9 охвачен параллельной ООС по напряжению через усилитель 1,конденсатор 2 и ключ 6, что обеспечивае . дштегрирование напряжения.Конденсато 10 совместно с УПТ 9 является интегратором. Однако в предлагаемом устройс -ве наличие конденсатора 10 необязательно. У1П 1 охвачен дискретной ООС по напряжению через пороговый элемент 5 счетчик 4 и преобразователь 3. Дейст вие данной ООС таково, что она исклю чает насыщение УПТ 1: при приближении напряжения I) к любому уровню ограничения пороговый элемент 5 изме ияет свое состояние, соответствующий импульс или перепад напряжения записывается счетчиком 4, напряжение получает приращение, в результате рабочая точка УПТ I удаляется от того напряжения ограничения, к которому она приблизилась, оставаясь в пределах линейного участка амплитудной характеристики усилителя. Реакция порогового элемента 5 и счетчика 4 на противоположные уровни ограничения должна быть противополож ной, поэтому счетчик 4 должен быть реверсивным, а пороговый элемент 5 должен иметь три состояния выхода. Например, при напряжении Ugy,|. вблизи положительного своего максиму ма элемент 5 вырабатывает положитель ный импульс, который увеличивает на единицу число в счетчике 4 и через преобразователь 3 положительное напряжение c.l(/( на конденсатор 2 поступает отрицательный перепад напряжения величину которого он перезаряжается. При напряжении Чйых,вблизи отрицательного своего максимума элемент 5 вырабатывает отрицательный импульс, он уменьшает на единицу число в счетчике 4 и соответственно напряжение Uc. , на конденсатор 2 поступает положитель-; ный перепад, на величину которого он перезаряжается. В рабочем диапазоне напряженияНд ц. выходное напряжение элемента 5 находится вблизи нуля, число в счетчике 4 и напряжение LJfM остаются неизменными, напряжениеи ьш 8;j4 изменяечся как усиленная разность напряжения и напряжения смещения, пропорционального С1л - Р зультате существует однозначная связь между числом перезарядов конденсатора 2 на величину перепада напряжения бых учетом полярности перепада и приращением напряжения LI см i учетом знака приращения, что можно определить как реверсивное преобразование числа перезарядов конденсатора 2 в напряжение постоянного тока, осуществляемое элементами 5, 4 и 3. Тот факт, что изменение напряжения постоянного тока предшествует перезаряду конденсатора, а не наоборот, как это имеет место в известном устройстве, не имеет существенного значения с точки зрения формальной функциональной связи. Если в устройство ввести генератор импульсов и логический вентиль между ним и входом счетчика 4, управляемый элементом 5, то последний должен иметь только два состояния выхода, соответствующие открыванию или закрыванию логического вентиля, а счетчик 4 может быть нереверсивным. При этом если mcлo в нем должно быть уменьшено , он под действием выходных импульсов логического вентиля насыщается, затем с нуля увеличивает свое число до уровня, при котором напряжение иgj,|.(. уходит от уровня насыщения, а логический вентиль закрывается. В процессе такого переходного процесса отсутствует однозначная связь между числом перезарядов конденсатора 2 и приращением напряжения D(,м. , но после завершения переходного процесса однозначная связь восстанавливается. Напряжение Ugbui дифференцируется конденсатором 2, ток которого через ключ 6 поступает на вход УПТ 9 в качестве тока дифференцирующей ООС. Работа устройства невозможна без форсированного разряда ( перезаряда) конденсатора 2 на величину скачка напряжения I gijijj , причем импульсный ток перезаряда конденсатора не должен вызывать значительной погрешности интегрирования. Это достигается тем, что перезаряд конденсатора 2 осуществляется через ключ 7, который замыкается под действием импульса одновибратора I1, вырабатываемого при поступлении сигнала с В1а1хода порогового элемента 5, и через источник 17

напряжения смещения. Ключ 6 тем же импульсом размыкается, не пропуская на вход УПТ 9 ток помехи. Напряжение и {.„до выравнивает потенциал конденсатора 2 с потенциалом входа УПТ 9, что необходимо для исключения значительного переходного процесса после возврата схемы в исходное состояние и соответствующей погрешности

При разомкнутом ключе 6 и отсутствии конденсатора 10 усшштель 9 под действием тока входит в насыщение и напряжение 11вых содержит паразитный импульс,который вносит дополнитёльную шшбку, а тaкжe вызывaeт сбой УПТ 1 и его цепи дискретной ООС, если в них отсутствует цепь подавления такого импульса. Конденсатор 10, ймеюпцгй емкость в несколько раз меньше емкости конденсатора 2, эффективно устраняет его, если на время перезаряда конденсатора 2 ток Вк уменьшается до в.еличины тока через конденсатор 10 при замкнутом ключе 6, т.е. во столько раз, во сколькб раз сумма токов через конденсаторы 2 и 10 меньше тока через колденсатор 10.|,Цри этом, если, отсут ствуют паразитные токк на входе УПТ 9, процесс интегрирования продолжается с прежним козффициентом передачи. При наличии паразитных токов погрешность интегрирования в течение времени перезаряда возраста во столько раз, во сколько раз уме шается ток Ig , однако она мендэше, чем при отсутствии конденсатора 10. Если же эту погрешность привести ко всему времени цикла интегрирова-о ния между соседними перезарядами, т она окажется весьма незначительной ввиду относительной кратковременности перезаряда. Коммутацию тока 1 ц осуществляет ключ 8.

Важной комплексной характеристикой интеграторов постоянного тока является произведение объема интегрирукяцего конденсатора на погрешность и на величину, обратную времени интегрирований. Действительно, если интегрирование начинается с на. пряжения на конденсаторе DC 0, то при времени интегрирования Тц и емкости конденсатора С средний ток через конденсатор .

С

(1)

При постоянной величине паразитных токов, которые вызывают часть ошибК1. интегрирования 5ц она обратно пропорциональна . Произведение Сц L/C прямо пропорционально объему У конденсатора одного типа. При этом из (l) следует, что

BU-VC

, (2) где Ку con St. -.

По обычному способу интегрирова-: ния (например конденсатором 10) весь ток Ij. участвует в интегрировашш, поэтому, например, увеличение ICCD для снижения Сц неизбежно вызывает увеличение правой части () и согласно f2 ухудаение отношения Vjj /1

Преимущество предлагаемого устройства по сравнению с известным заключется в том, что коэффициент Кц при прочих равных условиях меньше. Так как данный эффект непосредственно вызван исключением погрешности преобразования числа разрядов конденсатора в постоянный ток из погрешности интегрирования, его можно рассматривать как уменьшение погрешности ин тегрирования.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕГРИРОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащее первый усилитель постоянного тока, первый вход которого соединен с выходом второго усилителя постоянногб тока, последовательно включенные пороговый элемент, счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к второму входу перво го усилителя постоянного тока, первый ключ, управляющий вход которого через одновибратор подключен к выходу порогового элемента, а первый вывод соединен с входом второго уси- , лителя постоянного тока, между вхо-. дом и выходом которого включен первый интегрируюпшй конденсатор, входной масштабный резистор, подключенный к входу второго усилителя постоянного тока, и первый ключ, отличающееся тем, что, с целью повышения точности интегрирова ния, в него введены второй интегрирующий конденсатор, источник напряжения смещения и второй ключ, управляющий вход которого подключен к выходу одновибратора, выход первого усилителя постоянного тока соединен с входом порогового элемента, выход второго усилителя постоянного тока - с выходом устройства, источник напряжения смещения подключен к первому выводу второго ключа, второй § интегрирующий конденсатор включен между вторыми выводами первого и (Л второго ключей и выходом первого усилителя постоянного тока. 2. Устройство поп.1,отличаю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения времени разряда интегрирующего конденсатора, в него введены дополнительный масштабный резистор и третий ключ, соединенные параллельно и подключенные последовательно с . входным масштабным резистором, при эо U) чем управляющий вход третьего ключа соединен с выходом одновибратора