Формирователь ступенчатого напряжения Советский патент 1989 года по МПК H03K4/02 

i (Л

4-6, выходные ключт 9-14, тактовый генератор 20, элементы ИЛИ 21, 22, введены запоминающие элементы 7, 8 и выходные ключи 15-19. Тактовый генератор 20 вырабатывает семифаэные импульсы, под воздействием которых происходит последовательная запись

напряжения с выхода сумматора 3 в запоминающие элементы 8, 7, 4, 5. Запоминающий элемент 6 служит для промежуточного хранения напряжения. По выполняемой функции устройство эквивалентно сумматора и трем инерционным звеньям, соединенным в кольцо. 4 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в высокоточных генераторах сигналов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счее обеспечения формирования ступенчатого напряжения с характеристикой колебательного звена. Формирователь, содержащий входной ключ 2, сумматор 3, выходные запоминающие элементы 4,5,6, выходные ключи 9-14, тактовый генератор 20, элементы ИЛИ 21,22, введены запоминающие элементы 7,8 и выходные ключи 15-19. Тактовый генератор 20 вырабатывает семифазные тактовые импульсы, под воздействием которых происходит последовательная запись напряжения с выхода сумматора 3 в запоминающие элементы 8,7,4,5. Запоминающий элемент 6 служит для промежуточного хранения напряжения. По выполняемой функции устройство эквивалентно сумматору и трем инерционным звеньям, соединенным в кольцо. 4 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в формирующих устройствах с высокой стабильностью параметров выход- ного сигнала.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения формирования ступенчатого напряжения с характерис- тикой колебательного звена.

На фиг.I приведена структурная схема формирователя; на фиг.2-3 - эпюры поясняющие работу формирователя; на фиг, 4 - эквивалентная схема формирователя .

Формирователь содержит входную щи- ну 1,. входной ключ 2, сумматор 3, выход которого подключен к входам первого 4, второго 5, третьего 6, чет- вертого 7 и пятого 8 запоминающих элементов, с первого по одиннадцатый выходные ключи 9-19. Выходы первого 4, второго 5, третьего 6 и четвертого 7 запоминающих элементов через соответ ственно первый 9, второй 10, третий 11 и седьмой 15 выходные ключи соединены с первым входом сумматора 3, второй вход которого соединен с выходом входного ключа 2. Выходы первого 4, второго 5 и четвертого 7 запоминающих элементов подключены соответственно к третьему, четвертому и шестому входам сумматора 3 через четвертый 12, пятый 13 и восьмой 16 выходные ключи соответственно. Выходы первого 4, четвертого 7 и пятого 8 запоминающих элементов подключены соответственно к пятому, седьмому и восьмому входам сумматора 3 через шестой 14, девятый 17 и десятый 18 выходные ключи соответственно. Выход второго запоминающего элемента 5 через одиннадцатый выходной ключ 19 подключен к девятому входу сумматора 3.

Первый выход тактового генератора 20 соединен с управляющими входами входного ключа 2, одиннадцатого выг-

25

30

5

20

,

35

40

45

50

55

ходного ключа 19 и пятого запоминающего элемента В. Второй выход тактового генератора- 20 соединен с управляющими входами седьмого 15, восьмого 16 и десятого 18 выходных ключей, а также с первым входом первого элемента ИЛИ 21, выход которого соединен с управляющим входом третьего запоминающего элемента 6. Третий выход тактового генератора 20 соединен с управляющим входом четвертого запоминающего элемента 7 и с первым входом второго элемента ИЛИ 22, выход которого соединен с управляющим входом третьего выходного ключа 11. Четвертый выход тактового генератора 20 соединен с управляющими входами первого 9, четвертого 12 и девятого 17 выходных ключей и с вторым входом первого элемента ИЛИ 21. Пятый выход тактового генератора 20 соединен с управляющим входом первого запоминающего элемента 4 и с вторым входом второго элемента ИЛИ 22. Шестой выход тактового генератора 20 соединен с управляющими входами второго 10, пятого 13 и щестого 14 выходных ключей и третьим входом первого элемента ИЛИ 21, Седьмой выход тактового генератора 20 соединен с управляющим входом второго запомина- кяцего элемента 5 и третьим входом второго элемента ИЛИ 22.

Сумматор 3 представляет собой дифференциальный усилитель 23, между инвертирующим входом и выходом которого подключен резистор 24 обратной связи. Первые выводы с первого по девятый резисторов 25-33 являются соответствующими входаьш сумматора, Вторые выводы йервого 25, второго 26, пятого 29, седьмого 31 и восьмого 32 резисторов соединены ; с неинвертирующим входом дифференциального усилителя 23, Вторые выводы третьего 27, четвертого 28, шестого 30 и девятого 33 резисторов соединены с инвертирующим входом диференциального усилителя 23.

Инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя 23 соединены также с общей шиной через десятый 34 и одиннадцатый 35 резисторы соответственно.

Коэффициент передачи по первому входу сумматора 3 равен 1(). К2,...,К9 - коэффициенты передачи по другим входам сумматора 3.

Запоминающие элементы 4-8 выполнены на ключе 36, конденсаторе 37 и усилителе 38. Выходная шина соединена с выходом четвертого запоминающег элемента 7.

Параметры схемы запоминающего элемента выбраны так, чтобы выполнялись соотношения

R;-C« ,(I)

Rftx С Т,(2)

где R - выходное сопротивление сумматора 3 и ключа 36; С - емкость запоминающего конденсатора 37 в запоминающих элементах 4-8; R.. - входное сопротивление согласующего .усилителя 38 в запоминающих элементах 4-8 длительность импульса тактового генератора 20; Т - период повторения цикла

работы устройства. При выполнении неравенства (1) напряжение, до которого заряжается конденсатор запоминающего элемент, не зависит от изменения значения его емкости, а при выполнении неравенства (2) напряжение на конденсаторе остается неизменным в течение времени Т, когда ключ запоминающего элемента закрыт.

Усилитель 38 выполняет роль буферного усилителя и имеет коэффициент передачи 1 (повторитель).

Формирователь работает следующим .образом.

Тактовый генератор 20 за один цикл работы формирует последовательность из семи импульсов, которая повторяется с определенным периодом Т (фиг.2а-ж). При наличии импульса на управляющих входах входного, выходного ключей, ключей запоминающих элементов они включаются, а при отсутствии выключаются. Каждому выходу тактового генератора 20 соответствует

ex

г

такт работы форшфователл в течение одного цикла.

В первом такте работы формирователя , соответствующем наличию импульса по первому выходу тактового генератора 20 (фиг.2а), включается вход- Ной ключ 2, и входной сигнал, подаваемый на входн по 1 , проход;ит на второй вход сумматора 3 с коэффициентом К2.

Кроме того, в первом такте открывается одиннадцатый ныходноГг ключ 19 и напряжение с выхода второго запоминающего элемента 5 подается на де- вятьш вход сумматора 3 с коэ4)фициен- том К9. На выходе сумматора 3 образуется разность указанных напряжений, которая заряжает конденсатор 37 пятого запоминающего элемента 8, так как: в первом такте включается также ключ 36 пятого запошшающего элемен- та В. Результирующее напряжение, по- лучаемое на выходе пятого запоминающего элемента 8, рассчитывается по формуле

и.

и,

К2 - Uj,2 K9

(3)

3-Э5- вх

Все остальные ключи (1юрмирователя

0 в первом такте работы находятся в разомкнутом состоянии.

Во втором такте работы, соответствующем наличию импульса по второму выходу генератора 20 (фиг.2б),

с входной ключ 2, одиннадцатый выходной ключ 19 и ключ 36 пятого запоминающего элемента 8 размыкаютс я, а выходные ключи 15, 16 и 18 замыкаются. При этом на выходе пятого запомннаю0 щего элемента 8 сохраняются напряжение, записанное в предыдущем такте, которое через замкнутый ключ 18 поступает на восьмой вход сумматора 3 с коэффициентом передачи К8.

Кроме того, через замкнутые выходные ключи 15 и 16 напряжение с выхода четвертого запоь инающего элемента 7 подается на первый и шестой вход сумматора 3 соответственно. На

Q выходе сумматора 3 образуется напряжение, равное алгебраической cyiiMe указанных напряжений, которое заря-- жает конденсатор 37 третьего запоминающего элемента 6, так как его ключ 36 также замкнут сигнгшом управления, поступающим с второго выхрда тактового генератора 20 через первый элемент ИЛИ 21. Результирующее напряжение, получаемое на выходе треть5

5

его запоминающего элемента 6, рассчитывается по формуле

и

335

К8 +

и.Э4 - ЦмК (4)

В третьем такте работы, соответствующем наличию импульса по третьему выходу генератора 20 (фиг.2в), выходные ключи 15, 16 и 18 и ключ 36 третьего запоминающего элемента 6 размыкаются, а третий выходной ключ 11 замыкается управляющим сигналом, поступающим через второй элемент ИЛИ 22. При этом на выходе третьего запоминающего элемента 6 сохраняется напряжение, записан}1ое в предыдущем такте, которое через замкнутый тре- тий выходной ключ 11 поступает на первый вход сумматора 3, имеющий коэффициент передачи 1. Этот сигнал устанавливается на выходе четвертого запоминающего элемента 7, так как в третьем такте замыкается его ключ 36 и заряжается конденсатор 37. Напряжение рассчитывается по формуле

и,

и.

(5)

«4

где найдено по формуле (4).

В четвертом такте работы, соответствующем наличию импульса по четвертому выходу генератора 20 (фиг,2г), выходной ключ I1 и ключ 36 третьего запоминающего элемента 6 размыкается а первый 9, четвертый 12 и дев;гтый 17 выходные ключи замыкаются, подключая к первому, третьему и седьмому входам сумматора 3 соответственно выходы первого 4 и четвертого 7 запоминающих элементов. На выходе сумматора 3 образуется напряжение, равное алгебраической сумме указанных напряжений, которое заряжает конденсатор 37 третьего запоминающего элемента 6, так как его ключи 36 также замкнут сигналом управления, поступающим с четвертого выхода генератора 20 через первый элемент ИЛИ 21, Результирующее напряжение, получаемое на выходе третьего запоминающего элемента 6, рассчитывается по формуле

К8 + и,, -и,, . К4. (6)

и,

и.

Ъ-)Ъ iЭ4

В ПЯТОМ такте работы формирователя, соответствующем наличию импульса по пятому выходу генератора 20 (фиг.2д), выходные ключи 9, 12, 17 и ключ 36 третьего запоминающего элемента 6 размыкается, а третий выходной ключ 11 замыкается управляющим сигна

лом, поступающим через второй элемент ИЛИ 22 от тактового генератора 20.

При этом на выходе третьего запоминающего элемента 6 сохраняется напряжение, записанное в предьщущем такте, которое через замкнутый третий выходной ключ 11 поступает на первый вход сумматора 3, имеющий коэффициент передачи 1. Этот сигнал устанавливается на выходе первого запоминающего элемента 4, так как в пятом такте замыкается его ключ 36 и заряжается конденсатор 37, Напряжение рассчитывается по формуле

0

5

0

5

0

и.

и

53

(7)

ЬЭ I

где ,j найдено по формуле (6).

В шестом такте, соответствующему наличию импульса по шестому выходу генератора 20 (фиг.2е), выходной ключ 11 и ключ 36 третьего запоминающего элемента 6 размыкаются, а второй 10, пятый 13 и шестой 14 выходные ключи замыкаются, подключая к перво- fy, четвертому и пятому входам сумматора 3 соответственно выходь второго 5 и первого 4 запоминающих элементов. На выходе сумматора 3 образуется напряжение, равное алгебраической сумме указанных напряжений, которое заряжает конденсатор 37 третьего запоминающего элемента 6, так как его ключ 36 также замкнут сигналом управления, поступающим с шестого выхода генератора 20 через первый элемент ИЛИ 21. Результирующее напряжение, получаемое на выходе третьего запоминающего элемента 6, рассчитывается по формуле

5

0

5

и.

и.

К3,5г-и,г

К,

(8)

В седьмом такте работы, соответствующем наличию импульса по седьмому выходу генератора 20 (фиг,2ж), выходные ключи 10, 13 и 14 и ключ 36 третьего запоминающего элемента 6 размыкаются, а третий выходной ключ II замыкается управляющим сигналом, поступающим через второй элемент ИЛИ 22 от тактового генератора 20, При этом на выходе третьего запомина- ющего элемента 6 сохраняется напряжение, записанное в предыдущем такте, которое через замкнутый третий выходной ключ 11 поступает на первый вход сумматора 3, имеющий коэффициент передачи 1. Этот сигнал устанавливается на выходе второго запоминающего элемента 5, так как в седьмом такте замыкается его ключ 36 и заряжается конденсатор 37, Напряжение рассчитывается по формуле

и.

и.

(9)

. 353

где Uj найдено по формуле (8).

На этом первый цикл работы формирователя заканчивается. Далее цикл повторяется с периодом Т в соответствии с работой тактового генератора 20. Если на вход тактового формирователя подать единичный скачок напряжения, то на его выходе формируется напряжение с переходной характеристикой колебательного звена (фиг.З).

Переходная характеристика колебательного звена обеспечивается за счет того, что оно является дискретно-ана- логовым эквивалентом колебательного звена на операционных усилителях (фиг.4). В состав схемы колебательного звена входят три инерционных звена и сумматор. Обычно колебательное звено формируют на модели путем охвата отрицательной обратной связью инер- ционйого интегрирующего звена. Введение в контур обратной связи еще одного инерционного звена обеспечивает формирователю дополнительные свойства фильтрации.

Схемой формирователя (фиг,1) однозначно определяется соответствие запоминающих элементов (ЗЭ) функциональным узлам эквивалентной схемы колебательного звена (фиг.4).

Так, информация сумматора21(фиг.4) содержится в пятом запоминающем элементе 8 (фиг. 1 ),первого инерционного, звена ИЗ, (фиг.4) - в четвертом запоминающем элементе 7, второго инерционного звена И3(фиг.4) - в первом запоминающем элементе 4, третьего инерционного звена ИЗj (фиг,4) - во втором запоминающем элементе 5. Третий запоминающий элемент 6 используется многократно для формирования функции инерционного звена для ИЗ,

ИЗ

а

ИЗ,

В

первом такте работы устройства формируется функция суммирования, во втором и третьем - функция ИЗд, в четвертом и пятом - функция ИЗ, в шестом и седьмом - функция

ИЗ 2,.

Параметры колебательного звена- рассчнп |паются по следующим формулам.

524165

10

И,

И5

М,

КЗ Кб

К7 КЗ

j(5 К4

10 (10);

(12); (14);

из.

И1э

т

Кб

(Hi

т

КЗ

; (13)

т

К4

- ; (15)

к

(16); К К9. (17)

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Выбирая различные значения коэффи- цие нтов передачи К2-К9 или варьируя периодом повторения цикла решения Т, можно изменять параметры колебательного звена в широких пределах. При этом точность реализуемых параметров определяется только точностью выполнения коэффициентов передачи сумматора 3, периода повторения цикла ре- щения Т и не зависит от параметров конденсаторов запоминающих элементов (формулы 10-17).

Если входной сигнал подавать на входы других ключей, а выходной сигнал снимать с других запоминающих элементов, то формирователь может выполнять функцию одного или нескольких простых инерционных звеньев или двойного инерционного звена. Если выбрать равными нулю коэффициенты передачи по третьему, четвертому и шестому входам сумматора 3 (КЗ, К4, Кб), то формирователь может выполнять функции одного или нескольких интеграторов (формирователей линейно нарастающего напряжения) при подаче входных сигналов на вход соответствующего ключа устройства.

Технический эффект от использования предлагаемого формирователя заключается в том, что по сравнению с известным он обеспечивает не только формирование двух независимых высокостабильных ступенчатых напряжений, нарастающих по линейному или экспоненциальному законам, или формирование высокостабильного ступенчатого напряжения с переходной характеристикой двойного инерционного звена, но и формирование высокостабильного ступенчатого напряжения с переходной характеристикой колебательного ве- на.

Сформированные ступенчатые напряжения отличаются пысокой стабильностью, так как их параметры определяются только суммарной нестабильностью коэффициентов передачи сумматора 3 и периода повторения цикла решения Т, При использовании в схеме формирователя ступенчатого напряжени высокоточных резисторов легко достижима суммарная нестабильность коэф- фициента передачи, не превышающая 1%. Стабильность периода повторения может быть получена не хуже 0,01% при использовании в тактовом генераторе 20 задающего кварцевого генератора. В формирователе полностью исключены изменения параметров, обусловленные нестабильностью и начальными разбросами емкости конденсаторов, что позволяет более чем на.порядок повысить точность и стабильность параметров выходного сигнала формирователя, а . также обеспечить микроминиатюризацию устройства при реализации характеристик в области низких и инфранизких частот.

Формула изобретения

Формирователь ступенчатого напряжения, содержащий первый, второй и третий выходные ключи, входы которых соответственно подключены к выходам первого, второго и третьего запоминающих элементов, а выходы подключены к первому входу сумматора, второй вход которого через входной ключ соединен с входной шиной, выход сумматора подключен к входам первого, второго и третьего запоминаюгцих элементов, тактовый генератор, первый выход которого подключен к управляющему входу входного ключа, первьш и второй элементы ИЛИ, выходы которых соответственно соединены с управляющими входами третьего запоминающего элемента и третьего выходного ключа, четвертьй и пятый выходные ключи, входы которых соответственно подключены к вьгходам первого и второго запоминающих элементов, а выходы подключены соответственно к третьему и

четвертому входам сумматора, а также шестой выходной ключ, вход которого со един ell с выходом первого запоминающего элемента, а выход соединен с пятым входом сумматора, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения возможности формирования ступенчатого напряжения с характеристикой колебательного звена, в него введены с седьмого по одиннадцатый выходные ключи и четвертый и пятый запоминающие элементы, входы

которых подключены к выходу.сумматорам, причем выход четвертого запоминающего элемента соединен с выходной щиной устройства и через седьмой, восьмой и девятый выходные ключи соединен соответственно с первым, шестым и седьмым входами сумматора, выход пятого запоминающего элемента через десятьй выходной ключ соединен с восьмым входом сумматора, вход одиннадцатого выходного ключа соединен с выходом второго запоминающего элемента, а выход - с девятым входом сумматора, при этом первый выход тактового генератора соединен с управляющие- ми входами пятого запоминающего элемента и одиннадцатого выходного ключа, второй выход - с управляющими входами седьмого, восьмого, десятого выходных ключей и с первым входом первого элемента ИЛИ, третий выход - с управляющим входом четвертого запоминающего элемента и с первым входом второго элемента ИЛИ, четвертый выход - с управляюш 1ми входами первого, четвертого, 1,евятого выходных ключей и с вторым входом первого элемента ИЛИ, пятый выход - с управляющим входом первого запоминающего элемента и с вторым входом второго

элемента ИЛИ, шестой выход - с управляющими входами второго,пятого ,шестого i выходных ключей и с третьим входом - первого элемента ИЛИ, седьмой выход - с управляющим входом второго запоминающего элемента и с третьим входом второго элемента ИЛИ.

Вход

Фие. 2

Фиг.З

+

Вьмд