Пороговое устройство Советский патент 1985 года по МПК G05B1/01 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть применено в автоматических системах регулирования и контроля при построении устройств анализа. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет увеличения количества формируемых порогов. На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема четырехпорогового устройства; на фиг. 2 -.пример принципиальной электрической схемы формирователя режима работы ключа; на фиг. 3 - семейство выходных характеристик вида допускового контроля, где характеристика а четырехпороговая, в - многопороговая; на фиг. 4 - семейство выходных характеристик гистерезисного вида, где характеристика а - четырехпороговая, в - многопороговая. Пороговое устройство содержит операционный усилитель 1, ключ 2 на транзисторе 3 и резисторе 4, подключенный к выходу операционного усилителя 1, при этом первый вывод первого резистора 5 делителя опорного напряжения подключен через второй резистор 6 деллтеля опорного напряжения к второму входу операционного усилителя 1, подсоединенному через третий резистор 7 делителя опорного напряжения к общей шине, а третий вывод ключа 2 через резистор 8 соединен с точкой соединения первого и второго резисторов 5 и 6 делителя опорного . напряжения, источник двухполярного питания 9, выводы которого соединены с соответствующими выводами питания операционного усил.ителя 1. источник опорного напряжения ГО, выход которого соединен с вторым выводом первого резистора 5 делителя опорного напряжения, при этом к первому входу операционного усилителя 1 подключен источник 11 входного сигнала, а выход операционного усилителя 1 подключен через один формирователь 12 режима работы ключа к первому выводу одного дополнительного ключа 13, третий вывод которого подключен через один дополнительный резистор 14 к точке соединения первого и второго резисторов 5 и б делителя опорного напряжения, и через другой формирователь 15 режима работы ключа к первому выводу другого дополнительного ключа 16, третий вывод которого подключен через другой дополнительный резистор 17 к точке соединения первого и второго резисторов 5 и 6 делителя опорного напряжения, а вход и выход одного формирователя 12 режимов работы подключен соответственно к одним входной 18 и выходной 19 клеммам, а вход и выход другого формирователя 15 режимов работы - к другим входной 20 и выходной 21 клеммам, при этом каждый формирователь режимов работы выполнен на транзисторе 22, база которого подключена через резистор 23 к входу формирователя и через резистор 24 к шине источника питания 9, эмиттер соединен к шине нулевого потенциала, а коллектор через резистор 25 к шине источника питания 9 и через последовательно соединенные резисторы 26 и 27 к другой шине источника питания 9. Устройство работает следующим образом. Рассмотрим работу порогового устройства (фиг. 1) с выходной характеристикой вида допускового контроля (фиг. 3). Данный вид выходной характеристики обеспечивается подсоединением неинвертирующего входа операционного усилителя 1 к точке соединения резисторов 6 и 7 делителя опорного напряжения, а инвертирующий вход - к источнику 11 входного сигнала (для указанного варианта построения устройства входы операционного усилителя 1 на фиг. I обозначены без скобок). Напряжения нечувствительности ключей 2, 13, 16 определяются напряжениями отсечки используемых в них транзисторов. Введение формирователей 12, 15 (режима работы ключа) позволяет изменить напряжения отсечки и логику работы соответственно ключей 13 и 16 Приведенная на фиг. 2 схема формирователя работает следующим образом. Суммарное сопротивление резисторов 25 и 26 выбирается меньще сопротивления резистора 27. Тогда при закрытом транзисторе 22 суммирование напряжений -f Е„ и -Е„ обеспечивает отрицательное напряжение на выходе 19(21) формирователя 12 (15) режима работы ключа. При открытом транзисторе 22 выходное напряжение формирователя имеет положительную полярность, т. е. рассматриваемый формирователь осуществляет инвертирование входного сигнала. Управление транзистором 22 осуществляется напряжением, поступающим на вход 18(20) формирователя. Подключение вывода резистора 24 к шине положительного или отрицательного потенциала позволяет перемещать линейный диапазон входного напряжения ключей в область отрицательных или ложительных напряжений. Обозначим входные напряжения ключей 2, 13 и 16, соответствующие началу линейного диапазона работы (со стороны областей закрытого состояния этих ключей), через из2. Us 13, Us 16, соответственно. Тогда напряжения, соответствующие концу линейного диапазона работы (со стороны областей открытого состояния ключей), обозначим соответственно через Uo2, Uol3 и Uol6. Характеристика 1 на фиг. 3 формируется при выполнении следующих условий: + ивь,х„,;,из -ивых„а; ио16 из16 0 Здесь ztUabJx „ад:--напряжения насыщения усилителя 1. Указанные условия выполняются подсоединением вывода резистора 24 формирователя 12 режима работы ключа к шине -Е„, а вывода резистора 24 формирователя 15 режима работы ключа - к шине ±Е„ источника питания 9. В исходном состоянии на выходе операционного усилителя 1 устанавливается максимальное положительное напряжение ивыхтох поскольку его неинвертирующий вход находится под положительным потенциалом, определяемым источником 10 опорного напряжения. В результате ключ 2 открыт, а ключи 13, 16 - из-за инертирующего действия формирователей 12, 15 режима работы ключа - закрыты. Открытый ключ 2 через резистор 8 шунтирует делитель опорного напряжения на резисторах 5-7. Установившееся на неинвертирующем входе усилителя 1 пороговое напряжение Unl определяется выражением «R -Rg+TR6+T -( А1 IT оR5- R7 l 2T -R8+TR6+-R7y-() погрешность, вносимая остаточным напряжением икл2 открытого ключа 2; R5, R6, R7, R8 - соответственно сопротивления резисторов 5, 6, 7 и 8; Eon - напряжение опорного источ ника 10; икл2 - остаточное напряжение замкнутого ключа 2. При достижении входным сигналом (совпадающей с напряжением Eon полярностью) величины напряжения Unl выходное напряжение усилителя резко уменьшается. При уменьшении выходного напряжения усилителя 1 до величины UslS ключ 13 начинает приоткрываться, дополнительно шунтируя через свой рез41стор 14 делитель опорного напряжения. Таким образом, действие открывающегося ключа 13 эквивалентТГ Q FR- Rl 4-ЛЧ.4-Л4

Un-i-Ьо« ; -{ -щ71р -{щг 7У(Т.Т Г4+Н Т7+Т ГЖ Ш7)

IfiR5- R7- R14

- r-I 7+TTr6+T 7y(RirTminRT4 ШГ-Я Б-:-ЩГ логрешность, вносимая остаточным напряжением U 16 открытого ключа 16-;

H T r -R17+7T H+T 7y(TR-5-.-Tm-+T 5T-RT7+T 4 RTrr погрешность, вносимая остаточным напряжением U R17-Сопротивление резистора 17.

Дальнейшее нарастание входного сигнала не изменяет состояния усилителя 1.

Уменьшение входного сигнала до уровня и„3 вызывает скачкообразное изменение выходного напряжения усилителя 1 из отриR5. R7- R17

цательной области в положительную до величины напряжения из2. При этом формирователь 15 режима работы ключа сформировал запирающее напряжение к ключ 16 закрылся, ускорив тем самым процесс изменено действию положительной обратной связи и выходное напряжение усилителя 1 продолжает уменьшаться с возросшей скоростью до величины Uo2 ключа 2, выводи его из насышенного состояния в линейный режим работы. При этом сопротивление ключа 2 возрастает, что уменьшает шунтирующее действие резистора 8 на делитель и увеличивает напряжение на неинвертирующем входе усилителя 1 до уровня входного сигнала, т. е. действие ключа 2 аналогично действию отрицательной обратной связи. Линейный режим работы усилителя 1 сохраняется до тех пор, пока в результате отслеживания нарастающего входного сигнала его выходное напряжение уменьшится до величины из2, когда линейный участок работы ключа 2 исчерпан, и ключ полностью закрылся, что соответствует обрыву отрицательной обратной связи. Установившееся при этом второе пороговое напряжение определяется выражениемR7- R14 Un2С-олт (Kr-RT)TR5+Rl4) где . погрешность, вносимая остаточным напряжением UK. 13 открытого ключа 13; R14-сопротивление резистора 14. При превышении входным сигналом уровня Un2 выходное напряжение усилителя 1 скачком изменяется от уровня иэ2 до максимального отрицательного уровня -Ueb-xma. При этом транзистор 22 формирователя 15 режима работы ключа открывается и на ключ 16 поступает отпираюшее напряжение. Открывшийся ключ 16 через резистор 17 дополнительно к ключу 13 шунтирует делитель опорного напряжения, что соответствует введению положительной обратной связи. В результате на неинвертирующем входе усилителя 1 устанавливается новое пороговое напряжение и„3 13 открытого ключа 13;

ния полярности выходного напряжения усилителя 1.

Приоткрывшийся ключ 2 начинает шунтировать делитель опорного напряжения, поддерживая равенство потенциалов на дифференциальных входах усилителя 1. Отслеживание уровня входного с-игнала на неинт т .г;1 1 Ко К lACIIAA

- ° R T R I +TW+ RR5 -R-lT+T B R8-+T T r +

лг,, ,0R5- R7- R8

гдеДЬ- икд1 ij;j f g7 Tl+TW-fR7)TR5 T r4+TR5 R8+T Rn)

погрешность, вносимая остаточным напряжением U 13 открытого ключа 13;

Afi-и R7-

ДЬ- j - f -pj - погрешность, вносимая остаточн)1м напряжением открытого ключа 2. Поскольку линейный режим работы ключа 2 исчерпан, что соответствует размыканию отрицательной обратной связи, дальнейшее уменьшение входного сигнала приводит к резкому нарастанию выходного напряжения усилителя 1. Превышение выходным напряжением усилителя 1 уровня Uol3 вызывает призакрывание ключа 13, действие которого аналогично цепи положительной обратной связи, что ускоряет процесс нарастания выходного напряжения усилителя 1. В результате на выходе усилителя 1 устанавливается напряжение Увых max, ключи 13 и 16 закрываются, а ключ 2 открывается. Таким образом устройство приводится в исходное состояние и на неинвертирующем входе усилителя 1 устанавливается пороговое напряжение Unl. Таким образом, введение двух ключей с инвертирующими формирователями, обеспечивающими эффект коммутируемых цепей положительной обратной связи в дополнение к имеющемуся ключу 2, обеспечивающему эффект коммутируемой цепи отрицательной обратной связи, позволяет сформировать гистерезисные свойства по каждому из имевшихся в устройстве - прототипе порогам. Введение большего числа дополнительных ключей с формирователями на входах, часть из которых будут инвертирующими, а остальные - неинвертирующими (например, обычный резистивный делитель входного напряжения с дополнительным смещением), позволяет сформировать многопороговую выходную характеристику (характеристику в на фиг. 3). Подачей входного сигнала на неинвертирующий вход усилителя 1 устройства на фиг. 1 формируется выходная характеристика, имеющая зеркальное относительно оси Увых изображение характеристики на фиг. 3.

вертирующем входе усилителя 1 продолжается до полного открытия ключа 2. При этом выходное напряжение усилителя 1 соответствует величине Uo2. Формируемое при этом на неинвертирующем входе усилителя 1 пороговое напряжение и„4 определяется выражениемИзменение полярности напряжения опорного источника 10 и замена транзисторов ключей 2, 13, 16 и формирователей 12, 15 на транзисторы противоположного типа проводимости позволяет формировать выходные характеристики типа характеристик на фиг. 3, но для отрицательных значений входного сигнала. Аналогично прототипу устройство на фиг. 1 при использовании подключения входов усилителя 1, показанных в скобках, формирует выходную характеристику гистерезисного вида (характеристику а на фиг. 4). В отличие от предыдущего варианта подключения, ключи 13 и 16 приобретают свойства коммутируемых цепей отрицательных обратных связей, а ключ 2 - свойство коммутируемой цепи положительной обратной связи. В остальном устройство фиг. 1 работает аналогично рассмотренному варианту и не требует подробного рассмотрения. Показанные на характеристике а фиг. 4 пороговые уровни Unl-Un4 рассчитываются по формулам рассмотренного ранее варианта подключения входов усилителя 1. Многопороговая выходная характеристика в на фиг. 4 формируется аналогично характеристике в на фиг. 3 за счет использования большего количества дополнительных ключей с формирователями на входе. Количество формируемых устройством пороговых уровней определяется линейным диапазоном входного сигнала каждого из ключей, приче.м суммарный линейный диапазон используемых ключами входных сигналов не должен превышать линейного диапазона выходного напряжения усилителя 1. Так, при размахе выходного напряжения усилителя 1, равном 20В, и линейном диапазоне входного сигнала каждого из ключей, равном 1В, предельное число формируемых

пороговых уровней составляет 20. Сужение линейного диапазона по входам ключей (за счет некоторого усложнения схем формирователей) позволяет существенно увеличить число формируемых пороговых уровней.

Возможно некоторое упрощение схем формирователей за счет выполнения

транзисторных ключей по схеме с общей базой. При этом необходимость в функции инвертирования для формирователей исключается и их схемы упрощаются до схемы резистивного делителя напряжения. Однако погрешности, вносимые такими ключами в формируемые пороговые уровни, несколько возрастают.

ПОРОГОВОЕ УСТРОЙСТВО по авт. св. № 1037203, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет увеличения количества формируемых порогов, в него введены 4 1чЭ fug.} дополнительные ключ, формирователь режима работы ключа и резистор на каждый дополнительно формируемый порог, причем первый вывод дополнительного ключа соединен с выходом формирователя режима работы ключа, вход последнего соединен с выходом операционного усилителя, второй вывод этого ключа соединен с общей шиной устройства, а третий - с nepBbiM выводом дополнительного резистора, второй вывод которого подсоединен к общей точке соединения первого и второго резисторов делителя опорного напряжения.

иВых.

а

Фиг.г

Цвш.

-иВых.

Фиг. АI

/и