Развертывающий операционный усилитель Советский патент 1986 года по МПК G06G7/12 

10

Изобретение относится к усилительным устройствам с широтно-им- пульсным преобразованием сигнала и° может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах.

Цель изобретения - повьшение достоверности диагностирования,,

На фиг. 1 изображена функциональная- схема развертывающего операционного усилителя (РОУ) { на фиг,, 2 - функциональная схема релейного блока вариантJ на фиг. 3-7 - временные диаграммы сигналов.

РОУ содержит первый 1 и второй 2 сумматоры, интегратор 3, группу релейных блоков 4-1,Д-2,.,.,4-{п-1), 4-п, генератор 5 импульсов, релей- ньгй элемент 6, делитель 7 частоты, пропорционально-дифференцирующий элемент 8, вьшрямитель 9, вход 10, выход 11, дополнительный выход 12 РОУ, ОУ 13, первый 14, второй 15, третий 16 и четвертый 7 масштабные резисторы, первый 18 и второй 19 входы релейного блока и выход 20.

На фиг-. 3-7 приняты обозначения: X(t) - сигнал на входе 10; Y(t) - сигнал на выходе интегратора 3; VP, (t), Yp,i(t), Yp, (t) - выходные сигналы первого 4-1, второго 4-2 и третьего 4-3 релейных блоков, (t) cигнaJ на выходе llj Ypj(t) - выходной сигнал релейного элемента 6j Y(t) - выходной сигнал генератора 5 импульсов; Yrt(t) - выходной сигнал 5 делителя 7 частоты; Y (t) - сигнал на выходе пропорционально-дифференцирующего элемента 8; Yg (t) - сигнал

1260975 1

коэффициент деления 2 и формирует на выходе сигнал типа меандр.

РОУ работает следующим образом. РОУ представляет собой многозонную частотно-широтно-импульсную систему, работающую в режиме устойчивых автоколебаний.

Рассмотрим переходный процесс при включении и нулевом уровне сигнала на входе. 10. При этом допустим, что. число п 3 и |B,i |B-J :1В,| , где + В, ,; ±Bt, 1Вз пороги переключения релей- нъгх блоков 4-1,4-2 и 4-3 соответственно. Предположим, что в момент

15 времени включения сигналы на выходах релейных блоков 4-1,4-2,4-3 устанавливаются в состояния А/3 (фиг. ,В, 2). Под действием результирующего импульса (t)A (фиг.Зд)

20 сигнал на вькоде интегратора 3 изменяется в отрицательном направлении (фиг. За). В момент времени t, (фиг. 3a,S) происходит переключение первого релейного блока 4-1 (фиг.ЗЗ),

25 что обусловливает уменьшение амплитуды сигнала на выходе 11 до уровня А/3 (фиг, ЗА) и снижение скорости изменения выходного сигнала интегра- тора 3 (фиг. За).

В момент времени t, (фиг. 3q)ne реключается второй релейный блок 4-2 (фиг. ЗВ), что приводит к изменению знака сигнала на выходе 11 (фиг.Зд) Сигнал на выходе интегратора 3 начинает нарастать в положительном направлении (фиг. За) до момента времени вьшолнения условия .Yy(t)B.

В дальнейшем процесс периодически повторяется. Каскад, образованный

на выходе 12; +Bi - пороги переключе- первым сумматором 1, интегратором 5, ния релейных блоков 4-1,4-2,...,4-п первым релейным блоком 4-1 и вторым ±С - пороги переключения релейного элемента 6.

сумматором 2, находится в релине автоколебаний, а второй и Третий релейные блоки 4-2 и 4-3 - в противо- положных состояниях (фиг, 38,г), что обусловливает взаимную компенсацию их вьпсодных напряжений, В результате на выходе 11 формируются импульсы с амплитудой iA/3 (первая модуляционная зона) и средним нулевым значением, показанным на фиг. Зд.

Первый 1 и второй 2 сумматоры имеют единичный коэффициент передачи. Релейные блоки 4-1,,..,4-п имеют симметричные относительно нуля пороги переключения и неинвертирующую петлю гнстерезиса. Выходной сигнал их меняется дискретно в пределах ±А/п (где п - число релейных блоков). Генератор 5 импульсов формирует импульсы малой длительности с интервалом дискретизации Тц и со средним нулевым значением. Релейные блоки 4-1, .,,,4-п принудительно изменяют свое состояние при наличии сигнала на втором входе. Делитель 7 частоты имеет

В момент времени t, (фиг. 3q)ne реключается второй релейный блок 4-2 (фиг. ЗВ), что приводит к изменению знака сигнала на выходе 11 (фиг.Зд) Сигнал на выходе интегратора 3 начинает нарастать в положительном направлении (фиг. За) до момента времени вьшолнения условия .Yy(t)B.

В дальнейшем процесс периодически повторяется. Каскад, образованный

первым сумматором 1, интегратором 5, первым релейным блоком 4-1 и вторым

первым сумматором 1, интегратором 5, первым релейным блоком 4-1 и вторым

45

50

сумматором 2, находится в релине автоколебаний, а второй и Третий релейные блоки 4-2 и 4-3 - в противо- положных состояниях (фиг, 38,г), что обусловливает взаимную компенсацию их вьпсодных напряжений, В результате на выходе 11 формируются импульсы с амплитудой iA/3 (первая модуляционная зона) и средним нулевым значением, показанным на фиг. Зд.

Наличие па входе 10 сигнала А/З X(t) О (фиг, 4«} обусловливает изменение скважности импульсов на вы- . 55 ходе первого релейного блока 4-Г (фиг. 4б) и выходе 11 (фиг. 4е). В ,ин из полуциклов развертьшающего преобразования темп изменения раз312609

вертки определяется суммой сигналов на входах первого сумматора 1 (фиг.Ар е), а в последующем цикле преобразования - разностью этих сигналов. В результате среднее значение импуль- 5 сов на выходе .11 достигает за период автоколебаний величины, пропорциональной уровню сигнала на входе 10 (фиг. 4е).

1 редположим, что в момент време- 10 ни t сигнал на входе 10 изменил свой знак, а его амплитуда лежит в пределах |-Ab|X(t)h| - 1 (фиг. 4а).

В зтом случае выходной сигнал интег- Т5 ратора 3 (фиг. 48) продолжает нара- стать в положительном направлении, что в момент времени t, приводит к переключению второго релейного блока 4-2 в состояние А/3 (фиг. 4&, г).

Это обеспечивает переход во вторую модуляционную зону, ограниченную диапазоном (фиг. 4е).

20

,,,,(t)

.А

В пределах указанной зоны среднее значение сигнала на выходе 11 также сохраняется пропорциональным уровню сигнала на входе 10,30

Рассмотрим режимы работы при неработоспособности одного из его релейных блоков 4-1, Г..,4-п. Предположим, что в момент времени 1цд(фиг. 5в) неисправен первый релейный блок 4-1, а его выходной сигнал находится в фиксированном положении А/3 (фиг.58, пунктир).

Тогда при A/3.X( (фиг. 5а) выходной сигнал интегратора 3 нара- стает в положительном направлении, пока не достигнет величины В(фиг.5б ), При этом в момент времени ti третий релейный блок 4-3 переключается в состояние А/3 (фиг. Зд), а амплиту- / да сигнала на выходе 11 увеличивает- ся до максимального значения А (фиг. 5е) . Б интервале ,, (фиг. SS jf ,А) сигнал на выходе интегратора 3 изменяется в отрицатель- 50 ном направлении, что в момент време- ни t приводит к изменению знака импульса на выходе второго релейного блока 4-2 (фиг. 5t). В интервале t),, выходной сигнал интегра- 55 тора 3 продолжает изменяться в направлении -Bj порога переключения третьего релейного блока 4-3 (фиг.Зе).

5

10

Т5 .

20

5

0

0 5

75. 4

При Уц (t)-B знак импУльса на пы- ходе третьего релейного блока 4.3 становится отрицательным (фиг. 55,6), что обусловливает изменение знака на выходе 11 (фиг. 5е).На этом процесс переориентации релейных блоков, вызванный неработоспособностью первого релейного блока 4-1,заканчивается. В режим автоколебаний входит тракт, состоящий из первого сумматора 1, интегратора 3, второго релейного блока 4-2 и второго сумматора 2 (фиг. З,-;,), а первый и третий релейные блоки 4-1 и 4-3 находятся в противоположных состояниях (фиг.5в, Л).

Предположим, что в момент времени tf.| (фиг.5а) сигнал на выходе 11 увеличился до значения

X(t) А.

В исправном устройстве это должно вызвать переход сигнала на выходе 11 во вторую модуляционную зону. Однако в рамках рассматриваемой ситуации несмотря на изменение этого сигнала на выходе второго релейного бло ка .4-2 (фиг. 5,-2) результирующая амплитуда выходного напряжения равна -А/3 (фиг. 5е), а знак сигнала на выходе первого cyvtMaTopa 1 сохраняется положительным.

Данная ситуация противоречит условию существования режима автоколебаний, и выходной сигнал интегратора 3 достигает зоны насьщения его статической характеристики (фиг. 5). В результате в интервале времени Т, (фиг, 5е) устройство функционирует в режиме усилителя-ограничителя ам плитуды выходного сигнала. Ь .

Допустим, что в момент времени

tj (фиг. 5а) сигнал на входе РОУ изменился дискретно до уровня

- X(t) -А.

Тогда РОУ вновь входит в режим устойчивых автоколебаний вследствие переориентации третьего релейного блока 4-3 в состояние А/3 (фиг. 5д), которое аналогично состояиию неис- правногб первого релейного блока 4-rl (фиг. 5в). Как .шдно из диаграмм сигналов на фиг. 5, в указанном диапа- зоне изменения входного сигнала ие- исправность в трактах релейных блоkoB птря.жартся на амплитудной функции преобразования, однако ведет к итменению модуляционной характеристики (зависимости частоты авто- колебаирш от амплитуды входного сиг- нала)..

На выходе генератора 5 импульсов формируется сигнал Y (t) с периодом Тц (фиг. ), который значительно /в pay) превосходит период ав- токолебаний.

Рассмотрим работу в режиме непрерывной тестовой проверки работоспособности его релейных блоков 4-, 4-П. Пусть принудительное переклю- чение релейных блоков 4-1,,.,,4-h выходным сигналом генератора 5 I-IM- пульсов происходит при условии несовпадения знаков воздействий Y,|.(t) и Yp, (t) , ) ...

Предположим, что все релейные блоки исправны, а входной сигнал находится в пределах первой модуляционной зоны (фиг. 6о). Тогда в режиме автоколебаний находится тракт из первого сумматора 1, интегратора 3,, первого релейного блока 4-1 и второго сумматора 2, а второй 4-2 и третий 4-3 релейные блоки имеют противоположные по знаку выходного сиг- нала состояния (фиг. 6,), В момент времени t „, (фиг. в ь) на выходе генератора 5 импульсов формируется импульс положительной полярности под действием которого первый 4-1 и тре- тий 4-3 релейные блоки (фиг. 6б,д) принудительно переключаются в сое- тояние А/3. Это приводит к формированию на выходе 11 импульса максимальной амплитуды (фиг. бе). В интервале « tg, выходной сигнал интегратора 4 нарастает в отрицательном направлении (фиг 6а) и в момент времени t 3, вызывает переключение второго релейного блока 4-2 (фиг, f)i) , Это обусловливает уменьшение амплитуды си нала на выходе 11 до величины А/3 (фиг. 66).

За время t -t развертка Yy(t) продолжает изменяться в направлении В(фиг. 6q), и начиная с момента времени t , когда Yp, (t) А/3 .(фиг, бд), знак импульса на выходе 11 становится отрицательным (фиг.6 г Это приводит к нарастанию сигнала развертки до величины В (фиг. 6а), второй релейный блок 4-2 переключается в исходное состояние до воздействия импулт са Yp(t) (фиг. 6г). При этом процесс отработки нозмушаюи1 егс тестового воздействия Y,. (t) чаканчи- пается, первый релейный блок 4-1 находится в режиме автоколебаний, а второй 4-2 и третий 4-3 релейные блоки - в статическом режиме.

При воздействии сигнала Y|-(t) отрицательной полярности (фиг. 6S , момент, времени t) происходит принудительное переключение второго релейного блока 4.2 в состояние -А/3 (фиг. 62). В результате на выходе 11 формируется всплеск напряжения (фиг. бе), являющийся результатом перехода всех релейных блоков в идентичное по их выходам состояние. В интервале tp, tg происходит переориентация второго релейного блока 4-2 в исходное состояние А/3 (фиг. 6а, i , которое обеспечивает работу в первой модуляционной зоне (фиг. бе). С момента времени t(.,,(фиг. 6) рассмотренные процессы повторяются (фиг.60- е). Таким образом, с помощью генератора 5 импульсов в выходном сигнале формируются тестовые всплески напряжения, существование которых возможно только при условии исправного состояния всех релейных блоков 4-1,..., 4-п.

Релейный элемент 6 имеет пороги переклю чения ±С (фиг. бе) , величина которых соответствует половине максимальной -модуляционной зоны. Переключение релейного элемента 6 осуществляется С помощью всплесков сигнала на выходе II (фиг. 6е,ж) , формируемых под действием выходного сигнала генератора 5 импульсов (фиг.66) С помощью делителя частоты 7 формируется сигнал со средним нулевым значением, который разделяется по постоянной составляющей с помощью пропорционально-дифференцирующего элемента 8. Затем напряжение вьтрямляется и при необходимости фильтруется. Таким образом, формируется сигнал 1, свидетельствующий о работоспособности развертывающего операционного усилителя. .

Рассмотрим работу, когда сигнал на входе 10 соответствует третьей модуляционной зоне (фиг. 7). В исходном состоянии первьй 4-1, второй 4-2 и третий 4-3 релейные блоки находятся в состоянии А/3 (фиг. 1,1,), и .сигнал на выходе 12 имеет максималь7 .

Hbrii уровень A (фиг, 7e-) , В данной ситуации воздействие на первый 4-1, второй 4-2 и третий 4-3 релейные блоки импульса Y,. (t) положительной полярности не вызывает изменения их состояний (фиг. 7, момент. времени t - пунктир). В момент времени t tn,, когда Y,. (t) 0 (фиг. 7S),происходит перевод первого 4-1, второго 4-2 и третьего 4-3 релейных блоков в состояние -А/3 (фиг. 7,1,а) и на пьгходе 1 1 формируется импульс отрицательной полярности (фиг. 7е). Развертка (фиг. 7а) нарастает в положительном направлении, BE lзьшaя в момен ты времени t, , t , t (фиг. 71,1, ) последовательный переход первого 4-1, второго 4-2 и третьего 4-3 ре- лейных блоков,- в состояние А/3 и возврат сигнала на выходе 11 в требуе- мую модуляционную зону .(фиг. 7е).

В дальнейшем, если знак выходного сигнала первого релейного блока 4-1 отрицательный, то возможен режим

1

tj,,j). Одпринудитейьного переключения первого релейного блока 4-1 импульсом yf-(t) положительной полярности (фиг. 7S,B, момент времени нако, это не вызывает формирования на выходе 11 тестового всплеска (t) -A, так как второй 4-2 и третий 4-3 релейные блоки находятся в состоянии А/3 (фиг. 7l, о). Последующая тестовая проверка исправного состояния релейных блоков наступает в момент времени t(r, 7&-е).

При неработоспособности хотя бы одного из релейных блоков амплитуда тестфвого импульса соответствующей полярности на выходе 11 уменьшается на величину одной модуляционной зоны. В результате 1 Yj(,|( | С j и релейный элемент 6 переходит в статическое состояние. Поэтому делитель 7 частоты также переходит в статическое состояние, а сигнал-на дополнительном выходе 12 уменьшается до

.нуля, что снидетельствует о наличии

неисправности.

50

Генератор импульсов 5 обеспечива- ет контроль состояния только релей- иьк блоков 4-1,4-2,...,4-ft и не обеспечивает контроля состояния первого сумматора 1 и интегратора 3.

Первый сумматор 1 и интегратор 3 5 необходимо выполнять на пассивных элементах, обладающих более высокой надежностью. При реализации этих бло j ю - is . 20

12609758

ков на активнЕ 1х компонентах амшш- тvдa выходного сигнала генератора 5,

j ю is 20

5

D

5

0

5

0

5

, импульсов должна быть меньше зоны насыщения статической характеристики активного элемента - операционного усилителя,В этом случае,если,например,генератор 3 неисправен, то его выходной сигнал принимает одно из максимальных значений под действием которого релейные блоки 4-1 ,4-2,,.. ,4-)t принудительно удерживаются в статическом состоянии.

Учитывая, что амплитуда выходного сигнала генератора 5 импульсов меньше зоны насьщения операционного усилителя, исключается переключение ре- лей. ;тьгх блоков за счет выходного сигнала генератора 5 импульсов.

Пропорционально-дифференцирующий элемент 8 и выпрямитель 9 долж}та быть выполнены только на пассивных эле- ментах.

Таким образом, предлагаемый РОУ характеризуется более высокой достоверностью диагностирования .

Формула и 3 обретения.

Развертьгоающий операционный уси- . литель, содержащий соединенные последовательно первый сумматор и интегратор, выход которого подключен к первым входам релейных блоков группы, число которых в группе - нечетное, выходы релейных блоков группы подключены к входам второго суммато-, ра, выход которого является выходом развертывающего операционного усили- теля и соединен с первьм входом первого сумматора, второй вход которо- то является входом.развертывающего операционного усилителя, отличающийся тем, что, с целью повьппения достоверности диагностирования, в него введены генератор импульсов, соединенные последователь но релейный элемент, делитель частоты, пропорционально-дифференцирующий элемент и выпрямитель, причем релейные блоки Сруппы выполнены двухвходовыми, выход генератора импульсов подключен к вторым входам релейных блоков группы, выход второго сумматора соединен с входом релейного элемента, а выход выпрямителя является дополнительным выходом раз- вертьшающего операционного усилителя.

fS

fpus.f

tpue. 3

tpue.Z

фи, 5

ФигЛ

Составитель О.Отраднов Редактор Л.Пчелинская Техред М.Ходанич

Заказ 57.34/51 Тираж 671Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

Производственно-полиграфичес|сое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4

Корректор М.Максимишинеп

Предлагаемый усилитель относится к усилительным устройствам с ши- ротно-импульсным преобразователем сигнала. Цель изобретения - повьше- ние достоверности диагностирования, Развертьшающий операционный усилитель содержит соединенные последовательно первый сумматор и интегратор выход интегратора соединен с первыми входами группы релейных блоков, причем число релейных блоков в группе нечетное, выходы релейных блоков подключены к входам второго сумматора, сигнал с выхода которого поступает на первый вход первого сумматора, второй вход которого является входом развертьшающего операционного усилителя, выход генератора импульсов подключен ко вторым входам релейных блоков, выход второго сумматора является выходом усилителя и подключен ко входу релейного элемента, сигнал которого воздействует на цепь из соединенных последовательно делителя частоты, пропорционально-дифференцирующего элемента и вьшрямнтеля. Развертывающий операционный усилитель характеризуется более высокой степенью достоверности диагностирования, достигаемой за счет непрерьшного контроля работоспособности релейных блоков. 7 ил. с $ (Л С