Пороговое устройство Советский патент 1986 года по МПК G05B1/01 H03K5/24 

II

Изобретение относится к импульсной технике и может быть применено в автоматических системах регулирования и контроля.

Цель изобретения - повьшение точ- ностк и стабильности формируемых порогов путем исключения влияния нестабильности выходного напряжения операционного усилителя и повышения достоверности информации о соотноше- НИИ входного сигнала и допуска на него.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема порогового устройства; на фиг. 2 - принци- пиальная электрическая схема вентиль ного элемента; на Фиг. 3 - выходная характеристика допускового контроля; на фиг. 4 - выходная характеристика гистерезисного вида.

Пороговое устройство содержит операционный усилитель 1, входы которого подключены к выходу первого резистивного делителя 2, вьшолнен- ного на резисторах 3 и 4 и выходу .второго резистивного делителя 5, выполненного на резисторах 6 и 7, при этом первые выводы резистивных делителей 2 и 5 подключены к общей шине, а второй вьгеод первого резиЪтивного делителя 2 - к диодному выводу первой диодно-резистивной цепочки 8, содержащей последовательно соединенные резистор 9 и диод 10, и диодному выводу второй диодно-ре- зистивной цепочки 11, содержащей последовательно соединенные резистор 12 и диод 13, причем выход операционного усилителя 1 подключен к входу вентильного элемента 14 и выход- ной шине 15, а выходы вентильного элемента 14 соединены так, что отрицательный выход 16 соединен с анодом диода to первой дйодно-резис- тивной цепочки 8, а положительный выход 17 - с катодом диода 13 второй диодяо-резистивной цепочки 11, при этом вентильный элемент 14 выполнен на основе двух пар транзисторов 1821разного типа проводимости и двух цепочек, содержащих соответственно последовательно соединенные диоды

22и 23 и резисторы 24 и 25, причем диод 22 первой цепочки соединен с резистором 24 катодом, а диод 23 второй цепочки соединен с резистором

25 анодом, а последовательно соединенные резисторы 26-27 и 28,29 об

5Ю

5- 20

25 ,-

55

192

разуют соответственно первый и второй резистивные делители напряжений, при этом свободный вывод резистора 27 подсоединен через последовательно соединенные резистор 24 и первый резистор 30 к базе р-п-р-транс- зистора 18 первой пары, свободный вывод резистора 29 подсоединен через последовательно соединенные резистор 25 и второй резистор 31 к базе п-р-м -транзистора 20 второй пары,а диодные выводы третьей диодно- резистивной цепочки 32,выполненной на последовательно соединенных диоде 33 и резисторе 34 и четвертой диодно- резистивной цепочке 35, выполненной на последовательно соединенных дио- де 36 и резисторе 37, подсоединены к второму выводу первого резистивного делителя 2, причем второй вывод резистивного делителя 5 соединен с входной шиной 38.

Пороговое устройство с выходной характеристикой допускового контроля (фиг. 3,сплошная линия) работает следующим образом. Данный вид выходной характеристики обеспечивается подсоединением инвертирующего хода операционного усилителя 1 к выходу (точке соединения резисторов 3 и 4) первого делителя 2 напряжения, а,-неинвертирующего входа - к выходу (точке соединения резисторов 6 и 7) второго делителя 5 напряжения (для,указанного варианта построения устройства входы операционного усилителя 1 на фиг. 1 показаны без скобок). Пусть при этом заземленный полюс источника входного сигнала Ugj соединен с резистив- ными выводами диодно-резистивных цепочек 32 и 35, а потенциальный полюс - с входом делителя 5 напряжения, как показано на фиг. 1.

ВентильноеГ устройство по фиг, 2 работает следующим образом.

В исходном состоянии на базу транзистора 18 через диодно-резис- тивную цепочку из диода 22 и резистора 24 поступает открьгеающий потенциал от отрицательного полюса -fonu а на базу транзистора 20 через диодно-резистивную цепочку из диода 23 и резистора 25 - открывающий потенциал от положительного полюса Eon.i опорного источника. При этом коллекторный ток открытого транзистора 18 создает на резисторе

312

27 открываюип н потенциал для база- эмиттерного перехода транзистора 19, а коллекторный ток открытого транзистора 20 в свою очередь, создает на резисторе 29 открываюпщй по- тенциал для база-эмиттерного перехода транзистора 21. В результате на отрицательном выходе 16 вентильного элемента 14 присутствует потенциал Е а на положительном

on. 2г

выходе 1/ - потенциал +Ь„п,(При поступлении.на вход вентильного элемента 14 управляющего сигнала положительной полярности транзистор 18 призакрывается,что приво- дит к уменьшению потенциала на отрицательном выходе 16, а транзистор 20 приоткрывается и на положительном выходе 17 вентильного элемента 14 сохраняется потенциал + Et.n.i.C нарастанием управляющего сигнала,когда результат суммирования входного сигнала с потен- циалом - Е .опорного источника уменьшается до напряжения отсечки транзистора 18, последний закрывается и на отрицательном выходе 16 элемента 14 отсутствует потенциал ного источника. При этом для закрывания транзистора 18 достаточно уровня управляющего сигнала, не превьгоающе- го прямого напряжения база-эмиттерного перехода этого транзистора.

При поступлении на вход отрицательного управляющего сигнала происходит обратная работа вентильного элемента 14, т.е. потенциал отрица- тельного выхода 16 не изменяется, а потенциал положительного выхода 17 изменяется от величины front Я° нуля.

С учетом принципа работы вентильного элемента 14 пороговое устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии на разнопо- лярных выходах 16 и 17 вентильного элемента 14 присутствуют соответственно потенциалы - Fyp.j и + оп- результате чего диоды 10 и 13 резис тивных цепочек 8 и 11 закрыты, по- тенциал на инвертирующем входе усилителя 1 равен нулю и на выходе устройства потенциал отсутствует (точка О на фиг. 3).

Е(,а.2 опо

При поступлении на вход устройства нарастающего входного напряжения положительной полярности на выходе усилителя 1 нарастает выходное напряжение положительной полярности.

j

5 о 5

которое поступает на вход вентильного элемента 14. В результате на отрицательном выходе 16 элемента 14 отрицательный потенциал уменьшается. При зтом выходное напряжение усилителя 1 нарастает до тех пор, пока в результате увеличения проходного сопротивления закрывающегося транзистора 19 потенциал анода дпода 10 диодно-резистивной цепочки 8 не станет положительным и равньгм величине, необходимой для создания положительного потенциала на инвертирующем входе усилителя 1, раврюго потенциалу на его неинвертирующем входе. Таким образом, вентильный элемент 14 образует совместно с диодно-резистивной цепочкой 8 цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 1.

Дальнейшее увеличение входного сигнала приводит к закрыванию транзистора 19 и увеличению положительного потенциала на инвертирующем входе со скоростью нарастания, соответствующей скорости нарастания входного сигнала до тех пор, пока транзистор 19 вентильного элемента 14 не закроется полностью. В этот момент на инвертирующем входе усилителя 1 установится пороговое напряжение U n ,

/Допустим, ток через делитель 2 напряжения имеет пренебрежимо малую величину относительно тока через диодно-резистивную цепочку 32. Тогда пороговое напряжение определится выражением:

R34

.Д -ff

.,МЕ

° - R9tR34

1й(

(t

ii

Rr I

fi4

ajj

(э.).

R9 + аб

солютная по грешность порогового напряжения на входе делителя 2, обусловленная прямыми напряжениями , .Ug j; диодов 10 и 33;

R6,R7, R3,R4,R9,R 34 - сопротивления резисторов 6,7,3,4,9 и 34 соответственно.

Поскольку транзистор 19 полностью закрыт, что соответствует компаратор- ному режиму работы усилителя 1 с разомкнутой отрицательной обратной связью, превышение входным сигналом величины и П.1 вызывает срабатавакие

усилителя 1, выходное напряжение которого скачком достигает максимальной величины (точку В на фиг. 3). Дальнейшее нарастание входного сигнапа не вызывает изменения состояния устройства (участок &С на фиг. 3),

С уменьшением входного сигнала до величины U f,,i выходное напряжение усилителя 1 скачком уменьшается до величины прямого напряжения баэа-эми терного перехода трназистора 19 (участок В А на фиг, 3)., При этом транзистор 19 приоткрывается, отрицательная обратная связь yci-тителя 1 замыкается и начинается линейный режим работы устройства. При этом уменьшение входного сигнала до нуля вызывает уменьшение выходного HaitpH- жения устройства также до нулевого значения (участок ДО на фиг, 3). При поступлении на вход отрицательного входного сигнала устройст-. во работает аналогичным образом. При этом управляемая отрицательная обратная связь усилителя 1 состоит из транзисторов 20 вентильного устройства 14 и диодно-резистивной цепочки 11J а в формировании порогового напряжения отрицательной полярности участвуют диодно-резистивные Цепочки 11 и 35. При этом второе пороговое напряжение U.a (точку В на фиг, 3) определяется выражением

, «-(.i-lf).

где «S-U,,-(U,,,.II3,,VJ абсолютная погрешность порогойбго напряжения на входе делителя 2,обусловленная прямыми напряжениями Од,, Од 5 диодов 13 и 36;

К 12 7-сопротивления резисторов 12, 37 соответственно, ,

Минимизация погрешностей и 1 и Л 2 устройства для случая однотипных пар диодов 10,33 и Т3,3б достигается выбором соотношения сопротивления резисторов R9 R34 и R12 R37 соответствеИно,

При превьтении входным сигналом величины Оу,, J обратная связь усилителя 1 размыкается из-за полного закрытия транзистора 21 и выходное напряжение устройства скачком достигает максимальной величины 1 /локс

участок РЕ на фиг, 3), Дальнейшее изменение входного сигнала не изменяет состояния устройства (участок

f F на фиг, 3), При уменьшении вход ного сигнала до нуля выходное напряжение устройства изменяется в соответствии с выходной характеристикой (ветвь FEDO на фиг, 3) до нуля,т,е, устройство возвращается в исходное состояние,

Другим вариантом выполнения порогового устройства является подключение дифференциальных входов

усителя 1 показанное на фиг. 1 в скобках. В этом варианте построения устройство обеспечивает формирова- , ние вькодной характеристики гистере- зисного вида, показанной на .фиг, 4

сплошной линией (АВСВЕ), При этом вентильйый элемент 14 совместно с диодно-резистивными цепочками 8 и 11 образует биполярную положительную обратную связь операционного усилителя 1, Процесс формирования пороговых Уровней и формулы для их расчета , соответствуют рассмотренному ранее варианту построения устройства. При таком вьтолнении устройство

работает следующим образом,

В исходном состоянии после включения питания устройство принимает одно из устойчивых состояний и выходное напряжение операционного усилителя 1 имеет максимальную величину случайной полярности + (- макс макс Пусть в исходном состоянии на выходе устройства установилось напряжение +и;цд р. При

этом транзистор 19 вентильного элемента 14 полностью закрыт и напряжение + f Of, , опорного источника поступает через диодно-резистивную цепочку 8 и делитель 2 напряжения

на неинвертирующий вход усилителя

1, т,е. устройство за счет поло.жи- . тельной обратной связи находится в устойчивом состоянии и на неинвертирующем входе усилителя устанавливается напряжение Оп.(

Поступление на вход устройства изменяющегося входного сигнала отрицательной полярности не приводит к изменению состояния устройства.Поступление изменяющегося входного сигнала положительной полярности вплоть до напряжения порога срабатывания Of, , также не изменяет состояния устройства (участок ДБ на фиг. 4),

7

При достижении входным сигналом уровня и f, (при котором обеспечивается напряжение U„, на инвертирующем входе усилителя), выходное нап ряжение усилителя. 1 уменьшается,что приводит к приоткрыванию транзистора 19 вентильного элемента 14 и уменьшению потенциала на неинвертирующем вхде относительно потенциала инвертирующего входа и т.д. В результате лавинообразного процесса изменения потенциалов на дифференциальных входах усилителя 1 последний перебрасывается в состояние с отрицательным выходным напряжением (участок ВС на фиг. 4), транзистор 19 при этом полностью открывается, а транзистор 21 вентильного элемента 14 закрывается. При этом на неинвертирующем входе усилителя 1 фор мируется потек- циал U п,4 от протекания через диод- но-резистиБные цепочки 11 и 35 тока

источника

-Е

оп.г

Изменение входного сигнала до уровня ll „ (при котором обеспечивается напряжение ll, на инвертирующем входе усилителя 1) не вызывает изменения состояния устройства (участок DF на фиг.- 4).При достижении входным сигналом значения 1)2 устройство перебрасывается в исходное состояние (участок Б F на фиг. 4).

Рассмотренный вариант построения устройства характеризуется теми же точностными характеристиками, что и рассмотренный ранее.

Таким образом, погрешность формирования дополнительных порогов меньше соответствующей погрешности прототипа поскольку исключено влияние нестабильности выходного напряжения операционного усилителя на формирование порогов срабатывания заявленного устройства.

Введение дополнительных диодно- резистивных цепочек позволило прак тически полностью скомпенсировать влияние прямых напряжений диодов диодно-резистивных цепочек 8 и 11 на точность.

Кроме того, использование тран зисторов для построения вентильного элемента 14 позволяет, с одной стороны .исключить погрешность, вносимую нестабильным предельным напряжением операционного усилителя, а с другой стороны повысить достоверность информации о соотношении входного сиг

8

нала и допуска на него. Это обеспечивается как ограничением выходного напряжения усилителя на границах линейного участка работы устройства уровнями прямых напряжений база-эмиттер транзисторов (участок 4о на фиг. 3) при одновременном исключении зависимости этих уровней от величины формируемых пороговых уровней, так и повьшением крутизны выходной характеристики в точках ее иэлома (участки Ав и DF на фиг. 3),так как обрыв отрицательной обратной связи 1 происходит на участке диапазона входного сигнала, суженном в р раз относительно устройства - прототип (где р - коэффициент передачи тока транзисторов транзисторных пар вентильного элемента 14).

Формула изобретения

1. Пороговое устройство, содержащее биполярный источник опорных напряжений, операционный усилитель с дифференциапьньми входами, первый вход которого соединен с выходом первого резистивного делителя, соединенного первым выводом с общей щиной, второй вход усилитет.я соединен с выходом второго резистивного делителя, соединенного первым выводом с общей шиной,вторым выводом - с шиной источника входного сигнала, две диодно-резистивные цепочки из соединенных последовательно диода и резистора, причем диод первой цепочки соединен с резистором анодом, а диод второй цепочки - катодом, другие диодные выводы обеих цепочек соединены при этом между собой,другой резистивный вывод первой цепочки соединен с положительным полюсом, а другой резистивный вывод второй цепочки - с отрицательньм полюсом биполярного источника опорных напряжений, и вентильный элемент с разно- полярными выходами, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, выходы подсоединены так, что положительный выход вентильного элемента соединен с катодом диода второй диодно-резистивной цепочки, а отрицательный выход - с анодом диода первой диодно-резистивной цепочки, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и стабильности формируемых порогов.

912

в него введены дополнительные третья и четвертая диодно-резистивные цепочки из соединенных последовательно диода и резистора, причем диод третьей цепочки соединен с резистором катодом, а диод четвертой цепочки - анодом, другие диодные выводы третьей и четвертой цепочек соединены при этом между собой и подсоединены к обпщм диодным выводам первой и второй диодно-резистивимх: цепочек и второму выводу первого реэистив- ного делителя напряжения, а вторые резистивные выводы третьей и четвертой диодно-реэистивных цепочек подсоединены к общей ttiHHe,

2. Устройство по п. 1, о т л чающееся тем, что, с целью повышения достоверности информации о соотношении входного сигнала и допуска на него, в нем вентильный элемент выполнен на основе двух пар транзисторов разного типа проводимости, двух резисторов, двух резис- тивных делитштей напряжения и двух диодно-резистивных цепочек, причем диод первой цепочки соединен с резистором катодом, а диод второй цепочки - анодом, другой резистив- ный вывод первой цепочки соединен при этом с отрицательным, а другой резистивный вывод второй цепочки - с положительным полюсами биполярно1019

10го источника опорных напряжений, другие диодные выводы обеих диодно- резистивных цепочек соединены между собой и являются входом вентильного

элемента, причем катод диода первой диодно-резистивной цепочки через первый резистор подсоединен к базе р-п-р-транзистора первой пары, эмиттер которого соединен с общей шиной,

а коллектор - с первым выводом первого резистивного делителя напряжения, второй вывод которого соединен с отрицательным полюсом источника опорного напряжения и эмиттером

ti-p-n-транзистора первой пары, база которого соединена с выходом первого резистивного делителя, а коллектор является отрицательным выходом вентильного элемента, анод диода второй

диодно-резистивной цепочки через второй резистор подсоединен к базе h-p-n-транзистора второй пары, эмиттер которого соединен с общей шиной, а коллектор с первым выводом второге резистивного делителя напряжения, второй вывод которого соединен с положительньм полюсом источника опорного напряжения и эмиттером р-п-р-транзистора второй пары, база

которого соединена с выходом второго резистивного делителя, а коллектор является положительным выходом вентильного элемента.

74

фи8.1

- ивмж

фиг-Ъ

Редактор Л.Пчелинская Заказ 4409/АЗ

-USbf

фие.

Составитель Н.Маркин

Техред Н .Боккало Корректор А.Тяско

Тираж 836 Подписное ВНИИПИ Государственного кою1тета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

ивж

В

Изобретение относится к импульсной технике и может быть применено в автоматических системах регулиро-. вания и контроля. Целью изобретения является повышение точности и стабильности формируемых порогов. Устройство содержит биполярный источник опорных напряжений, операционный усилитель 1, резистивные делители 2,5, диодно-резистивные цепочки 8, 11, вентильный элемент 14 с ;разно-tfmf -ftrrf полярными выходами 16,17. Введение дополнительных диодно-реэистивных цепочек 32, 35 позволило практически полностью скомпенсировать влияние прямых напряжений диодов диодно-ре- зистивных цепочек 8, 11 на точность. Погрешность формирования дополнительных порогов меньше соответствующей погрешности прототипа за счет исключения влияния нестабильности выходного напряжения операционного усилителя (ОУ) на формирование порогов срабатывания описьгеаемого устройства. Использование транзисторов для построения вентильного элемента 14 позволило исключить погрешность, вноси- g мую нестабильным предельным напряжением ОУ, и повысить достоверность информации о cootHomeHHH входного сигнала и допуска на него. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л