Квадратор Советский патент 1984 года по МПК G06G7/20 

Bfixoff Изобретение относится к аналогово вычислительной технике, в частности к устройствам для возведения в квадрат электрических сигналов. Известны квадраторы, содержащие нагреватель и датчик температуры, на ходящийся на тепловом контакте с нагревателем 1 3Недостатки таких квадраторов заключаются в низкой чувствительности ограниченном динамическом диапазоне входных сигналов, что объясняется пе регревом Элементов квадратора относи тельно температуры окружающей среды. Наиболееблизким к предлагаемому является квадратор, содержащий нагре ватель, термоэлектрический охладител и датчик температуры, соединенные с помощью теплопроводящих элементов ме ду собой, а также усилитель и импуль сный модулятор, причем вход усилителя соединен с выходом датчика температуры, выход усилителя - с входом импульсного модулятора, выход которо го соединен с цепью питания термоэле трического элемента и с выходной клеммой квадратора 2. Недостатком известного устройства является низкое быстродействие,обусловленное запаздыванием, вноси1-а 1м теплопроводящими элементами, соединяющими термоэлектрический охладитель и датчик температуры между собой, а также инерционность этих элементов. Цель изобретения - повышение быст родействия квадратора. Поставленная цель достигается тем, что в квадратор, содержащий нагреватель, подключенный к входу квадратора, и термоэлектрический эле мент, установленные в тепловом контакте между собой, усилитель и импул сный модулятор, выход которого подключен к термоэлектрическому элементу и выходу квадратора, введены два управляемых ключа, интегратор и блок синхронизации, выходы которого подключены соответственно к управляющим входам управляемых ключей и управляющему входу импульсного модулятора, термоэлектрический элемент через первый управляемый ключ подключен к входу усилителя, выход которого чере бторой управляемый ключ подключен к входу интегратора. Такое вьшолнение квадратора позво ляет повысить его быстродействие за счет исключения запаздывания между чувствительным элементом (датчиком температуры) и исполнительным элементом (термоэлектрическим охладителем), а также за счет уменьшения постоянной времени (массы) элементов квадратора. На фиг.1 показана схема предлагаемого квадратора} на фиг.2 - графики переходных процессов в прототипе (кривая 1) и в предложенном квадраторе (кривая 2). Квадратор (фиг.1) содержит нагреватель 1, термоэлектрический элемент 2,установленный в тепловом контакте с нагревателем 1, управляемый ключ 3,усилитель 4, управляемый ключ 5, интегратор 6, импульсный, модулятор. 7 и блок 8 синхронизации. Выводы нагревателя 1 соединены с клеммами Вход квадратора. Выводы термоэлектрического элемента 2 соединены с первым входом управляемого ключа 3. . Выход управляемого ключа 3 соединен с входом усилителя 4, выход которого соединен с первым входом управляемого ключа 5. Выход управляемого ключа 5 соединен с входом интегратора 6, выход которого соединен с входом импульсного модулятора 7. Выход импульсного модулятора 7 соединен с клеммами Выход квадратора и с выводами термоэлектрического элемента 2. Один из выходов блока 8 синхронизации соединен с управляюьдими входами управляемых ключей 3 и 5, а второй выход - с управляющим входом импульсного модулятора 7. Вторые входы управляемых ключей 3 и 5 соединены с общей шиной. Нагреватель 1 может быть выполнен в виде пленочного резистора, напыпенного на электроизоляционную теплрпроводящую подложку, выполняющую функции первой рабочей поверхности термоэлектрического элемента 2. Термоэлектрический элемент 2 может быть выполнен в виде двух (или более) полупроводниковых пластин разной проводимости (р и п-типа), электрически соединенных между собой с помощью металлического покрытия, нанесенного на диэлектрическую подложку. Диэлектрические теплопроводящие пцастины, служащие второй рабочей поверхностью термоэлектрического элемента 2, обеспечивают тепловой контакт пластин с корпусом, охватывающим нагреватель 1 и-термоэлектрический элемент 2. Выводы полупроводниковых пластин служат выводами термоэлектрического элемента 2 . Управляемые ключи 3 и 5 могут быть выполнены в виде полупроводниковых ключей. В качестве усилителя 4 может быть использован стандартный операционный усилитель, включенный по схеме усилителя переменного тока. Интегратор 6 может быть вьтолнен на основе операционного усилителя по стандартной схеме. Импульсный модулятор 7 может быть выполнен в виде широтно-импульсного модулятора или частотно-импульсного модулятора по одной из стандартных схем. Блок 8 синхронизации может быть выполнен в виде автоколебательного генератора прямоугольных импульсов. Квадратор работает следующим образом. Входной сигнал в виде электрического тока (постоянного или переменно го) поступает на нагреватель 1 и разогревает его. В течение первого такта работы Т1 блок 8 синхронизации устанавливает управляемые ключи 3 и 5 в закрытое положение, в результате чего выводы термоэлектрического элемента 2 оказываются присоединенны ми к входу усилителя 4, а выход усилителя - к входу интегратора 6. Термо-ЭДС с термоэлектрического элемента 2, обусловленная разностью температур нагревателя 1 и окружающе среды, усиливается усилителем 4 и интегрируется интегратором 6. Во втором такте работы Т2 блок 8 синхронизации устанавливает управляе мые ключи 3 и 5 в открытое состояние в результате чего входы усилителя 4 интегратора 6 соединяются с общей ши ной. Одновременно блок.8 синхронизации запускает импульсный модулятор 7, который вырабатывает сигнал посто янной амплитуды и постоянной частоты длительность которого пропорциональн выходному сигналу интегратора 6 (выходному сигналу термоэлектрического элемента в первом такте). Этот импульсный сигнал поступает на выходны клеммы квадратора и на вьшоды термоэлектрического элемента 2. Протекани тока через термоэлектрический элемен 2 приводит вследствие эффекта Пальть к вьщелению охлаждающей мощности. пропорциональной среднему значению тока. Такты работы Т1 и Т2 периодически повторяются. В установившемся режиме вследствие большого суммарного коэффициента передачи блоков 4 и 7 выходной сигнал термоэлектрического элемента 2 практически равен нулю, т.е. количество тепла, выделяемое входным сигналом в нагревателе 1, равно количеству тепла, поглощенному вследствие эффекта Пальтье в течение второго такта работы, при этом выходной сигнал импульсного модулятора 7 (его длительность импульса) пропорционален квадрату входного сигнала. Протекающие физические процессы описываются следующими математическими вьфажениями. Количество тепла Q , выделившееся в течение цикла Т„ преобразования в нагревателе 1, равно О - 1 . р.т ц I где Ор - значение тока в нагревателе 1; R - сопротивление нагревателя 1; Тц - длительность цикла работы. Количество тепла Э , поглощенное в течение второго такта, равно .i где 3 - амплитуда тока через термоэлектрический элемент 2; tj - длительность импульса выходного сигнала импульсного модулятора 7; k - коэффициент пропорциональности . Так как в установившемся режиме й, Q2 , то « LRT.. t IcDпри R const; Tn const; I const; °Ц-х Аналогично можно показать, что при вьтолнении импульсного модулятора 7 в виде частотно-импульсного модулятора, частота выходного сигнала квадратора пропорциональна квадрату входного сигнала. Таким образом, выходной сигнал импульсного модулятора 7 пропорционален квадрату входного сигнала. В предлагаемом устройстве исполнительный элемент - охладитель и чувствительньй элемент - датчик температуры совмещены и конструктивно представляют один элемент. Это позволяет полностью исключить запаздьшание между исполнительным и чувствительным элементами. Следовательно, фазовый сдвиг в предлагаемом устройстве мень сдвиг в предлагаемом , ше, чем в прототипе, запас устойчивое ти выше, что повьшает быстродействие квадратора путем изменения глубины отрицательной обратной связи, в то время как в. прототипе увеличение глубины отрицательной обратной связи приводит к автоколебаниям в системе. На фиг.2 показаны результаты экспериментальных исследований предлагаемого квадратора (кривые 1) и прототи па (кривые 2) . : В процессе экспериментов глубина обратной связи изменяется изменением коэффициента усиления усилителя в прямом тракте при неизменном значении сопротивления резистора в цепи отрицательной обратной связи. При коэффициенте передачи 25 мА/мВ время установления предлагаемого квадратора 7 с, прототипа 10 с (фиг.2а). При коэффициенте передачи 250 мА/мВ время установления предлагаемого .квадратора 0,6 с, а в выходном сигнале прототипа появляется незатухающая колебательная составляющая (фиг.26). „„,ж.,«,ие„те передачи 2300 мА/ При коэффициенте передачи 2300 мА/мВ время установления предлагаемого квадратора 0,4с, в то время как в прототипе наблщдаются автоколебания (фиг.2в). Таким образом, повыпЦнное быстродействие предлагаемого квадратора по сравнению с прототипом объйсняется тремя факторами - меньшей постоянной времени инерционного звена, отсутствием запаздывания между охладителем и датчиком температуры, большим запасом устойчивости.

КВАДРАТОР, содержащий нагреватель, подключенный к входу квадратора, и термоэлектрический элемент, установленные в тепловом контакте между собой, усилитель и импульсный модулятор, выход которого подключен к термоэлектрическому элементу и вьс40ду квадратора, отличающийс я тем, что, с целью повышений быстродействия, в него введены два управляемых ключа, интегратор и блок синхронизации,- выходы которого подключены соответственно к управляющим входам управляемых ключей и управляющему входу импульсного модулятора, термоэлектрический элемент через первый управляемый ключ подключен к рходу усилителя, выход которого через второй g управляемый ключ подключен к входу интегратора.