Генератор ступенчатого напряжения Советский патент 1988 года по МПК H03K4/02 

rs-1

f,

(Г,

С

фи2.1

рователь 16 временных интервалов, Кроме того, генератор содержит стационарный усилитель 1, конденсаторы 2 и 8, рлючиЗ,5и 6, делитель 4 частоты, источник 7 опорного напряжения, генератор 9 тактовых импульсов, ин вертор 10. Делитель 12 выполнен на резисторах 17 и 18. Делитель II по251

строен на основе цепочки из последовательно соединенных резисторов с выходами 19 и 20. Генератор формирует ступенчатое напряжение с практически любой заданной нелинейностью. Точность, с которой воспроизводится заданная нелинейность, определяется числом. 4 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например, в качестве высокоста- бильного формирователя ступенчатого напряжения с заданной нелинейной характеристикой. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности генератора путем обеспечения управления законом изменения напряжения. Для зтого в генератор введены п дополнительных ключей, п+1 злементов И, п коммутируемых активных двухполюсников, делители Пи 12 напряжения и форми

1

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например, в качестве высокостабильного формирователя ступенчатого напряжения с заданной нелинейной характеристикой .

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения управления законом изменения напряжения.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема генератора; на фиг, 2-4 - эпюры, поясняющие работу генератора.

Генератор ступенчатого напряжения содержит операционный усилитель 1, между выходом которого и его инвертирующим входом включены параллельно соединенные первый конденсатор 2 и ключ 3, управляющий вход которого соединен с выходом делителя 4 частоты, последовательно соединенные второй 5 и третий 6- ключи, включенные между выходом источника 7 опорного напряжения и инвертирующим входом операционного усилителя 1, общая точка соединения второго и третьего ключей 5, 6 соединена через второй конденсатор

8с общей шиной устройства, генератор

9тактовых импульсов,выход которого соединен с входом делителя 4 частоты и входом инвертора 10, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа 6. Генератор также содержит первый 11 и второй 12 делители напряжения, п дополнительных ключей 13 1-13-п,

п+1 элементов И 14-1 - 14-п, п коммутируемых активных двухполюсников 15-1 - 15-п, формирователь 16 временных интервалов, входы которого соединены соответственно с выходами делителя 4 частоты, а п+ выходов - с первыми входами п+1 элементов И 14-1- 14-п, вторые входы которых соединены с выходом тактового генератора 9. Выход первого из пч-1 элементов И 14-1 соединен с управляющим входом второго ключа 5,а выходы остальных соединены соответственно с управляющим

Q входом каждого из п дополнительных ключей 13-1 - 13-п, выходы которых соединены с потенциальной обкладкой второго конденсатора 8, а вход соответственно с п выходами первого де5 лителя 11 напряжения, включенного между выходом источника 7 опорного напряжения и общей шиной устройства. Каждый из п коммутируемых активных дв5 хполюсников 15-1 - 15-п подключен

Q параллельно первому конденсатору 2, а управляющий вход каждого из них соединен соответственно с п+1 выходами формирователя 16 временных интервалов, кроме последнего. Между

5 выходом операционного усилителя и общей шиной устройства включен второй делитель 12 напряжения, выход которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя I. Делитель

Q 12 напряжения построен на резисторах 17 и 18, а делитель 1 напряжения - на основе цепочки из последовательно соединенных резисторов с выходами

19 и 20. . I

5 Коммутируемые активные двухполюсники 15-1 - 15-п выполнены на основе последовательно соединенных ключей 21-1 - 21-п и резисторов 22-1 - 22-п. Работу устройства рассмотрим на

0 примере .

Устройство работает следующим образом.

Цикл формирования ступенчатого на пряженпя начинается в момент, когда тактовые импульсы генератора 9 приводят делитель 4 частоты в исходное сотояние, при котором размыкается ключ.З.

В примерах 1-3 рассмотрена работа устройства при формировании нелиней- ностей различного вида.

Пример 1, Рассмотрим работу устройства для случая, когда исходному состоянию делителя 4 соответствует такой режим работы формирователя 16 временных интервалов, при котором разомкнуты ключи 15-1 - 15-п, запрещается пргзхождение тактовых импульсо через элементы 14-1, 14-2 и разрешается их прохождение через элемент 14-п, причем такое состояние сохраняется в течение всего цикла (см. фиг. 2а-д). В этом случае работают только ключи 6 и 13-п, причем в первые полупериоды тактовых импульсов замкнут ключ 13-п и разомкнут ключ 6, а во вторые полуперйоды замкнут ключ 6 (благодаря инвертору Ю) и разомкнут ключ 13-п (см. фиг. 2г-д). Постоянные времени заряда-разряда конденсатора 8 выбираются таким образом, чтобы в каждом из первых полупериодов этот конденсатор практически полностью заряжался до напряжения, которое имеется на выходе делителя 11 напряжений, а в каждом из вторых полупериодов этот конденсатор практически полностью разряжался до напряжения на входе операционного усилителя 1. При таком выборе постоянных времени для схемы на фиг. 1 справедливы следующие соотнощения:

,(1 )

где ql - заряд, накопленньй конденсатором 8 в первом полупериоде (любого тактового импульса) ;

С2 - емкость конденсатора 8; Е1 - напряжение на выходе 20 делителя 11,

q :-C2U,,.C2(lU ), (2)

7,

q

2i

заряд, накопленный конденсатором 8 во втором полупериоде i-ro тактового импульса, когда этот конденсатор перезарядится до напряжения (фиг. 2е);

Llg. - напряжение на неннвертиру- ющем входе усилителя 1 после i-ro тактового импульса;

напряжения на выходе усилителя 1.после 1-го тактового импульса;

R, - сопротивление резистора R17 делителя 12;

R - сопротивление резистора R18 делителя 12.

R Aq,(Ueb,,.; -El), (З)

где - изменение заряда конденсатора 8 за период 1-го тактового импульса. Напряжение на выходе устройства

определяется выражением

+ &.Uc,. +и„

R2

R1+R2 - напряжение, накопленное

(4)

конденсатором 2 после (i-l)-ro тактового импульса;

ли,-,, - приращение напряжения на конденсаторе 2 за период i-ro тактового импульса.

Из выражения (4) находим

Г5 1

,,,;

(5) )

Изменение заряда лq,; конденсатора 2 в течение второго полупериода определяется выражением

RI

Aq,i ciAU,,.c(u,,,,; ----5 -и,,,., ),(б)

где С1 - емкость конденсатора 2.

Поскольку предположили, что входной ток усилителя 1 равен нулю, то изменения зарядов конденсаторов 2 и 8 равны, т.е.

йq,.(7)

Поэтому, приравнивая правые части выражений (З) и (6) и принимая во внимание, что для первого тактового импульса Uj-, 0, находим напряжение

и. на выходе устройства после перI 1

вого тактового импульса т.е. ,

(В)

и - -Е1 С2 . вых, С1 HI /, C2R2,

Подставляя вьфажение (S) в формулу (5), наход1м

-El

С2

сТ

1

сШ

сТяТ

(9)

j(.j - приращение напряжения на

- - 2

где AU(.

конденсаторе 2 за период первого тактового импульса.

Приравнивая правые части выражений (З) и (б) и принимая во внимание, что для второго тактового импульса

где 1 - количество тактовых импульсов.

Принимая во внимание, что выражения в квадратных скобках формулы (11) представляет геометрическую прогрессию.

и,

вых:

формула может быть упрощена С2 R1+R2 Х{х -0

сТ ЁТх-Т

-Е1

,(12)

Х

1

C2R2

сТрТ

(13)

Таким образом, формируется нелинейный закон изменения выходного напряжения генератора ступенчатого напряжения (фиг. 2ж), причем в рассматриваемом примере напряжения отдельных ступеней увеличиваются по закону геометрической прогрессии. Регулируя соотношение между значениями сопротивлений R и R2, можно получить требуемую нелинейность.

П р и м е р 2, Рассмотрим работу устройства для случая, когда исходно)

139625)6

му состоянию делителя 4 соответствует такой режим работы формирователя 16,

при котором разомкнут ключ I5-I, замкнут ключ 15-п, запрещается прохождение тактовых импульсов через элеме- ты 14-1 и 14-п и разрешается их прохождение через элемент 14-2, причем такое состояние сохраняется в течение всего цикла (фиг, За-д). Дпя этого случая аналогично может быть вьше- дена формула г .

.С2.R1+R2

5

и.

-Е2 :

С1 R1

i t,

7

- cTRT

7- с5ЁГ-ж

- сТкТ

+.

tit. л ,.

° (14)

сТкТ

5

5

0

где Е2 - напряжение на выходе 19 делителя 1 1 {

t - период одного тактового импульса;

2 , - постоянная времени цепи разряда конденсатора 2, которая определяется выражением , C1(R22+R21),

где R22 - сопротивление резистора двухполюсника 15-п; R21 - сопротивление замкнутого ключа 21-п двухполюсника 15-п.

Формула (14) также может быть упрощена, если принять во внимание,что выражение в квадратных скобках представляет собой геометрическую прогрессию. При этом

С2 R1+R2 Y(Y -1)

тт- -Т 9

- Е2 -у - уgt H

где Y т««.(

C1R1

Y-1

(15) (16)

Из формулы (14) очевидно, что условие, при котором выходная характеристика устройства будет вновь линейной, определяется выражением

-tft

е

, C2R2 C1R1

-t|r,

.е

(17)

из которого определяем ности характеристики

условие линей

1

55R5 cTRT

(18)

Таким образом, регулируя соотношение между значениями сопротивлений

713962

Rl, R2 и R22, можно получить требуемую нелинейность, при этом возможны следующие варианты: напряжения отдельных ступеней увеличиваются по закону геометрической прогрессии; напряжения отдельных ступеней уменьшаются по закону геометрической прогрессии (фиг. Зе ; напряжения отдельных ступеней равны (т.е. линейный закон). 10

П р и м е р 3. Рассмотрим работу устройства для более сложного случая (фиг. 4), когда формирователь 16 функционирует в таком режиме, при котором возможны три случая, 5

l.., где а - некоторое целое число. В -этом случае тактовые импульсы управляют работой ключей 6 и 13-п, все остальные ключи разомкнуты. Работа устройства при этом соответству- 20 ет рассмотренному примеру 1, а напряжение на выходе устройства определяется формулами (12) и (13).

2, , где Ъ - некоторое целое Число,В этом случае тактовые импуль- 25 сы управляют работой ключей 6 и 13-п, ключ двухполюсника 15-п постоянно замкнут, а все остальные ключи разомкнуты. Произведя аналогичные выкладки, можно для этого случая вывести дд формулу

R1+R2 ГЕ2 Y( « Cl RT ЁТ Y-1

x(x -0

+ Y

где X и Y определяются формулами (l3) и (16) соответственно.

С2 R1+R2 ГЕЗ Z(Z -1) . Bh,v; сТ RT ЁТ Z-T

50

I lllll Х(х -1) Hi

Y-iх-Т °

- напряжение на входе делителя 7.

3/Cj.

7 Zс 21)

C2R2 .;с. 2U

ClRl

постоянная цепи разряда конденсатора 2, которая определяется выражением

(R;,+R;),

где R - сопротивление резистора

R22-1 двухполюсника 15-1;

10

20е25 дд

35

50

R

, сопротивление замкнутого ключа 21-1 двухполюсника 15-1.;

Таким образом, в примере 3 выходная характеристика устройства состоит из трех участков (фиг. Аг), причем нелинейность каждого из участков может регулироваться требуемым образом путем изменения номинальных значений элементов схемы. При необходимости один из участков характеристики может быть легко сделан линейным, как показано в примере 2. I

Предлагаемый генератор позволяет сформировать ступенчатое напряжение, которое может практически любую заданную нелинейность. При этом точность, с которой воспроизводится заданная нелинейность, определяется, как правило, числом п.

Формула изоб;ретения

Генератор ступенчатого напряжения, содержащий операционный усилитель, между выходом которого и его инвертирующим входом включены параллелд но соединенные первый конденсатор и ключ, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты, последовательно соединенные второй и третий ключи вк.шоченные между выходом источника опорного напряжения и инвертирующим входом операционного усилителя, точка соединения второго и третьего ключей соединена через второй конденсатор с общей шиной устройства, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом делителя частоты и входом инвертора, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных вoз южнocтeй за счет обеспечения возможности управления законом изменения выходного напряжения, в него введены п дополнительных ключей, п+1 элементов И, п коммутируемых активных двухполюсников первый и второй делители напряжения и формирователь временных интервалов, входы которого соединены соответственно с выходами делителя частоты, а n+i выходов - с иерпмми вхо9139

дами n+I элементов И, вторые входы которых соединены с выходом тактового генератора, выход первого из п+1 элементов И соединен с управляющим входом второго ключа, а выходы остальных соединены соответственно с управляющим входом каждого из п дополнительных ключей, выходы которых соединены с потенциальной обкладкой второго конденсатора, а входы - соответственно с п выходами первого делителя напряжения, включенного между выходом источника опорного напряжения

лг iU

..w. Гщппг 7 ц 1 2 34

и 1 2 Ъ f4

10

и 1 2 Ъ

Uc2

Ж

ffif/XG

i om/7ai/c a

и общей шиной устройства, при этом каждый из п кЪммутируемых активных двухполюсников подключен параллельно первому конденсатору, а управлякяций вход каждого из них соединен соответственно с выходами первого по п-й формирователя временных интервалов, второй делитель напряжения включен между выходом операционного усилителя и общей шиной устройства, а выход второго делителя напряжения соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя.

Moeuvec aiJ., О

/f/7W C/ /А ,f3-1 pO3Of f Hyfrr f

y o c/t/ecMcf „1

s i

-TLL.

«-.3Bfc f.

Нлю /J /x

SffMHfiyfrr ПЮЧ /J-/7

/ a3OM t/rr7

/JfGt/ 6

3aMfiH rf

/f/THy S

/ja3(f f fft/frr

i

фае г

H-

A

/ / 3 4t

ц

т

I I .

3 &

1ЛЛГ1ПГ--Ти- ,

и

1 2 Ъ

Г™Ш

к-I

50

100 - - fpu3.d

фиеЛ