Функциональный преобразователь Советский патент 1986 года по МПК G06G7/26 

ности, что достигается за счет введения в известное устройство с;уммирующего усилителя 20 тока, допол.нительного масштабного резистора 23 первой 24 и второй 27 кодоуправляемых резистивных матриц, группы 30 элементов И, компаратора 32 напряже НИН, генератора 23 импульсов, счет1267445

чика 22, блока 21 памяти и преобразователя 34 код-ток. За счет введенных элементов с соответствующими

, связями получают требуемую зависимость U0,, дц„ f()%/) , на которой не сказывается напряжение дрейфа нуля входящих в преобразователь one рационных усилителей. 3 ил.

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, в частности к диодным функциональным преобразователям ток-напряжение,и является усовершенствованием устройства по авт.св. № 1111181. Целью изобретения является повьшение точ- NO ет :л м фи&. 1

1

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, в частности к диодным функциональным преобразователям ток-напряжение.

Цель изобретения - повышение точности.

На фиг.1 приведена структурная схема функционального преобразователя; на фиг.2 - принципиальная схема аппроксимирующей ячейки; на фиг.З - временные диаграммы работы функционального преобразователя.

Функциональный преобразователь сдержит дифференциальный операидонный усилитель 1, ц аппроксимирующих ячеек 2,-2„, инвертор 3, п +1 входны масштабных резисторов 4,-4(г + 1), коммутатор 5, блок 6 индикации,каждая из п аппроксимирующих ячеек содержит операционный усилитель 7, первый 8 и второй 9 масштабные резиторы, масштабный резистор 10 обратной связи, первый 11 и второй 12 ограничительные диодные элементы, диоды 13 и 14, корректирующий резистор 15, повторитель 16, транзистор 17, первьй 18 и второй 19 нагрузочные резисторы, суммирующий усилитель 20 тока, блок 21 памяти, счетчик 22, дополнительный масштабный резистор 23. Первая кодоуправляемая матрица 24 содержит аналоговые ключи 25.1... 25. Пи весовые резисторы 26.1...26.п. Вторая кодоуправляемая матрица 27 содержит аналоговые ключи 28.1...28.П и весовые резисторы 29.1...29.м, группу 30 элементов И 31.1...31.П, компаратор 32 напряже.ния, генератор 33 импульсов и преобразователь 34 код-ток.

В зависимости от конкретных условий, желания разработчика и прочи

причин каждая из кодоуправляемых резистивных матриц может быть выполнена в любом известном варианте. При любом построении указанных матриц необходимо обеспечить требуемый выходной ток матрицы в завдсимости от включенного участка аппроксима-

1ЩИ.

Принцип действия функционального преобразователя заключается в следующем.

Функциональный преобразователь имеет два режима: Работа и Контроль. В режиме Работа на вход дифференциального операционного усилителя 1 поступает входной ток ig;( (фиг.1). Сигналы с выходов 1...П коммутатора 5 отсутствуют. В процессе изменения входного тока работа происходит на том или ином участке аппроксимации (фиг.З).При изменении входного тока от О до igj, включается первый участок аппроксимации, для которого коэффициент преобразования определяется входным масштабным резистором 4.(п+1), включенным в цепь отрицательной обратной связи усилителя 1 через инвертор 3. Входные масштабные резисторы 4.1...4.и при этом не влияют на коэффициент преобразования, так как аппроксимирующие ячейки 2.1...2.h выключены за счет смещения - liy от опорного источника. При изменении входного тока от Ig;, д i eif, включается аппроксимирующая ячейка 2.1. При этом в цепь отрицательной обратной связи усилители 1 дополнительно к масштабному резис тору 4.(h+1) включается масштабный резистор 4.1. КоэффИ1щент преобразования на втором участке аппроксинации определяется как масштабным резистором 4. (п + 1) и инвертором 3, так и масштабным резистором 4.1 и коэффициентом усиления аппроксимирующей ячейки 2.1 по второму входу С ростом входного тока все боль шее число аппроксимирующих ячеек и входных масштабных резисторов включается в цепь отрицательной об ратной связи. При работе на m -м участке аппроксимации напряжение на выходе дифференциального операционного уси лителя 1 определяется из выражения напряжение на выходе усилителя 1 в точке изменения кру тизны в конце (m-l)-ro участка аппроксимации; текущее значение входного тока на т-м участке аппрок 6х(т-,)в симации - i в« m} 7 козффициент усиления по второму входу аппроксимирующей ячейки 2(К напряжение дрейфа нуля преобразователя, приведенное к входу усилителя 1, на m -м участке аппроксимации. Из выражения (1) видно, что преобразователь воспроизводит на выходе усилителя 1 монотонно убывающую функцию, скачкообразно изменяющуюся в узловых точках, задаваемых опорным напряжением и параметрами аппроксимирующих ячеек, исходя из тре буемого закона преобразования. Из выражения (1) также следует, что на точность преобразования по выходу усилителя 1 влияет напряжение дрейфа нуля, изменение которого для включенного участка аппроксимации носит случайный характер. 5 4 Аппроксимирующая ячейка {фиг.2) работает следующим образом. При изменении напряжения на втором входе аппроксимирующей ячейки, Ugbix Uo , напряжение на выхо а де усилителя 7 положительное. Отрицательная обратная связь усилителя 7 в данном случае осуществляется через открытый базо-эмиттерный переход транзистора 17 и первый ограничительный диодный элемент 11. Диоды 13 и 14 второго ограничительного диодного элемента 12 закрыты, аппроксимирующа;, ячейка по выходу выключена, поэтому при выполнении условия подключенный к данной апК,Kg проксимирующей ячейке входной масштабный резистор не влияет на коэффициент преобразования. Напряжение на коллекторе транзистора 17 имеет низкий потенциал. В случае, когда - ° - напрякжение на выходе усилителя 7 становится отрицательным, при этом транзистор 17 закрывается, а диоды 13 и 14 второго ограничительного диодного- элемента 12 открываются. Отрицательная обратная связь усилителя 7 осуществляется через второй -ограничительный диодный элемент 12, повторитель 16 и масштабный резистор 10. Аппроксимирующая ячейка подключает соответствующий входной масштабный резистор в цепь отрицательный обратной связи усилителя 1. Сигналы с дополнительных выходов (коллекторов транзисторов 17);поступают на входы блока 6 индикации для визуализации включенных участ-ков аппроксимации. Узлы функционального преобразователя в режиме Контроль работают следующим образом. Входной ток в данном режиме на вход дифференциального операционного усилителя 1 не поступает. С выходов 1... h коммутатора 5 на выходы аппроксимирующих ячеек 2,1...2.и поступают сигналы, включающие соответствующие участки аппроксимации. При этом на выходе усилителя 1 устанавливается постоянное напряжение-, соответствующее напряжению в точке изменения крутизны, которое

для т -го участка аппроксимации определяется из выражения

КK7i

71 п С- I S- Х .

вьгх.кш - R, / irr

v

(2)

R

4(nti1 J ЗГ - где К . - коэффициент усиления по первому входу аппроксими рующей ячейки 2.i. Из выражения (2) видно, что напряжение Ugi j. имеет две составляющие, первая из которых соответствует напряжению в точке изменения крутизны, в начале контролируемого участка и может быть определе на для каждого участка аппроксимации расчетным или опытным путем,, вторая составляющая вносит погрешность за счет влияния напряжения дрейфа нуля, имеющего случайный ха рактер. Напряжение с выхода усилителя 1 через дополнительный масштабный ре зистор 23 поступает на вход суммирующего усилителя 20 тока. Ток, протекающий через масштабный резне тор 23 в режиме Контроль, опреде ляется следующим образом где R - величина сопротивлени масштабного резистора 23. При этом сигналы .с дополнительных выходов аппроксимирующих ячеек 2.1...2.:П поступают на управляю1чи входы аналоговых ключей 25.1..i 25.п и первые входы элементов И 31.Т... 31. п группы 30. В зависимости от того, какой контролируемый участок аппроксимации включен, на дополнительных выходах ячеек 2.1...2. h по является различная комбинация сигналов, в соответствии с которой включаются те или иные аналоговые ключи 25.1... 25.и. При контроле пер вого участка аппроксимации ни на одном дополнительном выходе ячеек 2.1...2. п сигнала включения ключей 25.1...25. Ji нет. Поэтому все анало говые ключи 25.1...25.И заперты. При контроле второго участка аппрок симации сигнал присутствует на до2674454

полнительном выходе ячейки 2.1. Включается аналоговый ключ 25.1. При контроле третьего участка аппроксимации сигналы с дополнитель5 ных выходов ячеек 2.1 и 2.2 включают ключи 25.1 и 25.2 и т.д.

При контроле m-то участка аппроксимации эквивалентная проводимость кодоуправляемой резистивной 10 матрицы 24 равна где - величина сопротивления резистора 26.i. Ток, протекающий на вход суммирующего усилителя 20 тока через первую кодоуправляемую резистивную матрицу 24 от отрицательной шины двуполярного источника, определяется из выражения и, z: i-i Ток ДЛЯ каждого включенного участка аппроксимации выбирается таким, чтобы разность токов оставалась положительной при любом значении возможных изменений напряжения дрейфа нуля Uapm В режиме Контроль вторая кодоуправляемая резистивная матрица 27 не влияет на работу преобразователя в целом, так как на вторые входы элементов И 31.1...31.П группы 30 в данном режиме с (п+1)-го выхода коммутатора 5 поступает сигнал, запрещающий прохождение сигналов с дополнительных выходов ячеек 2.1.. . 2.Н на управляющие входы аналоговых ключей 28.1...28.п. Поэтому данные ключи закрыты. Синхронно с импульсами на выходах 1. , п коммутатора 5 на его (п+1)-м выходе появляется импульс установки нуля счетчика 29.Сигналом с (n-fl)-ro выхода коммутатора 5 блок 21 памяти переводится в режим записи на все время режима Контроль. При этом код с информационных выходов счетчика 22 поступает на запись в блок 21 памяти и далее - на вход преобразователя 34 код-ток. На адресные входы блока 21 памяти -с дополнительных аппроксимируюijpx ячеек 2.1...2.П выходов поступает код контролируемого участка аппроксимации.

I Напряжение с выхода усилителя 20, пропорциональное нескомпенсированной доле напряжения с выхода усилителя 1 из-за неравенства нулю разности токов i,j - i 24 поступает на первый вход компаратора 32, где сравнивается с нулевым потенциалом. В случае неравенства нулю выходного напряжения усилителя 20 компаратор 32 выдает сигнал, переводящий генератор 33 в режим генерации импульсов. Данные импульсы с выхода генератора 33 поступают на вход счетчика 22, установленный предварительно в нуль импульсом с (п+2)-го выхода коммутатора 5.

В процессе счета импульсов с информационных выходов счетчика 22 на входы преобразователя 34 код-ток через блок 21 памяти поступает код, который преобразуется в эквивалентный ток, поступающий на вход суммирующего усилителя 20 тока. Направление тока с выхода преобразователя 34 код-ток выбирается одинаковым с направлением тока первой кодоуправляемой резистивной матрицы 24. Поэтому данный ток компенсирует неском пенсированную долю напряжения с выхода усилителя 1. При достижении напряжением с выхода усилителя 21 нулевого значения компаратор 32 напряжения изменяет уровень напряжения на выходе и прекращает генерацию импульсов генератора 33. Счетчик 22 прекращает счетов памяти блока 21 и на входе преобразователя 34. код-ток присутствует код, соответствующий н левому значению напряжения на.дополнительном выходе преобразователя

При переходе на контроль следующего участка аппроксимации в блоке 21 памяти остается записанным код, соответствующий полной компенсации напряжения в узловой точке предьщущего участка аппроксимации.

Аналогично происходит компенсация напряжений с выхода усилителя 1 для всех оставшихся участков аппроксимации. После окончания режима Контроль все напряжения в узловых точках с учетом напряжений дрейфа нуля оказываются скомпенсированными до нуля токами с выходов перво кодоуправляемой резистивной матрицы 24 и преобразователя 34 код-ток.

а в блоке 21 памяти записаны коды, соответствующие данным состояниям.

Из описаний работы функционального преобразователя в режиме Контроль видно, что особых требований по точности к резистивной матрице 24 и преобразователю 34 код-ток не предъявляется. На точность компенсации указанных напряжений влияют чувствительность и стабильность порога срабатывания компаратора 32 . напряжения, а также выбранная дискретность приращения выходного тока преобразователя 34 код-ток.

Осуществление двухступенчатой автоматическом компенсации напряжения с выхода усилителя 1 при помощи матрицы 24 и преобразователя 34 позволяет ускорить данный процесс, так как большая часть напряжения компенсируется резистивной матрицей 24 сразу. Дальнейшая, более точная, компенсация осуществляется прёоб- разователем 34 код-ток, которому в данном случае необходимо сделать меньше шагов для достижения полной компенсации. При этом требуется меньшая разрядность счетчика 22 и блока 21 памяти, что упрощает устройство в целом,

По окончании контроля всех участков аппроксимации коммутатор 5 переводит функциональный преобразователь в режим Работа, при котором с выходов 1,.. п коммутатора 5 прекращается подача сигналов на выходы аппроксимирующих ячеек 2.1...2.h, а на (п+1)-м выходе возникает сигнал разрешающий прохождение сигнала с первых входов элементов И 31.1... 31. ц группы 30 на управляющие входы аналоговых ключей 28.1...28.П и устанавливаюш 1й. блок 35 памяти в режим считывания. В режиме считывания прекращается обращение памяти блока 21 к счетчику 22.

В режиме Работа в зависимости от величины входного тока (фиг.З) включается соответствующий участок аппроксимации, информация о котором с дополнительных выходов аппроксимирующих ячеек 2.1... 2. И поступает на управляющие входы аналоговых ключей 25.1...25.П и 28.1...28rj. На вторые входы элементов И 31,1...31.П в данном случае с (fi + 1)-ro выхода коммутатора 5 поступает сигнал разрешения. Информация о включенном 9 участке аппроксимации поступает так же на блок 6 индикации и на адресны входы блока 21 памяти, извлекая из памяти значение кода, пропорциональ ного напряжению компенсации, соответственно включенному участку аппроксимации. Для получения требуемого вида пе редаточной характеристики на вход суммирующего усилителя 20 тока с второй кодоуправляемой резистивной Матрицы 27 подается ток, смещающий напряжение на выходе усилителя 20 до .расчетного значения, получаемого из выражения (2) при условии 0. Так как резистивная матри ца 27 не имеет элементов, которые могли бы внести дрейф нуля, то на выходе суммирующего усилителя 20 тока, являющегося дополнительным вы ходом функционального преобразователя, получают требуемую зависимость и вых.Aon ( которой не сказывается напряжение дрейфа нуля входящих в преобразователь опе рационных усилителей. Формула изоб ретения Функциональный преобразователь по авт.св.. № 1111181, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повыше ния точности, в него введены суммирующий усилитель тока, выход которо го является дополнительным выходом преобразователя, дополнительный мас штабный резистор, первая и вторая кодоуправляемые резистивные матрицы группа элементов И, компаратор напряжения, генератор импульсов, счет 4510 чик, блок памяти и преобразователь код-ток, выход которого подключен к входу суммирующего усилителя тока, подключенному через дополнительный масштабный резистор к выходу дифференциального операционного усилителя, первый и второй входы компаратора напряжения подключены соответственно к выходу суммирующего усилителя тока и шине нулевого потенциала, а выход пoдключe к входу запуска генератора импульсов, соединенного выходом с счетным входом счетчика, выходы которого подключены к информационным входам блока памяти, соединенного выходами с входами преобразователя код-ток, дополнительные выходы и -аппроксимирующих ячеек подключены к адресным входам блока памяти, соответствующим управляющим, входам первой кодоуправляемой резистивной матрицы и первым входам соответствующих элементов И группы, соединенным выходами с соответствующими управляющими входами второй кодоуправляемой резистивной матрицы, входы первой и второй кодоуправляемых резистивных матриц подключены соответственно к отрицательной и положительной шинам источника двуполярного напряжения, а выходы кодоуправляемых резистивных матриц подключены к входу суммирующего усилителя тока, (п+1)-й выход коммутатора подключен к входу разрешения записи блока памяти и к вторым входам элементов И группы, (м+2)-й выход коммутатора подключен к входу сброса счетчика.

ПЧЙ

иа

X -L

JL L.

Ч

8ыл(п-Г) Л/jr.J

Вых.2 8Ш.Г

53 I ./ ,2 fJSbix.3 (nJ) Ц

Фиб. 3 Напря гсение на dbfxode усилителя 20 ретине РА50ТА Изменение напряжения на бы ходе усилителя 20 за тока ре lu матриць(27